Demistificirana serijska komunikacija: Duboko zaronjavanje u UART i SPI

U svijetu elektronike i ugrađenih sustava, sposobnost uređaja da međusobno komuniciraju je od najveće važnosti. Serijska komunikacija pruža pouzdanu i učinkovitu metodu za prijenos podataka između mikrokontrolera, senzora, perifernih uređaja, pa čak i računala. Dva najčešća protokola serijske komunikacije su UART (Universal Asynchronous Receiver/Transmitter) i SPI (Serial Peripheral Interface). Ovaj sveobuhvatni vodič će se upustiti u zamršenosti i UART-a i SPI-ja, istražujući njihova načela, razlike, primjene, prednosti i nedostatke.

Razumijevanje serijske komunikacije

Serijska komunikacija je metoda prijenosa podataka jedan bit po jedan preko jedne žice (ili nekoliko žica za upravljačke signale), za razliku od paralelne komunikacije, koja šalje više bitova istovremeno preko više žica. Iako je paralelna komunikacija brža za kratke udaljenosti, serijska komunikacija se općenito preferira za veće udaljenosti i situacije u kojima je minimiziranje broja žica ključno. To je čini idealnom za ugrađene sustave, gdje su prostor i troškovi često značajna ograničenja.

Asinkrona vs. sinkrona komunikacija

Serijska komunikacija se može grubo podijeliti u dvije kategorije: asinkrona i sinkrona. Asinkrona komunikacija, poput UART-a, ne zahtijeva zajednički taktni signal između pošiljatelja i primatelja. Umjesto toga, oslanja se na početne i zaustavne bitove za uokvirivanje svakog bajta podataka. Sinkrona komunikacija, poput SPI-ja i I2C-a, koristi zajednički taktni signal za sinkronizaciju prijenosa podataka između uređaja.

UART: Univerzalni asinkroni primopredajnik

UART je široko korišten protokol serijske komunikacije prvenstveno zbog svoje jednostavnosti i fleksibilnosti. To je asinkroni protokol, što znači da pošiljatelj i primatelj ne dijele zajednički taktni signal. To pojednostavljuje hardverske zahtjeve, ali zahtijeva precizno mjerenje vremena i unaprijed dogovorenu brzinu prijenosa podataka (baud rate).

UART načela

UART komunikacija uključuje prijenos podataka u okvirima, od kojih se svaki sastoji od sljedećeg:

Start Bit: Označava početak novog okvira podataka. Tipično je to niski (0) signal.
Data Bits: Stvarni podaci koji se prenose, obično 8 bitova (bajt), ali mogu biti i 5, 6 ili 7 bitova.
Parity Bit (Optional): Koristi se za otkrivanje pogrešaka. Može biti paran, neparan ili nijedan.
Stop Bit: Označava kraj okvira podataka. Tipično je to visoki (1) signal. Jedan ili dva stop bita su uobičajena.

Pošiljatelj i primatelj moraju se dogovoriti o brzini prijenosa, bitovima podataka, paritetu i stop bitovima za uspješnu komunikaciju. Uobičajene brzine prijenosa uključuju 9600, 115200 i druge. Viša brzina prijenosa omogućuje brži prijenos podataka, ali također povećava osjetljivost na pogreške u mjerenju vremena.

UART aplikacije

Povezivanje mikrokontrolera s računalima: UART se obično koristi za uspostavljanje serijske veze između mikrokontrolera (poput Arduina ili Raspberry Pi) i računala za programiranje, otklanjanje pogrešaka i bilježenje podataka.
GPS moduli: Mnogi GPS moduli koriste UART za prijenos podataka o lokaciji na glavni mikrokontroler ili računalo.
Bluetooth moduli: Bluetooth moduli često koriste UART kao komunikacijsko sučelje s mikrokontrolerom.
Serijski pisači: Stariji serijski pisači koriste UART za primanje naredbi za ispis i podataka.
Console Output: Ugrađeni sustavi često koriste UART za ispis informacija o otklanjanju pogrešaka i poruka o statusu na serijsku konzolu.

