Последовательный периферийный интерфейс (SPI)? Компоненты и как он работает

Введение

А последовательный периферийный интерфейс или SPI — это тип синхронного последовательного интерфейса связи, который используется для передачи данных на короткие расстояния от главного устройства к одному или нескольким подчиненным устройствам. Этот тип системы распространен во встраиваемых системах из-за его высокой скорости работы и простоты.

SPI работает по архитектуре ведущий/ведомый. Это означает, что ведущее устройство управляет связью, а ведомые устройства реагируют на его команды.

Если вы впервые сталкиваетесь с последовательным периферийным интерфейсом, вам не о чем беспокоиться, поскольку мы подробно рассмотрим этот интерфейс, чтобы помочь вам лучше его понять. Это включает описание того, как он работает, и его общие приложения.

Возможности последовательного периферийного интерфейса (SPI)

The (SPI) последовательный периферийный интерфейс остается популярным выбором для многих приложений. Причины кроются в функциях, которые он предлагает. Вот чего следует ожидать.

• Он обеспечивает синхронную связь. Это означает, что передача данных происходит одновременно с тактовым сигналом. Это жизненно важно для обеспечения того, чтобы главные и подчиненные устройства всегда были синхронизированы.
• Он использует архитектуру master/slave. В этом случае у вас есть одно устройство, которое является master, который управляет связью и часами. Другие устройства, slaves, получают инструкции от master о том, что делать.
• SPI обеспечивает полнодуплексную связь. Это означает, что SPI может передавать данные в обоих направлениях. Главное устройство может отправлять данные подчиненному устройству, и в то же время подчиненное устройство может отправлять данные обратно главному устройству.
• Интерфейс разработан для высокоскоростных операций. Ожидайте, что связь между устройствами будет очень быстрой. Это делает его подходящим для приложений, требующих высокой скорости передачи данных.
• The протокол шины последовательного периферийного интерфейса лучше всего подходит для связи на короткие расстояния. Ожидается, что он будет использоваться в основном для одноплатных плат.
• Распространенные варианты использования SPI включают связь между периферийными устройствами, такими как ИС, датчики и микроконтроллер. Например, использование Последовательный периферийный интерфейс (SPI) для Arduino.
• Гибкость — еще одна причина рассмотреть последовательная периферийная интерфейсная шинадля ваших нужд. Это потому, что проектировщики могут добавлять несколько подчиненных устройств по мере необходимости. Вам просто нужно добавить дополнительные линии SS, что делает систему гибкой для удовлетворения ваших потребностей в коммуникации.

Компоненты протокола SPI

Теперь, когда вы знаете, что такое последовательный периферийный интерфейс, давайте рассмотрим компоненты, которые обеспечивают работу интерфейса.

1. Главное устройство

Работа главного устройства заключается в управлении процессом связи между ним и подчиненными устройствами. Помимо управления связью, оно также генерирует тактовый сигнал, необходимый для синхронизации с подчиненными устройствами. Примером главного устройства является микроконтроллер.

2. Подчиненное устройство

Это периферийное устройство, подключенное к главному устройству через Протокол SPI (последовательный периферийный интерфейс) шина. Каждое подчиненное устройство в цепи будет иметь свою выделенную подчиненную линию выбора или линию SS, которая позволяет главному устройству связываться с ним напрямую.

3. Шина SPI

Это физическое соединение между ведущим и ведомым устройствами. Оно содержит четыре сигнальные линии, которые обеспечивают передачу данных. Они включают в себя slave select (SS), Master Out Slave In (MOSI), Master In Slave Out (MISO) и Serial Clock (SCK).

Для Slave Select каждое устройство имеет выделенный вывод SS. Это означает, что ведущее устройство использует этот выделенный вывод для связи с определенным ведомым устройством в цепи. Хотя каждое устройство будет иметь выделенную линию SS, они могут совместно использовать линии MOSI, MISO и SCK.

Шина Master Out Slave In предназначена для обмена данными с главного устройства на другие подчиненные устройства в компании.

Что касается шины Master In Slave Out, она используется для обмена данными от подчиненного устройства к главному.

Последовательный тактовый генератор является важной частью шины, поскольку его тактовый сигнал используется для синхронизации передачи данных между ведущим и ведомым устройствами, обеспечивая точную передачу данных.

4. Протокол передачи данных

Это протокол, используемый для передачи данных между ведущими и ведомыми устройствами или наоборот. Он работает, генерируя тактовые импульсы, которые инициализируют передачу от ведущего к ведомому устройству. За каждый тактовый цикл один бит данных передается от ведущего к ведомым устройствам и наоборот, поскольку это полнодуплексный тип связи.

5. Скорость передачи данных

Это то, как быстро данные могут перемещаться между устройствами, подключенными через SPI. Это во многом зависит от возможностей главного устройства и подчиненных устройств. Также важна длина линии передачи. Она измеряется в битах в секунду (бит/с) или в мегагерцах (МГц).

