介紹

串行外設接口(SPI)是工業設備中常用于數字處理器核心和外圍設備之間通信的一種協議。然而，為了安全使用，有必要對外圍設備和核心進行電隔離。雖然隔離和SPI都是成熟的技術，但將兩者接口并不像預期的那么簡單。

SPI概述

串行外設接口(SPI)是一種設備間總線協議，它在主設備和多個從設備之一之間提供快速、同步的全雙工通信。主設備(如MCU或FPGA)驅動時鐘并選擇從設備(如ADC或數字輸出驅動器)進行地址。每個SPI設備由一個移位寄存器和控制電路組成，使所選設備同時發送和接收。在SPI通信中使用了4個信號，如圖1所示。

圖1主屬/從屬SPI連接

SCLK：所有設備所使用的同步時鐘。驅動這個時鐘，程序接收它。請注意，SCLK可以被門控控制，并且不需要在SPI事務之間被驅動。

MOSI：驅動，程序。在主服務器上也稱為DO，在從服務器上也稱為DI。這是由主機驅動的主數據線到SPI總線上的所有從服務器。只有從MOSI中選擇的從時鐘數據。

驅動，程序。也在主服務器上被稱為DI，在程序服務器上被稱為DO。這是由選定的從服務器到主服務器驅動的主數據線。只有選定的從機可以驅動此信號。

芯片選擇，這個信號是每個從機唯一的。當活動(通常較低)時，所選從服務器必須基于SCLK轉換驅動MISO。

工業應用所面臨的挑戰

對于許多工業控制應用程序，數字處理器核心(MCU)和 I/O模塊設備之間的通信路徑必須被隔離。隔離有助于盡量減少噪聲和地面回路問題，也為昂貴的控制單元(mcu或FPGAs)和設備操作人員提供保護。傳統的信號隔離方法是使用光耦合器。然而，一些缺點使得光耦合器不適合現代、高速、SPI數據傳輸應用程序。光耦合器引入長傳播延遲，功耗高，體積大。更小的CMOS電容式數字隔離芯片現在已經取代了光耦合器。然而，數字隔離器的使用本身并不是靈丹妙藥。為了使數字隔離器有效地用于高速SPI通信中，它們必須滿足幾個具有挑戰性的電壓和定時參數，如圖2所示。

通常，隔離器的模擬域和數字域中的電壓處于不同的水平。為了使隔離器有效，它必須能夠在這兩個領域的盡可能寬的電壓范圍內工作。此外，由于SPI是一個事實上的標準，而不是一個正式的標準，因此沒有明確定義的時鐘頻率。盡管許多遺留設備可能使用在5MHz-10MHz范圍內的時鐘頻率，但許多較新的設備有更高的速度數據傳輸要求，使用在50MHz 75MHz之間的時鐘頻率。一個有效的隔離器必須能夠在此較寬的SPI頻率范圍內工作。

圖2高速SPI的關鍵定時參數

通過在主設備和從設備之間放置數字隔離器，可以為SPI總線創建額外的信號延遲。主服務器使用上升的時鐘邊緣來發送數據(T第1頁對于SCLK)和采樣從從屬服務器發送回的數據的下降邊(T第2頁MISO)。系統設計人員需要檢查定時預算，以確保隔離器的傳播延遲沒有違反主服務器對采樣 MISO的定時要求。否則，主數據將失去同步性，或者在接收/傳輸的數據中引入錯誤，如圖3所示。

單個數字隔離器部分可以由多個隔離通道組成(通常在1和4個之間)。因此，在隔離器通道之間匹配延遲是至關重要的。否則，可能會引入傳播延遲傾斜。這一點很重要，例如，一個時鐘通過隔離器的一個通道傳輸，而數據通過另一個通道傳輸。

最后，在電路中增加一個數字隔離器，顯然會導致電流消耗的增加。一個有效的隔離器不應過度影響功率預算，以避免在小型外殼中散熱。

圖3由于隔離器延遲而導致的時間不匹配

ADC通過使用MAX14935和MAX12930數字隔離器與FPGA進行隔離。SCLK時鐘數據(MOSI)從FPGA到ADC。在ADC的輸入端，孤立的SCLK表示為CLK，孤立的MOSI表示為DIN。在低速SPI通信期間，主時鐘也被用于反向移動的時鐘數據(MISO)。為了補償主時鐘(SCLK)已經被正向方向的隔離延遲的事實，當從ADC到FPGA的反向計時數據時，返回CLK的副本(隔離的SCLK)。這確保了CLK和DOUT的時間在它們被隔離時仍然同步，并分別到達FPGA作為RETURN_SCLK和MISO。

圖4：典型的高速SPI隔離電路

為了使這種安排成功，不僅要有低的隔離器傳播延遲和低的信道間偏斜，而且要有低的部分對部分偏斜。Maxim集成公司的MAX1493x和MAX1293x系列CMOS數字隔離器是專門設計的，以滿足這些要求，并確保電路安排能夠成功實現，以在高速SPI通信中提供隔離(圖5)。

圖5時鐘返回主的計時

結論

基于Maxim專有的電容隔離技術，MAX1493x和MAX1293x系列的數字隔離器為系統設計者提供了最高程度的高速SPI隔離的靈活性。它們提供高隔離電壓保護(高達5kVrms)，同時也支持高達150Mbps的數據速率。這些部件運行在一個較寬的電源電壓范圍(1.71V至5.5V)內，典型的傳播延遲為5ns (7.5ns，最大)。最大脈沖寬度失真為1ns，結合最大信道對通道偏斜為0.9ns和最大部分對部分偏斜為3ns，確保了高速SPI通信電路的可靠運行。

MAX1493x和MAX1293x每部分最多提供4個隔離通道，也非常適用于可編程邏輯控制器(plc)，電信-醫療儀器和醫療器械的應用。

審核編輯：湯梓紅