基于成本的MCU物联网设备SPI外设设计

基于成本的MCU物联网设备SPI外设设计有效的物联网(物联网)设计必须平衡的要求,经常互相对立。低成本是很重要的,但往往支持应用程序所需的所有关键功能的单片机销数增加和记忆两对低成本的事情。低功率也是很重要的物联网应用在电池操作是必须的。增加功能和改善性能的电力需求,然而。显然所有这些需求之间找到合适的平衡可能是一个问题,但这只是挑战工程师期望从尖端设计的类型。最有效的方法之一,将这一设计难题是寻找系统架构的变化,可以框架问题不同。使用有效的串行接口,例如,可以减少所需的别针单片机并帮助优化空间,权力,和性能。单片机SPI外围设备的有效利用可以做到这一点。本文将展示一些说明性的物联网应用程序例子SPI-style外设提供新的架构选择,大大提高效率。SPI连接在成本为重嵌入式设计设计成本为重系统时最困难的任务之一就是要平衡功能和成本。在用于单片机设计,这个难题往往体现在需要添加额外的针给单片机,以便可以添加到其他外围设备系统。外围设备提供的额外的功能是重要的差异,希望,使设计更有价值的用户设计,使用标准的单片机。毕竟,没有外部的单片机外围设备可以从另一个用于单片机设计很难区分。虽然确实在许多用于单片机设计的设计另一个软件的不同,通常情况下,一个创新的组合软件和外部硬件更引人注目。这可能是更重要的在成本为重的设计增加用户更为重要的价值不仅仅是保持低成本。在快速发展和竞争的物联网市场找到合适的价值将是产品成功的关键。当平衡附加功能和低成本的一个最常见的架构方法是使用low-pin-count串行接口标准连接单片机的外围设备。当多个外围设备可以共享相同的low-pin-count接口,它可以大大减少针的数量所需的单片机,可以低成本、low-pin-count单片机使用。Low-pin-count外设通常比他们的便宜high-pin-count表兄弟,这可以进一步降低系统成本。小针数可以减少板空间,也减少所需的痕迹。这样就降低了制造业的复杂性,因为更少的信号层印刷电路板上的需要。一个最流行的串行接口是Serial-Peripheral-Interface(SPI)标准进化到简化外围设备互连的单片机。如图1所示,接口只需要四个信号peripheral-the串行时钟输入(SCLK),主输出从输入(莫西人),主输入从输出(味噌)和奴隶选择(SSn)。这四个信号足以支持一个总线与几个外围设备连接到主机控制器。主机与选定的外围通信和数据传送或接收数据在莫西人或味噌的信号。把长度从8到16位依赖于实现的传输速度,但是通常可以提供从10到100Mbps的比特率。SPI等外围设备与低带宽需求通常是发现传感器、闪存和数模转换器。图1:SPI控制器和外围设备互连最小化。更多信息在SPIDigi-Key有几个标准产品培训模块讨论支持SPI的SPI标准和各种设备的实现。感兴趣的读者可以使用这些深入挖掘SPI的细节标准。单片机SPI-peripheral控制大多数现代单片机SPI-controller外设,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围,这不是不寻常的单片机作为主机和外围。例如,在chassis-management应用单片机可以是一个主机机箱内的各种传感器,同时作为外围的主要底盘控制器处理器,经常使用单片机作为分配聚合器的远程传感器将重要的“低级”处理从主CPU。这可以提高主CPU的处理效率,减少权力的整体控制子系统。图2显示了SPI控制器的框图NXPLPC1756F单片机,它说明了大多数SPI控制器的主要元素。图2:NXPLPC1756单片机SPI控制器框图移位寄存器的块���用来与各种SPI总线上的外围设备,在主机或外围模式。时钟的时钟发生器和探测器源主机模式在外围和接收时钟模式。允许输出逻辑用于确定SPI总线信号的方向,根据操作模式。SPI-register接口提供的配置和数据寄存器内的外围。最后,国家控制块管理所有外围的SPI操作。NXPLPC1756F单片机也有另一个SPI-controller外围,SPI0/1,除了SPI还支持四线和导电带接口。它还包括FIFO缓冲区,并通过DMA可以访问。当提供多个SPI选项,确保你匹配SPI-peripheral控制器与外部设备的需求。例如,传感器可能不需要DMA但是外部内存可能受益匪浅DMA功能在SPI控制器。SPI-controller硬件只是一块SPI的解决方案。也有用审查的软件功能以及控制器。通常是支持软件的最佳评估或开发工具包。例如,瑞萨RX600演示工具包包括司机和示例代码,可用于评估目标的缓解SPI-peripheral控制器可以实现。董事会包括SPIFlash和SPIeepm所以司机和示例代码可用来简化实现。设备还包括一个触摸屏液晶如果目标为一个图形用户接口,应用程序使用的内存的代码可以使用。