CN0564

I²C 信号処理規格の概要

I²C は、双方向の 2 線式インターフェースのためのシリアル・プロトコルで、EEPROM、A/D コンバータ、D/A コンバータ、I/Oインターフェース、その他の周辺機器などの低速デバイスを組込みプロセッサに接続するものです。簡素で拡張性があるため、センサーに非常によく用いられます。バスには複数のデバイスを使用でき、それぞれが固有のアドレスを持ちます。わずか 2線でデバイス間のデータ転送ができます。その 2 線は次のとおりです。

• SCL − シリアル・クロック・シグナル・ライン。
• SDA − コントローラと周辺機器間でデータの送受信を行うシリアル・データ・ライン。
  
  

SCL シグナルと SDA シグナルは、オープンドレイン・ロジックで、ロジック・レベルとタイミング仕様はI²Cバス仕様およびユーザ・マニュアル（Specification − I²C Bus）で定義されています。

I²C バスで使用できる周辺機器数は、アドレス空間と最大合計バス容量（400pF）で制限されます。オープンドレイン・ロジックはインピーダンスが比較的高くノイズ耐性が低いため、すべての周辺機器には共通グラウンドへの低インピーダンス接続が必要で、また、最大バス長は 100kHz の場合で約 1m に制限されます。これに対し、CN0564は、バス長が最大1200mに延長されると共にコントローラと周辺機器間のコモンモード電圧差が±15Vまで耐えられる、差動トランシーバーを備えています。

SDA は本質的に双方向で、コントローラと周辺機器の間のデータ・フローはトランザクションのコース全体で方向が変わります。それほど一般的ではありませんが、I²C はクロック・ストレッチングに対応します。この場合、周辺機器は SCK をローに保持してクロック・レートを低下させます。したがって、SCL も双方向です。I²C が双方向であるため、バッファと共に拡張すること、絶縁すること、他の物理層に変換することは、複数のロジック・レベルやその他標準的でない技術が必要となるため、不適当です。

一般的な I²C のバス速度は、100kHz（標準モード）および400kHz（高速モード）です。LTC4331コントローラ・インターフェースは、2000kHzまでの一般的なすべての I²C クロックに対応できます。ただし、クロック周波数が高くケーブル長が長い場合には、SCL クロック・ストレッチングに十分に対応するコントローラを推奨します（詳細は LTC4331 のデータシートを参照してください）。

SPI 信号処理規格の概要

シリアル・ペリフェラル・インターフェース（SPI）は、同期式シリアル通信インターフェースの仕様で、組込みシステムなどの短距離通信で使用されます。I²C とは異なり、厳格に定義されているわけではありません。様々なクロック周波数、ロジック・レベル、タイミング関係に対応できますが、コントローラと周辺機器の仕様を注意深く確認する必要があります。SPIは全二重通信です（つまり、データはコントローラから周辺機器への方向とその逆方向に同時に流れることができます）。

SPI の物理層は次の 4 つの信号で構成されています。

• SCLK − シリアル・クロック。通常はコントローラによって駆動されます。
• MISO − コントローラのデータ入力、周辺機器のデータ出力。
• MOSI − コントローラのデータ出力、周辺機器のデータ入力。
• CS − チップ・セレクトは、周辺機器との通信を可能にします。周辺機器ごとに 1 つの CS ラインが必要です。
  
  

SPIピンはプッシュプル・ロジックを使用し（オープンドレインではありません）、コントローラと周辺機器のロジック・レベルが一致している必要があります。周辺機器ごとに固有の CS信号が必要で、そのため、SPIバスの物理的な拡張は一層複雑になります。

クロックとデータの間には、4 通りのクロッキング構成に対応するモード（0、1、2、3）として示される、4 種類のタイミング関係がサポートされています。各トランザクションは、チップ・セレクト・ラインがロジック・ローに駆動されると開始されます（チップ・セレクトは通常アクティブ・ローの信号です）。チップ・セレクト、データ、クロック・ラインの間の正確な関係は、クロックの極性（CPOL）とクロックの位相（CPHA）がどのように設定されているかによって異なります。4 つのモードの概要を図 2 にまとめます。

LTC4332 は、機器ごとに固有の CS ラインを持つ、最大 3 つの周辺機器に対応できます。各周辺機器の SPI モードは個別にモード 0、1、2、3 に設定できます。コントローラから周辺機器にはデータがそのまま伝送されますが、周辺機器からコントローラへのデータには 1 ワード分の遅延が生じます。詳細については、1 ワードの遅延 − SPI 読出しコマンドを参照してください。

