സീരിയൽ കമ്മ്യൂണിക്കേഷൻ ലളിതമാക്കുന്നു: UART, SPI എന്നിവയെക്കുറിച്ചുള്ള ആഴത്തിലുള്ള പഠനം

ഇലക്ട്രോണിക്സിന്റെയും എംബഡഡ് സിസ്റ്റങ്ങളുടെയും ലോകത്ത്, ഉപകരണങ്ങൾക്ക് പരസ്പരം ആശയവിനിമയം നടത്താനുള്ള കഴിവ് വളരെ പ്രധാനമാണ്. മൈക്രോകൺട്രോളറുകൾ, സെൻസറുകൾ, പെരിഫെറലുകൾ, കമ്പ്യൂട്ടറുകൾ എന്നിവയ്ക്കിടയിൽ ഡാറ്റ കൈമാറുന്നതിനുള്ള വിശ്വസനീയവും കാര്യക്ഷമവുമായ ഒരു രീതിയാണ് സീരിയൽ കമ്മ്യൂണിക്കേഷൻ. സാധാരണയായി ഉപയോഗിക്കുന്ന രണ്ട് സീരിയൽ കമ്മ്യൂണിക്കേഷൻ പ്രോട്ടോക്കോളുകളാണ് UART (യൂണിവേഴ്സൽ അസിൻക്രണസ് റിസീവർ/ട്രാൻസ്മിറ്റർ), SPI (സീരിയൽ പെരിഫറൽ ഇന്റർഫേസ്) എന്നിവ. ഈ സമഗ്രമായ ഗൈഡ് UART, SPI എന്നിവയുടെ സങ്കീർണ്ണതകളിലേക്ക് ആഴ്ന്നിറങ്ങുകയും അവയുടെ തത്വങ്ങൾ, വ്യത്യാസങ്ങൾ, ഉപയോഗങ്ങൾ, ഗുണങ്ങൾ, ദോഷങ്ങൾ എന്നിവ പര്യവേക്ഷണം ചെയ്യുകയും ചെയ്യും.

സീരിയൽ കമ്മ്യൂണിക്കേഷൻ മനസ്സിലാക്കൽ

ഒന്നിലധികം വയറുകളിലൂടെ ഒരേസമയം ഒന്നിലധികം ബിറ്റുകൾ അയക്കുന്ന പാരലൽ കമ്മ്യൂണിക്കേഷനിൽ നിന്ന് വ്യത്യസ്തമായി, ഒരൊറ്റ വയറിലൂടെ (അല്ലെങ്കിൽ കൺട്രോൾ സിഗ്നലുകൾക്കായി കുറച്ച് വയറുകളിലൂടെ) ഒരു സമയം ഒരു ബിറ്റ് ഡാറ്റ കൈമാറുന്ന രീതിയാണ് സീരിയൽ കമ്മ്യൂണിക്കേഷൻ. കുറഞ്ഞ ദൂരത്തേക്ക് പാരലൽ കമ്മ്യൂണിക്കേഷൻ വേഗതയേറിയതാണെങ്കിലും, കൂടുതൽ ദൂരത്തേക്കും വയറുകളുടെ എണ്ണം കുറയ്ക്കേണ്ട സാഹചര്യങ്ങളിലും സീരിയൽ കമ്മ്യൂണിക്കേഷനാണ് സാധാരണയായി തിരഞ്ഞെടുക്കുന്നത്. സ്ഥലവും ചെലവും പ്രധാന ഘടകങ്ങളായ എംബഡഡ് സിസ്റ്റങ്ങൾക്ക് ഇത് അനുയോജ്യമാക്കുന്നു.

അസിൻക്രണസ് vs. സിൻക്രണസ് കമ്മ്യൂണിക്കേഷൻ

സീരിയൽ കമ്മ്യൂണിക്കേഷനെ അസിൻക്രണസ്, സിൻക്രണസ് എന്നിങ്ങനെ രണ്ട് വിഭാഗങ്ങളായി തിരിക്കാം. UART പോലുള്ള അസിൻക്രണസ് കമ്മ്യൂണിക്കേഷന് അയക്കുന്നയാളും സ്വീകരിക്കുന്നയാളും തമ്മിൽ ഒരു പൊതുവായ ക്ലോക്ക് സിഗ്നൽ ആവശ്യമില്ല. പകരം, ഓരോ ബൈറ്റ് ഡാറ്റയും ഫ്രെയിം ചെയ്യുന്നതിന് ഇത് സ്റ്റാർട്ട്, സ്റ്റോപ്പ് ബിറ്റുകളെ ആശ്രയിക്കുന്നു. SPI, I2C പോലുള്ള സിൻക്രണസ് കമ്മ്യൂണിക്കേഷൻ, ഉപകരണങ്ങൾക്കിടയിലുള്ള ഡാറ്റാ ട്രാൻസ്മിഷൻ സമന്വയിപ്പിക്കുന്നതിന് ഒരു പൊതുവായ ക്ലോക്ക് സിഗ്നൽ ഉപയോഗിക്കുന്നു.

