如何通过一个差分接口来延长SPI总线

本文将介绍如何通过一个差分接口来延长串行外设接口(SPI)总线，而这可以应用在支持远程温度或压力传感器的系统的设计。

在SPI应用中，主控器件和受控器件间的距离相对较近，而信号也通常不会传递到印刷电路板(PCB)之外。SPI信号类似于单端、晶体管-晶体管逻辑(TTL)信号，根据应用的不同，运行速率可高达100Mbps。一条SPI总线由四个信号组成：系统时钟(SCLK)，主器件输出从器件输入(MOSI)，主器件输入从器件输出(MISO)和芯片选择(CS) 。主控器件提供SCLK，MOSI和CS信号，而受控器件提供MISO信号。图1显示了一条标准SPI总线的总线架构。

图1：SPI总线

如果用户需要将SPI信号从你的微控制器或数字信号处理器(DSP)上发送到电路板以外的远程电路板(包含一个模数转换器(ADC)，一个数模转换器(DAC)或是其它器件)上，该怎么办呢?

由于以下几个原因，这种操作是具有一定挑战性的。

首先由未端接信号线路所导致的反射会严重影响信号完整性。而传输介质的特性阻抗和端接阻抗差异很大，会导致总线上的阻抗不匹配。其结果将会是从总线一端放射到另一端的能量驻波，从而导致通信误差。电磁干扰 (EMI)也是一个问题，其原因是SPI信号的高频部分向外放射，导致此信号与邻近信号的混同的。

不过这里有一个简单的解决方法：使用差分信号。诸如SN65LVDT41和SN65LVDT14的差分收发器接收SPI信号，并将它们转换为低压差分信令(LVDS)。由于其抗噪性和带宽，LVDS在SPI应用中可以运转良好。一篇之前的《获得连接》博客之前有一篇文章论述了LVDS的基本原理和优势;点击这里查看这篇文章。

SN65LVDT41和SN65LVDT14的架构可以使整条SPI总线转化为支持LVDS：同一方向上用于MOSI，SCLK和CS信号的4个收发器，相反方向上用于MISO信号的1个收发器。LVDS芯片组也具有内置端接带来的额外优势，应用简单，还可以减少电路板空间本就非常宝贵的应用中的组件数量。图2显示的是使用上述芯片组的一个已扩展SPI总线架构的组成结构。这个实现方式并不要求必须使用5类屏蔽双绞线(STP)，但是如果使用此类线缆的话，会使这种架构的实现方式更加简单。

图2：已扩展SPI总线

图3，4和5显示了SN65LVDT41和SN65LVDT14发射器在数倍于五类线的长度上发射速度为100Mbps时的性能。SN65LVDT41和SN65LVDT14内的接收器支持200mV输入耐受阀值，处于这些距离和速度下的发射器可以轻松符合这一耐受阀值。

图3：8米五类线100Mbps TX波形

图4：15米五类线100Mbps TX波形

图5：25米五类线100Mbps TX波形