SPI至RS-422/RS-1設(shè)計解決方案的詳細(xì)物理層設(shè)計注意事項

作者：Richard Anslow and Dara O’Sullivan

為MEMS實現(xiàn)有線物理層接口的常見挑戰(zhàn)包括管理EMC魯棒性和數(shù)據(jù)完整性。然而，當(dāng)在長RS-485/RS-422電纜上擴(kuò)展時鐘同步接口（如SPI）時，以及在同一雙絞線（幻象電源）上組合電源和數(shù)據(jù)時，還存在一些額外的挑戰(zhàn)。本文討論以下關(guān)鍵注意事項，并提供設(shè)計物理層接口的建議：

管理系統(tǒng)時間同步

數(shù)據(jù)速率與電纜長度的關(guān)系建議

共享電源和數(shù)據(jù)架構(gòu)的濾波器設(shè)計和仿真

幻象電源實現(xiàn)的無源元件性能權(quán)衡

組件選擇和系統(tǒng)設(shè)計窗口

實驗測量

時間同步和電纜長度

設(shè)計SPI至RS-485/RS-422鏈路時，電纜和組件會影響系統(tǒng)時鐘和數(shù)據(jù)同步。在長距離電纜傳輸中，SCLK 信號將通過電纜產(chǎn)生傳播延遲，對于 400 m 電纜，大約為 500 ns 至 100 ns。對于 MOSI 數(shù)據(jù)傳輸，MOSI 和 SCLK 通過電纜同樣延遲。但是，從從MISO發(fā)送到主站的數(shù)據(jù)將與SCLK不同步，其速度是電纜傳播延遲的兩倍。最大可能的SPI SCLK由系統(tǒng)傳播延遲設(shè)置，其中包括電纜傳播延遲以及主組件和從組件傳播延遲。

圖1說明了系統(tǒng)傳播延遲如何導(dǎo)致SPI主站的SPI MISO采樣不準(zhǔn)確。對于沒有RS-485/RS-422電纜的系統(tǒng)，MISO數(shù)據(jù)和SPI SCLK將以很少或沒有延遲的方式同步。對于帶電纜的系統(tǒng)，SPI從站的MISO數(shù)據(jù)與SPI SCLK不同步，有一個系統(tǒng)傳播延遲，如圖1中的tpd1所示。MISO數(shù)據(jù)通過兩個系統(tǒng)傳播延遲（稱為tpd2）不同步地返回主站。由于電纜和組件傳播延遲導(dǎo)致數(shù)據(jù)向右移動，因此會出現(xiàn)不準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)采樣。

圖1.同步MISO數(shù)據(jù)和SPI SCLK，適用于帶或不帶長RS-485/RS-422電纜的系統(tǒng)。

為了防止MISO采樣不準(zhǔn)確，可以減少電纜長度，降低SPI SCLK或在主控制器中實現(xiàn)SPI SCLK補償方案（時鐘相移）。理論上，系統(tǒng)傳播延遲應(yīng)小于SCLK時鐘周期的50%，以實現(xiàn)無差錯通信，在實踐中，系統(tǒng)延遲限制為40%SCLK可以作為一般規(guī)則。

圖2提供了第485部分所述的兩種SPI至RS-422/RS-1設(shè)計的SPI SCLK與電纜長度的比較指南。1非隔離設(shè)計采用ADI公司的高速EMC魯棒型小尺寸RS-485/RS-422器件（ADM3066E和ADM4168E）。隔離式設(shè)計還包括ADI公司的iCoupler信號和電源隔離型ADuM5401器件，為SPI至RS-485/RS-422鏈路提供額外的EMC魯棒性和抗噪性。這種設(shè)計增加了額外的系統(tǒng)傳播延遲，從而限制了在較高SPI SCLK速率下的操作。對于較長的電纜（大于 30 m），強烈建議增加隔離，以幫助緩解接地環(huán)路和 EMC 事件，例如靜電放電 （ESD）、電氣快速瞬變 （EFT） 和耦合到數(shù)據(jù)傳輸電纜的高壓浪涌。當(dāng)電纜長度擴(kuò)展到30 m或更大時，隔離式和非隔離式設(shè)計的SPI SCLK與電纜長度性能相似，如圖2所示。?

