評(píng)估和設(shè)計(jì)支持

電路評(píng)估板

CN0564參考設(shè)計(jì)板(eval-CN0564-ARDZ)

設(shè)計(jì)和集成文件

原理圖、布局文件、物料清單

電路功能與優(yōu)勢(shì)

對(duì)于控制器和外設(shè)之間的短距離電路板內(nèi)連接，串行外設(shè)接口(SPI)和Inter-Integrated Circuit (I²C)接口是流行的事實(shí)上的通信標(biāo)準(zhǔn)。由于存在廣泛的硬件和軟件支持，SPI和I²C已被傳感器、執(zhí)行器和數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器制造商廣泛采用。當(dāng)控制器和外設(shè)位于同一電路板上、共享同一接地層且相距不遠(yuǎn)（不大于1米）時(shí)，這些接口的實(shí)現(xiàn)相當(dāng)簡(jiǎn)單。

但是，狀態(tài)監(jiān)控、工廠自動(dòng)化、樓宇自動(dòng)化和結(jié)構(gòu)監(jiān)控等應(yīng)用要求外設(shè)位于遠(yuǎn)程位置，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(lái)擴(kuò)展這些接口，其代價(jià)是整體成本和功耗增加。

圖1所示電路輕而易舉地解決了長(zhǎng)距離、魯棒SPI/I²C通信的問(wèn)題，對(duì)電路元件數(shù)量、工作速度或軟件復(fù)雜性則沒(méi)有任何影響。為了在高噪聲、惡劣的工業(yè)環(huán)境中無(wú)錯(cuò)誤運(yùn)行，器件必須能承受較大地電位差。SPI/I²C擴(kuò)展器具有魯棒的收發(fā)器，可在±25V（SPI通信）和±15V（I²C通信）的擴(kuò)展共模范圍內(nèi)工作，支持長(zhǎng)達(dá)1200米的距離。每個(gè)鏈路由位于電纜任一端的單個(gè)器件組成，電源電壓范圍為3V至5.5V，而單獨(dú)的邏輯電源允許I²C或SPI接口從1.62V至5.5V電源供電。擴(kuò)展器還提供了用于故障監(jiān)測(cè)的內(nèi)部控制接口；當(dāng)長(zhǎng)距離監(jiān)測(cè)設(shè)備時(shí)，這非常重要。

圖1.eval-CN0564-ARDZ簡(jiǎn)化功能框圖

ADI公司的Circuits from the Lab™電路由ADI工程師設(shè)計(jì)構(gòu)建。每個(gè)電路的設(shè)計(jì)和構(gòu)建都嚴(yán)格遵循標(biāo)準(zhǔn)工程規(guī)范，電路的功能和性能都在實(shí)驗(yàn)室環(huán)境中以室溫條件進(jìn)行了測(cè)試和檢驗(yàn)。然而，您需負(fù)責(zé)自行測(cè)試電路，并確定對(duì)您是否適用。因而，ADI公司將不對(duì)由任何原因、連接到任何所用參考電路上的任何物品所導(dǎo)致的直接、間接、特殊、偶然、必然或者懲罰性的損害負(fù)責(zé)。（下接最后一頁(yè)）

電路描述

I²C信號(hào)標(biāo)準(zhǔn)綜述

I²C是用于雙向雙線接口的串行協(xié)議，可將EEPROM、模數(shù)和數(shù)模轉(zhuǎn)換器、I/O接口及其他外設(shè)連接到嵌入式處理器。由于簡(jiǎn)單且可擴(kuò)展，它在傳感器領(lǐng)域非常受歡迎。總線上可以存在多個(gè)器件，每個(gè)器件都有自己的地址。它只需要2條線便可在器件之間傳輸數(shù)據(jù)。這2條線包括：

