Giao tiếp nối tiếp được làm rõ: Đi sâu vào UART và SPI

Trong thế giới điện tử và hệ thống nhúng, khả năng giao tiếp giữa các thiết bị là tối quan trọng. Giao tiếp nối tiếp cung cấp một phương pháp đáng tin cậy và hiệu quả để truyền dữ liệu giữa các vi điều khiển, cảm biến, thiết bị ngoại vi và thậm chí cả máy tính. Hai trong số các giao thức truyền thông nối tiếp phổ biến nhất là UART (Universal Asynchronous Receiver/Transmitter) và SPI (Serial Peripheral Interface). Hướng dẫn toàn diện này sẽ đi sâu vào các chi tiết phức tạp của cả UART và SPI, khám phá nguyên tắc, sự khác biệt, ứng dụng, ưu và nhược điểm của chúng.

Hiểu về Giao tiếp nối tiếp

Giao tiếp nối tiếp là một phương pháp truyền dữ liệu từng bit một qua một dây dẫn duy nhất (hoặc một vài dây cho tín hiệu điều khiển), trái ngược với giao tiếp song song, truyền nhiều bit đồng thời qua nhiều dây dẫn. Mặc dù giao tiếp song song nhanh hơn cho khoảng cách ngắn, giao tiếp nối tiếp thường được ưa chuộng cho khoảng cách xa hơn và các tình huống mà việc giảm thiểu số lượng dây dẫn là rất quan trọng. Điều này làm cho nó trở nên lý tưởng cho các hệ thống nhúng, nơi không gian và chi phí thường là những hạn chế đáng kể.

Giao tiếp không đồng bộ và đồng bộ

Giao tiếp nối tiếp có thể được phân loại rộng rãi thành hai loại: không đồng bộ và đồng bộ. Giao tiếp không đồng bộ, như UART, không yêu cầu tín hiệu xung nhịp chung giữa bộ gửi và bộ nhận. Thay vào đó, nó dựa vào các bit bắt đầu và dừng để đóng khung mỗi byte dữ liệu. Giao tiếp đồng bộ, như SPI và I2C, sử dụng tín hiệu xung nhịp chung để đồng bộ hóa việc truyền dữ liệu giữa các thiết bị.

UART: Universal Asynchronous Receiver/Transmitter

UART là một giao thức truyền thông nối tiếp được sử dụng rộng rãi chủ yếu vì sự đơn giản và linh hoạt của nó. Đây là một giao thức không đồng bộ, có nghĩa là bộ gửi và bộ nhận không chia sẻ tín hiệu xung nhịp chung. Điều này đơn giản hóa các yêu cầu phần cứng nhưng đòi hỏi thời gian chính xác và tốc độ dữ liệu đã thỏa thuận trước (tốc độ baud).

Nguyên tắc UART

Giao tiếp UART bao gồm việc truyền dữ liệu theo các khung, mỗi khung bao gồm các yếu tố sau:

Bit bắt đầu: Chỉ ra sự bắt đầu của một khung dữ liệu mới. Thông thường là tín hiệu mức thấp (0).
Bit dữ liệu: Dữ liệu thực tế đang được truyền, thường là 8 bit (một byte), nhưng cũng có thể là 5, 6 hoặc 7 bit.
Bit kiểm tra chẵn lẻ (Tùy chọn): Được sử dụng để phát hiện lỗi. Nó có thể là chẵn, lẻ hoặc không có.
Bit dừng: Chỉ ra sự kết thúc của khung dữ liệu. Thông thường là tín hiệu mức cao (1). Một hoặc hai bit dừng là phổ biến.

Bộ gửi và bộ nhận phải thống nhất về tốc độ baud, bit dữ liệu, kiểm tra chẵn lẻ và bit dừng để giao tiếp thành công. Các tốc độ baud phổ biến bao gồm 9600, 115200 và các tốc độ khác. Tốc độ baud cao hơn cho phép truyền dữ liệu nhanh hơn nhưng cũng làm tăng độ nhạy với các lỗi thời gian.