UART: യൂണിവേഴ്സൽ അസിൻക്രണസ് റിസീവർ/ട്രാൻസ്മിറ്റർ

ലളിതവും വഴക്കമുള്ളതുമായതിനാൽ വ്യാപകമായി ഉപയോഗിക്കുന്ന ഒരു സീരിയൽ കമ്മ്യൂണിക്കേഷൻ പ്രോട്ടോക്കോളാണ് UART. ഇത് ഒരു അസിൻക്രണസ് പ്രോട്ടോക്കോളാണ്, അതായത് അയക്കുന്നയാളും സ്വീകരിക്കുന്നയാളും ഒരു പൊതു ക്ലോക്ക് സിഗ്നൽ പങ്കിടുന്നില്ല. ഇത് ഹാർഡ്‌വെയർ ആവശ്യകതകൾ ലളിതമാക്കുന്നു, പക്ഷേ കൃത്യമായ ടൈമിംഗും മുൻകൂട്ടി നിശ്ചയിച്ച ഡാറ്റാ നിരക്കും (ബോഡ് റേറ്റ്) ആവശ്യമാണ്.

UART തത്വങ്ങൾ

UART ആശയവിനിമയത്തിൽ ഡാറ്റ ഫ്രെയിമുകളായി കൈമാറ്റം ചെയ്യപ്പെടുന്നു, ഓരോന്നിനും താഴെ പറയുന്നവ അടങ്ങിയിരിക്കുന്നു:

• സ്റ്റാർട്ട് ബിറ്റ്: ഒരു പുതിയ ഡാറ്റാ ഫ്രെയിമിന്റെ തുടക്കം സൂചിപ്പിക്കുന്നു. ഇത് സാധാരണയായി ഒരു ലോ (0) സിഗ്നലാണ്.
• ഡാറ്റാ ബിറ്റുകൾ: കൈമാറ്റം ചെയ്യപ്പെടുന്ന യഥാർത്ഥ ഡാറ്റ, സാധാരണയായി 8 ബിറ്റുകൾ (ഒരു ബൈറ്റ്), എന്നാൽ 5, 6, അല്ലെങ്കിൽ 7 ബിറ്റുകളും ആകാം.
• പാരിറ്റി ബിറ്റ് (ഓപ്ഷണൽ): പിശകുകൾ കണ്ടെത്താൻ ഉപയോഗിക്കുന്നു. ഇത് ഈവൻ, ഓഡ്, അല്ലെങ്കിൽ ഒന്നും ഇല്ലാത്തതാകാം.
• സ്റ്റോപ്പ് ബിറ്റ്: ഡാറ്റാ ഫ്രെയിമിന്റെ അവസാനം സൂചിപ്പിക്കുന്നു. ഇത് സാധാരണയായി ഒരു ഹൈ (1) സിഗ്നലാണ്. ഒന്നോ രണ്ടോ സ്റ്റോപ്പ് ബിറ്റുകൾ സാധാരണമാണ്.

വിജയകരമായ ആശയവിനിമയത്തിനായി അയക്കുന്നയാളും സ്വീകരിക്കുന്നയാളും ബോഡ് റേറ്റ്, ഡാറ്റാ ബിറ്റുകൾ, പാരിറ്റി, സ്റ്റോപ്പ് ബിറ്റുകൾ എന്നിവയിൽ യോജിക്കണം. സാധാരണ ബോഡ് റേറ്റുകളിൽ 9600, 115200 എന്നിവയും മറ്റും ഉൾപ്പെടുന്നു. ഉയർന്ന ബോഡ് റേറ്റ് വേഗത്തിലുള്ള ഡാറ്റാ ട്രാൻസ്മിഷൻ അനുവദിക്കുന്നു, പക്ഷേ ടൈമിംഗ് പിശകുകളോടുള്ള സംവേദനക്ഷമതയും വർദ്ധിപ്പിക്കുന്നു.

UART ഉപയോഗങ്ങൾ

• മൈക്രോകൺട്രോളറുകളെ കമ്പ്യൂട്ടറുകളുമായി ബന്ധിപ്പിക്കുന്നു: പ്രോഗ്രാമിംഗ്, ഡീബഗ്ഗിംഗ്, ഡാറ്റാ ലോഗിംഗ് എന്നിവയ്ക്കായി ഒരു മൈക്രോകൺട്രോളറും (ആർഡ്വിനോ അല്ലെങ്കിൽ റാസ്ബെറി പൈ പോലുള്ളവ) കമ്പ്യൂട്ടറും തമ്മിൽ ഒരു സീരിയൽ കണക്ഷൻ സ്ഥാപിക്കാൻ UART സാധാരണയായി ഉപയോഗിക്കുന്നു.
• GPS മൊഡ്യൂളുകൾ: പല GPS മൊഡ്യൂളുകളും ലൊക്കേഷൻ ഡാറ്റ ഒരു ഹോസ്റ്റ് മൈക്രോകൺട്രോളറിലേക്കോ കമ്പ്യൂട്ടറിലേക്കോ കൈമാറാൻ UART ഉപയോഗിക്കുന്നു.
• ബ്ലൂടൂത്ത് മൊഡ്യൂളുകൾ: ബ്ലൂടൂത്ത് മൊഡ്യൂളുകൾ പലപ്പോഴും ഒരു മൈക്രോകൺട്രോളറുമായുള്ള ആശയവിനിമയ ഇന്റർഫേസായി UART ഉപയോഗിക്കുന്നു.
• സീരിയൽ പ്രിന്ററുകൾ: പഴയ സീരിയൽ പ്രിന്ററുകൾ പ്രിന്റ് കമാൻഡുകളും ഡാറ്റയും സ്വീകരിക്കുന്നതിന് UART ഉപയോഗിക്കുന്നു.
• കൺസോൾ ഔട്ട്പുട്ട്: എംബഡഡ് സിസ്റ്റങ്ങൾ പലപ്പോഴും ഡീബഗ്ഗിംഗ് വിവരങ്ങളും സ്റ്റാറ്റസ് സന്ദേശങ്ങളും ഒരു സീരിയൽ കൺസോളിലേക്ക് ഔട്ട്പുട്ട് ചെയ്യാൻ UART ഉപയോഗിക്കുന്നു.

