物聯(lián)網(wǎng)高效的互聯(lián)網(wǎng)（物聯(lián)網(wǎng)）的設(shè)計(jì)必須權(quán)衡一系列的要求，往往工作對(duì)立起來(lái)。成本低是很重要的，但往往支持所有應(yīng)用所需的主要功能增加了MCU的引腳數(shù)和內(nèi)存大小，兩件事情，對(duì)低成本的工作。低功耗也是物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用中的電池運(yùn)行狀態(tài)的重要。然而，增加功能和提高性能最多可電力需求。顯然，找到所有這些需求之間的平衡可能是一個(gè)問(wèn)題，但這是挑戰(zhàn)只是工程師期望從尖端的設(shè)計(jì)類型。

其中最有效的方法來(lái)降低這種設(shè)計(jì)快刀斬亂麻是尋找系統(tǒng)架構(gòu)的變化，可以以不同框架的問(wèn)題。使用串行接口上??有效地，例如，可以減少由MCU所需的引線的數(shù)量，并有助于優(yōu)化電路板空間，功耗和性能。有效使用MCU的SPI外設(shè)可以做到這一點(diǎn)。本文將展示一些說(shuō)明性的物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用實(shí)例，其中SPI風(fēng)格的外設(shè)提供了新的架構(gòu)選項(xiàng)，大大提高工作效率。

在以成本為導(dǎo)向的嵌入式設(shè)計(jì)SPI連接

之一的設(shè)計(jì)成本導(dǎo)向系統(tǒng)時(shí)最困難的任務(wù)是平衡的功能和成本。在基于MCU的設(shè)計(jì)中，這一難題可以經(jīng)常體現(xiàn)在需要添加額外的引腳到MCU，使得額外的外圍設(shè)備可以被添加到系統(tǒng)中。額外的功能外圍設(shè)備提供了非常重要的差異化，希望使設(shè)計(jì)更有價(jià)值比只使用標(biāo)準(zhǔn)的MCU設(shè)計(jì)的用戶。畢竟，沒(méi)有外部的外圍設(shè)備的MCU可以是非常困難的，從另一個(gè)基于MCU設(shè)計(jì)來(lái)區(qū)分。

雖然這是事實(shí)，在許多基于MCU的設(shè)計(jì)，那就是區(qū)分一個(gè)設(shè)計(jì)從另外一個(gè)軟件，它通常是軟件和外部硬件的創(chuàng)新結(jié)合，更加引人注目的情況。其中增加值，以用戶不僅僅是保持低成本更重要這可以是即使在成本導(dǎo)向設(shè)計(jì)更為重要。在快速增長(zhǎng)和競(jìng)爭(zhēng)力的物聯(lián)網(wǎng)市場(chǎng)尋找合適的值將是產(chǎn)品成功的關(guān)鍵。

當(dāng)?shù)统杀镜钠胶飧郊庸δ艿淖畛Ｒ?jiàn)的建筑方法之一是使用低引腳數(shù)串行接口標(biāo)準(zhǔn)的MCU連接外圍設(shè)備。當(dāng)多個(gè)外設(shè)可以共享相同的低引腳數(shù)接口，它可以顯著減少由MCU，這允許低成本的，所使用的低引腳數(shù)MCU所需的引線的數(shù)量。低引腳數(shù)的外圍設(shè)備通常比其高引腳數(shù)的堂兄弟更便宜，所以這可以進(jìn)一步降低系統(tǒng)成本。低引腳數(shù)可以減少電路板空間，并減少所需的跡線數(shù)量。這降低了制造復(fù)雜性，因?yàn)檩^少的信號(hào)層上需要印刷電路板。

其中最流行的串行接口的串行外設(shè)接口（SPI）標(biāo)準(zhǔn)，演變?yōu)楹?jiǎn)化外設(shè)MCU的互聯(lián)互通。如圖1所示，接口僅需要四個(gè)在周邊，串行時(shí)鐘輸入（SCLK），主輸出從輸入（MOSI），則主輸入從輸出（MISO），和從選擇信號(hào)（SSN） 。這四個(gè)信號(hào)足以支持一總線與一些外圍設(shè)備的所有連接到主機(jī)控制器。主機(jī)與所選外設(shè)進(jìn)行通信，無(wú)論是傳輸數(shù)據(jù)或在MOSI或MISO信號(hào)接收數(shù)據(jù)。傳輸長(zhǎng)度從8位到16位與取決于實(shí)現(xiàn)的傳輸速度，但可能對(duì)提供位速率從10至100 Mbps的。 SPI被上與像傳感器，閃存存儲(chǔ)器和模擬 - 數(shù)字轉(zhuǎn)換器的低帶寬要求外設(shè)通常發(fā)現(xiàn)。