记住你的目标应用程序和SPI总线是如何使用的,这样你就可以利用尽可能多的代码可以从开发工具包。SPI的记忆在使用一个小缺点的廉价的单片机,可能没有足够的内存芯片上的应用程序。而不是使用一个更大、更昂贵的单片机,它可能是更成本有效使用外部存储器。事实上,由于外部记忆通常可以提供更多存储比高容量单片机,它更容易区分一个使用外部存储器的设计从一个使用片上内存。有足够的存储可以更直观的用户界面,本地数据可以更容易地存储,直到更多的能量高效的传输数据,视频和音频更容易支持,和用户功能可以支持更多的情报。如果你正在寻找方法来将值添加到您的设计,外部存储器是一个很好的选择。通过使用现代闪存特性SPI总线,外部能力可以不需要添加大量的单片机引脚。这可以降低成本,简化软件需要访问外部存储器。例如,意法半导体M95xxxeepm与SPI总线可以在一个小8SOIC包。类似的设备可以与其它串行接口,如图3所示。导电带和I2C风格接口使用2或4线,所以他们可以适合单片机销数减少,但注意时钟频率的差异:SPI版本可以运行10到20倍其他两个设备。这是其中的一个原因,SPI往往更受欢迎,它可以支持更高的时钟频率,这样应用程序可以快速传输数据,通常更多权力有效。(越快可以传输数据,设备需要启动的时间越少)。图3:意法半导体的特征串行接口eepm——M24C/M95/M93C。SPI-bus-memory设备使用flash技术可用。例如,美光科技M25P05是每秒512比特SPI和闪存50MHz时钟频率。从1到256字节数据可以被编程一次使其在传感器和日志应用程序非常有用,少量的写操作是常态。深的省电模式1μA和可用在各种小low-pin-count包如SO8VFQFPN8,TSSOP8,UFDFPN8。写保护功能允许配置为只读内存的一部分和一个额外的写保护信号支持一个额外的硬件保护模式来保护数据腐败在过于嘈杂的环境。低功率和健壮的数据保护是非常有用的在工业物联网(IIoT)应用程序远程能量收获传感器通常放置在嘈杂的环境中。小专业的记忆也可作为SPI外设。例如,微芯片技术提供小额SPI记忆存储以太网MAC地址。的芯片25aa02e是2-Kbiteepm可以预定程序的全局唯一的48比特位或64位兼容EUI-48节点地址和行-64。低价可用在一个小8位SOIC和消费只有1μA在待机模式下,很容易添加到嵌入式应用程序需要以太网连接在一个预算。SPI外围设备广泛的外围功能传感和监控现在可用的SPI总线。也许最普遍的外围在单片机应用程序是一个模拟-数字转换器(ADC)。通常需要转换为数字,模拟传感器输出芯片ADC如果不提供所需的功能,可能需要一个外部ADC。此外,如果需要许多ADC输入更成本有效使用外部设备,与许多输入,使单片机销数低。例如,模拟设备AD7298BCSPI-compatibleADC的12位元分辨率8输入,一个芯片上的温度传感器,快速吞吐量的议员。收发通道音序器便于监控几个输入,时序,简化渠道管理。的省电电流小于10μA和可用性在一个小20-leadLFCSP,它是一个适合small-board-space,低功耗的应用程序。在物联网应用中,加速度计和陀螺传感器可用于跟踪、定位、安全、和定位功能。通常可以找到这些类型的传感器结合来简化实现。此外,当多个传感器与当地的单片机是紧耦合的,可以组合来自多个传感器的数据来创建更智能的功能。例如,如果允许windows加速度和取向的定义,单片机可以比较数据窗口设置,不需要生成一个警告,除非读数超出了可接受的边界。这通常最小化管理CPU开销,更耗电设备比单片机。意法半导体的LSM6DS0TR包括一个3d加速计和一个3d陀螺传感器在一个芯片上。两个传感器可以同时使用或陀螺仪可以关掉,而加速度计是活跃的。SPI总线用于配置和获取数据并保持销数小,因此它可以用于一个LGA-16L包。设备的框图(图4)上部分显示了加速度计和陀螺仪在较低的部分。SPI总线显示在图的右下角。图4:框图的意法半导体SPI加速度计和陀螺传感器设备的最重要的一个特性是数据寄存器FIFO。FIFO提供32位的16位数据为每个陀螺仪的三个输出channels-pitch,偏航和滚动。它还提供了一个16位数据FIFO的三个加速度计输出通道,X,Y,和z.这使得一致的节电系统,单片机不需要连续调查以来来自传感器的数据,但它可以只在需要时醒来并迅速破裂从FIFO的数据。另一个流行的传感器用于单片机设计采用霍尔传感器。这个传感器通常用于角位置定位系统,对象的旋转速度和方向是很重要的。采用霍尔允许使用非接触式感应电流产生的磁场。一些采用霍尔设备使用一个圆形垂直大厅(CVH)传感技术来简化集成和支持数字电路。例如,快板微系统公司A1334采用霍尔传感器使用一个360度角片上CVH传感器以及一个模拟前端,EEPROM-based可编程校准参数,和数字信号处理技术来简化传感器使用。SPI总线很容易