串行周邊介面（SPI）和I²C介面是時(shí)下流行的通訊標(biāo)準(zhǔn)。工廠自動(dòng)化、建築自動(dòng)化、狀態(tài)監(jiān)測和結(jié)構(gòu)監(jiān)控等應(yīng)用要求周邊位於遠(yuǎn)端位置，為量測控制增加了難度。預(yù)測添加性維護(hù)（PdM）是智慧產(chǎn)業(yè)的關(guān)鍵組成部分，透過運(yùn)行期間監(jiān)控設(shè)備以檢測潛在故障的預(yù)警跡象，藉以提升效益。

電路功能與優(yōu)勢

對於控制器和周邊設(shè)備之間的短距離電路板內(nèi)連接，串行周邊介面（SPI）和Inter-Integrated Circuit（I²C）介面是時(shí)下流行的通訊標(biāo)準(zhǔn)。由於存在廣泛的硬體 和軟體支援，SPI和I²C已被感測器、執(zhí)行器和資料轉(zhuǎn)換器製造商廣泛採用。當(dāng)控制器和周邊設(shè)備位於同一電路板上、共用同一接地層且相距不遠(yuǎn)（不大於1公尺） 時(shí)，這些介面的實(shí)現(xiàn)相當(dāng)簡單。

但是，狀態(tài)監(jiān)測、工廠自動(dòng)化、建築自動(dòng)化和結(jié)構(gòu)監(jiān)控等應(yīng)用要求周邊位於遠(yuǎn)端位置，通常遠(yuǎn)離控制器。系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員傳統(tǒng)上利用中繼器或具有更高驅(qū)動(dòng)強(qiáng)度的驅(qū)動(dòng)器來擴(kuò)展這些介面，其代價(jià)是整體成本和功耗增加。

圖1所示電路輕而易舉解決了長距離、穩(wěn)固的SPI/I²C 通訊問題，對電路元件數(shù)量、工作速度或軟體複雜性則沒有任何影響。為了在高雜訊、惡劣的工業(yè)環(huán)境中無錯(cuò)誤運(yùn)行，元件必須能承受較大地電位差。 SPI/I²C擴(kuò)展器具有穩(wěn)固的收發(fā)器，可在+/-25V（SPI通訊）和+/-15V（I²C通訊）的擴(kuò)展共模範(fàn)圍內(nèi)工作，支援長達(dá)1200公尺的距離。每個(gè)鏈路由位於電纜任一端的單個(gè)元件組成，電源電壓範(fàn)圍為3V至5.5V，而單獨(dú)的邏輯電源允許I²C或SPI介面從1.62V至5.5V電源供電。 擴(kuò)展器還提供了用於故障監(jiān)測的內(nèi)部控制介面；當(dāng)長距離監(jiān)測設(shè)備時(shí)，這非常重要。

圖1 : EVAL-CN0564-ARDZ 簡化功能框圖

電路描述

I²C訊號標(biāo)準(zhǔn)綜述 I²C 是用於雙向雙線介面的串列協(xié)定，可將 EEPROM、類比數(shù)位和數(shù)位類比轉(zhuǎn)換器、I/O 介面及其他周邊連接到嵌入式處理器。由於簡單且可擴(kuò)展，其在感測器領(lǐng)域非常受歡迎。匯流排上可以存在多個(gè)元件，每個(gè)元件都有自己的唯一位址。它只需要 2 條線便可在元件之間傳輸資料。這2條線包括：

*SCL—串列時(shí)脈訊號線

*SDA—用於在控制器和周邊之間發(fā)送和接收資料的串列資料線

SCL和SDA訊號是開漏邏輯，I²C匯流排規(guī)範(fàn)和使用者手冊中定義了邏輯位準(zhǔn)和時(shí)序規(guī)格，提供I²C匯流排上可以存在的周邊數(shù)量受位址空間和最大400 pF的匯流排總電容限制。開漏邏輯具有相對較高的阻抗和較低的雜訊抗擾度，這就要求所有周邊以低阻抗連接到公共接地迴路，並且在100kHz時(shí)， 最大匯流排長度以大約一公尺為限。CN0564則不同，其具有差分收發(fā)器，可將匯流排長度擴(kuò)展至1200公尺，並能承受控制器和周邊之間最高+/-15V的共模壓差。

SDA本質(zhì)上是雙向的，在交易處理過程中，控制器與周邊之間的資料流程向會(huì)改變方向。雖然不是很常見，但是I²C支援時(shí)脈延展，即周邊可以讓SCK保持 低位準(zhǔn)以減慢時(shí)脈速率。因此，SCL也是雙向的。I²C的雙向性質(zhì)使其不便於利用緩衝器擴(kuò)展、隔離或轉(zhuǎn)換到其他實(shí)體層，這需要多種邏輯位準(zhǔn)和其他非 標(biāo)準(zhǔn)技術(shù)。