SPI控制器和外設(shè)的圖像

有關(guān)SPI標(biāo)準(zhǔn)的詳細(xì)信息，Digi-Key已是討論的SPI標(biāo)準(zhǔn)，支持SPI實(shí)現(xiàn)不同設(shè)備的多個(gè)產(chǎn)品培訓(xùn)模塊。有興趣的讀者可以利用這些深入挖掘SPI標(biāo)準(zhǔn)的細(xì)節(jié)。

MCU的SPI外設(shè)控制

大多數(shù)現(xiàn)代MCU都有SPI控制器外設(shè)，可以輕松地和有效地管理多個(gè)SPI總線?？刂破魍ǔ？梢耘渲脼橹鳈C(jī)或作為外設(shè)和它的不尋常的一個(gè)MCU用作既主機(jī)和外圍設(shè)備。例如，在機(jī)箱管理應(yīng)用程序在MCU可以是主機(jī)到不同的傳感器在機(jī)箱內(nèi)，同時(shí)也作為一個(gè)周向主底盤控制器處理器，常采用的MCU作為分發(fā)遠(yuǎn)程傳感器的集合體卸載顯著“低水平“處理從主CPU。這可以提高對(duì)主CPU的處理效率，降低電的整體控制子系統(tǒng)。圖2示出SPI控制器為NXP LPC1756F MCU的框圖，它示出了最SPI控制器的主要元素。

恩智浦LPC1756 MCU的SPI控制器框圖

移位寄存器塊是用來(lái)與總線上的各種外圍設(shè)備的SPI通信時(shí)，無(wú)論是在主機(jī)或外設(shè)模式。時(shí)鐘發(fā)生器和檢測(cè)器的源主機(jī)模式時(shí)鐘和接收外設(shè)模式時(shí)鐘。輸出使能邏輯用于確定所述信號(hào)的方向SPI總線上，根據(jù)不同的操作模式。該SPI寄存器接口提供內(nèi)外設(shè)的配置和數(shù)據(jù)寄存器。最后，國(guó)家控制塊管理著周邊的一切SPI操作。

恩智浦LPC1756F MCU還具有另外一個(gè)SPI控制器外設(shè)，SPI0 / 1，除了SPI還支持4線和MICROWIRE接口。它還包括FIFO緩沖器，并且可以通過(guò)DMA訪問(wèn)。當(dāng)與多個(gè)SPI選項(xiàng)提供，請(qǐng)務(wù)必配合SPI外設(shè)控制器與外部設(shè)備的需求。例如，傳感器可能不需要DMA但外部存儲(chǔ)器可從SPI控制器內(nèi)的DMA能力大大受益。

SPI控制器硬件只是一塊一個(gè)SPI溶液。也是有用審查軟件功能來(lái)，隨著控制器。通常情況下，支持軟件是最好的證明與評(píng)估或開(kāi)發(fā)工具包。例如，瑞薩RX600演示套件包括驅(qū)動(dòng)程序和樣本代碼，可用于評(píng)估在該目標(biāo)的SPI外圍控制器可以實(shí)施的容易性。該板包含一個(gè)SPI Flash和SPI EEPROM，使司機(jī)和示例代碼可用于簡(jiǎn)化實(shí)施。該套件還設(shè)有一LCD觸摸屏，以便如果目標(biāo)應(yīng)用程序使用的圖形用戶界面的存儲(chǔ)器，大部分該代碼可以作為良好。請(qǐng)記住你的目標(biāo)應(yīng)用程序，以及如何SPI總線將被使用，因此你可以利用盡可能多的從開(kāi)發(fā)工具包盡可能提供代碼。

