Учебный курс AVR. Работа с SPI модулем

Поначалу в данной статье предполагалось описать особенности реализации синхронного последовательного интерфейса SPI в семействе однокристальных микроконтроллеров ADuC70xx фирмы Analog Devices. Автор намеревался не только рассмотреть особенности реализации SPI, но и обсудить, когда эти особенности оказываются полезными, как и для чего их следует использовать. В ходе написания статьи оказалось, что доля текста, посвященного вопросам «когда, как и для чего», превысила 50%.Тогда было принято решение изменить характер изложения в направлении, обозначенном в заглавии. Вследствие выросшего объема материал будет разбит на три отдельные статьи. 1. Принципы интерфейса SPI и организация ведомых устройств. 2. Подсистемы интерфейса SPI в микроконтроллерах: варианты организации и использование. 3. Подсистема интерфейса SPI в микроконтроллерах семейства ADuC70xx.

Все статьи цикла:

• Синхронный последовательный интерфейс SPI в микроконтроллерах «от А до Я» и его реализация на примере ADuC70xx фирмы Analog Devices. Часть 1
• Синхронный последовательный интерфейс SPI в микроконтроллерах ≪от А до Я≫ и его реализация в ADuC70xx фирмы Analog Devices. Часть 2
• Синхронный последовательный интерфейс SPI в микроконтроллерах от «А до Я» и его реализация в ADuC70xx фирмы Analog Devices. Часть 3

В ходе написания статьи оказалось, что доля текста, посвященного вопросам «когда, как и для чего», превысила 50%. Тогда было принято решение изменить характер изложения в направлении, обозначенном в заглавии.

Вследствие выросшего объема материал будет разбит на три отдельные статьи:

1. Принципы интерфейса SPI и организация ведомых устройств.
2. Подсистемы SPI в микроконтроллерах: варианты организации и использование.
3. Подсистема SPI в МК семейства ADuC70xx.

История SPI

Изобретатель интерфейса SPI — фирма Motorola . Однако изобретение было сделано не на «пустом месте». Предшественником послужил интерфейс MicroWire фирмы National Semiconductor . Автор статьи познакомился с интерфейсом SPI, работая с популярным семейством M68HC11 — практически первым, в котором SPI появился в конце 1980-х годов. Основное предназначение этого интерфейса — подключение к МК различных периферийных устройств. Очень быстро SPI стал весьма популярен по следующим причинам:

1. минимальные требования к аппаратной части подключаемого к МК устройства (сдвиговый регистр);
2. SPI-ведущего в минимальной конфигурации легко эмулировать программно, если в МК отсутствует аппаратная реализация SPI.

В последние два десятилетия многочисленные фирмы производят огромное количество различных периферийных узлов, подключаемых к МК через SPI (см., например, ). Это датчики физических величин (температуры, давления, ускорения и т. п.), устройства аналого-цифрового преобразования (АЦП, ЦАП, цифровые потенциометры), устройства преобразования интерфейсов (CAN-контроллеры, Ethernet-контроллеры), модули энергонезависимой памяти (Flash-карты MMC и SD, микросхемы EEPROM) и многие другие. В (2005 год) утверждается, что «примерно 85% МК оснащены интерфейсом SPI».

Исторически, однако, сложилось так, что какой-либо официальный общепризнанный стандарт на интерфейс SPI отсутствует. Поэтому свойства подсистемы SPI в микросхемах разных производителей могут различаться как набором возможностей, так и их реализацией, что нередко вызывает затруднения при использовании. Разработчики преодолевают эти затруднения по большей части методом проб и ошибок либо обмениваясь опытом. В свою очередь производители МК нередко, в предположении, что SPI — это общеизвестный стандарт, описывают свойства подсистемы излишне кратко. Этим, в частности, грешит техническое описание МК семейства ADuC70xx фирмы Analog Devices .

