Последовательная связь: глубокое погружение в UART и SPI

В мире электроники и встраиваемых систем способность устройств общаться друг с другом имеет первостепенное значение. Последовательная связь обеспечивает надежный и эффективный метод передачи данных между микроконтроллерами, датчиками, периферийными устройствами и даже компьютерами. Двумя наиболее распространенными протоколами последовательной связи являются UART (универсальный асинхронный приемник/передатчик) и SPI (последовательный периферийный интерфейс). В этом всеобъемлющем руководстве будут рассмотрены тонкости UART и SPI, изучены их принципы, различия, применения, преимущества и недостатки.

Понимание последовательной связи

Последовательная связь - это метод передачи данных по одному биту за раз по одному проводу (или нескольким проводам для управляющих сигналов), в отличие от параллельной связи, которая отправляет несколько битов одновременно по нескольким проводам. В то время как параллельная связь быстрее на коротких расстояниях, последовательная связь обычно предпочтительнее для больших расстояний и ситуаций, когда минимизация количества проводов имеет решающее значение. Это делает ее идеальной для встраиваемых систем, где пространство и стоимость часто являются существенными ограничениями.

Асинхронная и синхронная связь

Последовательную связь можно в широком смысле разделить на две категории: асинхронную и синхронную. Асинхронная связь, такая как UART, не требует общего тактового сигнала между отправителем и получателем. Вместо этого она использует стартовые и стоповые биты для кадрирования каждого байта данных. Синхронная связь, такая как SPI и I2C, использует общий тактовый сигнал для синхронизации передачи данных между устройствами.

UART: универсальный асинхронный приемник/передатчик

UART - это широко используемый протокол последовательной связи, прежде всего из-за его простоты и гибкости. Это асинхронный протокол, то есть отправитель и получатель не используют общий тактовый сигнал. Это упрощает аппаратные требования, но требует точного времени и заранее согласованной скорости передачи данных (скорости передачи в бодах).

Принципы UART

Связь UART включает в себя передачу данных в кадрах, каждый из которых состоит из следующего:

Стартовый бит: указывает на начало нового кадра данных. Обычно это низкий (0) сигнал.
Биты данных: фактические передаваемые данные, обычно 8 бит (байт), но также могут быть 5, 6 или 7 бит.
Бит четности (необязательно): используется для обнаружения ошибок. Он может быть четным, нечетным или отсутствовать.
Стоповый бит: указывает на конец кадра данных. Обычно это высокий (1) сигнал. Распространены один или два стоповых бита.

Отправитель и получатель должны согласовать скорость передачи в бодах, биты данных, четность и стоповые биты для успешной связи. Общие скорости передачи в бодах включают 9600, 115200 и другие. Более высокая скорость передачи в бодах позволяет быстрее передавать данные, но также увеличивает чувствительность к ошибкам синхронизации.

Применение UART

Подключение микроконтроллеров к компьютерам: UART обычно используется для установления последовательного соединения между микроконтроллером (например, Arduino или Raspberry Pi) и компьютером для программирования, отладки и регистрации данных.
GPS-модули: Многие GPS-модули используют UART для передачи данных о местоположении на хост-микроконтроллер или компьютер.
Bluetooth-модули: Bluetooth-модули часто используют UART в качестве интерфейса связи с микроконтроллером.
Последовательные принтеры: Более старые последовательные принтеры используют UART для приема команд печати и данных.
Консольный вывод: Встроенные системы часто используют UART для вывода отладочной информации и сообщений о состоянии на последовательную консоль.

Преимущества UART

Простота: UART относительно прост в реализации как в аппаратном, так и в программном обеспечении.
Гибкость: UART поддерживает различные скорости передачи данных, длину битов данных и параметры четности.
Широкая поддержка: UART - это широко поддерживаемый стандарт с легкодоступной аппаратной и программной реализацией.
Не требуется тактовый сигнал: Это уменьшает количество необходимых проводов.

Недостатки UART

Более низкая скорость: По сравнению с синхронными протоколами, такими как SPI, UART обычно имеет более низкую скорость передачи данных.
Восприимчивость к ошибкам: Без надежного тактового сигнала UART более восприимчив к ошибкам синхронизации и повреждению данных. Хотя бит четности может помочь, он не гарантирует безошибочную связь.
Ограничено двумя устройствами: UART в основном предназначен для связи точка-точка между двумя устройствами. Мультиплексирование может позволить нескольким устройствам на одной шине UART, но это добавляет сложности.