Ứng dụng UART

Kết nối Vi điều khiển với Máy tính: UART thường được sử dụng để thiết lập kết nối nối tiếp giữa vi điều khiển (như Arduino hoặc Raspberry Pi) và máy tính để lập trình, gỡ lỗi và ghi nhật ký dữ liệu.
Mô-đun GPS: Nhiều mô-đun GPS sử dụng UART để truyền dữ liệu vị trí tới vi điều khiển hoặc máy tính chủ.
Mô-đun Bluetooth: Các mô-đun Bluetooth thường sử dụng UART làm giao diện giao tiếp với vi điều khiển.
Máy in nối tiếp: Các máy in nối tiếp cũ hơn sử dụng UART để nhận lệnh và dữ liệu in.
Đầu ra Console: Các hệ thống nhúng thường sử dụng UART để xuất thông tin gỡ lỗi và thông báo trạng thái tới console nối tiếp.

Ưu điểm của UART

Đơn giản: UART tương đối đơn giản để triển khai cả về phần cứng và phần mềm.
Linh hoạt: UART hỗ trợ nhiều tốc độ dữ liệu, độ dài bit dữ liệu và tùy chọn kiểm tra chẵn lẻ.
Hỗ trợ rộng rãi: UART là một tiêu chuẩn được hỗ trợ rộng rãi với các triển khai phần cứng và phần mềm sẵn có.
Không yêu cầu tín hiệu xung nhịp: Điều này làm giảm số lượng dây cần thiết.

Nhược điểm của UART

Tốc độ thấp hơn: So với các giao thức đồng bộ như SPI, UART thường có tốc độ truyền dữ liệu thấp hơn.
Dễ bị lỗi: Không có tín hiệu xung nhịp đáng tin cậy, UART dễ bị lỗi thời gian và hỏng dữ liệu hơn. Mặc dù bit kiểm tra chẵn lẻ có thể giúp ích, nhưng nó không đảm bảo giao tiếp không lỗi.
Giới hạn ở hai thiết bị: UART chủ yếu được thiết kế cho giao tiếp điểm-tới-điểm giữa hai thiết bị. Việc đa nhiệm có thể cho phép nhiều thiết bị trên một bus UART, nhưng nó làm tăng thêm sự phức tạp.

Ví dụ UART: Arduino và Serial Monitor

Một ví dụ phổ biến về UART hoạt động là sử dụng Serial Monitor trong Arduino IDE. Bo mạch Arduino có giao diện UART tích hợp cho phép nó giao tiếp với máy tính qua USB. Đoạn mã Arduino sau đây minh họa việc gửi dữ liệu tới Serial Monitor:

void setup() {
  Serial.begin(9600); // Khởi tạo giao tiếp nối tiếp ở tốc độ 9600 baud
}

void loop() {
  Serial.println("Hello, world!"); // Gửi thông báo "Hello, world!" tới Serial Monitor
  delay(1000); // Chờ 1 giây
}

Mã đơn giản này gửi thông báo "Hello, world!" tới Serial Monitor mỗi giây. Hàm Serial.begin(9600) khởi tạo giao diện UART ở tốc độ baud 9600, tốc độ này phải khớp với cài đặt trong Serial Monitor.

SPI: Serial Peripheral Interface

SPI (Serial Peripheral Interface) là một giao thức truyền thông nối tiếp đồng bộ thường được sử dụng cho giao tiếp khoảng cách ngắn giữa các vi điều khiển và thiết bị ngoại vi. Nó nổi tiếng với tốc độ cao và yêu cầu phần cứng tương đối đơn giản.

