Comunicazione seriale demistificata: un'immersione profonda in UART e SPI

Nel mondo dell'elettronica e dei sistemi embedded, la capacità dei dispositivi di comunicare tra loro è fondamentale. La comunicazione seriale fornisce un metodo affidabile ed efficiente per trasferire dati tra microcontrollori, sensori, periferiche e persino computer. Due dei protocolli di comunicazione seriale più comuni sono UART (Universal Asynchronous Receiver/Transmitter) e SPI (Serial Peripheral Interface). Questa guida completa approfondirà le complessità sia di UART che di SPI, esplorandone i principi, le differenze, le applicazioni, i vantaggi e gli svantaggi.

Comprensione della comunicazione seriale

La comunicazione seriale è un metodo per trasmettere dati un bit alla volta su un singolo filo (o pochi fili per i segnali di controllo), a differenza della comunicazione parallela, che invia più bit contemporaneamente su più fili. Sebbene la comunicazione parallela sia più veloce per brevi distanze, la comunicazione seriale è generalmente preferita per distanze maggiori e situazioni in cui è fondamentale ridurre al minimo il numero di fili. Ciò la rende ideale per i sistemi embedded, dove spazio e costi sono spesso vincoli significativi.

Comunicazione asincrona vs. sincrona

La comunicazione seriale può essere ampiamente classificata in due categorie: asincrona e sincrona. La comunicazione asincrona, come UART, non richiede un segnale di clock condiviso tra il mittente e il ricevitore. Invece, si basa su bit di avvio e di arresto per inquadrare ogni byte di dati. La comunicazione sincrona, come SPI e I2C, utilizza un segnale di clock condiviso per sincronizzare la trasmissione dei dati tra i dispositivi.

UART: Universal Asynchronous Receiver/Transmitter

UART è un protocollo di comunicazione seriale ampiamente utilizzato principalmente per la sua semplicità e flessibilità. È un protocollo asincrono, il che significa che il mittente e il ricevitore non condividono un segnale di clock comune. Ciò semplifica i requisiti hardware, ma richiede tempi precisi e una velocità di dati predefinita (baud rate).

Principi UART

La comunicazione UART prevede la trasmissione di dati in frame, ciascuno composto da quanto segue:

Bit di avvio: indica l'inizio di un nuovo frame di dati. È tipicamente un segnale basso (0).
Bit di dati: i dati effettivi trasmessi, di solito 8 bit (un byte), ma possono anche essere 5, 6 o 7 bit.
Bit di parità (opzionale): utilizzato per il rilevamento degli errori. Può essere pari, dispari o nessuno.
Bit di stop: indica la fine del frame di dati. È tipicamente un segnale alto (1). Uno o due bit di stop sono comuni.

Il mittente e il ricevitore devono concordare il baud rate, i bit di dati, la parità e i bit di stop per una comunicazione corretta. I baud rate comuni includono 9600, 115200 e altri. Un baud rate più elevato consente una trasmissione dati più veloce, ma aumenta anche la sensibilità agli errori di temporizzazione.

Applicazioni UART

Collegamento di microcontrollori a computer: UART viene comunemente utilizzato per stabilire una connessione seriale tra un microcontrollore (come un Arduino o un Raspberry Pi) e un computer per la programmazione, il debug e il data logging.
Moduli GPS: molti moduli GPS utilizzano UART per trasmettere i dati di posizione a un microcontrollore o computer host.
Moduli Bluetooth: i moduli Bluetooth spesso utilizzano UART come interfaccia di comunicazione con un microcontrollore.
Stampanti seriali: le vecchie stampanti seriali utilizzano UART per ricevere comandi di stampa e dati.
Output della console: i sistemi embedded spesso utilizzano UART per emettere informazioni di debug e messaggi di stato a una console seriale.

Vantaggi UART

Semplicità: UART è relativamente semplice da implementare sia in hardware che in software.
Flessibilità: UART supporta varie velocità di trasmissione dati, lunghezze dei bit di dati e opzioni di parità.
Ampiamente supportato: UART è uno standard ampiamente supportato con implementazioni hardware e software prontamente disponibili.
Nessun segnale di clock richiesto: ciò riduce il numero di fili necessari.

Svantaggi UART

Velocità inferiore: rispetto ai protocolli sincroni come SPI, UART ha in genere una velocità di trasferimento dati inferiore.
Suscettibilità agli errori: senza un segnale di clock affidabile, UART è più suscettibile agli errori di temporizzazione e alla corruzione dei dati. Sebbene un bit di parità possa aiutare, non garantisce una comunicazione senza errori.
Limitato a due dispositivi: UART è progettato principalmente per la comunicazione point-to-point tra due dispositivi. Il multiplexing può consentire più dispositivi su un singolo bus UART, ma aggiunge complessità.

