Serial Communication Demystified: Hĺbkový ponor do UART a SPI

Vo svete elektroniky a vstavaných systémov je schopnosť zariadení vzájomne komunikovať prvoradá. Sériová komunikácia poskytuje spoľahlivú a efektívnu metódu prenosu dát medzi mikrokontrolérmi, senzormi, perifériami a dokonca aj počítačmi. Dva z najbežnejších protokolov sériovej komunikácie sú UART (Universal Asynchronous Receiver/Transmitter) a SPI (Serial Peripheral Interface). Táto komplexná príručka sa ponorí do zložitosti UART aj SPI, preskúma ich princípy, rozdiely, aplikácie, výhody a nevýhody.

Pochopenie sériovej komunikácie

Sériová komunikácia je metóda prenosu dát po jednom bite cez jeden vodič (alebo niekoľko vodičov pre riadiace signály), na rozdiel od paralelnej komunikácie, ktorá odosiela viacero bitov súčasne cez viacero vodičov. Zatiaľ čo paralelná komunikácia je rýchlejšia na krátke vzdialenosti, sériová komunikácia je všeobecne uprednostňovaná na dlhšie vzdialenosti a v situáciách, keď je minimalizácia počtu vodičov kľúčová. Vďaka tomu je ideálna pre vstavané systémy, kde sú priestor a náklady často významné obmedzenia.

Asynchrónna vs. synchrónna komunikácia

Sériovú komunikáciu možno vo všeobecnosti rozdeliť do dvoch kategórií: asynchrónna a synchrónna. Asynchrónna komunikácia, ako napríklad UART, nevyžaduje zdieľaný hodinový signál medzi odosielateľom a prijímačom. Namiesto toho sa spolieha na štartovacie a koncové bity na orámovanie každého bajtu dát. Synchrónna komunikácia, ako napríklad SPI a I2C, používa zdieľaný hodinový signál na synchronizáciu prenosu dát medzi zariadeniami.

UART: Universal Asynchronous Receiver/Transmitter

UART je široko používaný protokol sériovej komunikácie predovšetkým kvôli svojej jednoduchosti a flexibilite. Je to asynchrónny protokol, čo znamená, že odosielateľ a prijímač nezdieľajú spoločný hodinový signál. To zjednodušuje hardvérové požiadavky, ale vyžaduje presné načasovanie a vopred dohodnutú prenosovú rýchlosť (baud rate).

Princípy UART

Komunikácia UART zahŕňa prenos dát v rámcoch, z ktorých každý pozostáva z nasledujúceho:

Štartovací bit: Označuje začiatok nového dátového rámca. Zvyčajne ide o nízky (0) signál.
Dátové bity: Skutočné prenášané dáta, zvyčajne 8 bitov (bajt), ale môže to byť aj 5, 6 alebo 7 bitov.
Paritný bit (voliteľný): Používa sa na detekciu chýb. Môže byť párny, nepárny alebo žiadny.
Koncový bit: Označuje koniec dátového rámca. Zvyčajne ide o vysoký (1) signál. Jeden alebo dva koncové bity sú bežné.

Odosielateľ a prijímač sa musia dohodnúť na prenosovej rýchlosti, dátových bitoch, parite a koncových bitoch pre úspešnú komunikáciu. Medzi bežné prenosové rýchlosti patria 9600, 115200 a ďalšie. Vyššia prenosová rýchlosť umožňuje rýchlejší prenos dát, ale tiež zvyšuje citlivosť na chyby časovania.

Aplikácie UART

Pripojenie mikrokontrolérov k počítačom: UART sa bežne používa na vytvorenie sériového pripojenia medzi mikrokontrolérom (ako je Arduino alebo Raspberry Pi) a počítačom na programovanie, ladenie a zaznamenávanie dát.
GPS moduly: Mnohé GPS moduly používajú UART na prenos údajov o polohe do hostiteľského mikrokontroléra alebo počítača.
Bluetooth moduly: Bluetooth moduly často používajú UART ako komunikačné rozhranie s mikrokontrolérom.
Sériové tlačiarne: Staršie sériové tlačiarne používajú UART na príjem príkazov na tlač a dát.
Výstup konzoly: Vstavané systémy často používajú UART na výstup informácií na ladenie a stavových správ do sériovej konzoly.

