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SPI通信中采用光耦隔离的意义与措施

来源:原创论文网 添加时间:2019-11-20

  摘    要: SPI(Serial Peripheral Interface,串行外设接口)总线系统是一种同步串行外设接口,广泛用于MCU与各种外围设备以串行方式进行通信以交换信息。SPI总线可直接与各个厂家生产的多种标准外围器件相连。光电耦合器简称为光耦,光耦隔离就是采用光耦对电信号进行隔离。光耦的结构相当于把发光二极管和光敏三极管封装在一起,使被隔离的两部分电路通过光电耦合器内的光传递信号,使被隔离的两部分电路之间没有电的直接连接,防止因有电的连接而引起干扰及损坏。光耦隔离方式因隔离耐压高、抗干扰能力强、成本低而广泛应用于各种隔离电路中。

  关键词: SPI通讯; 光耦隔离;

  SPI是一种高速的,全双工、同步的通信总线,且在芯片的管脚上最多只占用四根线,节约了芯片的管脚,且主从设备通信时都是使用主设备提供的时钟信号,通讯可靠,如今越来越多的芯片集成了这种通信协议。在一些需要隔离的电路中进行SPI通信时,使用光耦对信号进行隔离,是目前可靠且经济有效的一种方式。但是在实际应用中,由于光耦的传输延时大、电流传输比CTR值较离散及光耦内的发光二级管发光强度会减弱等原因,会造成难以预料的故障及隐患,也易造成难以挽回的经济损失。对此,探讨光耦隔离方式对SPI通信的影响有着重要意义。
 

SPI通信中采用光耦隔离的意义与措施
 

  1、 光耦传输延时对SPI通信的影响

  下面以SPI的时钟波形为例,简要分析光耦的延时特性对SPI通信的影响,见图1:R35=1KΩ,R24=1KΩ,室温条件测试,图样中使用的光电耦合器型号为台湾地区某品牌的EL816D,电流传输比(简称CTR值)为300%-600%档。图1中DVDD和VDD均为5V,光耦的Vf约为1.2V,可以算出,IF=(5V-1.2V)/1K=3.8mA,Ic≈5V/1k=5mA,实际Ic/If=5mA/3.8mA=132%。从图2中可以看出:在常温条件下,光耦输出端MCLK信号比输入端METERICCLK信号延时了约40us,即光耦的关断延时时间Toff约为40us(示波器中上升延时),而光耦的导通延时Ton(示波器中下降延时)则小得多,相较于Toff的延时几乎可以忽略不计。在高温环境下,光耦的Toff值更大。当采用光耦隔离进行SPI通信时,SCLK和MISO信号的光耦延时进行了叠加,导致SPI通信速率难以提高的主要因素是光耦的关断延时时间Toff。在无隔离条件下,SPI通信速率最高可以达到10Mb/s;而采用了光耦进行隔离后,由于受光耦的关断延时时间Toff的影响,SPI的通信速率只能降到几Kb/s;只能达到最高速率的千分之一左右。

  图1(CLK信号的隔离原理图)
图1(CLK信号的隔离原理图)

  图2 通道1(黄色)METERICCLK的波形;通道3(紫色)MCLK信号波形
图2 通道1(黄色)METERICCLK的波形;通道3(紫色)MCLK信号波形

  2、 光耦的CTR值衰减是产品寿命的重要考量因素

  由于光耦是通过光进行信号传递,光耦内部的LED发光强度会随着长时间工作而逐步降低,光耦的工作电流越大,环境温度越高,使用寿命就越短,在25摄氏度条件下,If=5mA时,CTR值下降20%需要350000小时,而If=10mA时,CTR值下降20%只需要100000小时;光耦工作在10mA时的寿命只有在5mA寿命的三分之一。在55摄氏度环境下,光耦工作在10mA时,CTR值下降20%只需要40000小时;使用寿命只是常温环境的40%。因此,采用光耦对SPI信号进行隔离传输时,要充分考虑光耦CTR衰减对产品使用寿命的影响,这种影响是极其隐蔽和有害的,也往往被产品设计人员所忽视。

  3、 减小光耦对SPI通信影响的主要措施

  (1)选择合适的电流传输比CTR值,可有效降低光耦的延时时间,当图1中的R24取值2K时,If=(5V-1.2V)/1K=3.8mA,Ic≈5V/2k=2.5mA,Ic/If=76%。光耦的关断延时时间Toff约为20us,降低了一半。因此,给电路匹配一个合适的参数,可以有效降低Toff值,从而提高SPI的通信速率。

  (2)根据光耦的延时特性,通过调整SCLK信号的占空比,可以有效提高SPI的通信速率和产品可靠性。由于惯性思维,设计人员往往将信号的占空比设置为50%,即信号的高电平和低电平持续时间一致。由于光耦对信号的延时主要是由于Toff值的影响,而导通延时Ton相对于Toff延时几乎可以忽略。如下图所示,通过提高信号的占空比,在SPI传输波特率保持不变的情况下,通过减少低电平的持续时间来延长高电平持续时间,用以抵消光耦Toff延时时间,在不降低SPI通信速率的情况下,可以有效减少光耦Toff值对SPI通信的影响,从而有效的提高了SPI通信的可靠性。

图1(CLK信号的隔离原理图)

  4、 结束语

  本文讨论了光电耦合器隔离对SPI通讯方式的影响。通过深入分析光耦的特性,在设计产品时通过配置合适的电流传输比CTR值或调整信号占空比,可以有效提高SPI通讯的可靠性,也可避免光耦在长期运行或者高温环境下由于CTR值的衰减而导致产品出现批量故障,避免给企业及社会造成不必要的经济损失。

  参考文献

  [1]基于F28M35的电池管理系统开发平台研究[D].华南理工大学,2017.
  [2]孙丞.光电隔离SPI接口冲击分压器[J].化工自动化及仪表,2016,43(12):1310-1313.

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