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大家好!
我正在参与一个项目、该项目涉及1至2米的 SPI 通信传输距离。 该应用要求每秒从3个轴传输3200个16位大小的样本、数据速率约为154kbps。
我的 SPI 配置包括采用4根导线(MISO、MOSI、SCLK 和 CS)的单个主器件和单个从器件设置。 我计划为此使用 CAT5电缆。 考虑到电缆的固有特性和所涉及的距离、我预计信号反射、EMI 和其他因素对信号完整性可能带来的挑战。
为了缓解这些挑战并实现稳健的 SPI 通信、我正在考虑使用在 SPI 连接两端具有施密特触发输入的 SN74LVC3G17缓冲器。 此缓冲器设计用于处理1.65V 至3.6V 的电源电压、并提供过压容差输入、平衡输出、并且具有超高速兼容性(tpd 5-10ns)。
我还打算考虑此配置的时钟频率。 我知道、由于信号衰减的易感性较低、较低的时钟频率可提供更佳的信号完整性。 但是、它还可能会限制数据速率。 我目前正在考虑将0.5 MHz 和2 MHz 作为可能的时钟频率。
如果有人可以分享与以下问题相关的经验、建议或顾虑、我将不胜感激:
SN74LVC3G17是否适合在此应用中用作缓冲器?
2.关于信号反射、尤其是在配置中使用此类缓冲器时、我需要考虑哪些关键注意事项?
3. 考虑到数据速率和潜在的信号完整性问题,时钟频率0.5MHz 是否太低? 或者、在给定配置下、2MHz 是否更理想?
4.是否有人对类似距离的 SPI 通信有过经验或建议、若有、有何具体建议或可能需要避免的缺陷?
提前感谢您的见解和帮助!
此致
时钟频率应该尽可能高、也应该尽可能低。 我不知道您的协议有多少开销。 请注意、较低的时钟频率本身不会提高稳健性(由噪声引起的错误时钟脉冲无论如何都会通过)、但允许您滤除更多的更高频率。
SN74LVC3G17是一个不错的选择、但其高驱动强度会产生非常快速的边缘。 您至少需要源端接、但为了滤除高频噪声、您可以使用 R-C 滤波器。 因此缓冲器的驱动强度无关紧要、您也可以使用 SN74AUP3G17。
CAT5电缆专为差分信号对而设计。 为避免串扰、切勿将两个不同的信号配对。 您可以为一对中的两条线路使用相同的信号、或者将信号与 VCC 或 GND 配对。
考虑使用 LVDS 等差分协议。 具有用于 SPI 的集成多通道收发器、例如 SN65LVDT41/14、也可以使用多个较小的收发器。
您好、Clemens:
感谢您的反馈。 是的、我们使用 AM26Cxx 系列差分驱动器和接收器对设计了一个系统、用于 MEMS 传感器到 MCU 的连接。
对于此应用、我们不能使用差分驱动器、因为成本是禁止的、但缓冲器似乎在预算范围内。 我们使用 CAT5电缆来实现屏蔽能力。 我已经注意到了您关于与 Vcc & GND 配对电缆的建议。 您能否为我们提供一些参考资料以交叉检查我们的源端接电阻计算?
我认为可以肯定地假设、这是设计人员和工程师在连接 SPI 与距离超过1-2m 的传感器和 ADC 时可能面临的最常见用例之一。 TI 是否可以发布一些基准测试? 我们并不总是能够使用高精度 Osciliscope 进行性能测试、也许您/您的团队可以发布一个具有0.5、1、1、5和2m 距离的简单单主-从4线配置、具有不同电缆类型和其他影响设计决策的关键特性。
缓冲器的总输出阻抗(缓冲器自身的输出阻抗加上源端接电阻器)应该与电缆的特性阻抗相匹配。 CAT5规定了100 Ω 的差分阻抗、但通常未指定单端阻抗、并且通常位于60 Ω 和80 Ω 之间。
在两端使用缓冲器可能是有意义的。 请考虑 SN74HC14或 SN74HCS125。
您好、Clemens:
您能否分享能够帮助我们正确终止电位反射的详细设计过程/应用手册/参考设计?
我发现 这些由 Emrys Maier 提供的常见问题解答非常有用。
如果希望匹配线路阻抗、则可以计算所用电源电压下缓冲器最坏情况下的输出阻抗与 VOL / IOL、并将典型输出阻抗估计为大约一半。
不过、匹配线路阻抗的目的是避免反射、同时仍允许尽可能高的信号频率。 如果您有低频信号并希望滤除尽可能高频的噪声、则不会匹配线路阻抗、而是添加阻抗更高的 R-C 滤波器。 例如、对于2 MHz 时钟、可以使用 R = 1 kΩ、C = 10 pF 构建一个带宽大于10 MHz 的 R-C 滤波器(由于缓冲器的输出阻抗和接收器的输入电容、有效的 R 和 C 会稍高一些)。 确切的行为取决于电缆特性;您需要使用示波器检查波形。
您好, Clemens Ladisch,
感谢您始终如一、直至要点和富有洞察力的反馈和建议。
我们还有另一个问题、在尝试通过1/2m 电缆保持 SPI 信号的完整性时、与 SN74HCS125相比、TXU0304等缓冲器在两端的用处有多大?
您的见解将进一步帮助我们改进我们的方法、然后再使用原型进行测试。
此致。
您好、Clemens:
然后、我们将在 SPI 总线两端最终确定 TXU0304。
配置如下:
SPI MCU 主器件(3.3V)> TXU0304 (3.3V 至5V)~~~ SPI 总线~~~ TXU0304 (5V 至3.3V)> SPI 传感器从器件。
目标:
我们计划根据您的建议使用 R = 1 kΩ、C = 10 pF 的 R-C 滤波器、以消除总线的较高频率噪声。
跟进问题:
这就是您建议消除 SPI 总线高频噪声的含义、对吗?
RC 滤波器带宽适用于模拟信号、截止频率指定正弦波衰减3dB (即衰减一半)的频率。 为了传输数字信号(方波)、您需要更高的带宽;这就是我使用10 MHz 作为2 MHz 时钟的原因。
交流端接尝试匹配阻抗;这不会滤除高频。 R-C 滤波器由一个串联电阻器(如源端接电阻器)和一个接地电容器组成。
好的、
对于 SPI 总线而言、串联的 R = 1 kΩ 是否过大? 我无法解释您的建议、您能为我们提供一个可以遵循的参考设计吗?
为什么您认为它太多? 它与电容器一起减慢边沿速度。
如果 SPI 总线太长以至于增加了过多的电容、可能会导致误差过大。
您好, Clemens Ladisch,
根据您的建议、我们将在上述系统中添加 RC、如下图所示。
技术规格:
Question:
1.是。
2.将两个滤波器组合起来以降低最高频率。
请注意、布线和电缆的电容约为1 pF /厘米、因此2m 将产生大约200 pF、因此您可以减少或省略分立式电容器。 并且有一个介于大约50 Ω 和100 Ω 之间的较小电阻器。您应该根据所使用的实际值计算此值、并使用示波器进行检查。