SPI در میکروکنترلر چیست؟

رابط محیطی (SPI) یک پروتکل ارتباطی سریال همزمان است که معمولاً در سیستم‌های مبتنی بر میکروکنترلر برای ارتباط بین چندین دستگاه استفاده می‌شود. در این مقاله، به اصول SPI، کاربردهای آن در پروژه‌های میکروکنترلر و نحوه پیاده‌سازی آن با آردوینو می‌پردازیم.

مقدمه ای بر SPI:

SPI در میکروکنترلر یک پروتکل ارتباطی سریال فول دوبلکس و همزمان است که به چندین دستگاه جانبی اجازه می دهد با یک میکروکنترلر مرکزی یا ریزپردازنده ارتباط برقرار کنند. این توانایی بر اساس معماری master-slave عمل می کند، جایی که یک دستگاه (Master) ارتباط با یک یا چند دستگاه جانبی (Slave) را از طریق خطوط داده جداگانه شروع می کند.

اجزای کلیدی SPI در میکروکنترلر:

دستگاه اصلی:

دستگاه اصلی ارتباط را با تولید سیگنال های ساعت و کنترل انتقال داده به و از دستگاه های salve آغاز می کند.

دستگاه‌های Slave:

دستگاه‌های Slave به دستورات و داده‌های دستگاه اصلی پاسخ می‌دهند و می‌توانند در صورت لزوم داده‌ها را به Master ارسال کنند.

 

MOSI (Master Out Slave In):

Master داده ها را برای Slave در این خط ارسال می کند.

MISO (Master In Slave Out):

Master داده ها را از Slave در این خط دریافت می کند.

SCK (ساعت سریال):

Master سیگنال‌های ساعت را در این خط تولید می‌کند تا انتقال داده را همگام‌سازی کند.

خطوط انتخاب چیپ (CS):

هر دستگاه Slave دارای یک خط انتخاب تراشه اختصاصی است که  مستر از آن برای انتخاب دستگاه هدف برای ارتباط استفاده می کند.

مزایای SPI در پروژه های میکروکنترلر:

سرعت بالا:

SPI در مقایسه با سایر پروتکل های ارتباطی سریال مانند UART (گیرنده-فرستنده ناهمزمان ) و I2C (مدار یکپارچه) ارتباطات پرسرعتی را ارائه می دهد. این باعث می شود آن را برای برنامه هایی که نیاز به انتقال سریع داده دارند، مانند جمع آوری داده های حسگر در زمان واقعی یا به روز رسانی سریع نمایش، مناسب کند.

ارتباطات فول دوبلکس:

SPI از ارتباطات تمام دوبلکس پشتیبانی می کند و امکان انتقال و دریافت داده ها به طور همزمان بین دستگاه های اصلی و slave را فراهم می کند. این امکان ارتباط دو طرفه کارآمد را بدون نیاز به فازهای انتقال و دریافت جداگانه فراهم می کند و توان عملیاتی کلی سیستم را افزایش می دهد.

عملکرد همزمان:

SPI به طور همزمان با یک سیگنال ساعت تولید شده توسط دستگاه اصلی کار می کند. این عملیات همزمان، همگام سازی زمان بندی دقیق بین دستگاه ها را تضمین می کند و خطر خطاهای داده یا اعوجاج سیگنال را به ویژه در سرعت های ارتباطی بالا به حداقل می رساند.

رابط سخت افزاری ساده:

SPI به حداقل اجزای سخت افزاری نیاز دارد، که معمولاً از چند خط داده (MOSI، MISO، SCK) و خطوط انتخاب تراشه (CS) برای هر دستگاه برده تشکیل شده است. این سادگی اجرای SPI را آسان می کند و برای برنامه هایی با محدودیت فضا یا پین، مانند سیستم های تعبیه شده و دستگاه های IoT مناسب است.

پشتیبانی از چندین دستگاه:

SPI از ارتباط با چندین دستگاه Slave متصل به یک Master پشتیبانی می کند که هر کدام دارای خط انتخاب تراشه (CS) خاص خود هستند. این امکان برقراری ارتباط موثر با طیف متنوعی از دستگاه‌های جانبی از جمله سنسورها، نمایشگرها، ماژول‌های حافظه و ماژول‌های ارتباطی را با استفاده از یک دستگاه اصلی فراهم می‌کند.

آدرس دهی بهینه:

ارتباطات SPI در مقایسه با سایر پروتکل های ارتباطی سریال، حداقل سربار پروتکل را متحمل می شود، زیرا به مکانیسم های آدرس دهی یا تأیید نیاز ندارد. این منجر به انتقال کارآمد داده با تأخیر کم و کاهش میزان پردازش می‌شود و این خود SPI را برای برنامه‌هایی که زمان و سرعت پردازش نقش کلیدی را درآنها دارد ،  ایده‌آل می‌کند.