Esempio UART: Arduino e Serial Monitor

Un esempio comune di UART in azione è l'utilizzo del Serial Monitor nell'IDE di Arduino. La scheda Arduino ha un'interfaccia UART integrata che le consente di comunicare con il computer tramite USB. Il seguente snippet di codice Arduino dimostra l'invio di dati al Serial Monitor:

void setup() {
  Serial.begin(9600); // Inizializza la comunicazione seriale a 9600 baud
}

void loop() {
  Serial.println("Hello, world!"); // Invia il messaggio "Hello, world!" al Serial Monitor
  delay(1000); // Attendi 1 secondo
}

Questo semplice codice invia il messaggio "Hello, world!" al Serial Monitor ogni secondo. La funzione Serial.begin(9600) inizializza l'interfaccia UART a una velocità di trasmissione di 9600, che deve corrispondere all'impostazione nel Serial Monitor.

SPI: Serial Peripheral Interface

SPI (Serial Peripheral Interface) è un protocollo di comunicazione seriale sincrona comunemente utilizzato per la comunicazione a breve distanza tra microcontrollori e periferiche. È noto per la sua alta velocità e i requisiti hardware relativamente semplici.

Principi SPI

SPI utilizza un'architettura master-slave, in cui un dispositivo (il master) controlla la comunicazione e uno o più dispositivi (gli slave) rispondono ai comandi del master. Il bus SPI è costituito da quattro segnali principali:

MOSI (Master Out Slave In): dati trasmessi dal master allo slave.
MISO (Master In Slave Out): dati trasmessi dallo slave al master.
SCK (Serial Clock): il segnale di clock generato dal master, utilizzato per sincronizzare la trasmissione dei dati.
SS/CS (Slave Select/Chip Select): un segnale utilizzato dal master per selezionare un dispositivo slave specifico con cui comunicare. Ogni dispositivo slave ha in genere la propria linea SS/CS dedicata.

I dati vengono trasmessi in modo sincrono con il segnale di clock. Il master avvia la comunicazione portando la linea SS/CS dello slave desiderato verso il basso. I dati vengono quindi spostati fuori dal master sulla linea MOSI e nello slave sul fronte di salita o di discesa del segnale SCK. Contemporaneamente, i dati vengono spostati fuori dallo slave sulla linea MISO e nel master. Ciò consente la comunicazione full-duplex, il che significa che i dati possono essere trasmessi in entrambe le direzioni simultaneamente.

Modalità SPI

SPI ha quattro modalità di funzionamento, determinate da due parametri: polarità del clock (CPOL) e fase del clock (CPHA). Questi parametri definiscono lo stato del segnale SCK quando inattivo e il fronte del segnale SCK su cui i dati vengono campionati e spostati.

Modalità 0 (CPOL=0, CPHA=0): SCK è basso quando inattivo. I dati vengono campionati sul fronte di salita e spostati sul fronte di discesa.
Modalità 1 (CPOL=0, CPHA=1): SCK è basso quando inattivo. I dati vengono campionati sul fronte di discesa e spostati sul fronte di salita.
Modalità 2 (CPOL=1, CPHA=0): SCK è alto quando inattivo. I dati vengono campionati sul fronte di discesa e spostati sul fronte di salita.
Modalità 3 (CPOL=1, CPHA=1): SCK è alto quando inattivo. I dati vengono campionati sul fronte di salita e spostati sul fronte di discesa.

I dispositivi master e slave devono essere configurati per utilizzare la stessa modalità SPI per una comunicazione corretta. In caso contrario, i dati corrotti o l'interruzione della comunicazione risulteranno.

Applicazioni SPI

Schede di memoria (schede SD, schede microSD): SPI viene spesso utilizzato per interfacciarsi con le schede di memoria nei sistemi embedded.
Sensori: molti sensori, come accelerometri, giroscopi e sensori di temperatura, utilizzano SPI per la trasmissione dei dati.
Display: SPI viene comunemente utilizzato per controllare display LCD e OLED.
Convertitori da analogico a digitale (ADC) e convertitori da digitale ad analogico (DAC): SPI viene utilizzato per comunicare con ADC e DAC per l'acquisizione e il controllo dei dati.
Registri a scorrimento: SPI può essere utilizzato per controllare i registri a scorrimento per espandere il numero di pin di I/O digitali disponibili su un microcontrollore.

Vantaggi SPI

Alta velocità: SPI offre velocità di trasferimento dati significativamente più elevate rispetto a UART.
Comunicazione full-duplex: i dati possono essere trasmessi in entrambe le direzioni simultaneamente.
Più slave: un singolo master può comunicare con più dispositivi slave.
Hardware relativamente semplice: SPI richiede solo quattro fili (più una linea SS/CS per dispositivo slave).

Svantaggi SPI

Nessuno schema di indirizzamento: SPI si basa sulle linee SS/CS per selezionare i dispositivi slave, il che può diventare ingombrante con un numero elevato di slave.
Breve distanza: SPI è generalmente limitato a brevi distanze a causa del degrado del segnale a velocità più elevate.
Nessuna rilevazione errori: SPI non dispone di meccanismi di rilevazione errori integrati. Il controllo degli errori deve essere implementato nel software.
Implementazione software più complessa: sebbene l'hardware sia relativamente semplice, l'implementazione software può essere più complessa di UART, soprattutto quando si tratta di più slave e diverse modalità SPI.

