Seriekommunikation förklarad: En djupdykning i UART och SPI

I världen av elektronik och inbyggda system är förmågan för enheter att kommunicera med varandra av yttersta vikt. Seriekommunikation erbjuder en pålitlig och effektiv metod för att överföra data mellan mikrokontroller, sensorer, kringutrustning och till och med datorer. Två av de vanligaste seriekommunikationsprotokollen är UART (Universal Asynchronous Receiver/Transmitter) och SPI (Serial Peripheral Interface). Denna omfattande guide kommer att fördjupa sig i krångligheterna hos både UART och SPI, utforska deras principer, skillnader, applikationer, fördelar och nackdelar.

Förstå seriekommunikation

Seriekommunikation är en metod för att överföra data en bit i taget över en enda tråd (eller några trådar för styrsignaler), i motsats till parallell kommunikation, som skickar flera bitar samtidigt över flera trådar. Medan parallell kommunikation är snabbare för korta avstånd, föredras seriekommunikation generellt för längre avstånd och situationer där minimering av antalet trådar är avgörande. Detta gör den idealisk för inbyggda system, där utrymme och kostnad ofta är betydande begränsningar.

Asynkron vs. Synkron kommunikation

Seriekommunikation kan i stort sett klassificeras i två kategorier: asynkron och synkron. Asynkron kommunikation, som UART, kräver ingen delad klocksignal mellan sändare och mottagare. Istället förlitar den sig på start- och stoppbitar för att rama in varje byte av data. Synkron kommunikation, som SPI och I2C, använder en delad klocksignal för att synkronisera dataöverföringen mellan enheter.

UART: Universal Asynchronous Receiver/Transmitter

UART är ett brett använt seriekommunikationsprotokoll främst på grund av dess enkelhet och flexibilitet. Det är ett asynkront protokoll, vilket innebär att sändaren och mottagaren inte delar en gemensam klocksignal. Detta förenklar hårdvarukraven men kräver exakt timing och en förutbestämd datahastighet (baud rate).

UART-principer

UART-kommunikation innebär att data överförs i ramar, där varje ram består av följande:

Startbit: Indikerar början av en ny dataram. Det är typiskt en låg (0) signal.
Datatabitar: Den faktiska data som överförs, vanligtvis 8 bitar (en byte), men kan också vara 5, 6 eller 7 bitar.
Paritetsbit (valfritt): Används för feldetektering. Den kan vara jämn, udda eller ingen.
Stoppbit: Indikerar slutet på dataramen. Det är typiskt en hög (1) signal. En eller två stoppbitar är vanliga.

Sändaren och mottagaren måste överenskomma om baudhastighet, databitar, paritet och stoppbitar för framgångsrik kommunikation. Vanliga baudhastigheter inkluderar 9600, 115200 och andra. En högre baudhastighet möjliggör snabbare dataöverföring men ökar också känsligheten för tidsfel.

UART-applikationer

Ansluta mikrokontroller till datorer: UART används ofta för att upprätta en serieanslutning mellan en mikrokontroller (som en Arduino eller Raspberry Pi) och en dator för programmering, felsökning och datalogging.
GPS-moduler: Många GPS-moduler använder UART för att överföra platsdata till en värdmikrokontroller eller dator.
Bluetooth-moduler: Bluetooth-moduler använder ofta UART som kommunikationsgränssnitt med en mikrokontroller.
Serieprinters: Äldre serieprinters använder UART för att ta emot utskriftskommandon och data.
Konsolutdata: Inbyggda system använder ofta UART för att mata ut felsökningsinformation och statusmeddelanden till en seriekonsol.

UART-fördelar

Enkelhet: UART är relativt enkelt att implementera i både hårdvara och mjukvara.
Flexibilitet: UART stöder olika datahastigheter, databitslängder och paritetsalternativ.
Brett stöd: UART är en allmänt stödd standard med lättillgängliga hårdvaru- och mjukvaruimplementationer.
Ingen klocksignal krävs: Detta minskar antalet ledningar som behövs.

UART-nackdelar

Lägre hastighet: Jämfört med synkrona protokoll som SPI har UART typiskt en lägre dataöverföringshastighet.
Felkänslighet: Utan en pålitlig klocksignal är UART mer känsligt för tidsfel och datakorruption. Även om en paritetsbit kan hjälpa, garanterar den inte felfri kommunikation.
Begränsat till två enheter: UART är primärt utformat för punkt-till-punkt-kommunikation mellan två enheter. Multiplexing kan tillåta flera enheter på en enda UART-buss, men det lägger till komplexitet.