Výhody UART

Jednoduchosť: UART sa relatívne jednoducho implementuje v hardvéri aj softvéri.
Flexibilita: UART podporuje rôzne prenosové rýchlosti, dĺžky dátových bitov a možnosti parity.
Široká podpora: UART je široko podporovaný štandard s ľahko dostupnými hardvérovými a softvérovými implementáciami.
Nevyžaduje sa hodinový signál: Tým sa znižuje počet potrebných vodičov.

Nevýhody UART

Nižšia rýchlosť: V porovnaní so synchrónnymi protokolmi, ako je SPI, má UART zvyčajne nižšiu rýchlosť prenosu dát.
Náchylnosť na chyby: Bez spoľahlivého hodinového signálu je UART náchylnejší na chyby časovania a poškodenie dát. Hoci paritný bit môže pomôcť, nezaručuje komunikáciu bez chýb.
Obmedzené na dve zariadenia: UART je primárne určený na komunikáciu typu point-to-point medzi dvoma zariadeniami. Multiplexovanie môže umožniť viacero zariadení na jednej zbernici UART, ale pridáva to zložitosť.

Príklad UART: Arduino a Serial Monitor

Bežným príkladom UART v akcii je použitie Serial Monitor v Arduino IDE. Doska Arduino má vstavané rozhranie UART, ktoré jej umožňuje komunikovať s počítačom cez USB. Nasledujúci úryvok kódu Arduino demonštruje odosielanie dát do Serial Monitor:

void setup() {
  Serial.begin(9600); // Inicializácia sériovej komunikácie pri 9600 baudoch
}

void loop() {
  Serial.println("Hello, world!"); // Odoslanie správy "Hello, world!" do Serial Monitor
  delay(1000); // Počkanie 1 sekundu
}

Tento jednoduchý kód odošle správu "Hello, world!" do Serial Monitor každú sekundu. Funkcia Serial.begin(9600) inicializuje rozhranie UART pri prenosovej rýchlosti 9600, ktorá sa musí zhodovať s nastavením v Serial Monitor.

SPI: Serial Peripheral Interface

SPI (Serial Peripheral Interface) je synchrónny protokol sériovej komunikácie, ktorý sa bežne používa na komunikáciu na krátke vzdialenosti medzi mikrokontrolérmi a perifériami. Je známy svojou vysokou rýchlosťou a relatívne jednoduchými hardvérovými požiadavkami.

Princípy SPI

SPI používa architektúru master-slave, kde jedno zariadenie (master) riadi komunikáciu a jedno alebo viac zariadení (slave) reaguje na príkazy mastera. Zbernica SPI pozostáva zo štyroch hlavných signálov:

MOSI (Master Out Slave In): Dáta prenášané z mastera do slave.
MISO (Master In Slave Out): Dáta prenášané zo slave do mastera.
SCK (Serial Clock): Hodinový signál generovaný masterom, používaný na synchronizáciu prenosu dát.
SS/CS (Slave Select/Chip Select): Signál používaný masterom na výber konkrétneho slave zariadenia, s ktorým sa má komunikovať. Každé slave zariadenie má zvyčajne vlastnú vyhradenú linku SS/CS.

Dáta sa prenášajú synchrónnym spôsobom s hodinovým signálom. Master iniciuje komunikáciu stiahnutím linky SS/CS požadovaného slave zariadenia do nízkeho stavu. Dáta sa potom posúvajú z mastera na linke MOSI a do slave na nábežnej alebo zostupnej hrane signálu SCK. Súčasne sa dáta posúvajú zo slave na linke MISO a do mastera. To umožňuje full-duplexnú komunikáciu, čo znamená, že dáta sa môžu prenášať v oboch smeroch súčasne.

Režimy SPI

SPI má štyri režimy prevádzky, určené dvoma parametrami: Polarita hodín (CPOL) a Fáza hodín (CPHA). Tieto parametre definujú stav signálu SCK, keď je nečinný, a hranu signálu SCK, na ktorej sa dáta vzorkujú a posúvajú.