6. Фаза тактовой частоты (CPHA) и полярность тактовой частоты (CPOL)

Эти два определяют состояние часов во время связи. CPOL определяет стадию ожидания сигнала часов. Это может быть высокий или низкий уровень. Что касается CPHA, он определяет, когда данные на фронте часов выбираются. Он может быть как восходящим, так и нисходящим.

Как работает последовательный периферийный интерфейс

С описанием последовательный периферийный интерфейс (SPI) компоненты выше, легко увидеть, как это работает.

Он начинается с того, что ведущее устройство инициирует связь. Это происходит посредством отправки тактового сигнала, помогающего синхронизировать передачу данных с ведомым устройством.

Затем данные помещаются на линию MOSI и отправляются на подчиненное устройство. Подчиненное устройство может делиться информацией с главным устройством, используя линию MISO.

Каждый бит информации сопровождается тактовым импульсом. Это жизненно важно для обеспечения синхронной связи между устройствами. Кроме того, связь является полнодуплексной, то есть данные могут передаваться в обоих направлениях.

Распространенные применения SPI

Ожидайте встретить этот тип интерфейса для связи между микроконтроллерами и его периферийными устройствами. Например, это распространенный протокол, используемый во встраиваемых системах.

Ниже приведены основные области применения Протокол последовательного периферийного интерфейса (SPI).

• SPI используется для сопряжения различных типов датчиков. Примерами являются датчики температуры, освещенности и давления, которые позволяют микроконтроллеру считывать с них данные.
• Дисплей также может использовать этот протокол. Это позволяет микроконтроллеру отображать информацию.
• SPI также широко используется с чипами памяти, такими как флэш-память. Он обеспечивает хранение данных и простоту извлечения тех же данных.
• SD-картам и RFID-считывателям необходим этот тип протокола для считывания и хранения информации на устройствах.

При изучении протокола SPI вы можете столкнуться с несколькими другими приложениями.

Как проверить SPI с помощью осциллографов

Использование осциллографа может помочь вам проанализировать сигнал SPI, чтобы узнать, работает ли он так, как ожидалось. Ниже приведены шаги, которые вы можете использовать для проверки и анализа сигнала.

Подключите щупы осциллографа

• Подключите датчики к линии MOSI для мониторинга данных от ведущего устройства к ведомому.
• Сделайте то же самое для линии MISO, чтобы наблюдать передачу данных от подчиненного устройства к главному.
• Подключите датчики к SCLK, который является последовательной линией синхронизации для захвата тактового сигнала от ведущего устройства.
• Подключите датчики к линии выбора ведомого устройства или линии SS, чтобы увидеть, когда ведущее устройство взаимодействует с определенным ведомым устройством.
• Убедитесь, что все датчики заземлены, что сводит к минимуму шум и повышает точность.

Настройка осциллографа

• Отрегулируйте временную развертку осциллографа в соответствии с тактовой частотой, чтобы правильно видеть сигналы SPI.
• Также следует установить триггер для сигнала SCLK, чтобы стабилизировать формы сигналов и облегчить их считывание.

Анализируйте формы волн

После того, как вы подключили зонды и правильно выполнили настройку, вы должны начать видеть формы волн. Убедитесь, что ваш сигнал SCLK чистый и работает на ожидаемой частоте.

Следите за линиями MOSI и MISO, чтобы убедиться, что передача данных происходит в правильное время.

Используйте осциллограф для измерения длительности импульса, временных интервалов и других важных параметров сигнала.

Ищите ошибки в форме сигнала, чтобы убедиться в отсутствии нарушений протокола.

Плюсы и минусы SPI

Плюсы

• Ожидайте высокоскоростную передачу данных между устройствами. Это делает его пригодным для таких приложений, как контроллеры дисплеев, флэш-память и чипы памяти.
• Обеспечивает полную дуплексную связь. Это важно для одновременной передачи и приема данных, повышая эффективность.
• SPI имеет простую конструкцию и принцип работы. Это означает, что проектирование и внедрение должны быть простыми.
• Этот улучшенный последовательный периферийный интерфейсимеет низкое количество выводов. Имея всего четыре линии, это означает меньшее использование выводов и большую эффективность, чем некоторые параллельные методы связи.
• В отличие от других методов передачи данных, SPI использует выделенные линии связи между ведущим и ведомым устройствами. Таким образом, больше нет сложных схем адресации.
• Нет необходимости в центральной шине или трансивере, так как есть прямая связь между устройствами. Это помогает сократить количество компонентов в установке.

