SPI

Serial Peripheral Interface ist ein synchrones Kommunikationsprotokoll, das Daten zwischen einem Master-Gerät (meist ein Mikrocontroller) und einem oder mehreren Slave-Peripheriegeräten über vier Leitungen überträgt. Ein Gerät taktet das Gespräch, indem es einen Impulsstrom auf der Taktleitung (SCLK) sendet; Daten fließen ausgehend auf MOSI (Master Out, Slave In) und eingehend auf MISO (Master In, Slave Out), während Chip-Select-Leitungen (CS) festlegen, welcher Slave empfängt. Der Master kontrolliert den Zeitablauf vollständig, wodurch SPI schneller und einfacher ist als asynchrone Protokolle wie RS-232.

Bei der Energie- und Netzüberwachung verbindet SPI Mikrocontroller mit Sensor-Chips, Schieberegistern, Speicherbausteinen und Display-Treibern auf der gleichen Platine. Ein intelligenter Zähler kann SPI verwenden, um Daten von einem Analog-Digital-Wandler zu lesen, der Spannung und Strom abtastet, oder um mit einem EEPROM zu kommunizieren, das Kalibrierungskonstanten speichert. Die Datenraten reichen von 100 kHz bis 50 MHz, abhängig vom Slave-Gerät und der Leitungslänge; die meisten industriellen Anwendungen bleiben unter 10 MHz, um Rauschprobleme in Fabrikhallen zu vermeiden.

Elektrische Grenzen und Signalintegrität

SPI ist kein Fernübertragungsprotokoll. Die Verdrahtung muss kurz bleiben: 10 bis 50 Zentimeter sind typisch, bevor Signalreflexionen und kapazitive Kopplungen zu Bitfehlern führen. Das Protokoll ist auch nicht differenziell; es arbeitet mit Single-Ended-Logikpegeln (3,3 V oder 5 V), wodurch es anfällig für elektromagnetische Störungen von Motorantrieben und Schaltnetzteilen ist, die in Umspannstationen üblich sind. Bei längeren Strecken oder rauen Umgebungen isolieren Designer die SPI-Signale mit Optokopplern oder dedizierten Isolationsbausteinen und tauschen Bandbreite gegen Störfestigkeit ein.

Ein Slave-Gerät benötigt eine CS-Leitung. Wenn eine Zählerplatine mit fünf verschiedenen Sensor-Chips kommunizieren muss, sind fünf Chip-Select-Drähte erforderlich; die Leitungen MOSI, MISO und SCLK können gemeinsam genutzt werden. Diese Mehrfachnutzung ist kostengünstig und erklärt, warum SPI in eingebetteter Messtechnik Standard ist, aber die Verdrahtungskomplexität wächst mit der Anzahl der Sensoren. Einige Designs nutzen Daisy-Chaining (Slaves geben Daten im Kreis weiter), um die Anzahl der Anschlüsse zu reduzieren, obwohl dies in Energieanwendungen seltener vorkommt.

SPI-Hardware ist ausgereift und preiswert. Jeder handelsübliche Mikrocontroller hat mindestens einen SPI-Port in Silizium. Keine Lizenzgebühren, keine exotischen Komponenten, keine Aushandlungsphase: Taktleitung schreiben, Chip-Select umschalten, und Bits fließen. Darum ist SPI die Standardwahl für lokale Sensorfusion in intelligenten Zählern, Netzmonitoren und Stromrichtern im Versorgungsmaßstab, wo Kosten pro Einheit und Zuverlässigkeit wichtiger sind als Bandbreite.