Весьма нелегко найти источники, в которых бы систематически были описаны все (или хотя бы большинство) из возможных особенностей интерфейса SPI. Обычно встречаемая на форумах разработчиков рекомендация — взять техническое описание МК, в котором SPI имеется. Но там, естественно, описывается лишь подмножество опций, реализованных в конкретном МК.

Автору известно лишь несколько публикаций, в которых сделана попытка описать свойства SPI без привязки к конкретному типу МК [ , , , ], и все они страдают неполнотой. Некоторые фирмы опубликовали свое «видение» того, что представляет собой SPI, например [ , – ], однако упомянутые документы в значительной степени «привязаны» к реализациям МК, выпускаемых этими фирмами.

Минимальная архитектура интерфейса и конфигурации

Минимальная архитектура изображена на рис. 1. Интерфейс SPI содержит четыре линии:

• MOSI (Master Out Slave In) — выход данных ведущего (она же вход данных ведомого);
• MISO (Master In Slave Out) — вход данных ведущего (она же выход данных ведомого);
• SCK (Serial ClocK) — тактирование (синхронизация);
• SS (Slave Select) — выбор ведомого.

Рис. 1. Структура связей и линии интерфейса SPI

Синхронизация передачи

Частота следования битовых интервалов в линиях данных SPI определяется синхросигналом SCK, который генерирует один из абонентов — ведущий (Master). Прочие абоненты — ведомые (Slave), которых может быть как один, так и несколько, используют синхросигнал для определения моментов изменения битов на линии данных. Ведомые устройства никак не могут влиять на частоту следования битовых интервалов (в отличие, например, от интерфейса I 2 C).

Ведущий в подавляющем большинстве случаев — это приемопередатчик SPI в составе МК (если аппаратный SPI отсутствует, его можно эмулировать программно). Однако автору известны реализации SPI-ведущего устройства в составе микросхем PLD фирмы Xilinx , а также в ИМС преобразователя параллельного интерфейса в интерфейс USB . В обоих этих случаях ведущий ориентирован на подключение определенного типа микросхем: EEPROM с SPI-совместимым интерфейсом.

Ведомое устройство — это обычно периферийная микросхема. Однако SPI можно использовать и для связи двух (или больше) МК, эта возможность будет обсуждаться позже.

Передача битов осуществляется пакетами. Длина пакета чаще всего составляет 1 байт (8 битов), хотя встречаются реализации SPI с иной длиной пакета [ , , ]. Как в ведущем устройстве, так и в ведомом имеется (обычно программно недоступный) счетчик импульсов синхронизации (битов). Счетчик в ведомом устройстве позволяет последнему определить момент окончания передачи пакета. Счетчик битов сбрасывается в ноль при выключении (деактивации) подсистемы SPI, такая возможность всегда имеется в ведущем устройстве. В ведомом устройстве счетчик битов обычно сбрасывается деактивацией интерфейсного сигнала SS. Передача пакета, то есть запуск генератора синхроимпульсов в ведущем, обычно осуществляется автоматически при записи передаваемого байта в регистр сдвига ведущего.

Задание частоты следования битов F SCK осуществляется стандартным для последовательных интерфейсов способом: F SCK =F G /DIV, где F G — постоянная частота задающего генератора SPI, значение которой приведено в техническом описании на микросхему, DIVА-217.(О- делитель, который может быть задан программно. В ряде МК делитель DIV может быть выбран только из набора предопределенных значений. Например, в МК семейства M68HC11 это одно из четырех значений: 2, 4, 16, 32 . При номинальном значении F G , равном 2 МГц, частота сдвига в этих МК может составлять 1000, 500, 125 или 62,5 кГц. В других МК значение DIV разрешается выбирать произвольно в пределах ограниченной разрядности. В семействе микроконтроллеров ADuC70xx эта разрядность составляет один байт, величина делителя может задаваться в пределах от 5 до 255, что позволяет выбрать одно из 251 значения частоты сдвигов в пределах от 3482 до 81,2 кГц.

