采用LTC6820模数转换器实现隔离式SPI通信

描述监测和控制不同的系统需要能够直接访问传感器和驱动器最好是从一个中心位置采用标准化通信方法(例如串行外设接口(SPI))进行访问。SPI是一种同步串行数据总线帮助设备和中央控制单元之间进行长距离的数据交换。通信操作遵从主从原则是全双工的。SPI接口包含三行:SDI、SDO和SCK。SPI通信方法适用的线缆距离不超过10米通信距离更长时通常需要用到中继器这是因为随着线缆增长其线缆阻抗相应增加由此导致信号衰减。然后必须再次放大信号。与此同时线路会获得更高的信噪比(SNR)。可利用ADI公司提供的isoSPl通信接口IC LTC6820 等器件来读取这些信号。得益于该器件的创新式设计可以使用双绞线电缆和适用的变压器来增强电气隔离由此相对轻松地最大化SPI通信。由于工业环境通常比较恶劣所以需要使用电气隔离通信部件来保护用户免受危险电压影响同时确保系统的可靠性。此外尽管偶尔会出现共模电压隔离也可以帮助实现精确测量。因此要将输入级与系统的其余级分隔开来同时仍然实现连接隔离栅的使用就非常关键。图1显示了所有从服务器如何受一个主服务器控制。主服务器和从服务器可以是微控制器或ADC通常通过自身的SPI接口与传感器或微控制器连接因此LTC6820能够在两个完全电气隔离的器件之间实现SPI通信所需的双向数据传输。它将来自主服务器的SPI信号编码为速率最高1 Mbps的差分信号,然后通过电气隔离栅和双绞线传输。到了电缆另一端之后差分信号再次由LTC6820接收并解码为SPI信号然后再路由到从服务器总线。LTC6820还提供驱动信号通过隔离栅所需的电流。这些电流通过外部电阻调整为符合系统要求的值例如所需的线缆长度、SNR和抗扰度。图1.隔离式SPI接口通过共用的主控制器来控制多个电路板(从控制器)但是请注意虽然使用了SPI中继器数据速率仍是有限的取决于电缆长度。例如图1中使用100米CAT5电缆的电路的数据速率仅为0.5 Mbps左右是LTC6820所能提供的1Mbps最大值的一半(见图2)图2.使用CAT5电缆时数据速率与电缆长度的关系。通过使用isoSPI通信IC可以简化远距离隔离传输SPI通信信号电路的复杂性因为可以省去传统电路通常需要的大量组件。此外使用LTC6820可以实现最长100米的通信距离(在工业设置中并不少见)。LTC6820还可轻松实现菊花链应用(一个主控制器控制多个从控制器)。而且该器件非常适合电池监测系统应用这是因为电池监测系统包含部分可能存在爆炸风险的充电单元(例如锂离子电池)需要实施电气隔离通信。二、特点支持1Mbps的隔离SPI数据通信采用标准变压器实现简单的电流隔离能在单根双绞线上实现双向通信电缆长度可达100米。LTC6820的空闲电流低至2µA还具备自动唤醒检测功能可有效降低系统功耗提高能源利用效率。三、工作原理与信号处理1. 双向通信实现LTC6820通过单根双绞线上的连接在两个隔离设备之间实现双向SPI通信。它将逻辑状态编码为信号通过隔离屏障传输到另一个LTC6820接收端再将传输解码并驱动从设备总线到相应的逻辑状态。2. 驱动与接收机制发送器采用电流调节的差分驱动器通过匹配的源电流和吸收电流驱动差分信号消除了变压器中心抽头的需求降低了EMI。接收器使用精密窗口比较器检测差分信号驱动电流和比较器阈值由简单的外部电阻分压器设置可根据电缆长度和所需的信噪比性能优化系统。3. isoSPI脉冲类型与通信事件转换isoSPI发送器可生成 VA、0V和 - VA三种电压电平脉冲定义为对称脉冲对。长脉冲用于传输CS变化短脉冲传输数据。LTC6820能将SPI主设备的四种通信事件CS下降、CS上升、SCK锁存MOSI 0和SCK锁存MOSI 1转换为相应的脉冲类型。