应用于电感耦合型隔离通讯的芯片设计 王彤 赵野 陈杰摘 要：为增强信号在恶劣的电气噪声环境中传输的安全性和可靠性，提出并设计了一款利用SPI数据链路实现设备远程控制的隔离通讯芯片.分析目前两种SPI总线隔离方案的优缺点，折中隔离方式、电路复杂性、成本和可靠性等因素，利用“平衡”双线技术，采用双绞线作为传输介质，将四路SPI信号编码成能够通过变压器耦合的无直流脉冲，提高了数据传输的准确性和系统工作的可靠性.芯片基于GSMC 0.18 μm CMOS标准工艺设计，核心面积为1.331.45 mm2.流片测试结果表明，芯片可实现1 Mbps的通讯速率，误码率小于10-9，在通信速率为0.5 Mbps的条件下支持的最大电缆长度可达50 m，实现了远程受控器的灵活网络化配置，与同类隔离方案相比，是一种兼具低成本、高可靠和结构优化的远程控制解决方案.关键词：SPI；远程控制；隔离通讯；双绞线；电感耦合：TN402；TN79 文献标志码：AAbstract：In order to enhance the security and reliability of the signal transmission in the harsh electrical noisy environment， an isolated communication chip was proposed and designed to realize the remote control of the equipment by SPI data link. The advantages and disadvantages of two current SPI isolation schemes were analyzed. Considering the isolation method， circuit complexity， cost， reliability， and other factors， the chip uses the “balanced” two-wire technology and encodes the four SPI signals into DC-free pulse that can be coupled by a transformer， which can improve the accuracy of data transmission and system reliability. The chip was designed and fabricated in GSMC 0.18 μm CMOS standard process， with a total chip area of 1.331.45 mm2. Test results show that the chip can reach a bit error ratio of 10-9 at 1 Mbps. The maximum cable length supported at a data rate of 0.5 Mbps can be up to 50 meters. It achieves the flexible network configuration of the remote controlled device. Compared with other similar isolation schemes， the designed chip is a low-cost， highly reliable and structural optimization solution for remote control.Key words：SPI； remote control； isolated communication； twisted pair； inductive couplingSPI（serial peripheral interface）是一種同步串行外设接口，能够方便地实现MCU与外部设备之间的通信，具有接口线少、数据速率高、支持全双工操作等特点，在电路集成设计中得到了广泛应用[1].SPI通信可采用接口直接对接的方式，实现主设备和外部设备间的通信.但在工业现场的数据采集中，由于设备工作环境复杂，各通信节点具有很高的共模电压，干扰较大，造成SPI接口无法正常工作，严重时甚至会烧毁芯片和仪器设备.因此，为了保证设备正常通信以及核心控制电路和操作人员的安全，对SPI总线各个通信节点实行电气隔离是非常必要的.传统的SPI总线隔离方法是光耦合技术，采用光束作为媒介传输电信号，在高压和低压电气环境之间提供安全接口.目前一般使用6N137光电隔离器件[2]，该器件隔离电压高、抗干扰能力强、使用寿命长.但每个芯片仅提供一路隔离通道，隔离SPI接口需要四颗隔离芯片并配置四个光耦器件，导致电路板使用空间与成本的增加，增加了电路复杂性，导致设计时间延长和电路稳定性下降.而且光耦器件本身具有易损耗、速度较慢（一般的数据速率低于1 Mbps）、耗电量大等缺点，给其应用带来局限.数字隔离器是另一种SPI总线隔离方案，它使用变压器或电容将数据以磁性方式或容性方式耦合到隔离栅的另一端.典型的器件是ADI公司的ADuM系列[3]，该系列器件采用芯片尺寸的微型变压器，通过电感耦合进行隔离，与光耦合器件相比，降低了功耗，提高了数据速率且增强了定时精度.但每个芯片需要为SPI四路信号分别提供四路隔离通道，同时配置四个变压器或四对电容，且需两路电源供电，成本较高.因此从系统架构设计的角度来看，尽可能减少需要隔离的信号通道数，减少高绝缘等级器件的使用，降低成本和功耗，是设计的主要方向.针对以上两种隔离方案的不足，本文提出一种基于双绞线传输的电感耦合型SPI总线隔离方案并设计了一款芯片.