基于SPI接口实现模拟开关通道密度的提高

测试设备中的通道数最大化至关重要，因为通道越多，可以并行测试的器件就越多，进而压缩最终客户的测试时间和成本。测试仪通过开关来分享其资源以支持多个被测器件 (DUT)，故开关是增加通道数的关键元件。但是，并行控制的开关数量越多，控制线路也就越多，占用的电路板空间相应地增加，这严重制约了可以实现的通道密度。
在此情况下，使用SPI控制的开关在解决方案尺寸和通道数方面具有显著的优势。SPI开关可以采用菊花链形式布置，相比于传统解决方案，此举可大幅减少所需的数字线路数。
本文将详细说明通道数最大化过程中会遇到的问题，讨论用于控制一组开关的传统方法及其缺点，提出SPI控制的模拟开关解决方案，最后介绍同类产品中性能最佳的ADI SPI控制精密开关。

通道数最大化的常见问题

当模块开发的主要目标是通道数最大化时，板空间就会变得很珍贵。开关是提高系统通道数的关键，但随着开关数目增加，开关本身、逻辑线路及生成这些逻辑信号所需的器件会占用大量板空间，使可用空间减少。最终，受制于控制开关本身所需的相关因素，只能实现很有限的通道数。
传统并行开关解决方案

提高通道密度的最常见解决方案是使用由并行逻辑信号控制的开关。这需要大量GPIO信号，标准微控制器无法提供如此多的信号。为了生成GPIO信号，一种解决办法是使用串行转并行转换器。这些器件输出并行信号，并由I2C和SPI等串行协议进行配置。
图1中的布局显示了8个ADG1412 四通道、单刀单掷(SPST)开关，采用4 x 8交叉点配置，位于一个6层板上。这些开关由两个串行转并行转换器控制，串行线路来自一个控制板。每个转换器提供16条GPIO线路，这些线路分布到8个开关。布局显示了器件、电源去耦电容和数字控制信号（灰色）的占地大小。采用并行控制开关的4 x 8矩阵解决方案的尺寸为35.6 mm x 19 mm，占用面积为676.4 mm2。
图1.并行控制开关4 x 8矩阵布局
从图1可以明显看出，很大比例的面积被串行转并行转换器和数字控制线路占用，而不是被开关本身占用。对板空间的这种低效使用是很糟糕的，会大幅减少模块中的开关数目，进而影响系统通道数。

SPI开关解决方案

图2显示了一个4 x 8交叉点配置，8个四通道SPST开关位于一个6层板上。不过，这次开关是SPI控制的ADGS1412器件。像之前一样，图中显示了器件尺寸、电源去耦电容和SDO上拉电阻。
该解决方案展示器件以菊花链形式配置。所有器件共享来自SPI接口的片选和串行时钟数字线路，菊花链中的第一个器件接收串行数据。然后，该数据被传送至链（像一个移位寄存器）中的所有器件。这个示例解决方案的尺寸是30 mm x 18 mm，面积为540 mm2。
以菊花链形式使用SPI接口可大大减少串行转并行转换器和数字线路占用的板空间。采用这种开关配置，总电路板面积可减少20%，这使得通道密度大大提高。系统平台也得到了简化。当电路板上的开关数目提高时，节省的面积随之增加，包含数百个开关的电路板可节省50%以上的空间。
这说明在更小的面积中可以放入更多开关，相比于传统串行转并行转换器方案，同样面积的电路板将能支持更多通道。
图2.菊花链开关4 x 8矩阵布局
图3.SPI开关和并行开关解决方案的面积对比

ADI SPI开关特性

ADI公司的新型SPI开关系列可用来实现更高通道密度，如上例所示。通过创新的堆叠式双芯片解决方案（图4），ADI公司目前业界领先的精密开关可以利用工业标准SPI模式0接口进行配置。这意味着不仅可以节省空间，而且不会对系统性能造成不利影响。下面是ADI新型SPI开关的主要功能总结。
图4.ADI公司创新堆叠式双芯片解决方案
菊花链模式

如上所述，ADI SPI开关能以菊花链模式工作。采用菊花链配置的ADGS1412器件连接如图5所示。所有器件共享CS 和SCLK数字线路，而器件的SDO与下一器件的SDI形成连接。利用单个16位SPI帧指令菊花链中的所有器件进入菊花链模式。在菊花链模式下，SDO是SDI的8周期延迟版本，故期望的开关配置可以从菊花链中的一个器件传递到另一个器件。
图5.采用菊花链配置的两个开关
错误检测功能

当器件处于寻址模式或突发模式时，可以检测SPI接口上的协议和通信错误。有三种错误检测方法，分别是SCLK错误计数、无效读取和写入地址以及最多3位的CRC错误检测。这些错误检测功能确保数字接口即使在恶劣环境下也能可靠工作。
ADI SPI开关系列

ADGS1412是ADI公司正在开发的SPI开关系列中的首款产品。得益于ADI公司开发的创新双芯片解决方案，ADGS1412不仅具有与并行控制器件ADG1412相同的同类最佳的低RON性能，而且具备串行接口带来的优势。
该系列将以ADI公司的高性能开关为基础构建，提供现有、业界领先的开关的SPI控制版本。表1列出了ADI新型SPI开关系列当前和计划发布的产品。产品型号代表何种模拟开关芯片与SPI转并行转换器进行多芯片封装，附加的S表示其为SPI控制版本。这些产品将在2017年陆续发布。
表1.计划中的新型SDI SPI器件优化产品
结语

在高通道密度应用中，与使用并行控制开关相比，使用SPI控制开关有很多优势。它能减少每个开关占用的电路板空间，进而实现更高的开关密度。这是因为它减少了所需的数字控制线路，并且不再需要其它器件来提供这些控制线路。
ADI公司的创新精密SPI开关解决方案支持提高通道密度。这些器件提供的菊花链模式有利于实现上述目标。由于采用双芯片解决方案，ADI公司当前开关产品的业界领先开关性能得以传承到新产品。ADGS1412是新型SPI控制开关系列中的首款产品，完整产品系列将于2017年和2018年陆续发布。
关于作者
Stephen Nugent 是ADI公司线性与精密技术部的应用工程师。2014年毕业于英国贝尔法斯特女王大学，获电气电子工程硕士学位。2014年7月加入ADI公司的线性与精密技术部，负责为模拟开关和多路复用器产品系列提供技术支持。他以前也曾在ADI公司的精密转换器部工作。