UART-ന്റെ ഗുണങ്ങൾ

• ലാളിത്യം: ഹാർഡ്‌വെയറിലും സോഫ്റ്റ്‌വെയറിലും UART നടപ്പിലാക്കാൻ താരതമ്യേന എളുപ്പമാണ്.
• വഴക്കം: UART വിവിധ ഡാറ്റാ നിരക്കുകൾ, ഡാറ്റാ ബിറ്റ് നീളങ്ങൾ, പാരിറ്റി ഓപ്ഷനുകൾ എന്നിവയെ പിന്തുണയ്ക്കുന്നു.
• വ്യാപകമായി പിന്തുണയ്ക്കുന്നു: എളുപ്പത്തിൽ ലഭ്യമായ ഹാർഡ്‌വെയറും സോഫ്റ്റ്‌വെയർ ഇംപ്ലിമെൻ്റേഷനുകളുമുള്ള വ്യാപകമായി പിന്തുണയ്ക്കുന്ന ഒരു സ്റ്റാൻഡേർഡാണ് UART.
• ക്ലോക്ക് സിഗ്നൽ ആവശ്യമില്ല: ഇത് ആവശ്യമായ വയറുകളുടെ എണ്ണം കുറയ്ക്കുന്നു.

UART-ന്റെ ദോഷങ്ങൾ

• വേഗത കുറവ്: SPI പോലുള്ള സിൻക്രണസ് പ്രോട്ടോക്കോളുകളുമായി താരതമ്യപ്പെടുത്തുമ്പോൾ, UART-ന് സാധാരണയായി കുറഞ്ഞ ഡാറ്റാ കൈമാറ്റ നിരക്കാണ് ഉള്ളത്.
• പിശകുകൾക്ക് സാധ്യത: വിശ്വസനീയമായ ക്ലോക്ക് സിഗ്നൽ ഇല്ലാതെ, UART ടൈമിംഗ് പിശകുകൾക്കും ഡാറ്റാ നഷ്ടത്തിനും കൂടുതൽ സാധ്യതയുണ്ട്. ഒരു പാരിറ്റി ബിറ്റ് സഹായിക്കുമെങ്കിലും, അത് പിശകില്ലാത്ത ആശയവിനിമയം ഉറപ്പുനൽകുന്നില്ല.
• രണ്ട് ഉപകരണങ്ങളിൽ പരിമിതപ്പെടുത്തിയിരിക്കുന്നു: UART പ്രധാനമായും രണ്ട് ഉപകരണങ്ങൾക്കിടയിലുള്ള പോയിന്റ്-ടു-പോയിന്റ് ആശയവിനിമയത്തിനായി രൂപകൽപ്പന ചെയ്തിട്ടുള്ളതാണ്. മൾട്ടിപ്ലക്സിംഗ് ഒരൊറ്റ UART ബസിൽ ഒന്നിലധികം ഉപകരണങ്ങളെ അനുവദിക്കുമെങ്കിലും, ഇത് സങ്കീർണ്ണത വർദ്ധിപ്പിക്കുന്നു.

UART ഉദാഹരണം: ആർഡ്വിനോയും സീരിയൽ മോണിറ്ററും

ആർഡ്വിനോ IDE-യിലെ സീരിയൽ മോണിറ്റർ ഉപയോഗിക്കുന്നത് UART-ന്റെ ഒരു സാധാരണ ഉദാഹരണമാണ്. ആർഡ്വിനോ ബോർഡിൽ ഒരു ബിൽറ്റ്-ഇൻ UART ഇന്റർഫേസ് ഉണ്ട്, അത് USB വഴി കമ്പ്യൂട്ടറുമായി ആശയവിനിമയം നടത്താൻ അനുവദിക്കുന്നു. താഴെ പറയുന്ന ആർഡ്വിനോ കോഡ് സ്നിപ്പെറ്റ് സീരിയൽ മോണിറ്ററിലേക്ക് ഡാറ്റ അയക്കുന്നത് കാണിക്കുന്നു:

void setup() {
  Serial.begin(9600); // 9600 ബോഡ് റേറ്റിൽ സീരിയൽ കമ്മ്യൂണിക്കേഷൻ ആരംഭിക്കുക
}

void loop() {
  Serial.println("Hello, world!"); // "Hello, world!" എന്ന സന്ദേശം സീരിയൽ മോണിറ്ററിലേക്ക് അയയ്ക്കുക
  delay(1000); // 1 സെക്കൻഡ് കാത്തിരിക്കുക
}

ഈ ലളിതമായ കോഡ് ഓരോ സെക്കൻഡിലും "Hello, world!" എന്ന സന്ദേശം സീരിയൽ മോണിറ്ററിലേക്ക് അയയ്ക്കുന്നു. `Serial.begin(9600)` എന്ന ഫംഗ്ഷൻ 9600 ബോഡ് റേറ്റിൽ UART ഇന്റർഫേസ് ആരംഭിക്കുന്നു, ഇത് സീരിയൽ മോണിറ്ററിലെ ക്രമീകരണവുമായി പൊരുത്തപ്പെടണം.

