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工程分享:如何通過一個(gè)差分接口來延長SPI總線?

發(fā)布時(shí)間:2015-05-07 責(zé)任編輯:sherry

【導(dǎo)讀】本文將介紹如何通過一個(gè)差分接口來延長串行外設(shè)接口 (SPI) 總線,而這可以應(yīng)用在支持遠(yuǎn)程溫度或壓力傳感器的系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。
差分接口
在SPI應(yīng)用中,主控器件和受控器件間的距離相對較近,而信號也通常不會(huì)傳遞到印刷電路板 (PCB) 之外。SPI信號類似于單端、晶體管-晶體管邏輯 (TTL) 信號,根據(jù)應(yīng)用的不同,運(yùn)行速率可高達(dá)100Mbps。一條SPI總線由四個(gè)信號組成:系統(tǒng)時(shí)鐘 (SCLK) ,主器件輸出從器件輸入 (MOSI) ,主器件輸入從器件輸出 (MISO) 和芯片選擇 (CS) 。主控器件提供SCLK,MOSI和CS信號,而受控器件提供MISO信號。圖1顯示了一條標(biāo)準(zhǔn)SPI總線的總線架構(gòu)。
SPI 總線
圖1:SPI 總線
 
如果用戶需要將SPI信號從你的微控制器或數(shù)字信號處理器 (DSP) 上發(fā)送到電路板以外的遠(yuǎn)程電路板(包含一個(gè)模數(shù)轉(zhuǎn)換器 (ADC),一個(gè)數(shù)模轉(zhuǎn)換器 (DAC) 或是其它器件)上,該怎么辦呢?
 
由于以下幾個(gè)原因,這種操作是具有一定挑戰(zhàn)性的。
 
首先由未端接信號線路所導(dǎo)致的反射會(huì)嚴(yán)重影響信號完整性。而傳輸介質(zhì)的特性阻抗和端接阻抗差異很大,會(huì)導(dǎo)致總線上的阻抗不匹配。其結(jié)果將會(huì)是從總線一端放射到另一端的能量駐波,從而導(dǎo)致通信誤差。電磁干擾 (EMI) 也是一個(gè)問題,其原因是SPI信號的高頻部分向外放射,導(dǎo)致此信號與鄰近信號的混同的。
 
不過這里有一個(gè)簡單的解決方法:使用差分信號。諸如SN65LVDT41和SN65LVDT14的差分收發(fā)器接收SPI信號,并將它們轉(zhuǎn)換為低壓差分信令 (LVDS) 。由于其抗噪性和帶寬,LVDS在SPI應(yīng)用中可以運(yùn)轉(zhuǎn)良好。一篇之前的《獲得連接》博客之前有一篇文章論述了LVDS的基本原理和優(yōu)勢;點(diǎn)擊這里查看這篇文章。
 
SN65LVDT41和SN65LVDT14的架構(gòu)可以使整條SPI總線轉(zhuǎn)化為支持LVDS:同一方向上用于MOSI,SCLK和CS信號的4個(gè)收發(fā)器,相反方向上用于MISO信號的1個(gè)收發(fā)器。LVDS芯片組也具有內(nèi)置端接帶來的額外優(yōu)勢,應(yīng)用簡單,還可以減少電路板空間本就非常寶貴的應(yīng)用中的組件數(shù)量。圖2顯示的是使用上述芯片組的一個(gè)已擴(kuò)展SPI總線架構(gòu)的組成結(jié)構(gòu)。這個(gè)實(shí)現(xiàn)方式并不要求必須使用5類屏蔽雙絞線 (STP) ,但是如果使用此類線纜的話,會(huì)使這種架構(gòu)的實(shí)現(xiàn)方式更加簡單。
已擴(kuò)展SPI總線
圖2:已擴(kuò)展SPI總線
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圖3,4和5顯示了SN65LVDT41和SN65LVDT14發(fā)射器在數(shù)倍于五類線的長度上發(fā)射速度為100Mbps時(shí)的性能。SN65LVDT41和SN65LVDT14內(nèi)的接收器支持200mV輸入耐受閥值,處于這些距離和速度下的發(fā)射器可以輕松符合這一耐受閥值。
15米五類線100Mbps TX波形
圖4:15米五類線100Mbps TX波形
25米五類線100Mbps TX波形
圖5:25米五類線100Mbps TX波形
 
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