Demystifikace sériové komunikace: Hloubkový ponor do UART a SPI

Ve světě elektroniky a vestavěných systémů je schopnost zařízení komunikovat mezi sebou zásadní. Sériová komunikace poskytuje spolehlivou a efektivní metodu pro přenos dat mezi mikrokontrolery, senzory, perifériemi a dokonce i počítači. Dva z nejběžnějších protokolů sériové komunikace jsou UART (Universal Asynchronous Receiver/Transmitter) a SPI (Serial Peripheral Interface). Tato komplexní příručka se ponoří do složitosti UART i SPI a prozkoumá jejich principy, rozdíly, aplikace, výhody a nevýhody.

Pochopení sériové komunikace

Sériová komunikace je metoda přenosu dat po jednom bitu najednou přes jeden vodič (nebo několik vodičů pro řídicí signály), na rozdíl od paralelní komunikace, která odesílá více bitů současně přes více vodičů. Zatímco paralelní komunikace je rychlejší na krátké vzdálenosti, sériová komunikace je obecně preferována pro delší vzdálenosti a situace, kdy je minimalizace počtu vodičů zásadní. Díky tomu je ideální pro vestavěné systémy, kde jsou prostor a náklady často významnými omezeními.

Asynchronní vs. synchronní komunikace

Sériovou komunikaci lze obecně rozdělit do dvou kategorií: asynchronní a synchronní. Asynchronní komunikace, jako je UART, nevyžaduje sdílený hodinový signál mezi odesílatelem a přijímačem. Místo toho se spoléhá na startovací a stop bity pro rámování každého bajtu dat. Synchronní komunikace, jako je SPI a I2C, používá sdílený hodinový signál k synchronizaci přenosu dat mezi zařízeními.

UART: Universal Asynchronous Receiver/Transmitter

UART je široce používaný protokol sériové komunikace především díky své jednoduchosti a flexibilitě. Jedná se o asynchronní protokol, což znamená, že odesílatel a přijímač nesdílejí společný hodinový signál. To zjednodušuje hardwarové požadavky, ale vyžaduje přesné načasování a předem dohodnutou datovou rychlost (přenosovou rychlost).

Principy UART

Komunikace UART zahrnuje přenos dat v rámech, z nichž každý se skládá z následujícího:

Startovací bit: Označuje začátek nového datového rámu. Obvykle se jedná o signál nízké (0).
Datové bity: Skutečná přenášená data, obvykle 8 bitů (bajt), ale může to být také 5, 6 nebo 7 bitů.
Bit parity (volitelné): Používá se pro detekci chyb. Může být sudý, lichý nebo žádný.
Stop bit: Označuje konec datového rámu. Obvykle se jedná o vysoký (1) signál. Běžný je jeden nebo dva stop bity.

Odesílatel a přijímač se musí dohodnout na přenosové rychlosti, datových bitech, paritě a stop bitech pro úspěšnou komunikaci. Mezi běžné přenosové rychlosti patří 9600, 115200 a další. Vyšší přenosová rychlost umožňuje rychlejší přenos dat, ale také zvyšuje citlivost na chyby v časování.

Aplikace UART

Připojování mikrokontrolerů k počítačům: UART se běžně používá k navázání sériového připojení mezi mikrokontrolerem (jako je Arduino nebo Raspberry Pi) a počítačem pro programování, ladění a protokolování dat.
GPS moduly: Mnoho GPS modulů používá UART k přenosu údajů o poloze do hostitelského mikrokontroleru nebo počítače.
Bluetooth moduly: Bluetooth moduly často používají UART jako komunikační rozhraní s mikrokontrolerem.
Sériové tiskárny: Starší sériové tiskárny používají UART pro příjem příkazů k tisku a dat.
Výstup konzole: Vestavěné systémy často používají UART k výstupu ladicích informací a stavových zpráv do sériové konzole.

Výhody UART

Jednoduchost: UART se poměrně snadno implementuje v hardwaru i softwaru.
Flexibilita: UART podporuje různé datové rychlosti, délky datových bitů a možnosti parity.
Široká podpora: UART je široce podporovaný standard s snadno dostupným hardwarem a softwarovými implementacemi.
Není vyžadován žádný hodinový signál: Tím se snižuje počet potřebných vodičů.

Nevýhody UART

Nižší rychlost: Ve srovnání se synchronními protokoly, jako je SPI, má UART typicky nižší přenosovou rychlost dat.
Náchylnost k chybám: Bez spolehlivého hodinového signálu je UART náchylnější k chybám v časování a poškození dat. I když bit parity může pomoci, nezaručuje bezchybnou komunikaci.
Omezeno na dvě zařízení: UART je primárně navržen pro komunikaci point-to-point mezi dvěma zařízeními. Multiplexování může umožnit více zařízení na jedné sběrnici UART, ale přidává složitost.

