采用高效的SPI外围设备的低成本微控制器为基础的物联网设计

物联网高效的互联网（物联网）的设计必须权衡一系列的要求，往往工作对立起来。成本低是很重要的，但往往支持所有应用所需的主要功能增加了MCU的引脚数和内存大小，两件事情，对低成本的工作。低功耗也是物联网应用中的电池运行状态的重要。然而，增加功能和提高性能最多可电力需求。显然，找到所有这些需求之间的平衡可能是一个问题，但这是挑战只是工程师期望从尖端的设计类型。

其中最有效的方法来降低这种设计快刀斩乱麻是寻找系统架构的变化，可以以不同框架的问题。使用串行接口上​​有效地，例如，可以减少由MCU所需的引线的数量，并有助于优化电路板空间，功耗和性能。有效使用MCU的SPI外设可以做到这一点。本文将展示一些说明性的物联网应用实例，其中SPI风格的外设提供了新的架构选项，大大提高工作效率。

在以成本为导向的嵌入式设计SPI连接

之一的设计成本导向系统时最困难的任务是平衡的功能和成本。在基于MCU的设计中，这一难题可以经常体现在需要添加额外的引脚到MCU，使得额外的外围设备可以被添加到系统中。额外的功能外围设备提供了非常重要的差异化，希望使设计更有价值比只使用标准的MCU设计的用户。毕竟，没有外部的外围设备的MCU可以是非常困难的，从另一个基于MCU设计来区分。

虽然这是事实，在许多基于MCU的设计，那就是区分一个设计从另外一个软件，它通常是软件和外部硬件的创新结合，更加引人注目的情况。其中增加值，以用户不仅仅是保持低成本更重要这可以是即使在成本导向设计更为重要。在快速增长和竞争力的物联网市场寻找合适的值将是产品成功的关键。

当低成本的平衡附加功能的最常见的建筑方法之一是使用低引脚数串行接口标准的MCU连接外围设备。当多个外设可以共享相同的低引脚数接口，它可以显着减少由MCU，这允许低成本的，所使用的低引脚数MCU所需的引线的数量。低引脚数的外围设备通常比其高引脚数的堂兄弟更便宜，所以这可以进一步降低系统成本。低引脚数可以减少电路板空间，并减少所需的迹线数量。这降低了制造复杂性，因为较少的信号层上需要印刷电路板。

其中最流行的串行接口的串行外设接口（SPI）标准，演变为简化外设MCU的互联互通。如图1所示，接口仅需要四个在周边，串行时钟输入（SCLK），主输出从输入（MOSI），则主输入从输出（MISO），和从选择信号（SSN） 。这四个信号足以支持一总线与一些外围设备的所有连接到主机控制器。主机与所选外设进行通信，无论是传输数据或在MOSI或MISO信号接收数据。传输长度从8位到16位与取决于实现的传输速度，但可能对提供位速率从10至100 Mbps的。 SPI被上与像传感器，闪存存储器和模拟 - 数字转换器的低带宽要求外设通常发现。

SPI控制器和外设的图像

有关SPI标准的详细信息，Digi-Key已是讨论的SPI标准，支持SPI实现不同设备的多个产品培训模块。有兴趣的读者可以利用这些深入挖掘SPI标准的细节。

MCU的SPI外设控制

大多数现代MCU都有SPI控制器外设，可以轻松地和有效地管理多个SPI总线。控制器通常可以配置为主机或作为外设和它的不寻常的一个MCU用作既主机和外围设备。例如，在机箱管理应用程序在MCU可以是主机到不同的传感器在机箱内，同时也作为一个周向主底盘控制器处理器，常采用的MCU作为分发远程传感器的集合体卸载显著“低水平“处理从主CPU。这可以提高对主CPU的处理效率，降低电的整体控制子系统。图2示出SPI控制器为NXP LPC1756F MCU的框图，它示出了最SPI控制器的主要元素。

恩智浦LPC1756 MCU的SPI控制器框图

移位寄存器块是用来与总线上的各种外围设备的SPI通信时，无论是在主机或外设模式。时钟发生器和检测器的源主机模式时钟和接收外设模式时钟。输出使能逻辑用于确定所述信号的方向SPI总线上，根据不同的操作模式。该SPI寄存器接口提供内外设的配置和数据寄存器。最后，国家控制块管理着周边的一切SPI操作。

恩智浦LPC1756F MCU还具有另外一个SPI控制器外设，SPI0 / 1，除了SPI还支持4线和MICROWIRE接口。它还包括FIFO缓冲器，并且可以通过DMA访问。当与多个SPI选项提供，请务必配合SPI外设控制器与外部设备的需求。例如，传感器可能不需要DMA但外部存储器可从SPI控制器内的DMA能力大大受益。

SPI控制器硬件只是一块一个SPI溶液。也是有用审查软件功能来，随着控制器。通常情况下，支持软件是最好的证明与评估或开发工具包。例如，瑞萨RX600演示套件包括驱动程序和样本代码，可用于评估在该目标的SPI外围控制器可以实施的容易性。该板包含一个SPI Flash和SPI EEPROM，使司机和示例代码可用于简化实施。该套件还设有一LCD触摸屏，以便如果目标应用程序使用的图形用户界面的存储器，大部分该代码可以作为良好。请记住你的目标应用程序，以及如何SPI总线将被使用，因此你可以利用尽可能多的从开发工具包尽可能提供代码。

