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Isolierte SPI-Kommunikation leicht gemacht

| Autor / Redakteur: Thomas Brand * / Kristin Rinortner

Industrielle Datenkommunikation: Das Serial Peripheral Interfece (SPI) ist ein gängiger Datenbus in der Industriekommunikation. Was müssen Sie beachten?
Industrielle Datenkommunikation: Das Serial Peripheral Interfece (SPI) ist ein gängiger Datenbus in der Industriekommunikation. Was müssen Sie beachten? (Bild: VCG)

In diesem Analogtipp stellen wir einen Baustein vor, mit dem sich die Komplexität von Schaltungen zur galvanisch getrennten Übertragung von SPI-Kommunikationssignalen auch über größere Distanzen bis 100 m vereinfachen lässt.

Durch die fortschreitende Automatisierung müssen in nahezu allen Bereichen elektrische Systeme Prozesse überwachen und steuern. Hierbei kommen Sensoren und Aktoren zum Einsatz, auf welche vorzugsweise von einer zentralen Stelle zugegriffen wird. Voraussetzung für diesen zentralen Zugriff ist ein geeignetes Kommunikationsverfahren zwischen den Akteuren.

Verbreitet ist das Serial Peripheral Interface (SPI), ein synchroner, serieller Datenbus, bei welchem die Datenübertragung nach dem Master-Slave-Prinzip mit drei Leitungen (SDI, SDO und SCK) stattfindet. Das bedeutet, die Slaves werden immer von einem Master angewählt. Die Kommunikation verläuft dabei bidirektional und somit im Voll-Duplex-Verfahren.

Da im industriellen Umfeld nicht selten auch raue Umgebungsbedingungen herrschen, wird eine galvanische Trennung zwischen den Kommunikationspartnern gefordert. Einerseits, um die Systemsicherheit gewährleisten zu können, andererseits aber auch, um die Anwender vor gefährlichen Spannungen zu schützen. Ferner hat die Isolation den positiven Nebeneffekt, bei aufkommenden Gleichtaktspannungen noch möglichst genaue Messungen zuzulassen.

Das SPI-Kommunikationsverfahren eignet sich in der Regel für Entfernungen bis ca. 10 m. Um größere Entfernungen zu überbrücken, möglicherweise auch über eine galvanische Trennstrecke, ist ein Repeater erforderlich, da die Signale aufgrund der mit der Kabellänge zunehmenden Leitungswiderstände mehr und mehr gedämpft werden und es diese anschließend wieder zu verstärken gilt. Dadurch lässt sich auch gleichzeitig ein größerer Signal-Rausch-Abstand (SNR) erlangen.

Zur Verstärkung der Signale eignen sich Bausteine wie der isoSPI-Kommunikationsschnittstellen-IC LTC6820. Damit lässt sich die SPI-Kommunikation relativ einfach mittels einer verdrillten Zweidrahtleitung und entsprechender Transformatoren um eine galvanische Trennung erweitern. Bild 1 zeigt eine derartige Schaltungsanordnung.

Der LTC6820 eignet sich zudem für Anwendungen mit mehreren Geräten (Slaves), die parallel an die Zweidrahtleitung angeschlossen werden können und vom gemeinsamen Master gesteuert werden. Master bzw. Slaves können Mikrocontroller oder A/D-Wandler mit SPI-Schnittstelle sein, an die Sensoren oder auch weitere Mikrocontroller angeschlossen sind.

Mit dem LTC6820 wird somit die bidirektionale SPI-Kommunikation zwischen zwei bzw. mehreren galvanisch getrennten Geräten über größere Entfernungen möglich. Der Baustein kodiert dabei die SPI-Signale des Masters mit bis zu 1 MBit/s in ein Differenzsignal, welches anschließend über die galvanische Trennstrecke und das Twisted-Pair-Kabel gesendet wird.

Am gegenüberliegenden Ende werden die Differenzsignale von einem weiteren LTC6820 empfangen und wiederum in SPI-Signale dekodiert, die anschließend dem Slave zugeführt werden. Der LTC6820 liefert dabei u.a. die erforderlichen Ströme zum Treiben der Signale über die galvanische Trennstrecke. Die Treiberströme lassen sich durch eine externe Widerstandsbeschaltung an die Applikationsanforderungen, wie Kabellänge, Signal-Rausch-Verhältnis und Störsicherheit anpassen.

Allerdings ist die Datenrate trotz SPI-Repeater auf eine bestimmte Kabellänge reduziert. So beträgt die Datenrate bei der dargestellten Schaltung, unter Verwendung eines 100 m langen CAT.-5-Kabels beispielsweise noch ungefähr die Hälfte des mit dem LTC6820 möglichen maximalen Werts von 1MBit/s. Größere Entfernungen mit der dargestellten Schaltung sind daher trotz Repeater nicht zu empfehlen. Wie die Datenrate mit zunehmender Kabellänge abnimmt, ist in Bild 2 zu sehen.

Fazit: Durch die Verwendung eines isoSPI-Kommunikations-ICs lässt sich die Komplexität von Schaltungen zur galvanisch getrennten Übertragung von SPI-Kommunikationssignalen, auch über größere Distanzen bis ungefähr 100 m, vereinfachen. Dies kommt vor allem höheren Integrationsgraden der Elektroniken innerhalb der Maschinen entgegen, da im Vergleich zu herkömmlichen Signalverstärkerschaltungen wesentliche Bauteile eingespart werden können. Dabei lassen sich auch parallel verkettete Applikationen umsetzen, bei denen ein Master mehrere Slaves steuert.

* Thomas Brand arbeitet als Field Applications Engineer bei Analog Devices in München.

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