文章來(lái)源：納芯微電子

在工業(yè)系統(tǒng) SPI 一主多從通信架構(gòu)中，為節(jié)省 IO 資源，數(shù)字隔離器輸出通道并聯(lián)復(fù)用是常見(jiàn)設(shè)計(jì)，但實(shí)際應(yīng)用中極易出現(xiàn)電平無(wú)法正常拉高 / 拉低的異常問(wèn)題，嚴(yán)重影響通信穩(wěn)定性。本文先梳理工業(yè)系統(tǒng)主流通信方式及 SPI 隔離的應(yīng)用場(chǎng)景，深入剖析數(shù)字隔離器輸出并聯(lián)導(dǎo)致電平異常的核心原因，再針對(duì)性給出兩種經(jīng)實(shí)測(cè)驗(yàn)證的解決方案(CS 反向使能電路、二極管反向阻斷配合軟件配置)，并明確實(shí)施過(guò)程中的關(guān)鍵注意事項(xiàng)，為工程師解決同類 SPI 隔離通信問(wèn)題提供直接參考。

01工業(yè)系統(tǒng)常見(jiàn)通信方式

通信接口是硬件系統(tǒng)中實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)交換的核心模塊，常分為內(nèi)部通信接口（板級(jí)通信）、外部通信接口（對(duì)外通信），如圖1，不同接口在速率、距離、復(fù)雜度等方面各有特點(diǎn)，是納芯微產(chǎn)品主要的應(yīng)用場(chǎng)景之一。

圖1 板級(jí)通信和對(duì)外通信

板級(jí)通信

板級(jí)通信為設(shè)備內(nèi)部組件間的通信，通常具備速度快、距離短的特性，通常具備速度快、距離短的特性，常見(jiàn)有UART、I2C、SPI、單總線等。具體參數(shù)如表1所示：

表1 板級(jí)通信具體參數(shù)

對(duì)外通信

對(duì)外通信為設(shè)備級(jí)信號(hào)傳輸，用于實(shí)現(xiàn)設(shè)備間的數(shù)據(jù)交互，多采用差分傳輸方式，具備傳輸距離遠(yuǎn)的優(yōu)勢(shì)，常見(jiàn)類型包括 RS-232、RS-485、CAN 等，具體參數(shù)如下表所示：

表2 對(duì)外通信具體參數(shù)

02隔離SPI機(jī)會(huì)點(diǎn)

SPI全稱為Serial Peripheral Interface（串行外設(shè)接口），由摩托羅拉公司開發(fā)的一種同步、全雙工、主從式串行通訊總線，可以實(shí)現(xiàn)一主多從的通訊連接。

在硬件連接方式上，SPI常用4線制（SCK、MOSI、MISO、CS/SS），各信號(hào)線的傳輸方向及功能描述如下表3所示：

表3 SPI各信號(hào)線的傳輸方向及功能

SPI一主多從的通訊拓?fù)洌琈OSI、MISO、SCK常采用復(fù)用接口，節(jié)省IO資源，通過(guò)獨(dú)立的CS/SS實(shí)現(xiàn)從機(jī)選擇。如圖2所示。

圖2 SPI 一主多從基礎(chǔ)拓?fù)?/p>

在工業(yè)系統(tǒng)中，MCU高壓域與低壓域之間需要做通訊隔離，納芯微隔離器NSI8241W（3正1反）適用于SPI信號(hào)隔離。對(duì)于一主一從的隔離方式，4通道剛好一對(duì)一匹配（3正向通道對(duì)應(yīng)SCK、MOSI、CS/SS，1反向通道對(duì)應(yīng)MISO）。對(duì)于一主多從的拓?fù)浼軜?gòu)，同樣會(huì)復(fù)用通道節(jié)省IO資源，如圖3示例。

圖3 帶數(shù)字隔離器的SPI主多從拓?fù)?/p>

03數(shù)字隔離器輸出并聯(lián)問(wèn)題及解決方案

數(shù)字隔離器隔離SPI復(fù)用通道實(shí)際測(cè)試時(shí)，會(huì)發(fā)現(xiàn)復(fù)用MISO會(huì)出現(xiàn)電平異常，當(dāng)一路輸入高，一路輸入低的情況下，MISO不能完全被拉高或者拉低。如圖4，兩顆8241 Out口復(fù)用，輸入分別給高、低時(shí)，MISO波形。

