在“启用可靠的基于状态的有线部分”一文中，我们介绍了ADI公司的有线接口解决方案，该方案帮助客户缩短设计周期和测试时间，让工业CbM解决方案更快地进入市场。本文探讨了多个方面，包括选择合适的性能和电源设计。此外，还包括第一部分介绍的三种设计解决方案和性能权衡。本文为第二部分，着重介绍第一部分展示的SPI至RS-485/RS-422设计解决方案的物理层设计考量。
为MEMS实现有线物理层接口的常见挑战包括管理EMC可靠性和数据完整性。但是，在RS-485/RS-422长电缆上分布SPI之类的时钟同步接口，同时在相同的双绞线（虚假电源）上部署电源和数据时，会带来更多挑战。本文讨论以下关键问题，并就物理层接口设计提供建议：
设计SPI至RS-485/RS-422链路时，电缆和元件会影响系统时钟和数据同步。在长电缆中传输时，SCLK信号会在电缆中产生传播延迟，100米长的电缆会延迟约400ns到500 ns。对于MOSI数据传输，MOSI和SCLK会被电缆延迟同等时间。然而，从从机MISO发送到主机的数据会出现两倍传播延迟，因而不再与SCLK同步。可能的最大SPI SCLK基于系统传播延迟设置，包括电缆传播延迟，以及主机和从机元件传播延迟。
图1展示系统传播延迟如何导致SPI主机上出现不准确的SPI MISO采样。对于没有采用RS-485/RS-422电缆的系统，MISO数据和SPI SCLK会以低延迟或无延迟同步。对于采用了电缆的系统，SPI从机上的MISO数据与SPI SCLK之间存在一个系统传播延迟，如图1中的tpd1所示。回到主机的MISO数据存在两个系统传播延迟，如tpd2所示。当数据由于电缆和元件传播延迟而右移时，会发生不准确的数据采样。
为了防止出现不准确的MISO采样，可以缩短电缆长度、降低SPI SCLK，或者在主控制器中实施SPI SCLK补偿方案（时钟相位偏移）。理论上，系统传播延迟应该小于SCLK时钟周期的50%，以实现无错通信；在实践中，可以将系统延迟限值确定为SCLK的40%，这可以作为一般规则。
图2针对1.1部分中描述的两个SPI至RS-485/RS-422设计提供SPI SCLK和电缆长度指南。这种非隔离设计使用了ADI公司具备高速EMC稳健性的小型RS-485/RS-422器件（ADM3066EADM4168E）。这种隔离设计还采用了ADI公司的iCoupler®信号和电源隔离ADuM5401器件，可以为SPI至RS-485/RS-422链路提供更高的EMC稳健性和抗噪声干扰性能。这种设计会增加系统传播延迟，导致不可在更高的SPI SCLK速率下运行。在更长的电缆（超过30米）中传输时，强烈建议增加隔离，以帮助消除接地回路和EMC事件的影响，例如静电放电(ESD)、电快速瞬变脉冲群(EFT)，以及与数据传输电缆耦合的高压浪涌。当电缆长度达到或超过30米时，隔离和非隔离设计的SPI SCLK和电缆长度性能相似，如图2所示。
虚假电源将电源和数据部署在一根双绞线上，在主机和从机之间实现单电缆解决方案。将数据和电源部署在同一根电缆上，可以在空间有限的边缘传感器节点上实现单连接器解决方案。
电源和数据通过电感电容网络分布在单根双绞线所示。高频数据通过串联电容与数据线路耦合，可以保护RS-485/RS-422收发器免受直流总线所示为通过连接至数据线路的电感连接至主机控制器的电源。如图3b所示，5V直流电源对交流数据总线c中，电流路径显示为从机和主机之间的IPWR，使用电缆远端基于状态监控(CbM)的从机传感器节点上电感从线路中获取电源。
在本文中，假设将虚假电源电感电容网络部署到两根电缆中，这会部署SPI MISO信号的RS-485/RS-422转换。图4描述主机和从机SPI至RS-485/RS-422的设计，以及SPI MISO数据线的虚假电源滤波器电路。滤波器电路采用高通电缆，所以要求传输的数据信号不能包含直流内容或极低频率的内容。
图5所示为二阶高通滤波器电路，这是对图4的简化演示。RS-485/RS-422发射器的电压输出标记为VTX，R1具备15Ω输出电阻。R2为30 kΩ，是RS-485/RS-422接收器的标准输入电阻。电感(L)和电容(C)值可以选择，以匹配所需的系统数据速率。
选择电感(L)和电容(C)值时，需要考虑最大的RS-485/RS-422总线所示。存在一些标准，例如对于单根双绞线，指出的最大可允许压降和压降时间如图6a所示。对于有些系统，最大的可允许压降和压降时间值可能更大，受信号极性交越点限制，如图6b所示。
在SPI至RS-485/RS-422通信系统中增加虚假电源时，很显然可允许的最低SPI SCLK速率会受虚假电源滤波器元件限制。
为了实现不含位错误的可靠通信，需要考虑最糟糕场景下的最低SPI SCLK，例如，当所有的SPI MISO采样位处于逻辑高电平时，如图7所示。如果所有的MISO采样位都处于逻辑高电平，会导致位数据数率低于系统SPI SCLK。例如，如果SPI SCLK为2 MHz，且所有16个位都处于逻辑高电平，那么虚假电源LC滤波器网络的速率相当于125 kHz的SPI MISO位数率。
此电感不会给交流数据造成高于其SRF的高阻抗，在达到某个点之后，会开始呈现电容性阻抗特性。选择的电感SRF会限制在SPI至RS-485/RS-422物理层上使用的最大SPI SCLK，如图1所示。在长电缆上使用时，可能不会接触到SRF电感；例如，电缆超过10米时，可能无法达到11 MHz SPI SCLK速率（产品型号为744043101的SRF）。在其他情况下，在长电缆上运行时，电感SRF可能达到更低的SPI SCLK速率（2.4 MHz、1.2 MHz）。如前所述，在虚假电源滤波器网络中使用时，电感也会限制可允许的最低SCLK速率。
选择合适的直流电压隔离电容时，受限因素包括瞬态过电压额定值和直流电压额定值。直流电压额定值需要超过最大的总线所示。电路或连接器短路时，电感电流会失衡，会被端电极阻抗消耗。出现短路时，需要设置隔直电容的额定值，以实现峰值瞬态电压。例如，在低功率系统中，电感饱和电流约为1 A时，对应的隔直电容额定值至少为