常見I²C總線速度為100 kHz標(biāo)準(zhǔn)模式和400 kHz快速模式。LTC4331控制器介面支援最高2000 kHz的所有常見I²C時(shí)脈速率。然而，在高時(shí)脈頻率和長電纜的情況下，強(qiáng)烈建議使用完全支援SCL時(shí)脈延展的控制器。

SPI 訊號標(biāo)準(zhǔn)綜述

串列周邊介面（SPI）是一種同步串列通訊介面規(guī)範(fàn)， 用於短距離通訊，主要用在嵌入式系統(tǒng)中。與 I²C 不同，SPI 的定義不嚴(yán)格。其支援多種時(shí)脈頻率、 邏輯位準(zhǔn)和時(shí)序關(guān)係，需要仔細(xì)檢查控制器和周邊規(guī)格。SPI 是全雙工通訊（即資料既可從控制器流向周邊，同時(shí)也可從周邊流向控制器）。

SPI實(shí)體層由4個(gè)訊號組成：

*SCLK - 串列時(shí)脈，通常由控制器驅(qū)動(dòng)

*MISO - 控制器資料登錄、周邊資料輸出

*MOSI - 控制器資料輸出、周邊資料登錄

*CS – 晶片選擇支援與周邊通訊。每個(gè)周邊需要一條CS線。

SPI接腳使用推挽邏輯（而不是開漏），控制器和周邊之間的邏輯位準(zhǔn)必須匹配。每個(gè)周邊都需要自己的CS訊號，這使SPI匯流排的物理擴(kuò)展進(jìn)一步複雜化。

圖2 : SPI 配置模式

時(shí)脈和資料之間支援四種不同的時(shí)序關(guān)係，分別稱為模式0、1、2、3，對應(yīng)於四種可能的時(shí)脈配置。 每個(gè)事務(wù)都是在晶片選線被驅(qū)動(dòng)到邏輯低位準(zhǔn)時(shí)開始（晶片選擇通常是低位準(zhǔn)有效訊號）。晶片選擇、資料和時(shí)脈線之間的確切關(guān)係取決於時(shí)脈極性（CPOL）和時(shí)脈相位（CPHA）的配置。這四種模式總結(jié)在圖2中。

LTC4332最多支援3個(gè)遠(yuǎn)端周邊，每個(gè)周邊都有自己的CS線。每個(gè)周邊的SPI模式都可以獨(dú)立設(shè)定為模式0、1、2或3。資料從控制器透明的傳輸?shù)街苓叄?但從周邊到控制器的資料會(huì)引入一個(gè)字的延遲。

系統(tǒng)拓?fù)?

CN0564使用LTC4331和LTC4332來擴(kuò)展I²C和SPI訊號，距離最長可達(dá)1200公尺。每個(gè)鏈路由一對元件組成，控制器側(cè)配置為本地模式（REMOTE接腳接低位準(zhǔn)），周邊側(cè)元件配置為遠(yuǎn)端模式（REMOTE接腳接高位準(zhǔn)）。

LTC4332/LTC4331將來自控制器的SPI/I²C訊號編碼為差分訊號，然後透過雙絞線電纜傳輸。在電纜的遠(yuǎn)端，差分訊號由遠(yuǎn)端LTC4332/LTC4331接收並 解碼回SPI/I²C，然後路由到遠(yuǎn)端周邊。正常工作時(shí)， 遠(yuǎn)端周邊會(huì)鏡像本地控制器產(chǎn)生的事件。

可選串列傳輸速率

LTC4332/LTC4331可以使用可選速度索引改變鏈路串列傳輸速率—即資料在本地和遠(yuǎn)程鏈路之間傳輸?shù)乃俣取４怂俣人饕高^配置鏈路和介面時(shí)序選擇接腳SPEED1和SPEED2來設(shè)定，這 兩個(gè)接腳均為三態(tài)輸入。