Минусы

• Ожидается, что протокол будет иметь больше физических линий, поскольку каждому устройству требуется выделенная линия связи с главным устройством.
• Протокол лучше всего подходит для связи на короткие расстояния. Поэтому его применение также может быть ограничено.
• В SPI отсутствует система проверки ошибок, что может быть критически важно в некоторых приложениях.
• Необходимость запуска нескольких подчиненных устройств может усложнить всю настройку. Это связано с тем, что вам придется запустить отдельные линии выбора для каждого подчиненного устройства.
• Иногда может наблюдаться ухудшение сигнала на больших расстояниях или если проводка плохого качества. Это может повлиять на целостность данных.

Устранение распространенных проблем SPI

Вы можете столкнуться с некоторыми проблемами при работе с протоколом SPI. Ниже мы рассмотрим несколько идей о том, как справиться с этими проблемами, гарантируя, что устройства смогут взаимодействовать и продолжать работу.

Физические соединения

Убедитесь, что вы проверили проводку между главным и подчиненным устройствами. Если они ослаблены, то устройства не будут работать так, как ожидается.

Убедитесь, что оба устройства имеют общее заземление и имеется достаточный источник питания.

Что касается устройств с несколькими подчиненными устройствами, убедитесь, что каждое из них имеет свой собственный вывод SS, чтобы обеспечить связь между ним и главным устройством.

Конфигурация параметров SPI

Используйте правильные настройки для полярности часов и фазы устройства. Обратитесь к техническим описаниям, чтобы установить правильные настройки, поскольку они определяют, когда будут производиться выборки ваших данных.

Проверьте тактовую частоту и убедитесь, что она находится в поддерживаемом диапазоне как ведомого, так и ведущего устройств.

Также посмотрите на режимы часов. Каждый режим определяет, как ведут себя часы и когда данные сэмплируются. Идея состоит в том, чтобы и подчиненное, и ведущее устройства использовали один и тот же режим.

Связь с устройством

Это тест для проверки связи и обеспечения того, чтобы все работало так, как ожидалось. Например, убедитесь, что данные ведомого устройства синхронизируются правильно, как и данные главного устройства.

Как ведет себя подчиненное устройство? Проверьте, ведет ли себя так, как ожидалось, когда вы тянете линию MISO. Вы можете переключаться между подчиненными устройствами, чтобы узнать производительность и поведение. Иногда у вас может быть неисправная линия, и когда вы меняете подчиненные устройства, одно работает, а другое нет.

Инструменты для устранения неполадок

Осциллограф — отличный инструмент для визуализации сигналов SPI и выявления проблем с синхронизацией или целостностью сигнала.

Логический анализатор — еще один полезный инструмент для захвата и анализа трафика шины SPI. Он помогает определить, где может быть проблема со связью.

Еще один полезный инструмент — анализатор протоколов. Это специализированный инструмент для декодирования данных SPI, предоставляющий подробную информацию о коммуникации, чтобы вы могли выявить любые проблемы.

Проблемы с программным обеспечением

Иногда проблемы с программным обеспечением могут привести к ненормальному поведению системы. Поэтому проверьте код инициализации SPI на наличие возможных ошибок. Это могут быть неправильные настройки параметров или иногда конфликты с другими устройствами, подключенными к главному устройству.

Также обратите внимание на возможные проблемы с синхронизацией. Иногда вам может потребоваться добавить задержки в код, чтобы обеспечить правильную синхронизацию при отправке более нескольких байтов. Читать далее руководства по последовательному периферийному интерфейсу может помочь в решении проблем со временем.

Лучшие практики последовательного периферийного интерфейса

Есть пара вещей, которые вам следует сделать, если вы хотите, чтобы протокол SPI хорошо работал для вашего приложения. Вот что следует иметь в виду.

• Правильная конструкция оборудования может существенно повлиять на общую функциональность установки. Мы рекомендуем смещать неиспользуемые входы в определенное логическое состояние, чтобы предотвратить случайные колебания и потенциальную неисправность устройства.
• Реализация программного обеспечения также должна быть выполнена правильно. Это включает в себя наличие четкого протокола связи, который определяет связь заранее. Он состоит из форматов данных и времени.
• Рассмотрите возможность настройки пороговых уровней для буферов данных. Это ключ к контролю частоты событий обработки данных.
• Упаковка данных также важна, поскольку она способствует эффективной передаче данных. Рекомендуется при использовании более широкого метода доступа, такого как DMA.

Заключение

Протокол SPI остается хорошим вариантом для различных приложений. Это благодаря его функциональности, простоте внедрения и масштабируемости. Несмотря на то, что у него могут быть некоторые ограничения, такие как ограниченный диапазон, вы можете ожидать, что он будет хорошо работать в предполагаемых приложениях. Мы также обсудили лучшие практики, чтобы гарантировать, что протокол работает лучше всего для вас. Следуйте этим практикам, наряду со многими другими, чтобы раскрыть весь потенциал протокола SPI.