Поскольку действия на ведущем и ведомом устройствах тактируются одним и тем же сигналом SCK, к стабильности частоты этого сигнала не предъявляется никаких требований (за исключением ограничения сверху на длительности полупериодов, определяемого максимальной рабочей частотой более медленного абонента). Это позволяет использовать SPI в системах с низкостабильной частотой тактирования (тактовый генератор без кварцевой стабилизации, с времязадающей RCцепью), а также существенно облегчает программную эмуляцию ведущего устройства. Более того, при программной эмуляции вполне допустимо приостанавливать передачу «в середине» байта, если это допускает ведомое устройство.

Передача данных

SPI предполагает передачу бит за битом: от ведущего по линии MOSI и от ведомого (в обратную сторону) по линии MISO. Таким образом, возможен полнодуплексный режим, когда данные передаются в обоих направлениях одновременно и синхронно. Порядок следования битов в исходной версии SPI фирмы Motorola можно определить как «начиная со старшего», однако в дальнейшем некоторые производители микроконтроллеров позволяли его задавать программно. Возможны реализации, в которых для передачи данных используется единственная двунаправленная линия; подобная конфигурация описана, в частности, в документе фирмы Freescale, полупроводниковой «дочки» фирмы Motorola .

Выбор ведомого — сигнал SS

Четвертый сигнал интерфейса — SS (Slave Select, выбор ведомого) — имеет основным назначением включение или выключение ведомого устройства сигналом от ведущего (от МК).

При активном (низком) уровне сигнала SS:

• Схемотехника ведомого устройства находится в активном состоянии.
• Вывод MISO — в режиме «выход».
• Тактовый сигнал SCK от ведущего воспринимается ведомым, вызывает считывание на входе MOSI значений передаваемых от ведущего битов и сдвиг регистра ведомого.

При пассивном (высоком) уровне сигнала SS тактовый сигнал SCK и сигнал MOSI не оказывают никакого воздействия на ведомое устройство.

В простейших вариантах использования SPI сигнал SS может не употребляться. В других, более сложных периферийных устройствах сигнал SS не только используется, но выполняет еще и дополнительные функции, и этот вопрос будет обсуждаться далее.

Временная диаграмма сигналов

Возможно несколько вариантов диаграммы. Один из них изображен на рис. 2, а другие будут рассмотрены далее. Опишем диаграмму подробно.

Рис. 2. Диаграмма SPI, режим 0

До начала передачи пакета, левее момента времени А сигнал SS на выходе ведущего в высоком состоянии — рис. 2д), ведомый неактивен, его выход MISO в отключенном состоянии, а входы ведомого MOSI и SCK не воспринимают сигналов, формируемых ведущим. Тактовый сигнал на выходе ведущего в этот период имеет низкий уровень.

Для активации ведомого ведущий переводит в активное (низкое) состояние сигнал SS выбора ведомого (момент времени A). Ведомый включается, его вход тактирования способен воспринимать тактовый сигнал, а вывод MISO переходит в режим выхода. Тактовые импульсы пока еще не начались, выходные сигналы на линях данных MOSI и MISO теперь отражают значения бита, который будет первым передан другому абоненту (интервал времени от A до 1).

Через некоторое время ведущий начинает формирование пакета сдвиговых импульсов — рис. 2а), сигнал SCK. Перепады тактового сигнала вызывают сдвиг содержимого сдвиговых регистров ведущего и ведомого, а также захват новых значений битов после сдвига. Моменты сдвига и захвата должны быть разнесены во времени, поэтому эти действия выполняются в интерфейсе SPI по разным перепадам тактовых импульсов. Диаграмма изображена в предположении, что захват производится по нарастанию тактового сигнала (по нечетным перепадам на рисунке), соответствующие моменты времени отмечены также на рис. 2б), а сдвиг в регистрах — по спаду (четные перепады). Таким образом, порядок событий при действии каждого тактового импульса можно описать как «захват, затем сдвиг» (Latch, then Shift).