SCL - 串行時(shí)鐘信號(hào)線

SDA - 用于在控制器和外設(shè)之間發(fā)送和接收數(shù)據(jù)的串行數(shù)據(jù)線

SCL和SDA信號(hào)是開(kāi)漏邏輯，I²C總線規(guī)范和用戶手冊(cè)（規(guī)范 - I2C總線）中定義了邏輯電平和時(shí)序規(guī)格

給定I²C總線上可以存在的外設(shè)數(shù)量受地址空間和最大400 pF的總線總電容限制。開(kāi)漏邏輯具有相對(duì)較高的阻抗和較低的噪聲抗擾度，這就要求所有外設(shè)以低阻抗連接到公共接地回路，并且在100kHz時(shí)，最大總線長(zhǎng)度以大約一米為限。CN0564則不同，它具有差分收發(fā)器，可將總線長(zhǎng)度擴(kuò)展至1200米，并能承受控制器和外設(shè)之間±15V的共模壓差。

SDA本質(zhì)上是雙向的，在事務(wù)處理過(guò)程中，控制器與外設(shè)之間的數(shù)據(jù)流向會(huì)改變方向。雖然不是很常見(jiàn)，但是I²C支持時(shí)鐘延展，即外設(shè)可以讓SCK保持低電平以減慢時(shí)鐘速率。因此，SCL也是雙向的。I²C的雙向性質(zhì)使其不便于利用緩沖器擴(kuò)展、隔離或轉(zhuǎn)換到其他物理層，這需要多種邏輯電平和其他非標(biāo)準(zhǔn)技術(shù)。

常見(jiàn)I²C總線速度為100 kHz標(biāo)準(zhǔn)模式和400 kHz快速模式。LTC4331控制器接口支持2000 kHz的所有常見(jiàn)I²C時(shí)鐘速率。然而，在高時(shí)鐘頻率和長(zhǎng)電纜的情況下，強(qiáng)烈建議使用完全支持SCL時(shí)鐘延展的控制器。（更多信息請(qǐng)參閱LTC4331數(shù)據(jù)手冊(cè)）

SPI信號(hào)標(biāo)準(zhǔn)綜述

串行外設(shè)接口(SPI)是一種同步串行通信接口規(guī)范，用于短距離通信，主要用在嵌入式系統(tǒng)中。與I²C不同，SPI的定義不嚴(yán)格。它支持多種時(shí)鐘頻率、邏輯電平和時(shí)序關(guān)系，需要仔細(xì)檢查控制器和外設(shè)規(guī)格。SPI是全雙工通信（即數(shù)據(jù)既可從控制器流向外設(shè)，同時(shí)也可從外設(shè)流向控制器）。

SPI物理層由4個(gè)信號(hào)組成：

SCLK - 串行時(shí)鐘，通常由控制器驅(qū)動(dòng)

MISO - 控制器數(shù)據(jù)輸入、外設(shè)數(shù)據(jù)輸出

MOSI - 控制器數(shù)據(jù)輸出、外設(shè)數(shù)據(jù)輸入

圖2.SPI配置模式

時(shí)鐘和數(shù)據(jù)之間支持四種不同的時(shí)序關(guān)系，分別稱為模式0、1、2、3，對(duì)應(yīng)于四種可能的時(shí)鐘配置。每個(gè)事務(wù)都是在片選線被驅(qū)動(dòng)到邏輯低電平時(shí)開(kāi)始（片選通常是低電平有效信號(hào)）。片選、數(shù)據(jù)和時(shí)鐘線之間的確切關(guān)系取決于時(shí)鐘極性(CPOL)和時(shí)鐘相位(CPHA)的配置。這四種模式總結(jié)在圖2中。

LTC4332最多支持3個(gè)遠(yuǎn)程外設(shè)，每個(gè)外設(shè)都有自己的CS線。每個(gè)外設(shè)的SPI模式都可以獨(dú)立設(shè)置為模式0、1、2或3。數(shù)據(jù)從控制器透明地傳輸?shù)酵庠O(shè)，但從外設(shè)到控制器的數(shù)據(jù)會(huì)引入一個(gè)字的延遲。有關(guān)更多信息，請(qǐng)參閱一字延遲 - SPI讀取命令部分。

