【導(dǎo)讀】對于控制器和外設(shè)之間的短距離電路板內(nèi)連接，串行外設(shè)接口(SPI)和Inter-Integrated Circuit (I2C)接口是流行的事實(shí)上的通信標(biāo)準(zhǔn)。由于存在廣泛的硬件和軟件支持，SPI和I2C已被傳感器、執(zhí)行器和數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器制造商廣泛采用。當(dāng)控制器和外設(shè)位于同一電路板上、共享同一接地層且相距不遠(yuǎn)（不大于1米）時，這些接口的實(shí)現(xiàn)相當(dāng)簡單。
評估和設(shè)計支持
電路評估板
CN0564參考設(shè)計板(EVAL-CN0564-ARDZ)
設(shè)計和集成文件
原理圖、布局文件、物料清單
電路功能與優(yōu)勢
對于控制器和外設(shè)之間的短距離電路板內(nèi)連接，串行外設(shè)接口(SPI)和Inter-Integrated Circuit (I2C)接口是流行的事實(shí)上的通信標(biāo)準(zhǔn)。由于存在廣泛的硬件和軟件支持，SPI和I2C已被傳感器、執(zhí)行器和數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器制造商廣泛采用。當(dāng)控制器和外設(shè)位于同一電路板上、共享同一接地層且相距不遠(yuǎn)（不大于1米）時，這些接口的實(shí)現(xiàn)相當(dāng)簡單。
但是，狀態(tài)監(jiān)控、工廠自動化、樓宇自動化和結(jié)構(gòu)監(jiān)控等應(yīng)用要求外設(shè)位于遠(yuǎn)程位置，通常遠(yuǎn)離控制器。系統(tǒng)設(shè)計人員傳統(tǒng)上利用中繼器或具有更高驅(qū)動強(qiáng)度的驅(qū)動器來擴(kuò)展這些接口，其代價是整體成本和功耗增加。
圖1所示電路輕而易舉地解決了長距離、魯棒SPI/I2C通信的問題，對電路元件數(shù)量、工作速度或軟件復(fù)雜性則沒有任何影響。為了在高噪聲、惡劣的工業(yè)環(huán)境中無錯誤運(yùn)行，器件必須能承受較大地電位差。SPI/I2C擴(kuò)展器具有魯棒的收發(fā)器，可在±25V（SPI通信）和±15V（I2C通信）的擴(kuò)展共模范圍內(nèi)工作，支持長達(dá)1200米的距離。每個鏈路由位于電纜任一端的單個器件組成，電源電壓范圍為3V至5.5V，而單獨(dú)的邏輯電源允許I2C或SPI接口從1.62V至5.5V電源供電。擴(kuò)展器還提供了用于故障監(jiān)測的內(nèi)部控制接口；當(dāng)長距離監(jiān)測設(shè)備時，這非常重要。
圖1.EVAL-CN0564-ARDZ簡化功能框圖
ADI公司的Circuits from the Lab?電路由ADI工程師設(shè)計構(gòu)建。每個電路的設(shè)計和構(gòu)建都嚴(yán)格遵循標(biāo)準(zhǔn)工程規(guī)范，電路的功能和性能都在實(shí)驗(yàn)室環(huán)境中以室溫條件進(jìn)行了測試和檢驗(yàn)。然而，您需負(fù)責(zé)自行測試電路，并確定對您是否適用。因而，ADI公司將不對由任何原因、連接到任何所用參考電路上的任何物品所導(dǎo)致的直接、間接、特殊、偶然、必然或者懲罰性的損害負(fù)責(zé)。
電路描述
I2C信號標(biāo)準(zhǔn)綜述
I2C是用于雙向雙線接口的串行協(xié)議，可將EEPROM、模數(shù)和數(shù)模轉(zhuǎn)換器、I/O接口及其他外設(shè)連接到嵌入式處理器。由于簡單且可擴(kuò)展，它在傳感器領(lǐng)域非常受歡迎。總線上可以存在多個器件，每個器件都有自己的唯一地址。它只需要2條線便可在器件之間傳輸數(shù)據(jù)。這2條線包括：
