תקשורת טורית מובנת: צלילה מעמיקה לתוך UART ו-SPI

בעולם האלקטרוניקה והמערכות המשובצות, היכולת של מכשירים לתקשר זה עם זה היא בעלת חשיבות עליונה. תקשורת טורית מספקת שיטה אמינה ויעילה להעברת נתונים בין מיקרו-בקרים, חיישנים, ציוד היקפי ואפילו מחשבים. שניים מפרוטוקולי התקשורת הטורית הנפוצים ביותר הם UART (משדר/מקלט אסינכרוני אוניברסלי) ו-SPI (ממשק ציוד היקפי טורי). מדריך מקיף זה יעמיק במורכבויות של UART ו-SPI, ויחקור את העקרונות, ההבדלים, היישומים, היתרונות והחסרונות שלהם.

הבנת תקשורת טורית

תקשורת טורית היא שיטה להעברת נתונים סיבית אחת בכל פעם על פני חוט יחיד (או כמה חוטים עבור אותות בקרה), בניגוד לתקשורת מקבילית, השולחת סיביות מרובות בו זמנית על פני חוטים מרובים. בעוד שתקשורת מקבילית מהירה יותר למרחקים קצרים, תקשורת טורית מועדפת בדרך כלל למרחקים ארוכים יותר ולמצבים שבהם מזעור מספר החוטים הוא חיוני. זה הופך אותה לאידיאלית עבור מערכות משובצות, שבהן שטח ועלות הם לעתים קרובות מגבלות משמעותיות.

תקשורת אסינכרונית לעומת סינכרונית

ניתן לסווג תקשורת טורית באופן כללי לשתי קטגוריות: אסינכרונית וסינכרונית. תקשורת אסינכרונית, כמו UART, אינה דורשת אות שעון משותף בין השולח למקלט. במקום זאת, היא מסתמכת על סיביות התחלה ועצירה כדי למסגר כל בייט של נתונים. תקשורת סינכרונית, כמו SPI ו-I2C, משתמשת באות שעון משותף כדי לסנכרן את העברת הנתונים בין מכשירים.

UART: משדר/מקלט אסינכרוני אוניברסלי

UART הוא פרוטוקול תקשורת טורית בשימוש נרחב בעיקר בגלל הפשטות והגמישות שלו. זהו פרוטוקול אסינכרוני, מה שאומר שהשולח והמקלט אינם חולקים אות שעון משותף. זה מפשט את דרישות החומרה אך מחייב תזמון מדויק וקצב נתונים מוסכם מראש (קצב באוד).

עקרונות UART

תקשורת UART כוללת העברת נתונים במסגרות, שכל אחת מהן מורכבת מהבאים:

• סיבית התחלה: מציינת את תחילתה של מסגרת נתונים חדשה. זהו בדרך כלל אות נמוך (0).
• סיביות נתונים: הנתונים בפועל המועברים, בדרך כלל 8 סיביות (בייט), אך יכולים להיות גם 5, 6 או 7 סיביות.
• סיבית זוגיות (אופציונלי): משמשת לזיהוי שגיאות. זה יכול להיות זוגי, אי זוגי או ללא.
• סיבית עצירה: מציינת את סוף מסגרת הנתונים. זהו בדרך כלל אות גבוה (1). סיבית עצירה אחת או שתיים נפוצות.

השולח והמקלט חייבים להסכים על קצב הבאוד, סיביות הנתונים, הזוגיות וסיביות העצירה לתקשורת מוצלחת. קצבי באוד נפוצים כוללים 9600, 115200 ואחרים. קצב באוד גבוה יותר מאפשר העברת נתונים מהירה יותר אך גם מגדיל את הרגישות לשגיאות תזמון.

יישומי UART

• חיבור מיקרו-בקרים למחשבים: UART משמש בדרך כלל ליצירת חיבור טורי בין מיקרו-בקר (כגון ארדואינו או Raspberry Pi) למחשב לתכנות, איתור באגים ורישום נתונים.
• מודולי GPS: מודולי GPS רבים משתמשים ב-UART כדי להעביר נתוני מיקום למיקרו-בקר או מחשב מארח.
• מודולי Bluetooth: מודולי Bluetooth משתמשים לעתים קרובות ב-UART כממשק התקשורת עם מיקרו-בקר.
• מדפסות טוריות: מדפסות טוריות ישנות יותר משתמשות ב-UART לקבלת פקודות הדפסה ונתונים.
• פלט קונסולה: מערכות משובצות משתמשות לעתים קרובות ב-UART כדי להוציא מידע על איתור באגים והודעות סטטוס לקונסולה טורית.