系統(tǒng)拓?fù)?/h1>

CN0564使用LTC4331和LTC4332來(lái)擴(kuò)展I²C和SPI信號(hào)，距離最長(zhǎng)可達(dá)1200米。每個(gè)鏈路由一對(duì)器件組成，控制器側(cè)配置為本地模式（REMOTE引腳接低電平），外設(shè)側(cè)器件配置為遠(yuǎn)程模式（REMOTE引腳接高電平）。

電路描述

LTC4332/LTC4331將來(lái)自控制器的SPI/I²C信號(hào)編碼為差分信號(hào)，然后通過(guò)雙絞線電纜傳輸。在電纜的遠(yuǎn)端，差分信號(hào)由遠(yuǎn)程LTC4332/LTC4331接收并解碼回SPI/I²C，然后路由到遠(yuǎn)程外設(shè)。正常工作時(shí)，遠(yuǎn)程外設(shè)會(huì)鏡像本地控制器產(chǎn)生的事件。

可選波特率

LTC4332/LTC4331可以使用可選速度索引（如表1和表2所示）改變鏈路波特率——即數(shù)據(jù)在本地和遠(yuǎn)程鏈路之間傳輸?shù)乃俣?。此速度索引通過(guò)配置鏈路和接口時(shí)序選擇引腳SPEED1和SPEED2來(lái)設(shè)置，這兩個(gè)引腳均為三態(tài)輸入。

電纜上的可選波特率支持根據(jù)應(yīng)用要求平衡性能與電纜長(zhǎng)度。但是，鏈路兩側(cè)的速度配置必須相同。

表1.LTC4331鏈路速度與電纜長(zhǎng)度的關(guān)系

速度索引	有效I2C鏈路速率(kHz)	最大電纜長(zhǎng)度（米）
8	1000	30
7	500	60
6	250	200
5	125	600
4	100	1200
3	63	1200+
2	31	1200+
1	20	1200+
0	12.5	1200+

表2.LTC4332鏈路速度與電纜長(zhǎng)度的關(guān)系

速度索引	最大SCLK頻率(kHz)	最大電纜長(zhǎng)度（米）
8	2000	30
7	1000	60
6	500	150
5	250	250
4	125	500
3	83	750
2	63	1000
1	31	1200
0	25	1200+

增加電纜傳輸長(zhǎng)度

LTC4332/LTC4331利用高速差分收發(fā)器在最長(zhǎng)1200米的鏈路上通信。I2C/SPI信號(hào)轉(zhuǎn)換為差分信號(hào)以實(shí)現(xiàn)高速高質(zhì)量信號(hào)傳輸、噪聲抗擾度和共模抑制。對(duì)于給定的速度設(shè)置，必須遵守表1（適用于LTC4331）和表2（適用于LTC4332）中給出的電纜長(zhǎng)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以太網(wǎng)電纜測(cè)得。請(qǐng)注意，實(shí)際最大電纜長(zhǎng)度取決于電纜類(lèi)型和應(yīng)用環(huán)境。

共模電壓和ESD魯棒性

差分收發(fā)器工作在±25V（SPI擴(kuò)展器）和±15V（I²C擴(kuò)展器）的擴(kuò)展共模范圍內(nèi)，因此它適合于高噪聲環(huán)境或存在地電位差的系統(tǒng)（參見(jiàn)圖1）。

接口引腳（LTC4331 A和B引腳，LTC4332 A、B、Y和Z引腳）具有故障保護(hù)功能，可承受±60V的電壓。接口引腳還有異常魯棒的靜電放電(ESD)保護(hù)特性。在所有工作模式下，或在未供電時(shí)，接口引腳能承受相對(duì)于GND和VCC（帶4.7μF電容接GND）的±40kV HBM ESD（人體模型測(cè)試），而不會(huì)發(fā)生閂鎖或損壞。