UART prednosti

Jednostavnost: UART je relativno jednostavan za implementaciju i u hardveru i u softveru.
Fleksibilnost: UART podržava različite brzine prijenosa podataka, duljine bitova podataka i opcije pariteta.
Široka podrška: UART je široko podržan standard s lako dostupnim hardverskim i softverskim implementacijama.
Nije potreban taktni signal: To smanjuje broj potrebnih žica.

UART nedostaci

Niža brzina: U usporedbi sa sinkronim protokolima poput SPI-ja, UART obično ima nižu brzinu prijenosa podataka.
Podložnost pogreškama: Bez pouzdanog taktni signala, UART je podložniji pogreškama u mjerenju vremena i oštećenju podataka. Iako bit pariteta može pomoći, ne jamči komunikaciju bez pogrešaka.
Ograničeno na dva uređaja: UART je prvenstveno dizajniran za komunikaciju od točke do točke između dva uređaja. Multipleksiranje može omogućiti više uređaja na jednoj UART sabirnici, ali dodaje složenost.

UART primjer: Arduino i Serial Monitor

Uobičajeni primjer UART-a u akciji je korištenje Serial Monitora u Arduino IDE-u. Arduino ploča ima ugrađeno UART sučelje koje joj omogućuje komunikaciju s računalom putem USB-a. Sljedeći isječak Arduino koda demonstrira slanje podataka u Serial Monitor:

void setup() {
  Serial.begin(9600); // Inicijaliziraj serijsku komunikaciju na 9600 bauda
}

void loop() {
  Serial.println("Hello, world!"); // Pošalji poruku "Hello, world!" u Serial Monitor
  delay(1000); // Pričekaj 1 sekundu
}

Ovaj jednostavni kod šalje poruku "Hello, world!" u Serial Monitor svake sekunde. Funkcija Serial.begin(9600) inicijalizira UART sučelje brzinom prijenosa od 9600, što mora odgovarati postavci u Serial Monitoru.

SPI: Serial Peripheral Interface

SPI (Serial Peripheral Interface) je sinkroni protokol serijske komunikacije koji se obično koristi za komunikaciju na kratkim udaljenostima između mikrokontrolera i perifernih uređaja. Poznat je po svojoj velikoj brzini i relativno jednostavnim hardverskim zahtjevima.

SPI načela

SPI koristi master-slave arhitekturu, gdje jedan uređaj (master) kontrolira komunikaciju, a jedan ili više uređaja (slave) odgovaraju na naredbe mastera. SPI sabirnica se sastoji od četiri glavna signala:

MOSI (Master Out Slave In): Podaci se prenose od mastera do slavea.
MISO (Master In Slave Out): Podaci se prenose od slavea do mastera.
SCK (Serial Clock): Taktni signal koji generira master, a koristi se za sinkronizaciju prijenosa podataka.
SS/CS (Slave Select/Chip Select): Signal koji master koristi za odabir određenog slave uređaja s kojim će komunicirati. Svaki slave uređaj obično ima svoju namjensku SS/CS liniju.

Podaci se prenose sinkrono s taktni signalom. Master inicira komunikaciju povlačenjem SS/CS linije željenog slavea na nisku razinu. Podaci se zatim šalju iz mastera na MOSI liniju i u slave na rastućem ili padajućem rubu SCK signala. Istovremeno, podaci se šalju iz slavea na MISO liniju i u master. To omogućuje full-duplex komunikaciju, što znači da se podaci mogu prenositi u oba smjera istovremeno.

SPI načini rada

SPI ima četiri načina rada, određena dvama parametrima: Clock Polarity (CPOL) i Clock Phase (CPHA). Ovi parametri definiraju stanje SCK signala kada je u stanju mirovanja i rub SCK signala na kojem se podaci uzorkuju i pomiču.

