SPI总线数据远距离传输实现_图文_百度文库
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SPI总线数据远距离传输实现
&&SPI数据,以及超远距离的数据交互
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你可能喜欢单片机SPI通信中数据流的同步问题研究[图]
&最近又在研究SPI了，，之前出现过串位和NSS不好使的情况，，一直没啥解决方法，今天看到这么一篇文章，写得不错，转载过来与大家共分享。原文地址:http://tech.c114.net/166/a678480.html版权归原作者所有&&
摘要：详细介绍串行同步通信的特点，说明如何通过硬件设计和软件纠错来确保数据流的同步；给出一种纠正数据偏移的方法，并以数字信号处理器TMS320LF2407A与单片机MSP430F135之间的SPI通信为例进行说明。
SPI 是串行外设接口（Serial Peripheral Interface）的缩写，通常称为&同步外设接口&，是由Motorola公司开发的全双工同步串行总线。该总线大量用在微处理器及其外设器件的通信中。与SPI有关的软件设计比较简单，使CPU有更多的时间处理其他事务。现在，越来越多的单片机带有SPI，采用SPI的外围芯片也与日俱增。采用SPI通信可以简化电路设计，提高电路可靠性，降低系统成本。
1& SPI通信的基本方式
SPI通信总线定义了以下4个接口信号。
◇ SIMO： 从入/主出。
◇ SOMI: 从出/主入。
◇ SCK: 串行时钟。
◇ SS: 从属选择（在有些芯片中定义为STE信号）。
图1& SPI通信的2种通信模式
SPI通信有三线SPI和四线SPI两种模式。在三线SPI模式下，从属选择信号SS/STE不起作用；采用四线SPI模式时，SS/STE信号为高电平时禁止从机接收和发送数据，SS/STE信号为低电平时允许从机接收和发送数据。SPI通信是一种基于主从配置的通信，提供串行时钟信号的一方是主机，其他的为从机。图1为2种通信模式下2台单片机之间的连接图。如果一个系统中有多台从机，那么主机就要为每一台从机提供一个从属选择信号，以确保任一时刻只有一台从机起作用[1]。
在SPI通信中，数据是同步发送和接收的。在串行时钟信号的作用下，主机在通过SIMO信号线发送数据的同时，也在通过SOMI信号线接收从机发送的数据；从机在通过SIMO信号线接收数据的同时，也在通过SOMI信号线向主机发送数据。Motorola公司没有定义任何通用SPI的时钟规范，但是所有具有SPI功能的单片机中，都可以通过设置相应的寄存器来设置时钟极性和时钟相位。对时钟极性的设置决定了静止时SPI串行时钟的有效状态，而对时钟相位的设置则规定了处理器在何时发送和接收数据。之所以如此，是为了适应不同外设和线路的需要，因为有些外设在时钟信号的上升沿锁存数据，而有些外设则在时钟信号的下降沿锁存数据[2]。
SPI传输串行数据时，首先传输数据的最高位[2]。波特率可以达到几Mbps，实际速度不仅取决于SPI硬件，而且还受到软件设计的约束。
2& 数据流的同步
同步串行通信的基本特点是： 同步串行通信是以字符块为信息单位传送的，而每帧信息包含成百上千个字符，因此，数据传送一旦开始，就要求每帧信息内部的每一位都要同步。也就是说，不仅字符内部的位传送是同步的，而且字符与字符之间的传送也必须是同步的，这样才能保证收/发双方对每一位都同步。显然，这种通信方式对时钟同步要求非常严格。为此，收/发两端必须使用同一时钟来控制数据块传输中字符与字符、字符内部位与位之间的同步[3]。
不论以何种方式进行通信，都必须制定一个通信协议。SPI通信也不例外。通信协议通常可以被分为3个部分[4]： 语法、语义和定时关系。这3部分分别规定了通信双方&如何讲&、&讲什么&以及&何时讲&的问题。
同步通信的通信协议比较简单。通常在数据块的前面冠以同步字符，在数据块的结尾加上差错控制
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品评校花校草，体验校园广场《SPI总线数据远距离传输实现》 www.wenku1.com
SPI总线数据远距离传输实现日期：