システム・トポロジ

CN0564 は、I²C 信号および SPI 信号の伝送距離を 1200m まで延長するために、LTC4331 および LTC4332 を使用します。リンクごとに 1 組のデバイスがあり、コントローラ側がローカル・モード（REMOTE ピンがローに接続）、周辺機器側のデバイスがリモート・モード（REMOTE ピンがハイに接続）に設定されています。

LTC4332/LTC4331 は、コントローラからの SPI/I²C 信号を差動信号にコード化し、この差動信号がケーブルのツイスト・ペアを通じて伝送されます。ケーブルのリモート端では、この差動信号がリモートの LTC4332/LTC4331 で受信され、SPI/I²C に復号されます。そしてリモートの周辺機器にルーティングされます。通常動作の場合、リモートの周辺機器はローカル・コントローラによって生じたイベントを反映します。

選択可能なボー・レート

LTC4332/LTC4331 は、ローカルとリモートのリンク間を伝搬するデータの速度であるリンク・ボー・レートを、選択可能な速度指数（表 1 および表 2 を参照）を使用して変更できます。この速度指数は、リンクおよびインターフェースのタイミング選択ピンであるSPEED1およびSPEED2（どちらもスリーステート入力）を使用して設定できます。

ケーブル全体でボー・レートを選択できるため、アプリケーション条件に応じて性能とケーブル長のバランスを取ることができます。ただしリンクの両端は同じ速度設定にしなくてはなりません。

延長されたケーブル長での伝送

LTC4332/LTC4331 は高速差動トランシーバーを使用して、最長1200m のリンク長にわたり信号をやり取りします。I²C/SPI 信号は差動信号に変換されて、高速高品質な信号伝送、ノイズ耐性、同相ノイズ除去を実現します。所定の SPEED 設定に対し、LTC4331について表1に示したケーブル長仕様、およびLTC4332について表 2 に示したケーブル長仕様を遵守する必要があります。そうしなければ、リンクは動作しません。表の値は、実験室環境で Cat5E イーサネット・ケーブルを用いて記録されたものです。実際の最大ケーブル長は、ケーブルの種類やアプリケーション環境によって異なることに注意してください。

コモンモード電圧と ESD に対する堅牢性

差動トランシーバーは、SPI エクステンダについては±25V の拡張コモンモード電圧範囲、I²C エクステンダについては±15V の拡張コモンモード電圧範囲で動作し、ノイズの多い環境やグラウンド電位差のあるシステムに最適です（図 1 参照）。

インターフェース・ピン（LTC4331のAおよびBピン、LTC4332の A、B、Y、Zピン）には±60Vまでのフォルトに対する保護機能があります。また、これらのインターフェース・ピンは、極めて堅牢な静電気放電（ESD）保護機能を備えており、すべての動作モードまたは無給電時において、ラッチアップや損傷を受けることなく、GND および VCC（GND との間に 4.7µF を接続）を基準とする±40kV の HBM ESD（人体モデル・テスト）から保護されています。

LTC4331/LTC4332 の ESD はどちらも、国際電気標準会議（IEC）の ESD 試験と EFT（電気的ファスト・トランジェント）試験に合格しています。IEC ESD のストレスは、ピーク電流、振幅、立上がり時間に関し HBM試験のストレスを上回っているのに対し、EFT 試験は繰返しストレスがより長時間になっています。この保護レベルにより、LTC4332/LTC4331 は、現実に発生する様々な障害に対し堅牢なものとなっています。

1 ワードの遅延 − SPI 読出しコマンド

I²C 通信の場合、LTC4331（ローカル） − LTC4331（リモート）のリンクは、トランスペアレントです。つまり、リモートの周辺機器はローカル・コントローラからはローカル機器のように見えます。

しかし、SPI エクステンダ・ソリューションの場合、LTC4332（ローカル） − LTC4332（リモート）には、読出しアクセスの間のみ、1 ワードの遅延が生じます。SPI コントローラから周辺機器に送信されたデータには、コントローラによって開始されたインターフェース・クロック（SCK）と同じ遅延が生じるため、双方はデータ・リンク全域にわたり同期を維持します。

反対方向に関しては、最初のクロック・エッジが周辺機器に到達したときにのみ、周辺機器は MISO データをコントローラに送信します。このデータはコントローラに戻る途中で 2 回目の遅延を生じるため、MISOデータはケーブルの伝搬遅延の 2 倍分だけ同期から外れます。物理的に離れたデバイスには、伝搬遅延を各ビット幅内に収めるために、クロック・レートを著しく低下させる必要が生じます。この制限を克服するため、LTC4332 では、図 3 に示すように MISO 信号パスにシフト・レジスタを導入しています。