SPI: സീരിയൽ പെരിഫറൽ ഇന്റർഫേസ്

മൈക്രോകൺട്രോളറുകളും പെരിഫെറലുകളും തമ്മിലുള്ള ഹ്രസ്വ-ദൂര ആശയവിനിമയത്തിനായി സാധാരണയായി ഉപയോഗിക്കുന്ന ഒരു സിൻക്രണസ് സീരിയൽ കമ്മ്യൂണിക്കേഷൻ പ്രോട്ടോക്കോളാണ് SPI (സീരിയൽ പെരിഫറൽ ഇന്റർഫേസ്). ഇത് ഉയർന്ന വേഗതയ്ക്കും താരതമ്യേന ലളിതമായ ഹാർഡ്‌വെയർ ആവശ്യകതകൾക്കും പേരുകേട്ടതാണ്.

SPI തത്വങ്ങൾ

SPI ഒരു മാസ്റ്റർ-സ്ലേവ് ആർക്കിടെക്ചർ ഉപയോഗിക്കുന്നു, അവിടെ ഒരു ഉപകരണം (മാസ്റ്റർ) ആശയവിനിമയം നിയന്ത്രിക്കുന്നു, ഒന്നോ അതിലധികമോ ഉപകരണങ്ങൾ (സ്ലേവുകൾ) മാസ്റ്ററുടെ കമാൻഡുകളോട് പ്രതികരിക്കുന്നു. SPI ബസിൽ നാല് പ്രധാന സിഗ്നലുകൾ അടങ്ങിയിരിക്കുന്നു:

• MOSI (മാസ്റ്റർ ഔട്ട് സ്ലേവ് ഇൻ): മാസ്റ്ററിൽ നിന്ന് സ്ലേവിലേക്ക് ഡാറ്റ കൈമാറുന്നു.
• MISO (മാസ്റ്റർ ഇൻ സ്ലേവ് ഔട്ട്): സ്ലേവിൽ നിന്ന് മാസ്റ്ററിലേക്ക് ഡാറ്റ കൈമാറുന്നു.
• SCK (സീരിയൽ ക്ലോക്ക്): ഡാറ്റാ ട്രാൻസ്മിഷൻ സമന്വയിപ്പിക്കാൻ ഉപയോഗിക്കുന്ന, മാസ്റ്റർ ജനറേറ്റ് ചെയ്യുന്ന ക്ലോക്ക് സിഗ്നൽ.
• SS/CS (സ്ലേവ് സെലക്ട്/ചിപ്പ് സെലക്ട്): ഒരു പ്രത്യേക സ്ലേവ് ഉപകരണവുമായി ആശയവിനിമയം നടത്താൻ മാസ്റ്റർ ഉപയോഗിക്കുന്ന ഒരു സിഗ്നൽ. ഓരോ സ്ലേവ് ഉപകരണത്തിനും സാധാരണയായി അതിൻ്റേതായ സമർപ്പിത SS/CS ലൈൻ ഉണ്ട്.

ക്ലോക്ക് സിഗ്നലുമായി സമന്വയിപ്പിച്ചാണ് ഡാറ്റ കൈമാറ്റം ചെയ്യുന്നത്. ആവശ്യമുള്ള സ്ലേവിന്റെ SS/CS ലൈൻ താഴ്ത്തിക്കൊണ്ട് മാസ്റ്റർ ആശയവിനിമയം ആരംഭിക്കുന്നു. തുടർന്ന് ഡാറ്റ MOSI ലൈനിലൂടെ മാസ്റ്ററിൽ നിന്ന് പുറത്തേക്കും SCK സിഗ്നലിന്റെ റൈസിംഗ് അല്ലെങ്കിൽ ഫാളിംഗ് എഡ്ജിൽ സ്ലേവിലേക്കും ഷിഫ്റ്റ് ചെയ്യപ്പെടുന്നു. അതേസമയം, MISO ലൈനിലൂടെ സ്ലേവിൽ നിന്ന് ഡാറ്റ പുറത്തേക്കും മാസ്റ്ററിലേക്കും ഷിഫ്റ്റ് ചെയ്യപ്പെടുന്നു. ഇത് ഫുൾ-ഡ്യൂപ്ലെക്സ് ആശയവിനിമയം അനുവദിക്കുന്നു, അതായത് ഒരേ സമയം രണ്ട് ദിശകളിലും ഡാറ്റ കൈമാറാൻ കഴിയും.

SPI മോഡുകൾ

SPI-ക്ക് നാല് പ്രവർത്തന രീതികളുണ്ട്, അവ രണ്ട് പാരാമീറ്ററുകൾ നിർണ്ണയിക്കുന്നു: ക്ലോക്ക് പൊളാരിറ്റി (CPOL), ക്ലോക്ക് ഫേസ് (CPHA). ഈ പാരാമീറ്ററുകൾ നിഷ്ക്രിയമായിരിക്കുമ്പോൾ SCK സിഗ്നലിന്റെ അവസ്ഥയും ഡാറ്റ സാമ്പിൾ ചെയ്യുകയും ഷിഫ്റ്റ് ചെയ്യുകയും ചെയ്യുന്ന SCK സിഗ്നലിന്റെ എഡ്ജും നിർവചിക്കുന്നു.

