OSNOVE PROTOKOLA SPI KOMUNIKACIJE: 13 koraka

2025 Autor: John Day | [email protected]. Zadnja izmjena: 2025-01-23 14:37

Kada povežete mikrokontroler sa senzorom, ekranom ili drugim modulom, razmišljate li o tome kako dva uređaja međusobno razgovaraju? Šta tačno govore? Kako mogu da se razumeju?

Komunikacija između elektroničkih uređaja je poput komunikacije među ljudima. Obje strane moraju govoriti istim jezikom. U elektronici se ti jezici nazivaju komunikacijski protokoli. Na našu sreću, postoji samo nekoliko komunikacijskih protokola koje moramo znati pri izgradnji većine projekata elektronike "uradi sam". U ovoj seriji članaka raspravljat ćemo o osnovama tri najčešća protokola: Serijsko periferno sučelje (SPI), Inter-integrirano kolo (I2C) i Univerzalna komunikacija s asinkronim prijamnikom/odašiljačem (UART). Prvo ćemo početi s nekim osnovnim konceptima elektroničke komunikacije, a zatim detaljno objasniti kako funkcionira SPI. U sljedećem članku ćemo raspravljati o komunikaciji vođenom UART -om, au trećem članku ćemo zaroniti u I2C. SPI, I2C i UART prilično su sporiji od protokola poput USB -a, etherneta, Bluetootha i WiFi -a, ali su mnogo jednostavniji i koriste manje hardvera i sistemskih resursa. SPI, I2C i UART idealni su za komunikaciju između mikrokontrolera i između mikrokontrolera i senzora gdje se ne moraju prenositi velike količine podataka velike brzine.

Korak 1: SERIAL VS. PARALELNA KOMUNIKACIJA

Elektronički uređaji međusobno razgovaraju slanjem bitova podataka putem žica koje su fizički povezane između uređaja. Bit je poput slova u riječi, osim što je umjesto 26 slova (u engleskoj abecedi) bit binarni i može biti samo 1 ili 0. Bitovi se prenose s jednog uređaja na drugi brzim promjenama napona. U sistemu koji radi na 5 V, 0 bit se prenosi kao kratki impuls od 0 V, a 1 bit se prenosi kratkim impulsom od 5 V.

Bitovi podataka mogu se prenositi paralelno ili serijski. U paralelnoj komunikaciji, bitovi podataka se šalju svi u isto vrijeme, svaki kroz zasebnu žicu. Sljedeći dijagram prikazuje paralelni prijenos slova “C” u binarnom obliku (01000011):

Korak 2:

U serijskoj komunikaciji, bitovi se šalju jedan po jedan kroz jednu žicu. Sljedeći dijagram prikazuje serijski prijenos slova “C” u binarnom obliku (01000011):

Korak 3:

Korak 4: UVOD U SPI KOMUNIKACIJU

SPI je uobičajeni komunikacijski protokol koji koriste mnogi različiti uređaji. Na primjer, moduli SD kartica, moduli čitača RFID kartica i bežični predajnik/prijemnik na 2,4 GHz svi koriste SPI za komunikaciju s mikrokontrolerima.

Jedna jedinstvena prednost SPI -a je činjenica da se podaci mogu prenositi bez prekida. Bilo koji broj bitova može se poslati ili primiti u kontinuiranom toku. Sa I2C i UART, podaci se šalju u paketima, ograničeni na određeni broj bitova. Uvjeti početka i zaustavljanja definiraju početak i kraj svakog paketa, pa se podaci prekidaju tijekom prijenosa. Uređaji koji komuniciraju putem SPI-a su u odnosu master-slave. Master je upravljački uređaj (obično mikrokontroler), dok slave (obično senzor, ekran ili memorijski čip) preuzima instrukcije od nadređenog. Najjednostavnija konfiguracija SPI -a je jedan master, single slave sistem, ali jedan master može kontrolirati više od jednog slave -a (više o tome ispod).

Korak 5:

Korak 6:

MOSI (Master Output/Slave Input) - Linija za master za slanje podataka na slave.

MISO (glavni ulaz/pomoćni izlaz) - Linija za pomoćno računalo za slanje podataka na master.

SCLK (Sat) - Linija za signal sata.

SS/CS (Slave Select/Chip Select) - Linija za master da odabere kojem slave -u šalje podatke

Korak 7:

*U praksi je broj podređenih uređaja ograničen kapacitetom opterećenja sistema, što smanjuje sposobnost majstora za precizno prebacivanje između nivoa napona.

Korak 8: KAKO SPI RADI

SAT

Taktni signal sinhronizira izlaz podatkovnih bitova od master -a do uzorkovanja bitova od strane slave -a. U svakom ciklusu takta prenosi se jedan bit podataka, pa je brzina prijenosa podataka određena frekvencijom takta signala. SPI komunikaciju uvijek započinje master jer master konfigurira i generira signal sata.

