رمزگشایی ارتباط سریال: بررسی عمیق UART و SPI

در دنیای الکترونیک و سیستم‌های تعبیه‌شده، توانایی برقراری ارتباط بین دستگاه‌ها از اهمیت بالایی برخوردار است. ارتباط سریال یک روش قابل اعتماد و کارآمد برای انتقال داده‌ها بین میکروکنترلرها، حسگرها، لوازم جانبی و حتی کامپیوترها فراهم می‌کند. دو پروتکل ارتباط سریال که بسیار مورد استفاده قرار می‌گیرند، UART (گیرنده/فرستنده ناهمزمان جهانی) و SPI (رابط جانبی سریال) هستند. این راهنمای جامع به بررسی پیچیدگی‌های هر دو UART و SPI می‌پردازد و اصول، تفاوت‌ها، کاربردها، مزایا و معایب آن‌ها را بررسی می‌کند.

درک ارتباط سریال

ارتباط سریال یک روش انتقال داده‌ها است که در آن داده‌ها یک بیت در یک زمان از طریق یک سیم واحد (یا چند سیم برای سیگنال‌های کنترلی) ارسال می‌شوند، برخلاف ارتباط موازی که چندین بیت را به طور همزمان از طریق سیم‌های متعدد ارسال می‌کند. در حالی که ارتباط موازی برای فواصل کوتاه سرعت بیشتری دارد، ارتباط سریال به‌طور کلی برای فواصل طولانی‌تر و موقعیت‌هایی که حداقل کردن تعداد سیم‌ها ضروری است، ترجیح داده می‌شود. این امر آن را برای سیستم‌های تعبیه‌شده ایده‌آل می‌کند، جایی که فضا و هزینه اغلب محدودیت‌های مهمی هستند.

ارتباط ناهمزمان در مقابل همزمان

ارتباط سریال را می‌توان به‌طور کلی به دو دسته تقسیم کرد: ناهمزمان و همزمان. ارتباط ناهمزمان، مانند UART، نیازی به سیگنال ساعت مشترک بین فرستنده و گیرنده ندارد. در عوض، به بیت‌های شروع و توقف برای قاب‌بندی هر بایت داده متکی است. ارتباط همزمان، مانند SPI و I2C، از یک سیگنال ساعت مشترک برای همگام‌سازی انتقال داده‌ها بین دستگاه‌ها استفاده می‌کند.

UART: گیرنده/فرستنده ناهمزمان جهانی

UART یک پروتکل ارتباط سریال است که به طور گسترده استفاده می‌شود، عمدتاً به دلیل سادگی و انعطاف‌پذیری آن. این یک پروتکل ناهمزمان است، به این معنی که فرستنده و گیرنده سیگنال ساعت مشترکی ندارند. این امر الزامات سخت‌افزاری را ساده می‌کند، اما به زمان‌بندی دقیق و نرخ داده از پیش توافق‌شده (نرخ باود) نیاز دارد.

اصول UART

ارتباط UART شامل انتقال داده‌ها در فریم‌هایی است که هر کدام از موارد زیر تشکیل شده‌اند:

• بیت شروع: ابتدای یک فریم داده جدید را نشان می‌دهد. این معمولاً یک سیگنال کم (0) است.
• بیت‌های داده: داده‌های واقعی که منتقل می‌شوند، معمولاً 8 بیت (یک بایت) هستند، اما می‌توانند 5، 6 یا 7 بیت نیز باشند.
• بیت برابری (اختیاری): برای تشخیص خطا استفاده می‌شود. می‌تواند زوج، فرد یا هیچکدام باشد.
• بیت توقف: انتهای فریم داده را نشان می‌دهد. این معمولاً یک سیگنال بالا (1) است. یک یا دو بیت توقف رایج هستند.

فرستنده و گیرنده باید بر سر نرخ باود، بیت‌های داده، برابری و بیت‌های توقف برای برقراری ارتباط موفقیت‌آمیز توافق کنند. نرخ‌های باود رایج شامل 9600، 115200 و موارد دیگر است. نرخ باود بالاتر امکان انتقال سریع‌تر داده‌ها را فراهم می‌کند، اما حساسیت به خطاهای زمان‌بندی را نیز افزایش می‌دهد.