Nguyên tắc SPI

SPI sử dụng kiến trúc chủ-tớ, trong đó một thiết bị (chủ) kiểm soát giao tiếp và một hoặc nhiều thiết bị (tớ) phản hồi các lệnh của chủ. Bus SPI bao gồm bốn tín hiệu chính:

MOSI (Master Out Slave In): Dữ liệu được truyền từ chủ đến tớ.
MISO (Master In Slave Out): Dữ liệu được truyền từ tớ đến chủ.
SCK (Serial Clock): Tín hiệu xung nhịp do chủ tạo ra, được sử dụng để đồng bộ hóa việc truyền dữ liệu.
SS/CS (Slave Select/Chip Select): Một tín hiệu được chủ sử dụng để chọn một thiết bị tớ cụ thể để giao tiếp. Mỗi thiết bị tớ thường có một đường SS/CS riêng.

Dữ liệu được truyền đồng bộ với tín hiệu xung nhịp. Chủ khởi tạo giao tiếp bằng cách kéo đường SS/CS của tớ mong muốn xuống mức thấp. Sau đó, dữ liệu được dịch chuyển ra khỏi chủ trên đường MOSI và vào tớ trên cạnh lên hoặc xuống của tín hiệu SCK. Đồng thời, dữ liệu được dịch chuyển ra khỏi tớ trên đường MISO và vào chủ. Điều này cho phép giao tiếp song công hoàn toàn, nghĩa là dữ liệu có thể được truyền theo cả hai hướng đồng thời.

Chế độ SPI

SPI có bốn chế độ hoạt động, được xác định bởi hai tham số: Phân cực xung nhịp (CPOL) và Pha xung nhịp (CPHA). Các tham số này xác định trạng thái của tín hiệu SCK khi không hoạt động và cạnh của tín hiệu SCK mà dữ liệu được lấy mẫu và dịch chuyển.

Chế độ 0 (CPOL=0, CPHA=0): SCK ở mức thấp khi không hoạt động. Dữ liệu được lấy mẫu ở cạnh lên và dịch chuyển ở cạnh xuống.
Chế độ 1 (CPOL=0, CPHA=1): SCK ở mức thấp khi không hoạt động. Dữ liệu được lấy mẫu ở cạnh xuống và dịch chuyển ở cạnh lên.
Chế độ 2 (CPOL=1, CPHA=0): SCK ở mức cao khi không hoạt động. Dữ liệu được lấy mẫu ở cạnh xuống và dịch chuyển ở cạnh lên.
Chế độ 3 (CPOL=1, CPHA=1): SCK ở mức cao khi không hoạt động. Dữ liệu được lấy mẫu ở cạnh lên và dịch chuyển ở cạnh xuống.

Các thiết bị chủ và tớ phải được cấu hình để sử dụng cùng một chế độ SPI để giao tiếp thành công. Nếu không, dữ liệu bị lỗi hoặc lỗi giao tiếp sẽ xảy ra.

Ứng dụng SPI

Thẻ nhớ (Thẻ SD, Thẻ microSD): SPI thường được sử dụng để giao tiếp với thẻ nhớ trong các hệ thống nhúng.
Cảm biến: Nhiều cảm biến, chẳng hạn như gia tốc kế, con quay hồi chuyển và cảm biến nhiệt độ, sử dụng SPI để truyền dữ liệu.
Màn hình: SPI thường được sử dụng để điều khiển màn hình LCD và OLED.
Bộ chuyển đổi Analog-sang-Digital (ADC) và Bộ chuyển đổi Digital-sang-Analog (DAC): SPI được sử dụng để giao tiếp với ADC và DAC cho các ứng dụng thu thập dữ liệu và điều khiển.
Thanh ghi dịch: SPI có thể được sử dụng để điều khiển các thanh ghi dịch nhằm mở rộng số lượng chân I/O kỹ thuật số có sẵn trên vi điều khiển.