Mode 0 (CPOL=0, CPHA=0): SCK je nizak kada je u stanju mirovanja. Podaci se uzorkuju na rastućem rubu i pomiču na padajućem rubu.
Mode 1 (CPOL=0, CPHA=1): SCK je nizak kada je u stanju mirovanja. Podaci se uzorkuju na padajućem rubu i pomiču na rastućem rubu.
Mode 2 (CPOL=1, CPHA=0): SCK je visok kada je u stanju mirovanja. Podaci se uzorkuju na padajućem rubu i pomiču na rastućem rubu.
Mode 3 (CPOL=1, CPHA=1): SCK je visok kada je u stanju mirovanja. Podaci se uzorkuju na rastućem rubu i pomiču na padajućem rubu.

Master i slave uređaji moraju biti konfigurirani da koriste isti SPI način rada za uspješnu komunikaciju. Ako nisu, rezultat će biti izobličeni podaci ili neuspjeh komunikacije.

SPI aplikacije

Memorijske kartice (SD kartice, microSD kartice): SPI se često koristi za sučelje s memorijskim karticama u ugrađenim sustavima.
Senzori: Mnogi senzori, kao što su akcelerometri, žiroskopi i temperaturni senzori, koriste SPI za prijenos podataka.
Zasloni: SPI se obično koristi za upravljanje LCD i OLED zaslonima.
Analogni-digitalni pretvarači (ADC) i digitalno-analogni pretvarači (DAC): SPI se koristi za komunikaciju s ADC-ovima i DAC-ovima za akviziciju podataka i upravljačke aplikacije.
Shift Registers: SPI se može koristiti za upravljanje shift registarima za proširenje broja digitalnih I/O pinova dostupnih na mikrokontroleru.

SPI prednosti

Velika brzina: SPI nudi znatno veće brzine prijenosa podataka u usporedbi s UART-om.
Full-Duplex Communication: Podaci se mogu prenositi u oba smjera istovremeno.
Više slavea: Jedan master može komunicirati s više slave uređaja.
Relativno jednostavan hardver: SPI zahtijeva samo četiri žice (plus jednu SS/CS liniju po slave uređaju).

SPI nedostaci

Nema sheme adresiranja: SPI se oslanja na SS/CS linije za odabir slave uređaja, što može postati glomazno s velikim brojem slavea.
Kratka udaljenost: SPI je općenito ograničen na kratke udaljenosti zbog degradacije signala pri većim brzinama.
Nema detekcije pogrešaka: SPI nema ugrađene mehanizme za otkrivanje pogrešaka. Provjera pogrešaka mora se implementirati u softveru.
Složenija softverska implementacija: Iako je hardver relativno jednostavan, softverska implementacija može biti složenija od UART-a, posebno kada se radi s više slavea i različitim SPI načinima rada.

SPI primjer: Sučelje s akcelerometrom

Mnogi akcelerometri, kao što je popularni ADXL345, koriste SPI za komunikaciju. Da bi pročitao podatke o ubrzanju s ADXL345, mikrokontroler (koji djeluje kao master) mora poslati naredbu akcelerometru (koji djeluje kao slave) da pročita odgovarajuće registre. Sljedeći pseudokod ilustrira postupak:

Odaberite ADXL345 povlačenjem njegove SS/CS linije na nisku razinu.
Pošaljite adresu registra koji se čita (npr. adresu podataka o ubrzanju X-osi).
Pročitajte podatke s MISO linije (vrijednost ubrzanja X-osi).
Ponovite korake 2 i 3 za osi Y i Z.
Deselektirajte ADXL345 povlačenjem njegove SS/CS linije na visoku razinu.

Specifične naredbe i adrese registra razlikovat će se ovisno o modelu akcelerometra. Uvijek treba pregledati podatkovni list za točne postupke.

