La communication série démystifiée : Une plongée en profondeur dans UART et SPI

Dans le monde de l'électronique et des systèmes embarqués, la capacité des appareils à communiquer entre eux est primordiale. La communication série fournit une méthode fiable et efficace pour transférer des données entre les microcontrôleurs, les capteurs, les périphériques et même les ordinateurs. Deux des protocoles de communication série les plus courants sont UART (Universal Asynchronous Receiver/Transmitter) et SPI (Serial Peripheral Interface). Ce guide complet approfondira les subtilités de UART et SPI, explorant leurs principes, leurs différences, leurs applications, leurs avantages et leurs inconvénients.

Comprendre la communication série

La communication série est une méthode de transmission de données bit par bit sur un seul fil (ou quelques fils pour les signaux de contrôle), par opposition à la communication parallèle, qui envoie plusieurs bits simultanément sur plusieurs fils. Bien que la communication parallèle soit plus rapide sur de courtes distances, la communication série est généralement préférée pour les longues distances et les situations où la minimisation du nombre de fils est cruciale. Cela la rend idéale pour les systèmes embarqués, où l'espace et le coût sont souvent des contraintes importantes.

Communication asynchrone vs. synchrone

La communication série peut être largement classée en deux catégories : asynchrone et synchrone. La communication asynchrone, comme UART, ne nécessite pas de signal d'horloge partagé entre l'émetteur et le récepteur. Au lieu de cela, elle repose sur des bits de démarrage et d'arrêt pour encadrer chaque octet de données. La communication synchrone, comme SPI et I2C, utilise un signal d'horloge partagé pour synchroniser la transmission des données entre les appareils.

UART : Récepteur/émetteur universel asynchrone

UART est un protocole de communication série largement utilisé, principalement en raison de sa simplicité et de sa flexibilité. C'est un protocole asynchrone, ce qui signifie que l'émetteur et le récepteur ne partagent pas de signal d'horloge commun. Cela simplifie les exigences matérielles, mais nécessite une synchronisation précise et un débit de données (vitesse de transmission) convenu au préalable.

Principes UART

La communication UART implique la transmission de données en trames, chacune étant constituée des éléments suivants :

Bit de démarrage : Indique le début d'une nouvelle trame de données. Il s'agit généralement d'un signal bas (0).
Bits de données : Les données réelles transmises, généralement 8 bits (un octet), mais peuvent également être de 5, 6 ou 7 bits.
Bit de parité (Facultatif) : Utilisé pour la détection d'erreurs. Il peut être pair, impair ou nul.
Bit d'arrêt : Indique la fin de la trame de données. Il s'agit généralement d'un signal haut (1). Un ou deux bits d'arrêt sont courants.

L'émetteur et le récepteur doivent se mettre d'accord sur la vitesse de transmission, les bits de données, la parité et les bits d'arrêt pour que la communication réussisse. Les vitesses de transmission courantes incluent 9600, 115200 et autres. Une vitesse de transmission plus élevée permet une transmission de données plus rapide, mais augmente également la sensibilité aux erreurs de synchronisation.

Applications UART

Connexion de microcontrôleurs à des ordinateurs : UART est couramment utilisé pour établir une connexion série entre un microcontrôleur (comme un Arduino ou un Raspberry Pi) et un ordinateur pour la programmation, le débogage et la journalisation des données.
Modules GPS : De nombreux modules GPS utilisent UART pour transmettre les données de localisation à un microcontrôleur ou un ordinateur hôte.
Modules Bluetooth : Les modules Bluetooth utilisent souvent UART comme interface de communication avec un microcontrôleur.
Imprimantes série : Les anciennes imprimantes série utilisent UART pour recevoir les commandes et les données d'impression.
Sortie console : Les systèmes embarqués utilisent souvent UART pour afficher des informations de débogage et des messages d'état sur une console série.