Пример UART: Arduino и Serial Monitor

Распространенным примером UART в действии является использование Serial Monitor в Arduino IDE. Плата Arduino имеет встроенный интерфейс UART, который позволяет ей общаться с компьютером через USB. Следующий фрагмент кода Arduino демонстрирует отправку данных в Serial Monitor:

void setup() {
  Serial.begin(9600); // Инициализация последовательной связи на скорости 9600 бод
}

void loop() {
  Serial.println("Hello, world!"); // Отправка сообщения "Hello, world!" в Serial Monitor
  delay(1000); // Подождать 1 секунду
}

Этот простой код отправляет сообщение «Hello, world!» в Serial Monitor каждую секунду. Функция Serial.begin(9600) инициализирует интерфейс UART на скорости 9600 бод, которая должна соответствовать настройкам в Serial Monitor.

SPI: последовательный периферийный интерфейс

SPI (Serial Peripheral Interface) - это синхронный протокол последовательной связи, обычно используемый для связи на короткие расстояния между микроконтроллерами и периферийными устройствами. Он известен своей высокой скоростью и относительно простыми аппаратными требованиями.

Принципы SPI

SPI использует архитектуру «мастер-ведомый», где одно устройство (мастер) управляет связью, а одно или несколько устройств (ведомые) отвечают на команды мастера. Шина SPI состоит из четырех основных сигналов:

MOSI (Master Out Slave In): Данные, передаваемые от мастера к ведомому устройству.
MISO (Master In Slave Out): Данные, передаваемые от ведомого устройства к мастеру.
SCK (Serial Clock): Тактовый сигнал, генерируемый мастером, используется для синхронизации передачи данных.
SS/CS (Slave Select/Chip Select): Сигнал, используемый мастером для выбора определенного ведомого устройства для связи. Каждое ведомое устройство обычно имеет собственную выделенную линию SS/CS.

Данные передаются синхронно с тактовым сигналом. Мастер инициирует связь, опуская линию SS/CS желаемого ведомого устройства. Затем данные выводятся из мастера по линии MOSI и в ведомое устройство по переднему или заднему фронту сигнала SCK. Одновременно данные выводятся из ведомого устройства по линии MISO и в мастер. Это обеспечивает полнодуплексную связь, то есть данные могут передаваться в обоих направлениях одновременно.

Режимы SPI

SPI имеет четыре режима работы, определяемые двумя параметрами: полярностью тактового сигнала (CPOL) и фазой тактового сигнала (CPHA). Эти параметры определяют состояние сигнала SCK в режиме ожидания и фронт сигнала SCK, на котором данные считываются и сдвигаются.

Режим 0 (CPOL=0, CPHA=0): SCK низкий в режиме ожидания. Данные считываются по переднему фронту и сдвигаются по заднему фронту.
Режим 1 (CPOL=0, CPHA=1): SCK низкий в режиме ожидания. Данные считываются по заднему фронту и сдвигаются по переднему фронту.
Режим 2 (CPOL=1, CPHA=0): SCK высокий в режиме ожидания. Данные считываются по заднему фронту и сдвигаются по переднему фронту.
Режим 3 (CPOL=1, CPHA=1): SCK высокий в режиме ожидания. Данные считываются по переднему фронту и сдвигаются по заднему фронту.

Мастер и ведомые устройства должны быть настроены на использование одного и того же режима SPI для успешной связи. В противном случае будут получены искаженные данные или произойдет сбой связи.

Применение SPI

Карты памяти (SD-карты, microSD-карты): SPI часто используется для взаимодействия с картами памяти во встраиваемых системах.
Датчики: Многие датчики, такие как акселерометры, гироскопы и датчики температуры, используют SPI для передачи данных.
Дисплеи: SPI обычно используется для управления ЖК- и OLED-дисплеями.
Аналого-цифровые преобразователи (АЦП) и цифро-аналоговые преобразователи (ЦАП): SPI используется для связи с АЦП и ЦАП для сбора данных и управления приложениями.
Сдвиговые регистры: SPI можно использовать для управления сдвиговыми регистрами для расширения количества цифровых контактов ввода-вывода, доступных на микроконтроллере.

Преимущества SPI

Высокая скорость: SPI предлагает значительно более высокую скорость передачи данных по сравнению с UART.
Полнодуплексная связь: Данные могут передаваться в обоих направлениях одновременно.
Несколько ведомых устройств: Один мастер может общаться с несколькими ведомыми устройствами.
Относительно простое оборудование: SPI требует всего четыре провода (плюс одна линия SS/CS для каждого ведомого устройства).

Недостатки SPI

Нет схемы адресации: SPI использует линии SS/CS для выбора ведомых устройств, что может стать громоздким при большом количестве ведомых устройств.
Короткое расстояние: SPI обычно ограничивается короткими расстояниями из-за ухудшения сигнала на более высоких скоростях.
Нет обнаружения ошибок: SPI не имеет встроенных механизмов обнаружения ошибок. Проверка ошибок должна быть реализована в программном обеспечении.
Более сложная реализация программного обеспечения: Хотя оборудование относительно простое, реализация программного обеспечения может быть более сложной, чем UART, особенно при работе с несколькими ведомыми устройствами и различными режимами SPI.

