TXE81XX 16 位和 24 位 SPI 總線 I/O 擴(kuò)展器：特性與應(yīng)用全解析

在電子設(shè)計(jì)領(lǐng)域，I/O 擴(kuò)展器是解決系統(tǒng) I/O 端口不足的重要工具。今天，我們就來(lái)深入探討一下德州儀器（TI）推出的 TXE81XX 16 位和 24 位 SPI 總線 I/O 擴(kuò)展器，看看它有哪些獨(dú)特的特性和廣泛的應(yīng)用場(chǎng)景。

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特性亮點(diǎn)

電源與性能

TXE81XX 工作電源電壓范圍為 1.65V 至 5.5V，具有很強(qiáng)的電源適應(yīng)性。其低待機(jī)電流消耗僅 2.3μA（典型值），能有效降低系統(tǒng)功耗。在 SPI SCLK 頻率方面，3.3V 至 5.5V 電壓下支持 10MHz，1.65V 至 5.5V 電壓下支持 5MHz，可滿足不同的通信速率需求。

功能特性

• 輸入輸出保護(hù)：具備 5V 耐壓輸入和輸出端口，內(nèi)置失效防護(hù) I/O 功能，能有效保護(hù)器件免受高壓損壞。
• 中斷與復(fù)位：開(kāi)漏低電平有效中斷輸出（INT）可及時(shí)反饋輸入狀態(tài)變化，低電平有效復(fù)位輸入（RESET）方便系統(tǒng)初始化。
• 靈活配置：GPIO 的所有輸入端都支持單獨(dú)的 I/O 控制和干擾濾波器，還支持 SPI 菊花鏈、I/O 讀取突發(fā)模式、I/O 極性反轉(zhuǎn)等功能，以及總線保持功能，可保持最后一個(gè) I/O 狀態(tài)。
• 驅(qū)動(dòng)能力：具有高電流驅(qū)動(dòng)能力的鎖存輸出，可直接驅(qū)動(dòng) LED，方便實(shí)現(xiàn)顯示功能。
• 可靠性：閂鎖性能超過(guò) 100mA，符合 JESD 78 II 類(lèi)規(guī)范要求；ESD 保護(hù)性能超過(guò) JESD 22 規(guī)范要求，包括 2000V 人體放電模型（A114 - A）和 1000V 充電器件模型（C101），保證了器件在復(fù)雜環(huán)境下的可靠性。

應(yīng)用領(lǐng)域

TXE81XX 的應(yīng)用十分廣泛，涵蓋了工業(yè)、醫(yī)療、通信等多個(gè)領(lǐng)域，如工業(yè)運(yùn)輸、工業(yè)自動(dòng)化、測(cè)試和測(cè)量、工廠自動(dòng)化與控制、醫(yī)療和保健、服務(wù)器、路由器等電信交換設(shè)備，以及采用 GPIO 受限處理器的產(chǎn)品。這些場(chǎng)景中，TXE81XX 能為系統(tǒng)提供額外的 I/O 端口，解決 I/O 不足的問(wèn)題。

規(guī)格參數(shù)

絕對(duì)最大額定值

在自然通風(fēng)條件下，電源電壓（Vcc）、輸入電壓（Vi）和輸出電壓（Vo）的范圍為 -0.5V 至 6.5V，輸入和輸出鉗位電流也有相應(yīng)的限制。結(jié)溫（TJ）和貯存溫度（Tstg）范圍為 -40°C 至 150°C。超出這些絕對(duì)最大額定值運(yùn)行可能會(huì)對(duì)器件造成永久損壞。

ESD 等級(jí)

靜電放電方面，人體放電模型（HBM）為 +2000V，充電器件模型（CDM）為 +1000V，符合相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，能有效防止靜電對(duì)器件的損害。

建議運(yùn)行條件

建議運(yùn)行的電源電壓范圍為 1.65V 至 5.5V，高電平輸入電壓（VIH）和低電平輸入電壓（VIL）根據(jù)不同引腳有相應(yīng)的要求。高電平輸出電流（IoH）和低電平輸出電流（IoL）也有明確規(guī)定，環(huán)境溫度范圍為 -40°C 至 130°C。

熱性能信息

不同封裝的熱性能指標(biāo)有所差異，如結(jié)至環(huán)境熱阻（RIJA）、結(jié)至外殼（頂部）熱阻（RJC(top)）、結(jié)至電路板熱阻（RBJB）等，在設(shè)計(jì)時(shí)需要根據(jù)實(shí)際情況選擇合適的封裝。

引腳配置與功能

TXE81XX 有多種封裝形式，如 TXE8124 的 VSSOP (32) 和 VQFN(32)，TXE8116 的 VSSOP(24) 和 VQFN(24)。每個(gè)引腳都有明確的功能，如 P 端口用于輸入/輸出，CS 為 SPI 芯片選擇輸入，SCLK 為 SPI 串行時(shí)鐘輸入等。在使用時(shí)，需要根據(jù)具體的應(yīng)用需求進(jìn)行正確的引腳連接。

詳細(xì)工作原理

數(shù)字內(nèi)核與寄存器

TXE81XX 數(shù)字內(nèi)核由 24 位寄存器組成，允許用戶配置 I/O 端口特性。上電或復(fù)位后，I/O 被配置為輸入，系統(tǒng)控制器可通過(guò)寫(xiě)入方向配置寄存器將 I/O 配置為輸入或輸出。每個(gè)輸入或輸出的數(shù)據(jù)保存在相應(yīng)的輸入端口或輸出端口寄存器中，輸入端口寄存器的極性可由極性反轉(zhuǎn)寄存器轉(zhuǎn)換。