Avantages UART

Simplicité : UART est relativement simple à implémenter à la fois en matériel et en logiciel.
Flexibilité : UART prend en charge diverses vitesses de données, longueurs de bits de données et options de parité.
Largement pris en charge : UART est une norme largement prise en charge avec des implémentations matérielles et logicielles facilement disponibles.
Aucun signal d'horloge requis : Cela réduit le nombre de fils nécessaires.

Inconvénients UART

Vitesse inférieure : Par rapport aux protocoles synchrones comme SPI, UART a généralement un débit de transfert de données inférieur.
Sensibilité aux erreurs : Sans signal d'horloge fiable, UART est plus sensible aux erreurs de synchronisation et à la corruption des données. Bien qu'un bit de parité puisse aider, il ne garantit pas une communication sans erreur.
Limité à deux appareils : UART est principalement conçu pour une communication point à point entre deux appareils. Le multiplexage peut permettre à plusieurs appareils sur un seul bus UART, mais cela ajoute de la complexité.

Exemple UART : Arduino et moniteur série

Un exemple courant de UART en action est l'utilisation du moniteur série dans l'IDE Arduino. La carte Arduino dispose d'une interface UART intégrée qui lui permet de communiquer avec l'ordinateur via USB. L'extrait de code Arduino suivant montre l'envoi de données au moniteur série :

void setup() {
  Serial.begin(9600); // Initialiser la communication série à 9600 bauds
}

void loop() {
  Serial.println("Bonjour le monde !"); // Envoyer le message "Bonjour le monde !" au moniteur série
  delay(1000); // Attendre 1 seconde
}

Ce code simple envoie le message "Bonjour le monde !" au moniteur série chaque seconde. La fonction Serial.begin(9600) initialise l'interface UART à une vitesse de transmission de 9600, qui doit correspondre au paramètre du moniteur série.

SPI : Interface périphérique série

SPI (Serial Peripheral Interface) est un protocole de communication série synchrone couramment utilisé pour la communication à courte distance entre les microcontrôleurs et les périphériques. Il est connu pour sa grande vitesse et ses exigences matérielles relativement simples.

Principes SPI

SPI utilise une architecture maître-esclave, où un appareil (le maître) contrôle la communication et un ou plusieurs appareils (les esclaves) répondent aux commandes du maître. Le bus SPI se compose de quatre signaux principaux :

MOSI (Master Out Slave In) : Données transmises du maître à l'esclave.
MISO (Master In Slave Out) : Données transmises de l'esclave au maître.
SCK (Serial Clock) : Le signal d'horloge généré par le maître, utilisé pour synchroniser la transmission des données.
SS/CS (Slave Select/Chip Select) : Un signal utilisé par le maître pour sélectionner un appareil esclave spécifique avec lequel communiquer. Chaque appareil esclave a généralement sa propre ligne SS/CS dédiée.

Les données sont transmises de manière synchrone avec le signal d'horloge. Le maître initie la communication en tirant la ligne SS/CS de l'esclave souhaité vers le bas. Les données sont ensuite décalées hors du maître sur la ligne MOSI et dans l'esclave sur le front montant ou descendant du signal SCK. Simultanément, les données sont décalées hors de l'esclave sur la ligne MISO et dans le maître. Cela permet une communication full-duplex, ce qui signifie que les données peuvent être transmises dans les deux sens simultanément.

Modes SPI

SPI a quatre modes de fonctionnement, déterminés par deux paramètres : Polarité d'horloge (CPOL) et Phase d'horloge (CPHA). Ces paramètres définissent l'état du signal SCK au repos et le front du signal SCK sur lequel les données sont échantillonnées et décalées.

