SPI Arduino — подключение устройств к ардуино

SPI в Arduino- это один из основных протоколов для обмена данными между платой ардуино и подключенными устройствами. Вместе с I2C и UART этот протокол часто используется для многих типов периферийных устройств, поэтому знание принципов работы SPI необходимо любому инженеру-ардуинщику. В этой статье мы коротко рассмотрим основные принципы, схему взаимодействия и способ подключения SPI датчиков и экранов к Arduino.

SPI в Arduino

SPI – это широко применяемый протокол передачи данных между микроконтроллером (Master) и периферийными устройствами (Slave). В наших проекта в качестве Master чаще всего используется плата Arduino. Интерфейс SPI был придуман и использовался компанией Motorola, но со временем стал отраслевым стандартом. Основным плюсом работы с этим интерфейсом считается высокая скорость и возможность подключения нескольких устройств на одной шине данных.

SPI arduinoSPI arduino

Выводы и контакты SPI

Связь по интерфейсу SPI arduino происходит между несколькими устройствами, которые расположены близко друг к другу. Платы Ардуино оснащены отдельными  выводами для SPI. Сопряжение происходит при помощи четырех контактов:

  • MOSI – по этой линии передается информация к Slave от Master.
  • MISO – используется для передачи информации к Master от Slave.
  • SCLK – создание тактовых импульсов для синхронной передачи данных.
  • SS – выбор ведомого устройства.

SPI arduino

Взаимодействие SPI устройств

Взаимодействие устройств начинается, когда на выход SS подается низкий уровень сигнала.

SPI arduino

 

Перед началом работы нужно определить:

  • С какого бита должен начинаться сдвиг – со старшего или с младшего. Регулируется порядок при помощи функции PI.setBitOrder().
  • Определить уровень, на котором должна находиться линия SCK при отсутствии тактового импульса. Регулируется функцией SPI.setDataMode().
  • Выбрать скорость передачи данных. Определяется функцией SPI.setClockDivider().

Следующим шагом будет определение, в каком режиме будет происходить передача информации. Выбор режима определяется такими показателями, как полярность и фаза тактового импульса. Если уровень низкий, записывается 0, высокий – 1. Всего существует 4 режима:

  • Режим 0 — SPI_MODE0: полярность (CPOL) 0, фаза (CPHA) 0.
  • Режим 1: полярность 0, фаза 1.
  • Режим 2:полярность 1, фаза 0.
  • Режим 3: полярность 1, фаза 1.

Изначально в Ардуино заложено, что данные передаются старшим битом вперед, но перед началом нужно уточнить это в документации. Продемонстрировать режимы можно на картинке.

Возможно два вида подключения в интерфейсе SPI: независимое и каскадное. В первом случае при подключении Master обращается к каждому Slave индивидуально, во втором случае подключение происходит по очереди, т.е. каскадно.

Подключение SPI к Ардуино

SPI arduino

Плата Arduino уже содержит специальные выводы  для подключения интерфейса SPI. Эти же выводы повторены в отельном разъеме ICSP. На этом разъеме отсутствует SS – изначально предусмотрено, что микроконтроллер Ардуино будет выступать в роли ведущего устройства. Если нужно использовать его в качестве ведомого, можно использовать любой цифровой вывод в качестве SS.

На данной иллюстрации представлен вариант подключения OLDE-экрана по SPI к ардуино.

Пример OLED SPI arduino

Для каждой модели Ардуино существую свои выводы для SPI. Эти выводы:

  • Uno: MOSI соответствует вывод 11 или ICSP-4, MISO – 12 или ICSP-1, SCK – 13 или ICSP-3, SS (slave) – 10.
  • Mega1280 или Mega2560: MOSI — 51 или ICSP-4, MISO – 50 или ICSP-1, SCK – 52 или ICSP-3, SS (slave) – 53.
  • Leonardo: MOSI — ICSP-4, MISO –ICSP-1, SCK –ICSP-3.
  • Due: MOSI — ICSP-4, MISO –ICSP-1, SCK –ICSP-3, SS (master) – 4, 10, 52.

Последний контроллер Arduino Due расширяет возможности пользователя и позволяет реализовать больше задач, чем на остальных микроконтроллерах. Например, можно автоматически управлять ведомым устройством и автоматически выбирать различные конфигурации (тактовая частота, режим и другие).