その結果、リモートの周辺機器に対する SPI の書込み要求では、ソフトウェア上はリモートとローカルの区別は不要（透過的）となりますが、リモートの周辺機器に対する SPI 読出しコマンドの場合は、1 ワードの遅延を余儀なくされるため、読出しコマンドは 1 ワード分の延長が必要です。延長がない場合、チップ・セレクトがデアサートされると、最後のワードが LTC4332の MISO シフト・レジスタで失われます。LTC4332 の MISO 信号パスでのシフト・レジスタの深さを示す WORD_LENGTH レジスタ（LTC4332 のデータシートのレジスタ・マップを参照）は、SPI コントローラが MISO ラインで有効なデータを受信し始めるタイミングを指示します。例えば、WORD_LENGTHが 8 の場合、ユーザが有効な MISO データを受信し始めるのは、 CSがアサートされてから 8 クロック・サイクル後となります。

フォルト・モニタリング

LTC4331/ LTC4332 の LINK ピンは通信リンクの状態を示すもので、ローに駆動されることで、リモートの I²C/SPI バスがローカルの I²C/SPI バスと結合したことを示します。

LTC4331/ LTC4332 は、割込み信号に対応します。LTC4331 のALERT および LTC4332 の INT です。これらの信号はリモートのバスからローカルのバスにミラーリングされます。リモート端ではこれらの割込みピンは、接続されている I²C/SPI 周辺機器の割込み出力に接続できる入力となります。ローカル側では、ALERT / INT は、共有しているローカルの割込みラインに接続可能なオープンドレイン出力として動作します。ローカルのLTC4331/LTC4332 の制御インターフェースが有効化されている場合、インターフェースは ALERT / INT ピンを使用してリンク・イベントやフォルト・イベントをレポートします。ローカル側の ALERT / INT 出力は、リモートの ALERT / INT と内部エンドポイントの割込み信号との論理積です。

ローカル側の LTC4331/LTC4332 は、ON ピンを 180ms 以上ローに維持することで、リモート側のリセットをトリガすることもできます。リンクが切断されると、リモートのLTC4331/LTC4332 は 180ms 後に自動でリセットされます。リモート・リセットにより、リモート側のすべての出力はリンク通信が回復するまで無効化されます。

LTC4331/LTC4332 制御インターフェース

LTC4331/LTC4332 リンクのローカル側の制御インターフェースを設定するために、内部でアドレス設定可能な周辺機器を別に使用できます。ローカルの LTC4331 の内部インターフェースには、ピン A1 とピン A2 を設定することで固有の I²C アドレスを指定できます。これに対し、LTC4332 は、別のチップ・セレクト・ピン SSC を備えており、ユーザは SPI アドレスの設定が可能な内部レジスタと通信を行うことができます。

LTC4331/LTC4332 の制御インターフェースを使用すると、追加の I²C/SPI 固有オプションを利用することができることに加え、速度設定、リンク状態、割込み／アラート状態を読み出すこともできます。LTC4331 は、I²C アドレスをリモートの周辺機器に変換するよう設定して、I²C のアドレス空間を拡張しアドレスの重複を防ぐことができます。LTC4332 は、ワード長（これにより受信データ遅延が決まります）の他、 CS ピンごとに個別のSPI モード設定が可能です。詳細については、LTC4331 およびLTC4332 のデータシートを参照してください。

PCB のサイズ

PCB 設計において、コンポーネントの密度を増加すると複雑な問題が生じます。SPI または I²C をエンコードするためには通常、マイクロコントローラを追加する必要がありますが、これによりソリューションのコストとサイズの両方が増加します。しかし、CN0564 を使用すると、リモート側にマイクロコントローラを追加する必要はありません。これにより、PCB の使用面積を小さくでき、全体的な製造コストを削減し、機能を追加するために他の部品を配置する余地を残した、小型のセンサー・ソリューションが可能となります。

センサー・インターフェース機能の拡張

これまで、伝送距離を伸ばすために、センサー・インターフェースは 0～10V、または、4～20mAなどのアナログ信号技術を使用してきました。例えば、状態監視アプリケーションでは、振動センサーに用いられる信号処理の標準として、集積電子圧電（IEPE）センサー・インターフェースが最も一般的に用いられています。これは、振動センサーに一定の電流を供給し、同じワイヤでセンサーの出力電圧を読み出します。この 2 線式システムにより、AC 信号を伝送する場合にはシステム設計が簡素化できますが、フォルト・モニタリングを行ったり設定構成可能なものにしたりすることはできません。これに対し、LTC4332/LTC4331 では、柔軟な設定構成、処理、フォルト時の容易なデバッグなどを、デジタル出力センサー上で直接行うことができます。