SPI总线数据远距离传输实现 梁德坚 刘玉琼 摘要：SPI总线是一种应用 .DOCVIP

SPI总线数据远距离传输实现 梁德坚 刘玉琼 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，采用将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类双绞线作为传输介质，使得SPI总线数据可靠传输距离延长至1200米，扩展了SPI总线的应用范围。 关键词：SPI总线；串行通信；远距离数据传输 0 引言 SPI (Serial Peripheral Interface，串行外设接口)总线是Motorola公司提出的一种同步串行外设接口协议，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E2PROM、A／D、D／A、实时时钟、以及LED、LCD驱动器件等，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(SLCK)、低电平有效的从机选择线() 、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。 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式。 在信号传输过程中，对信号产生干扰的不仅仅是电场，诸如磁场、振动、温度等均可对信号造成干扰、在信号传输过程中受到干扰的程度与信号线质量和传输距离有很大关系，信号线质量越差、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。双端平衡传输的信号为幅度相等、相位相反的信号这两根线走向、材质一致，因此对地阻抗一致在导线内产生的干扰是一致的，对信号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传输质量四通道RS-4/RS-485发送器设计用于通过双绞线传送数字数据热插拔输入能够在电路启动过程中禁止错误数据的传输Electrostatic Discharge，静电放电)保护电路，可用于对ESD敏感的应用系统中。本电路中仅使用其中三个通道，各线对数据信号为单方向传输，也就是采用RS-422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RS-422数据传输系统，图2为电路原理图。 3 系统测试 将主设备端（一般为单片机）产生的SCLK、MOSI、SS信号接至数据传送端，接收端用串行接口的MAX7221显示驱动芯片，驱动8位LED数码管显示，数据接收端接MAX7221芯片的相应的数据输入端口，传输介质采用4箱（305米/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1220米时，数据传输速率达到100KHz时，MAX7221仍可正常工作，所接LED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（SCLK）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1200米长距离的信号传输，接收端的信号较发送端有7.3us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SCLK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SCLK与MOSI信号的时延基本保持一致，就可以保证数据的正确性。 4 使用中的注意事项 1.当SPI总线数据需要双向传输时，需要在主设备处增加RS-422接收器，在远端增加RS-422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40KHz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，更有甚者同一根双绞线内各线对之间的电阻和信号传输时延有很大差异，给数字信号传输带来很大的影响。 3.RS-422/RS-485网络中需要终接电阻，要求其阻值约等于传输电缆的特性阻抗。在短距离传输时可以不接终接电阻，即一般在300米以下不需终接电阻。在RS-422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