2009年1月第1期电子测试EL ECTRON IC TESTJ an. 2009No. 1SPI 总线数据远距离传输实现梁德坚, 刘玉琼(柳州运输职业技术学院　柳州　545007)摘　要:SPI总线是一种应用广泛的短距离串行同步通信协议, 针对SPI 总线数据不能进行远距离传输的问题, 本文介绍了采用RS422/RS485通信协议, 利用MAX3045和MAX3093芯片构成RS422/收发电路, 将SPI 总线数据由单端不平衡传输方式转换为双端平衡传输方式, 利用5使得SPI 总线数据可靠传输距离延长至1200m , 扩展了SPI 总线的应用范围关键词:SPI 总线; 远距离数据传输; RS422/RS485中图分类号:TN919. 71　　文献标识码:Bof SPI bus dataLiang Dejian , Liu Yuqiong　　(Liuzhou Transport Vocational Technical College ,Liuzhou 545007,China )Abstract :The SPI bus is a kind of communication p rotocols t hat serial synchronous were found wide use in short distance. It is countered t he question t hat t he SPI bus data can πt be remote(data ) t ransmission. In t his text ,we introduce to use communication protocol of RS422/RS485. U se MAX3045&MAX3093chip s to constit ute RS422/RS485transceiver circuit. The t ransmis 2sion mode of t he SPI bus data is changed f rom imbalance t ransmission mode to be balance t rans 2mission mode. U se Cat. 5twisted 2pair to be tto make t hat t he reliable dis 2tance of t he SPI bus data can be extend t hrough to 1200meter. To expanded t he applied range of t he SPI bus.K eyw ords :t he SPI remote p rotocol of RS422/RS48A/D 、D/A 、实时时钟、以及L ED 、L CD 驱动器件0　引　　言SPI 总线是Motorola 公司提出的一种同步串等, 是一种非常基本的外设接口, 得到了广泛地应用。SPI 使用4条线:串行时钟线(SL C K ) 、低电平有效的从机选择线(SS ) 、主机输入/从机输出线(MOSI ) 、主机输出/从机输入线(MOSI ) , 其接口连接如图1所示。SPI 总线通信协议简单, 传输速度快, 通信效率高等诸多优点, 但其传输距离较近的行外设接口协议, 它可以使MCU 与各种外围设备以串行方式进行通信以交换信息。由于该总线占用的接口线少, 而且速度快, 能够同时收发, 通信效率高, 支持这种总线的器件众多, 包括E 2PROM 、　72测试工具与解决方案缺点, 限制了它的使用的范围, 如果在保持相当的传输速率, 并能解决SPI 总线传输距离近, 可以极大地拓展SPI 总线应用的范围。2009. 12　实现SPI 总线数据远距离传输电路实现平衡传输的电路有多种, RS422和RS485是工业中远距离传送数据信号使用最多的一种方式。MA X3045和MA X3093芯片是美国美信公司出品的多路RS422/RS485收发器芯片, 其中MAX3045是四通道RS422/RS485发送器, 设计用图1　SPI 接口连接示意图1　SPI 总线传输距离短的原因分析及解决办法　　SPI 数据总线传输距离近的主要原因是因为SPI 总线采用的是单端不平衡传输的数据传输方于通过双绞线传送数字数据。MAX3093芯片是四通道RS485/RS422接收器, 两芯片均为5V 单电源供电, 保护电路, 可用于对式。在信号传输过程中, 是电场, 诸如磁场、扰、, 信号频率越高、信号传输线质量越差、传输距离越长则受到干扰的程度就越大。在单端不平衡传输过程中, 对于已引入到信号线中的干扰是无法消除或削弱的, 严重的话会造成数据传输的错误。另外, 在单端不平衡传输方式中, 需要一个公共的地线作为参考点, 地线同时也是信号电流的回线, 存在着信号电流, 当被此传输线连接着的两个系统之间存在着交流电位差时, 这个交流电位差将直接窜到信号中, 造成噪声干扰。