基于低成本MCU的物联网设计中使用高效SPI外设

　　高效的物联网设计必须平衡一系列经常相互冲突的需求。低成本是很重要的，但经常支持应用程序所需的所有关键特性，增加了单片机的引脚数和内存大小，这两个工作对低成本的工作。低功耗也是重要的物联网应用程序，电池操作是必须的。然而，增加功能和提高性能可以提高功耗要求。显然，在所有这些需求之间找到适当的平衡可能是一个问题，但这正是工程师从尖端设计中所期望的挑战类型。

　　一把这设计Gordian结的最有效的方法是寻找系统架构的变化，不同的框架问题。例如，有效地使用串行接口可以减少MCU所需的引脚数量，并有助于优化电路板空间、功率和性能。有效地使用单片机SPI外设就可以做到这一点。本文将展示一些示例性的物联网应用程序示例，其中SPI样式外设提供了新的架构选项，极大地提高了效率。

　　面向成本的嵌入式设计中的SPI连接

　　在设计面向成本的系统时，最困难的任务之一是平衡功能和成本。在基于MCU的设计中，这个难题常常表现在需要向MCU添加额外的引脚，以便在系统中添加额外的外围设备。多功能外设提供是重要的差异化，希望使设计用户比设计只使用标准的MCU更宝贵。毕竟，没有外部外设的MCU很难与基于MCU的另一个设计区别开来。

　　的确，在许多基于MCU的设计中，软件区别于一种设计，而软件和外部硬件的创新组合往往更引人注目。在面向成本的设计中，这一点更为重要，因为增加用户的价值比保持低成本更为重要。在快速增长和竞争激烈的物联网市场，寻找合适的价值将是产品成功的关键。

　　当平衡的附加功能和低成本的一种最常见的建筑方法是使用低引脚数串行接口标准连接MCU外围设备。当多个设备可以共享相同的低引脚数接口，它可以大大减少所需的单片机的引脚数量，这使得低成本、低引脚数MCU用于。低引脚计数外围设备通常比他们的高引脚计数表兄弟便宜，所以这可以进一步降低系统成本。较小的引脚计数可以减少电路板空间，并减少所需的迹线数量。这减少了制造复杂性，因为印刷电路板上需要较少的信号层。

　　一个最流行的串行接口是串行外设接口(SPI)标准演变简化外围设备互连的MCU。如图1所示的界面，只需要四个信号在外围串行时钟输入(SCLK)，主输出从输入(MOSI)，主机输入输出(MISO)，和从选择(SSN)。这四个信号足以支持一个总线，其中几个外设都连接到主控制器。主机与外设的选择和数据传输或接收数据在MOSI或MISO信号。传输长度从8到16位，传输速度取决于实现，但通常可以提供10到100 Mbps的比特速率。SPI通常存在于诸如传感器、闪存和模数转换器等低带宽要求的外围设备上。

　　SPI控制器和外设的图像

　　图1：SPI控制器和外设最小化互连。(波阵行情提供)

　　在SPI标准Digi-Key的更多信息，有几个产品培训模块，讨论支持SPI实现SPI标准和各种设备。感兴趣的读者可以使用这些来深入了解SPI标准的细节。

　　外围控制芯片

　　大多数现代的MCU，SPI控制器外设，方便有效地管理多个SPI总线。控制器通常可以配置为主机或外围设备，MCU作为主机和外设都不少见。例如，在机箱管理应用的单片机可以是主机的各种传感器在底盘的同时也作为一个外围的主要底盘控制器，往往采用单片机作为分布式远程传感器整合将显著的“低级”处理从主CPU。这可以提高主CPU的处理效率，降低整个控制子系统的功耗。图2显示的lpc1756f NXP单片机SPI控制器的框图和说明大多数SPI控制器的主要元素。

　　NXP LPC1756单片机的SPI控制器框图

　　图2：恩智浦LPC1756单片机的SPI控制器框图(由NXP)

　　移位寄存器块用于与总线上的各种SPI外设通信，无论是在主机模式还是外围模式。时钟发生器和检测器源于主模式时钟，并以外围方式接收时钟。输出使能逻辑用于确定SPI总线上的信号的方向，这取决于操作模式。SPI寄存器接口提供对外围设备配置和数据寄存器的访问。最后，状态控制块管理外围设备的所有SPI操作。

　　lpc1756f NXP单片机也有另一个SPI控制器外围，转换/ 1，此外还支持4线SPI和MICROWIRE接口。它还包括FIFO缓冲区，可以通过DMA访问。当提供多个SPI选项时，请确保您将SPI外围控制器与外部设备的需求相匹配。例如，传感器可能不需要DMA，但是外部存储器可以大大受益于SPI控制器中的DMA能力。

　　SPI控制器硬件只是SPI解决方案的一部分。检查控制器带来的软件功能也是很有用的。通常，支持软件最好用评估或开发工具来演示。例如，瑞萨RX600演示套件包括驱动程序和示例代码，可以用来评价容易在目标SPI外设控制器可以实现。该板包括SPI闪存和SPI EEPROM，因此可以使用驱动程序和示例代码来简化实现。该套件还配有触摸屏LCD，因此如果目标应用程序使用图形用户界面的内存，那么大部分代码也可以使用。请记住您的目标应用程序，以及如何使用SPI总线，以便尽可能利用开发工具包提供的大量代码。

SPI存储器

　　在采用小型廉价的单片机的缺点是，可能没有足够的片上存储器的应用。代替使用更大、更昂贵的MCU，使用外部存储器可能更具成本效益。事实上，从外部存储器通常可以提供比由大容量MCU提供了更多的存储，它是区分一个设计使用外部存储器从一个使用片上存储器更容易。有了足够的存储，用户界面可以更直观，本地数据可以更容易地存储，直到它更高效地传输数据，视频和音频更容易支持，并且可以支持更多智能的用户功能。如果您正在寻找增加设计价值的方法，外部存储器是一个很好的选择。

