Серійний зв'язок: глибокий аналіз UART та SPI

У світі електроніки та вбудованих систем здатність пристроїв спілкуватися один з одним має першорядне значення. Серійний зв'язок забезпечує надійний та ефективний метод передачі даних між мікроконтролерами, датчиками, периферійними пристроями та навіть комп'ютерами. Два найпоширеніші протоколи послідовного зв'язку - це UART (Universal Asynchronous Receiver/Transmitter) і SPI (Serial Peripheral Interface). Цей вичерпний посібник заглибиться в тонкощі як UART, так і SPI, досліджуючи їх принципи, відмінності, застосування, переваги та недоліки.

Розуміння серійного зв'язку

Серійний зв'язок - це метод передачі даних по одному біту за раз по одному дроту (або кількох проводах для керуючих сигналів), на відміну від паралельного зв'язку, який надсилає кілька бітів одночасно по кількох проводах. Хоча паралельний зв'язок є швидшим на коротких відстанях, серійний зв'язок зазвичай є кращим для більших відстаней і ситуацій, коли мінімізація кількості проводів має вирішальне значення. Це робить його ідеальним для вбудованих систем, де простір і вартість часто є значними обмеженнями.

Асинхронний vs. Синхронний зв'язок

Серійний зв'язок можна широко класифікувати на дві категорії: асинхронний і синхронний. Асинхронний зв'язок, як-от UART, не вимагає спільного тактового сигналу між відправником і одержувачем. Замість цього він покладається на старт- і стоп-біти для кадрування кожного байта даних. Синхронний зв'язок, як-от SPI та I2C, використовує спільний тактовий сигнал для синхронізації передачі даних між пристроями.

UART: Універсальний асинхронний приймач/передавач

UART є широко використовуваним протоколом послідовного зв'язку, головним чином завдяки своїй простоті та гнучкості. Це асинхронний протокол, що означає, що відправник і одержувач не мають спільного тактового сигналу. Це спрощує вимоги до апаратного забезпечення, але вимагає точного часу та попередньо узгодженої швидкості передачі даних (швидкість передачі).

Принципи UART

Зв'язок UART передбачає передачу даних у кадрах, кожен з яких складається з наступного:

• Старт-біт: Вказує на початок нового кадру даних. Зазвичай це низький (0) сигнал.
• Біти даних: Фактичні дані, що передаються, зазвичай 8 бітів (байт), але також можуть бути 5, 6 або 7 бітів.
• Біт парності (необов'язково): Використовується для виявлення помилок. Він може бути парним, непарним або відсутнім.
• Стоп-біт: Вказує на кінець кадру даних. Зазвичай це високий (1) сигнал. Один або два стоп-біти є звичайними.

Відправник і одержувач повинні домовитися про швидкість передачі, біти даних, парність і стоп-біти для успішного зв'язку. Поширені швидкості передачі включають 9600, 115200 та інші. Вища швидкість передачі дозволяє швидше передавати дані, але також підвищує чутливість до помилок часу.

Застосування UART

• Підключення мікроконтролерів до комп'ютерів: UART зазвичай використовується для встановлення послідовного з'єднання між мікроконтролером (наприклад, Arduino або Raspberry Pi) і комп'ютером для програмування, налагодження та реєстрації даних.
• GPS-модулі: Багато GPS-модулів використовують UART для передачі даних про місцезнаходження на головний мікроконтролер або комп'ютер.
• Bluetooth-модулі: Bluetooth-модулі часто використовують UART як інтерфейс зв'язку з мікроконтролером.
• Серійні принтери: Старі серійні принтери використовують UART для отримання команд друку та даних.
• Виведення на консоль: Вбудовані системи часто використовують UART для виведення налагоджувальної інформації та повідомлень про стан на серійну консоль.

Переваги UART

• Простота: UART відносно простий у реалізації як в апаратному, так і в програмному забезпеченні.
• Гнучкість: UART підтримує різні швидкості передачі даних, довжину бітів даних і параметри парності.
• Широка підтримка: UART є широко підтримуваним стандартом з легкодоступними апаратними та програмними реалізаціями.
• Не потрібен тактовий сигнал: Це зменшує кількість необхідних проводів.

Недоліки UART

• Нижча швидкість: Порівняно з синхронними протоколами, такими як SPI, UART зазвичай має нижчу швидкість передачі даних.
• Схильність до помилок: Без надійного тактового сигналу UART більш сприйнятливий до помилок часу та пошкодження даних. Хоча біт парності може допомогти, він не гарантує безпомилкового зв'язку.
• Обмежено двома пристроями: UART в основному призначений для зв'язку точка-точка між двома пристроями. Мультиплексування може дозволити кільком пристроям на одній шині UART, але це додає складності.