SCL - 串行時鐘信號線
SDA - 用于在控制器和外設(shè)之間發(fā)送和接收數(shù)據(jù)的串行數(shù)據(jù)線
SCL和SDA信號是開漏邏輯，I2C總線規(guī)范和用戶手冊（規(guī)范 - I2C總線）中定義了邏輯電平和時序規(guī)格
給定I2C總線上可以存在的外設(shè)數(shù)量受地址空間和最大400 pF的總線總電容限制。開漏邏輯具有相對較高的阻抗和較低的噪聲抗擾度，這就要求所有外設(shè)以低阻抗連接到公共接地回路，并且在100kHz時，最大總線長度以大約一米為限。CN0564則不同，它具有差分收發(fā)器，可將總線長度擴(kuò)展至1200米，并能承受控制器和外設(shè)之間最高±15V的共模壓差。
SDA本質(zhì)上是雙向的，在事務(wù)處理過程中，控制器與外設(shè)之間的數(shù)據(jù)流向會改變方向。雖然不是很常見，但是I2C支持時鐘延展，即外設(shè)可以讓SCK保持低電平以減慢時鐘速率。因此，SCL也是雙向的。I2C的雙向性質(zhì)使其不便于利用緩沖器擴(kuò)展、隔離或轉(zhuǎn)換到其他物理層，這需要多種邏輯電平和其他非標(biāo)準(zhǔn)技術(shù)。
常見I2C總線速度為100 kHz標(biāo)準(zhǔn)模式和400 kHz快速模式。LTC4331控制器接口支持最高2000 kHz的所有常見I2C時鐘速率。然而，在高時鐘頻率和長電纜的情況下，強(qiáng)烈建議使用完全支持SCL時鐘延展的控制器。（更多信息請參閱LTC4331數(shù)據(jù)手冊）
SPI信號標(biāo)準(zhǔn)綜述
串行外設(shè)接口(SPI)是一種同步串行通信接口規(guī)范，用于短距離通信，主要用在嵌入式系統(tǒng)中。與I2C不同，SPI的定義不嚴(yán)格。它支持多種時鐘頻率、邏輯電平和時序關(guān)系，需要仔細(xì)檢查控制器和外設(shè)規(guī)格。SPI是全雙工通信（即數(shù)據(jù)既可從控制器流向外設(shè)，同時也可從外設(shè)流向控制器）。
SPI物理層由4個信號組成：
SCLK - 串行時鐘，通常由控制器驅(qū)動
MISO - 控制器數(shù)據(jù)輸入、外設(shè)數(shù)據(jù)輸出
MOSI - 控制器數(shù)據(jù)輸出、外設(shè)數(shù)據(jù)輸入
- 片選使能與外設(shè)通信。每個外設(shè)需要一條線。
SPI引腳使用推挽邏輯（而不是開漏），控制器和外設(shè)之間的邏輯電平必須匹配。每個外設(shè)都需要自己的信號，這使SPI總線的物理擴(kuò)展進(jìn)一步復(fù)雜化。
圖2.SPI配置模式
時鐘和數(shù)據(jù)之間支持四種不同的時序關(guān)系，分別稱為模式0、1、2、3，對應(yīng)于四種可能的時鐘配置。每個事務(wù)都是在片選線被驅(qū)動到邏輯低電平時開始（片選通常是低電平有效信號）。片選、數(shù)據(jù)和時鐘線之間的確切關(guān)系取決于時鐘極性(CPOL)和時鐘相位(CPHA)的配置。這四種模式總結(jié)在圖2中。
LTC4332最多支持3個遠(yuǎn)程外設(shè)，每個外設(shè)都有自己的線。每個外設(shè)的SPI模式都可以獨(dú)立設(shè)置為模式0、1、2或3。數(shù)據(jù)從控制器透明地傳輸?shù)酵庠O(shè)，但從外設(shè)到控制器的數(shù)據(jù)會引入一個字的延遲。有關(guān)更多信息，請參閱一字延遲 - SPI讀取命令部分。
系統(tǒng)拓?fù)?/p>