• മോഡ് 0 (CPOL=0, CPHA=0): നിഷ്ക്രിയമായിരിക്കുമ്പോൾ SCK ലോ ആണ്. ഡാറ്റ റൈസിംഗ് എഡ്ജിൽ സാമ്പിൾ ചെയ്യുകയും ഫാളിംഗ് എഡ്ജിൽ ഷിഫ്റ്റ് ചെയ്യുകയും ചെയ്യുന്നു.
• മോഡ് 1 (CPOL=0, CPHA=1): നിഷ്ക്രിയമായിരിക്കുമ്പോൾ SCK ലോ ആണ്. ഡാറ്റ ഫാളിംഗ് എഡ്ജിൽ സാമ്പിൾ ചെയ്യുകയും റൈസിംഗ് എഡ്ജിൽ ഷിഫ്റ്റ് ചെയ്യുകയും ചെയ്യുന്നു.
• മോഡ് 2 (CPOL=1, CPHA=0): നിഷ്ക്രിയമായിരിക്കുമ്പോൾ SCK ഹൈ ആണ്. ഡാറ്റ ഫാളിംഗ് എഡ്ജിൽ സാമ്പിൾ ചെയ്യുകയും റൈസിംഗ് എഡ്ജിൽ ഷിഫ്റ്റ് ചെയ്യുകയും ചെയ്യുന്നു.
• മോഡ് 3 (CPOL=1, CPHA=1): നിഷ്ക്രിയമായിരിക്കുമ്പോൾ SCK ഹൈ ആണ്. ഡാറ്റ റൈസിംഗ് എഡ്ജിൽ സാമ്പിൾ ചെയ്യുകയും ഫാളിംഗ് എഡ്ജിൽ ഷിഫ്റ്റ് ചെയ്യുകയും ചെയ്യുന്നു.

വിജയകരമായ ആശയവിനിമയത്തിനായി മാസ്റ്റർ, സ്ലേവ് ഉപകരണങ്ങൾ ഒരേ SPI മോഡ് ഉപയോഗിക്കാൻ കോൺഫിഗർ ചെയ്തിരിക്കണം. അല്ലാത്തപക്ഷം, ഡാറ്റ വികലമാകുകയോ ആശയവിനിമയം പരാജയപ്പെടുകയോ ചെയ്യും.

SPI ഉപയോഗങ്ങൾ

• മെമ്മറി കാർഡുകൾ (SD കാർഡുകൾ, മൈക്രോ എസ്ഡി കാർഡുകൾ): എംബഡഡ് സിസ്റ്റങ്ങളിൽ മെമ്മറി കാർഡുകളുമായി ഇന്റർഫേസ് ചെയ്യുന്നതിന് SPI പലപ്പോഴും ഉപയോഗിക്കുന്നു.
• സെൻസറുകൾ: ആക്സിലറോമീറ്ററുകൾ, ഗൈറോസ്കോപ്പുകൾ, താപനില സെൻസറുകൾ തുടങ്ങിയ നിരവധി സെൻസറുകൾ ഡാറ്റാ ട്രാൻസ്മിഷനായി SPI ഉപയോഗിക്കുന്നു.
• ഡിസ്പ്ലേകൾ: LCD, OLED ഡിസ്പ്ലേകൾ നിയന്ത്രിക്കുന്നതിന് SPI സാധാരണയായി ഉപയോഗിക്കുന്നു.
• അനലോഗ്-ടു-ഡിജിറ്റൽ കൺവെർട്ടറുകൾ (ADCs), ഡിജിറ്റൽ-ടു-അനലോഗ് കൺവെർട്ടറുകൾ (DACs): ഡാറ്റാ അക്വിസിഷൻ, കൺട്രോൾ ആപ്ലിക്കേഷനുകൾക്കായി ADCs, DACs എന്നിവയുമായി ആശയവിനിമയം നടത്താൻ SPI ഉപയോഗിക്കുന്നു.
• ഷിഫ്റ്റ് രജിസ്റ്ററുകൾ: ഒരു മൈക്രോകൺട്രോളറിൽ ലഭ്യമായ ഡിജിറ്റൽ I/O പിന്നുകളുടെ എണ്ണം വർദ്ധിപ്പിക്കുന്നതിന് ഷിഫ്റ്റ് രജിസ്റ്ററുകൾ നിയന്ത്രിക്കാൻ SPI ഉപയോഗിക്കാം.

SPI-യുടെ ഗുണങ്ങൾ

• ഉയർന്ന വേഗത: UART-മായി താരതമ്യപ്പെടുത്തുമ്പോൾ SPI ഗണ്യമായി ഉയർന്ന ഡാറ്റാ കൈമാറ്റ നിരക്കുകൾ വാഗ്ദാനം ചെയ്യുന്നു.
• ഫുൾ-ഡ്യൂപ്ലെക്സ് കമ്മ്യൂണിക്കേഷൻ: ഒരേ സമയം രണ്ട് ദിശകളിലും ഡാറ്റ കൈമാറാൻ കഴിയും.
• ഒന്നിലധികം സ്ലേവുകൾ: ഒരു മാസ്റ്ററിന് ഒന്നിലധികം സ്ലേവ് ഉപകരണങ്ങളുമായി ആശയവിനിമയം നടത്താൻ കഴിയും.
• താരതമ്യേന ലളിതമായ ഹാർഡ്‌വെയർ: SPI-ക്ക് നാല് വയറുകൾ മാത്രമേ ആവശ്യമുള്ളൂ (ഓരോ സ്ലേവ് ഉപകരണത്തിനും ഒരു SS/CS ലൈൻ വീതം).