کاربردهای UART

• اتصال میکروکنترلرها به کامپیوترها: UART معمولاً برای ایجاد یک اتصال سریال بین یک میکروکنترلر (مانند آردوینو یا رزبری پای) و یک کامپیوتر برای برنامه‌نویسی، اشکال‌زدایی و ثبت داده‌ها استفاده می‌شود.
• ماژول‌های GPS: بسیاری از ماژول‌های GPS از UART برای انتقال داده‌های موقعیت مکانی به یک میکروکنترلر یا کامپیوتر میزبان استفاده می‌کنند.
• ماژول‌های بلوتوث: ماژول‌های بلوتوث اغلب از UART به عنوان رابط ارتباطی با یک میکروکنترلر استفاده می‌کنند.
• چاپگرهای سریال: چاپگرهای سریال قدیمی از UART برای دریافت دستورات چاپ و داده‌ها استفاده می‌کنند.
• خروجی کنسول: سیستم‌های تعبیه‌شده اغلب از UART برای خروجی اطلاعات اشکال‌زدایی و پیام‌های وضعیت به یک کنسول سریال استفاده می‌کنند.

مزایای UART

• سادگی: UART پیاده‌سازی نسبتاً ساده‌ای هم در سخت‌افزار و هم در نرم‌افزار دارد.
• انعطاف‌پذیری: UART از نرخ‌های داده، طول بیت داده و گزینه‌های برابری مختلف پشتیبانی می‌کند.
• پشتیبانی گسترده: UART یک استاندارد با پشتیبانی گسترده است که دارای سخت‌افزار و نرم‌افزار موجود است.
• بدون نیاز به سیگنال ساعت: این امر تعداد سیم‌های مورد نیاز را کاهش می‌دهد.

معایب UART

• سرعت کمتر: در مقایسه با پروتکل‌های همزمان مانند SPI، UART معمولاً نرخ انتقال داده کمتری دارد.
• حساسیت به خطا: بدون سیگنال ساعت قابل اعتماد، UART بیشتر مستعد خطاهای زمان‌بندی و خراب شدن داده‌ها است. در حالی که یک بیت برابری می‌تواند کمک کند، ارتباط بدون خطا را تضمین نمی‌کند.
• محدود به دو دستگاه: UART در درجه اول برای ارتباط نقطه‌به‌نقطه بین دو دستگاه طراحی شده است. مالتی پلکسینگ می‌تواند به چندین دستگاه اجازه دهد تا روی یک گذرگاه UART واحد قرار گیرند، اما پیچیدگی را افزایش می‌دهد.

مثال UART: آردوینو و مانیتور سریال

یک مثال رایج از UART در عمل، استفاده از مانیتور سریال در محیط Arduino IDE است. برد آردوینو دارای یک رابط UART داخلی است که به آن اجازه می‌دهد از طریق USB با کامپیوتر ارتباط برقرار کند. قطعه کد آردوینو زیر نحوه ارسال داده‌ها به مانیتور سریال را نشان می‌دهد:

void setup() {
  Serial.begin(9600); // Initialize serial communication at 9600 baud
}

void loop() {
  Serial.println("Hello, world!"); // Send the message "Hello, world!" to the Serial Monitor
  delay(1000); // Wait for 1 second
}

این کد ساده پیام "Hello, world!" را هر ثانیه به مانیتور سریال ارسال می‌کند. تابع Serial.begin(9600) رابط UART را با نرخ باود 9600 مقداردهی اولیه می‌کند که باید با تنظیمات مانیتور سریال مطابقت داشته باشد.

SPI: رابط جانبی سریال

SPI (رابط جانبی سریال) یک پروتکل ارتباط سریال همزمان است که معمولاً برای ارتباطات با فاصله کم بین میکروکنترلرها و لوازم جانبی استفاده می‌شود. این به دلیل سرعت بالا و الزامات سخت‌افزاری نسبتاً ساده‌اش شناخته شده است.

