數(shù)字溫度傳感器系統(tǒng)接口：SPI、I2C 、SMBus如何選

　　對于需要經(jīng)常進行數(shù)據(jù)流傳輸?shù)南到y(tǒng)數(shù)據(jù)，SPI是首選，因為它擁有較快的時鐘速率，速率可從幾兆赫茲到幾十兆赫茲。然而，對于系統(tǒng)管理活動，如讀取溫度傳感器的讀數(shù)和查詢多個從器件的狀態(tài)，或者需要多個主器件共存于同一系統(tǒng)總線上（系統(tǒng)冗余常會要求這一點），或者面向低功耗應用，這時I2C 或 SMBus將是首選接口。

　　圖1：數(shù)字溫度傳感器簡化框圖

　　下面幾部分將介紹每種串行總線及其優(yōu)缺點。

　　1. SPI

　　SPI 是一種四線制串行總線接口，為主/從結(jié)構，四條導線分別為串行時鐘（SCLK）、主出從入（MOSI）、主入從出（MISO）和從選（SS）信號。主器件為時鐘提供者，可發(fā)起讀從器件或?qū)憦钠骷僮?。這時主器件將與一個從器件進行對話。當總線上存在多個從器件時，要發(fā)起一次傳輸，主器件將把該從器件選擇線拉低，然后分別通過 MOSI 和 MISO 線啟動數(shù)據(jù)發(fā)送或接收。

　　SPI 時鐘速度很快，范圍可從幾兆赫茲到幾十兆赫茲，且沒有系統(tǒng)開銷。SPI 在系統(tǒng)管理方面的缺點是缺乏流控機制，無論主器件還是從器件均不對消息進行確認，主器件無法知道從器件是否繁忙。因此，必須設計聰明的軟件機制來處理確認問題。同時，SPI 也沒有多主器件協(xié)議，必須采用很復雜的軟件和外部邏輯來實現(xiàn)多主器件架構。每個從器件需要一個單獨的從選擇信號?？傂盘枖?shù)最終為 n+3 個，其中 n 是總線上從器件的數(shù)量。因此，導線的數(shù)量將隨增加的從器件的數(shù)量按比例增長。同樣，在 SPI 總線上添加新的從器件也不方便。對于額外添加的每個從器件，都需要一條新的從器件選擇線或解碼邏輯。圖 2 顯示了典型的 SPI 讀/寫周期。在地址或命令字節(jié)后面跟有一個讀/寫位。數(shù)據(jù)通過 MOSI 信號寫入從器件，通過 MISO 信號自從器件中讀出。圖 3顯示了 I2C總線/SMBus以及SPI的系統(tǒng)框圖。

　　圖2：SPI 典型讀/寫周期

　　圖3：（a）I2C總線/SMBus系統(tǒng)接口;（b）SPI 系統(tǒng)接口

　　2. I2C總線

　　I2C 是一種二線制串行總線接口，工作在主/從模式。二線通信信號分別為開漏 SCL 和 SDA 串行時鐘和串行數(shù)據(jù)。主器件為時鐘源。數(shù)據(jù)傳輸是雙向的，其方向取決于讀/寫位的狀態(tài)。每個從器件擁有一個唯一的 7 或 10 位地址。主器件通過一個起始位發(fā)起一次傳輸，通過一個停止位終止一次傳輸。起始位之后為唯一的從器件地址，再后為讀/寫位。

　　I2C總線速度為從0Hz到3.4MHz。它沒有SPI 那樣快，但對于系統(tǒng)管理器件如溫度傳感器來說則非常理想。I2C 存在系統(tǒng)開銷，這些開銷包括起始位/停止位、確認位和從地址位，但它因此擁有流控機制。主器件在完成接收來自從器件的數(shù)據(jù)時總是發(fā)送一個確認位，除非其準備終止傳輸。從器件在其接收到來自主器件的命令或數(shù)據(jù)時總是發(fā)送一個確認位。當從器件未準備好時，它可以保持或延展時鐘，直到其再次準備好響應。

　　I2C允許多個主器件工作在同一總線上。多個主器件可以輕松同步其時鐘，因此所有主器件均采用同一時鐘進行傳輸。多個主器件可以通過數(shù)據(jù)仲裁檢測哪一個主器件正在使用總線，從而避免數(shù)據(jù)破壞。由于 I2C總線只有兩條導線，因此新從器件只需接入總線即可，而無需附加邏輯。

　　3. SMBus

　　SMBus 是一種二線制串行總線，1996年第一版規(guī)范開始商用。它大部分基于I2C總線規(guī)范。和 I2C一樣，SMBus不需增加額外引腳，創(chuàng)建該總線主要是為了增加新的功能特性，但只工作在100kHz且專門面向智能電池管理應用。它工作在主/從模式：主器件提供時鐘，在其發(fā)起一次傳輸時提供一個起始位，在其終止一次傳輸時提供一個停止位;從器件擁有一個唯一的7或10位從器件地址。

　　SMBus與I2C總線之間在時序特性上存在一些差別。首先，SMBus需要一定數(shù)據(jù)保持時間，而 I2C總線則是從內(nèi)部延長數(shù)據(jù)保持時間。SMBus具有超時功能，因此當SCL太低而超過35 ms時，從器件將復位正在進行的通信。相反，I2C 采用硬件復位。SMBus具有一種警報響應地址（ARA），因此當從器件產(chǎn)生一個中斷時，它不會馬上清除中斷，而是一直保持到其收到一個由主器件發(fā)送的含有其地址的ARA為止。SMBus只工作在從10kHz到最高100kHz。最低工作頻率10kHz是由SMBus超時功能決定的。

　　總結(jié)

　　SPI有較快的速度，但是只能單主多從，管理線比較復雜。

　　I2C等速度比較慢，數(shù)據(jù)比較臃余，但是主從管理好，也省電省控制管腳。