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輕鬆實現隔離式SPI通訊

本文作者:Thomas Brand       點擊: 2019-11-13 11:51
前言:
監測和控制不同的系統需要能夠直接存取感測器和驅動器,其最好是從一個中心位置採用標準化通訊方法(例如串列周邊介面(SPI))進行存取。SPI是一種同步串列資料匯流排,可協助設備和中央控制單元之間進行長距離的資料交換。通訊操作遵從主從原則,是全雙工的。SPI介面包含三行:SDI、SDO和SCK。

SPI通訊方法適用的線纜距離不超過10米,通訊距離更長時,通常需要用到中繼器,這是因為隨著線纜增長,其線纜阻抗相應增加,由此導致訊號衰減。然後必須再次放大訊號。與此同時,線路會獲得更高的訊號雜訊比(SNR)。可利用isoSPI通訊介面IC等元件來讀取這些訊號,例如ADI 的 LTC6820。得益於該元件的創新式設計,可以使用雙絞線電纜和適用的變壓器來增強電氣隔離,由此相對輕鬆地最大化SPI通訊。

由於工業環境通常比較惡劣,所以需要使用電氣隔離通訊部件來保護使用者免受危險電壓影響,同時確保系統的可靠性。此外,儘管偶爾會出現共模電壓,隔離也可以説明實現精準測量。因此,要將輸入級與系統的其餘級分隔開來,同時仍然實現連接,隔離閘的使用就非常關鍵。

圖1顯示了所有從伺服器如何受一個主要伺服器控制。主要伺服器和從伺服器可以是微控制器或ADC,通常通過自身的SPI介面與感測器或微控制器連接。因此,LTC6820能夠在兩個完全電氣隔離的元件之間實現SPI通訊所需的雙向資料傳輸。它將來自主要伺服器的SPI訊號編碼為速率最高1 Mbps的差分訊號,然後透過電氣隔離柵和雙絞線傳輸。到了電纜另一端之後,差分訊號再次由LTC6820接收並解碼為SPI訊號,然後再路由到從伺服器匯流排。LTC6820還提供驅動訊號通過隔離柵所需的電流。這些電流通過外部電阻,調整為符合系統要求的值,例如所需的線纜長度、SNR和抗擾度。
 

圖1.隔離式SPI介面,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,資料速率仍是有限的,取決於電纜長度。例如,圖1中使用100米CAT5電纜的電路的資料速率僅為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,資料速率與電纜長度的關係。

透過使用isoSPI通訊IC,可以簡化遠距離隔離傳輸SPI通訊訊號電路的複雜性,因為可以省去傳統電路通常需要的大量元件。此外,使用LTC6820可以實現最長100米的通訊距離(在工業設定中並不少見)。LTC6820還可輕鬆實現菊鍊應用(一個主控制器控制多個從控制器)。而且,該元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險的充電單元(例如,鋰離子電池),需要實施電氣隔離通訊。
 

 

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