基于上述原因使得SPI 总线数据的传输距离仅局限于板、卡级别的短距离数据传输。采用双端平衡传输是长距离数据传输常用的一种方式。双端平衡传输的信号为幅度相等、相位相反的信号, 传输线一般为双绞电缆, 这两根线走向、材质一致, 因此对地阻抗一致。在双端平衡传输通道中, 所接收的外部电磁干扰在导线内产生的干扰是一致的, 对信号接收端来说这是一种共模干扰, 这种共模干扰可用适当的电路加以消除或极大的抑制, 在很大程度上提高了信号传输的质量。将SPI 数据总线由单端不平衡传输方式改为双端平衡传输方式, 可以极大地提高其数据传输的距离, 实现SPI 数据远距离的传输。, 也就是采的通信方式。主设备处为发送端, 远端为接收端, 两者通过5类双绞线连接, 构成高速单向RS422数据传输系统, 图2为电路原理图。图2　电路原理图3　系统测试将主设备端(一般为单片机) 产生的SCL K 、　732009. 1MOSI 、SS 信号接至数据传送端, 接收端用串行接口的MAX 7221显示驱动芯片, 驱动8位L ED 数码管显示,Test Tools &Solutions发送器, 以实现SPI 总线数据的双向传输。此时,传输时序就显得尤为重要, 时序只有匹配, 数据传输才能正常进行。当传输速率较高时, 主设备处接收的数据发生错误, 这主要是传输时延造成的影响, 可以通过降低数据的传输速率解决这个问题。实验表明, 当SPI 时钟频率控制在40k Hz 左右时, 主设备处数据接收稳定可靠无差错。(2) 注意传输介质对数据传输的影响。在选择传输介质时, 应选择优质的5类或5类以上的双绞线作为传输线路, 线路的连接需牢固可靠。劣质的双绞线, 线路阻抗大, , 给数(网络中需要终接电阻, 要。在短距离传输时可以不接终接电阻, 即一般在300m 以下不需终接电阻。在RS422网络中终接电阻接在传输电缆的最远端, 终接电阻一般取值100Ω, 相当于电缆特性阻抗的电阻, 因为大多数非屏蔽双绞线电缆的特性阻抗大约在100Ω左右。这种匹配方法简单有效, 但有一个缺点, 匹配电阻要消耗较大功率, 对于功耗限制比较严格的系统, 可采用比较省电的RC 匹配方式, 如图5, 利用一只电容C 隔断直流成数据接收端接MAX 7221芯片的相应的数据输入端口, 传输介质采用4箱(305m/箱) 5类双绞线连接起来作为传输介质, 经实际测试, 传输距离为1220m 时, 数据传输速率达到100kHz 时,MAX 7221仍可正常工作, 所接L ED 数码管显示数据正确。图3为发送端和接收端的实测串行时钟(SC L K ) 信号的波形图。图4为接收端串行时钟信号的传输时延, 通过图4可以看出, 经过1200m 长距离的信号传输, 接收端的信号较发送端有7. 3μs 的时延, 因为SPI 总线是一个同步数据通信协议, 它是以串行时钟信号SC L K 上升沿或下降沿, 作为接收端数据采集的时刻, 只要接收端的SC L K 与MOSI 信号的时延基本保持一致,证数据的正确性。分, 可以节省大部分功率。图5　RC 匹配方式5　结　　论4　使用中的注意事项(1) 当SPI 总线数据需要双向传输时, 需要在通过将SPI 数据总线由单端不平衡传输变换为双端平衡传输方式, 解决了SPI 数据信号仅适用于近距离数据传输的弊端, 使得SPI 数据信号能可靠地传送至1200米的远距离。若应用系统中SPI主设备处增加RS422接收器, 在远端增加RS422　74测试工具与解决方案总线数据仅为单方向传输时, 还可以并接多个相同的SPI 设备, 达到同时向不同地域多个器件传送数据的目的。该电路简单可靠, 在地理空间位置上, 极大地拓展了SPI 器件使用的范围, 已在多个项目中得到使用, 并取得良好的效果。　　参考文献[1]　孙东, 韩绍坤, 邢怀飞. 自制RS232/RS485转换器应2009. 1[6]　黄军飞. 改单端不平衡为双端平衡传输转换器的设计制作. 西部广播电视,2000(6) :123.[7]　MAXIM. http ://www. maxim 2ic. com. cn/pdf serv/en/ds/MAX3093E 2MAX3094E. pdf [EB/OL ].[8]　MAXIM. http ://www. maxim 2ic. com. cn/pdf serv/en/ds/MAX30402MAX3045. pdf [EB/OL ].　　作者简介梁德坚(19642) , 男, 实验师, 华中科技大学控制工程研究生, 研究方向为计算机在工业控制中的应用, 智能控制。E 2mail :ldj@用[J].电子测量技术,2005(3) :11213.[2]　冯娟, 黄宏光, 金晶. 