SPI存儲(chǔ)器

上使用小便宜的MCU的缺點(diǎn)之一是，可能沒(méi)有足夠的片上存儲(chǔ)器的應(yīng)用程序。代替使用一個(gè)更大，更昂貴的MCU它可能變成是更具成本效益的使用外部存儲(chǔ)器。事實(shí)上，由于外部存儲(chǔ)器可以通常提供顯著更多的存儲(chǔ)比由大容量的MCU提供，這是很容易區(qū)分，使用外部存儲(chǔ)器從一個(gè)使用片上存儲(chǔ)器的設(shè)計(jì)。具有足夠存儲(chǔ)用戶界面可以更加直觀，本地?cái)?shù)據(jù)可以更容易地保存，直到它是更節(jié)能要傳輸?shù)臄?shù)據(jù)，視頻和音頻是更容易地支持，并與更多的智能用戶功能可以得到支持。如果您正在尋找各種方法來(lái)增加價(jià)值，你的設(shè)計(jì)，外部存儲(chǔ)器是一個(gè)很好的選擇。

通過(guò)使用配備了SPI總線現(xiàn)代閃存，外部容量而不需要大量的MCU管腳加入。這可以保持成本下降，并且可以簡(jiǎn)化需要訪問(wèn)外部存儲(chǔ)器中的軟件。例如，意法半導(dǎo)體M95xxx EEPROM可與SPI總線采用小型8引腳SOIC封裝。類似的設(shè)備可與其它串行接口，如圖3 MICROWIRE和I2C風(fēng)格的接口使用2或4線，因此他們可能是適當(dāng)?shù)臏p少M(fèi)CU引腳數(shù)量，但要注意在時(shí)鐘頻率的區(qū)別：SPI版可以操作10到20倍的速度是其他兩個(gè)裝置。這是指SPI趨于更受歡迎的原因之一，它可以支持更高的時(shí)鐘速率，以便該應(yīng)用程序可以快速傳輸數(shù)據(jù)和平常更多功率效率為好。 （越快可以傳輸數(shù)據(jù)，則更少的時(shí)間的設(shè)備需要被供電。）

意法半導(dǎo)體串行接口EEPROM的M24C / M95 / M93C特性

使用Flash技術(shù)SPI總線的存儲(chǔ)設(shè)備可用。例如，美光科技M25P05是一個(gè)512千位的SPI NOR閃存與50MHz的時(shí)鐘速率。數(shù)據(jù)可以從1至256個(gè)字節(jié)被編程的時(shí)間使其在傳感器和記錄應(yīng)用，其中少量的寫入操作是標(biāo)準(zhǔn)的非常有用的。它有1μA一個(gè)深度省電模式，可在各種小型低引腳數(shù)封裝，如SO8，VFQFPN8，TSSOP8和UFDFPN8。寫保護(hù)功能可以記憶的一部分被配置為只讀和一個(gè)額外的寫保護(hù)信號(hào)支持一個(gè)額外的硬件保護(hù)模式，以保護(hù)數(shù)據(jù)免受損壞過(guò)于嘈雜的環(huán)境中。低功耗和強(qiáng)大的數(shù)據(jù)保護(hù)是工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)（IIoT）應(yīng)用遠(yuǎn)程能量收集傳感器通常放置在嘈雜的環(huán)境中非常有用。

小型專業(yè)化的記憶也可作為SPI外設(shè)。例如，Microchip的技術(shù)提供小型SPI存儲(chǔ)器，用于存儲(chǔ)以太網(wǎng)MAC地址。 Microchip的25AA02E是一個(gè)2千位的EEPROM，可以使用預(yù)編程一個(gè)全局唯一的48位或64位的節(jié)點(diǎn)地址，它與EUI-48和EUI-64兼容。可在一個(gè)小型8位SOIC以低廉的價(jià)格和消費(fèi)只有1在待機(jī)模式下μA，很容易添加到，需要在預(yù)算以太網(wǎng)連接的嵌入式應(yīng)用。

SPI外設(shè)

廣泛的外設(shè)功能，檢測(cè)和監(jiān)測(cè)，現(xiàn)已為SPI總線。也許在MCU應(yīng)用最為普遍的外圍是一個(gè)模擬 - 數(shù)字轉(zhuǎn)換器（ADC）。常需要的模擬傳感器輸出轉(zhuǎn)換為數(shù)字，并且如果片上ADC不提供所需要的功能，外部ADC可能需要。此外，如果許多ADC輸入要求可能更劃算使用外接設(shè)備時(shí)，有許多投入，以保持MCU引腳數(shù)低。例如，ADI公司AD7298BC SPI兼容的ADC具有12位分辨率，8路輸入，片上溫度傳感器和吞吐量1 MSPS快。片內(nèi)通道序列器可以很容易地監(jiān)控多個(gè)輸入，具有預(yù)編程的順序，以簡(jiǎn)化渠道管理。低于10μA小20引腳LFCSP封裝斷電電流和可用性，這是一個(gè)非常適合小電路板空間，低功耗應(yīng)用。

