高效的物聯網（IoT）設計必須平衡通常相互作用的一系列要求。低成本很重要，但通常支持應用程序所需的所有關鍵功能會增加MCU引腳數和內存大小 - 這兩項功能可以降低成本。低功耗對于必須進行電池操作的物聯網應用也很重要。但是，添加功能和提高性能可以提高功率要求。顯然，在所有這些要求之間找到適當的平衡可能是一個問題，但這只是工程師對尖端設計所期望的挑戰類型。

削減這種設計的最有效方法之一Gordian knot是尋找能夠以不同方式構建問題的系統架構變更。例如，有效地使用串行接口可以減少MCU所需的引腳數量，并有助于優化電路板空間，功耗和性能。有效使用MCU SPI外設可以做到這一點。本文將展示一些說明性的IoT應用示例，其中SPI樣式的外設提供了新的架構選項，可顯著提高效率。

面向成本的嵌入式設計中的SPI連接

設計成本導向系統時最困難的任務之一是平衡功能和成本。在基于MCU的設計中，這個難題通常表現為需要向MCU添加額外的引腳，以便可以將額外的外設添加到系統中。外圍設備提供的額外功能是重要的差異化因素，希望使設計對于用戶而言比僅使用標準MCU的設計更有價值。畢竟，沒有外圍設備的MCU很難與其他基于MCU的設計區別開來。

雖然在許多基于MCU的設計中確實是一個軟件將一個設計與另一個設計區分開來通常情況下，軟件和外部硬件的創新組合更具吸引力。在面向成本的設計中，這可能更為重要，因為增加用戶價值比僅保持低成本更重要。在快速增長且具有競爭力的物聯網市場中，找到合適的價值對于產品成功至關重要。

在以低成本平衡其他功能時，最常見的架構方法之一是使用低引腳數串行接口標準將MCU連接到外部外設。當多個外設可以共享相同的低引腳數接口時，它可以大大減少MCU所需的引腳數量，從而可以使用低成本，低引腳數的MCU。低引腳數外設通常比其高引腳數的同類產品便宜，因此可以進一步降低系統成本。較小的引腳數可以減少電路板空間，還可以減少所需的走線數量。這降低了制造復雜性，因為印刷電路板上需要的信號層較少。

最流行的串行接口之一是串行外設接口（SPI）標準，該標準旨在簡化外設與MCU的互連。如圖1所示，該接口在外設上只需要四個信號 - 串行時鐘輸入（SCLK），主輸出從輸入（MOSI），主輸入從輸出（MISO）和從選擇（SSn） 。這四個信號足以支持總線，其中多個外設都連接到主機控制器。主機與所選外圍設備通信，并通過MOSI或MISO信號發送數據或接收數據。傳輸長度為8到16位，傳輸速度取決于實現，但通常可提供10到100 Mbps的比特率。 SPI通常用于具有低帶寬要求的外設，如傳感器，閃存和模數轉換器。

圖1：SPI控制器和外設最小化互連。 （由Wavefront Marketing提供）

有關SPI標準的更多信息，Digi-Key有幾個產品培訓模塊，討論SPI標準和支持SPI實現的各種器件。感興趣的讀者可以使用這些來深入了解SPI標準的細節。

MCU SPI外設控制

大多數現代MCU都有SPI控制器外設，可以輕松高效地管理多個SPI總線。控制器通常可以配置為主機或外設，MCU作為主機和外設都不常見。例如，在機箱管理應用中，MCU可以作為機箱內各種傳感器的主機，同時還充當主機箱控制器處理器的外圍設備，通常使用MCU作為遠程傳感器的分布式聚合器來卸載重要的“低級別” “從主CPU處理。這可以提高主CPU的處理效率并降低整個控制子系統的功率。圖2顯示了恩智浦LPC1756F MCU的SPI控制器框圖，它說明了大多數SPI控制器的主要元件。