יתרונות UART

• פשטות: UART פשוט יחסית ליישום הן בחומרה והן בתוכנה.
• גמישות: UART תומך בקצבי נתונים שונים, אורכי סיביות נתונים ואפשרויות זוגיות.
• תמיכה נרחבת: UART הוא תקן נתמך באופן נרחב עם יישומי חומרה ותוכנה זמינים בקלות.
• אין צורך באות שעון: זה מצמצם את מספר החוטים הדרושים.

חסרונות UART

• מהירות נמוכה יותר: בהשוואה לפרוטוקולים סינכרוניים כמו SPI, ל-UART יש בדרך כלל קצב העברת נתונים נמוך יותר.
• רגישות לשגיאות: ללא אות שעון אמין, UART רגיש יותר לשגיאות תזמון ושיבוש נתונים. בעוד שסיבית זוגיות יכולה לעזור, היא אינה מבטיחה תקשורת נטולת שגיאות.
• מוגבל לשני מכשירים: UART מיועד בעיקר לתקשורת נקודה לנקודה בין שני מכשירים. ריבוי יכול לאפשר למכשירים מרובים באפיק UART יחיד, אך הוא מוסיף מורכבות.

דוגמה ל-UART: ארדואינו וצג טורי

דוגמה נפוצה ל-UART בפעולה היא שימוש בצג הטורי בסביבת הפיתוח המשולבת של ארדואינו. ללוח ארדואינו יש ממשק UART מובנה המאפשר לו לתקשר עם המחשב באמצעות USB. קטע קוד הארדואינו הבא מדגים שליחת נתונים לצג הטורי:

void setup() {
  Serial.begin(9600); // אתחול תקשורת טורית ב-9600 באוד
}

void loop() {
  Serial.println("Hello, world!"); // שליחת ההודעה "Hello, world!" לצג הטורי
  delay(1000); // המתנה של שנייה אחת
}

קוד פשוט זה שולח את ההודעה "Hello, world!" לצג הטורי בכל שנייה. הפונקציה Serial.begin(9600) מאתחלת את ממשק UART בקצב באוד של 9600, שחייב להתאים להגדרה בצג הטורי.

SPI: ממשק ציוד היקפי טורי

SPI (ממשק ציוד היקפי טורי) הוא פרוטוקול תקשורת טורית סינכרוני המשמש בדרך כלל לתקשורת קצרה בין מיקרו-בקרים וציוד היקפי. הוא ידוע במהירותו הגבוהה ובדרישות החומרה הפשוטות יחסית שלו.

עקרונות SPI

SPI משתמש בארכיטקטורת אב-עבד, שבה מכשיר אחד (האב) שולט בתקשורת ומכשיר אחד או יותר (העבדים) מגיבים לפקודות האב. אפיק ה-SPI מורכב מארבעה אותות עיקריים:

• MOSI (אב יוצא, עבד נכנס): נתונים המועברים מהאב לעבד.
• MISO (אב נכנס, עבד יוצא): נתונים המועברים מהעבד לאב.
• SCK (שעון טורי): אות השעון שנוצר על ידי האב, המשמש לסנכרון העברת נתונים.
• SS/CS (בחירת עבד/בחירת שבב): אות המשמש את האב כדי לבחור מכשיר עבד ספציפי לתקשורת איתו. לכל מכשיר עבד יש בדרך כלל קו SS/CS ייעודי משלו.

נתונים מועברים בצורה סינכרונית עם אות השעון. האב יוזם תקשורת על ידי משיכת קו ה-SS/CS של העבד הרצוי למצב נמוך. לאחר מכן, נתונים מוסטים החוצה מהאב בקו ה-MOSI ולתוך העבד בקצה העולה או היורד של אות ה-SCK. במקביל, נתונים מוסטים החוצה מהעבד בקו ה-MISO ולתוך האב. זה מאפשר תקשורת דו-כיוונית מלאה, מה שאומר שניתן להעביר נתונים בשני הכיוונים בו זמנית.

מצבי SPI

ל-SPI יש ארבעה מצבי פעולה, הנקבעים על ידי שני פרמטרים: קוטביות שעון (CPOL) ופאזת שעון (CPHA). פרמטרים אלה מגדירים את מצב אות ה-SCK כשהוא במצב סרק ואת הקצה של אות ה-SCK שעליו נדגמים ומוסטים נתונים.

