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数字温度传感器系统接口：SPI、I2C 、SMBus如何选

2015-9-23 16:55:49 4523

0 对于需要经常进行数据流传输的系统数据，SPI是首选，因为它拥有较快的时钟速率，速率可从几兆赫兹到几十兆赫兹。然而，对于系统管理活动，如读取温度传感器的读数和查询多个从器件的状态，或者需要多个主器件共存于同一系统总线上(系统冗余常会要求这一点)，或者面向低功耗应用，这时I2C 或 SMBus将是首选接口。图1：数字温度传感器简化框图下面几部分将介绍每种串行总线及其优缺点。 1. SPI SPI 是一种四线制串行总线接口，为主/从结构，四条导线分别为串行时钟(SCLK)、主出从入(MOSI)、主入从出(MISO)和从选(SS)信号。主器件为时钟提供者，可发起读从器件或写从器件操作。这时主器件将与一个从器件进行对话。当总线上存在多个从器件时，要发起一次传输，主器件将把该从器件选择线拉低，然后分别通过 MOSI 和 MISO 线启动数据发送或接收。 SPI 时钟速度很快，范围可从几兆赫兹到几十兆赫兹，且没有系统开销。SPI 在系统管理方面的缺点是缺乏流控机制，无论主器件还是从器件均不对消息进行确认，主器件无法知道从器件是否繁忙。因此，必须设计聪明的软件机制来处理确认问题。同时，SPI 也没有多主器件协议，必须采用很复杂的软件和外部逻辑来实现多主器件架构。每个从器件需要一个单独的从选择信号。总信号数最终为 n+3 个，其中 n 是总线上从器件的数量。因此，导线的数量将随增加的从器件的数量按比例增长。同样，在 SPI 总线上添加新的从器件也不方便。对于额外添加的每个从器件，都需要一条新的从器件选择线或解码逻辑。图 2 显示了典型的 SPI 读/写周期。在地址或命令字节后面跟有一个读/写位。数据通过 MOSI 信号写入从器件，通过 MISO 信号自从器件中读出。图 3显示了 I2C总线/SMBus以及SPI的系统框图。图2：SPI 典型读/写周期图3：(a)I2C总线/SMBus系统接口;(b)SPI 系统接口 2. I2C总线 I2C 是一种二线制串行总线接口，工作在主/从模式。二线通信信号分别为开漏 SCL 和 SDA 串行时钟和串行数据。主器件为时钟源。数据传输是双向的，其方向取决于读/写位的状态。每个从器件拥有一个唯一的 7 或 10 位地址。主器件通过一个起始位发起一次传输，通过一个停止位终止一次传输。起始位之后为唯一的从器件地址，再后为读/写位。 I2C总线速度为从0Hz到3.4MHz。它没有SPI 那样快，但对于系统管理器件如温度传感器来说则非常理想。I2C 存在系统开销，这些开销包括起始位/停止位、确认位和从地址位，但它因此拥有流控机制。主器件在完成接收来自从器件的数据时总是发送一个确认位，除非其准备终止传输。从器件在其接收到来自主器件的命令或数据时总是发送一个确认位。当从器件未准备好时，它可以保持或延展时钟，直到其再次准备好响应。 I2C允许多个主器件工作在同一总线上。多个主器件可以轻松同步其时钟，因此所有主器件均采用同一时钟进行传输。多个主器件可以通过数据仲裁检测哪一个主器件正在使用总线，从而避免数据破坏。由于 I2C总线只有两条导线，因此新从器件只需接入总线即可，而无需附加逻辑。 3. SMBus SMBus 是一种二线制串行总线，1996年第一版规范开始商用。它大部分基于I2C总线规范。和 I2C一样，SMBus不需增加额外引脚，创建该总线主要是为了增加新的功能特性，但只工作在100kHz且专门面向智能电池管理应用。它工作在主/从模式：主器件提供时钟，在其发起一次传输时提供一个起始位，在其终止一次传输时提供一个停止位;从器件拥有一个唯一的7或10位从器件地址。 SMBus与I2C总线之间在时序特性上存在一些差别。首先，SMBus需要一定数据保持时间，而 I2C总线则是从内部延长数据保持时间。SMBus具有超时功能，因此当SCL太低而超过35 ms时，从器件将复位正在进行的通信。相反，I2C 采用硬件复位。SMBus具有一种警报响应地址(ARA)，因此当从器件产生一个中断时，它不会马上清除中断，而是一直保持到其收到一个由主器件发送的含有其地址的ARA为止。SMBus只工作在从10kHz到最高100kHz。最低工作频率10kHz是由SMBus超时功能决定的。总结 SPI有较快的速度，但是只能单主多从，管理线比较复杂。 I2C等速度比较慢，数据比较臃余，但是主从管理好，也省电省控制管脚。推荐阅读连接一切的不是微信，而是传感器坚持做传感器一年的感触电容传感器原理详解加速度传感器的几种应用传感器的五个重要技术指标技术解析：传感器融合增强设备性能专为“压力”而生，简化传感器设计——就靠它了！ MEMS与传感器的二次开发，如何发扬光大五步轻松设计出电容式触摸传感器（1）：概述及原理图设计指纹传感器工作原理及提高匹配性能的方法传感器的信号调节技术使用光学鼠标传感器实现旋转(或线性)测量理解温度传感器的多点地址分配防水及防破坏键盘使用压电圆片作为传感器和蜂鸣器基于低功耗蓝牙技术的温湿度传感器节点的设计霍尔效应、霍尔元件与霍尔传感器体感操控——视觉识别比加速度传感器更适合 0
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