Mode 0 (CPOL=0, CPHA=0) : SCK est bas au repos. Les données sont échantillonnées sur le front montant et décalées sur le front descendant.
Mode 1 (CPOL=0, CPHA=1) : SCK est bas au repos. Les données sont échantillonnées sur le front descendant et décalées sur le front montant.
Mode 2 (CPOL=1, CPHA=0) : SCK est haut au repos. Les données sont échantillonnées sur le front descendant et décalées sur le front montant.
Mode 3 (CPOL=1, CPHA=1) : SCK est haut au repos. Les données sont échantillonnées sur le front montant et décalées sur le front descendant.

Les appareils maître et esclave doivent être configurés pour utiliser le même mode SPI pour que la communication réussisse. S'ils ne le sont pas, des données brouillées ou une panne de communication en résulteront.

Applications SPI

Cartes mémoire (cartes SD, cartes microSD) : SPI est souvent utilisé pour l'interface avec les cartes mémoire dans les systèmes embarqués.
Capteurs : De nombreux capteurs, tels que les accéléromètres, les gyroscopes et les capteurs de température, utilisent SPI pour la transmission de données.
Écrans : SPI est couramment utilisé pour contrôler les écrans LCD et OLED.
Convertisseurs analogique-numérique (CAN) et convertisseurs numérique-analogique (CNA) : SPI est utilisé pour communiquer avec les CAN et les CNA pour l'acquisition de données et les applications de contrôle.
Registre à décalage : SPI peut être utilisé pour contrôler les registres à décalage pour étendre le nombre de broches d'E/S numériques disponibles sur un microcontrôleur.

Avantages SPI

Haute vitesse : SPI offre des débits de transfert de données significativement plus élevés que UART.
Communication full-duplex : Les données peuvent être transmises dans les deux sens simultanément.
Esclaves multiples : Un seul maître peut communiquer avec plusieurs appareils esclaves.
Matériel relativement simple : SPI ne nécessite que quatre fils (plus une ligne SS/CS par appareil esclave).

Inconvénients SPI

Pas de schéma d'adressage : SPI repose sur les lignes SS/CS pour sélectionner les appareils esclaves, ce qui peut devenir lourd avec un grand nombre d'esclaves.
Courte distance : SPI est généralement limité aux courtes distances en raison de la dégradation du signal à des vitesses plus élevées.
Pas de détection d'erreurs : SPI n'a pas de mécanismes intégrés de détection d'erreurs. Le contrôle des erreurs doit être implémenté dans le logiciel.
Implémentation logicielle plus complexe : Bien que le matériel soit relativement simple, l'implémentation logicielle peut être plus complexe que UART, en particulier lorsqu'il s'agit de plusieurs esclaves et de différents modes SPI.

Exemple SPI : Interface avec un accéléromètre

De nombreux accéléromètres, tels que le populaire ADXL345, utilisent SPI pour la communication. Pour lire les données d'accélération de l'ADXL345, le microcontrôleur (agissant en tant que maître) doit envoyer une commande à l'accéléromètre (agissant en tant qu'esclave) pour lire les registres appropriés. Le pseudo-code suivant illustre le processus :

Sélectionnez l'ADXL345 en tirant sa ligne SS/CS vers le bas.
Envoyez l'adresse du registre à lire (par exemple, l'adresse des données d'accélération de l'axe X).
Lisez les données de la ligne MISO (la valeur d'accélération de l'axe X).
Répétez les étapes 2 et 3 pour les axes Y et Z.
Désélectionnez l'ADXL345 en tirant sa ligne SS/CS vers le haut.

Les commandes spécifiques et les adresses de registre varient en fonction du modèle d'accéléromètre. La fiche technique doit toujours être consultée pour connaître les procédures exactes.