تطبیق پذیری و سازگاری:

SPI به طور گسترده توسط میکروکنترلرها، ریزپردازنده ها و دستگاه های جانبی تولید کنندگان مختلف پشتیبانی می شود و از سازگاری و قابلیت همکاری در پلتفرم های سخت افزاری مختلف اطمینان حاصل می کند. این تطبیق پذیری به توسعه دهندگان اجازه می دهد تا به راحتی دستگاه های سازگار با SPI را بدون مشکلات سازگاری در پروژه های خود ادغام کنند.

طیف گسترده ای از کاربردها:

SPI در میکروکنترلر به دلیل سرعت بالا، عملکرد تمام دوبلکس و پشتیبانی از چندین دستگاه، برای طیف وسیعی از کاربردها در پروژه های میکروکنترلر از جمله رابط سنسور، کنترل نمایشگر، دسترسی به حافظه، ماژول های ارتباطی و غیره مناسب است. . تطبیق پذیری ، SPI را به گزینه ای ارجح برای بسیاری از سیستم های طراحی شده و برنامه های IoT تبدیل می کند.

روند ارتباط SPI:

Master خط انتخاب چیپ (CS) مربوط به دستگاه برده مورد نظر را تایید می کند.
Master پالس های ساعت (SCK) را برای همگام سازی انتقال داده تولید می کند.
Master داده ها را به Slave (MOSI) می فرستد، در حالی که به طور همزمان داده ها را از Slave (MISO) دریافت می کند.
انتقال داده ها به طور همزمان در هر دو جهت انجام می شود و امکان ارتباط تمام دوبلکس را فراهم می کند.
پس از تکمیل انتقال، Master خط انتخاب چیپ (CS) را برای نشان دادن پایان ارتباط با برده، از بین می‌برد.

کاربردهای SPI در پروژه های میکروکنترلر:

SPI در میکروکنترلر به طور گسترده در پروژه های مبتنی بر میکروکنترلر برای کاربردهای مختلف استفاده می شود، از جمله:

رابط حسگر:

بسیاری از حسگرها مانند شتاب سنج، ژیروسکوپ و سنسور دما با استفاده از SPI در میکروکنترلر ارتباط برقرار می کنند و به میکروکنترلرها اجازه می دهد تا داده ها را از چندین سنسور به طور همزمان جمع آوری کنند.

ماژول‌های نمایش:

SPI در میکروکنترلر معمولاً برای ارتباط با ماژول‌های نمایشگر مانند صفحه‌نمایش‌های LCD و نمایشگرهای OLED استفاده می‌شود و میکروکنترلرها را قادر می‌سازد تا محتوای نمایشگر را به طور مؤثر کنترل کنند.

دستگاه های حافظه:

فلش مموری SPI و EEPROM ها نیز معمولاً برای ذخیره سازی داده ها در پروژه های میکروکنترلر استفاده می شوند و SPI در میکروکنترلر یک رابط سریع و کارآمد برای خواندن و نوشتن داده ها ارائه می دهد.

ماژول‌های ارتباطی:

SPI در ماژول‌های ارتباطی مانند فرستنده‌های Wi-Fi، Ethernet و RF استفاده می‌شود و میکروکنترلرها را قادر می‌سازد تا به صورت بی‌سیم یا از طریق شبکه ارتباط برقرار کنند.

پیاده سازی SPI با آردوینو:

میکروکنترلرهای آردوینو از ارتباطات SPI از طریق پین ها و کتابخانه های سخت افزاری اختصاصی SPI پشتیبانی می کنند که فرآیند پیاده سازی را ساده می کند.

همانطور که دیدیم SPI در میکروکنترلرها یک پروتکل ارتباطی همه کاره است که به طور گسترده در سیستم های مبتنی بر میکروکنترلر برای ارتباط با دستگاه های جانبی مختلف استفاده می شود. قابلیت ارتباط فول دوبلکس، عملکرد همزمان، و پشتیبانی از چندین دستگاه، آن را برای طیف وسیعی از کاربردها، از رابط حسگر گرفته تا ماژول های ارتباطی و کنترل نمایش، مناسب می کند. با پشتیبانی آردوینو از ارتباطات و کتابخانه‌های SPI، پیاده‌سازی SPI در پروژه‌های شما ساده می‌شود و امکان ادغام یکپارچه با طیف متنوعی از دستگاه‌های جانبی را فراهم می‌کند.