采用高效的SPI外圍設(shè)備的低成本微控制器為基礎(chǔ)的物聯(lián)網(wǎng)設(shè)計

物聯(lián)網(wǎng)高效的互聯(lián)網(wǎng)（物聯(lián)網(wǎng)）的設(shè)計必須權(quán)衡一系列的要求，往往工作對立起來。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，對低成本的工作。低功耗也是物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用中的電池運行狀態(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問題，但這是挑戰(zhàn)只是工程師期望從尖端的設(shè)計類型。

其中最有效的方法來降低這種設(shè)計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。本文將展示一些說明性的物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用實例，其中SPI風(fēng)格的外設(shè)提供了新的架構(gòu)選項，大大提高工作效率。

在以成本為導(dǎo)向的嵌入式設(shè)計SPI連接

之一的設(shè)計成本導(dǎo)向系統(tǒng)時最困難的任務(wù)是平衡的功能和成本。在基于MCU的設(shè)計中，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)計更有價值比只使用標(biāo)準(zhǔn)的MCU設(shè)計的用戶。畢竟，沒有外部的外圍設(shè)備的MCU可以是非常困難的，從另一個基于MCU設(shè)計來區(qū)分。

雖然這是事實，在許多基于MCU的設(shè)計，那就是區(qū)分一個設(shè)計從另外一個軟件，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)計更為重要。在快速增長和競爭力的物聯(lián)網(wǎng)市場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姷慕ㄖ椒ㄖ皇鞘褂玫鸵_數(shù)串行接口標(biāo)準(zhǔn)的MCU連接外圍設(shè)備。當(dāng)多個外設(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，因為較少的信號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)楹喕庠O(shè)MCU的互聯(lián)互通。如圖1所示，接口僅需要四個在周邊，串行時鐘輸入（SCLK），主輸出從輸入（MOSI），則主輸入從輸出（MISO），和從選擇信號（SSN） 。這四個信號足以支持一總線與一些外圍設(shè)備的所有連接到主機控制器。主機與所選外設(shè)進行通信，無論是傳輸數(shù)據(jù)或在MOSI或MISO信號接收數(shù)據(jù)。傳輸長度從8位到16位與取決于實現(xiàn)的傳輸速度，但可能對提供位速率從10至100 Mbps的。 SPI被上與像傳感器，閃存存儲器和模擬 - 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)的詳細信息，Digi-Key已是討論的SPI標(biāo)準(zhǔn)，支持SPI實現(xiàn)不同設(shè)備的多個產(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SPI總線?？刂破魍ǔ？梢耘渲脼橹鳈C或作為外設(shè)和它的不尋常的一個MCU用作既主機和外圍設(shè)備。例如，在機箱管理應(yīng)用程序在MCU可以是主機到不同的傳感器在機箱內(nèi)，同時也作為一個周向主底盤控制器處理器，常采用的MCU作為分發(fā)遠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與總線上的各種外圍設(shè)備的SPI通信時，無論是在主機或外設(shè)模式。時鐘發(fā)生器和檢測器的源主機模式時鐘和接收外設(shè)模式時鐘。輸出使能邏輯用于確定所述信號的方向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DMA訪問。當(dāng)與多個SPI選項提供，請務(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SPI溶液。也是有用審查軟件功能來，隨著控制器。通常情況下，支持軟件是最好的證明與評估或開發(fā)工具包。例如，瑞薩RX600演示套件包括驅(qū)動程序和樣本代碼，可用于評估在該目標(biāo)的SPI外圍控制器可以實施的容易性。該板包含一個SPI Flash和SPI EEPROM，使司機和示例代碼可用于簡化實施。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器，大部分該代碼可以作為良好。請記住你的目標(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發(fā)工具包盡可能提供代碼。

SPI存儲器

上使用小便宜的MCU的缺點之一是，可能沒有足夠的片上存儲器的應(yīng)用程序。代替使用一個更大，更昂貴的MCU它可能變成是更具成本效益的使用外部存儲器。事實上，由于外部存儲器可以通常提供顯著更多的存儲比由大容量的MCU提供，這是很容易區(qū)分，使用外部存儲器從一個使用片上存儲器的設(shè)計。具有足夠存儲用戶界面可以更加直觀，本地數(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增加價值，你的設(shè)計，外部存儲器是一個很好的選擇。

通過使用配備了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，并且可以簡化需要訪問外部存儲器中的軟件。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MCU引腳數(shù)量，但要注意在時鐘頻率的區(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總線的存儲設(shè)備可用。例如，美光科技M25P05是一個512千位的SPI NOR閃存與50MHz的時鐘速率。數(shù)據(jù)可以從1至256個字節(jié)被編程的時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。寫保護功能可以記憶的一部分被配置為只讀和一個額外的寫保護信號支持一個額外的硬件保護模式，以保護數(shù)據(jù)免受損壞過于嘈雜的環(huán)境中。低功耗和強大的數(shù)據(jù)保護是工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)（IIoT）應(yīng)用遠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存儲器，用于存儲以太網(wǎng)MAC地址。 Microchip的25AA02E是一個2千位的EEPROM，可以使用預(yù)編程一個全局唯一的48位或64位的節(jié)點地址，它與EUI-48和EUI-64兼容?？稍谝粋€小型8位SOIC以低廉的價格和消費只有1在待機模式下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，檢測和監(jiān)測，現(xiàn)已為SPI總線。也許在MCU應(yīng)用最為普遍的外圍是一個模擬 - 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，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)控多個輸入，具有預(yù)編程的順序，以簡化渠道管理。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)，以簡化實施。此外，當(dāng)多個傳感器是緊耦合與當(dāng)?shù)氐腗CU，來自多個傳感器的讀數(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銷。意法半導(dǎo)體LSM6DS0TR包括三維加速度計和一個單個芯片上的三維陀螺儀傳感器。兩個傳感器可同時使用或陀螺儀可被斷電，而加速度計是活動的。 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LGA-16L包中。該裝置的框圖顯示了加速度計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加速度計的框圖

之一的裝置的最重要的特點是數(shù)據(jù)寄存器FIFO中。在FIFO提供了16位的數(shù)據(jù)32個時隙為每個陀螺儀的三個輸出聲道-俯仰，偏轉(zhuǎn)和滾動的。它也提供了一個16位的數(shù)據(jù)FIFO的每個的三個加速度計的輸出通道中，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)允許使用由磁場產(chǎn)生的電流接觸感測。一些霍爾效應(yīng)器件采用圓形豎直霍爾（CVH）技術(shù)，以簡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)字信號處理技術(shù)來簡化傳感器使用。 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)向和電機控制汽車電池供電的應(yīng)用中使用。請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。通過有效利用SPI外圍設(shè)備和片上MCU的SPI控制器，??設(shè)計人員往往可以找到功能豐富，低成本的實現(xiàn)方式的最佳組合。