電纜上的可選串列傳輸速率支援根據(jù)應(yīng)用要求平衡性能與電纜長度。但是，鏈路兩側(cè)的速度配置必須相同。

增加電纜傳輸長度

LTC4332/LTC4331利用高速差分收發(fā)器在最長1200公尺的鏈路上通訊。I²C/SPI訊號轉(zhuǎn)換為差分訊號以實(shí)現(xiàn)高速高品質(zhì)訊號傳輸、雜訊抗擾度和共模抑制。對於提供的速度設(shè)定，必須遵守表1（適用於 LTC4331）和表2（適用於LTC4332）中提供的電纜長度規(guī)格，否則鏈路不會(huì)工作。表中的值是在實(shí)驗(yàn)室環(huán)境中使用Cat5E乙太網(wǎng)路電纜測得。請注意，實(shí)際最大電纜長度取決於電纜類型和應(yīng)用環(huán)境。

共模電壓和 ESD穩(wěn)固性

差分收發(fā)器工作在+/-25V（SPI擴(kuò)展器）和+/-15V（I 2 C 擴(kuò)展器）的擴(kuò)展共模範(fàn)圍內(nèi)，因此它適合於高雜訊環(huán)境或存在接地電位差的系統(tǒng)（參見圖1）。

介面接腳（LTC4331 A和B接腳，LTC4332 A、B、Y 和Z接腳）具有故障保護(hù)功能，可承受最高+/-60V的 電壓。介面接腳還有異常穩(wěn)固的靜電放電（ESD）保 護(hù)特性。在所有工作模式下，或在未供電時(shí)，介面接腳能承受相對於GND和VCC（具有4.7μF電容接 GND）的+/-40kV HBM ESD（人體模型測試），而不 會(huì)發(fā)生閂鎖或損壞。

另外，LTC4331/LTC4332 ESD均通過了國際電工委員會(huì)（IEC） ESD和EFT（電氣快速瞬態(tài)）測試。IEC ESD應(yīng)力在峰值電流、幅度和上升時(shí)間方面均超過了HBM測試，而EFT測試提供了長時(shí)間的重複應(yīng)力。 這種保護(hù)等級可確保LTC4332/LTC4331在各種實(shí)際危險(xiǎn)下都能如常運(yùn)行。

一字延遲 - SPI 讀取命令

在I²C通訊的情況下，LTC4331（本地）— LTC4331（遠(yuǎn)端）鏈路是透明的；遠(yuǎn)端周邊顯示為本地控制器的本地元件。 但是，對於SPI擴(kuò)展器解決方案，LTC4332（本地）— LTC4332（遠(yuǎn)端）在存取期間會(huì)引起一個(gè)字的延遲。從SPI控制器發(fā)送到周邊的資料會(huì)經(jīng)歷與控制器啟動(dòng)的介面時(shí)脈（SCK）相同的延遲，因此兩者在整個(gè)資料連結(jié)上會(huì)保持同步。

在相反方向上，僅當(dāng)?shù)谝粫r(shí)脈緣到達(dá)周邊時(shí)，周邊才將MISO資料發(fā)送到控制器。此資料在返回控制器的路徑上會(huì)經(jīng)歷第二次延遲，因此MISO資料會(huì)不同步，偏差為電纜傳輸延遲的兩倍。物理上較遠(yuǎn)的元件將需要大幅降低時(shí)脈速率以適應(yīng)每個(gè)位元寬度內(nèi)的傳輸延遲。為了克服這種限制，LTC4332 將移位暫存器引入MISO訊號路徑，如圖3所示。

圖3 : 將移位暫存器引入 MISO 訊號路徑以適應(yīng)傳輸延遲

因此，對遠(yuǎn)端周邊的SPI寫請求是軟體透明的，但對遠(yuǎn)端周邊的SPI讀取請求會(huì)產(chǎn)生一個(gè)字的延遲，表示讀取命令需要擴(kuò)展一個(gè)字。若不這麼做，則當(dāng)晶片選擇取消置位時(shí)，LTC4332 MISO移位暫存器中的最後一個(gè)字會(huì)丟失。WORD_LENGTH暫存器表示LTC4332上MISO訊號路徑中的移位暫存器的深度，決定了 SPI控制器何時(shí)開始在MISO線上接收有效資料。例如，若WORD_LENGTH為8，則在CS置為有效後經(jīng)過8個(gè)時(shí)脈週期，使用者將開始接收有效MISO資料。

故障監(jiān)控

LTC4331/LTC4332LINK 接腳表示通訊鏈路的狀態(tài)，驅(qū)動(dòng)到低位準(zhǔn)時(shí)表示遠(yuǎn)端I²C/SPI匯流排已加入本地I²C/SPI匯流排。 LTC4331/LTC4332支援中斷訊號，LTC4331上為ALERT接腳，LTC4332上為INT接腳。這些訊號從遠(yuǎn)端匯流排鏡像到本地匯流排。