圖2.SPI SCLK 與隔離和非隔離設(shè)計的電纜長度指南。

幻象電源

背景

幻象電源將電源和數(shù)據(jù)結(jié)合在一根雙絞線上，可在主設(shè)備、從設(shè)備之間實現(xiàn)單電纜解決方案。將數(shù)據(jù)和電源結(jié)合在一根電纜上，可在空間受限的邊緣傳感器節(jié)點上實現(xiàn)單連接器解決方案。

電源和數(shù)據(jù)使用電感電容網(wǎng)絡(luò)分布在一根雙絞線上，如圖3所示。高頻數(shù)據(jù)通過串聯(lián)電容耦合到數(shù)據(jù)線，這還可以保護(hù)RS-485/RS-422收發(fā)器免受直流總線電壓的影響，如圖3a所示。圖3顯示了通過連接到數(shù)據(jù)線的電感器連接到主控制器的電源。5V直流電源偏置交流數(shù)據(jù)總線，如圖3b所示。在圖3c中，電流路徑顯示為I壓水堆在主站和從站之間，使用電纜遠(yuǎn)端狀態(tài)監(jiān)控 （CbM） 從屬傳感器節(jié)點上的電感器從線路中提取功率。

圖3.幻象電源物理層交流和直流電壓電平。

高通濾波器

就本文而言，假設(shè)將幻象功率電感-電容網(wǎng)絡(luò)添加到兩根導(dǎo)線上，用于路由SPI MISO信號的RS-485/RS-422轉(zhuǎn)換。圖4顯示了RS-485/RS-422的主從SPI設(shè)計以及SPI MISO數(shù)據(jù)線的幻象電源濾波器電路。濾波電路是高通的，因此要求傳輸?shù)臄?shù)據(jù)信號在直流或非常低的頻率下沒有內(nèi)容。

圖4.SPI至RS-485/RS-422設(shè)計和幻象電源濾波器電路。

二階高通濾波器電路如圖5所示，這是圖4的簡化表示。發(fā)送RS-485/RS-422設(shè)備的電壓輸出標(biāo)記為V德克薩斯州，具有R1 15 Ω輸出阻抗。R2 30 kΩ是接收RS-485/RS-422器件的標(biāo)準(zhǔn)輸入阻抗?？梢赃x擇電感（L）和電容（C）值，以適應(yīng)所需的系統(tǒng)數(shù)據(jù)速率。

圖5.用于RS-422發(fā)送和RS-485/RS-422接收數(shù)據(jù)路徑的二階高通濾波器。

選擇電感（L）和電容（C）值時，需要考慮最大RS-485/RS-422總線電壓下降和下降時間，如圖6所示。存在標(biāo)準(zhǔn)，例如單雙絞線以太網(wǎng)，2其中規(guī)定了最大允許電壓下降和下降時間，如圖6a所示。對于某些系統(tǒng)，最大允許電壓下降和下降時間可能更大，受信號極越點的限制，如圖6b所示。

電壓下降和下降時間可以與圖5的仿真配合使用，以確定系統(tǒng)高通頻率。

對于阻尼良好的系統(tǒng)，高通濾波器截止頻率與下降要求之間的關(guān)系由公式1給出。3

圖6.RS-422接收器的電壓下降和下降時間。

在向RS-485/RS-422通信系統(tǒng)添加SPI幻象電源時，很明顯，最小可能的SPI SCLK速率將受到幻象電源濾波器組件的限制。

為了實現(xiàn)無位差錯的可靠通信，需要考慮最壞情況下的最小SPI SCLK，例如，所有SPI MISO采樣位均為邏輯高電平，如圖7所示。如果所有采樣的MISO位都是邏輯高電平，則會導(dǎo)致比特率低于系統(tǒng)SPI SCLK。例如，如果SPI SCLK為2 MHz，并且所有16位均為邏輯高電平，則幻象電源LC濾波器網(wǎng)絡(luò)的等效SPI MISO比特率為125 kHz。

圖7.SPI協(xié)議，帶MISO 16位突發(fā)，全邏輯高電平。

如“時間同步和電纜長度”一節(jié)所述，更長的電纜需要較低的SPI SCLK速率。但是，幻象電源限制了可能的最低SPI SCLK速率。平衡這些相反的要求需要仔細(xì)選擇和表征無源濾波器元件，尤其是電感器。

無源元件選擇

選擇合適的功率電感器時，需要考慮許多參數(shù)，包括足夠的電感、額定/飽和電流、自諧振頻率（SRF）、低直流電阻（DCR）和封裝尺寸。表1給出了選定的功率電感器和感興趣的參數(shù)。