اصول SPI

SPI از یک معماری master-slave استفاده می‌کند، جایی که یک دستگاه (master) ارتباط را کنترل می‌کند و یک یا چند دستگاه (slave) به دستورات master پاسخ می‌دهند. گذرگاه SPI از چهار سیگنال اصلی تشکیل شده است:

• MOSI (Master Out Slave In): داده‌های منتقل شده از master به slave.
• MISO (Master In Slave Out): داده‌های منتقل شده از slave به master.
• SCK (Serial Clock): سیگنال ساعت تولید شده توسط master، که برای همگام‌سازی انتقال داده‌ها استفاده می‌شود.
• SS/CS (Slave Select/Chip Select): سیگنالی که توسط master برای انتخاب یک دستگاه slave خاص برای برقراری ارتباط با آن استفاده می‌شود. هر دستگاه slave معمولاً خط SS/CS مخصوص به خود را دارد.

داده‌ها به صورت همزمان با سیگنال ساعت منتقل می‌شوند. master ارتباط را با پایین کشیدن خط SS/CS slave مورد نظر آغاز می‌کند. سپس داده‌ها از master روی خط MOSI خارج می‌شوند و در لبه بالا رونده یا پایین رونده سیگنال SCK وارد slave می‌شوند. همزمان، داده‌ها از slave روی خط MISO خارج می‌شوند و وارد master می‌شوند. این امر امکان ارتباط full-duplex را فراهم می‌کند، به این معنی که داده‌ها می‌توانند به طور همزمان در هر دو جهت منتقل شوند.

حالت‌های SPI

SPI دارای چهار حالت عملیاتی است که توسط دو پارامتر تعیین می‌شود: قطبیت ساعت (CPOL) و فاز ساعت (CPHA). این پارامترها حالت سیگنال SCK را در حالت بیکار و لبه سیگنال SCK را که داده‌ها در آن نمونه‌برداری و منتقل می‌شوند، تعریف می‌کنند.

• حالت 0 (CPOL=0, CPHA=0): SCK در حالت بیکار کم است. داده‌ها در لبه بالا رونده نمونه‌برداری می‌شوند و در لبه پایین رونده منتقل می‌شوند.
• حالت 1 (CPOL=0, CPHA=1): SCK در حالت بیکار کم است. داده‌ها در لبه پایین رونده نمونه‌برداری می‌شوند و در لبه بالا رونده منتقل می‌شوند.
• حالت 2 (CPOL=1, CPHA=0): SCK در حالت بیکار زیاد است. داده‌ها در لبه پایین رونده نمونه‌برداری می‌شوند و در لبه بالا رونده منتقل می‌شوند.
• حالت 3 (CPOL=1, CPHA=1): SCK در حالت بیکار زیاد است. داده‌ها در لبه بالا رونده نمونه‌برداری می‌شوند و در لبه پایین رونده منتقل می‌شوند.

دستگاه‌های master و slave باید طوری پیکربندی شوند که از یک حالت SPI یکسان برای برقراری ارتباط موفقیت‌آمیز استفاده کنند. اگر اینطور نباشد، داده‌ها خراب می‌شوند یا ارتباط با شکست مواجه می‌شود.

کاربردهای SPI

• کارت‌های حافظه (کارت‌های SD، کارت‌های microSD): SPI اغلب برای ارتباط با کارت‌های حافظه در سیستم‌های تعبیه‌شده استفاده می‌شود.
• سنسورها: بسیاری از حسگرها، مانند شتاب‌سنج‌ها، ژیروسکوپ‌ها و حسگرهای دما، از SPI برای انتقال داده‌ها استفاده می‌کنند.
• نمایشگرها: SPI معمولاً برای کنترل نمایشگرهای LCD و OLED استفاده می‌شود.
• مبدل‌های آنالوگ به دیجیتال (ADC) و مبدل‌های دیجیتال به آنالوگ (DAC): SPI برای برقراری ارتباط با ADC و DAC برای کاربردهای کسب داده و کنترل استفاده می‌شود.
• شیفت رجیسترها: SPI می‌تواند برای کنترل شیفت رجیسترها برای گسترش تعداد پین‌های ورودی/خروجی دیجیتال موجود در یک میکروکنترلر استفاده شود.