Приклад UART: Arduino та Serial Monitor

Поширеним прикладом UART в дії є використання Serial Monitor в Arduino IDE. Плата Arduino має вбудований інтерфейс UART, який дозволяє їй спілкуватися з комп'ютером через USB. Наступний фрагмент коду Arduino демонструє надсилання даних до Serial Monitor:

void setup() {
  Serial.begin(9600); // Ініціалізувати серійний зв'язок зі швидкістю 9600 бод
}

void loop() {
  Serial.println("Hello, world!"); // Надіслати повідомлення "Hello, world!" до Serial Monitor
  delay(1000); // Зачекати 1 секунду
}

Цей простий код надсилає повідомлення "Hello, world!" до Serial Monitor кожну секунду. Функція Serial.begin(9600) ініціалізує інтерфейс UART зі швидкістю 9600 бод, яка має відповідати налаштуванню в Serial Monitor.

SPI: Serial Peripheral Interface

SPI (Serial Peripheral Interface) - це синхронний протокол послідовного зв'язку, який зазвичай використовується для зв'язку на короткі відстані між мікроконтролерами та периферійними пристроями. Він відомий своєю високою швидкістю і відносно простими вимогами до апаратного забезпечення.

Принципи SPI

SPI використовує архітектуру master-slave, де один пристрій (master) контролює зв'язок, а один або кілька пристроїв (slaves) відповідають на команди master. Шина SPI складається з чотирьох основних сигналів:

• MOSI (Master Out Slave In): Дані, що передаються від master до slave.
• MISO (Master In Slave Out): Дані, що передаються від slave до master.
• SCK (Serial Clock): Тактовий сигнал, що генерується master, використовується для синхронізації передачі даних.
• SS/CS (Slave Select/Chip Select): Сигнал, який використовується master для вибору певного slave-пристрою для зв'язку. Кожен slave-пристрій зазвичай має власну виділену лінію SS/CS.

Дані передаються синхронно з тактовим сигналом. Master ініціює зв'язок, опускаючи лінію SS/CS бажаного slave-пристрою в низький стан. Потім дані виводяться з master по лінії MOSI і вводяться в slave по висхідному або низхідному фронту сигналу SCK. Одночасно дані виводяться з slave по лінії MISO і вводяться в master. Це дозволяє здійснювати повнодуплексний зв'язок, тобто дані можуть передаватися в обох напрямках одночасно.

Режими SPI

SPI має чотири режими роботи, які визначаються двома параметрами: Clock Polarity (CPOL) і Clock Phase (CPHA). Ці параметри визначають стан сигналу SCK у стані спокою та фронт сигналу SCK, на якому вибірка та зсув даних здійснюється.

• Режим 0 (CPOL=0, CPHA=0): SCK низький у стані спокою. Дані вибірково знімаються на висхідному фронті та зсуваються на низхідному фронті.
• Режим 1 (CPOL=0, CPHA=1): SCK низький у стані спокою. Дані вибірково знімаються на низхідному фронті та зсуваються на висхідному фронті.
• Режим 2 (CPOL=1, CPHA=0): SCK високий у стані спокою. Дані вибірково знімаються на низхідному фронті та зсуваються на висхідному фронті.
• Режим 3 (CPOL=1, CPHA=1): SCK високий у стані спокою. Дані вибірково знімаються на висхідному фронті та зсуваються на низхідному фронті.

Master і slave-пристрої повинні бути налаштовані на використання одного й того ж режиму SPI для успішного зв'язку. Якщо це не так, результатом будуть спотворені дані або збій зв'язку.

Застосування SPI

• Карти пам'яті (SD-карти, microSD-карти): SPI часто використовується для з'єднання з картами пам'яті у вбудованих системах.
• Датчики: Багато датчиків, такі як акселерометри, гіроскопи та датчики температури, використовують SPI для передачі даних.
• Дисплеї: SPI зазвичай використовується для керування РК- та OLED-дисплеями.
• Аналого-цифрові перетворювачі (АЦП) і цифро-аналогові перетворювачі (ЦАП): SPI використовується для зв'язку з АЦП і ЦАП для збору даних і керування.
• Регістри зсуву: SPI можна використовувати для керування регістрами зсуву, щоб розширити кількість цифрових контактів вводу-виводу, доступних на мікроконтролері.

Переваги SPI

• Висока швидкість: SPI пропонує значно вищу швидкість передачі даних порівняно з UART.
• Повнодуплексний зв'язок: Дані можуть передаватися в обох напрямках одночасно.
• Кілька slave-пристроїв: Один master може спілкуватися з кількома slave-пристроями.
• Відносно просте апаратне забезпечення: SPI вимагає лише чотири дроти (плюс одна лінія SS/CS на slave-пристрій).

Недоліки SPI

• Відсутність схеми адресації: SPI покладається на лінії SS/CS для вибору slave-пристроїв, що може стати громіздким при великій кількості slave-пристроїв.
• Коротка відстань: SPI зазвичай обмежується короткими відстанями через погіршення сигналу на вищих швидкостях.
• Відсутність виявлення помилок: SPI не має вбудованих механізмів виявлення помилок. Перевірка помилок має бути реалізована в програмному забезпеченні.
• Більш складна реалізація програмного забезпечення: Хоча апаратне забезпечення відносно просте, реалізація програмного забезпечення може бути складнішою, ніж UART, особливо при роботі з кількома slave-пристроями та різними режимами SPI.