額定電流需要滿足或超過遠(yuǎn)程供電MEMS傳感器節(jié)點的總電流要求，并且額定飽和電流需要大得多。

電感不會對高于其引用SRF的交流數(shù)據(jù)呈現(xiàn)高阻抗，并且在某一點將開始具有容性阻抗特性。所選電感SRF會將SPI上可以使用的最大SPI SCLK限制為RS-485/RS-422物理層，如表1所示。在長電纜上工作時，可能無法到達(dá)電感SRF;例如，可能無法通過 11 m 的電纜達(dá)到 744043101 MHz（部件號 10 的 SRF）的 SPI SCLK 速率。在其他情況下，當(dāng)在長電纜上工作時，電感SRF可以達(dá)到較低的SPI SCLK速率（2.4 MHz，1.2 MHz）。如前所述，在幻象電源濾波器網(wǎng)絡(luò)中使用時，電感也會限制盡可能低的SCLK速率。

較大的電感值采用 12.7 mm × 12.7 mm 封裝，而較小值的電感器采用 4.8 mm × 4.8 mm 封裝。

表2顯示，由于物理限制（內(nèi)部繞組），在減小電感尺寸的相反要求之間進(jìn)行權(quán)衡具有挑戰(zhàn)性。

選擇合適的直流阻斷電容器的限制僅限于瞬態(tài)過壓額定值和直流電壓額定值。直流電壓額定值需要超過最大總線電壓偏置，如圖3所示。在電纜或連接器短路期間，電感電流將變得不平衡，并將被端接電阻耗散。隔直電容器需要額定峰值瞬態(tài)電壓，以防短路。例如，在電感飽和電流約為1 A的低功率系統(tǒng)中，相應(yīng)的隔直電容的額定電壓應(yīng)至少為50 V dc。4

系統(tǒng)實施

設(shè)計窗口和組件選擇

在長RS-485/RS-422電纜上擴(kuò)展時鐘同步接口（如SPI）時，以及在同一雙絞線（幻象電源）上組合電源和數(shù)據(jù)時，圖8總結(jié)了本文中提到的設(shè)計約束。可能的最小SPI SCLK由幻象電源濾波器組件設(shè)置，這些元件在SPI數(shù)據(jù)線上高通濾波器數(shù)據(jù)。最大SPI SCLK由幻象功率電感自諧振頻率（SRF）或系統(tǒng)傳播延遲（以SPI SCLK值較低者為準(zhǔn)）設(shè)置。

圖8.設(shè)計窗口約束。

表3提供了建議的電感和電容值，以及通過仿真圖5并使用圖6和公式1作為指導(dǎo)確定的相應(yīng)最小SPI SCLK。這假設(shè) V下垂是 V 的 99%峰.該最小SPI SCLK還考慮了最壞情況，如圖7所示，其中數(shù)據(jù)突發(fā)中的所有位均為邏輯高電平。相應(yīng)的電纜長度使用圖2估算。最大SPI SCLK由系統(tǒng)傳播延遲或電感SRF值設(shè)置。

下面是一個計算示例。

要確定最大 SPI SCLK，請執(zhí)行以下操作：

指定系統(tǒng)所需的電纜長度。在本例中，我們將選擇 10 m 的 RS-485/RS-422 電纜。

使用圖2確定系統(tǒng)可能的最大SPI SCLK。對于 10 m 的電纜，這大約是 2.6 MHz SPI SCLK。將最大SPI SCLK降額10%以允許LC元件容差，從而提供2.3 MHz的SPI SCLK。最大可能的SPI SCLK也可能受到所選電感的SRF的限制。

要確定最小 SPI SCLK，請執(zhí)行以下操作：

考慮一個SPI協(xié)議，其中MISO線路上的所有位都是邏輯高電平。在本例中，我們將選擇16位SPI協(xié)議，其中16位SPI MISO數(shù)據(jù)將在32次SCLK轉(zhuǎn)換期間采樣。如果所有 16 位均為邏輯高電平，則有效比特率為 2.3 MHz / 32 = 72 kHz。

使用圖5和V上的72 kHz方波德克薩斯州、電纜 V 遠(yuǎn)端的電壓波形接收可以模擬各種 L 和 C 值。隨著電纜長度的增加，電感值和電感封裝尺寸也會增加。電容值也會增加。

L 和 C 值的選擇是主觀的，取決于所需的下降設(shè)置，如圖 6 所示。對于此示例，我們將假設(shè) V下垂= V峰×99%。

使用 100 μH 電感器和 3.3 μF 電容以及 V 上的 72 kHz 方波德克薩斯州產(chǎn)生 T下垂7 μs，其中 V下垂= V峰×99%。

一 噸下垂6 μs 至 7 μs 相當(dāng)于 2.3 MHz 至 2.6 MHz SPI SCLK。

如果選擇100 μH （744043101）電感，則2.6 MHz的SPI SCLK低于11 MHz的電感SRF。

如果使用100 μH電感和3.3 μF電容，則元件PCB面積最小。當(dāng)使用更大的電感器時，例如1000 μH或2200 μH，元件PCB面積可以增加三倍。理論最大值SPI SCLK由電感SRF設(shè)置，這在實踐中可能是不可能的，例如，在沒有時鐘補償?shù)南到y(tǒng)中，使用11 μH（100）在744043101 MHz時。