I/O 端口特性

當(dāng) I/O 配置為輸入時(shí)，F(xiàn)ET Q1 和 Q2 處于關(guān)閉狀態(tài)，創(chuàng)建高阻抗輸入；配置為輸出時(shí)，Q1 或 Q2 啟用，I/O 引腳和電源或 GND 之間存在低阻抗路徑。要確保正常運(yùn)行，施加到 I/O 引腳的外部電壓不應(yīng)超過(guò)推薦電壓值。

中斷輸出

TXE81XX 器件會(huì)在輸入 I/O 的任何上升沿或下降沿生成中斷，只要該 I/O 的中斷未被屏蔽。中斷保持有效直到該端口的所有中斷標(biāo)志位都清零，讀取中斷標(biāo)志狀態(tài)寄存器不會(huì)自動(dòng)清除中斷。配置為輸出的 I/O 不會(huì)生成中斷。該器件有智能中斷、常規(guī)中斷、POR 中斷和失效防護(hù)冗余失敗中斷四種類(lèi)型，可通過(guò)相應(yīng)的寄存器進(jìn)行配置和管理。

復(fù)位輸入與失效防護(hù)模式

RESET 可置為有效輸入以初始化系統(tǒng)，將 RESET 引腳保持在低電平至少 tW 可實(shí)現(xiàn)復(fù)位。SPI 控制器可將 TXE81XX 設(shè)置為失效防護(hù)狀態(tài)，通過(guò)對(duì)失效防護(hù)使能寄存器進(jìn)行編程，啟用該功能并將引腳功能從復(fù)位更改為失效防護(hù)。在故障情況下，會(huì)向 SPI 控制器生成中斷，控制器需重新寫(xiě)入相關(guān)寄存器。

其他功能

還支持軟件復(fù)位廣播、突發(fā)模式和菊花鏈等功能。軟件復(fù)位廣播可通過(guò) SPI 總線上的控制器發(fā)出命令，使器件復(fù)位為上電默認(rèn)狀態(tài)；突發(fā)模式可自動(dòng)遞增地址，提高數(shù)據(jù)讀取效率；菊花鏈配置允許多個(gè) TXE81XX 器件串聯(lián)，增加支持的 I/O 端口數(shù)量。

編程與寄存器映射

SPI 接口

TXE81XX 采用 SPI 接口設(shè)置器件配置、運(yùn)行參數(shù)和讀取診斷信息。支持 SPI 模式 0（CPOL = 0，CPHA = 0），空閑時(shí)，時(shí)鐘（SCLK）為低電平，數(shù)據(jù)在 SCLK 的上升沿進(jìn)行采樣，在下降沿改變。除了獨(dú)立芯片選擇的 SPI 總線，還支持菊花鏈配置，可減少 CS 線路數(shù)量。

數(shù)據(jù)格式與讀寫(xiě)操作

SPI 數(shù)據(jù)格式為 24 位，以 MSB 優(yōu)先的方式移入器件。寫(xiě)入操作時(shí)，將 CS 驅(qū)動(dòng)為低電平，移入 24 位數(shù)據(jù)，MSB 位為“0”表示寫(xiě)入；讀取操作時(shí)，MSB 位為“1”表示只讀傳輸。在讀寫(xiě)過(guò)程中，會(huì)有相應(yīng)的狀態(tài)信息在 SDO 上發(fā)送。

寄存器映射

控制寄存器包括讀取/寫(xiě)入與功能地址、端口選擇與多端口等部分，每個(gè)寄存器都有特定的功能和默認(rèn)值。如暫存寄存器用于測(cè)試，器件 ID 寄存器用于識(shí)別器件型號(hào)，輸入端口寄存器反映 IO 引腳的輸入邏輯電平，輸出端口寄存器顯示輸出邏輯電平，方向配置寄存器配置 I/O 引腳的方向等。

應(yīng)用與實(shí)施建議

典型應(yīng)用

TXE81XX 可作為目標(biāo)器件連接至 SPI 控制器，位于遠(yuǎn)離控制器的遠(yuǎn)程位置，靠近需要監(jiān)視或控制的 GPIO。在典型應(yīng)用中，可根據(jù)具體需求將 P 端口配置為輸入或輸出，部分可能浮動(dòng)的輸入需要電阻器。

電源相關(guān)建議

上電復(fù)位要求器件經(jīng)過(guò)下電上電后才能完全復(fù)位，電源中的干擾會(huì)影響上電復(fù)位性能，干擾寬度和高度相互依賴(lài)。旁路電容、源阻抗和器件阻抗是影響上電復(fù)位性能的因素，VPOR 對(duì)上電復(fù)位至關(guān)重要。

布局指南

在 PCB 布局時(shí)，應(yīng)遵循常見(jiàn)的 PCB 布局實(shí)踐，避免信號(hào)布線呈直角，使用較粗的布線承載大電流。旁路電容器和去耦電容器應(yīng)盡可能靠近 TXE81XX。對(duì)于信號(hào)布線密度大的電路板，建議使用 4 層電路板。

綜上所述，TXE81XX 16 位和 24 位 SPI 總線 I/O 擴(kuò)展器以其豐富的特性、廣泛的應(yīng)用場(chǎng)景和詳細(xì)的技術(shù)規(guī)格，為電子工程師提供了一個(gè)可靠的 I/O 擴(kuò)展解決方案。在實(shí)際設(shè)計(jì)中，我們需要根據(jù)具體的應(yīng)用需求，合理選擇器件的封裝、配置寄存器，并注意電源和布局等方面的問(wèn)題，以充分發(fā)揮 TXE81XX 的性能優(yōu)勢(shì)。大家在使用過(guò)程中遇到過(guò)哪些問(wèn)題呢？歡迎在評(píng)論區(qū)留言分享。