Пример SPI: взаимодействие с акселерометром

Многие акселерометры, такие как популярный ADXL345, используют SPI для связи. Чтобы считывать данные об ускорении с ADXL345, микроконтроллеру (действующему как мастер) необходимо отправить команду акселерометру (действующему как ведомый) для считывания соответствующих регистров. Следующий псевдокод иллюстрирует этот процесс:

Выберите ADXL345, опустив его линию SS/CS.
Отправьте адрес регистра для чтения (например, адрес данных об ускорении по оси X).
Прочтите данные с линии MISO (значение ускорения по оси X).
Повторите шаги 2 и 3 для осей Y и Z.
Отмените выбор ADXL345, подняв его линию SS/CS.

Конкретные команды и адреса регистров будут различаться в зависимости от модели акселерометра. Для точных процедур всегда следует проверять техническое описание.

UART и SPI: сравнение

Вот таблица, суммирующая основные различия между UART и SPI:

Характеристика	UART	SPI
Тип связи	Асинхронный	Синхронный
Тактовый сигнал	Нет	Общий тактовый сигнал
Количество проводов	2 (TX, RX)	4 (MOSI, MISO, SCK, SS/CS) + 1 SS/CS на ведомое устройство
Скорость передачи данных	Ниже	Выше
Полнодуплексный	Обычно полудуплексный (хотя иногда может имитировать полный дуплекс со сложным программным обеспечением)	Полнодуплексный
Обнаружение ошибок	Бит четности (необязательно)	Нет (требуется реализация программного обеспечения)
Количество устройств	2 (точка-точка)	Несколько (мастер-ведомый)
Сложность	Проще	Сложнее
Расстояние	Длиннее	Короче

Выбор правильного протокола

Выбор между UART и SPI зависит от конкретных требований приложения. Учитывайте следующие факторы:

Скорость передачи данных: Если требуется высокоскоростная передача данных, SPI обычно является лучшим выбором.
Расстояние: Для больших расстояний больше подходит UART.
Количество устройств: Если нескольким устройствам необходимо общаться с одним мастером, предпочтительнее SPI.
Сложность: Если приоритетом является простота, UART проще в реализации.
Обнаружение ошибок: Если обнаружение ошибок имеет решающее значение, рассмотрите возможность использования UART с битом четности или реализации проверки ошибок в программном обеспечении для SPI.
Доступное оборудование: Некоторые микроконтроллеры могут иметь ограниченную поддержку одного протокола или другого. Учитывайте доступные аппаратные ресурсы при принятии решения.

Например, в простом приложении датчика, где микроконтроллеру необходимо считывать данные с одного датчика на коротком расстоянии, SPI может быть лучшим вариантом из-за его более высокой скорости. Однако, если микроконтроллеру необходимо общаться с компьютером на большем расстоянии в целях отладки, UART будет более подходящим.

Дополнительные соображения

I2C (межсоединительная интегральная схема)

Хотя эта статья посвящена UART и SPI, важно упомянуть I2C (Inter-Integrated Circuit) как еще один распространенный протокол последовательной связи. I2C - это двухпроводной протокол, который поддерживает несколько ведущих и ведомых устройств на одной шине. Он часто используется для связи между интегральными схемами на печатной плате. I2C использует адресацию, в отличие от SPI, что упрощает большие сети устройств.

TTL против RS-232

При работе с UART важно понимать разницу между уровнями напряжения TTL (транзисторно-транзисторной логики) и RS-232. Логика TTL использует 0 В и 5 В (или 3,3 В) для представления логического низкого и высокого уровней соответственно. RS-232, с другой стороны, использует напряжения ±12 В. Непосредственное подключение TTL UART к RS-232 UART может повредить устройства. Для преобразования между уровнями напряжения TTL и RS-232 необходим сдвиговый регистр (например, микросхема MAX232).

Обработка ошибок

Поскольку UART и SPI имеют ограниченные механизмы обнаружения ошибок, важно реализовать обработку ошибок в программном обеспечении. Общие методы включают контрольные суммы, циклические избыточные проверки (CRC) и механизмы тайм-аута.

Заключение

UART и SPI являются важными протоколами последовательной связи для встраиваемых систем и не только. UART предлагает простоту и гибкость, что делает его подходящим для подключения микроконтроллеров к компьютерам и другим устройствам на больших расстояниях. SPI обеспечивает высокоскоростную связь для приложений на коротких расстояниях, таких как взаимодействие с датчиками, картами памяти и дисплеями. Понимание принципов, преимуществ и недостатков каждого протокола позволяет принимать обоснованные решения при проектировании вашей следующей встраиваемой системы или электронного проекта. По мере развития технологий будет развиваться и применение этих методов последовательной связи. Постоянная адаптация и обучение позволят инженерам и любителям в равной степени использовать эти протоколы в полной мере.