如何通過(guò)一個(gè)差分接口來(lái)延長(cháng)SPI總線(xiàn)

本文將介紹如何通過(guò)一個(gè)差分接口來(lái)延長(cháng)串行外設接口 (SPI) 總線(xiàn)，而這可以應用在支持遠程溫度或壓力傳感器的系統的設計。

在SPI應用中，主控器件和受控器件間的距離相對較近，而信號也通常不會(huì )傳遞到印刷電路板 (PCB) 之外。SPI信號類(lèi)似于單端、晶體管-晶體管邏輯 (TTL) 信號，根據應用的不同，運行速率可高達100Mbps。一條SPI總線(xiàn)由四個(gè)信號組成：系統時(shí)鐘 (SCLK) ，主器件輸出從器件輸入 (MOSI) ，主器件輸入從器件輸出 (MISO) 和芯片選擇 (CS) 。主控器件提供SCLK，MOSI和CS信號，而受控器件提供MISO信號。圖1顯示了一條標準SPI總線(xiàn)的總線(xiàn)架構。

圖1：SPI 總線(xiàn)

如果用戶(hù)需要將SPI信號從你的微控制器或數字信號處理器 (DSP) 上發(fā)送到電路板以外的遠程電路板(包含一個(gè)模數轉換器 (ADC)，一個(gè)數模轉換器 (DAC) 或是其它器件)上，該怎么辦呢?

由于以下幾個(gè)原因，這種操作是具有一定挑戰性的。

首先由未端接信號線(xiàn)路所導致的反射會(huì )嚴重影響信號完整性。而傳輸介質(zhì)的特性阻抗和端接阻抗差異很大，會(huì )導致總線(xiàn)上的阻抗不匹配。其結果將會(huì )是從總線(xiàn)一端放射到另一端的能量駐波，從而導致通信誤差。電磁干擾 (EMI) 也是一個(gè)問(wèn)題，其原因是SPI信號的高頻部分向外放射，導致此信號與鄰近信號的混同的。

不過(guò)這里有一個(gè)簡(jiǎn)單的解決方法：使用差分信號。諸如SN65LVDT41和SN65LVDT14的差分收發(fā)器接收SPI信號，并將它們轉換為低壓差分信令 (LVDS) 。由于其抗噪性和帶寬，LVDS在SPI應用中可以運轉良好。一篇之前的《獲得連接》博客之前有一篇文章論述了LVDS的基本原理和優(yōu)勢;點(diǎn)擊這里查看這篇文章。

SN65LVDT41和SN65LVDT14的架構可以使整條SPI總線(xiàn)轉化為支持LVDS：同一方向上用于MOSI，SCLK和CS信號的4個(gè)收發(fā)器，相反方向上用于MISO信號的1個(gè)收發(fā)器。LVDS芯片組也具有內置端接帶來(lái)的額外優(yōu)勢，應用簡(jiǎn)單，還可以減少電路板空間本就非常寶貴的應用中的組件數量。圖2顯示的是使用上述芯片組的一個(gè)已擴展SPI總線(xiàn)架構的組成結構。這個(gè)實(shí)現方式并不要求必須使用5類(lèi)屏蔽雙絞線(xiàn) (STP) ，但是如果使用此類(lèi)線(xiàn)纜的話(huà)，會(huì )使這種架構的實(shí)現方式更加簡(jiǎn)單。

圖2：已擴展SPI總線(xiàn)

圖3，4和5顯示了SN65LVDT41和SN65LVDT14發(fā)射器在數倍于五類(lèi)線(xiàn)的長(cháng)度上發(fā)射速度為100Mbps時(shí)的性能。SN65LVDT41和SN65LVDT14內的接收器支持200mV輸入耐受閥值，處于這些距離和速度下的發(fā)射器可以輕松符合這一耐受閥值。

圖3：8米五類(lèi)線(xiàn)100Mbps TX波形

圖4：15米五類(lèi)線(xiàn)100Mbps TX波形

圖5：25米五類(lèi)線(xiàn)100Mbps TX波形

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