UART-exempel: Arduino och Serial Monitor

Ett vanligt exempel på UART i praktiken är att använda Serial Monitor i Arduino IDE. Arduino-kortet har ett inbyggt UART-gränssnitt som gör att det kan kommunicera med datorn via USB. Följande Arduino-kodutdrag visar hur man skickar data till Serial Monitor:

void setup() {
  Serial.begin(9600); // Initiera seriekommunikation vid 9600 baud
}

void loop() {
  Serial.println("Hello, world!"); // Skicka meddelandet "Hello, world!" till Serial Monitor
  delay(1000); // Vänta i 1 sekund
}

Denna enkla kod skickar meddelandet "Hello, world!" till Serial Monitor varje sekund. Funktionen Serial.begin(9600) initierar UART-gränssnittet med en baudhastighet på 9600, vilket måste matcha inställningen i Serial Monitor.

SPI: Serial Peripheral Interface

SPI (Serial Peripheral Interface) är ett synkront seriekommunikationsprotokoll som vanligtvis används för kortdistanskommunikation mellan mikrokontroller och kringutrustning. Det är känt för sin höga hastighet och relativt enkla hårdvarukrav.

SPI-principer

SPI använder en master-slav-arkitektur, där en enhet (mastern) styr kommunikationen och en eller flera enheter (slavarna) svarar på masterns kommandon. SPI-bussen består av fyra huvudsakliga signaler:

MOSI (Master Out Slave In): Data som överförs från mastern till slaven.
MISO (Master In Slave Out): Data som överförs från slaven till mastern.
SCK (Serial Clock): Klocksignalen som genereras av mastern, används för att synkronisera dataöverföring.
SS/CS (Slave Select/Chip Select): En signal som används av mastern för att välja en specifik slavenhet att kommunicera med. Varje slavenhet har typiskt sin egen dedikerade SS/CS-linje.

Data överförs synkront med klocksignalen. Mastern initierar kommunikation genom att dra ner SS/CS-linjen för den önskade slaven till låg nivå. Data skiftas sedan ut från mastern på MOSI-linjen och in i slaven vid den stigande eller fallande kanten av SCK-signalen. Samtidigt skiftas data ut från slaven på MISO-linjen och in i mastern. Detta möjliggör full-duplex kommunikation, vilket innebär att data kan överföras i båda riktningarna samtidigt.

SPI-lägen

SPI har fyra driftlägen, bestämda av två parametrar: Klockpolaritet (CPOL) och Klockfas (CPHA). Dessa parametrar definierar tillståndet för SCK-signalen när den är inaktiv och kanten av SCK-signalen på vilken data samplas och skiftas.

Läge 0 (CPOL=0, CPHA=0): SCK är låg när inaktiv. Data samplas vid stigande kant och skiftas vid fallande kant.
Läge 1 (CPOL=0, CPHA=1): SCK är låg när inaktiv. Data samplas vid fallande kant och skiftas vid stigande kant.
Läge 2 (CPOL=1, CPHA=0): SCK är hög när inaktiv. Data samplas vid fallande kant och skiftas vid stigande kant.
Läge 3 (CPOL=1, CPHA=1): SCK är hög när inaktiv. Data samplas vid stigande kant och skiftas vid fallande kant.

Master- och slavenheterna måste konfigureras för att använda samma SPI-läge för framgångsrik kommunikation. Om de inte är det, kommer korrupt data eller kommunikationsfel att uppstå.

SPI-applikationer

Minneskort (SD-kort, microSD-kort): SPI används ofta för att kommunicera med minneskort i inbyggda system.
Sensorer: Många sensorer, såsom accelerometrar, gyroskop och temperatursensorer, använder SPI för dataöverföring.
Display: SPI används vanligtvis för att styra LCD- och OLED-displayer.
Analog-till-digital-omvandlare (ADC) och digital-till-analog-omvandlare (DAC): SPI används för att kommunicera med ADC och DAC för datainsamlings- och kontrollapplikationer.
Skiftregister: SPI kan användas för att styra skiftregister för att utöka antalet digitala I/O-stift som är tillgängliga på en mikrokontroller.

SPI-fördelar

Hög hastighet: SPI erbjuder betydligt högre dataöverföringshastigheter jämfört med UART.
Full-duplex kommunikation: Data kan överföras i båda riktningarna samtidigt.
Flera slavar: En enda master kan kommunicera med flera slavenheter.
Relativt enkel hårdvara: SPI kräver endast fyra ledningar (plus en SS/CS-linje per slavenhet).

SPI-nackdelar

Inget adresseringsschema: SPI förlitar sig på SS/CS-linjerna för att välja slavenheter, vilket kan bli omständligt med ett stort antal slavar.
Kort avstånd: SPI är generellt begränsat till korta avstånd på grund av signalförsämring vid högre hastigheter.
Ingen feldetektering: SPI har inga inbyggda feldetekteringsmekanismer. Felkontroll måste implementeras i programvara.
Mer komplex programvaruimplementering: Även om hårdvaran är relativt enkel, kan programvaruimplementeringen vara mer komplex än UART, särskilt när man hanterar flera slavar och olika SPI-lägen.

