實(shí)現(xiàn)隔離式SPI通信不再難

監(jiān)測(cè)和控制不同的系統(tǒng)需要能夠直接訪問(wèn)傳感器和驅(qū)動(dòng)器，最好是從一個(gè)中心位置，采用標(biāo)準(zhǔn)化通信方法（例如串行外設(shè)接口(SPI)）進(jìn)行訪問(wèn)。SPI是一種同步串行數(shù)據(jù)總線，幫助設(shè)備和中央控制單元之間進(jìn)行長(zhǎng)距離的數(shù)據(jù)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通信方法適用的線纜距離不超過(guò)10米，通信距離更長(zhǎng)時(shí)，通常需要用到中繼器，這是因?yàn)殡S著線纜增長(zhǎng)，其線纜阻抗相應(yīng)增加，由此導(dǎo)致信號(hào)衰減。然后必須再次放大信號(hào)。與此同時(shí)，線路會(huì)獲得更高的信噪比(SNR)。可利用ADI公司提供的isoSPI通信接口IC LTC6820 等器件來(lái)讀取這些信號(hào)。

得益于該器件的創(chuàng)新式設(shè)計(jì)，可以使用雙絞線電纜和適用的變壓器來(lái)增強(qiáng)電氣隔離，由此相對(duì)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(hù)用戶免受危險(xiǎn)電壓影響，同時(shí)確保系統(tǒng)的可靠性。此外，盡管偶爾會(huì)出現(xiàn)共模電壓，隔離也可以幫助實(shí)現(xiàn)精確測(cè)量。因此，要將輸入級(jí)與系統(tǒng)的其余級(jí)分隔開(kāi)來(lái)，同時(shí)仍然實(shí)現(xiàn)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(xiàn)SPI通信所需的雙向數(shù)據(jù)傳輸。它將來(lái)自主服務(wù)器的SPI信號(hào)編碼為速率最高1 Mbps的差分信號(hào)，然后通過(guò)電氣隔離柵和雙絞線傳輸。到了電纜另一端之后，差分信號(hào)再次由LTC6820接收并解碼為SPI信號(hào)，然后再路由到從服務(wù)器總線。LTC6820還提供驅(qū)動(dòng)信號(hào)通過(guò)隔離柵所需的電流。這些電流通過(guò)外部電阻，調(diào)整為符合系統(tǒng)要求的值，例如所需的線纜長(zhǎng)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(qǐng)注意，雖然使用了SPI中繼器，數(shù)據(jù)速率仍是有限的，取決于電纜長(zhǎng)度。例如，圖1中使用100米CAT5電纜的電路的數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)速率與電纜長(zhǎng)度的關(guān)系。

通過(guò)使用isoSPI通信IC，可以簡(jiǎn)化遠(yuǎn)距離隔離傳輸SPI通信信號(hào)電路的復(fù)雜性，因?yàn)榭梢允∪鹘y(tǒng)電路通常需要的大量組件。此外，使用LTC6820可以實(shí)現(xiàn)最長(zhǎng)100米的通信距離（在工業(yè)設(shè)置中并不少見(jiàn)）。LTC6820還可輕松實(shí)現(xiàn)菊花鏈應(yīng)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(jiān)測(cè)系統(tǒng)應(yīng)用，這是因?yàn)殡姵乇O(jiān)測(cè)系統(tǒng)包含部分可能存在爆炸風(fēng)險(xiǎn)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(guó)慕尼黑的ADI公司，當(dāng)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(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用工程師培訓(xùn)生項(xiàng)目。2017年2月，他開(kāi)始擔(dān)任現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用工程師職位，主要負(fù)責(zé)工業(yè)大客戶。此外，他還專注于研究工業(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(guó)莫斯巴赫的聯(lián)合教育大學(xué)電氣工程專業(yè)，之后在德國(guó)康斯坦茨應(yīng)用科學(xué)大學(xué)獲得國(guó)際銷售碩士學(xué)位。