Приклад SPI: З'єднання з акселерометром

Багато акселерометрів, такі як популярний ADXL345, використовують SPI для зв'язку. Щоб зчитати дані про прискорення з ADXL345, мікроконтролер (який діє як master) повинен надіслати команду акселерометру (який діє як slave) для зчитування відповідних регістрів. Наступний псевдокод ілюструє процес:

1. Виберіть ADXL345, опустивши його лінію SS/CS в низький стан.
2. Надішліть адресу регістру для зчитування (наприклад, адресу даних про прискорення по осі X).
3. Зчитайте дані з лінії MISO (значення прискорення по осі X).
4. Повторіть кроки 2 і 3 для осей Y і Z.
5. Відмініть вибір ADXL345, піднявши його лінію SS/CS у високий стан.

Конкретні команди та адреси регістрів будуть відрізнятися залежно від моделі акселерометра. Завжди слід переглядати технічний опис для отримання точних процедур.

UART vs. SPI: Порівняння

Ось таблиця, що підсумовує ключові відмінності між UART і SPI:

Функція	UART	SPI
Тип зв'язку	Асинхронний	Синхронний
Тактовий сигнал	Відсутній	Спільний тактовий сигнал
Кількість проводів	2 (TX, RX)	4 (MOSI, MISO, SCK, SS/CS) + 1 SS/CS на slave
Швидкість передачі даних	Нижча	Вища
Повний дуплекс	Зазвичай напівдуплекс (хоча іноді можна імітувати повний дуплекс за допомогою складного програмного забезпечення)	Повний дуплекс
Виявлення помилок	Біт парності (необов'язково)	Відсутнє (потребує реалізації програмного забезпечення)
Кількість пристроїв	2 (точка-точка)	Кілька (Master-Slave)
Складність	Простіший	Більш складний
Відстань	Більша	Коротша

Вибір правильного протоколу

Вибір між UART і SPI залежить від конкретних вимог застосування. Врахуйте наступні фактори:

• Швидкість передачі даних: Якщо потрібна високошвидкісна передача даних, SPI зазвичай є кращим вибором.
• Відстань: Для більших відстаней UART є більш придатним.
• Кількість пристроїв: Якщо кільком пристроям потрібно спілкуватися з одним master, SPI є кращим.
• Складність: Якщо простота є пріоритетом, UART легше реалізувати.
• Виявлення помилок: Якщо виявлення помилок має вирішальне значення, розгляньте можливість використання UART з бітом парності або реалізації перевірки помилок у програмному забезпеченні для SPI.
• Доступне апаратне забезпечення: Деякі мікроконтролери можуть мати обмежену підтримку одного протоколу або іншого. Врахуйте доступні апаратні ресурси при прийнятті рішення.

Наприклад, у простій програмі з датчиком, де мікроконтролеру потрібно зчитувати дані з одного датчика на короткій відстані, SPI може бути кращим варіантом через його вищу швидкість. Однак, якщо мікроконтролеру потрібно спілкуватися з комп'ютером на більшій відстані для налагодження, UART буде більш доречним.

Розширені міркування

I2C (Inter-Integrated Circuit)

Хоча ця стаття зосереджується на UART і SPI, важливо згадати I2C (Inter-Integrated Circuit) як ще один поширений протокол послідовного зв'язку. I2C - це двопровідний протокол, який підтримує кілька master і slave-пристроїв на одній шині. Він часто використовується для зв'язку між інтегральними схемами на друкованій платі. I2C використовує адресацію, на відміну від SPI, спрощуючи великі мережі пристроїв.

TTL vs. RS-232

При роботі з UART важливо розуміти різницю між рівнями напруги TTL (Transistor-Transistor Logic) і RS-232. Логіка TTL використовує 0 В і 5 В (або 3,3 В) для представлення логічного низького та високого рівнів відповідно. З іншого боку, RS-232 використовує напруги ±12 В. Безпосереднє підключення TTL UART до RS-232 UART може пошкодити пристрої. Для перетворення між рівнями напруги TTL і RS-232 потрібен зсувний рівень (наприклад, чіп MAX232).

Обробка помилок

Оскільки UART і SPI мають обмежені механізми виявлення помилок, важливо реалізувати обробку помилок у програмному забезпеченні. Поширені методи включають контрольні суми, циклічні надлишкові перевірки (CRC) і механізми тайм-ауту.

Висновок

UART і SPI є важливими протоколами послідовного зв'язку для вбудованих систем і не тільки. UART пропонує простоту та гнучкість, що робить його придатним для підключення мікроконтролерів до комп'ютерів та інших пристроїв на більші відстані. SPI забезпечує високошвидкісний зв'язок для застосувань на короткі відстані, таких як з'єднання з датчиками, картами пам'яті та дисплеями. Розуміння принципів, переваг і недоліків кожного протоколу дозволяє приймати обґрунтовані рішення при проектуванні вашої наступної вбудованої системи або електронного проекту. З розвитком технологій розвиватиметься і застосування цих методів послідовного зв'язку. Постійна адаптація та навчання гарантуватимуть, що інженери та любителі зможуть використовувати ці протоколи в повній мірі.