SPI-യുടെ ദോഷങ്ങൾ

• അഡ്രസ്സിംഗ് സ്കീം ഇല്ല: SPI സ്ലേവ് ഉപകരണങ്ങളെ തിരഞ്ഞെടുക്കാൻ SS/CS ലൈനുകളെ ആശ്രയിക്കുന്നു, ഇത് ധാരാളം സ്ലേവുകൾ ഉള്ളപ്പോൾ ബുദ്ധിമുട്ടാകാം.
• കുറഞ്ഞ ദൂരം: ഉയർന്ന വേഗതയിൽ സിഗ്നൽ തകരാറുകൾ കാരണം SPI സാധാരണയായി കുറഞ്ഞ ദൂരത്തേക്ക് പരിമിതപ്പെടുത്തിയിരിക്കുന്നു.
• പിശകുകൾ കണ്ടെത്താൻ സംവിധാനമില്ല: SPI-ക്ക് ബിൽറ്റ്-ഇൻ എറർ ഡിറ്റക്ഷൻ മെക്കാനിസങ്ങൾ ഇല്ല. സോഫ്റ്റ്‌വെയറിൽ എറർ ചെക്കിംഗ് നടപ്പിലാക്കണം.
• കൂടുതൽ സങ്കീർണ്ണമായ സോഫ്റ്റ്‌വെയർ ഇംപ്ലിമെൻ്റേഷൻ: ഹാർഡ്‌വെയർ താരതമ്യേന ലളിതമാണെങ്കിലും, സോഫ്റ്റ്‌വെയർ ഇംപ്ലിമെൻ്റേഷൻ UART-നേക്കാൾ സങ്കീർണ്ണമാവാം, പ്രത്യേകിച്ച് ഒന്നിലധികം സ്ലേവുകളും വ്യത്യസ്ത SPI മോഡുകളും കൈകാര്യം ചെയ്യുമ്പോൾ.

SPI ഉദാഹരണം: ഒരു ആക്സിലറോമീറ്ററുമായി ഇന്റർഫേസ് ചെയ്യൽ

പ്രശസ്തമായ ADXL345 പോലുള്ള നിരവധി ആക്സിലറോമീറ്ററുകൾ ആശയവിനിമയത്തിനായി SPI ഉപയോഗിക്കുന്നു. ADXL345-ൽ നിന്ന് ആക്സിലറേഷൻ ഡാറ്റ വായിക്കാൻ, മൈക്രോകൺട്രോളർ (മാസ്റ്ററായി പ്രവർത്തിക്കുന്നു) അനുയോജ്യമായ രജിസ്റ്ററുകൾ വായിക്കുന്നതിനായി ആക്സിലറോമീറ്ററിന് (സ്ലേവായി പ്രവർത്തിക്കുന്നു) ഒരു കമാൻഡ് അയയ്ക്കേണ്ടതുണ്ട്. താഴെ പറയുന്ന സ്യൂഡോകോഡ് ഈ പ്രക്രിയ വ്യക്തമാക്കുന്നു:

1. ADXL345-ന്റെ SS/CS ലൈൻ താഴ്ത്തിക്കൊണ്ട് അതിനെ തിരഞ്ഞെടുക്കുക.
2. വായിക്കേണ്ട രജിസ്റ്റർ വിലാസം അയയ്ക്കുക (ഉദാഹരണത്തിന്, X-ആക്സിസ് ആക്സിലറേഷൻ ഡാറ്റയുടെ വിലാസം).
3. MISO ലൈനിൽ നിന്ന് ഡാറ്റ വായിക്കുക (X-ആക്സിസ് ആക്സിലറേഷൻ മൂല്യം).
4. Y, Z ആക്സിസുകൾക്കായി 2, 3 ഘട്ടങ്ങൾ ആവർത്തിക്കുക.
5. ADXL345-ന്റെ SS/CS ലൈൻ ഉയർത്തിക്കൊണ്ട് അതിനെ ഡിസെലക്ട് ചെയ്യുക.

നിർദ്ദിഷ്ട കമാൻഡുകളും രജിസ്റ്റർ വിലാസങ്ങളും ആക്സിലറോമീറ്റർ മോഡലിനെ ആശ്രയിച്ച് വ്യത്യാസപ്പെടും. കൃത്യമായ നടപടിക്രമങ്ങൾക്കായി എല്ലായ്പ്പോഴും ഡാറ്റാഷീറ്റ് അവലോകനം ചെയ്യണം.

UART vs. SPI: ഒരു താരതമ്യം

UART, SPI എന്നിവ തമ്മിലുള്ള പ്രധാന വ്യത്യാസങ്ങൾ സംഗ്രഹിക്കുന്ന ഒരു പട്ടിക താഴെ നൽകുന്നു:

