エンジニアリングガイド

圧力センサーの I²C と SPI — 適切なバスを選択するか、後でレイアウトを気に入らないか

2 分間のおさらい

以前に両方のバスを配線したことがある場合は、これをスキップしてください。まだ読んでいない場合は、この記事の残りの部分に従うだけで十分です。

重要ではない速度の議論

一般的な MEMS 圧力センサーは、次の間隔で読み取りを行います。 1～100ミリ秒 — バス速度ではなく、ADC 変換時間が支配的です。サンプルあたり 1 ミリ秒 (1 kHz サンプリング) であっても、読み取りあたりおそらく 48 ビットを押し出すことになります。それは 48kbps。

400 kHz の I²C は、オーバーヘッド後に最大 320 kbps を転送します。 1 MHz の SPI は 1 Mbps を転送します。どちらかが 7 倍から 20 倍高速 センサーのデータレートよりも。超音波周波数でサンプリングを行っている場合を除き、圧力はそれほど速く変化しないため、サンプリングを行っているわけではありませんが、バス速度は無関係です。ボトルネックとなるのはワイヤーではなくセンサーです。

ピン数: 小型基板で実際に重要となる議論

あなたの MCU が 80 GPIO を備えた STM32 であるとしても、気にする必要はありません。ただし、ディスプレイ、BLE、2 つのボタン、SD カードを実行する 15 個の使用可能な GPIO を備えた ESP32-C3 では、SPI 用の追加の 2 つのピンが使用されます。 I²C は、バスを共有するセンサーの数に関係なく、ピンを節約します。

注: I²C には費用がかかります 2つのプルアップ抵抗。 SPI には費用はかかりません。 2 つの 4.7 kΩ 0402 抵抗のコストは合計約 0.002 ドルで、基板スペースは 2 mm² を占めます。何もないわけではありませんが、それに近いスペースです。

マルチセンサー設計: I²C が実際に輝く場所

同じ PCB 上に 3 つの圧力センサー - 1 つの気圧基準、1 つのタンクレベル、1 つのポンプ出口。 I²C の場合: 各センサーに異なるアドレスを割り当て、SDA と SCL を並列に配線して完了です。跡が２つ。 3つのセンサー。余分な MCU ピンはゼロです。 SPI の場合: 共有 MOSI/MISO/SCLK の上に 3 つの個別の CS ライン (合計 6 本のワイヤ)。

ノイズ耐性: SPI が先を行くもの

高解像度の圧力センサーは、0.03 hPa という小さな変化を測定します。これは、電気信号に変換される、机に止まった蚊の重さにほぼ相当します。その解像度ではノイズが問題になります。

I²Cノイズ特性

プルアップ抵抗を備えたオープン ドレイン ラインは、きれいな CMOS 遷移ではなく、RC ランプ エッジを生成します。プルアップ値は妥協案です。強すぎると電力が無駄になります。弱すぎると立ち上がり時間が遅くなり、ノイズ結合の窓が開きます。ノイズの多い環境 (モーター ドライバー、スイッチング レギュレーター、または PWM を備えたものの隣) では、I²C に不具合が生じる可能性があります。このプロトコルには、ACK ビットを超えるエラー検出機能が組み込まれていません (一部のセンサーでは、ペイロードに CRC バイトが追加されており、これが役に立ちます)。

SPIノイズ特性

プッシュプル CMOS ドライバーは、ハイ状態とロー状態の両方をアクティブに駆動します。エッジは鋭利です。 CS ラインは、スレーブがリッスンすべきタイミングを正確にゲートし、残りの時間はバス上のすべてを無視します。本質的に優れた SNR。

ファームウェアの複雑さ: 誰も語らないタイブレーカー

I²Cファームウェア

A state machine. Start condition → send address + R/W bit → wait for ACK → read/write register pointer → read/write data → stop condition. Every step has a timeout, a retry path, and a "what if the sensor holds SDA low because it's still converting" case. Most MCU vendors provide a HAL. Most of those HALs have edge-case bugs you'll discover at 11 PM.

SPIファームウェア

Assert CS → shift bytes → de-assert CS. That's it. The sensor doesn't get to say "I'm not ready" by clock-stretching or NAKing. The master controls the clock; the slave responds or stays silent.

消費電力: どちらも丸め誤差です

4.7 kΩ プルアップを備えた 400 kHz I²C バスは約 00.7mA アクティブな間。 SPI はバス レベルでは本質的に何も消費せず、これらの速度 (マイクロアンペア) では純粋に CMOS スイッチング電流を消費します。

Context: the pressure sensor element and ADC draw ~5 µA at 1 Hz sampling and 0.3 µA in standby. Whether the bus burns 0.5 mA or 0.05 mA for the 2 ms it takes to read a sample — the energy difference is picowatt-hours. Your BLE radio burns more power sending one "hello" packet than the bus choice will save across the sensor's entire operating lifetime.

意思決定フロー — 4 つの質問、マトリックスなし

The "Why Not Both" Card

一部のセンサーは同梱されています I²C と SPI の両方を同じダイ上に搭載、ピンストラップまたはレジスタービットで選択可能。これは、次の 2 つのシナリオで非常に役立ちます。

プロトタイピングの柔軟性

配線が簡単なため、Arduino またはブレークアウト ボード上の I²C から始めます。独自の PCB を作成する場合、レイアウトに SPI のメリットがある場合は、SPI に切り替えてください。同じセンサー、同じファームウェア ロジック、ただ異なる HAL 呼び出し。

実稼働SKUの柔軟性

1 つの PCB 設計で異なる SKU。 1 つの SKU は、バスを温度/湿度センサーと共有するため、I²C を使用します。もう 1 つは、リモート センサー ボードへの長いトレース実行のために SPI を必要とします。何も再設計する必要はありません。BOM ラインと抵抗ストラップを変更するだけです。

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