CN0564使用LTC4331和LTC4332來擴(kuò)展I2C和SPI信號，距離最長可達(dá)1200米。每個鏈路由一對器件組成，控制器側(cè)配置為本地模式（REMOTE引腳接低電平），外設(shè)側(cè)器件配置為遠(yuǎn)程模式（REMOTE引腳接高電平）。
電路描述
LTC4332/LTC4331將來自控制器的SPI/I2C信號編碼為差分信號，然后通過雙絞線電纜傳輸。在電纜的遠(yuǎn)端，差分信號由遠(yuǎn)程LTC4332/LTC4331接收并解碼回SPI/I2C，然后路由到遠(yuǎn)程外設(shè)。正常工作時，遠(yuǎn)程外設(shè)會鏡像本地控制器產(chǎn)生的事件。
可選波特率
LTC4332/LTC4331可以使用可選速度索引（如表1和表2所示）改變鏈路波特率——即數(shù)據(jù)在本地和遠(yuǎn)程鏈路之間傳輸?shù)乃俣取４怂俣人饕ㄟ^配置鏈路和接口時序選擇引腳SPEED1和SPEED2來設(shè)置，這兩個引腳均為三態(tài)輸入。
電纜上的可選波特率支持根據(jù)應(yīng)用要求平衡性能與電纜長度。但是，鏈路兩側(cè)的速度配置必須相同。
表1.LTC4331鏈路速度與電纜長度的關(guān)系
表2.LTC4332鏈路速度與電纜長度的關(guān)系
增加電纜傳輸長度
LTC4332/LTC4331利用高速差分收發(fā)器在最長1200米的鏈路上通信。I2C/SPI信號轉(zhuǎn)換為差分信號以實(shí)現(xiàn)高速高質(zhì)量信號傳輸、噪聲抗擾度和共模抑制。對于給定的速度設(shè)置，必須遵守表1（適用于LTC4331）和表2（適用于LTC4332）中給出的電纜長度規(guī)格，否則鏈路不會工作。表中的值是在實(shí)驗(yàn)室環(huán)境中使用Cat5E以太網(wǎng)電纜測得。請注意，實(shí)際最大電纜長度取決于電纜類型和應(yīng)用環(huán)境。
共模電壓和ESD魯棒性
差分收發(fā)器工作在±25V（SPI擴(kuò)展器）和±15V（I2C擴(kuò)展器）的擴(kuò)展共模范圍內(nèi)，因此它適合于高噪聲環(huán)境或存在地電位差的系統(tǒng)（參見圖1）。
接口引腳（LTC4331 A和B引腳，LTC4332 A、B、Y和Z引腳）具有故障保護(hù)功能，可承受最高±60V的電壓。接口引腳還有異常魯棒的靜電放電(ESD)保護(hù)特性。在所有工作模式下，或在未供電時，接口引腳能承受相對于GND和VCC（帶4.7μF電容接GND）的±40kV HBM ESD（人體模型測試），而不會發(fā)生閂鎖或損壞。
另外，LTC4331/LTC4332 ESD均通過了國際電工委員會(IEC) ESD和EFT（電氣快速瞬態(tài)）測試。IEC ESD應(yīng)力在峰值電流、幅度和上升時間方面均超過了HBM測試，而EFT測試提供了長時間的重復(fù)應(yīng)力。這種保護(hù)等級可確保LTC4332/LTC4331在各種實(shí)際危險下都能如常運(yùn)行。
一字延遲 - SPI讀取命令
在I2C通信的情況下，LTC4331（本地）- LTC4331（遠(yuǎn)程）鏈路是透明的；遠(yuǎn)程外設(shè)顯示為本地控制器的本地器件。
但是，對于SPI擴(kuò)展器解決方案，LTC4332（本地）- LTC4332（遠(yuǎn)程）在讀訪問期間會引起一個字的延遲。從SPI控制器發(fā)送到外設(shè)的數(shù)據(jù)會經(jīng)歷與控制器啟動的接口時鐘(SCK)相同的延遲，因此兩者在整個數(shù)據(jù)鏈路上會保持同步。