在遠(yuǎn)端，中斷接腳是輸入，可以連接到相連I²C/SPI周邊的中斷輸出。在本地端，ALERT/INT用於開漏輸出，可以連接到共享本地中斷線。如果啟用，本地LTC4331/LTC4332 的控制介面將使用ALERT/INT 接腳報(bào)告鏈路和故障事件。本地側(cè)ALERT/INT輸出是遠(yuǎn)端ALERT/INT 與內(nèi)部端點(diǎn)中斷訊號的邏輯「AND」結(jié)果。

本地側(cè)LTC4331/LTC4332還可以透過讓ON接腳保持低位準(zhǔn)至少180ms來觸發(fā)遠(yuǎn)程側(cè)復(fù)位。如果鏈路斷開，遠(yuǎn)程LTC4331/LTC4332會(huì)在180ms後自動(dòng)複位。遠(yuǎn)端復(fù)位會(huì)禁用所有遠(yuǎn)端側(cè)輸出，直到重新建立鏈路通訊。

圖4 : 讀/寫故障監(jiān)控暫存器的控制介面時(shí)序圖

LTC4331/LTC4332 控制介面要配置LTC4331/LTC4332鏈路本地側(cè)的控制介面，可使用單獨(dú)的內(nèi)部可定址周邊。透過配置接腳A1和A2，可為本地LTC4331的內(nèi)部介面分配一個(gè)唯一的I²C位址。LTC4332則提供了單獨(dú)的晶片選擇接腳SSC，允許用戶與內(nèi)部SPI可定址暫存器通訊。

圖5 : LTC4332（左側(cè)）和 LTC4331（右側(cè)）的內(nèi)部框圖

LTC4331/LTC4332控制介面支援讀取速度配置、鏈路狀態(tài)和中斷/警報(bào)狀態(tài)，以及存取其他I²C/SPI特定選項(xiàng)。LTC4331可以配置為將I²C位址轉(zhuǎn)換為遠(yuǎn)端 周邊，從而擴(kuò)展I²C位址空間並防止地址衝突。 LTC4332允許每個(gè)CS接腳使用獨(dú)立的SPI模式配置， 以及配置字長（用於確定所接收的資料延遲）。

PCB 尺寸

PCB設(shè)計(jì)中的元件密度增加會(huì)導(dǎo)致複雜的問題。為了編碼SPI或I²C，通常需要額外的微控制器，這會(huì)增加解決方案成本和尺寸，但使用CN0564的話，遠(yuǎn)程側(cè)無需額外的微控制器。這樣可實(shí)現(xiàn)更小的感測器解決方案，其佔(zhàn)用的PCB面積更小，從而降低製造總成本，並為其他元件留下更多空間以提供更多特性。

圖6 : LTC4331（I2C 擴(kuò)展器）和 LTC4332（SPI 擴(kuò)展器）的本地 EVAL-CN0564-ARDZ 節(jié)點(diǎn)和遠(yuǎn)端節(jié)點(diǎn)

擴(kuò)展感測器介面功能

更長傳輸距離的感測器介面?zhèn)鹘y(tǒng)上使用類比訊號技術(shù)，例如0-10V或4-20 mA。例如，在狀態(tài)監(jiān)測應(yīng)用中，整合電子壓電（IEPE）感測器介面是振動(dòng)傳感 器最常用的訊號標(biāo)準(zhǔn)。其為振動(dòng)感測器提供恆定電流源，感測器輸出電壓透過相同線路讀回。當(dāng)傳輸交流訊號內(nèi)容時(shí)，這種雙線系統(tǒng)可以簡化系統(tǒng)設(shè)計(jì)， 但不提供額外的故障監(jiān)控或配置能力。

LTC4332/LTC4331則支援彈性的配置和處理，發(fā) 故障事件時(shí)可直接在數(shù)位輸出感測器上輕鬆除錯(cuò)。

常見變化

當(dāng)本地和遠(yuǎn)端地電位之差超過容許的+/-25V（LTC4332）或+/-15V（LTC4331）時(shí)，需要使用電氣隔離。使用ADUM141E或ADUM140E之類的數(shù)位隔離器， 可以將I²C/SPI訊號與EVAL-CN0564-ARDZ上的本地LTC4331/ LTC4332進(jìn)行電氣隔離，如圖7所示。

圖7 : 包含對資料和電源訊號進(jìn)行電氣隔離的框圖

ADUM5020可為本地LTC4331/LTC4332提供高達(dá)100mA的隔離電源。

電路評估與測試

以下部分介紹CN0564如何設(shè)定和測試。EVALCN0564-ARDZ可以與Arduino或Arduino相容設(shè)備配合使用，以利用EVAL-ADXL357Z讀取加速度數(shù)據(jù)，進(jìn)而輕鬆評估SPI（LTC4332）和I²C（LTC4331）擴(kuò)展器。以下部分側(cè)重於在EVAL-CN0564-ARDZ上設(shè)定SPI擴(kuò)展器（本地和遠(yuǎn)端LTC4332）。