• מצב 0 (CPOL=0, CPHA=0): SCK נמוך כשהוא במצב סרק. נתונים נדגמים בקצה העולה ומוסטים בקצה היורד.
• מצב 1 (CPOL=0, CPHA=1): SCK נמוך כשהוא במצב סרק. נתונים נדגמים בקצה היורד ומוסטים בקצה העולה.
• מצב 2 (CPOL=1, CPHA=0): SCK גבוה כשהוא במצב סרק. נתונים נדגמים בקצה היורד ומוסטים בקצה העולה.
• מצב 3 (CPOL=1, CPHA=1): SCK גבוה כשהוא במצב סרק. נתונים נדגמים בקצה העולה ומוסטים בקצה היורד.

האב והעבד חייבים להיות מוגדרים לשימוש באותו מצב SPI לתקשורת מוצלחת. אם לא, יתקבלו נתונים משובשים או כשל בתקשורת.

יישומי SPI

• כרטיסי זיכרון (כרטיסי SD, כרטיסי microSD): SPI משמש לעתים קרובות ליצירת ממשק עם כרטיסי זיכרון במערכות משובצות.
• חיישנים: חיישנים רבים, כגון מדדי תאוצה, גירוסקופים וחיישני טמפרטורה, משתמשים ב-SPI להעברת נתונים.
• תצוגות: SPI משמש בדרך כלל לשליטה בתצוגות LCD ו-OLED.
• ממירים אנלוגיים לדיגיטליים (ADCs) וממירים דיגיטליים לאנלוגיים (DACs): SPI משמש לתקשורת עם ADCs ו-DACs עבור יישומי רכישת נתונים ובקרה.
• אוגרי הזזה: ניתן להשתמש ב-SPI כדי לשלוט באוגרי הזזה להרחבת מספר פיני ה-I/O הדיגיטליים הזמינים במיקרו-בקר.

יתרונות SPI

• מהירות גבוהה: SPI מציע קצבי העברת נתונים גבוהים משמעותית בהשוואה ל-UART.
• תקשורת דו-כיוונית מלאה: ניתן להעביר נתונים בשני הכיוונים בו זמנית.
• עבדים מרובים: אב יחיד יכול לתקשר עם מכשירי עבד מרובים.
• חומרה פשוטה יחסית: SPI דורש רק ארבעה חוטים (בתוספת קו SS/CS אחד לכל מכשיר עבד).

חסרונות SPI

• אין סכמת כתובות: SPI מסתמך על קווי ה-SS/CS כדי לבחור מכשירי עבד, מה שיכול להפוך למסורבל עם מספר גדול של עבדים.
• מרחק קצר: SPI מוגבל בדרך כלל למרחקים קצרים עקב השפלה באותות במהירויות גבוהות יותר.
• אין זיהוי שגיאות: ל-SPI אין מנגנוני זיהוי שגיאות מובנים. בדיקת שגיאות חייבת להיות מיושמת בתוכנה.
• יישום תוכנה מורכב יותר: למרות שהחומרה פשוטה יחסית, יישום התוכנה יכול להיות מורכב יותר מ-UART, במיוחד כאשר מתמודדים עם עבדים מרובים ומצבי SPI שונים.

דוגמה ל-SPI: יצירת ממשק עם מד תאוצה

מדי תאוצה רבים, כגון ADXL345 הפופולרי, משתמשים ב-SPI לתקשורת. כדי לקרוא נתוני תאוצה מ-ADXL345, המיקרו-בקר (הפועל כאב) צריך לשלוח פקודה למד התאוצה (הפועל כעבד) כדי לקרוא את האוגרים המתאימים. הפסאודו-קוד הבא ממחיש את התהליך:

1. בחר את ADXL345 על ידי משיכת קו ה-SS/CS שלו למצב נמוך.
2. שלח את כתובת האוגר שיש לקרוא (לדוגמה, הכתובת של נתוני התאוצה בציר ה-X).
3. קרא את הנתונים מקו ה-MISO (ערך התאוצה בציר ה-X).
4. חזור על שלבים 2 ו-3 עבור הצירים Y ו-Z.
5. בטל את הבחירה של ADXL345 על ידי משיכת קו ה-SS/CS שלו למצב גבוה.

הפקודות הספציפיות וכתובות האוגרים ישתנו בהתאם לדגם מד התאוצה. יש לעיין תמיד בגיליון הנתונים לקבלת נהלים מדויקים.