После окончания обмена пакетами (правее перепада 16-тактовой последовательности) выходной сигнал на каждой из линий данных MOSI и MISO отражает значение бита, который был передан первым. Передача пакета завершается снятием сигнала SS на выходе ведущего (момент B), что деактивирует ведомого абонента. Через некоторое время возможно начало передачи следующего пакета (момент С).

Сигнал SS может формироваться на выходе ведущего разными способами. В некоторых МК он формируется аппаратно: после того как будет программно выполнена запись передаваемого байта в регистр данных передатчика, выходной сигнал SS автоматически переключается в низкий уровень, а по окончании пакета — возвращается в исходное неактивное значение (высокий). Если в ведущем устройстве отсутствует аппаратно реализованное формирование сигнала SS, его формируют программно, используя для этого выход параллельного порта общего назначения. Однако при работе с некоторыми периферийными устройствами приходится формировать сигнал SS программно даже при наличии аппаратного формирователя. Примеры будут приведены позже.

На этом рассмотрение базовых свойств интерфейса SPI заканчиваем, а более подробное их обсуждение продолжим на примерах использования.

Простейший пример использования SPI

Рассмотрим простой пример использования интерфейса SPI для увеличения количества линий дискретного вывода (параллельных портов) в МК, например, для управления группой светодиодов либо семисегментным ЖК-индикатором. Для этого в качестве ведомого можно взять обычный регистр сдвига, например 74HC164. Такой восьмиразрядный регистр имеет последовательный вход данных, вход тактирования (сдвига) и восемь параллельных выходов. Отдельный последовательный выход данных в этом регистре отсутствует, но для этого можно использовать выход старшего разряда D7. Схема подключения показана на рис. 3. В ней использованы только две из четырех линий интерфейса SPI.

Рис. 3. Подключение к МК сдвигового регистра через SPI

Схемотехника микросхемы 74HC164 такова, что как восприятие нового значения входного сигнала MOSI, так и сдвиг (в результате которого изменяются состояния параллельных выходов D7, …, D0) происходит по нарастанию тактового сигнала SCK. Таким образом, использовав два вывода (MOSI и SCK) можно получить дополнительно восемь цифровых выходов в системе.

Почти во всех микроконтроллерах с интерфейсом SPI линии этого интерфейса мультиплексированы с выводами параллельных портов общего назначения. Данный факт позволяет использовать незадействованные выводы микроконтроллера MISO и SS для других целей. Но этот же факт требует от программиста не забыть переконфигурировать соответствующие выводы параллельных портов для их использования в SPI.

Последовательное включение ведомых

При необходимости увеличения количества выходов можно соединить n регистров 74HC164 последовательно в цепочку, которая образует 8× n -разрядный сдвиговый регистр и предоставит 8× n выходов. На рис. 4 показано, как это выглядит для n = 2.

Рис. 4. Последовательное подключение к МК простых сдвиговых регистров как ведомых

Для загрузки этого составного сдвигового регистра новым содержимым придется передать через SPI последовательно n байтов. Недостаток такого решения состоит в том, что во время передачи цепочки битов через многоразрядный сдвиговый регистр состояния его выходов будут переключаться, однако для управления набором светодиодов или многоразрядным семисегментным индикатором это вполне допустимо.

Аналогично можно подключить к МК через интерфейс SPI одну или несколько ИМС регистров сдвига типа 74HC299, имеющих двунаправленные параллельные выводы, что даст дополнительное количество двунаправленных линий ввода/вывода.

Периферийные микросхемы с интерфейсом SPI могут быть устроены сложнее, нежели рассмотренные сдвиговые регистры, и требовать определенной последовательности сигналов SCK и MOSI на своих входах. Это относится:

• к полярности тактовых импульсов (или иначе, к уровню сигнала, которого требует на входе SCK периферийная микросхема в промежутках между передачами пакетов),
• а также к порядку событий «захват и сдвиг».