圖2：恩智浦LPC1756 MCU SPI控制器框圖（由恩智浦提供）

移位寄存器塊用于與各種通信總線上的SPI外設，可以是主機模式，也可以是外設模式。時鐘發生器和檢測器以主機模式提供時鐘源，并以外設模式接收時鐘。輸出使能邏輯用于確定SPI總線上信號的方向，具體取決于操作模式。 SPI寄存器接口提供對外設內配置和數據寄存器的訪問。最后，狀態控制塊管理外設的所有SPI操作。

恩智浦LPC1756F MCU還有另一個SPI控制器外設SPI0/1，除SPI外還支持4線和MICROWIRE接口。它還包括FIFO緩沖區，可通過DMA訪問。當提供多個SPI選項時，請確保將SPI外設控制器與外部設備的需求相匹配。例如，傳感器可能不需要DMA，但外部存儲器可以從SPI控制器內的DMA功能中獲益。

SPI控制器硬件只是SPI解決方案的一部分。查看控制器隨附的軟件功能也很有用。通常，使用評估或開發套件可以最好地演示支持軟件。例如，瑞薩RX600演示套件包含驅動程序和示例代碼，可用于評估目標SPI外設控制器的實現難易程度。該板包括SPI閃存和SPI EEPROM，因此可以使用驅動程序和示例代碼來簡化實現。該套件還具有觸摸屏LCD，因此如果目標應用程序將內存用于圖形用戶界面，則可以使用大部分代碼。請記住您的目標應用程序以及如何使用SPI總線，以便盡可能多地利用開發套件中提供的代碼。

SPI內存

使用小型廉價MCU的缺點是，應用程序可能沒有足夠的片上內存。與使用更大，更昂貴的MCU相比，使用外部存儲器可能更具成本效益。實際上，由于外部存儲器通常可以提供比高容量MCU提供的存儲容量更多的存儲器，因此將使用外部存儲器的設計與使用片上存儲器的設計區分開來要容易得多。通過足夠的存儲，用戶界面可以更直觀，本地數據可以更容易地存儲，直到傳輸數據更加節能，視頻和音頻更容易支持，并且可以支持具有更多智能的用戶功能。如果您正在尋找增加設計價值的方法，外部存儲器是一個很好的選擇。

通過使用具有SPI總線的現代閃存，可以添加外部容量，而無需大量的MCU引腳。這可以降低成本并簡化訪問外部存儲器所需的軟件。例如，STMicroelectronics M95xxx EEPROM采用小型8 SOIC封裝的SPI總線。類似的器件可與其他串行接口一起使用，如圖3所示.MICROWIRE和I 2 C型接口使用2線或4線，因此它們可能適合減少MCU引腳數，但請注意時鐘頻率差異：SPI版本可以比其他兩個器件快10到20倍的速度運行。這是SPI趨向于更受歡迎的原因之一，它可以支持更高的時鐘速率，因此應用程序可以快速傳輸數據，通常也可以更高效地傳輸數據。 （傳輸數據越快，器件上電所需的時間就越短。）

圖3：STMicroelectronics串行接口EEPROM的特性 - M24C/M95/M93C。 （由STMicroelectronics提供）

也可以使用采用閃存技術的SPI總線存儲器件。例如，美光科技M25P05是一款512-Kbit SPI NOR閃存，時鐘頻率為50 MHz。數據可以一次編程為1到256個字節，這使得它在傳感器和日志記錄應用中非常有用，因為少量的寫操作是常態。它具有1μA的深度掉電模式，并提供各種小型低引腳數封裝，如SO8，VFQFPN8，TSSOP8和UFDFPN8。寫保護功能允許將部分存儲器配置為只讀，并且額外的寫保護信號支持額外的硬件保護模式，以防止數據在過度嘈雜的環境中損壞。低功耗和強大的數據保護在工業物聯網（IIoT）應用中非常有用，其中遠程能量收集傳感器通常放置在嘈雜的環境中。