مزایای SPI

• سرعت بالا: SPI سرعت انتقال داده‌ها را به طور قابل توجهی بالاتر از UART ارائه می‌دهد.
• ارتباط Full-Duplex: داده‌ها را می‌توان به طور همزمان در هر دو جهت منتقل کرد.
• چندین slave: یک master واحد می‌تواند با چندین دستگاه slave ارتباط برقرار کند.
• سخت‌افزار نسبتاً ساده: SPI فقط به چهار سیم (به علاوه یک خط SS/CS در هر دستگاه slave) نیاز دارد.

معایب SPI

• بدون طرح آدرس‌دهی: SPI برای انتخاب دستگاه‌های slave به خطوط SS/CS متکی است، که می‌تواند با تعداد زیادی slave دست و پا گیر شود.
• فاصله کوتاه: SPI به طور کلی به دلیل تخریب سیگنال در سرعت‌های بالاتر به فواصل کوتاه محدود می‌شود.
• بدون تشخیص خطا: SPI مکانیسم‌های تشخیص خطای داخلی ندارد. بررسی خطا باید در نرم‌افزار پیاده‌سازی شود.
• پیاده‌سازی نرم‌افزار پیچیده‌تر: اگرچه سخت‌افزار نسبتاً ساده است، اما پیاده‌سازی نرم‌افزار می‌تواند پیچیده‌تر از UART باشد، به‌ویژه هنگام کار با چندین slave و حالت‌های مختلف SPI.

مثال SPI: برقراری ارتباط با شتاب‌سنج

بسیاری از شتاب‌سنج‌ها، مانند ADXL345 محبوب، از SPI برای برقراری ارتباط استفاده می‌کنند. برای خواندن داده‌های شتاب از ADXL345، میکروکنترلر (که به عنوان master عمل می‌کند) باید یک فرمان برای شتاب‌سنج (که به عنوان slave عمل می‌کند) ارسال کند تا ثبات‌های مناسب را بخواند. شبه کد زیر این روند را نشان می‌دهد:

1. ADXL345 را با پایین کشیدن خط SS/CS آن انتخاب کنید.
2. آدرس ثباتی را که باید خوانده شود (به عنوان مثال، آدرس داده‌های شتاب محور X) ارسال کنید.
3. داده‌ها را از خط MISO (مقدار شتاب محور X) بخوانید.
4. مراحل 2 و 3 را برای محورهای Y و Z تکرار کنید.
5. ADXL345 را با بالا کشیدن خط SS/CS آن غیرفعال کنید.

دستورات و آدرس‌های ثباتی خاص بسته به مدل شتاب‌سنج متفاوت خواهد بود. همیشه باید برای روش‌های دقیق، برگه اطلاعات را بررسی کرد.

UART در مقابل SPI: مقایسه

در اینجا جدولی وجود دارد که تفاوت‌های اصلی بین UART و SPI را خلاصه می‌کند:

ویژگی	UART	SPI
نوع ارتباط	ناهمزمان	همزمان
سیگنال ساعت	هیچکدام	ساعت مشترک
تعداد سیم‌ها	2 (TX, RX)	4 (MOSI, MISO, SCK, SS/CS) + 1 SS/CS per slave
نرخ داده	کمتر	بیشتر
Full-Duplex	معمولاً Half-Duplex (اگرچه گاهی اوقات می‌تواند full duplex را با نرم‌افزار پیچیده شبیه‌سازی کند)	Full-Duplex
تشخیص خطا	بیت برابری (اختیاری)	هیچکدام (نیاز به پیاده‌سازی نرم‌افزاری دارد)
تعداد دستگاه‌ها	2 (Point-to-Point)	چندگانه (Master-Slave)
پیچیدگی	ساده‌تر	پیچیده‌تر
فاصله	طولانی‌تر	کوتاه‌تر

انتخاب پروتکل مناسب

انتخاب بین UART و SPI به الزامات کاربردی خاص بستگی دارد. موارد زیر را در نظر بگیرید:

• نرخ داده: اگر انتقال داده با سرعت بالا مورد نیاز است، SPI به طور کلی انتخاب بهتری است.
• فاصله: برای فواصل طولانی‌تر، UART مناسب‌تر است.
• تعداد دستگاه‌ها: اگر چندین دستگاه نیاز به برقراری ارتباط با یک master واحد دارند، SPI ترجیح داده می‌شود.
• پیچیدگی: اگر سادگی یک اولویت است، UART پیاده‌سازی آسان‌تری دارد.
• تشخیص خطا: اگر تشخیص خطا بسیار مهم است، استفاده از UART با بیت برابری یا پیاده‌سازی بررسی خطا در نرم‌افزار برای SPI را در نظر بگیرید.
• سخت‌افزار موجود: ممکن است برخی از میکروکنترلرها پشتیبانی محدودی از یک پروتکل یا دیگری داشته باشند. هنگام تصمیم‌گیری، منابع سخت‌افزاری موجود را در نظر بگیرید.

به عنوان مثال، در یک برنامه حسگر ساده که در آن یک میکروکنترلر نیاز به خواندن داده‌ها از یک حسگر واحد در یک فاصله کوتاه دارد، SPI ممکن است به دلیل سرعت بالاترش گزینه بهتری باشد. با این حال، اگر میکروکنترلر نیاز به برقراری ارتباط با یک کامپیوتر در یک فاصله طولانی‌تر برای اهداف اشکال‌زدایی داشته باشد، UART مناسب‌تر خواهد بود.

ملاحظات پیشرفته

I2C (Inter-Integrated Circuit)

در حالی که این مقاله بر UART و SPI متمرکز است، مهم است که I2C (مدار مجتمع داخلی) را به عنوان یک پروتکل ارتباط سریال دیگر ذکر کنید. I2C یک پروتکل دو سیمه است که از چندین دستگاه master و slave در یک گذرگاه یکسان پشتیبانی می‌کند. اغلب برای ارتباط بین مدارهای مجتمع روی برد مدار استفاده می‌شود. I2C برخلاف SPI از آدرس‌دهی استفاده می‌کند و شبکه‌های بزرگ دستگاه‌ها را ساده می‌کند.

TTL در مقابل RS-232

هنگام کار با UART، درک تفاوت بین سطوح ولتاژ TTL (منطق ترانزیستور-ترانزیستور) و RS-232 مهم است. منطق TTL از 0 ولت و 5 ولت (یا 3.3 ولت) برای نشان دادن low منطقی و high منطقی استفاده می‌کند. از طرف دیگر، RS-232 از ولتاژهای ±12 ولت استفاده می‌کند. اتصال مستقیم یک TTL UART به یک RS-232 UART می‌تواند به دستگاه‌ها آسیب برساند. یک شیفتر سطح (مانند تراشه MAX232) برای تبدیل بین سطوح ولتاژ TTL و RS-232 مورد نیاز است.

مدیریت خطاها

از آنجایی که UART و SPI مکانیسم‌های تشخیص خطای محدودی دارند، پیاده‌سازی مدیریت خطا در نرم‌افزار مهم است. تکنیک‌های رایج شامل checksum، بررسی افزونگی چرخه‌ای (CRCs) و مکانیسم‌های زمان‌بندی است.

نتیجه‌گیری

UART و SPI پروتکل‌های ارتباط سریال ضروری برای سیستم‌های تعبیه‌شده و فراتر از آن هستند. UART سادگی و انعطاف‌پذیری را ارائه می‌دهد و آن را برای اتصال میکروکنترلرها به کامپیوترها و سایر دستگاه‌ها در فواصل طولانی‌تر مناسب می‌کند. SPI ارتباط با سرعت بالا را برای برنامه‌های کاربردی با فاصله کوتاه، مانند برقراری ارتباط با سنسورها، کارت‌های حافظه و نمایشگرها فراهم می‌کند. درک اصول، مزایا و معایب هر پروتکل به شما امکان می‌دهد هنگام طراحی سیستم تعبیه‌شده یا پروژه الکترونیکی بعدی خود، تصمیمات آگاهانه‌ای بگیرید. با پیشرفت فناوری، کاربرد این روش‌های ارتباط سریال نیز افزایش می‌یابد. سازگاری و یادگیری مستمر تضمین می‌کند که مهندسان و علاقه‌مندان به یک اندازه می‌توانند از این پروتکل‌ها به طور کامل استفاده کنند.