Příklad UART: Arduino a sériový monitor

Běžným příkladem UART v akci je použití sériového monitoru v IDE Arduino. Deska Arduino má vestavěné rozhraní UART, které jí umožňuje komunikovat s počítačem přes USB. Následující úryvek kódu Arduino demonstruje odesílání dat do sériového monitoru:

void setup() {
  Serial.begin(9600); // Inicializujte sériovou komunikaci při 9600 baudech
}

void loop() {
  Serial.println("Hello, world!"); // Pošlete zprávu "Hello, world!" do sériového monitoru
  delay(1000); // Čekejte 1 sekundu
}

Tento jednoduchý kód odesílá zprávu „Hello, world!“ do sériového monitoru každou sekundu. Funkce Serial.begin(9600) inicializuje rozhraní UART při přenosové rychlosti 9600, která se musí shodovat s nastavením v sériovém monitoru.

SPI: Serial Peripheral Interface

SPI (Serial Peripheral Interface) je synchronní protokol sériové komunikace běžně používaný pro komunikaci na krátkou vzdálenost mezi mikrokontrolery a perifériemi. Je známý svou vysokou rychlostí a relativně jednoduchými hardwarovými požadavky.

Principy SPI

SPI používá architekturu master-slave, kde jedno zařízení (master) řídí komunikaci a jedno nebo více zařízení (slaves) reaguje na příkazy mastera. Sběrnice SPI se skládá ze čtyř hlavních signálů:

MOSI (Master Out Slave In): Data přenášená z mastera do slava.
MISO (Master In Slave Out): Data přenášená ze slava do mastera.
SCK (Serial Clock): Signál hodin generovaný masterem, používaný k synchronizaci přenosu dat.
SS/CS (Slave Select/Chip Select): Signál používaný masterem k výběru konkrétního slave zařízení pro komunikaci. Každé slave zařízení má typicky vlastní vyhrazenou linku SS/CS.

Data se přenášejí synchronním způsobem s hodinovým signálem. Master zahájí komunikaci stažením linky SS/CS požadovaného slava nízko. Data se poté posouvají z mastera na lince MOSI a do slava na náběžné nebo sestupné hraně signálu SCK. Současně se data posouvají ze slava na lince MISO a do mastera. To umožňuje plně duplexní komunikaci, což znamená, že data mohou být přenášena oběma směry současně.

Režimy SPI

SPI má čtyři provozní režimy, které jsou určeny dvěma parametry: Clock Polarity (CPOL) a Clock Phase (CPHA). Tyto parametry definují stav signálu SCK, když je nečinný, a hranu signálu SCK, na které jsou data vzorkována a posouvána.

Režim 0 (CPOL=0, CPHA=0): SCK je nízká, když je nečinná. Data jsou vzorkována na náběžné hraně a posouvána na sestupné hraně.
Režim 1 (CPOL=0, CPHA=1): SCK je nízká, když je nečinná. Data jsou vzorkována na sestupné hraně a posouvána na náběžné hraně.
Režim 2 (CPOL=1, CPHA=0): SCK je vysoká, když je nečinná. Data jsou vzorkována na sestupné hraně a posouvána na náběžné hraně.
Režim 3 (CPOL=1, CPHA=1): SCK je vysoká, když je nečinná. Data jsou vzorkována na náběžné hraně a posouvána na sestupné hraně.

Master a slave zařízení musí být nakonfigurovány tak, aby používaly stejný režim SPI pro úspěšnou komunikaci. Pokud tomu tak není, bude výsledkem zkomolená data nebo selhání komunikace.

Aplikace SPI

Paměťové karty (SD karty, microSD karty): SPI se často používá k rozhraní s paměťovými kartami ve vestavěných systémech.
Senzory: Mnoho senzorů, jako jsou akcelerometry, gyroskopy a teplotní senzory, používá SPI pro přenos dat.
Displeje: SPI se běžně používá k ovládání LCD a OLED displejů.
Analogově-digitální převodníky (ADC) a digitálně-analogové převodníky (DAC): SPI se používá ke komunikaci s ADC a DAC pro akvizici dat a řídicí aplikace.
Posuvné registry: SPI lze použít k ovládání posuvných registrů pro rozšíření počtu digitálních I/O pinů dostupných na mikrokontroleru.

Výhody SPI

Vysoká rychlost: SPI nabízí výrazně vyšší přenosové rychlosti dat ve srovnání s UART.
Plně duplexní komunikace: Data mohou být přenášena oběma směry současně.
Více slave: Jeden master může komunikovat s více slave zařízeními.
Relativně jednoduchý hardware: SPI vyžaduje pouze čtyři vodiče (plus jednu linku SS/CS na slave zařízení).

Nevýhody SPI

Žádné adresovací schéma: SPI se spoléhá na linky SS/CS pro výběr slave zařízení, což se může stát nepohodlným u velkého počtu slave.
Krátká vzdálenost: SPI je obecně omezen na krátké vzdálenosti kvůli degradaci signálu při vyšších rychlostech.
Žádná detekce chyb: SPI nemá vestavěné mechanismy detekce chyb. Kontrola chyb musí být implementována v softwaru.
Složitější softwarová implementace: I když je hardware relativně jednoduchý, softwarová implementace může být složitější než UART, zejména při práci s více slave a různými režimy SPI.

