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亚德诺新闻
适合工业应用的鲁棒SPI/I2C通信(一)
发布时间:2022-06-06        浏览次数:159        返回列表

评估和设计支持

电路评估板

CN0564参考设计板(eval-CN0564-ARDZ)

设计和集成文件

原理图、布局文件、物料清单

 

电路功能与优势 

对于控制器和外设之间的短距离电路板内连接,串行外设接口(SPI)和Inter-Integrated Circuit (I2C)接口是流行的事实上的通信标准。由于存在广泛的硬件和软件支持,SPI和I2C已被传感器、执行器和数据转换器制造商广泛采用。当控制器和外设位于同一电路板上、共享同一接地层且相距不远(不大于1米)时,这些接口的实现相当简单。

但是,状态监控、工厂自动化、楼宇自动化和结构监控等应用要求外设位于远程位置,通常远离控制器。系统设计人员传统上利用中继器或具有更高驱动强度的驱动器来扩展这些接口,其代价是整体成本和功耗增加。

图1所示电路轻而易举地解决了长距离、鲁棒SPI/I2C通信的问题,对电路元件数量、工作速度或软件复杂性则没有任何影响。为了在高噪声、恶劣的工业环境中无错误运行,器件必须能承受较大地电位差。SPI/I2C扩展器具有鲁棒的收发器,可在±25V(SPI通信)和±15V(I2C通信)的扩展共模范围内工作,支持长达1200米的距离。每个链路由位于电缆任一端的单个器件组成,电源电压范围为3V至5.5V,而单独的逻辑电源允许I2C或SPI接口从1.62V至5.5V电源供电。扩展器还提供了用于故障监测的内部控制接口;当长距离监测设备时,这非常重要。

ADI 技术文章图1 - 适合工业应用的鲁棒SPII2C通信

1.eval-CN0564-ARDZ简化功能框图 

ADI公司的Circuits from the Lab™电路由ADI工程师设计构建。每个电路的设计和构建都严格遵循标准工程规范,电路的功能和性能都在实验室环境中以室温条件进行了测试和检验。然而,您需负责自行测试电路,并确定对您是否适用。因而,ADI公司将不对由任何原因、连接到任何所用参考电路上的任何物品所导致的直接、间接、特殊、偶然、必然或者惩罚性的损害负责。(下接最后一页)

 

电路描述 

I2C信号标准综述 

I2C是用于双向双线接口的串行协议,可将EEPROM、模数和数模转换器、I/O接口及其他外设连接到嵌入式处理器。由于简单且可扩展,它在传感器领域非常受欢迎。总线上可以存在多个器件,每个器件都有自己的地址。它只需要2条线便可在器件之间传输数据。这2条线包括:

SCL - 串行时钟信号线

SDA - 用于在控制器和外设之间发送和接收数据的串行数据线 

SCL和SDA信号是开漏逻辑,I2C总线规范和用户手册(规范 - I2C总线)中定义了逻辑电平和时序规格 

给定I2C总线上可以存在的外设数量受地址空间和最大400 pF的总线总电容限制。开漏逻辑具有相对较高的阻抗和较低的噪声抗扰度,这就要求所有外设以低阻抗连接到公共接地回路,并且在100kHz时,最大总线长度以大约一米为限。CN0564则不同,它具有差分收发器,可将总线长度扩展至1200米,并能承受控制器和外设之间±15V的共模压差。

SDA本质上是双向的,在事务处理过程中,控制器与外设之间的数据流向会改变方向。虽然不是很常见,但是I2C支持时钟延展,即外设可以让SCK保持低电平以减慢时钟速率。因此,SCL也是双向的。I2C的双向性质使其不便于利用缓冲器扩展、隔离或转换到其他物理层,这需要多种逻辑电平和其他非标准技术。

常见I2C总线速度为100 kHz标准模式和400 kHz快速模式。LTC4331控制器接口支持2000 kHz的所有常见I2C时钟速率。然而,在高时钟频率和长电缆的情况下,强烈建议使用完全支持SCL时钟延展的控制器。(更多信息请参阅LTC4331数据手册)

 

SPI信号标准综述

串行外设接口(SPI)是一种同步串行通信接口规范,用于短距离通信,主要用在嵌入式系统中。与I2C不同,SPI的定义不严格。它支持多种时钟频率、逻辑电平和时序关系,需要仔细检查控制器和外设规格。SPI是全双工通信(即数据既可从控制器流向外设,同时也可从外设流向控制器)。

SPI物理层由4个信号组成:

SCLK - 串行时钟,通常由控制器驱动

MISO - 控制器数据输入、外设数据输出

MOSI - 控制器数据输出、外设数据输入

ADI 技术文章图2 - 适合工业应用的鲁棒SPII2C通信

2.SPI配置模式

 

时钟和数据之间支持四种不同的时序关系,分别称为模式0、1、2、3,对应于四种可能的时钟配置。每个事务都是在片选线被驱动到逻辑低电平时开始(片选通常是低电平有效信号)。片选、数据和时钟线之间的确切关系取决于时钟极性(CPOL)和时钟相位(CPHA)的配置。这四种模式总结在图2中。 

LTC4332最多支持3个远程外设,每个外设都有自己的CS线。每个外设的SPI模式都可以独立设置为模式0、1、2或3。数据从控制器透明地传输到外设,但从外设到控制器的数据会引入一个字的延迟。有关更多信息,请参阅一字延迟 - SPI读取命令部分。

 

系统拓扑

CN0564使用LTC4331和LTC4332来扩展I2C和SPI信号,距离最长可达1200米。每个链路由一对器件组成,控制器侧配置为本地模式(REMOTE引脚接低电平),外设侧器件配置为远程模式(REMOTE引脚接高电平)。

 

电路描述

LTC4332/LTC4331将来自控制器的SPI/I2C信号编码为差分信号,然后通过双绞线电缆传输。在电缆的远端,差分信号由远程LTC4332/LTC4331接收并解码回SPI/I2C,然后路由到远程外设。正常工作时,远程外设会镜像本地控制器产生的事件。

 

可选波特率 

LTC4332/LTC4331可以使用可选速度索引(如表1和表2所示)改变链路波特率——即数据在本地和远程链路之间传输的速度。此速度索引通过配置链路和接口时序选择引脚SPEED1和SPEED2来设置,这两个引脚均为三态输入。 

电缆上的可选波特率支持根据应用要求平衡性能与电缆长度。但是,链路两侧的速度配置必须相同。

1.LTC4331链路速度与电缆长度的关系

QQ截图20220606132655

2.LTC4332链路速度与电缆长度的关系

QQ截图20220606132721


增加电缆传输长度

LTC4332/LTC4331利用高速差分收发器在最长1200米的链路上通信。I2C/SPI信号转换为差分信号以实现高速高质量信号传输、噪声抗扰度和共模抑制。对于给定的速度设置,必须遵守表1(适用于LTC4331)和表2(适用于LTC4332)中给出的电缆长度规格,否则链路不会工作。表中的值是在实验室环境中使用Cat5E以太网电缆测得。请注意,实际最大电缆长度取决于电缆类型和应用环境。

 

共模电压和ESD鲁棒性 

差分收发器工作在±25V(SPI扩展器)和±15V(I2C扩展器)的扩展共模范围内,因此它适合于高噪声环境或存在地电位差的系统(参见图1)。

接口引脚(LTC4331 A和B引脚,LTC4332 A、B、Y和Z引脚)具有故障保护功能,可承受±60V的电压。接口引脚还有异常鲁棒的静电放电(ESD)保护特性。在所有工作模式下,或在未供电时,接口引脚能承受相对于GND和VCC(带4.7μF电容接GND)的±40kV HBM ESD(人体模型测试),而不会发生闩锁或损坏。

另外,LTC4331/LTC4332 ESD均通过了国际电工委员会(IEC) ESD和EFT(电气快速瞬态)测试。IEC ESD应力在峰值电流、幅度和上升时间方面均超过了HBM测试,而EFT测试提供了长时间的重复应力。这种保护等级可确保LTC4332/LTC4331在各种实际危险下都能如常运行。

 

一字延迟 - SPI读取命令

在I2C通信的情况下,LTC4331(本地)- LTC4331(远程)链路是透明的;远程外设显示为本地控制器的本地器件。

但是,对于SPI扩展器解决方案,LTC4332(本地)- LTC4332(远程)在读访问期间会引起一个字的延迟。从SPI控制器发送到外设的数据会经历与控制器启动的接口时钟(SCK)相同的延迟,因此两者在整个数据链路上会保持同步。

在相反方向上,仅当时钟沿到达外设时,外设才将MISO数据发送到控制器。此数据在返回控制器的路径上会经历第二次延迟,因此MISO数据会不同步,偏差为电缆传输延迟的两倍。物理上较远的器件将需要大大降低时钟速率以适应每个比特宽度内的传输延迟。为了克服这种限制,LTC4332将移位寄存器引入MISO信号路径,如图3所示。

ADI 技术文章图3 - 适合工业应用的鲁棒SPII2C通信

3.将移位寄存器引入MISO信号路径以适应传输延迟

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