在相反方向上，僅當(dāng)?shù)谝粫r鐘沿到達(dá)外設(shè)時，外設(shè)才將MISO數(shù)據(jù)發(fā)送到控制器。此數(shù)據(jù)在返回控制器的路徑上會經(jīng)歷第二次延遲，因此MISO數(shù)據(jù)會不同步，偏差為電纜傳輸延遲的兩倍。物理上較遠(yuǎn)的器件將需要大大降低時鐘速率以適應(yīng)每個比特寬度內(nèi)的傳輸延遲。為了克服這種限制，LTC4332將移位寄存器引入MISO信號路徑，如圖3所示。
圖3.將移位寄存器引入MISO信號路徑以適應(yīng)傳輸延遲
電路描述
因此，對遠(yuǎn)程外設(shè)的SPI寫請求是軟件透明的，但對遠(yuǎn)程外設(shè)的SPI讀請求會產(chǎn)生一個字的延遲，這意味著讀取命令需要擴(kuò)展一個字。若不如此，則當(dāng)片選取消置位時，LTC4332 MISO移位寄存器中的最后一個字會丟失。WORD_LENGTH寄存器（參見LTC4332數(shù)據(jù)手冊中的寄存器映射）表示LTC4332上MISO信號路徑中的移位寄存器的深度，決定了SPI控制器何時開始在MISO線上接收有效數(shù)據(jù)。例如，若WORD_LENGTH為8，則在置為有效后經(jīng)過8個時鐘周期，用戶將開始接收有效MISO數(shù)據(jù)。
故障監(jiān)控
LTC4331/LTC4332引腳表示通信鏈路的狀態(tài)，驅(qū)動到低電平時表示遠(yuǎn)程I2C/SPI總線已加入本地I2C/SPI總線。
LTC4331/LTC4332支持中斷信號，LTC4331上為引腳，LTC4332上為引腳。這些信號從遠(yuǎn)程總線鏡像到本地總線。在遠(yuǎn)程端，中斷引腳是輸入，可以連接到相連I2C/SPI外設(shè)的中斷輸出。在本地端，/用作開漏輸出，可以連接到共享本地中斷線。如果使能，本地LTC4331/LTC4332的控制接口將使用/引腳報告鏈路和故障事件。本地側(cè)ALERT/INT輸出是遠(yuǎn)程/與內(nèi)部端點(diǎn)中斷信號的邏輯“與”結(jié)果。
本地側(cè)LTC4331/LTC4332還可以通過讓ON引腳保持低電平至少180ms來觸發(fā)遠(yuǎn)程側(cè)復(fù)位。如果鏈路斷開，遠(yuǎn)程LTC4331/LTC4332會在180ms后自動復(fù)位。遠(yuǎn)程復(fù)位會禁用所有遠(yuǎn)程側(cè)輸出，直到重新建立鏈路通信。
圖4.讀/寫故障監(jiān)控寄存器的控制接口時序圖
LTC4331/LTC4332控制接口
要配置LTC4331/LTC4332鏈路本地側(cè)的控制接口，可使用單獨(dú)的內(nèi)部可尋址外設(shè)。通過配置引腳A1和A2，可為本地LTC4331的內(nèi)部接口分配一個唯一的I2C地址。LTC4332則提供了單獨(dú)的片選引腳，允許用戶與內(nèi)部SPI可尋址寄存器通信。
圖5.LTC4332（左側(cè)）和LTC4331（右側(cè)）的內(nèi)部框圖
LTC4331/LTC4332控制接口支持讀取速度配置、鏈路狀態(tài)和中斷/警報狀態(tài)，以及訪問其他I2C/SPI特定選項(xiàng)。LTC4331可以配置為將I2C地址轉(zhuǎn)換為遠(yuǎn)程外設(shè)，從而擴(kuò)展I2C地址空間并防止地址沖突。LTC4332允許每個CS引腳使用獨(dú)立的SPI模式配置，以及配置字長（用于確定所接收的數(shù)據(jù)延遲）。有關(guān)更多信息，請參閱LTC4331和LTC4332數(shù)據(jù)手冊。
PCB尺寸
PCB設(shè)計中的元件密度增加會導(dǎo)致復(fù)雜的問題。為了編碼SPI或I2C，通常需要額外的微控制器，這會增加解決方案成本和尺寸，但使用CN0564的話，遠(yuǎn)程側(cè)無需額外的微控制器。這樣可實(shí)現(xiàn)更小的傳感器解決方案，其占用的PCB面積更小，從而降低制造總成本，并為其他元件留下更多空間以提供更多特性。