UART vs. SPI : Une comparaison

Voici un tableau résumant les principales différences entre UART et SPI :

Fonctionnalité	UART	SPI
Type de communication	Asynchrone	Synchrone
Signal d'horloge	Aucun	Horloge partagée
Nombre de fils	2 (TX, RX)	4 (MOSI, MISO, SCK, SS/CS) + 1 SS/CS par esclave
Débit de données	Inférieur	Supérieur
Full-Duplex	Généralement semi-duplex (bien que puisse parfois simuler le full-duplex avec un logiciel complexe)	Full-Duplex
Détection d'erreurs	Bit de parité (Facultatif)	Aucune (nécessite une implémentation logicielle)
Nombre d'appareils	2 (Point à point)	Multiples (Maître-Esclave)
Complexité	Plus simple	Plus complexe
Distance	Plus longue	Plus courte

Choisir le bon protocole

Le choix entre UART et SPI dépend des exigences spécifiques de l'application. Tenez compte des facteurs suivants :

Débit de données : Si un transfert de données à grande vitesse est requis, SPI est généralement le meilleur choix.
Distance : Pour les longues distances, UART est plus approprié.
Nombre d'appareils : Si plusieurs appareils doivent communiquer avec un seul maître, SPI est préférable.
Complexité : Si la simplicité est une priorité, UART est plus facile à implémenter.
Détection d'erreurs : Si la détection d'erreurs est cruciale, envisagez d'utiliser UART avec un bit de parité ou d'implémenter une vérification des erreurs dans le logiciel pour SPI.
Matériel disponible : Certains microcontrôleurs peuvent avoir un support limité pour l'un ou l'autre protocole. Tenez compte des ressources matérielles disponibles lors de votre décision.

Par exemple, dans une application de capteur simple où un microcontrôleur doit lire les données d'un seul capteur sur une courte distance, SPI pourrait être la meilleure option en raison de sa vitesse plus élevée. Cependant, si le microcontrôleur doit communiquer avec un ordinateur sur une plus longue distance à des fins de débogage, UART serait plus approprié.

Considérations avancées

I2C (Inter-Integrated Circuit)

Bien que cet article se concentre sur UART et SPI, il est important de mentionner I2C (Inter-Integrated Circuit) comme un autre protocole de communication série courant. I2C est un protocole à deux fils qui prend en charge plusieurs appareils maîtres et esclaves sur le même bus. Il est souvent utilisé pour la communication entre les circuits intégrés sur une carte de circuit imprimé. I2C utilise l'adressage, contrairement à SPI, simplifiant les grands réseaux d'appareils.

TTL vs. RS-232

Lorsque vous travaillez avec UART, il est important de comprendre la différence entre les niveaux de tension TTL (Transistor-Transistor Logic) et RS-232. La logique TTL utilise 0 V et 5 V (ou 3,3 V) pour représenter respectivement le niveau bas et le niveau haut logique. RS-232, en revanche, utilise des tensions de ±12 V. La connexion directe d'un UART TTL à un UART RS-232 peut endommager les appareils. Un adaptateur de niveau (tel qu'une puce MAX232) est nécessaire pour convertir les niveaux de tension TTL et RS-232.

Gestion des erreurs

Étant donné que UART et SPI ont des mécanismes de détection d'erreurs limités, il est important d'implémenter une gestion des erreurs dans le logiciel. Les techniques courantes incluent les sommes de contrôle, les contrôles de redondance cyclique (CRC) et les mécanismes de délai d'attente.

Conclusion

UART et SPI sont des protocoles de communication série essentiels pour les systèmes embarqués et au-delà. UART offre simplicité et flexibilité, ce qui le rend adapté à la connexion de microcontrôleurs à des ordinateurs et à d'autres appareils sur de plus longues distances. SPI fournit une communication à grande vitesse pour les applications à courte distance, telles que l'interfaçage avec des capteurs, des cartes mémoire et des écrans. La compréhension des principes, des avantages et des inconvénients de chaque protocole vous permet de prendre des décisions éclairées lors de la conception de votre prochain système embarqué ou projet électronique. À mesure que la technologie progresse, il en ira de même pour l'application de ces méthodes de communication série. L'adaptation et l'apprentissage continus garantiront que les ingénieurs et les amateurs pourront exploiter ces protocoles à leur plein potentiel.