實(shí)現隔離式SPI通信不再難

監測和控制不同的系統需要能夠直接訪(fǎng)問(wèn)傳感器和驅動(dòng)器，最好是從一個(gè)中心位置，采用標準化通信方法（例如串行外設接口(SPI)）進(jìn)行訪(fǎng)問(wèn)。SPI是一種同步串行數據總線(xiàn)，幫助設備和中央控制單元之間進(jìn)行長(cháng)距離的數據交換。通信操作遵從主從原則，是全雙工的。SPI接口包含三行：SDI、SDO和SCK。

SPI通信方法適用的線(xiàn)纜距離不超過(guò)10米，通信距離更長(cháng)時(shí)，通常需要用到中繼器，這是因為隨著(zhù)線(xiàn)纜增長(cháng)，其線(xiàn)纜阻抗相應增加，由此導致信號衰減。然后必須再次放大信號。與此同時(shí)，線(xiàn)路會(huì )獲得更高的信噪比(SNR)?？衫肁DI公司提供的isoSPI通信接口IC LTC6820 等器件來(lái)讀取這些信號。

得益于該器件的創(chuàng )新式設計，可以使用雙絞線(xiàn)電纜和適用的變壓器來(lái)增強電氣隔離，由此相對輕松地最大化SPI通信。

由于工業(yè)環(huán)境通常比較惡劣，所以需要使用電氣隔離通信部件來(lái)保護用戶(hù)免受危險電壓影響，同時(shí)確保系統的可靠性。此外，盡管偶爾會(huì )出現共模電壓，隔離也可以幫助實(shí)現精確測量。因此，要將輸入級與系統的其余級分隔開(kāi)來(lái)，同時(shí)仍然實(shí)現連接，隔離柵的使用就非常關(guān)鍵。

圖1顯示了所有從服務(wù)器如何受一個(gè)主服務(wù)器控制。主服務(wù)器和從服務(wù)器可以是微控制器或ADC，通常通過(guò)自身的SPI接口與傳感器或微控制器連接。因此，LTC6820能夠在兩個(gè)完全電氣隔離的器件之間實(shí)現SPI通信所需的雙向數據傳輸。它將來(lái)自主服務(wù)器的SPI信號編碼為速率最高1 Mbps的差分信號，然后通過(guò)電氣隔離柵和雙絞線(xiàn)傳輸。到了電纜另一端之后，差分信號再次由LTC6820接收并解碼為SPI信號，然后再路由到從服務(wù)器總線(xiàn)。LTC6820還提供驅動(dòng)信號通過(guò)隔離柵所需的電流。這些電流通過(guò)外部電阻，調整為符合系統要求的值，例如所需的線(xiàn)纜長(cháng)度、SNR和抗擾度。

圖1.隔離式SPI接口，通過(guò)共用的主控制器來(lái)控制多個(gè)電路板（從控制器）。

但是請注意，雖然使用了SPI中繼器，數據速率仍是有限的，取決于電纜長(cháng)度。例如，圖1中使用100米CAT5電纜的電路的數據速率僅為0.5 Mbps左右，是LTC6820所能提供的1 Mbps最大值的一半（見(jiàn)圖2）。

圖2.使用CAT5電纜時(shí)，數據速率與電纜長(cháng)度的關(guān)系。

通過(guò)使用isoSPI通信IC，可以簡(jiǎn)化遠距離隔離傳輸SPI通信信號電路的復雜性，因為可以省去傳統電路通常需要的大量組件。此外，使用LTC6820可以實(shí)現最長(cháng)100米的通信距離（在工業(yè)設置中并不少見(jiàn)）。LTC6820還可輕松實(shí)現菊花鏈應用（一個(gè)主控制器控制多個(gè)從控制器）。而且，該器件非常適合電池監測系統應用，這是因為電池監測系統包含部分可能存在爆炸風(fēng)險的充電單元（例如，鋰離子電池），需要實(shí)施電氣隔離通信。

作者簡(jiǎn)介

Thomas Brand于2015年10月加入德國慕尼黑的ADI公司，當時(shí)他還在攻讀碩士。2016年5月至2017年1月，他參加了ADI公司的現場(chǎng)應用工程師培訓生項目。2017年2月，他開(kāi)始擔任現場(chǎng)應用工程師職位，主要負責工業(yè)大客戶(hù)。此外，他還專(zhuān)注于研究工業(yè)以太網(wǎng)，并為中歐的相關(guān)事務(wù)提供支持。

他畢業(yè)于德國莫斯巴赫的聯(lián)合教育大學(xué)電氣工程專(zhuān)業(yè)，之后在德國康斯坦茨應用科學(xué)大學(xué)獲得國際銷(xiāo)售碩士學(xué)位。