SPI-exempel: Gränssnitt med en accelerometer

Många accelerometrar, som den populära ADXL345, använder SPI för kommunikation. För att läsa accelerationsdata från ADXL345 måste mikrokontrollern (som agerar master) skicka ett kommando till accelerometern (som agerar slav) för att läsa lämpliga register. Följande pseudokod illustrerar processen:

Välj ADXL345 genom att dra dess SS/CS-linje låg.
Skicka registeradressen som ska läsas (t.ex. adressen för X-axelns accelerationsdata).
Läs data från MISO-linjen (X-axelns accelerationsvärde).
Upprepa steg 2 och 3 för Y- och Z-axlarna.
Avmarkera ADXL345 genom att dra dess SS/CS-linje hög.

De specifika kommandona och registeradresserna varierar beroende på accelerometermodellen. Databladet bör alltid granskas för exakta procedurer.

UART vs. SPI: En jämförelse

Här är en tabell som sammanfattar de viktigaste skillnaderna mellan UART och SPI:

Funktion	UART	SPI
Kommunikationstyp	Asynkron	Synkron
Klocksignal	Ingen	Delad klocka
Antal ledningar	2 (TX, RX)	4 (MOSI, MISO, SCK, SS/CS) + 1 SS/CS per slav
Datahastighet	Lägre	Högre
Full-duplex	Typiskt halv-duplex (även om det ibland kan simulera full duplex med komplex mjukvara)	Full-duplex
Feldetektering	Paritetsbit (valfritt)	Ingen (kräver mjukvaruimplementering)
Antal enheter	2 (Punkt-till-punkt)	Flera (Master-Slav)
Komplexitet	Enklare	Mer komplex
Avstånd	Längre	Kortare

Att välja rätt protokoll

Valet mellan UART och SPI beror på de specifika applikationskraven. Överväg följande faktorer:

Datahastighet: Om höghastighetsdataöverföring krävs är SPI generellt det bättre valet.
Avstånd: För längre avstånd är UART mer lämpligt.
Antal enheter: Om flera enheter behöver kommunicera med en enda master, föredras SPI.
Komplexitet: Om enkelhet är en prioritet är UART lättare att implementera.
Feldetektering: Om feldetektering är avgörande, överväg att använda UART med en paritetsbit eller implementera felkontroll i mjukvara för SPI.
Tillgänglig hårdvara: Vissa mikrokontroller kan ha begränsat stöd för ett protokoll eller det andra. Överväg tillgängliga hårdvaruresurser när du fattar ditt beslut.

Till exempel, i en enkel sensorapplikation där en mikrokontroller behöver läsa data från en enda sensor över ett kort avstånd, kan SPI vara det bättre alternativet på grund av dess högre hastighet. Men om mikrokontrollern behöver kommunicera med en dator över ett längre avstånd för felsökningsändamål, skulle UART vara mer lämpligt.

Avancerade överväganden

I2C (Inter-Integrated Circuit)

Medan denna artikel fokuserar på UART och SPI, är det viktigt att nämna I2C (Inter-Integrated Circuit) som ett annat vanligt seriekommunikationsprotokoll. I2C är ett tvåtrådsprotokoll som stöder flera master- och slavenheter på samma buss. Det används ofta för kommunikation mellan integrerade kretsar på ett kretskort. I2C använder adressering, till skillnad från SPI, vilket förenklar stora nätverk av enheter.

TTL vs. RS-232

När du arbetar med UART är det viktigt att förstå skillnaden mellan TTL (Transistor-Transistor Logic) och RS-232 spänningsnivåer. TTL-logik använder 0V och 5V (eller 3.3V) för att representera logisk låg respektive hög. RS-232, å andra sidan, använder spänningar på ±12V. Direkt anslutning av en TTL UART till en RS-232 UART kan skada enheterna. En nivåomvandlare (som en MAX232-krets) behövs för att konvertera mellan TTL- och RS-232-spänningsnivåer.

Hantera fel

Eftersom UART och SPI har begränsade feldetekteringsmekanismer är det viktigt att implementera felhantering i programvara. Vanliga tekniker inkluderar kontrollsummor, cykliska redundanskontroller (CRC) och tidsgränsmekanismer.

Slutsats

UART och SPI är essentiella seriekommunikationsprotokoll för inbyggda system och mer. UART erbjuder enkelhet och flexibilitet, vilket gör det lämpligt för att ansluta mikrokontroller till datorer och andra enheter över längre avstånd. SPI tillhandahåller höghastighetskommunikation för kortdistansapplikationer, såsom gränssnitt med sensorer, minneskort och displayer. Att förstå principerna, fördelarna och nackdelarna med varje protokoll gör att du kan fatta välgrundade beslut när du designar ditt nästa inbyggda system eller elektronikprojekt. I takt med att tekniken utvecklas, kommer även tillämpningen av dessa seriekommunikationsmetoder att göra det. Kontinuerlig anpassning och lärande kommer att säkerställa att ingenjörer och hobbyister kan utnyttja dessa protokoll till sin fulla potential.