Příklad SPI: Propojení s akcelerometrem

Mnoho akcelerometrů, jako je populární ADXL345, používá SPI pro komunikaci. Pro čtení dat o zrychlení z ADXL345 musí mikrokontroler (působící jako master) odeslat příkaz akcelerometru (působícímu jako slave) ke čtení příslušných registrů. Následující pseudokód ilustruje proces:

Vyberte ADXL345 stažením jeho linky SS/CS nízko.
Pošlete adresu registru, který má být přečten (např. adresu dat zrychlení osy X).
Přečtěte data z linky MISO (hodnotu zrychlení osy X).
Opakujte kroky 2 a 3 pro osy Y a Z.
Zrušte výběr ADXL345 stažením jeho linky SS/CS vysoko.

Konkrétní příkazy a adresy registrů se budou lišit v závislosti na modelu akcelerometru. Pro přesné postupy by se měl vždy zkontrolovat datový list.

UART vs. SPI: Srovnání

Zde je tabulka shrnující klíčové rozdíly mezi UART a SPI:

Funkce	UART	SPI
Typ komunikace	Asynchronní	Synchronní
Hodinový signál	Žádný	Sdílené hodiny
Počet vodičů	2 (TX, RX)	4 (MOSI, MISO, SCK, SS/CS) + 1 SS/CS na slave
Datová rychlost	Nižší	Vyšší
Plně duplexní	Typicky half-duplex (i když někdy může simulovat full duplex pomocí komplexního softwaru)	Plně duplexní
Detekce chyb	Bit parity (volitelné)	Žádná (vyžaduje softwarovou implementaci)
Počet zařízení	2 (point-to-point)	Více (master-slave)
Složitost	Jednodušší	Složitější
Vzdálenost	Delší	Kratší

Výběr správného protokolu

Volba mezi UART a SPI závisí na konkrétních požadavcích aplikace. Zvažte následující faktory:

Datová rychlost: Pokud je vyžadován vysokorychlostní přenos dat, je SPI obecně lepší volbou.
Vzdálenost: Pro delší vzdálenosti je vhodnější UART.
Počet zařízení: Pokud potřebuje více zařízení komunikovat s jedním masterem, je preferován SPI.
Složitost: Pokud je jednoduchost prioritou, je UART snazší implementovat.
Detekce chyb: Pokud je detekce chyb zásadní, zvažte použití UART s bitem parity nebo implementaci kontroly chyb v softwaru pro SPI.
Dostupný hardware: Některé mikrokontrolery mohou mít omezenou podporu pro jeden nebo druhý protokol. Při rozhodování zvažte dostupné hardwarové zdroje.

Například v jednoduché senzorové aplikaci, kde mikrokontroler potřebuje číst data z jednoho senzoru na krátkou vzdálenost, by SPI mohlo být lepší volbou díky své vyšší rychlosti. Pokud však mikrokontroler potřebuje komunikovat s počítačem na delší vzdálenost pro účely ladění, byl by vhodnější UART.

Pokročilé úvahy

I2C (Inter-Integrated Circuit)

I když se tento článek zaměřuje na UART a SPI, je důležité zmínit I2C (Inter-Integrated Circuit) jako další běžný protokol sériové komunikace. I2C je dvoužilový protokol, který podporuje více master a slave zařízení na stejné sběrnici. Často se používá pro komunikaci mezi integrovanými obvody na desce plošných spojů. I2C používá adresování, na rozdíl od SPI, což zjednodušuje velké sítě zařízení.

TTL vs. RS-232

Při práci s UART je důležité pochopit rozdíl mezi úrovněmi napětí TTL (Transistor-Transistor Logic) a RS-232. Logika TTL používá 0 V a 5 V (nebo 3,3 V) pro reprezentaci logické nuly a logické jedničky. RS-232 na druhé straně používá napětí ±12 V. Přímé připojení UART TTL k UART RS-232 může poškodit zařízení. Pro převod mezi úrovněmi napětí TTL a RS-232 je zapotřebí převodník úrovní (například čip MAX232).

Zpracování chyb

Vzhledem k tomu, že UART a SPI mají omezené mechanismy detekce chyb, je důležité implementovat zpracování chyb v softwaru. Mezi běžné techniky patří kontrolní součty, kontroly cyklické redundance (CRC) a mechanismy časového limitu.

Závěr

UART a SPI jsou základní protokoly sériové komunikace pro vestavěné systémy a další. UART nabízí jednoduchost a flexibilitu, díky čemuž je vhodný pro připojování mikrokontrolerů k počítačům a dalším zařízením na delší vzdálenosti. SPI poskytuje vysokorychlostní komunikaci pro aplikace na krátké vzdálenosti, jako je propojení se senzory, paměťovými kartami a displeji. Pochopení principů, výhod a nevýhod každého protokolu vám umožňuje činit informovaná rozhodnutí při navrhování vašeho dalšího vestavěného systému nebo elektronického projektu. S pokrokem technologie se bude rozvíjet i aplikace těchto metod sériové komunikace. Neustálá adaptace a učení zajistí, že inženýři i nadšenci budou moci využít tyto protokoly na maximum.