圖6.LTC4331（I2C擴(kuò)展器）和LTC4332（SPI擴(kuò)展器）的本地EVAL-CN0564-ARDZ節(jié)點(diǎn)和遠(yuǎn)程節(jié)點(diǎn)
擴(kuò)展傳感器接口功能
更長傳輸距離的傳感器接口傳統(tǒng)上使用模擬信號技術(shù)，例如0-10V或4-20 mA。例如，在狀態(tài)監(jiān)控應(yīng)用中，集成電子壓電(IEPE)傳感器接口是振動傳感器最常用的信號標(biāo)準(zhǔn)。它為振動傳感器提供恒定電流源，傳感器輸出電壓通過相同線路讀回。當(dāng)傳輸交流信號內(nèi)容時，這種雙線系統(tǒng)可以簡化系統(tǒng)設(shè)計，但不提供額外的故障監(jiān)控或配置能力。
LTC4332/LTC4331則支持靈活的配置和處理，發(fā)生故障事件時可直接在數(shù)字輸出傳感器上輕松調(diào)試。
常見變化
當(dāng)本地和遠(yuǎn)程地電位之差超過容許的±25V (LTC4332)或±15V (LTC4331)時，需要使用電氣隔離。使用ADUM141E或ADUM140E之類的數(shù)字隔離器，可以將I2C/SPI信號與EVAL-CN0564-ARDZ上的本地LTC4331/ LTC4332進(jìn)行電氣隔離，如圖7所示。
ADUM5020可為本地LTC4331/LTC4332提供高達(dá)100mA的隔離電源。
圖7.包含對數(shù)據(jù)和電源信號進(jìn)行電氣隔離的框圖
電路評估與測試
以下部分介紹CN0564如何設(shè)置和測試。EVAL-CN0564-ARDZ可以與Arduino或Arduino兼容設(shè)備配合使用，以利用EVAL-ADXL357Z讀取加速度數(shù)據(jù)，從而輕松評估SPI (LTC4332)和I2C (LTC4331)擴(kuò)展器。以下部分側(cè)重于在EVAL-CN0564-ARDZ上設(shè)置SPI擴(kuò)展器（本地和遠(yuǎn)程LTC4332）。
有關(guān)完整的設(shè)置詳情，以及SPI和I2C擴(kuò)展器（本地和遠(yuǎn)程LTC4331/LTC4332）上的設(shè)置說明，請?jiān)L問EVAL-CN0564-ARDZ用戶指南。
設(shè)備要求
● 帶USB端口的PC
● EVAL-CN0564-ARDZ評估板
● EVAL-ADXL357評估板
● EVAL-XLMOUNT1
● Arduino UNO Rev 3
● USB A型轉(zhuǎn)USB B型電纜
● 跳線
● 5V/3.3V電源
開始使用
1. 下載為評估EVAL-CN0564-ARDZ評估板上的SPI或I2C擴(kuò)展器而提供的Arduino草圖，并使用它對Arduino進(jìn)行編程。
2. 將EVAL-CN0564-ARDZ板插入Arduino Uno Rev 3
3. 將EVAL-CN0564-ARDZ上的LTC4332（遠(yuǎn)程側(cè)）連接到EVAL-ADXL357
4. 使用雙絞線中的跳線將LTC4332（本地側(cè)）連接到LTC4332（遠(yuǎn)程側(cè)）
5. 跳線連接如下：
a. 正確放置P10跳線，使得P10上的引腳2和3在EVAL-CN0564-ARDZ上相連。這將選擇5V電源選項(xiàng)。
b. JP1跳線應(yīng)放置到位置D，以將本地LTC4332上的從器件/片選引腳連接到Arduino UNO Rev 3上的D10引腳。
c. JP5跳線應(yīng)放置到位置A，以將本地LTC4332上的引腳連接到Arduino UNO Rev 3上的D6引腳。
d. JP3跳線應(yīng)放置到位置B，以將本地LTC4332上的中斷引腳連接到Arduino UNO Rev 3上的D2引腳。