Režim 0 (CPOL=0, CPHA=0): SCK je nízky, keď je nečinný. Dáta sa vzorkujú na nábežnej hrane a posúvajú sa na zostupnej hrane.
Režim 1 (CPOL=0, CPHA=1): SCK je nízky, keď je nečinný. Dáta sa vzorkujú na zostupnej hrane a posúvajú sa na nábežnej hrane.
Režim 2 (CPOL=1, CPHA=0): SCK je vysoký, keď je nečinný. Dáta sa vzorkujú na zostupnej hrane a posúvajú sa na nábežnej hrane.
Režim 3 (CPOL=1, CPHA=1): SCK je vysoký, keď je nečinný. Dáta sa vzorkujú na nábežnej hrane a posúvajú sa na zostupnej hrane.

Master a slave zariadenia musia byť nakonfigurované na používanie rovnakého režimu SPI pre úspešnú komunikáciu. Ak nie sú, výsledkom budú skreslené dáta alebo zlyhanie komunikácie.

Aplikácie SPI

Pamäťové karty (SD karty, microSD karty): SPI sa často používa na prepojenie s pamäťovými kartami vo vstavaných systémoch.
Senzory: Mnohé senzory, ako sú akcelerometre, gyroskopy a teplotné senzory, používajú SPI na prenos dát.
Displeje: SPI sa bežne používa na ovládanie LCD a OLED displejov.
Analógovo-digitálne prevodníky (ADC) a digitálno-analógové prevodníky (DAC): SPI sa používa na komunikáciu s ADC a DAC pre aplikácie zberu dát a riadenia.
Posuvné registre: SPI sa dá použiť na ovládanie posuvných registrov na rozšírenie počtu digitálnych I/O pinov dostupných na mikrokontroléri.

Výhody SPI

Vysoká rýchlosť: SPI ponúka výrazne vyššie rýchlosti prenosu dát v porovnaní s UART.
Full-duplexná komunikácia: Dáta sa môžu prenášať v oboch smeroch súčasne.
Viacero slave: Jeden master môže komunikovať s viacerými slave zariadeniami.
Relatívne jednoduchý hardware: SPI vyžaduje iba štyri vodiče (plus jeden SS/CS vodič pre každé slave zariadenie).

Nevýhody SPI

Žiadna schéma adresovania: SPI sa spolieha na SS/CS linky na výber slave zariadení, čo môže byť ťažkopádne pri veľkom počte slave.
Krátka vzdialenosť: SPI je vo všeobecnosti obmedzený na krátke vzdialenosti kvôli degradácii signálu pri vyšších rýchlostiach.
Žiadna detekcia chýb: SPI nemá vstavané mechanizmy detekcie chýb. Kontrola chýb sa musí implementovať v softvéri.
Zložitejšia implementácia softvéru: Hoci je hardware relatívne jednoduchý, implementácia softvéru môže byť zložitejšia ako UART, najmä pri práci s viacerými slave a rôznymi režimami SPI.

Príklad SPI: Prepojenie s akcelerometrom

Mnohé akcelerometre, ako napríklad populárny ADXL345, používajú na komunikáciu SPI. Na čítanie údajov o zrýchlení z ADXL345 musí mikrokontrolér (pôsobiaci ako master) odoslať príkaz do akcelerometra (pôsobiaceho ako slave) na čítanie príslušných registrov. Nasledujúci pseudokód ilustruje proces:

Vyberte ADXL345 stiahnutím jeho SS/CS linky do nízkeho stavu.
Odošlite adresu registra, ktorý sa má čítať (napr. adresu údajov o zrýchlení osi X).
Prečítajte dáta z linky MISO (hodnota zrýchlenia osi X).
Zopakujte kroky 2 a 3 pre osi Y a Z.
Zrušte výber ADXL345 stiahnutím jeho SS/CS linky do vysokého stavu.

Špecifické príkazy a adresy registrov sa budú líšiť v závislosti od modelu akcelerometra. Pre presné postupy by sa vždy mal skontrolovať dátový list.