基于RS485协议的解码器及转换器[J].电子测量技术,2006(3) :22226.[3]　成晓庆, 晏波, 黄自祥. RS422、RS 2485接口电路设计中应注意的几个问题[J]. 电子工程, 2005(1) :32235.[4]　李德庆, 宋斌. RS422/RS485[J].电子元器件应用,2008(1) [5]　郭静华, . 女, 实验师, 桂林电子, 研究方向为自动控制。E 2mail :liu_yuqiong@126. com现[J].(10) :2122214.(上接第67页).4　结　　论本文设计的基于MSP430F149单片机的LDB 型电磁流量计实物如图6所示, 该流量计是用来测量各种导电液体或液固两相介质的体积流量, 包括变送器和智能转换积算仪两部分。经实际应用表明, 该仪表具有测量精度高、显示读数直观、功耗低、无可动件、可靠性强、寿命长、防爆、防酸、防碱等优点, 基本满足设计要求。适合水、酸、碱、盐、泥浆等导电流体测量, 可广泛适用于钢铁、石油、化工、水厂、医药、酿造等行业的流体测量及控制[8]。　　参考文献[1]　蔡武昌. 电磁流量计的现状和发展[M ].北京:机械[4]　魏小龙. MSP430系列单片机接口技术及系统设计实例[M].北京:北京航空航天大学出版社,.[5]　Low Power , High Precision Operational AmplifiersOP97Data sheet [M ].. [6]　Ultraslow Off setVoltage OperationalAmplifiersOP07Data sheet [M ]..[7]　何立民. 单片机应用系统设计[M ].北京:北京航空航天大学出版社,.[8]　温州诚展测控有限责任公司. LDB 型电磁流量计使用说明书[M ]..作者简介汉泽西, 男,1948年生,1982年毕业于西安交通大学信息与控制工程系无线电技术专业。现为西安石油大学电子工程学院教授, 硕士研究生导师, 多年从事测试计量技术与仪器的教学和科研工作。E 2mail :工业出版社,.[2]　蔡武昌, 马中元. 电磁流量计[M ].北京:中国石化出版社,.[3]　胡大可. MSP430系列FL ASH 型超低功耗电量16徐岳, 男, 在读硕士研究生,1984年生, 主要研究方向为测试计量技术及仪器。E 2mail :yuex217@163. com位单片机[M ].北京:北京航空航天大学出版社,　75本文由(www.wenku1.com)首发，转载请保留网址和出处！
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一种高精度直流模拟量隔离传输电路的设计
[导读]摘要：在工业应用中，为了提高系统的抗干扰能力和确保系统安全可靠地运行，往往使用电量隔离技术传输信号。文章提出一种传输直流模拟量的隔离电路。此电路主要由非线性光耦、低通滤波器、脉冲发生电路及控制单元组成
摘要：在工业应用中，为了提高系统的抗干扰能力和确保系统安全可靠地运行，往往使用电量隔离技术传输信号。文章提出一种传输直流模拟量的隔离电路。此电路主要由非线性光耦、低通滤波器、脉冲发生电路及控制单元组成。它使用简化的脉冲密度调制原理，跟踪待传输的直流信号，控制脉冲波的输出，将直流信号转换成脉冲，经光耦隔离后送入滤波器还原出原信号。此电路具有体积小、成本低的特点。
关键词：脉冲密度调制；TLP521-2；低通RC滤波器；模拟量隔离
&&& 在复杂的电磁环境下，工业系统或设备通常采用电气隔离技术来提高自身的抗干扰能力。光电隔离方法是目前应用较广的电气隔离技术。它主要使用光耦来实现。通常光电耦合器电流传输特性都是非线性的，模拟信号若使用光耦直接进行线性隔离传输，其实现方法和隔离传输的精度受光耦传输特性的影响，往往线性度和精度都不高。而数字信号使用光耦隔离传输则不受非线性的影响，方法简单，也比较成熟。因此，数字化的方式隔离传输模拟信号，既可以避免光耦的非线性特性对信号传输造成的影响，又能利用成熟的数字传输方法。
&&& 本文正是根据以上思路，提出一种使用成熟的光电隔离传输数字量的方法，结合脉冲密度调制原理实现直流模拟量隔离传输的电路。电路使用了模数混合处理的方式，摒弃了纯模拟信号处理的一些局限性。
1 系统工作原理
&&& 光耦通常用于传输数字量，不适宜直接传输模拟量，除非使用非线性度很小的线性光耦。基于此，电路设计中首先利用简易的脉冲密度调制技术将待传输的直流模拟量转换为数字量，然后选用普通光耦用于信号隔离传输数字量，最后根据隔离传输后信号还原出模拟量。
1．1 脉冲密度调制
