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Isolated SPI Communication Made Easy 作者：Thomas Brand ADI現(xiàn)場應(yīng)用工程師 監(jiān)測和控制不同的系統(tǒng)需要能夠直接訪問傳感器和驅(qū)動器，最好是從一個中心位置，采用標準化通信方法（例如串行外設(shè)接口(SPI)）進行訪問。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行長距離的數(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10米，通信距離更長時，通常需要用到中繼器，這是因為隨著線纜增長，其線纜阻抗相應(yīng)增加，由此導(dǎo)致信號衰減。然后必須再次放大信號。與此同時，線路會獲得更高的信噪比(SNR)。可利用ADI公司提供的isoSPI通信接口IC LTC6820 等器件來讀取這些信號。 得益于該器件的創(chuàng)新式設(shè)計，可以使用雙絞線電纜和適用的變壓器來增強電氣隔離，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保護用戶免受危險電壓影響，同時確保系統(tǒng)的可靠性。此外，盡管偶爾會出現(xiàn)共模電壓，隔離也可以幫助實現(xiàn)精確測量。因此，要將輸入級與系統(tǒng)的其余級分隔開來，同時仍然實現(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能夠在兩個完全電氣隔離的器件之間實現(xiàn)SPI通信所需的雙向數(shù)據(jù)傳輸。它將來自主服務(wù)器的SPI信號編碼為速率最高1 Mbps的差分信號，然后通過電氣隔離柵和雙絞線傳輸。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。LTC6820還提供驅(qū)動信號通過隔離柵所需的電流。這些電流通過外部電阻，調(diào)整為符合系統(tǒng)要求的值，例如所需的線纜長度、SNR和抗擾度。 
圖1.隔離式SPI接口，通過共用的主控制器來控制多個電路板（從控制器）。 但是請注意，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（見圖2）。
圖2.使用CAT5電纜時，數(shù)據(jù)速率與電纜長度的關(guān)系。 通過使用isoSPI通信IC，可以簡化遠距離隔離傳輸SPI通信信號電路的復(fù)雜性，因為可以省去傳統(tǒng)電路通常需要的大量組件。此外，使用LTC6820可以實現(xiàn)最長100米的通信距離（在工業(yè)設(shè)置中并不少見）。LTC6820還可輕松實現(xiàn)菊花鏈應(yīng)用（一個主控制器控制多個從控制器）。而且，該器件非常適合電池監(jiān)測系統(tǒng)應(yīng)用，這是因為電池監(jiān)測系統(tǒng)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），需要實施電氣隔離通信。 作者簡介 Thomas Brand于2015年10月加入德國慕尼黑的ADI公司，當時他還在攻讀碩士。2016年5月至2017年1月，他參加了ADI公司的現(xiàn)場應(yīng)用工程師培訓(xùn)生項目。2017年2月，他開始擔(dān)任現(xiàn)場應(yīng)用工程師職位，主要負責(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)，之后在德國康斯坦茨應(yīng)用科學(xué)大學(xué)獲得國際銷售碩士學(xué)位。聯(lián)系方式：thomas.brand@analog.com。 |