圖4

Vdd1=Vdd2=5.25V，IND1高，IND2低

黃色OutD1=藍(lán)色OutD2≈2.5V

數(shù)字隔離器Out內(nèi)部為推挽輸出：輸入為高時(shí)，推挽上管導(dǎo)通，輸出高電平；輸入為低時(shí)，推挽下管導(dǎo)通，輸出低電平。當(dāng)輸入一高一低時(shí)，就會(huì)形成分壓回路，造成MISO電平異常，如圖5，這顯然與SPI中規(guī)定MISO復(fù)用沖突（當(dāng)SS拉低使能時(shí)，從機(jī)輸出配置為推挽輸出，當(dāng)SS拉高時(shí)，從機(jī)輸出需配置為高阻態(tài)，防止多個(gè)輸出導(dǎo)致電平?jīng)_突）。

圖5 數(shù)字隔離器內(nèi)部分壓回路

查閱NSI8241真值表（如圖6所示），當(dāng)EN拉低時(shí)，數(shù)字隔離器可以輸出高組態(tài)，能夠滿足SPI復(fù)用要求。因此我們給出以下電路調(diào)整方案，來(lái)實(shí)現(xiàn)數(shù)字隔離器輸出口并聯(lián)復(fù)用需求。

圖6 NSI241真值表

方案1

CS 處增加反向電路，同步使能數(shù)字隔離器

在CS處增加反向電路（NPN、PNP、反相器等，需考慮Vce壓降）同步使能數(shù)字隔離器。CS拉高禁用時(shí)，數(shù)字隔離器EN拉低禁用，Out復(fù)用輸出高，如圖7、圖8所示：

圖7 CS反向接EN電路(NPN舉例，多路片選)

圖8 兩路CS、EN復(fù)用

方案2

二極管反向阻斷 + 軟件配置，實(shí)現(xiàn)并聯(lián)復(fù)用

通過(guò)二極管進(jìn)行反向阻斷，配合軟件配置合理實(shí)現(xiàn)數(shù)字隔離器輸出并聯(lián)復(fù)用，如圖9、圖10所示：

圖9

未片選從機(jī)IND始終給低

圖10

未片選從機(jī)IND始終給高

但需要注意的是：

（1）需添加上下拉電阻，明確默認(rèn)電平，同時(shí)滿足信號(hào)上升沿、下降沿的時(shí)間要求；

（2）需考慮二極管壓降對(duì)電平幅值的影響，避免因壓降導(dǎo)致通信誤判；

（3）當(dāng)一路輸出通道由高電平切換至低電平時(shí)，受寄生參數(shù)影響，可能會(huì)短暫通過(guò)二極管抽取另一通道電流，需重視由此產(chǎn)生的電壓尖峰問(wèn)題。

結(jié)論與建議

在工業(yè) SPI 一主多從隔離通信場(chǎng)景中，數(shù)字隔離器輸出通道并聯(lián)復(fù)用是節(jié)省 IO 資源的常用方案，但因隔離器內(nèi)部推挽輸出結(jié)構(gòu)，直接并聯(lián)易導(dǎo)致電平異常。本文通過(guò)分析異常產(chǎn)生的核心原因，提供了兩種經(jīng)實(shí)測(cè)驗(yàn)證的解決方案（CS 反向使能電路、二極管反向阻斷 + 軟件配置），同時(shí)明確了實(shí)施過(guò)程中的關(guān)鍵注意事項(xiàng)。工程師在實(shí)際設(shè)計(jì)中可根據(jù)項(xiàng)目需求選擇合適方案，規(guī)避電平異常問(wèn)題，保障 SPI 通信的穩(wěn)定性。

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納芯微電子（簡(jiǎn)稱納芯微，科創(chuàng)板股票代碼688052）是高性能高可靠性模擬及混合信號(hào)芯片公司。自2013年成立以來(lái)，公司聚焦傳感器、信號(hào)鏈、電源管理三大方向，為汽車、工業(yè)、信息通訊及消費(fèi)電子等領(lǐng)域提供豐富的半導(dǎo)體產(chǎn)品及解決方案。

納芯微以『“感知”“驅(qū)動(dòng)”未來(lái)，共建綠色、智能、互聯(lián)互通的“芯”世界』為使命，致力于為數(shù)字世界和現(xiàn)實(shí)世界的連接提供芯片級(jí)解決方案。