如何通過一個差分接口來延長SPI總線

本文將介紹如何通過一個差分接口來延長串行外設接口 (SPI) 總線，而這可以應用在支持遠程溫度或壓力傳感器的系統的設計。

在SPI應用中，主控器件和受控器件間的距離相對較近，而信號也通常不會傳遞到印刷電路板 (PCB) 之外。SPI信號類似于單端、晶體管-晶體管邏輯 (TTL) 信號，根據應用的不同，運行速率可高達100Mbps。一條SPI總線由四個信號組成：系統時鐘 (SCLK) ，主器件輸出從器件輸入 (MOSI) ，主器件輸入從器件輸出 (MISO) 和芯片選擇 (CS) 。主控器件提供SCLK，MOSI和CS信號，而受控器件提供MISO信號。圖1顯示了一條標準SPI總線的總線架構。

圖1：SPI 總線

如果用戶需要將SPI信號從你的微控制器或數字信號處理器 (DSP) 上發送到電路板以外的遠程電路板(包含一個模數轉換器 (ADC)，一個數模轉換器 (DAC) 或是其它器件)上，該怎么辦呢?

由于以下幾個原因，這種操作是具有一定挑戰性的。

首先由未端接信號線路所導致的反射會嚴重影響信號完整性。而傳輸介質的特性阻抗和端接阻抗差異很大，會導致總線上的阻抗不匹配。其結果將會是從總線一端放射到另一端的能量駐波，從而導致通信誤差。電磁干擾 (EMI) 也是一個問題，其原因是SPI信號的高頻部分向外放射，導致此信號與鄰近信號的混同的。

不過這里有一個簡單的解決方法：使用差分信號。諸如SN65LVDT41和SN65LVDT14的差分收發器接收SPI信號，并將它們轉換為低壓差分信令 (LVDS) 。由于其抗噪性和帶寬，LVDS在SPI應用中可以運轉良好。一篇之前的《獲得連接》博客之前有一篇文章論述了LVDS的基本原理和優勢;點擊這里查看這篇文章。

SN65LVDT41和SN65LVDT14的架構可以使整條SPI總線轉化為支持LVDS：同一方向上用于MOSI，SCLK和CS信號的4個收發器，相反方向上用于MISO信號的1個收發器。LVDS芯片組也具有內置端接帶來的額外優勢，應用簡單，還可以減少電路板空間本就非常寶貴的應用中的組件數量。圖2顯示的是使用上述芯片組的一個已擴展SPI總線架構的組成結構。這個實現方式并不要求必須使用5類屏蔽雙絞線 (STP) ，但是如果使用此類線纜的話，會使這種架構的實現方式更加簡單。

圖2：已擴展SPI總線

圖3，4和5顯示了SN65LVDT41和SN65LVDT14發射器在數倍于五類線的長度上發射速度為100Mbps時的性能。SN65LVDT41和SN65LVDT14內的接收器支持200mV輸入耐受閥值，處于這些距離和速度下的發射器可以輕松符合這一耐受閥值。

圖3：8米五類線100Mbps TX波形

圖4：15米五類線100Mbps TX波形

圖5：25米五類線100Mbps TX波形

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