另外，LTC4331/LTC4332 ESD均通過(guò)了國(guó)際電工委員會(huì)(IEC) ESD和EFT（電氣快速瞬態(tài)）測(cè)試。IEC ESD應(yīng)力在峰值電流、幅度和上升時(shí)間方面均超過(guò)了HBM測(cè)試，而EFT測(cè)試提供了長(zhǎng)時(shí)間的重復(fù)應(yīng)力。這種保護(hù)等級(jí)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通信的情況下，LTC4331（本地）- LTC4331（遠(yuǎn)程）鏈路是透明的；遠(yuǎn)程外設(shè)顯示為本地控制器的本地器件。

但是，對(duì)于SPI擴(kuò)展器解決方案，LTC4332（本地）- LTC4332（遠(yuǎn)程）在讀訪問(wèn)期間會(huì)引起一個(gè)字的延遲。從SPI控制器發(fā)送到外設(shè)的數(shù)據(jù)會(huì)經(jīng)歷與控制器啟動(dòng)的接口時(shí)鐘(SCK)相同的延遲，因此兩者在整個(gè)數(shù)據(jù)鏈路上會(huì)保持同步。

在相反方向上，僅當(dāng)時(shí)鐘沿到達(dá)外設(shè)時(shí)，外設(shè)才將MISO數(shù)據(jù)發(fā)送到控制器。此數(shù)據(jù)在返回控制器的路徑上會(huì)經(jīng)歷第二次延遲，因此MISO數(shù)據(jù)會(huì)不同步，偏差為電纜傳輸延遲的兩倍。物理上較遠(yuǎn)的器件將需要大大降低時(shí)鐘速率以適應(yīng)每個(gè)比特寬度內(nèi)的傳輸延遲。為了克服這種限制，LTC4332將移位寄存器引入MISO信號(hào)路徑，如圖3所示。

圖3.將移位寄存器引入MISO信號(hào)路徑以適應(yīng)傳輸延遲

電路描述

因此，對(duì)遠(yuǎn)程外設(shè)的SPI寫(xiě)請(qǐng)求是軟件透明的，但對(duì)遠(yuǎn)程外設(shè)的SPI讀請(qǐng)求會(huì)產(chǎn)生一個(gè)字的延遲，這意味著讀取命令需要擴(kuò)展一個(gè)字。若不如此，則當(dāng)片選取消置位時(shí)，LTC4332 MISO移位寄存器中的最后一個(gè)字會(huì)丟失。WORD_LENGTH寄存器（參見(jiàn)LTC4332數(shù)據(jù)手冊(cè)中的寄存器映射）表示LTC4332上MISO信號(hào)路徑中的移位寄存器的深度，決定了SPI控制器何時(shí)開(kāi)始在MISO線上接收有效數(shù)據(jù)。例如，若WORD_LENGTH為8，則在CS置為有效后經(jīng)過(guò)8個(gè)時(shí)鐘周期，用戶將開(kāi)始接收有效MISO數(shù)據(jù)。

故障監(jiān)控

LTC4331/LTC4332 LINK引腳表示通信鏈路的狀態(tài)，驅(qū)動(dòng)到低電平時(shí)表示遠(yuǎn)程I2C/SPI總線已加入本地I2C/SPI總線。

LTC4331/LTC4332支持中斷信號(hào)，LTC4331上為ALERT 引腳，LTC4332上為INT 引腳。這些信號(hào)從遠(yuǎn)程總線鏡像到本地總線。在遠(yuǎn)程端，中斷引腳是輸入，可以連接到相連I2C/SPI外設(shè)的中斷輸出。在本地端，ALERT/INT 用作開(kāi)漏輸出，可以連接到共享本地中斷線。如果使能，本地LTC4331/LTC4332的控制接口將使用ALERT/INT 引腳報(bào)告鏈路和故障事件。本地側(cè)ALERT/INT輸出是遠(yuǎn)程ALERT/INT與內(nèi)部端點(diǎn)中斷信號(hào)的邏輯“與”結(jié)果。