ഫീച്ചർ	UART	SPI
ആശയവിനിമയ തരം	അസിൻക്രണസ്	സിൻക്രണസ്
ക്ലോക്ക് സിഗ്നൽ	ഇല്ല	പങ്കിട്ട ക്ലോക്ക്
വയറുകളുടെ എണ്ണം	2 (TX, RX)	4 (MOSI, MISO, SCK, SS/CS) + ഓരോ സ്ലേവിനും 1 SS/CS
ഡാറ്റാ നിരക്ക്	കുറഞ്ഞത്	ഉയർന്നത്
ഫുൾ-ഡ്യൂപ്ലെക്സ്	സാധാരണയായി ഹാഫ്-ഡ്യൂപ്ലെക്സ് (സങ്കീർണ്ണമായ സോഫ്റ്റ്‌വെയർ ഉപയോഗിച്ച് ചിലപ്പോൾ ഫുൾ-ഡ്യൂപ്ലെക്സ് സിമുലേറ്റ് ചെയ്യാൻ കഴിയും)	ഫുൾ-ഡ്യൂപ്ലെക്സ്
പിശക് കണ്ടെത്തൽ	പാരിറ്റി ബിറ്റ് (ഓപ്ഷണൽ)	ഇല്ല (സോഫ്റ്റ്‌വെയർ ഇംപ്ലിമെൻ്റേഷൻ ആവശ്യമാണ്)
ഉപകരണങ്ങളുടെ എണ്ണം	2 (പോയിന്റ്-ടു-പോയിന്റ്)	ഒന്നിലധികം (മാസ്റ്റർ-സ്ലേവ്)
സങ്കീർണ്ണത	കൂടുതൽ ലളിതം	കൂടുതൽ സങ്കീർണ്ണം
ദൂരം	കൂടുതൽ ദൂരം	കുറഞ്ഞ ദൂരം

ശരിയായ പ്രോട്ടോക്കോൾ തിരഞ്ഞെടുക്കുന്നു

UART, SPI എന്നിവയ്ക്കിടയിലുള്ള തിരഞ്ഞെടുപ്പ് നിർദ്ദിഷ്ട ആപ്ലിക്കേഷൻ ആവശ്യകതകളെ ആശ്രയിച്ചിരിക്കുന്നു. താഴെ പറയുന്ന ഘടകങ്ങൾ പരിഗണിക്കുക:

• ഡാറ്റാ നിരക്ക്: ഉയർന്ന വേഗതയിലുള്ള ഡാറ്റാ കൈമാറ്റം ആവശ്യമാണെങ്കിൽ, SPI സാധാരണയായി മികച്ച തിരഞ്ഞെടുപ്പാണ്.
• ദൂരം: കൂടുതൽ ദൂരത്തേക്ക്, UART കൂടുതൽ അനുയോജ്യമാണ്.
• ഉപകരണങ്ങളുടെ എണ്ണം: ഒന്നിലധികം ഉപകരണങ്ങൾക്ക് ഒരൊറ്റ മാസ്റ്ററുമായി ആശയവിനിമയം നടത്തണമെങ്കിൽ, SPI ആണ് അഭികാമ്യം.
• സങ്കീർണ്ണത: ലാളിത്യമാണ് മുൻഗണനയെങ്കിൽ, UART നടപ്പിലാക്കാൻ എളുപ്പമാണ്.
• പിശക് കണ്ടെത്തൽ: പിശക് കണ്ടെത്തൽ നിർണായകമാണെങ്കിൽ, പാരിറ്റി ബിറ്റ് ഉപയോഗിച്ച് UART ഉപയോഗിക്കുന്നത് പരിഗണിക്കുക അല്ലെങ്കിൽ SPI-ക്കായി സോഫ്റ്റ്‌വെയറിൽ പിശക് പരിശോധന നടപ്പിലാക്കുക.
• ലഭ്യമായ ഹാർഡ്‌വെയർ: ചില മൈക്രോകൺട്രോളറുകൾക്ക് ഒരു പ്രോട്ടോക്കോളിനോ മറ്റൊന്നിനോ പരിമിതമായ പിന്തുണയുണ്ടാകാം. നിങ്ങളുടെ തീരുമാനം എടുക്കുമ്പോൾ ലഭ്യമായ ഹാർഡ്‌വെയർ ഉറവിടങ്ങൾ പരിഗണിക്കുക.

ഉദാഹരണത്തിന്, ഒരു മൈക്രോകൺട്രോളറിന് ഒരൊറ്റ സെൻസറിൽ നിന്ന് കുറഞ്ഞ ദൂരത്തിൽ ഡാറ്റ വായിക്കേണ്ട ഒരു ലളിതമായ സെൻസർ ആപ്ലിക്കേഷനിൽ, അതിന്റെ ഉയർന്ന വേഗത കാരണം SPI മികച്ച ഓപ്ഷനായിരിക്കാം. എന്നിരുന്നാലും, ഡീബഗ്ഗിംഗ് ആവശ്യങ്ങൾക്കായി മൈക്രോകൺട്രോളറിന് ഒരു കമ്പ്യൂട്ടറുമായി കൂടുതൽ ദൂരത്തിൽ ആശയവിനിമയം നടത്തണമെങ്കിൽ, UART കൂടുതൽ ഉചിതമായിരിക്കും.

വിപുലമായ പരിഗണനകൾ

I2C (ഇന്റർ-ഇന്റഗ്രേറ്റഡ് സർക്യൂട്ട്)

ഈ ലേഖനം UART, SPI എന്നിവയിൽ ശ്രദ്ധ കേന്ദ്രീകരിക്കുന്നുണ്ടെങ്കിലും, മറ്റൊരു സാധാരണ സീരിയൽ കമ്മ്യൂണിക്കേഷൻ പ്രോട്ടോക്കോൾ എന്ന നിലയിൽ I2C (ഇന്റർ-ഇന്റഗ്രേറ്റഡ് സർക്യൂട്ട്) പരാമർശിക്കേണ്ടത് പ്രധാനമാണ്. I2C ഒരു ടു-വയർ പ്രോട്ടോക്കോളാണ്, അത് ഒരേ ബസിൽ ഒന്നിലധികം മാസ്റ്റർ, സ്ലേവ് ഉപകരണങ്ങളെ പിന്തുണയ്ക്കുന്നു. ഇത് പലപ്പോഴും ഒരു സർക്യൂട്ട് ബോർഡിലെ ഇന്റഗ്രേറ്റഡ് സർക്യൂട്ടുകൾക്കിടയിലുള്ള ആശയവിനിമയത്തിനായി ഉപയോഗിക്കുന്നു. SPI-ൽ നിന്ന് വ്യത്യസ്തമായി I2C അഡ്രസ്സിംഗ് ഉപയോഗിക്കുന്നു, ഇത് വലിയ ഉപകരണ ശൃംഖലകളെ ലളിതമാക്കുന്നു.