設(shè)備要求

*具有USB埠的PC

*EVAL-CN0564-ARDZ 評估板

*EVAL-ADXL357 評估板

*EVAL-XLMOUNT1

*Arduino UNO Rev 3

*USB A型轉(zhuǎn)USB B型電纜

*跳接線

*5V/3.3V 電源

開始使用

1.下載為評估EVAL-CN0564-ARDZ評估板上的SPI或I²C擴(kuò)展器而提供的 Arduino草圖，並使用其對Arduino進(jìn)行編程。

2.將EVAL-CN0564-ARDZ板插入Arduino Uno Rev 3

3.將EVAL-CN0564-ARDZ上的 LTC4332（遠(yuǎn)端側(cè)）連接到 EVAL-ADXL357

4.使用雙絞線中的跳接線將 LTC4332（本地側(cè)）連接到 LTC4332（遠(yuǎn)端側(cè)）

5.跳接線連接如下：

a.正確放置 P10 跳接線，使得 P10 上的接腳 2 和 3 在 EVAL-CN0564-ARDZ 上相連。這將選擇 5V 電源選項(xiàng)。

b.JP1 跳接線應(yīng)放置到位置 D，以將本地 LTC4332 上的從元件/晶片選擇接腳連接到 Arduino UNO Rev 3 上的 D10 接腳。

c.JP5 跳接線應(yīng)放置到位置 A，以將本地 LTC4332 上的 LINK 接腳連接到 Arduino UNO Rev 3 上的 D6 接腳。

d.JP3 跳接線應(yīng)放置到位置 B，以將本地 LTC4332 上的中斷接腳連接到 Arduino UNO Rev 3 上的 D2 接腳。

e.預(yù)設(shè)情況下，遠(yuǎn)端 LTC4332 選擇速度索引 8。本地側(cè)的速度索引應(yīng)與遠(yuǎn)端側(cè)相同。

f.應(yīng)將 P1 跳接線放置到位，使得其接腳 2 和 3 相連。同樣，還應(yīng)將 P2 跳接線放置到位， 使得其接腳 2 和 3 相連。這將選擇速度索引 8 以匹配本地側(cè)的速度索引。

g.正確放置 P19 跳接線，使得其接腳 1 和 2 相連。這會(huì)將本地 LTC4332 上的 ON 接腳連接到 IOREF。這將啟用輸入。

圖8 : 本地和遠(yuǎn)端 LTC4332 上的跳接線配置

系統(tǒng)測試

將EVAL-ADXL357Z和遠(yuǎn)端LTC4332安裝在EVALXLMOUNT1上，然後接通為電路板供電的電源。現(xiàn)在應(yīng)能夠在EVAL-CN0564-ARDZ板上看到3個(gè)LED 閃爍（本地2個(gè)LED，遠(yuǎn)端側(cè)1個(gè)LED）。完整系統(tǒng)框圖參見圖9。

MEMS加速度計(jì)（遠(yuǎn)端側(cè)EVAL-ADXL357Z上）讀取的X、Y和Z資料，將顯示在Arduino串列監(jiān)視器上。退出Arduino串列監(jiān)視器並運(yùn)行Python Real Time ADXL357 Data Plotter可執(zhí)行檔，查看加速度數(shù)據(jù)的即時(shí)圖，如圖10所示的圖形。 X、Y和Z加速度（g）資料由python腳本儲存在三個(gè)單獨(dú)的檔中，可以在包含可執(zhí)行檔的位置中找到。

圖9 : 採用 ADXL357 和 Arduino UNO Rev 3 的 EVAL-CN0564-ARDZ 系統(tǒng)測試設(shè)定

圖10 : 加速度數(shù)據(jù)的即時(shí)圖

也可以獲得圖11所示的FFT分析，以使用所獲得的 X、Y和Z資料識別目標(biāo)頻率。FFT分析常用於監(jiān)視旋轉(zhuǎn)零件的健康狀況。預(yù)測性維護(hù)（PdM）是智慧產(chǎn)業(yè)的關(guān)鍵組成部分，其涉及在運(yùn)行期間監(jiān)控設(shè)備以檢測潛在故障的預(yù)警跡象。

圖11 : Z軸加速度數(shù)據(jù)的 FFT 分析