该芯片利用电感耦合技术，采用双绞线作为传输介质，将四线SPI信号编码成适用于单根双绞线传输的差分信号，省去了四路隔离通道的设计，有效去除了共模干扰和共模噪声，实现了主控器和远程受控器之间的数字式隔离通讯，保证了信号在恶劣的电气噪声环境中传输的安全性和可靠性，有一定的工程应用价值.1 设计思路1.1 隔离方式选择电路隔离是将输入和输出两端在物理层隔开，两端之间没有直接的线路，一般采用耦合的方式实现信号和功率的传输.常用的电路隔离方式有三种：光耦合、电容耦合、电感耦合.光耦合被广泛应用于工业网络，体积小、抗干扰能力强[4]，但功耗大且不适用于全双工或半双工的通讯系统.电容耦合是在隔离层上采用一个不断变化的电场来传输信息，成本低，但采用双绞线传输时，信号强度随电缆长度的延伸而衰减，传输距离较短，且不能提供共模抑制.电感耦合根据变压器原理，通过电感之间的电磁感应来传输信号[5]，不仅能提供电气隔离，对共模噪声也有较好的抑制效果，能适应10 m以上的传输距离.基于以上分析，为了实现SPI总线全双工、长距离、高可靠通讯，芯片采用电感耦合的方式进行隔离.1.2 隔离方案确定为有效滤除和隔离干扰源，防止干扰信号形成串扰，理想的方法是将使用SPI总线通信的主设备和外部设备隔开，使两者之间无电信号联系.本文采用如图1所示的通信方案，发送端芯片（CHIP1）与一个微控制器或其他SPI主设备配对使用，该芯片对逻辑状态进行编码，并跨越一个隔离势垒将信号传送至另一个芯片（CHIP2）.接收端芯片对获得的信号进行解码并把总线驱动至适当的逻辑状态，其中隔离势垒利用一个简单的脉冲变压器进行桥接，以实现几百伏的电压隔离.2 芯片的设计与实现2.1 芯片的整体架构芯片架构如图2所示，主体模块包括：编解码模块（Encode、Decode），逻辑控制模块（Digital Controller），脉冲驱动器模块（Transmitter、Receiver），检测电路和时钟模块（Oscillator、PLL、CDR）.芯片通过Encode模块把标准的SPI信号编码为可通过单根双绞线传输的差分信号，同时通过Decode模块把差分双绞线信号解码为SPI信号.发送器Transmitter采用电流调节型差分驱动器结构，接收器Receiver设计为一个具有一定差分门限的窗口比较器.无通信期间，芯片将进入低功耗待机状态，通过关断部分电路以降低功耗.检测电路监测来自隔离通讯接口的差分信号，当在接口引脚IP-IM上观测到一个持续时间大于240 ns、信号幅值超过240 mV的差分信号时，检测电路会发送唤醒信号，把整个芯片从待机状态中唤醒.为了能够准确接收数据，芯片内部集成了全数字时钟恢复电路（all-digital clock and data recovery circuit， CDR），利用CDR从同步信号中恢复出时钟用于解码.2.2 主要模块设计2.2.1 编解码模块SPI总线是由摩托罗拉公司开发的全双工同步串行总线，可连接1个主设备和1个或多个从设备，主设备启动一个与从设备的同步通信，从而完成数据的交换[6].SPI通信采用单独的四根信号线（CS、SCK、MOSI、MISO）来传送数据及同步时钟.其中CS表示片选信号，用于选择并激活从设备，由SPI主设备驱动输出.SCK表示同步时钟信号，用来同步主从设备的数据传输.MOSI为数据输入信号，MISO为数据输出信号.由引言可知，常见的SPI总线隔离方案中，无论是传统的光耦合隔离器件还是ADI公司推出的ADuM系列器件都需要为每一路SPI信号单独设计一路隔离通道，复杂度高，成本较高.本文采用“平衡”双线（两条线都不接地）技术，通过脉冲的宽度、极性和时序对SPI信号的不同状态进行编码，将四路SPI信号编码成对称的信号用双线发送，这样当存在共模干扰时，由于平衡传输的两个端子上受到的干扰信号数值相差不多且极性相反，干扰信号在平衡传输的负载上可以相互抵消，提高了抗共模干扰的能力，同时无需单独设计四路隔离通道，简化了电路的复杂性，节约了成本.数据传输的方式有很多种，光耦合器通过LED的点亮与熄灭表示逻辑电平的高低，ADI的数字隔离器通过将信号上升沿和下降沿编码为双脉冲和单脉冲来驱动变压器[7].本文結合双绞线传输差分信号的特点，给出了一种改进的编解码方案.由于变压器不能传输直流信号和低频信号，可以将信号编码成脉冲形式，而且脉冲宽度越短，功耗越低[8].基于以上分析，芯片将有效信号定义为对称的脉冲对，同时芯片中发送器可产生三种电压电平：+VA、0 V、-VA（VA为模拟驱动的差分信号幅度），其中一个+1脉冲对定义为一个+VA脉冲和一个跟随其后的-VA脉冲.一个-1脉冲对定义为一个-VA脉冲和一个跟随其后的+VA脉冲.为了丰富信号类型，定义电平长度为300 ns（150 ns+150 ns）的脉冲对为长脉冲，电平长度100 ns（50 ns+50 ns）的脉冲对为短脉冲.通过脉冲宽度和极性的不同组合，产生四种有效信号形式.其中长脉冲用于发送CS信号，短脉冲用于发送数据MOSI/MISO以及相应的SCK下降沿信号，且该芯片可检测源于SPI主控器的5种通信事件，具体如表1所示.同时接收端按表2的对应规则在其输出端口上重构SPI信号，具体的通信时序图如图3所示.2.2.2 脉冲驱动器模块IP和IM引脚负责发送和接收SPI脉冲.发送器采用一个电流调节型驱动器以确立脉冲幅度，如图4所示.电压幅度由驱动电流IB和等效阻性负载（电缆特征阻抗和终端电阻器RM）决定.输出驱动器把输出端IP和IM的共模和峰值摆幅调节至正确的电平，从而可提供宽广的输出幅度范围和相当平坦的增益.当不执行发送操作时，输出分压器利用一对35 kΩ电阻将IP和IM保持在靠近片内电压源.这个弱偏置网络可把输出保持在其期望工作点的附近而不会给电缆施加很大的负载，从而能够在不影响信号幅度的情况下并联多个隔离芯片.2.2.3。