UART vs. SPI: Porovnanie

Tu je tabuľka sumarizujúca kľúčové rozdiely medzi UART a SPI:

Funkcia	UART	SPI
Typ komunikácie	Asynchrónna	Synchrónna
Hodinový signál	Žiadny	Zdieľané hodiny
Počet vodičov	2 (TX, RX)	4 (MOSI, MISO, SCK, SS/CS) + 1 SS/CS na slave
Prenosová rýchlosť	Nižšia	Vyššia
Full-Duplex	Zvyčajne Half-Duplex (hoci niekedy je možné simulovať full duplex so zložitým softvérom)	Full-Duplex
Detekcia chýb	Paritný bit (voliteľný)	Žiadna (vyžaduje implementáciu softvéru)
Počet zariadení	2 (Point-to-Point)	Viacero (Master-Slave)
Zložitosť	Jednoduchšia	Zložitejšia
Vzdialenosť	Dlhšia	Kratšia

Výber správneho protokolu

Výber medzi UART a SPI závisí od špecifických požiadaviek aplikácie. Zvážte nasledujúce faktory:

Prenosová rýchlosť: Ak sa vyžaduje vysokorýchlostný prenos dát, SPI je vo všeobecnosti lepšou voľbou.
Vzdialenosť: Na dlhšie vzdialenosti je vhodnejší UART.
Počet zariadení: Ak viacero zariadení potrebuje komunikovať s jedným masterom, uprednostňuje sa SPI.
Zložitosť: Ak je prioritou jednoduchosť, UART sa ľahšie implementuje.
Detekcia chýb: Ak je detekcia chýb kľúčová, zvážte použitie UART s paritným bitom alebo implementáciu kontroly chýb v softvéri pre SPI.
Dostupný hardware: Niektoré mikrokontroléry môžu mať obmedzenú podporu pre jeden alebo druhý protokol. Pri rozhodovaní zvážte dostupné hardvérové zdroje.

Napríklad v jednoduchej senzorovej aplikácii, kde mikrokontrolér potrebuje čítať dáta z jedného senzora na krátku vzdialenosť, môže byť SPI lepšou voľbou kvôli jeho vyššej rýchlosti. Ak však mikrokontrolér potrebuje komunikovať s počítačom na dlhšiu vzdialenosť na účely ladenia, vhodnejší by bol UART.

Pokročilé úvahy

I2C (Inter-Integrated Circuit)

Hoci sa tento článok zameriava na UART a SPI, je dôležité spomenúť I2C (Inter-Integrated Circuit) ako ďalší bežný protokol sériovej komunikácie. I2C je dvojvodičový protokol, ktorý podporuje viacero master a slave zariadení na rovnakej zbernici. Často sa používa na komunikáciu medzi integrovanými obvodmi na doske s obvodmi. I2C používa adresovanie, na rozdiel od SPI, čo zjednodušuje rozsiahle siete zariadení.

TTL vs. RS-232

Pri práci s UART je dôležité pochopiť rozdiel medzi úrovňami napätia TTL (Transistor-Transistor Logic) a RS-232. Logika TTL používa 0V a 5V (alebo 3,3V) na reprezentáciu logickej nízkej a vysokej úrovne, resp. RS-232 na druhej strane používa napätia ±12V. Priame pripojenie TTL UART k RS-232 UART môže poškodiť zariadenia. Na konverziu medzi úrovňami napätia TTL a RS-232 je potrebný posúvač úrovní (ako napríklad čip MAX232).

Spracovanie chýb

Pretože UART a SPI majú obmedzené mechanizmy detekcie chýb, je dôležité implementovať spracovanie chýb v softvéri. Medzi bežné techniky patria kontrolné súčty, cyklické redundantné kontroly (CRC) a mechanizmy časového limitu.

Záver

UART a SPI sú základné protokoly sériovej komunikácie pre vstavané systémy a ďalšie. UART ponúka jednoduchosť a flexibilitu, vďaka čomu je vhodný na pripojenie mikrokontrolérov k počítačom a iným zariadeniam na väčšie vzdialenosti. SPI poskytuje vysokorýchlostnú komunikáciu pre aplikácie na krátke vzdialenosti, ako napríklad prepojenie so senzormi, pamäťovými kartami a displejmi. Pochopenie princípov, výhod a nevýhod každého protokolu vám umožňuje robiť informované rozhodnutia pri navrhovaní vášho ďalšieho vstavaného systému alebo elektronického projektu. Ako technológia napreduje, bude sa rozširovať aj uplatnenie týchto metód sériovej komunikácie. Neustála adaptácia a učenie zabezpečia, že inžinieri aj nadšenci budú môcť naplno využívať tieto protokoly.