По этой причине в спецификациях интерфейса SPI различают четыре режима работы , диаграммы для этих режимов изображены на рис. 5.

Рис. 5. Четыре режима работы интерфейса SPI

Буквы S и L над графиками обозначают соответственно Shift (сдвиг) и Latch (захват). Рассмотренная ранее диаграмма соответствует Mode 0. Считается, что наиболее употребительны Mode 0 и Mode 3.

Для выбора в ведущем устройстве (в МК) одного из режимов, различающихся полярностью тактовых импульсов и их «фазой» (порядком действий), в одном из периферийных регистров подсистемы SPI обычно есть два управляющих бита: CPOL (полярность) и CPHA (фаза) — приведенные обозначения битов и обозначения режимов являются широко употребительными. Периферийные устройства (ведомые) чаще всего поддерживают единственный режим, и перед началом обмена ведущий (МК) должен быть настроен на этот режим.

Обратим внимание читателя на то, что в рассмотренном выше примере работы с обычным регистром сдвига одинаково пригоден любой из этих четырех режимов.

Возможные топологии систем связи на базе интерфейса SPI

Простейший случай: к ведущему подключен единственный ведомый, и необходим двусторонний обмен. В этом случае структура межсоединений может использовать трехпроводную схему (рис. 6).

Рис. 6. Двунаправленный обмен с одним ведомым без использования сигнала SS

На вход выбора SS на ведомом может быть постоянно подан активный (низкий) уровень, в то время как выход SS ведущего не используется вовсе и может быть задействован как вывод параллельного порта.

Интерфейс SPI позволяет подключить к одному ведущему несколько ведомых устройств, причем это может быть сделано различными способами. Первый из них позволяет реализовать радиальную структуру связи («звезда»), его принято считать основным вариантом использования интерфейса SPI. Соответствующая конфигурация соединений показана на рис. 7 (заимствован из ).

Рис. 7. Радиальная структура связи
с несколькими ведомыми через SPI

Как видно на рисунке, для обмена более чем с одним ведомым ведущий должен формировать соответствующее количество сигналов выбора ведомого SS. Это как раз тот случай, когда сигналы SS приходится формировать программно, поскольку аппаратно в ведущем формируется не более одного сигнала SS. Если требуется обеспечивать обмен всегда только между ведущим и лишь одним из ведомых, программа на ведущем должна в промежутках между передачами данных держать все сигналы SS в неактивном (высоком) состоянии, а для обмена с одним из ведомых переводить в активный (низкий) уровень соответствующий сигнал SS (отсюда и название «выбор ведомого» — Slave Select). Выводы данных ведомых MISO соединены параллельно, но не «мешают» друг другу, поскольку находятся в отключенном состоянии, а перед началом обмена лишь один из этих выходов (на выбранном ведомом) переходит в активный режим. Обеспечение такого положения дел требует от программиста внимательности.

Однако может возникнуть желание в некоторых приложениях использовать «широковещательную» передачу, при которой данные, передаваемые ведущим, воспринимаются и используются одновременно несколькими (может быть, всеми) ведомыми. Подобный режим возможен без опасности возникновения электрического конфликта на линии MISO в случае, если не требуется передавать данные из ведомых в ведущее устройство, тогда обратные линии данных из ведомых просто отсутствуют.