TTL vs. RS-232

UART-ൽ പ്രവർത്തിക്കുമ്പോൾ, TTL (ട്രാൻസിസ്റ്റർ-ട്രാൻസിസ്റ്റർ ലോജിക്), RS-232 വോൾട്ടേജ് ലെവലുകൾ തമ്മിലുള്ള വ്യത്യാസം മനസ്സിലാക്കേണ്ടത് പ്രധാനമാണ്. TTL ലോജിക് യഥാക്രമം ലോജിക്കൽ ലോ, ഹൈ എന്നിവയെ പ്രതിനിധീകരിക്കാൻ 0V, 5V (അല്ലെങ്കിൽ 3.3V) ഉപയോഗിക്കുന്നു. മറുവശത്ത്, RS-232 ±12V വോൾട്ടേജുകൾ ഉപയോഗിക്കുന്നു. ഒരു TTL UART-നെ നേരിട്ട് ഒരു RS-232 UART-ലേക്ക് ബന്ധിപ്പിക്കുന്നത് ഉപകരണങ്ങളെ തകരാറിലാക്കും. TTL, RS-232 വോൾട്ടേജ് ലെവലുകൾക്കിടയിൽ പരിവർത്തനം ചെയ്യാൻ ഒരു ലെവൽ ഷിഫ്റ്റർ (MAX232 ചിപ്പ് പോലുള്ളവ) ആവശ്യമാണ്.

പിശകുകൾ കൈകാര്യം ചെയ്യൽ

UART, SPI എന്നിവയ്ക്ക് പരിമിതമായ പിശക് കണ്ടെത്തൽ സംവിധാനങ്ങൾ ഉള്ളതിനാൽ, സോഫ്റ്റ്‌വെയറിൽ പിശക് കൈകാര്യം ചെയ്യൽ നടപ്പിലാക്കേണ്ടത് പ്രധാനമാണ്. ചെക്ക്സം, സൈക്ലിക് റിഡൻഡൻസി ചെക്കുകൾ (CRCs), ടൈംഔട്ട് മെക്കാനിസങ്ങൾ എന്നിവ സാധാരണയായി ഉപയോഗിക്കുന്ന സാങ്കേതിക വിദ്യകളാണ്.

ഉപസംഹാരം

UART, SPI എന്നിവ എംബഡഡ് സിസ്റ്റങ്ങൾക്കും അതിനപ്പുറവും അത്യാവശ്യമായ സീരിയൽ കമ്മ്യൂണിക്കേഷൻ പ്രോട്ടോക്കോളുകളാണ്. UART ലാളിത്യവും വഴക്കവും വാഗ്ദാനം ചെയ്യുന്നു, ഇത് മൈക്രോകൺട്രോളറുകളെ കമ്പ്യൂട്ടറുകളുമായും മറ്റ് ഉപകരണങ്ങളുമായും കൂടുതൽ ദൂരത്തേക്ക് ബന്ധിപ്പിക്കുന്നതിന് അനുയോജ്യമാക്കുന്നു. സെൻസറുകൾ, മെമ്മറി കാർഡുകൾ, ഡിസ്പ്ലേകൾ എന്നിവയുമായി ഇന്റർഫേസ് ചെയ്യുന്നത് പോലുള്ള ഹ്രസ്വ-ദൂര ആപ്ലിക്കേഷനുകൾക്ക് SPI അതിവേഗ ആശയവിനിമയം നൽകുന്നു. ഓരോ പ്രോട്ടോക്കോളിന്റെയും തത്വങ്ങളും ഗുണങ്ങളും ദോഷങ്ങളും മനസ്സിലാക്കുന്നത് നിങ്ങളുടെ അടുത്ത എംബഡഡ് സിസ്റ്റം അല്ലെങ്കിൽ ഇലക്ട്രോണിക് പ്രോജക്റ്റ് രൂപകൽപ്പന ചെയ്യുമ്പോൾ അറിവോടെയുള്ള തീരുമാനങ്ങൾ എടുക്കാൻ നിങ്ങളെ അനുവദിക്കുന്നു. സാങ്കേതികവിദ്യ പുരോഗമിക്കുന്നതിനനുസരിച്ച്, ഈ സീരിയൽ കമ്മ്യൂണിക്കേഷൻ രീതികളുടെ പ്രയോഗവും വർദ്ധിക്കും. നിരന്തരമായ പൊരുത്തപ്പെടുത്തലും പഠനവും എഞ്ചിനീയർമാർക്കും ഹോബിയിസ്റ്റുകൾക്കും ഈ പ്രോട്ടോക്കോളുകൾ പൂർണ്ണമായി പ്രയോജനപ്പെടുത്താൻ കഴിയുമെന്ന് ഉറപ്പാക്കും.