e. 默認(rèn)情況下，遠(yuǎn)程LTC4332選擇速度索引8。本地側(cè)的速度索引應(yīng)與遠(yuǎn)程側(cè)相同。
f. 應(yīng)將P1跳線放置到位，使得其引腳2和3相連。同樣，還應(yīng)將P2跳線放置到位，使得其引腳2和3相連。這將選擇速度索引8以匹配本地側(cè)的速度索引。
g. 正確放置P19跳線，使得其引腳1和2相連。這會將本地LTC4332上的ON引腳連接到IOREF。這將使能輸入。
圖8.本地和遠(yuǎn)程LTC4332上的跳線配置
系統(tǒng)測試
將EVAL-ADXL357Z和遠(yuǎn)程LTC4332安裝在EVAL-XLMOUNT1上，然后接通為電路板供電的電源。現(xiàn)在應(yīng)能夠在EVAL-CN0564-ARDZ板上看到3個LED閃爍（本地2個LED，遠(yuǎn)程側(cè)1個LED）。完整系統(tǒng)框圖參見圖9。
MEMS加速度計（遠(yuǎn)程側(cè)EVAL-ADXL357Z上）讀取的X、Y和Z數(shù)據(jù)將顯示在Arduino串行監(jiān)視器上。退出Arduino串行監(jiān)視器并運(yùn)行Python Real Time ADXL357 Data Plotter可執(zhí)行文件，查看加速度數(shù)據(jù)的實(shí)時圖，如圖10所示的圖形。
X、Y和Z加速度(g)數(shù)據(jù)由python腳本存儲在三個單獨(dú)的文件中，可以在包含可執(zhí)行文件的位置中找到。
電路評估與測試
圖9.采用ADXL357和Arduino UNO Rev 3的EVAL-CN0564-ARDZ系統(tǒng)測試設(shè)置
電路評估與測試
圖10.加速度數(shù)據(jù)的實(shí)時圖
也可以獲得圖11所示的FFT分析，以使用所獲得的X、Y和Z數(shù)據(jù)識別目標(biāo)頻率。FFT分析常用于監(jiān)視旋轉(zhuǎn)部件的健康狀況。預(yù)測性維護(hù)(PdM)是智能行業(yè)的關(guān)鍵組成部分，其涉及在運(yùn)行期間監(jiān)控設(shè)備以檢測潛在故障的預(yù)警跡象。有關(guān)如何分析狀態(tài)監(jiān)控(CbM)系統(tǒng)中的振動數(shù)據(jù)的更多信息，請參閱此文章。
圖11.Z軸加速度數(shù)據(jù)的FFT分析
ESD警告
ESD（靜電放電）敏感器件。帶電器件和電路板可能會在沒有察覺的情況下放電。盡管本產(chǎn)品具有專利或?qū)Ｓ斜Ｗo(hù)電路，但在遇到高能量ESD時，器件可能會損壞。因此，應(yīng)當(dāng)采取適當(dāng)?shù)腅SD防范措施，以避免器件性能下降或功能喪失。
Circuits from the Lab電路僅供與ADI公司產(chǎn)品一起使用，并且其知識產(chǎn)權(quán)歸ADI公司或其授權(quán)方所有。雖然您可以在產(chǎn)品設(shè)計中使用參考電路，但是并未默認(rèn)授予其它許可，或是通過此參考電路的應(yīng)用及使用而獲得任何專利或其它知識產(chǎn)權(quán)。ADI公司確信其所提供的信息是準(zhǔn)確可靠的。不過，Circuits from the Lab電路是以“原樣”的方式提供的，并不具有任何性質(zhì)的承諾，包括但不限于：明示、暗示或者法定承諾，任何適銷性、非侵權(quán)或者某特定用途實(shí)用性的暗示承諾，ADI公司無需為參考電路的使用承擔(dān)任何責(zé)任，也不對那些可能由于其使用而造成任何專利或其它第三方權(quán)利的侵權(quán)負(fù)責(zé)。ADI公司有權(quán)隨時修改任何參考電路，恕不另行通知。
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