Comunicación SPI aislada simplificada

Monitorear y controlar diversos sistemas requiere acceso directo a los sensores y actuadores, preferiblemente desde una ubicación central y por medio de un método de comunicación estandarizado como la interfaz periférica serial (SPI). SPI es un bus de datos en serie síncrono que facilita el intercambio de datos entre los dispositivos y la unidad de control central a largas distancias. La comunicación se realiza según el principio maestro-esclavo y es full duplex. La interfaz SPI se compone de tres líneas: SDI, SDO y SCK.

Si bien el método de comunicación SPI generalmente es adecuado para distancias de hasta aproximadamente 10 m, para unir distancias más largas, a menudo se necesita un repetidor debido a la atenuación debido a la mayor resistencia de línea de los cables largos. Estas señales deben ser amplificadas nuevamente. Esto también permite lograr una mayor relación señal-ruido (SNR) al mismo tiempo. Se puede usar un dispositivo como la interfaz de comunicación isoSPI IC LTC6820 de Analog Devices, Inc. (ADI) para leer las señales.

Gracias a su diseño innovador, la comunicación SPI se puede maximizar con relativa facilidad agregando aislamiento galvánico utilizando un cable de par trenzado y transformadores apropiados.

Debido a las duras condiciones que se encuentran con frecuencia en los entornos industriales, a menudo se requieren componentes de comunicación aislados galvánicamente para proteger a los usuarios de voltajes peligrosos y para garantizar la confiabilidad del sistema. Además, el aislamiento permite mediciones exactas a pesar de los voltajes de modo común ocasionales. Por lo tanto, la barrera de aislamiento es clave para separar la etapa de entrada del resto del sistema y, al mismo tiempo, permitir una conexión.

La Figura 1 muestra cómo todos los esclavos son controlados por un solo maestro. Los maestros y los esclavos pueden ser microcontroladores o ADC con una interfaz SPI a la que generalmente se conectan los sensores o microcontroladores. El LTC6820 permite la transmisión de datos bidireccional necesaria para la comunicación SPI entre dos dispositivos completamente aislados galvánicamente. Codifica las señales SPI del maestro en señales diferenciales de hasta 1 Mbps, que luego se transmiten a través de la barrera de aislamiento galvánico y los cables de par trenzado. En el extremo opuesto del cable, las señales diferenciales son recibidas nuevamente por un LTC6820 y decodificadas en señales SPI, que luego se enrutan al bus esclavo. El LTC6820 también suministra las corrientes requeridas necesarias para conducir las señales a través de la barrera de aislamiento. A través de una resistencia externa, estas corrientes se pueden adaptar a los requisitos del sistema, como la longitud de cable deseada, SNR e inmunidad.

Sin embargo, tenga en cuenta que a pesar del uso de repetidores SPI, la tasa de datos es limitada y depende de la longitud del cable. Por ejemplo, la velocidad de datos para el circuito que se muestra en la Figura 1 con un cable CAT5 de 100 m es solo de aproximadamente 0,5 Mbps, que es la mitad del valor máximo posible de 1 Mbps que podría proporcionar el LTC6820 (consulte la Figura 2).

Mediante el uso Yo asiIC de comunicación SPI, la complejidad de los circuitos para la transmisión aislada de señales de comunicación SPI a largas distancias se puede simplificar, ya que se puede omitir una cantidad significativa de componentes que normalmente se requieren en los circuitos convencionales. Además, con el LTC6820, se pueden realizar distancias de hasta 100 m, que no son raras en entornos industriales. El LTC6820 facilita la implementación de aplicaciones en cadena en las que un maestro controla varios esclavos. Además, es un dispositivo ideal para sistemas de monitorización de baterías, ya que requieren una comunicación aislada galvánicamente debido a sus unidades de carga parcialmente explosivas (por ejemplo, baterías de iones de litio).