Если в качестве ведомых в рассматриваемой структуре используются тоже МК, в которых имеется возможность программно управлять режимом выходов MISO, то можно организовать широковещ ательную передачу и при наличии обратного канала (линии MISO). Для этого программы, работающие на микроконтроллерах — ведомых, должны постоянно держать выводы MISO в отключенном состоянии, при этом возможен режим широковещательной передачи от ведущего. Если же требуется получение данных от одного из ведомых, ведущий может сообщить ему об этом в широковещательном режиме, послав пакет с командным кодом-идентификатором, распознав который, один из ведомых должен перевести свой вывод MISO в активное состояние, после чего возможен двусторонний обмен данными между ведущим и выбранным ведомым. По окончании двустороннего обмена ведущий должен вернуть выбранного ведомого в исходное состояние. Иными словами, для получения такой возможности разработчику придется сконструировать некий протокол обмена, надстроенный над диаграммами SPI, в котором некоторые значения байтов (или их последовательностей) играют роль команд для ведомых МК. Этот вопрос будет рассмотрен более подробно в следующей статье цикла при обсуждении организации симметричной магистрали с несколькими ведущими на базе SPI.

Второй способ, позволяющий соединить одного ведущего абонента с несколькими ведомыми, — это структура «кольцо» (иногда эту структуру называют «цепочкой» или каскадным включением, в английской терминологии используется название Daisy-Chain) . Эта структура изображена на рис. 8 (заимствован из ).

Рис. 8. Кольцевая топология связи через SPI

В ней для активации одновременно нескольких ведомых используется единственный сигнал SS, а выводы данных всех абонентов соединены последовательно и образуют замкнутую цепь (кольцо). При передаче пакета от ведущего этот пакет получает первый ведомый, который, в свою очередь, транслирует свой пакет следующему ведомому, и т. д., наконец, последний в цепи ведомый передает свой пакет ведущему. Для того чтобы пакет от ведущего достиг определенного ведомого, ведущий должен выдать еще несколько пакетов. Вариант этой структуры (с незамкнутым кольцом) уже обсуждался (рис. 4).

Некоторые периферийные микросхемы с интерфейсом SPI проектируются специально для использования в цепочечных конфигурациях. Пример таких микросхем — цифро-аналоговые преобразователи AD5444 и AD5446 фирмы Analog Devices . Их структура изображена на рис. 9.

Рис. 9. Структура ЦАП AD5444/AD5446, приспособленная для SPI-цепочки

Интерфейс этих приборов, совместимый с SPI, содержит 16-разрядный сдвиговый регистр с последовательным входом данных SDIN (MOSI), последовательным выходом данных SDO (MISO), входом тактирования сдвига SCLK (SCK) и входом управления SYNC. Три первых вывода по своим функциям полностью аналогичны выводам SPI (они указаны в скобках). Наличие выхода сдвигового регистра SDO позволяет подключить к МК (ведущему) несколько микросхем ЦАП по цепочечной структуре. Захват значения на входе регистра ведомого AD5444/6 происходит по спаду сигнала SCLK, изменение сигнала на этом входе (сдвиг выходного регистра ведущего) должен происходить по нарастанию SCLK. Такая последова тельность действий соответствует Mode 1 (рис. 5). Длина передаваемого в микросхему ЦАП пакета составляет 16 битов, из них два старших выполняют управляющие функции, а последующие 14 битов (в AD5446) или 12 битов (в AD5444) представляют значение отсчета, преобразуемое в напряжение. У программиста есть возможность переключить режим работы SPI в ведомом AD544x, задав значение старших двух битов пакета равным 11, в результате чего ведомый AD544x переключится в Mode 2, захват входного сигнала будет происходить по нарастанию сигнала SCLK.

А вот вход SYNC (SS) выполняет одновременно несколько функций. Во-первых, он низким уровнем активирует в микросхеме ЦАП функцию восприятия сигналов входной линии данных SDIN (MOSI) и линии тактирования SCLK (SCK). Кроме того, по окончании передачи пакета в микросхемы ЦАП переход в высокий уровень сигнала SYNC инициирует передачу полученного 16-битового пакета во входной буфер схемотехники ЦАП (что приведет к появлению нового значения напряжения на аналоговом выходе ЦАП синхронно во всех ведомых), а кроме того, отключает питание от интерфейсных цепей для уменьшения мощности, потребляемой микросхемой ЦАП.