Svaki komunikacijski protokol gdje uređaji dijele signal sata poznat je kao sinhroni. SPI je sinhroni komunikacijski protokol. Postoje i asinhrone metode koje ne koriste signal sata. Na primjer, u UART komunikaciji obje su strane postavljene na unaprijed konfiguriranu brzinu prijenosa koja diktira brzinu i vrijeme prijenosa podataka.

Satni signal u SPI -u može se mijenjati korištenjem svojstava polariteta sata i faze takta. Ova dva svojstva rade zajedno kako bi definirali kada su bitovi izlazni i kada su uzorkovani. Polaritet sata može postaviti master kako bi omogućio izlaz bitova i uzorkovanje na rastućoj ili padajućoj ivici ciklusa takta. Faza sata može se postaviti za izlaz i uzorkovanje na prvoj ivici ili drugoj ivici ciklusa takta, bez obzira na to da li raste ili pada.

SLAVE SELECT

Nadređeni može odabrati s kojim slave -om želi razgovarati postavljanjem CS/SS linije slave -a na niski napon. U stanju mirovanja, bez odašiljanja, pomoćna linija za odabir se održava na visokom naponskom nivou. Na masteru može biti dostupno više CS/SS pinova, što omogućava paralelno ožičenje više slave -ova. Ako je prisutan samo jedan CS/SS pin, više slave-a može biti spojeno na master povezivanjem.

VIŠE SLAVOVA SPI

može se postaviti za rad s jednim glavnim i jednim slave -om, a može se postaviti i sa više slave -a koje kontrolira jedan master. Postoje dva načina za povezivanje više slave -a na master. Ako master ima više pinova za odabir slave, slave se mogu paralelno ožičiti na ovaj način:

Korak 9:

Korak 10:

MOSI I MISO

Master šalje podatke slave -u bit po bit, serijski kroz MOSI liniju. Podređeni uređaj prima podatke poslane od master -a na MOSI pin. Podaci poslani s nadređenog na slave se obično šalju s najznačajnijim bitom. Podređeni uređaj također može serijski slati podatke natrag masteru putem MISO linije. Podaci poslani sa slave -a natrag na master obično se prvo šalju s najmanjim bitom. KORACI PRENOSA SPI PODATAKA 1. Master emitira signal sata:

Korak 11:

Ako je dostupan samo jedan pin za odabir slave-a, slave se mogu lančano vezati na sljedeći način:

Korak 12:

MOSI I MISO

Master šalje podatke slave -u bit po bit, serijski kroz MOSI liniju. Podređeni uređaj prima podatke poslane od master -a na MOSI pin. Podaci poslani s nadređenog na slave se obično šalju s najznačajnijim bitom.

Podređeni uređaj također može serijski slati podatke natrag masteru putem MISO linije. Podaci poslani sa slave -a natrag na master obično se prvo šalju s najmanjim bitom.

KORACI PRENOSA SPI PODATAKA

*Napomena Slike su navedene na listiću gobova koje možete lako razlikovati

1. Master daje signal sata:

2. Master prebacuje SS/CS pin u stanje niskog napona, čime se aktivira slave:

3. Master šalje podatke jedan po jedan podređenom uređaju duž MOSI linije. Rob čita bitove dok ih prima:

4. Ako je potreban odgovor, slave uređaj vraća podatke jedan po jedan master prema MISO liniji. Gospodar čita bitove dok ih prima:

Korak 13: PREDNOSTI I NEDOSTACI SPI

Korištenje SPI -a ima neke prednosti i nedostatke, a ako imate izbor između različitih komunikacijskih protokola, trebali biste znati kada koristiti SPI u skladu sa zahtjevima vašeg projekta:

PREDNOSTI

Nema početnih i zaustavnih bitova, tako da se podaci mogu neprekidno strujati bez prekida Nema kompliciranog sistema adresiranja robova poput I2C Veća brzina prijenosa podataka od I2C (gotovo dvostruko brže) Odvojene MISO i MOSI linije, tako da se podaci mogu slati i primati na isti način vrijeme

NEDOSTACI

Koristi četiri žice (I2C i UART -ovi koriste dvije) Nema potvrde da su podaci uspješno primljeni (I2C ima ovo) Nijedan oblik provjere grešaka poput bita parnosti u UART -u dopušta samo jedan master Nadam se da vam je ovaj članak dao bolje razumijevanje od SPI. Nastavite na drugi dio ove serije kako biste saznali o komunikaciji vođen UART -om, ili na treći dio gdje raspravljamo o I2C protokolu.

Ako imate bilo kakvih pitanja, slobodno ih postavite u odjeljku za komentare, tu smo da vam pomognemo. I obavezno pratite

Pozdrav: M. Junaid