　　通过使用SPI总线的现代闪存，可以增加外部容量，而不需要大量的MCU引脚。这样可以降低成本，简化访问外部存储器所需的软件。例如，意法半导体的欧洲货币单位的EEPROM可与一个小型8 SOIC封装的SPI总线。类似的设备可与其他串行接口一起使用，如图3所示。微丝和I2C接口使用方式2或4线，所以他们可以适当降低单片机的引脚数，但要注意在时钟速率的差异：SPI版本可以运行10至20倍的速度，其他两个设备。这是SPI趋于更流行的原因之一，它可以支持更高的时钟速率，因此应用程序可以快速地传输数据，通常也能更有效地传输数据。(传输数据的速度越快，设备启动所需的时间越少。)

　　意法半导体串行接口的EEPROM m24c / M95 / m93c特性

　　图3：m24c / M95 / m93c STMicroelectronics串行接口的EEPROM(由凯利讯半导体的特性。)

　　SPI总线内存设备使用闪存技术也可用。例如，微米技术m25p05是512 kbit SPI NOR Flash在50 MHz的时钟速率的记忆。数据可以一次从1字节到256字节编程，在传感器和日志应用程序中非常有用，其中少量的写操作是规范。它有一个深度省电1μ模式适用于各种小型低引脚数的封装如SO8，vfqfpn8，采用TSSOP8，和ufdfpn8。写保护功能允许部分内存被配置为只读，额外的写保护信号支持额外的硬件保护模式，以防止数据在过度噪声环境中损坏。低功耗和强大的数据保护，工业物联网是非常有用的(IIoT)应用程序的远程能量采集传感器通常放在嘈杂的环境中。

　　小型专门存储器也可作为SPI外设。例如，微芯片技术提供了用于存储以太网MAC地址的小SPI存储器。Microchip的25aa02e是2-kbit EEPROM，可用于预与全球唯一的48位或 ** 位的节点地址是eui-48和EUI- ** 兼容的程序。在一个小的8位SOIC和仅消耗1μ在待机模式下的价格低，这是很容易添加一个嵌入式应用程序，需要一个预算以太网连接。

SPI外设

　　为SPI总线提供了广泛的用于传感和监视的外围功能。也许MCU应用中最通用的外围设备是模数转换器(ADC)。通常，模拟传感器的输出需要转换为数字，如果片上ADC不能提供所需的功能，则可能需要外部ADC。此外，如果需要多个ADC输入，使用一个具有许多输入的外部设备可能更具成本效益，以保持微控制器引脚数低。例如，模拟设备ad7298bc SPI兼容的ADC具有12位的分辨率，8个输入，一个片上温度传感器、1 MSPS吞吐量和快速。一个片上通道音序器可以很容易地用一个预先编程的序列来监视多个输入，从而简化信道管理。一个电源关闭在一个小的20引脚LFCSP小于10μ和可用性的电流，它是小的电路板空间，一个不错的选择，低功耗的应用。

　　在物联网应用中，加速度计和陀螺仪传感器可用于跟踪、定位、安全和定位功能。通常这些类型的传感器可以在组合中找到，以简化实现。此外，当多个传感器与本地MCU紧密耦合时，可以将多个传感器的读数结合起来，以创建更智能的功能。例如，如果定义了用于加速和定向的允许窗口，MCU可以比较读数到窗口设置，并且不需要生成警报，除非读数超出可接受的边界。这样可以减少管理CPU的开销，通常比MCU更耗电。意法半导体的l ** 6ds0tr包括三维加速度传感器和单片机上的3D陀螺传感器。当加速度计处于活动状态时，两个传感器可以同时使用，或者陀螺仪可以断电。SPI总线是用于配置和获取读数保持引脚数小，它可以用来在一个lga-16l包。装置的方框图(图4)显示了上部的加速度计和下部的陀螺仪。SPI总线显示在图的右下方。

　　意法半导体的SPI加速度计框图

　　图4：图意法半导体加速度计和陀螺传感器的SPI(由凯利讯半导体)

　　该设备最重要的特点之一是数据寄存器FIFO。FIFO为陀螺仪的三个输出通道俯仰、偏航和滚转提供32个16位数据槽。它还为三个加速度计输出通道，x，y和z提供了16位数据FIFO，这使得系统的功耗一致，因为MCU不需要连续轮询传感器的数据，但只有在需要时才能唤醒，并快速从FIFO中输出数据。

　　另一种流行的基于MCU的传感器是霍尔效应传感器。这种传感器经常用于定位系统，其中物体的角位置、转速和方向是重要的。霍尔效应允许使用磁场产生的电流进行非接触感应。一些霍尔效应器件使用圆形垂直霍尔(CVH)技术来简化传感和支持数字电路的集成。例如，Allegro MicroSystems公司a1334霍尔360度角传感器采用一个片上的CVH传感器以及一个模拟前端，基于可编程校准参数的EEPROM，以及数字信号处理技术来简化传感器的使用。SPI总线使传感器易于与MCU相连。该设备具有最大的26.5 V的VCC，因此它可以用于汽车电池驱动的转向和电机控制应用。确保你的传感器支持任何苛刻的环境条件，你的应用程序可以避免产品寿命缩短或高失败率。

　结论

　　SPI型外设的有效使用，可以帮助精明的设计师提供更多的架构选项，从而帮助优化设备成本、电路板空间、电源和性能。通过有效地使用SPI外设和片上MCU SPI控制器，设计者通常可以找到功能丰富、低成本实现的最佳组合。