SPI存储器

上使用小便宜的MCU的缺点之一是，可能没有足够的片上存储器的应用程序。代替使用一个更大，更昂贵的MCU它可能变成是更具成本效益的使用外部存储器。事实上，由于外部存储器可以通常提供显著更多的存储比由大容量的MCU提供，这是很容易区分，使用外部存储器从一个使用片上存储器的设计。具有足够存储用户界面可以更加直观，本地数据可以更容易地保存，直到它是更节能要传输的数据，视频和音频是更容易地支持，并与更多的智能用户功能可以得到支持。如果您正在寻找各种方法来增加价值，你的设计，外部存储器是一个很好的选择。

通过使用配备了SPI总线现代闪存，外部容量而不需要大量的MCU管脚加入。这可以保持成本下降，并且可以简化需要访问外部存储器中的软件。例如，意法半导体M95xxx EEPROM可与SPI总线采用小型8引脚SOIC封装。类似的设备可与其它串行接口，如图3 MICROWIRE和I2C风格的接口使用2或4线，因此他们可能是适当的减少MCU引脚数量，但要注意在时钟频率的区别：SPI版可以操作10到20倍的速度是其他两个装置。这是指SPI趋于更受欢迎的原因之一，它可以支持更高的时钟速率，以便该应用程序可以快速传输数据和平常更多功率效率为好。 （越快可以传输数据，则更少的时间的设备需要被供电。）

意法半导体串行接口EEPROM的M24C / M95 / M93C特性

使用Flash技术SPI总线的存储设备可用。例如，美光科技M25P05是一个512千位的SPI NOR闪存与50MHz的时钟速率。数据可以从1至256个字节被编程的时间使其在传感器和记录应用，其中少量的写入操作是标准的非常有用的。它有1μA一个深度省电模式，可在各种小型低引脚数封装，如SO8，VFQFPN8，TSSOP8和UFDFPN8。写保护功能可以记忆的一部分被配置为只读和一个额外的写保护信号支持一个额外的硬件保护模式，以保护数据免受损坏过于嘈杂的环境中。低功耗和强大的数据保护是工业物联网（IIoT）应用远程能量收集传感器通常放置在嘈杂的环境中非常有用。

小型专业化的记忆也可作为SPI外设。例如，Microchip的技术提供小型SPI存储器，用于存储以太网MAC地址。 Microchip的25AA02E是一个2千位的EEPROM，可以使用预编程一个全局唯一的48位或64位的节点地址，它与EUI-48和EUI-64兼容。可在一个小型8位SOIC以低廉的价格和消费只有1在待机模式下μA，很容易添加到，需要在预算以太网连接的嵌入式应用。

SPI外设

广泛的外设功能，检测和监测，现已为SPI总线。也许在MCU应用最为普遍的外围是一个模拟 - 数字转换器（ADC）。常需要的模拟传感器输出转换为数字，并且如果片上ADC不提供所需要的功能，外部ADC可能需要。此外，如果许多ADC输入要求可能更划算使用外接设备时，有许多投入，以保持MCU引脚数低。例如，ADI公司AD7298BC SPI兼容的ADC具有12位分辨率，8路输入，片上温度传感器和吞吐量1 MSPS快。片内通道序列器可以很容易地监控多个输入，具有预编程的顺序，以简化渠道管理。低于10μA小20引脚LFCSP封装断电电流和可用性，这是一个非常适合小电路板空间，低功耗应用。

在物联网应用中，加速度计和陀螺仪传感器可以是跟踪，取向，安全性，和定位功能是有用的。通常，这些类型的传感器可以组合发现，以简化实施。此外，当多个传感器是紧耦合与当地的MCU，来自多个传感器的读数可以被组合以创建更加智能化功能。例如，如果允许的窗口为加速度和方向被定义，则MCU可以比较读数的窗口设置，并且不需要生成警报除非读数可接受边界之外。这为管理CPU，比MCU通常是更耗电的设备最大限度地减少开销。意法半导体LSM6DS0TR包括三维加速度计和一个单个芯片上的三维陀螺仪传感器。两个传感器可同时使用或陀螺仪可被断电，而加速度计是活动的。 SPI总线用于配置，将获得的读数，并保持销数小，因此它可以在一个LGA-16L包中。该装置的框图显示了加速度计在上部部分和下部部分中的陀螺仪。 SPI总线示出在图的右下方。

意法半导体的SPI加速度计的框图

之一的装置的最重要的特点是数据寄存器FIFO中。在FIFO提供了16位的数据32个时隙为每个陀螺仪的三个输出声道-俯仰，偏转和滚动的。它也提供了一个16位的数据FIFO的每个的三个加速度计的输出通道中，X，Y和Z这允许一致的功率节省的系统中，由于在MCU不需要从传感器不连续地轮询数据，但它可以唤醒了需要赶紧只有当突发数据从FIFO中。

在基于MCU的设计另一种流行的传感器是霍尔效应传感器。这种传感器通常用于定位系统，其中所述角位置的物体的，旋转速度和方向是重要的。的霍尔效应允许使用由磁场产生的电流接触感测。一些霍尔效应器件采用圆形竖直霍尔（CVH）技术，以简化集成传感和支持数字电路。例如，快板微A1334霍尔效应360度角传感器使用连同模拟前端片上CVH传感器，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使用。 SPI总线可以很容易地将传感器连接到MCU。该装置具有26.5伏的最大的VCC，因此可以在用于转向和电机控制汽车电池供电的应用中使用。请确保您的传感器支持你的应用程序可能要避免降低产品的使用寿命或高失败率的任何恶劣的环境条件。

结论

高效利用SPI风格的外设可以帮助提供精明的设计者更多的架构选择最优化的设备成本，电路板空间，功耗和性能的物联网应用。通过有效利用SPI外围设备和片上MCU的SPI控制器，​​设计人员往往可以找到功能丰富，低成本的实现方式的最佳组合。

审核编辑 黄宇