&&& 脉冲密度调制是一种脉冲调制技术，脉冲波由基本脉冲组成。基本脉冲一般是占空比固定，脉冲宽度固定的单个脉冲。调制后脉冲波可能在一段时间内连续出现基本脉冲，也可能没有任何脉冲出现。如果基本脉冲占空比为D，脉冲宽度为Tp，在一段观察时间T内，出现了n个基本脉冲。则在此时间内，脉冲波所含的直流分量为D&nTpVD／T。其中VD代表基本脉冲高电平时的幅度，并且默认低电平的电压为0。也就是说，观察时间内脉冲数越多，直流分量越大；脉冲数越少，直流分量越小。
&&& 脉冲密度调制波经低通滤波器后可以滤出其中的直流分量。因此使用脉冲密度调制原理的电路，只需控制单位时间内基本脉冲的数量，就可以调节直流分量的大小，从而达到等效数模转换器的目的。
1．2 电路工作原理
&&& 本电路工作时实际使用了简化的脉冲密度调制方法。电路控制的脉冲波只会有两种形式出现。一种是以连续的基本脉冲波形组成，另外一种则是无任何波形出现，相当于零电位。控制电路通过这两种形式的组合，调节单位时间内的直流分量，跟踪输入的直流模拟信号。本文引用地址:
&&& 系统工作原理框图如图1所示，虚线代表两侧电路相互电气隔离。电路中脉冲发生器产牛脉冲波， 一路隔离后送入低通滤波I中，另一路送入低通滤波II中。两路低通滤波电路参数完全一致，负责将脉冲波中直流分量提取出来。比较单元将待测信号VIN与滤波输出的电压VREF进行比较判决，判决输出的电平信号隔离后控制脉冲发生器的工作。该信号低电平时，脉冲发生器持续产生脉冲；高电平时，脉冲发生器不输出脉冲。
&&& 电路刚上电时，低通滤波I输出VREF为零。此时VIN大于VREF，C PDM为低电平，脉冲发生器不断产生脉冲送入低通滤波I和II中，VREF逐渐增长。当VREF大于VIN时，C PDM为高电平，脉冲发生器停止脉冲输出，导致VREF下降。当VREF小于VIN时，C PDM再次为低电平，脉冲发生器又输出连续脉冲。周而复始，电路参数VREF始终跟踪VIN变化。由于低通滤波I、II参数一致，输入脉冲波形一致，因而可以保证V0=VREF= VIN。
2 硬件设计
&&& CMOS门电路构成RC振荡器，按图2所示电路中方波振荡频率fp约为5kHz。系统框图中低通滤波电路I、II在此电路中由二阶无源RC电路组成，低通截止频率fLP设定10Hz左右，fp&&fLP可以确保获取脉冲波的直流分量。考虑到光耦在传输变化较快的数字量时存在一定延迟和波形失真，如果脉冲波一路隔离，另一路未处理，会造成送入低通滤波器的波形不一致。一般认为同一封装内的多路光电耦合器的特性参数几乎一致，因而为了确保送入两路滤波单元信号的一致性，设计中使用了集成两路光电耦合器的芯片TLP521-2。
&&&& 图2中送入两个滤波单元的脉冲波经场效应管及相关电路处理后，可以保证脉冲低电平电压非常接近零电位，高电平幅值几乎就是参考电源。考虑到脉冲发生电路的脉冲波形占空比约为50％，且隔离前后级参考电压源VREF1、VREF2都为10V供电，根据上文分析，可知测量的待测电压范围最大值0．5&10=5V。我们也可以将脉冲发生器设计成占空比可调的脉冲电路，适当提高占空比，可以降低供电电源电压幅度，降低功耗。
&&& 原理图中采用二阶低通滤波的方法，牺牲了部分响应时间，获得纹波较小的直流分量。在保证一定的隔离传输精度的前提下，若需要适当提高电路跟踪直流模拟量的响应时间，可将图2中的滤波器设计成一阶无源RC低通滤波器，同时增大方波振荡频率与低通截止频率两者的频率比值。
3 测试结果
&&& 直流模拟量隔离传输的电压范围是0～5v。为检验其隔离传输的精度，测试选取了50个电压监测点。测量从0．1V至5V，每隔0．1V记录输入电压及输出电压。测试值由两台安捷伦6位半数字万用表34401A获得，一台用于测量隔离前输入的直流电压，另一台用于测量隔离后输出的直流电压。测试时两台数字万用表使用的电源相互隔离，其中有一台由隔离变压器输出供电。测得50组数据中输入与输出的最大绝对误差为12mV，故该电路的传输精度优于0．5％。
&&& 电路基于简易的脉冲密度调制原理，使用了成熟的数字量隔离方法克服了光耦非线性特性给直流模拟信号传输带来的弊端。由纯硬件电路实现隔离传输有助于提高电路本身的抗干扰性。此电路可通过增加前级处理电路，如I／V变换，制成如4～20mA转换成1～5V模拟隔离传输电路，扩展电路应用范围。受电路性能的影响，只适合传送直流或近似直流的隔离模拟信号。本电路已成功应用于某型设备电子线路板检测装置中，监测线路板上需隔离检测的直流测试点。
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