原标题：为基于MCU的SPI式外设应用优势及设计

　　高效的物联网(IoT)设计必须平衡通常相互作用的一系列要求。低成本很重要，但通常支持应用程序所需的所有关键功能会增加MCU引脚数和内存大小 - 这两项功能可以降低成本。低功耗对于必须进行电池操作的物联网应用也很重要。但是，添加功能和提高性能可以提高功率要求。显然，在所有这些要求之间找到适当的平衡可能是一个问题，但这只是工程师对尖端设计所期望的挑战类型。

　　削减这种设计的最有效方法之一Gordian knot是寻找能够以不同方式构建问题的系统架构变更。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，功耗和性能。有效使用MCU SPI外设可以做到这一点。本文将展示一些说明性的IoT应用示例，其中SPI样式的外设提供了新的架构选项，可显着提高效率。

　　面向成本的嵌入式设计中的SPI连接

　　设计成本导向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，这个难题通常表现为需要向MCU添加额外的引脚，以便可以将额外的外设添加到系统中。外围设备提供的额外功能是重要的差异化因素，希望使设计对于用户而言比仅使用标准MCU的设计更有价值。毕竟，没有外围设备的MCU很难与其他基于MCU的设计区别开来。

　　虽然在许多基于MCU的设计中确实是一个软件将一个设计与另一个设计区分开来通常情况下，软件和外部硬件的创新组合更具吸引力。在面向成本的设计中，这可能更为重要，因为增加用户价值比仅保持低成本更重要。在快速增长且具有竞争力的物联网市场中，找到合适的价值对于产品成功至关重要。

　　在以低成本平衡其他功能时，最常见的架构方法之一是使用低引脚数串行接口标准将MCU连接到外部外设。当多个外设可以共享相同的低引脚数接口时，它可以大大减少MCU所需的引脚数量，从而可以使用低成本，低引脚数的MCU。低引脚数外设通常比其高引脚数的同类产品便宜，因此可以进一步降低系统成本。较小的引脚数可以减少电路板空间，还可以减少所需的走线数量。这降低了制造复杂性，因为印刷电路板上需要的信号层较少。

　　最流行的串行接口之一是串行外设接口(SPI)标准，该标准旨在简化外设与MCU的互连。如图1所示，该接口在外设上只需要四个信号 - 串行时钟输入(SCLK)，主输出从输入(MOSI)，主输入从输出(MISO)和从选择(SSn) 。这四个信号足以支持总线，其中多个外设都连接到主机控制器。主机与所选外围设备通信，并通过MOSI或MISO信号发送数据或接收数据。传输长度为8到16位，传输速度取决于实现，但通常可提供10到100 Mbps的比特率。 SPI通常用于具有低带宽要求的外设，如传感器，闪存和模数转换器。

　　图1：SPI控制器和外设最小化互连。 (由Wavefront Marketing提供)

　　有关SPI标准的更多信息，Digi-Key有几个产品培训模块，讨论SPI标准和支持SPI实现的各种器件。感兴趣的读者可以使用这些来深入了解SPI标准的细节。

　　MCU SPI外设控制

　　大多数现代MCU都有SPI控制器外设，可以轻松高效地管理多个SPI总线。控制器通常可以配置为主机或外设，MCU作为主机和外设都不常见。例如，在机箱管理应用中，MCU可以作为机箱内各种传感器的主机，同时还充当主机箱控制器处理器的外围设备，通常使用MCU作为远程传感器的分布式聚合器来卸载重要的“低级别” “从主CPU处理。这可以提高主CPU的处理效率并降低整个控制子系统的功率。图2显示了恩智浦LPC1756F MCU的SPI控制器框图，它说明了大多数SPI控制器的主要元件。

　　图2：恩智浦LPC1756 MCU SPI控制器框图(由恩智浦提供)

　　移位寄存器块用于与各种通信总线上的SPI外设，可以是主机模式，也可以是外设模式。时钟发生器和检测器以主机模式提供时钟源，并以外设模式接收时钟。输出使能逻辑用于确定SPI总线上信号的方向，具体取决于操作模式。 SPI寄存器接口提供对外设内配置和数据寄存器的访问。最后，状态控制块管理外设的所有SPI操作。

　　恩智浦LPC1756F MCU还有另一个SPI控制器外设SPI0/1，除SPI外还支持4线和MICROWIRE接口。它还包括FIFO缓冲区，可通过DMA访问。当提供多个SPI选项时，请确保将SPI外设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，但外部存储器可以从SPI控制器内的DMA功能中获益。

　　SPI控制器硬件只是SPI解决方案的一部分。查看控制器随附的软件功能也很有用。通常，使用评估或开发套件可以最好地演示支持软件。例如，瑞萨RX600演示套件包含驱动程序和示例代码，可用于评估目标SPI外设控制器的实现难易程度。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。该套件还具有触摸屏LCD，因此如果目标应用程序将内存用于图形用户界面，则可以使用大部分代码。请记住您的目标应用程序以及如何使用SPI总线，以便尽可能多地利用开发套件中提供的代码。

　　SPI内存

　　使用小型廉价MCU的缺点是，应用程序可能没有足够的片上内存。与使用更大，更昂贵的MCU相比，使用外部存储器可能更具成本效益。实际上，由于外部存储器通常可以提供比高容量MCU提供的存储容量更多的存储器，因此将使用外部存储器的设计与使用片上存储器的设计区分开来要容易得多。通过足够的存储，用户界面可以更直观，本地数据可以更容易地存储，直到传输数据更加节能，视频和音频更容易支持，并且可以支持具有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。