UART לעומת SPI: השוואה

הנה טבלה המסכמת את ההבדלים העיקריים בין UART ו-SPI:

תכונה	UART	SPI
סוג תקשורת	אסינכרוני	סינכרוני
אות שעון	ללא	שעון משותף
מספר חוטים	2 (TX, RX)	4 (MOSI, MISO, SCK, SS/CS) + 1 SS/CS לכל עבד
קצב נתונים	נמוך יותר	גבוה יותר
דו-כיווני מלא	בדרך כלל חצי דו-כיווני (אם כי לפעמים ניתן לדמות דו-כיווני מלא עם תוכנה מורכבת)	דו-כיווני מלא
זיהוי שגיאות	סיבית זוגיות (אופציונלי)	ללא (דורש יישום תוכנה)
מספר מכשירים	2 (נקודה לנקודה)	מרובים (אב-עבד)
מורכבות	פשוט יותר	מורכב יותר
מרחק	ארוך יותר	קצר יותר

בחירת הפרוטוקול הנכון

הבחירה בין UART ו-SPI תלויה בדרישות היישום הספציפיות. שקול את הגורמים הבאים:

• קצב נתונים: אם נדרשת העברת נתונים במהירות גבוהה, SPI הוא בדרך כלל הבחירה הטובה יותר.
• מרחק: למרחקים ארוכים יותר, UART מתאים יותר.
• מספר מכשירים: אם מכשירים מרובים צריכים לתקשר עם אב יחיד, SPI מועדף.
• מורכבות: אם הפשטות היא בראש סדר העדיפויות, UART קל יותר ליישום.
• זיהוי שגיאות: אם זיהוי שגיאות הוא חיוני, שקול להשתמש ב-UART עם סיבית זוגיות או ליישם בדיקת שגיאות בתוכנה עבור SPI.
• חומרה זמינה: למיקרו-בקרים מסוימים עשויה להיות תמיכה מוגבלת בפרוטוקול אחד או אחר. שקול את משאבי החומרה הזמינים בעת קבלת ההחלטה שלך.

לדוגמה, ביישום חיישן פשוט שבו מיקרו-בקר צריך לקרוא נתונים מחיישן יחיד על פני מרחק קצר, SPI עשוי להיות האפשרות הטובה יותר עקב המהירות הגבוהה יותר שלו. עם זאת, אם המיקרו-בקר צריך לתקשר עם מחשב על פני מרחק ארוך יותר למטרות איתור באגים, UART יהיה מתאים יותר.

שיקולים מתקדמים

I2C (מעגל משולב בין-משולבים)

בעוד שמאמר זה מתמקד ב-UART וב-SPI, חשוב להזכיר את I2C (מעגל משולב בין-משולבים) כפרוטוקול תקשורת טורית נפוץ נוסף. I2C הוא פרוטוקול שני חוטים התומך במכשירי אב ועבד מרובים באותו אפיק. הוא משמש לעתים קרובות לתקשורת בין מעגלים משולבים על לוח מעגלים. I2C משתמש בכתובות, בניגוד ל-SPI, מה שמפשט רשתות גדולות של מכשירים.

TTL לעומת RS-232

בעת עבודה עם UART, חשוב להבין את ההבדל בין רמות המתח TTL (לוגיקת טרנזיסטור-טרנזיסטור) ו-RS-232. לוגיקת TTL משתמשת ב-0V וב-5V (או 3.3V) כדי לייצג מצב נמוך ולוגי גבוה, בהתאמה. RS-232, לעומת זאת, משתמש במתחים של ±12V. חיבור ישיר של TTL UART ל-RS-232 UART עלול לגרום נזק למכשירים. יש צורך במסיט רמות (כגון שבב MAX232) כדי להמיר בין רמות המתח TTL ו-RS-232.

טיפול בשגיאות

מכיוון של-UART ול-SPI יש מנגנוני זיהוי שגיאות מוגבלים, חשוב ליישם טיפול בשגיאות בתוכנה. טכניקות נפוצות כוללות סכומי ביקורת, בדיקות יתירות מחזוריות (CRCs) ומנגנוני פסק זמן.

מסקנה

UART ו-SPI הם פרוטוקולי תקשורת טורית חיוניים למערכות משובצות ומעבר לכך. UART מציע פשטות וגמישות, מה שהופך אותו למתאים לחיבור מיקרו-בקרים למחשבים ומכשירים אחרים על פני מרחקים ארוכים יותר. SPI מספק תקשורת מהירה ליישומים קצרים, כגון יצירת ממשק עם חיישנים, כרטיסי זיכרון ותצוגות. הבנת העקרונות, היתרונות והחסרונות של כל פרוטוקול מאפשרת לך לקבל החלטות מושכלות בעת תכנון המערכת המשובצת או הפרויקט האלקטרוני הבא שלך. ככל שהטכנולוגיה מתקדמת, כך גם היישום של שיטות תקשורת טורית אלה. הסתגלות ולמידה מתמשכות יבטיחו שמהנדסים וחובבים כאחד יוכלו למנף את הפרוטוקולים הללו במלוא הפוטנציאל שלהם.