Библиотека SPI Arduino

Для работы на Ардуино создана отдельная библиотека, которая реализует SPI. Перед началом кода нужно добавить #include <SPI.h>, чтобы включить библиотеку.

Основные функции:

  • begin() и end() – включение и выключение работы. При инициализации на выход настраиваются линии SCLK, MOSI и SS, подавая низкий уровень на SCLK, MOSI и высокий на SS. Функция end() не меняет уровни линий, она нужна для выключения блока, связанного с интерфейсом, на плате Ардуино.
  • setBitOrder(order) – установка порядка отправки битов информации (MSBFIRST – приоритет старшего бита, LSBFIRST – приоритет младшего бита).
  • setClockDivider(divider) – установка делителей тактов основной частоты. Можно поставить делители 2, 4, 8, 16, 32, 64 и 128. Записывается следующим образом — SPI_CLOCK_DIVn, где n – выбранный делитель.
  • setDataMode(mode) – выбор одного из четырех рабочих режимов.
  • transfer(value) – осуществление передачи байта от ведущего устройства и возвращение байта, который принят от ведомого устройства.
  • shiftIn(miso_pin, sclk_pin, bit_order) и shiftOut(mosi_pin, sclk_pin, order, value) – принятие и отправка данных, можно подключать к любым цифровым пинам, но перед этим нужно самостоятельно их настроить.

Преимущества и недостатки SPI

Преимущества интерфейса SPI:

  • Возможность передавать большие данные, не ограниченные длиной в 8 бит.
  • Простота в реализации программного обеспечения.
  • Простота аппаратной реализации.
  • Выводов нужно меньше, чем для параллельных интерфейсов.
  • Только быстродействие устройств ограничивает максимальную тактовую частоту.

Недостатки:

  • Большое количество выводов по сравнению с I2C.
  • Slave не может управлять потоком информации.
  • Отсутствие стандартного протокола обнаружения ошибок.
  • Большое количество способов реализации интерфейса.
  • Отсутствие подтверждения приема информации.

Пример использования SPI Ардуино в проекте с датчиком давления

Для реализации проекта нам нужны Ардуино, датчик давления макетная плата и провода. Пример подключения датчика изображен на рисунке.

SPI arduino

При помощи датчика SCP1000 возможно узнавать такие параметры как давление и температура и передать эти значения через SPI.

Основные элементы скетча программы

В первую очередь в коде прописываются регистры датчика при помощи setup(). С устройства возвращаются несколько значений – одно в 19 бит для полученного давления, другое в 16 бит – для температуры. После этого происходит считывание двух температурных байтов и считывание давления в два этапа. Сначала программа берет три старших бита, затем следующие 16 бит, после чего при помощи побитового сдвига происходит объединение этих двух значений в одно. Настоящее давление – это 19-тиразрядное значение, деленное на 4.

const int PRESSURE = 0x1F;      // первый этап определения давления (выявляются три старших бита)

const int PRESSURE_LSB = 0x20;  // второй этап, в котором определяются 16 бит для давления

const int TEMPERATURE = 0x21;   //16 бит для температуры

Для чтения данных температуры и преобразования ее в градусы Цельсия используется следующий элемент кода:

int tempData = readRegister(0x21, 2);

float realTemp = (float)tempData / 20.0; // чтобы определить реальное значение температуры в Цельсиях, нужно полученное число разделить на 20

Serial.print(«Temp[C]=»);

Serial.print(realTemp);

Считывание битов давления и объединение их:

byte  pressure_data_high = readRegister(0x1F, 1);

pressure_data_high &= 0b00000111;

unsigned int pressure_data_low = readRegister(0x20, 2);

long pressure = ((pressure_data_high << 16) | pressure_data_low) / 4; //определение давления в Паскалях.

Краткие выводы о SPI

Экраны и датчики SPI часто встречаются в проектах ардуино, поэтому нужно знать, как работает этот протокол. В принципе, ничего сложного в подключении SPI устройств нет. Главное, правильно подсоединить провода и использовать методы стандартной библиотеки в нужной последовательности. Для некоторых устройств, например, SD карты или OLED — экранов, альтернатив, в принципе, не существует.

ПОДЕЛИТЬСЯ

ОСТАВЬТЕ ОТВЕТ

Please enter your comment!
Please enter your name here