如果使用更大的電感，例如2200 μH，則需要在網(wǎng)絡(luò)中增加電容和電阻來抑制系統(tǒng)諧振。附加組件為藍(lán)色，標(biāo)記為 R潮濕（1 kΩ） 和 C潮濕（47 μF），見圖9。

圖9.為更大的電感和電容濾波器添加額外的系統(tǒng)阻尼。

實驗設(shè)置

圖10顯示了ADI公司的有線CbM評估平臺，以下簡稱先鋒1。該系統(tǒng)使用本文第 485 部分中介紹的 SPI 至 RS-422/RS-1 設(shè)計解決方案。Pioneer 1還包括ADcmXL3021寬帶寬、低噪聲、三軸MEMS加速度計，該加速度計將高性能與各種信號處理相結(jié)合，以簡化CbM系統(tǒng)中智能傳感器節(jié)點的開發(fā)。SPI 至 RS-485/RS-422 從機將 ADcmXL3021 SPI 輸出擴(kuò)展回主控制器 10 m 以上，用于振動數(shù)據(jù)分析。SPI 至 RS-485 設(shè)計使用幻象功率 100 μH 電感器和 3.3 μF 電容，以最大限度地減小從接口解決方案的尺寸，其尺寸為 26 mm × 28 mm（不包括接口連接器）。

圖 10.先鋒1有線狀態(tài)監(jiān)測評估系統(tǒng)。

幻象電源線上的交流數(shù)據(jù)波形

圖11和表4描述了在SPI主機和從機以及RS-485/RS-422差分電壓總線上測量的電壓。這些電壓是使用圖10中的示例應(yīng)用設(shè)置測量的。模擬信號1（黃色）和2（藍(lán)色）是在SPI從輸出端測量的MISO信號（紫色）的差分總線電壓表示。數(shù)字信號4（黃色）顯示了在主控制器采樣的MISO。SPI主站的MISO信號與SPI從站MISO的極性和相位相匹配，傳播延遲很小。

圖 11.在SPI主機和從機以及RS-422差分電壓總線上測量的電壓。

幻象電源線上的直流正確性

圖12顯示了ADcmXL3021的正常模式，其中包括一個SPI協(xié)議，該協(xié)議在MISO上發(fā)送16位數(shù)據(jù)突發(fā)，然后是失速周期（最小16 μs），然后是另一個16位數(shù)據(jù)突發(fā)。

圖 12.幻象電源線上的直流正確性。

在幻象電源網(wǎng)絡(luò)中，使用100 μH電感和3.3 μF電容：

在幀結(jié)束時（EOF），RS-485/RS-422總線電壓衰減回穩(wěn)定的直流狀態(tài)。

失速周期直流穩(wěn)態(tài)需要為422 mV>差分電壓RS-500 B-A，這反映了ADcmXL3021 MISO高阻態(tài)，并確保ADM0E收發(fā)器輸出端的邏輯為4168。如果使用500 Ω電阻，則可以保證這種空閑狀態(tài)的正確性，如圖4濾波電路所示。

然后，幀的下一個開始（SOF）將從低電平正確過渡到高電平，或者保持低電平，具體取決于ADcmXL3021的MISO數(shù)據(jù)輸出。

失速周期RS-485/RS-422總線穩(wěn)態(tài)未與SPI SCLK邊沿對齊，因此隨機噪聲不會影響該時間段內(nèi)的SPI MISO數(shù)據(jù)采樣。

在幻象電源網(wǎng)絡(luò)中，使用1000 μH電感和4.7 μF電容：

EOF、失速周期和SOF遵循ADcmXL3021 MISO輸出，總線電壓電平在失速期間不會衰減回500 mV最小直流穩(wěn)態(tài)?？赡軙霈F(xiàn)一些電壓電平衰減，但不會達(dá)到500 mV電平。

有線評估解決方案

ADI公司開發(fā)了Pioneer 1有線系統(tǒng)評估解決方案，以支持ADcmXL3021三軸MEMS加速度計。如本維基指南所述，先鋒1評估套件還可以借助維基指南中描述的擴(kuò)展板支持表5中所示的MEMS器件。

審核編輯：郭婷