Таким образом, штатный режим работы с цепочкой микросхем ЦАП предполагает установку активного уровня сигнала SYNC (SS), по которому включается питание интерфейсной схемотехники в ЦАП, затем последовательную передачу нужного количества 16-разрядных посылок с учетом порядка включенных в цепочку ведомых (при этом изменения выходных напряжений ЦАП не происходит) и, наконец, выключение активного сигнала SYNC, по которому изменятся одновременно выходные напряжения всех ЦАП в цепочке. Сигнал SYNC должен сохраняться активным (низким) без переключений до окончания передачи всех посылок.

Еще ряд примеров использования SPI

И в случае радиальной схемы с широковещанием, и в последнем примере с цепочечным подключением ЦАП дополнительные возможности были получены в результате наличия и использования высокоуровневого протокола, предполагающего передачу многобайтовых посылок. В примере с широковещанием разработка такого протокола должна выполняться прикладным программистом, в то время как при использовании ИМС AD5444/AD5446 этот протокол специфицирован в их техническом описании.

Широко распространенный отладочный интерфейс JTAG также представляет собой пример реализации высокоуровневого протокола поверх SPI. JTAG предполагает соединение нескольких контролируемых устройств (ведомых) в кольцо и наличие в этом кольце единственного ведущего (JTAG-хоста) [ , , ]. Длины посылок, используемые в JTAG, могут быть достаточно большими, однако их размер кратен 8 битам.

Рассмотрим еще один пример, в котором передача данных осуществляется только в обратном направлении — от ведомого к ведущему, а сигнал SS выполняет дополнительную функцию — запуск операции в периферийном устройстве.

Рис. 11. Диаграмма работы АЦП MAX1240/1241 с интерфейсом SPI и с запуском от сигнала SS

Исходно при неактивном (высоком) уровне сигнала CS выход данных DOUT находится в отключенном (высокоимпедансном) состоянии.

По спаду сигнала CS из ведущего МК в ведомом MAX1240/1241 происходит:

1. захват входного аналогового сигнала на встроенном устройстве выборки/хранения УВХ;
2. запуск процесса аналого-цифрового преобразования с одновременным переходом сигнала DOUT в низкий уровень.

По окончании (через 7,5 мкс) процесса АЦ преобразования УВХ переходит из состояния «хранение» (HOLD) в состояние «выборка» (TRACK), а сигнал DOUT — в высокий уровень: последнее сигнализирует микроконтроллеру о готовом результате.

После этого ведущий МК может начать (немедленно или через некоторое время) считывание результата АЦ преобразования путем подачи последовательности тактовых импульсов на линию SCLK. Для его получения ведущий должен инициировать передачу двух байтов из ведомого. В них будет передано 16 битов, из которых первые 12 представляют результат, а последние четыре (нуля) должны быть просто отброшены. На диаграмме показано, что для повторения измерения ведущий должен снять активный уровень сигнала SS на предопределенное время (не менее 0,24 мкс), после чего процесс вновь можно запустить переключением сигнала SS в активный (низкий) уровень.

В этом примере сигнал CS (SS) выполняет в ведомом MAX1240/1 несколько функций:

1. активирует внутреннюю схемотехнику SPI и выводит из отключенного состояния выход сигнала DOUT (MISO);
2. запускает процесс аналого-цифрового преобразования в АЦП. Следует обратить внимание на то, что в течение времени, пока происходит АЦ-преобразование, сигнал SS должен иметь активное значение (низкий уровень), но сдвиговые такты должны отсутствовать. Это возможно лишь при программном управлении сигналом SS в ведущем устройстве.