小型專用存儲器也可用作SPI外設。例如，Microchip Technology提供用于存儲以太網MAC地址的小型SPI存儲器。 Microchip 25AA02E是一款2-Kbit EEPROM，可預編程使用與EUI-48和EUI-64兼容的全球唯一48位或64位節點地址。它采用小型8位SOIC，價格低廉，待機模式下僅消耗1μA，因此可以輕松添加到需要預算的以太網連接的嵌入式應用中。

SPI外設

現在，SPI總線可以使用各種用于檢測和監控的外設功能。也許MCU應用中最通用的外設是模數轉換器（ADC）。通常需要將模擬傳感器輸出轉換為數字，如果片上ADC不提供所需功能，則可能需要外部ADC。此外，如果需要許多ADC輸入，使用具有許多輸入的外部器件可能更具成本效益，以保持MCU引腳數低。例如，ADI公司的AD7298BC SPI兼容ADC具有12位分辨率，8個輸入，片上溫度傳感器和1 MSPS的快速吞吐量。片上通道序列器可以通過預編程序列輕松監控多個輸入，從而簡化通道管理。它具有低于10μA的斷電電流和小型20引腳LFCSP的可用性，非常適合小板空間，低功耗應用。

在物聯網應用中，加速度計和陀螺儀傳感器可用于跟蹤，定位，安全和定位功能。通常可以組合找到這些類型的傳感器以簡化實施。此外，當多個傳感器與本地MCU緊密耦合時，可以組合來自多個傳感器的讀數以創建更智能的功能。例如，如果定義了允許的加速度和方向窗口，MCU可以將讀數與窗口設置進行比較，除非讀數超出可接受的范圍，否則無需生成警報。這最大限度地減少了管理CPU的開銷，通常是比MCU更耗電的設備。 STMicroelectronics LSM6DS0TR在單芯片上包含3D加速度計和3D陀螺儀傳感器。兩個傳感器可以同時使用，或者在加速度計激活時可以關閉陀螺儀。 SPI總線用于配置和獲取讀數，并保持較小的引腳數，因此可用于LGA-16L封裝。該設備的框圖（圖4）顯示了上部的加速度計和下部的陀螺儀。 SPI總線顯示在圖的右下方。

圖4：STMicroelectronics SPI加速度計和陀螺儀傳感器的框圖（由STMicroelectronics提供）

該器件最重要的功能之一是數據寄存器FIFO。 FIFO為每個陀螺儀的三個輸出通道 - 俯仰，偏航和滾動提供32個16位數據槽。它還為三個加速度計輸出通道X，Y和Z中的每一個提供16位數據FIFO。這樣可以為系統節省一致的功率，因為MCU不需要連續輪詢來自傳感器的數據，但它可以喚醒僅在需要時啟動并快速從FIFO中突發數據。

基于MCU的設計中另一種流行的傳感器是霍爾效應傳感器。該傳感器通常用于定位系統，其中物體的角位置，旋轉速度和方向是重要的。霍爾效應允許使用由磁場產生的電流進行非接觸式感測。一些霍爾效應器件使用圓形垂直霍爾（CVH）技術來簡化傳感和支持數字電路的集成。例如，Allegro Microsystems A1334霍爾效應360度角度傳感器使用片上CVH傳感器以及模擬前端，基于EEPROM的可編程校準參數和數字信號處理技術來簡化傳感器的使用。 SPI總線可以輕松將傳感器連接到MCU。該器件的最大VCC為26.5 V，因此可用于汽車電池供電的轉向和電機控制應用。確保您的傳感器支持您的應用可能具有的任何惡劣環境條件，以避免縮短產品壽命或高故障率。

結論

通過為精明的設計師提供額外的架構選項，有效使用SPI式外設有助于優化設備成本，電路板空間，功耗和物聯網應用的性能。通過有效地使用SPI外設和片上MCU SPI控制器，設計人員通常可以找到最佳組合，以實現功能豐富，低成本的實現。