　　通过使用具有SPI总线的现代闪存，可以添加外部容量，而无需大量的MCU引脚。这可以降低成本并简化访问外部存储器所需的软件。例如，STMicroelectronics M95xxx EEPROM采用小型8 SOIC封装的SPI总线。类似的器件可与其他串行接口一起使用，如图3所示.MICROWIRE和I 2 C型接口使用2线或4线，因此它们可能适合减少MCU引脚数，但请注意时钟频率差异：SPI版本可以比其他两个器件快10到20倍的速度运行。这是SPI趋向于更受欢迎的原因之一，它可以支持更高的时钟速率，因此应用程序可以快速传输数据，通常也可以更高效地传输数据。 (传输数据越快，器件上电所需的时间就越短。)

　　图3：STMicroelectronics串行接口EEPROM的特性 - M24C/M95/M93C。 (由STMicroelectronics提供)

　　也可以使用采用闪存技术的SPI总线存储器件。例如，美光科技M25P05是一款512-Kbit SPI NOR闪存，时钟频率为50 MHz。数据可以一次编程为1到256个字节，这使得它在传感器和日志记录应用中非常有用，因为少量的写操作是常态。它具有1μA的深度掉电模式，并提供各种小型低引脚数封装，如SO8，VFQFPN8，TSSOP8和UFDFPN8。写保护功能允许将部分存储器配置为只读，并且额外的写保护信号支持额外的硬件保护模式，以防止数据在过度嘈杂的环境中损坏。低功耗和强大的数据保护在工业物联网(IIoT)应用中非常有用，其中远程能量收集传感器通常放置在嘈杂的环境中。

　　小型专用存储器也可用作SPI外设。例如，Microchip Technology提供用于存储以太网MAC地址的小型SPI存储器。 Microchip 25AA02E是一款2-Kbit EEPROM，可预编程使用与EUI-48和EUI-64兼容的全球唯一48位或64位节点地址。它采用小型8位SOIC，价格低廉，待机模式下仅消耗1μA，因此可以轻松添加到需要预算的以太网连接的嵌入式应用中。

　　SPI外设

　　现在，SPI总线可以使用各种用于检测和监控的外设功能。也许MCU应用中最通用的外设是模数转换器(ADC)。通常需要将模拟传感器输出转换为数字，如果片上ADC不提供所需功能，则可能需要外部ADC。此外，如果需要许多ADC输入，使用具有许多输入的外部器件可能更具成本效益，以保持MCU引脚数低。例如，ADI公司的AD7298BC SPI兼容ADC具有12位分辨率，8个输入，片上温度传感器和1 MSPS的快速吞吐量。片上通道序列器可以通过预编程序列轻松监控多个输入，从而简化通道管理。它具有低于10μA的断电电流和小型20引脚LFCSP的可用性，非常适合小板空间，低功耗应用。

　　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。通常可以组合找到这些类型的传感器以简化实施。此外，当多个传感器与本地MCU紧密耦合时，可以组合来自多个传感器的读数以创建更智能的功能。例如，如果定义了允许的加速度和方向窗口，MCU可以将读数与窗口设置进行比较，除非读数超出可接受的范围，否则无需生成警报。这最大限度地减少了管理CPU的开销，通常是比MCU更耗电的设备。 STMicroelectronics LSM6DS0TR在单芯片上包含3D加速度计和3D陀螺仪传感器。两个传感器可以同时使用，或者在加速度计激活时可以关闭陀螺仪。 SPI总线用于配置和获取读数，并保持较小的引脚数，因此可用于LGA-16L封装。该设备的框图(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。

　　图4：STMicroelectronics SPI加速度计和陀螺仪传感器的框图(由STMicroelectronics提供)

　　该器件最重要的功能之一是数据寄存器FIFO。 FIFO为每个陀螺仪的三个输出通道 - 俯仰，偏航和滚动提供32个16位数据槽。它还为三个加速度计输出通道X，Y和Z中的每一个提供16位数据FIFO。这样可以为系统节省一致的功率，因为MCU不需要连续轮询来自传感器的数据，但它可以唤醒仅在需要时启动并快速从FIFO中突发数据。

　　基于MCU的设计中另一种流行的传感器是霍尔效应传感器。该传感器通常用于定位系统，其中物体的角位置，旋转速度和方向是重要的。霍尔效应允许使用由磁场产生的电流进行非接触式感测。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 A1334霍尔效应360度角度传感器使用片上CVH传感器以及模拟前端，基于EEPROM的可编程校准参数和数字信号处理技术来简化传感器的使用。 SPI总线可以轻松将传感器连接到MCU。该器件的最大VCC为26.5 V，因此可用于汽车电池供电的转向和电机控制应用。确保您的传感器支持您的应用可能具有的任何恶劣环境条件，以避免缩短产品寿命或高故障率。

　　结论

　　通过为精明的设计师提供额外的架构选项，有效使用SPI式外设有助于优化设备成本，电路板空间，功耗和物联网应用的性能。通过有效地使用SPI外设和片上MCU SPI控制器，设计人员通常可以找到最佳组合，以实现功能丰富，低成本的实现。