Ưu điểm của SPI

Tốc độ cao: SPI cung cấp tốc độ truyền dữ liệu cao hơn đáng kể so với UART.
Giao tiếp song công hoàn toàn: Dữ liệu có thể được truyền theo cả hai hướng đồng thời.
Nhiều thiết bị tớ: Một thiết bị chủ duy nhất có thể giao tiếp với nhiều thiết bị tớ.
Phần cứng tương đối đơn giản: SPI chỉ yêu cầu bốn dây (cộng thêm một đường SS/CS cho mỗi thiết bị tớ).

Nhược điểm của SPI

Không có lược đồ địa chỉ: SPI dựa vào các đường SS/CS để chọn thiết bị tớ, điều này có thể trở nên cồng kềnh với số lượng lớn thiết bị tớ.
Khoảng cách ngắn: SPI nói chung bị giới hạn ở khoảng cách ngắn do suy hao tín hiệu ở tốc độ cao hơn.
Không có phát hiện lỗi: SPI không có cơ chế phát hiện lỗi tích hợp. Việc kiểm tra lỗi phải được triển khai trong phần mềm.
Triển khai phần mềm phức tạp hơn: Mặc dù phần cứng tương đối đơn giản, việc triển khai phần mềm có thể phức tạp hơn UART, đặc biệt là khi xử lý nhiều thiết bị tớ và các chế độ SPI khác nhau.

Ví dụ SPI: Giao tiếp với Gia tốc kế

Nhiều gia tốc kế, chẳng hạn như ADXL345 phổ biến, sử dụng SPI để giao tiếp. Để đọc dữ liệu gia tốc từ ADXL345, vi điều khiển (đóng vai trò là chủ) cần gửi lệnh tới gia tốc kế (đóng vai trò là tớ) để đọc các thanh ghi thích hợp. Mã giả sau đây minh họa quy trình:

Chọn ADXL345 bằng cách kéo đường SS/CS của nó xuống mức thấp.
Gửi địa chỉ thanh ghi cần đọc (ví dụ: địa chỉ dữ liệu gia tốc trục X).
Đọc dữ liệu từ đường MISO (giá trị gia tốc trục X).
Lặp lại các bước 2 và 3 cho trục Y và Z.
Bỏ chọn ADXL345 bằng cách kéo đường SS/CS của nó lên mức cao.

Các lệnh và địa chỉ thanh ghi cụ thể sẽ khác nhau tùy thuộc vào mẫu gia tốc kế. Datasheet luôn nên được xem xét cho các quy trình chính xác.

UART so với SPI: So sánh

Đây là bảng tóm tắt các điểm khác biệt chính giữa UART và SPI:

Tính năng	UART	SPI
Loại giao tiếp	Không đồng bộ	Đồng bộ
Tín hiệu xung nhịp	Không có	Xung nhịp chung
Số lượng dây	2 (TX, RX)	4 (MOSI, MISO, SCK, SS/CS) + 1 SS/CS cho mỗi tớ
Tốc độ dữ liệu	Thấp hơn	Cao hơn
Song công hoàn toàn	Thường là bán song công (mặc dù đôi khi có thể mô phỏng song công hoàn toàn với phần mềm phức tạp)	Song công hoàn toàn
Phát hiện lỗi	Bit kiểm tra chẵn lẻ (Tùy chọn)	Không có (yêu cầu triển khai phần mềm)
Số lượng thiết bị	2 (Điểm-tới-Điểm)	Nhiều (Chủ-Tớ)
Độ phức tạp	Đơn giản hơn	Phức tạp hơn
Khoảng cách	Xa hơn	Ngắn hơn

Chọn giao thức phù hợp

Việc lựa chọn giữa UART và SPI phụ thuộc vào yêu cầu ứng dụng cụ thể. Hãy xem xét các yếu tố sau:

Tốc độ dữ liệu: Nếu yêu cầu truyền dữ liệu tốc độ cao, SPI thường là lựa chọn tốt hơn.
Khoảng cách: Đối với khoảng cách xa hơn, UART phù hợp hơn.
Số lượng thiết bị: Nếu nhiều thiết bị cần giao tiếp với một thiết bị chủ duy nhất, SPI được ưu tiên.
Độ phức tạp: Nếu sự đơn giản là ưu tiên, UART dễ triển khai hơn.
Phát hiện lỗi: Nếu phát hiện lỗi là rất quan trọng, hãy xem xét sử dụng UART với bit kiểm tra chẵn lẻ hoặc triển khai kiểm tra lỗi trong phần mềm cho SPI.
Phần cứng có sẵn: Một số vi điều khiển có thể có hỗ trợ hạn chế cho một giao thức hoặc giao thức khác. Hãy xem xét các tài nguyên phần cứng có sẵn khi đưa ra quyết định của bạn.

Ví dụ, trong một ứng dụng cảm biến đơn giản mà vi điều khiển cần đọc dữ liệu từ một cảm biến duy nhất qua khoảng cách ngắn, SPI có thể là lựa chọn tốt hơn do tốc độ cao hơn. Tuy nhiên, nếu vi điều khiển cần giao tiếp với máy tính qua khoảng cách xa hơn cho mục đích gỡ lỗi, UART sẽ phù hợp hơn.

Các cân nhắc nâng cao

I2C (Inter-Integrated Circuit)

Mặc dù bài viết này tập trung vào UART và SPI, điều quan trọng cần đề cập đến I2C (Inter-Integrated Circuit) như một giao thức truyền thông nối tiếp phổ biến khác. I2C là một giao thức hai dây hỗ trợ nhiều thiết bị chủ và tớ trên cùng một bus. Nó thường được sử dụng để giao tiếp giữa các mạch tích hợp trên một bảng mạch. I2C sử dụng địa chỉ hóa, không giống như SPI, giúp đơn giản hóa các mạng thiết bị lớn.

TTL so với RS-232

Khi làm việc với UART, điều quan trọng là phải hiểu sự khác biệt giữa các mức điện áp TTL (Transistor-Transistor Logic) và RS-232. Logic TTL sử dụng 0V và 5V (hoặc 3.3V) để biểu thị mức logic thấp và cao tương ứng. Mặt khác, RS-232 sử dụng điện áp ±12V. Việc kết nối trực tiếp UART TTL với UART RS-232 có thể làm hỏng thiết bị. Cần có bộ chuyển đổi mức (chẳng hạn như chip MAX232) để chuyển đổi giữa các mức điện áp TTL và RS-232.

Xử lý lỗi

Do UART và SPI có các cơ chế phát hiện lỗi hạn chế, điều quan trọng là phải triển khai xử lý lỗi trong phần mềm. Các kỹ thuật phổ biến bao gồm tổng kiểm tra, kiểm tra dư luận tuần hoàn (CRC) và cơ chế hết thời gian chờ.

Kết luận

UART và SPI là các giao thức truyền thông nối tiếp thiết yếu cho các hệ thống nhúng và hơn thế nữa. UART mang lại sự đơn giản và linh hoạt, làm cho nó phù hợp để kết nối vi điều khiển với máy tính và các thiết bị khác qua khoảng cách xa hơn. SPI cung cấp giao tiếp tốc độ cao cho các ứng dụng khoảng cách ngắn, chẳng hạn như giao tiếp với cảm biến, thẻ nhớ và màn hình. Hiểu biết về nguyên tắc, ưu và nhược điểm của từng giao thức cho phép bạn đưa ra quyết định sáng suốt khi thiết kế hệ thống nhúng hoặc dự án điện tử tiếp theo của mình. Khi công nghệ tiến bộ, ứng dụng của các phương pháp truyền thông nối tiếp này cũng sẽ phát triển. Việc thích ứng và học hỏi liên tục sẽ đảm bảo các kỹ sư và những người đam mê có thể tận dụng các giao thức này một cách tối đa.