本地側(cè)LTC4331/LTC4332還可以通過(guò)讓ON引腳保持低電平至少180ms來(lái)觸發(fā)遠(yuǎn)程側(cè)復(fù)位。如果鏈路斷開(kāi)，遠(yuǎn)程LTC4331/LTC4332會(huì)在180ms后自動(dòng)復(fù)位。遠(yuǎn)程復(fù)位會(huì)禁用所有遠(yuǎn)程側(cè)輸出，直到重新建立鏈路通信。

圖4.讀/寫(xiě)故障監(jiān)控寄存器的控制接口時(shí)序圖

LTC4331/LTC4332控制接口

要配置LTC4331/LTC4332鏈路本地側(cè)的控制接口，可使用單獨(dú)的內(nèi)部可尋址外設(shè)。通過(guò)配置引腳A1和A2，可為本地LTC4331的內(nèi)部接口分配一個(gè)唯一的I²C地址。LTC4332則提供了單獨(dú)的片選引腳

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

LTC4331/LTC4332控制接口支持讀取速度配置、鏈路狀態(tài)和中斷/警報(bào)狀態(tài)，以及訪問(wèn)其他I2C/SPI特定選項(xiàng)。LTC4331可以配置為將I2C地址轉(zhuǎn)換為遠(yuǎn)程外設(shè)，從而擴(kuò)展I2C地址空間并防止地址沖突。LTC4332允許每個(gè)CS引腳使用獨(dú)立的SPI模式配置，以及配置字長(zhǎng)（用于確定所接收的數(shù)據(jù)延遲）。有關(guān)更多信息，請(qǐng)參閱LTC4331和LTC4332數(shù)據(jù)手冊(cè)。

PCB尺寸

PCB設(shè)計(jì)中的元件密度增加會(huì)導(dǎo)致復(fù)雜的問(wèn)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(wú)需額外的微控制器。這樣可實(shí)現(xiàn)更小的傳感器解決方案，其占用的PCB面積更小，從而降低制造總成本，并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)程節(jié)點(diǎn)

擴(kuò)展傳感器接口功能

更長(zhǎng)傳輸距離的傳感器接口傳統(tǒng)上使用模擬信號(hào)技術(shù)，例如0-10V或4-20 mA。例如，在狀態(tài)監(jiān)控應(yīng)用中，集成電子壓電(IEPE)傳感器接口是振動(dòng)傳感器最常用的信號(hào)標(biāo)準(zhǔn)。它為振動(dòng)傳感器提供恒定電流源，傳感器輸出電壓通過(guò)相同線路讀回。當(dāng)傳輸交流信號(hào)內(nèi)容時(shí)，這種雙線系統(tǒng)可以簡(jiǎn)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則支持靈活的配置和處理，發(fā)生故障事件時(shí)可直接在數(shù)字輸出傳感器上輕松調(diào)試。

常見(jiàn)變化

當(dāng)本地和遠(yuǎn)程地電位之差超過(guò)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(lèi)的數(shù)字隔離器，可以將I²C/SPI信號(hào)與EVAL-CN0564-ARDZ上的本地LTC4331/ LTC4332進(jìn)行電氣隔離，如圖7所示。