Esempio SPI: interfacciamento con un accelerometro

Molti accelerometri, come il popolare ADXL345, utilizzano SPI per la comunicazione. Per leggere i dati di accelerazione dall'ADXL345, il microcontrollore (che funge da master) deve inviare un comando all'accelerometro (che funge da slave) per leggere i registri appropriati. Lo pseudocodice seguente illustra il processo:

Seleziona l'ADXL345 portando in basso la sua linea SS/CS.
Invia l'indirizzo del registro da leggere (ad esempio, l'indirizzo dei dati di accelerazione sull'asse X).
Leggi i dati dalla linea MISO (il valore di accelerazione sull'asse X).
Ripeti i passaggi 2 e 3 per gli assi Y e Z.
Deseleziona l'ADXL345 portando in alto la sua linea SS/CS.

I comandi specifici e gli indirizzi dei registri varieranno a seconda del modello di accelerometro. La scheda tecnica dovrebbe sempre essere rivista per le procedure esatte.

UART vs. SPI: un confronto

Ecco una tabella che riassume le principali differenze tra UART e SPI:

Funzionalità	UART	SPI
Tipo di comunicazione	Asincrona	Sincrona
Segnale di clock	Nessuno	Clock condiviso
Numero di fili	2 (TX, RX)	4 (MOSI, MISO, SCK, SS/CS) + 1 SS/CS per slave
Velocità dati	Inferiore	Superiore
Full-Duplex	Tipicamente Half-Duplex (sebbene a volte possa simulare il full duplex con software complesso)	Full-Duplex
Rilevamento errori	Bit di parità (opzionale)	Nessuno (richiede l'implementazione software)
Numero di dispositivi	2 (Point-to-Point)	Multiplo (Master-Slave)
Complessità	Più semplice	Più complesso
Distanza	Più lunga	Più breve

Scelta del protocollo giusto

La scelta tra UART e SPI dipende dai requisiti specifici dell'applicazione. Considera i seguenti fattori:

Velocità dati: se è richiesto un trasferimento dati ad alta velocità, SPI è generalmente la scelta migliore.
Distanza: per distanze maggiori, UART è più adatto.
Numero di dispositivi: se più dispositivi devono comunicare con un singolo master, è preferibile SPI.
Complessità: se la semplicità è una priorità, UART è più facile da implementare.
Rilevamento errori: se il rilevamento degli errori è cruciale, prendi in considerazione l'utilizzo di UART con un bit di parità o l'implementazione del controllo degli errori nel software per SPI.
Hardware disponibile: alcuni microcontrollori potrebbero avere un supporto limitato per un protocollo o l'altro. Considera le risorse hardware disponibili quando prendi la tua decisione.

Ad esempio, in una semplice applicazione del sensore in cui un microcontrollore deve leggere i dati da un singolo sensore su una breve distanza, SPI potrebbe essere l'opzione migliore grazie alla sua maggiore velocità. Tuttavia, se il microcontrollore deve comunicare con un computer su una distanza maggiore per scopi di debug, UART sarebbe più appropriato.

Considerazioni avanzate

I2C (Inter-Integrated Circuit)

Sebbene questo articolo si concentri su UART e SPI, è importante menzionare I2C (Inter-Integrated Circuit) come un altro protocollo di comunicazione seriale comune. I2C è un protocollo a due fili che supporta più dispositivi master e slave sullo stesso bus. Viene spesso utilizzato per la comunicazione tra circuiti integrati su una scheda circuiti. I2C utilizza l'indirizzamento, a differenza di SPI, semplificando le grandi reti di dispositivi.

TTL vs. RS-232

Quando si lavora con UART, è importante comprendere la differenza tra i livelli di tensione TTL (Transistor-Transistor Logic) e RS-232. La logica TTL utilizza 0 V e 5 V (o 3,3 V) per rappresentare rispettivamente il livello logico basso e alto. RS-232, d'altra parte, utilizza tensioni di ±12 V. Il collegamento diretto di un UART TTL a un UART RS-232 può danneggiare i dispositivi. È necessario uno shift level (come un chip MAX232) per convertire tra i livelli di tensione TTL e RS-232.

Gestione degli errori

Poiché UART e SPI hanno meccanismi di rilevamento degli errori limitati, è importante implementare la gestione degli errori nel software. Le tecniche comuni includono checksum, controlli di ridondanza ciclica (CRC) e meccanismi di timeout.

Conclusione

UART e SPI sono protocolli di comunicazione seriale essenziali per i sistemi embedded e oltre. UART offre semplicità e flessibilità, rendendolo adatto per collegare microcontrollori a computer e altri dispositivi su distanze maggiori. SPI fornisce comunicazioni ad alta velocità per applicazioni a breve distanza, come l'interfacciamento con sensori, schede di memoria e display. Comprendere i principi, i vantaggi e gli svantaggi di ciascun protocollo consente di prendere decisioni informate quando si progetta il tuo prossimo sistema embedded o progetto elettronico. Man mano che la tecnologia avanza, così farà l'applicazione di questi metodi di comunicazione seriale. L'adattamento e l'apprendimento continui garantiranno che ingegneri e hobbisti possano sfruttare questi protocolli al massimo delle loro potenzialità.