通过一个差分接口来延长SPI总线

niubility · 发表于 2022-7-22 10:43

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本文将介绍如何通过一个差分接口来延长串行外设接口（SPI）总线，而这可以应用在支持远程温度或压力传感器的系统的设计。

　　在SPI应用中，主控器件和受控器件间的距离相对较近，而信号也通常不会传递到印刷电路板（PCB）之外。SPI信号类似于单端、晶体管-晶体管逻辑（TTL）信号，根据应用的不同，运行速率可高达100Mbps。一条SPI总线由四个信号组成：系统时钟（SCLK），主器件输出从器件输入（MOSI），主器件输入从器件输出（MISO）和芯片选择（CS）。主控器件提供SCLK，MOSI和CS信号，而受控器件提供MISO信号。图1显示了一条标准SPI总线的总线架构。

　　图1：SPI 总线

　　如果用户需要将SPI信号从你的微控制器或数字信号处理器（DSP）上发送到电路板以外的远程电路板（包含一个模数转换器（ADC），一个数模转换器（DAC）或是其它器件）上，该怎么办呢？

　　由于以下几个原因，这种操作是具有一定挑战性的。

　　首先由未端接信号线路所导致的反射会严重影响信号完整性。而传输介质的特性阻抗和端接阻抗差异很大，会导致总线上的阻抗不匹配。其结果将会是从总线一端放射到另一端的能量驻波，从而导致通信误差。电磁干扰（EMI）也是一个问题，其原因是SPI信号的高频部分向外放射，导致此信号与邻近信号的混同的。

　　不过这里有一个简单的解决方法：使用差分信号。诸如SN65LVDT41和SN65LVDT14的差分收发器接收SPI信号，并将它们转换为低压差分信令（LVDS）。由于其抗噪性和带宽，LVDS在SPI应用中可以运转良好。一篇之前的《获得连接》博客之前有一篇文章论述了LVDS的基本原理和优势；点击这里查看这篇文章。

　　SN65LVDT41和SN65LVDT14的架构可以使整条SPI总线转化为支持LVDS：同一方向上用于MOSI，SCLK和CS信号的4个收发器，相反方向上用于MISO信号的1个收发器。LVDS芯片组也具有内置端接带来的额外优势，应用简单，还可以减少电路板空间本就非常宝贵的应用中的组件数量。图2显示的是使用上述芯片组的一个已扩展SPI总线架构的组成结构。这个实现方式并不要求必须使用5类屏蔽双绞线（STP），但是如果使用此类线缆的话，会使这种架构的实现方式更加简单。

　　图2：已扩展SPI总线

　　图3，4和5显示了SN65LVDT41和SN65LVDT14发射器在数倍于五类线的长度上发射速度为100Mbps时的性能。SN65LVDT41和SN65LVDT14内的接收器支持200mV输入耐受阀值，处于这些距离和速度下的发射器可以轻松符合这一耐受阀值。

　　图3：8米五类线100Mbps TX波形

　　图4：15米五类线100Mbps TX波形

　　图5：25米五类线100Mbps TX波形

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