在物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用中，加速度計(jì)和陀螺儀傳感器可以是跟蹤，取向，安全性，和定位功能是有用的。通常，這些類型的傳感器可以組合發(fā)現(xiàn)，以簡(jiǎn)化實(shí)施。此外，當(dāng)多個(gè)傳感器是緊耦合與當(dāng)?shù)氐腗CU，來(lái)自多個(gè)傳感器的讀數(shù)可以被組合以創(chuàng)建更加智能化功能。例如，如果允許的窗口為加速度和方向被定義，則MCU可以比較讀數(shù)的窗口設(shè)置，并且不需要生成警報(bào)除非讀數(shù)可接受邊界之外。這為管理CPU，比MCU通常是更耗電的設(shè)備最大限度地減少開(kāi)銷。意法半導(dǎo)體LSM6DS0TR包括三維加速度計(jì)和一個(gè)單個(gè)芯片上的三維陀螺儀傳感器。兩個(gè)傳感器可同時(shí)使用或陀螺儀可被斷電，而加速度計(jì)是活動(dòng)的。 SPI總線用于配置，將獲得的讀數(shù)，并保持銷數(shù)小，因此它可以在一個(gè)LGA-16L包中。該裝置的框圖顯示了加速度計(jì)在上部部分和下部部分中的陀螺儀。 SPI總線示出在圖的右下方。

意法半導(dǎo)體的SPI加速度計(jì)的框圖

之一的裝置的最重要的特點(diǎn)是數(shù)據(jù)寄存器FIFO中。在FIFO提供了16位的數(shù)據(jù)32個(gè)時(shí)隙為每個(gè)陀螺儀的三個(gè)輸出聲道-俯仰，偏轉(zhuǎn)和滾動(dòng)的。它也提供了一個(gè)16位的數(shù)據(jù)FIFO的每個(gè)的三個(gè)加速度計(jì)的輸出通道中，X，Y和Z這允許一致的功率節(jié)省的系統(tǒng)中，由于在MCU不需要從傳感器不連續(xù)地輪詢數(shù)據(jù)，但它可以喚醒了需要趕緊只有當(dāng)突發(fā)數(shù)據(jù)從FIFO中。

在基于MCU的設(shè)計(jì)另一種流行的傳感器是霍爾效應(yīng)傳感器。這種傳感器通常用于定位系統(tǒng)，其中所述角位置的物體的，旋轉(zhuǎn)速度和方向是重要的。的霍爾效應(yīng)允許使用由磁場(chǎng)產(chǎn)生的電流接觸感測(cè)。一些霍爾效應(yīng)器件采用圓形豎直霍爾（CVH）技術(shù)，以簡(jiǎn)化集成傳感和支持數(shù)字電路。例如，快板微A1334霍爾效應(yīng)360度角傳感器使用連同模擬前端片上CVH傳感器，基于EEPROM的可編程校準(zhǔn)參數(shù)，和數(shù)字信號(hào)處理技術(shù)來(lái)簡(jiǎn)化傳感器使用。 SPI總線可以很容易地將傳感器連接到MCU。該裝置具有26.5伏的最大的VCC，因此可以在用于轉(zhuǎn)向和電機(jī)控制汽車電池供電的應(yīng)用中使用。請(qǐng)確保您的傳感器支持你的應(yīng)用程序可能要避免降低產(chǎn)品的使用壽命或高失敗率的任何惡劣的環(huán)境條件。

結(jié)論

高效利用SPI風(fēng)格的外設(shè)可以幫助提供精明的設(shè)計(jì)者更多的架構(gòu)選擇最優(yōu)化的設(shè)備成本，電路板空間，功耗和性能的物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用。通過(guò)有效利用SPI外圍設(shè)備和片上MCU的SPI控制器，??設(shè)計(jì)人員往往可以找到功能豐富，低成本的實(shí)現(xiàn)方式的最佳組合。