UART vs. SPI: Usporedba

Ovdje je tablica koja sažima ključne razlike između UART-a i SPI-ja:

Značajka	UART	SPI
Vrsta komunikacije	Asinkrona	Sinkrona
Taktni signal	Nema	Zajednički takt
Broj žica	2 (TX, RX)	4 (MOSI, MISO, SCK, SS/CS) + 1 SS/CS po slaveu
Brzina prijenosa podataka	Niža	Viša
Full-Duplex	Obično Half-Duplex (iako ponekad može simulirati full duplex sa složenim softverom)	Full-Duplex
Detekcija pogrešaka	Bit pariteta (opcionalno)	Nema (zahtijeva softversku implementaciju)
Broj uređaja	2 (od točke do točke)	Više (Master-Slave)
Složenost	Jednostavniji	Složeniji
Udaljenost	Duža	Kraća

Odabir pravog protokola

Izbor između UART-a i SPI-ja ovisi o specifičnim zahtjevima aplikacije. Razmotrite sljedeće čimbenike:

Brzina prijenosa podataka: Ako je potreban brzi prijenos podataka, SPI je općenito bolji izbor.
Udaljenost: Za veće udaljenosti, UART je prikladniji.
Broj uređaja: Ako više uređaja treba komunicirati s jednim masterom, preferira se SPI.
Složenost: Ako je jednostavnost prioritet, UART je lakše implementirati.
Detekcija pogrešaka: Ako je detekcija pogrešaka ključna, razmislite o korištenju UART-a s bitom pariteta ili implementaciji provjere pogrešaka u softveru za SPI.
Dostupan hardver: Neki mikrokontroleri mogu imati ograničenu podršku za jedan ili drugi protokol. Razmotrite dostupne hardverske resurse prilikom donošenja odluke.

Na primjer, u jednostavnoj senzorskoj aplikaciji gdje mikrokontroler treba čitati podatke s jednog senzora na kratkoj udaljenosti, SPI bi mogao biti bolji izbor zbog veće brzine. Međutim, ako mikrokontroler treba komunicirati s računalom na većoj udaljenosti u svrhu otklanjanja pogrešaka, UART bi bio prikladniji.

Napredna razmatranja

I2C (Inter-Integrated Circuit)

Iako se ovaj članak fokusira na UART i SPI, važno je spomenuti I2C (Inter-Integrated Circuit) kao još jedan uobičajeni protokol serijske komunikacije. I2C je dvožični protokol koji podržava više master i slave uređaja na istoj sabirnici. Često se koristi za komunikaciju između integriranih krugova na tiskanoj pločici. I2C koristi adresiranje, za razliku od SPI-ja, što pojednostavljuje velike mreže uređaja.

TTL vs. RS-232

Kada radite s UART-om, važno je razumjeti razliku između TTL (Transistor-Transistor Logic) i RS-232 razina napona. TTL logika koristi 0V i 5V (ili 3.3V) za predstavljanje logičke niske i visoke razine, respektivno. RS-232, s druge strane, koristi napone od ±12V. Izravno povezivanje TTL UART-a s RS-232 UART-om može oštetiti uređaje. Potreban je pomak razine (kao što je MAX232 čip) za pretvorbu između TTL i RS-232 razina napona.

Rukovanje pogreškama

Budući da UART i SPI imaju ograničene mehanizme za otkrivanje pogrešaka, važno je implementirati rukovanje pogreškama u softveru. Uobičajene tehnike uključuju kontrolne zbrojeve, cikličke provjere redundancije (CRC) i mehanizme vremenskog ograničenja.

Zaključak

UART i SPI su ključni protokoli serijske komunikacije za ugrađene sustave i šire. UART nudi jednostavnost i fleksibilnost, što ga čini prikladnim za povezivanje mikrokontrolera s računalima i drugim uređajima na većim udaljenostima. SPI pruža brzu komunikaciju za aplikacije na kratkim udaljenostima, kao što je sučelje sa senzorima, memorijskim karticama i zaslonima. Razumijevanje načela, prednosti i nedostataka svakog protokola omogućuje vam donošenje informiranih odluka pri dizajniranju vašeg sljedećeg ugrađenog sustava ili elektroničkog projekta. Kako tehnologija napreduje, tako će i primjena ovih metoda serijske komunikacije. Kontinuirana prilagodba i učenje osigurat će da inženjeri i hobisti podjednako mogu iskoristiti ove protokole u svom punom potencijalu.