數(shù)字溫度傳感器系統(tǒng)中每種串行總線的優(yōu)缺點(diǎn)介紹

對于需要經(jīng)常進(jìn)行數(shù)據(jù)流傳輸?shù)南到y(tǒng)數(shù)據(jù)，SPI是首選，因?yàn)樗鼡碛休^快的時(shí)鐘速率，速率可從幾兆赫茲到幾十兆赫茲。然而，對于系統(tǒng)管理活動(dòng)，如讀取溫度傳感器的讀數(shù)和查詢多個(gè)從器件的狀態(tài)，或者需要多個(gè)主器件共存于同一系統(tǒng)總線上(系統(tǒng)冗余常會要求這一點(diǎn))，或者面向低功耗應(yīng)用，這時(shí)I2C或SMBus將是首選接口。

圖1：數(shù)字溫度傳感器簡化框圖

下面幾部分將介紹每種串行總線及其優(yōu)缺點(diǎn)。

1. SPI

SPI 是一種四線制串行總線接口，為主/從結(jié)構(gòu)，四條導(dǎo)線分別為串行時(shí)鐘(SCLK)、主出從入(MOSI)、主入從出(MISO)和從選(SS)信號。主器件為時(shí)鐘提供者，可發(fā)起讀從器件或?qū)憦钠骷僮?。這時(shí)主器件將與一個(gè)從器件進(jìn)行對話。當(dāng)總線上存在多個(gè)從器件時(shí)，要發(fā)起一次傳輸，主器件將把該從器件選擇線拉低，然后分別通過 MOSI 和 MISO 線啟動(dòng)數(shù)據(jù)發(fā)送或接收。

SPI 時(shí)鐘速度很快，范圍可從幾兆赫茲到幾十兆赫茲，且沒有系統(tǒng)開銷。SPI 在系統(tǒng)管理方面的缺點(diǎn)是缺乏流控機(jī)制，無論主器件還是從器件均不對消息進(jìn)行確認(rèn)，主器件無法知道從器件是否繁忙。因此，必須設(shè)計(jì)聰明的軟件機(jī)制來處理確認(rèn)問題。同時(shí)，SPI 也沒有多主器件協(xié)議，必須采用很復(fù)雜的軟件和外部邏輯來實(shí)現(xiàn)多主器件架構(gòu)。每個(gè)從器件需要一個(gè)單獨(dú)的從選擇信號?？傂盘枖?shù)最終為 n+3 個(gè)，其中 n 是總線上從器件的數(shù)量。因此，導(dǎo)線的數(shù)量將隨增加的從器件的數(shù)量按比例增長。同樣，在 SPI 總線上添加新的從器件也不方便。對于額外添加的每個(gè)從器件，都需要一條新的從器件選擇線或解碼邏輯。圖 2 顯示了典型的 SPI 讀/寫周期。在地址或命令字節(jié)后面跟有一個(gè)讀/寫位。數(shù)據(jù)通過 MOSI 信號寫入從器件，通過 MISO 信號自從器件中讀出。圖 3顯示了 I2C總線/SMBus以及SPI的系統(tǒng)框圖。

圖2：SPI 典型讀/寫周期

圖3：(a)I2C總線/SMBus系統(tǒng)接口;(b)SPI 系統(tǒng)接口

2. I2C總線

I2C 是一種二線制串行總線接口，工作在主/從模式。二線通信信號分別為開漏 SCL 和 SDA 串行時(shí)鐘和串行數(shù)據(jù)。主器件為時(shí)鐘源。數(shù)據(jù)傳輸是雙向的，其方向取決于讀/寫位的狀態(tài)。每個(gè)從器件擁有一個(gè)唯一的 7 或 10 位地址。主器件通過一個(gè)起始位發(fā)起一次傳輸，通過一個(gè)停止位終止一次傳輸。起始位之后為唯一的從器件地址，再后為讀/寫位。

I2C總線速度為從0Hz到3.4MHz。它沒有SPI 那樣快，但對于系統(tǒng)管理器件如溫度傳感器來說則非常理想。I2C 存在系統(tǒng)開銷，這些開銷包括起始位/停止位、確認(rèn)位和從地址位，但它因此擁有流控機(jī)制。主器件在完成接收來自從器件的數(shù)據(jù)時(shí)總是發(fā)送一個(gè)確認(rèn)位，除非其準(zhǔn)備終止傳輸。從器件在其接收到來自主器件的命令或數(shù)據(jù)時(shí)總是發(fā)送一個(gè)確認(rèn)位。當(dāng)從器件未準(zhǔn)備好時(shí)，它可以保持或延展時(shí)鐘，直到其再次準(zhǔn)備好響應(yīng)。

I2C允許多個(gè)主器件工作在同一總線上。多個(gè)主器件可以輕松同步其時(shí)鐘，因此所有主器件均采用同一時(shí)鐘進(jìn)行傳輸。多個(gè)主器件可以通過數(shù)據(jù)仲裁檢測哪一個(gè)主器件正在使用總線，從而避免數(shù)據(jù)破壞。由于 I2C總線只有兩條導(dǎo)線，因此新從器件只需接入總線即可，而無需附加邏輯。

3. SMBus

SMBus是一種二線制串行總線，1996年第一版規(guī)范開始商用。它大部分基于I2C總線規(guī)范。和 I2C一樣，SMBus不需增加額外引腳，創(chuàng)建該總線主要是為了增加新的功能特性，但只工作在100kHz且專門面向智能電池管理應(yīng)用。它工作在主/從模式：主器件提供時(shí)鐘，在其發(fā)起一次傳輸時(shí)提供一個(gè)起始位，在其終止一次傳輸時(shí)提供一個(gè)停止位;從器件擁有一個(gè)唯一的7或10位從器件地址。

SMBus與I2C總線之間在時(shí)序特性上存在一些差別。首先，SMBus需要一定數(shù)據(jù)保持時(shí)間，而 I2C總線則是從內(nèi)部延長數(shù)據(jù)保持時(shí)間。SMBus具有超時(shí)功能，因此當(dāng)SCL太低而超過35 ms時(shí)，從器件將復(fù)位正在進(jìn)行的通信。相反，I2C采用硬件復(fù)位。SMBus具有一種警報(bào)響應(yīng)地址(ARA)，因此當(dāng)從器件產(chǎn)生一個(gè)中斷時(shí)，它不會馬上清除中斷，而是一直保持到其收到一個(gè)由主器件發(fā)送的含有其地址的ARA為止。SMBus只工作在從10kHz到最高100kHz。最低工作頻率10kHz是由SMBus超時(shí)功能決定的。

總結(jié)

SPI有較快的速度，但是只能單主多從，管理線比較復(fù)雜。

I2C等速度比較慢，數(shù)據(jù)比較臃余，但是主從管理好，也省電省控制管腳。