因 EMI 而成为 SPI 的替代品

电器工程 spi 金属丝 电磁兼容
2022-01-28 00:00:09

我目前制作了一个由塑料外壳组成的系统,其中包含一个 MCU,它使用 2MHz SPI 在大约 5 厘米长的电线上与 7 个 ADC 通信。

通过 SPI 连接的 MCU 和 ADC

问题是我担心EMI。我所读到的所有内容都表明,任何在接地金属机箱中的 PCB 上不安全的数字信号都会辐射过多,无法通过 EMI 测试。我想这也包括I2C。

这可能会导致 EMI 测试失败吗?我能做些什么呢?

我正在寻找任何类型的答案,包括“使用不同的总线/ADC”,但不包括涉及机械变化的答案,例如:“将所有 ADC 放在同一个 PCB 上”或“将整个东西放在金属盒中” . 我对 SPI 的低 EMI 替代方案特别感兴趣,包括差分总线。

以下是有关该应用程序的一些相关信息。如果您需要了解更多信息,请告诉我:

  • 6 根线连接到每个 ADC 板(电源、GND、CS、CLK、MOSI、MISO)。
  • ADC 目前是MCP3208(Microchip 8 通道,12 位)
  • 我正在一个空间极度受限的应用程序中工作,因此在电线上添加屏蔽层并不是一个真正的选择。
  • 使用某种差分总线(仅一对或两对)会很好,但唯一具有差分通信的 ADC 似乎是多 MSPS LVDS 类型。
  • CAN 可能太慢了,而且对于这种空间受限的应用来说也有点笨重。
  • 采样率:我需要以 1kHz 采样每个通道。

添加:

只是为了说明空间限制:

带 MCP3202 的小型 PCB

在这里您可以看到其中一个 ADC PCB。这个实际上有一个 MCP3202 而不是 MCP3208,但它是兼容的(ish)。它采用 TSSOP 8 封装。PCB 为 11 毫米 x 13 毫米。黑色电缆直径为 2 毫米。如您所见,连接器甚至没有空间,电线直接焊接到 PCB 上,然后灌封。缺少连接器是由于周围空间限制而不是PCB空间限制。

2个回答

5 cm 电缆上的 2 MHz SPI 并不大。我经常在 10 厘米电缆上使用 30 MHz SPI,通过了 FCC B 类和 CE 等效标准。关键是确保你有一根好的电缆(尽可能控制环路区域),并正确地端接你的信号。

您可以通过将电源/GND 信号放置在电缆中间的某个位置来控制环路区域:既位于连接器的中间,也位于电线束的中间。通常每个信号都有一个电源或 GND,但由于这很少是一个实际的解决方案,所以你必须尽你所能。此外,请确保在电缆两端的 PCB 上放置一个或两个去耦帽。

正确终止信号会有点棘手,因为您的电缆上没有受控阻抗。我要做的是在电缆两端的 PCB 上放置一个 RC 滤波器。RC 滤波器的 C 位于电缆侧,R 位于芯片侧。在信号驱动器上,我会从大约 75 欧姆的 R 和大约 1 nF 的 C 开始。在接收器上,R 约为 10 欧姆,C 仍为 1 nF。构建原型后,您应该尝试不同的值。本质上,您希望 R 和 C 具有更高的值,但不要太高以至于事情停止工作或信号电平太衰减。信号的边缘看起来应该非常圆润,但在信号过渡带(通常为 0.8 至 2.0 伏)中不应有振铃,时钟应该很好。

至少 3 nF 的上限值是 ESD 保护的理想选择,但这在您的应用中可能不是问题。

CAN 几乎可以肯定是您在此类应用中的最佳选择。它是差分的,实际上应该减少连接到每块板上的电线数量。如果您要采样 7 个芯片,每个芯片 8 个通道,每个通道 12 位,那么每个采样时间有 672 位数据。在 1 kHz 样本、1 Mbit 传输速率下,即每个样本时间 1000 位。这不会给您留下太多开销空间,因此您可以考虑使用内置两个独立 CANbus 控制器的微控制器。(Microchip 制造了几个,我使用 dsPIC 30F6012a。)将您的 A/D 分成两条总线,使用您的两者都有中央微控制器,你应该有足够的带宽。

另一方面,您可以考虑用微控制器替换 A/D 转换器。dsPIC 30F4013 可能是一个不错的选择。13 个 12 位 A/D 通道,外加 CANbus。

或者,我认为您可以将 SPI 与 RS-485 等差分电压协议进行转换。但我对此知之甚少,无法明智地发表评论。