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

圖7.包含對(duì)數(shù)據(jù)和電源信號(hào)進(jìn)行電氣隔離的框圖

電路評(píng)估與測(cè)試

以下部分介紹CN0564如何設(shè)置和測(cè)試。EVAL-CN0564-ARDZ可以與Arduino或Arduino兼容設(shè)備配合使用，以利用EVAL-ADXL357Z讀取加速度數(shù)據(jù)，從而輕松評(píng)估SPI (LTC4332)和I²C (LTC4331)擴(kuò)展器。以下部分側(cè)重于在EVAL-CN0564-ARDZ上設(shè)置SPI擴(kuò)展器（本地和遠(yuǎn)程LTC4332）。

有關(guān)完整的設(shè)置詳情，以及SPI和I²C擴(kuò)展器（本地和遠(yuǎn)程LTC4331/LTC4332）上的設(shè)置說(shuō)明，請(qǐng)?jiān)L問(wèn)EVAL-CN0564-ARDZ用戶指南。

設(shè)備要求

? 帶USB端口的PC

? EVAL-CN0564-ARDZ評(píng)估板

? EVAL-ADXL357評(píng)估板

? EVAL-XLMOUNT1

? Arduino UNO Rev 3

? USB A型轉(zhuǎn)USB B型電纜

? 跳線

? 5V/3.3V電源

開(kāi)始使用

1. 下載為評(píng)估EVAL-CN0564-ARDZ評(píng)估板上的SPI或I²C擴(kuò)展器而提供的Arduino草圖，并使用它對(duì)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)程側(cè)）連接到EVAL-ADXL357

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

5. 跳線連接如下：

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

b. JP1跳線應(yīng)放置到位置D，以將本地LTC4332上的從器件/片選引腳連接到Arduino UNO Rev 3上的D10引腳。

c. JP5跳線應(yīng)放置到位置A，以將本地LTC4332上的

圖8.本地和遠(yuǎn)程LTC4332上的跳線配置

系統(tǒng)測(cè)試

將EVAL-ADXL357Z和遠(yuǎn)程LTC4332安裝在EVAL-XLMOUNT1上，然后接通為電路板供電的電源?，F(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)程側(cè)1個(gè)LED）。完整系統(tǒng)框圖參見(jiàn)圖9。

MEMS加速度計(jì)（遠(yuǎn)程側(cè)EVAL-ADXL357Z上）讀取的X、Y和Z數(shù)據(jù)將顯示在Arduino串行監(jiān)視器上。退出Arduino串行監(jiān)視器并運(yùn)行Python Real Time ADXL357 Data Plotter可執(zhí)行文件，查看加速度數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)圖，如圖10所示的圖形。

X、Y和Z加速度(g)數(shù)據(jù)由python腳本存儲(chǔ)在三個(gè)單獨(dú)的文件中，可以在包含可執(zhí)行文件的位置中找到。

電路評(píng)估與測(cè)試

圖9.采用ADXL357和Arduino UNO Rev 3的EVAL-CN0564-ARDZ系統(tǒng)測(cè)試設(shè)置

電路評(píng)估與測(cè)試

圖10.加速度數(shù)據(jù)的實(shí)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數(shù)據(jù)識(shí)別目標(biāo)頻率。FFT分析常用于監(jiān)視旋轉(zhuǎn)部件的健康狀況。預(yù)測(cè)性維護(hù)(PdM)是智能行業(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(cè)潛在故障的預(yù)警跡象。有關(guān)如何分析狀態(tài)監(jiān)控(CbM)系統(tǒng)中的振動(dòng)數(shù)據(jù)的更多信息，請(qǐng)參閱此文章。

圖11.Z軸加速度數(shù)據(jù)的FFT分析

 

ESD警告

ESD（靜電放電）敏感器件。帶電器件和電路板可能會(huì)在沒(méi)有察覺(jué)的情況下放電。盡管本產(chǎn)品具有專(zhuān)利或?qū)Ｓ斜Ｗo(hù)電路，但在遇到高能量ESD時(shí)，器件可能會(huì)損壞。因此，應(yīng)當(dāng)采取適當(dāng)?shù)腅SD防范措施，以避免器件性能下降或功能喪失。
 

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