Isolated Serial Port Interface (isoSPI)

Das Isolated Serial Port Interface (isoSPI), entwickelt von Linear Technology, ermöglicht es normale SPI-Datenströme (Serial Port Interface) bidirektional über eine einfache, verdrillte Zweidrahtleitung galvanisch getrennt zu übertragen. Im Gegensatz zu normalen SPI-Verbindungen, welche Probleme bei höheren Bitraten schon im Zentimeterbereich bereiten, können Daten mit iosSPI mit Bitraten von bis zu 1MBit/s über eine Distanz von bis zu 100 Metern übertragen werden. Die vier SPI-Signale MOSI (Master Output, Slave Input), MISO (Master Input, Slave Output), SCK (Serial Clock) und CS (Chip Select) werden mittels eines kostengünstigen ICs in zwei Signale, IM (Isolated Interface Minus Input/Output) und IP (Isolated Interface Plus Input/Output) umgesetzt. Wegen sehr geringer EMV-Anfälligkeit und hoher Störfestigkeit kann iosSPI in sehr rauer Umgebung eingesetzt werden, z.B. im Maschinenbau. Die geringe EMV-Emission prädestiniert diese auch für Bereiche, in denen empfindliche Systeme existieren, wie im Flugverkehr und medizinischen Umgebungen. IsoSPI ist eine reine Hardwarelösung und benötigt deshalb keine Softwareanpassungen.

isoSPI wurde von Linear Technology hauptsächlich für Batterie–Management-Systeme entwickelt, bei denen es darauf ankommt Spannungsquellen sicher galvanisch zu trennen. Darauf soll hier nicht weiter eingegangen werden. Vielmehr soll iosSPI als Kommunikationsverbindung zwischen elektronischen Komponenten erläutert werden. Es gibt zwar in diesem Bereich bereits Lösungen, wie RS232 oder Feldbussysteme aber die EMV-Störsicherheit und Unempfindlichkeit bieten diese ohne zusätzliche Maßnahmen gegenüber iosSPI nicht. Die Übertragung der SPI-Datenströme erfolgt mit symmetrischen Impulsen auf der Zweidrahtleitung in beiden Datenrichtungen. Störimpulse auf der Übertragungsleitung werden, weil diese nicht symmetrisch sind, von der Auswerteelektronik gefiltert. Bereits ohne jegliche softwareseitige Überprüfung der übertragenen Daten mittels Checksummen oder CRCs (Cyclic Redundancy Check) ist die Datenstörsicherheit bereits sehr hoch. Verursacht durch Einsatz bedingte Sicherheitsanforderungen der zu realisierenden Systeme, müssten die übertragenen Daten überprüft werden.

Von Linear Technology wird, als Umsetzer von SPI zu iosSPI und umgekehrt, das IC LTC6820 angeboten. Mit diesem IC und einer geringen Beschaltung kann eine erschwingliche Lösung für raue oder sensible Umgebungen realisiert werden. Die SPI-Parameter POL (Signalpolarität) und PHA (Signalphase) werden am IC mit entsprechenden Pins konfiguriert. Ebenfalls wird mittels Beschaltung festgelegt, ob das Interface Master oder Slave ist. Die galvanische Trennung wird mittels kostengünstiger Transformatoren aus dem Netzwerkbereich realisiert. Als Übertragungskabel können normale, preiswerte Netzwerkkabel ab Kategorie 5 mit RJ45 – Steckern genommen werden, wodurch keine teuren Sonderlösungen notwendig werden. Dadurch könnte auch eine bereits existierende Verkabelung eines schon vorhandenen Netzwerks verwendet werden. Eine iosSPI–Verbindung ist eine Punkt-zu-Punkt-Verbindung. Durch technische Tricks können auch mehrere Geräte zusammengeschaltet werden. Das wird im Datenblatt des LTC6820 ausführlich beschrieben. Mit dem Batterie–Management-System-IC von Linear Technology LTC6813 wird beispielsweise ein sogenannter isoSPI-Stack realisiert. Bei Zusammenschaltung mehrerer dieser ICs wird vom Host nur einmal ein Kommando an alle beteiligten ICs gesendet und lediglich die individuellen Daten werden der Reihe nach an jedes IC übertragen. Die einzelnen ICs werden wie eine Schiebekette betrachtet. Jedes IC empfängt oder sendet dadurch seine eigenen Daten.

Mit isoSPI können ISO26262 konforme Systeme, also sicherheitsrelevante elektrische/elektronische Systeme in Kraftfahrzeugen realisiert werden. Es bietet gegenüber dem dort vorherrschenden CAN-Bus (Controller Area Network) den Vorteil einer wesentlich höhere Datenbandbreite bei gleicher Bitrate, da das CAN-Protokoll einen sehr hohen Overhead hat und Datenpaket (ein bis acht Byte) orientiert ist.Um Produktmanagern und Entscheidern den iosSPI näher zu bringen, wurden hier technische Details sparsam eingesetzt. Es wurde eine Möglichkeit aufgezeigt ein Kommunikationsmedium kostengünstig zwischen elektronischen Systemen zu realisieren.