雖然工程師經常從集成手頭應用所需外設的角度考慮微控制器 （MCU），但在許多情況下，需要在 MCU 外部添加功能。例如，您可能需要將傳感器或執行器放置在物理上靠近外部設備的位置，遠離 MCU。或者，您可能會發現低端 MCU 與一些外圍設備相結合，可為給定應用提供成本和系統占用空間的最佳組合。無論如何，基于 I2C 和 SPI（串行外設接口）等接口的 MCU 外設數量正在不斷增加。本文將研究一些典型的外設，以及如何將它們與流行的 MCU 一起使用。

　　MCU 廣泛支持 I2C 和 SPI。在某些情況下，您將不得不選擇其中之一，因為 MCU 使用相同的片上資源來支持 I2C 或 SPI。此外，您將需要一些軟件來處理串行總線協議，但幾乎每個 MCU 供應商都有現成的軟件支持。

　　I2C 具有使用更少信號線和更少 MCU 引腳的優勢。大多數實現都有一條雙向數據線和一條時鐘線，支持半雙工通信。通常，MCU 充當可以連接到多個從設備的主設備，盡管某些實現確實支持在總線上有多個主設備的靈活性。主設備在傳輸開始時使用地址位來定位特定的從設備，從而無需專用的從設備選擇信號。

　　SPI 總線通常至少需要三到四根線。SPI 使用單獨的日期線進行全雙工通信。此外，它使用專用的從機選擇信號線，因此如果您的系統帶有許多 SPI 外設，您可以使用它們作為選擇信號輕松耗盡 MCU 上的 I/O 端口。

　　基于更高的數據傳輸速度和全雙工通信，SPI 通常具有更高的性能。您會發現 SPI 時鐘頻率在 20 至 40 MHz 范圍內。大多數 I2C 實施都在 10 到 100-kbit/s 范圍內，盡管一些實施使用最新的 MCU 運行得更快。

　　動機和特點

　　現在讓我們討論您可能希望使用通過串行接口連接到 MCU 的外圍設備的一些原因以及可用功能的類型。數據轉換器提供了您可能使用的外圍設備類型的主要示例。您可能會考慮使用外部轉換器的一個原因是，您可能需要比集成在您選擇的 MCU 上的轉換器提供的精度更高的精度。

　　考慮一下凌力爾特的一些轉換器。該公司提供I2C A/D 轉換器、I2C D/A 轉換器、SPI A/D 轉換器和SPI D/A 轉換器。此外，所有這些都具有比集成在典型 MCU 上的轉換器更高的精度。例如，考慮相對較新的瑞薩電子 RL78 MCU系列，該公司在 16 位 MCU 中的頂級產品。迄今為止，大多數可用的系列成員都提供 8 位 A/D 轉換器，而有些則提供 10 位轉換器。相比之下，分立式凌力爾特 A/D 轉換器的精度范圍為 8 至 24 位，而 D/A 轉換器的精度范圍為 8 至 18 位。即使在 8 位或 16 位系統中，您也可以輕松擁有需要更高精度的單個傳感器。

　　考慮一個特定的產品示例——LTC245116 位 A/D 轉換器。基于 I2C 的器件如圖 1 所示。轉換器依賴 delta-sigma 調制器作為轉換器內核，每秒可以執行 30 或 60 次轉換。16 位轉換器提供 4 個最低有效位的滿量程誤差，并在一個樣本轉換時間內建立多路復用操作。此外，該器件非常小，尺寸為 2 x 3 mm，采用 8 引腳 SOT-23 封裝。

　　圖 1：Linear Technology 的 8 引腳 LTC2451 A/D 轉換器提供 16 位精度，并通過 I2C 串行互連連接到 MCU。

　　小系統占用空間

　　外部外圍設備也可以提供一種實現最小系統占用空間的方法。這似乎違反直覺，因為我們通常將集成外圍設備視為小型化之路。但是，繼續討論數據轉換器，讓我們討論一個 MCU 和 Microchip 的 A/D 轉換器配對的示例。

　　Microchip提供一長串I2C A/D 轉換器以及 D/A 轉換器和兩者的基于 SPI 的版本。以一個具體示例為例，MCP3021 10 位 A/D 轉換器基于 I2C 并使用逐次逼近轉換拓撲。該微型器件采用 SOT-23 封裝，只有五個引腳，但它提供的精度比許多低端 MCU 轉換器中的精度更高。

　　您還可以選擇 Microchip 和其他供應商的 6 引腳和 8 引腳 8 位 MCU。例如，Microchip PIC10 MCU系列包括許多采用 6 引腳 SOT-23 封裝的 MCU。微型 MCU 和同樣微型的數據轉換器的組合可能比集成了符合您應用要求的轉換器的 MCU 更小，成本更低。

　　外設靈活性

　　您可以通過串行接口將哪些其他類型的外設添加到基于 MCU 的設計中？名單很長。一個簡單的例子是 I/O 端口擴展器。許多低端 MCU 都受到引腳限制。此外，即使您有一個具有大量 I/O 的 MCU，您也可能會發現需要將一些 I/O 引腳物理地放置在遠離 MCU 的位置——例如靠近傳感器。

　　恩智浦半導體提供PCA9502 I/O 端口擴展器，可與 SPI 或 I2C 主機一起工作。該 IC 提供 8 條 I/O 線。此外，它非常緊湊，尺寸為 4.1 x 4.1 mm，采用 SOT616 封裝。NXP 還提供SC16IS740/50/60 UART，允許您在設計中添加速率為 5-Mbit/s 的串行接口。SC16IS750 和 SC16IS760 變體還包括一個 8 位 I/O 擴展器。

　　盡管如此，更有用的外圍設備可能是那些具有特定應用功能的外圍設備。例如，Microchip 提供范圍廣泛的I2C 數字電位器。您可以在溫度傳感應用中將該產品與熱敏電阻結合使用。圖 2 描繪了一個示例，其中 Microchip MPC4018 電位器用于校準熱敏電阻并考慮熱敏電阻的非線性操作。

　　圖 2：Microchip 的串聯數字電位器可用于多種應用，例如校準圖中所示電路中的非線性熱敏電阻。

　　對于更穩健的以溫度為中心的應用，Microchip 還提供基于 I2C 的溫度傳感器IC。例如，MCP9808 數字溫度傳感器在 –20°C 至 100°C 的范圍內提供 ±0.5°C 的精度。此外，該 IC 采用多種 2 x 3-mm 封裝。

　　串行外圍設備的范圍一直延伸到用戶界面或人機界面 （HMI） 應用程序。例如，Microchip 提供AR1000 觸摸屏控制器（圖 3）與 SPI 和 I2C 兼容。串行接口將 MCU 鏈接到控制器。AR1000 可連接來自多家供應商的四線、五線和八線觸摸屏傳感器（圖 3）。IC 通過串行接口直接向 MCU 提供數字坐標。

　　圖 3：Microchip AR1000 IC 鏈接到用于高級 HMI 應用的觸摸屏傳感器。

　　如您所見，串行互連在基于 MCU 的設計中提供了相當大的靈活性。在某些情況下，SPI 和 I2C 可能純粹是一種有用的方式來實現您無法在 MCU 上集成的功能。但不要將您對串行總線的考慮限制在此類實例中。考慮外部外圍設備可能如何影響系統的占用空間、功耗和成本。此外，確保您不會因片上外設和實際接口之間的長信號運行而犧牲保真度，本地外設可以在保真度方面增加價值。您可能會發現分布式外圍設備具有諸如占用空間小和更準確的系統規格等優點。