Отдельно нужно сказать о сигнале SHDN в микросхемах MAX1240/MAX1241. Он предназначен для перевода периферийной микросхемы в режим энергосбережения. Для этой цели можно было бы использовать SS, однако внутренней схемотехнике преобразователей напряжения (для АЦП) требуется некоторое время для выхода на режим (около 4 мкс). Разработчики микросхемы могли бы реализовать внутреннюю задержку, но они предпочли использовать дополнительный управляющий сигнал. Это оправдано тем, что при необходимости непрерывного преобразования SHDN нужно включить лишь единожды, а запуск АЦП производить многократно. Для управления сигналом SHDN можно использовать выход порта общего назначения.

Что должна делать программа в ведущем (в МК)?

Вот какой может быть последовательность действий, выполняемая микроконтроллером в последнем примере, если его подсистема SPI имеет стандартную длину пакета 8 битов:

1. Установить высокий уровень сигнала SHDN (программно).
2. Подождать не менее 4 мкс (выход на режим преобразователей напряжения для АЦП).
3. Установить низкий уровень сигнала SS (программно).
4. Убедиться, что сигнал DOUT принял значение лог. 0 (программно или по прерыванию).
5. Проверять состояние сигнала DOUT (признак окончания АЦ-преобразования) до тех пор, пока этот сигнал не переключится в лог. 1 (программно или по прерыванию).
6. Инициировать передачу байта из периферийной микросхемы. Частота следования тактовых импульсов не должна превышать 2,1 МГц.
7. Дождаться окончания приема первого байта (программно или по прерыванию).
8. Прочитать и сохранить принятый первый байт.
9. Инициировать передачу второго байта.
10. Дождаться окончания приема второго байта (программно или по прерыванию).
11. Прочитать и сохранить второй байт.
12. Установить высокий уровень сигнала SS для того, чтобы в будущем можно было без задержек запустить следующее измерение.
13. При необходимости немедленно выполнить еще одно измерение, установить низкий уровень сигнала SS (время нахождения сигнала SS в высоком уровне между двумя циклами измерения должно быть не меньше 0,24 мкс).
14. Из полученных двух байтов взять первые 12 битов и записать их в переменную, предназначенную для результата.

Как видим, последовательность достаточно длинная, и нагрузка на МК оказывается значительной, если хочется выполнять измерения с частотой, близкой к максимальной.

И под конец еще более сложный пример ведомого устройства. Фирма Atmel производит микросхемы Flash-памяти с интерфейсом SPI . Рассмотрим особенности подключения микросхемы AT45DB161B с организацией 2M×8 бит. На рис. 12 изображена структурная схема устройства с указанием всех внешних выходов.

Рис. 12. Структура и выводы ИМС Flash-памяти AT45DB161B с интерфейсом SPI

Сигналы SI (MOSI), SO (MISO), SCK (SCK), CS (SS) образуют интерфейс, совместимый с SPI. Обмен с внутренним массивом Flash осуществляется через два буфера размером (512+16) байт. Внутреннее состояние «микросхема занята выполнением операции» либо «операция закончена, микросхема свободна» отражается состоянием сигнала RDY/BUSY. При выполнении длительных операций состояние этого сигнала можно анализировать программно, либо использовать механизм аппаратных прерываний.

Особенностью микросхемы Flash-памяти является то, что при обмене используются многобайтовые пакеты переменной длины. Первый байт каждого пакета является командой, а последующие байты содержат параметры или записываемые данные. Переход сигнала CS в активный (низкий) уровень отмечает начало пакета, а возврат сигнала CS в высокий уровень — конец пакета. Часть пакетов, предназначенных для чтения данных из Flashпамяти, имеют переменную длину. Структура заголовка команд чтения/записи изображена на рис. 13.

Рис. 13. Структура заголовка пакета, содержащего команду и адресную информацию

Как видно на рис. 13, первый байт содержит команду (код операции), а следующие три байта — два параметра: адрес страницы в Flash-массиве и адрес байта в странице, с которого требуется осуществить запись либо чтение. Параметры не выровнены по границам байтов, следовательно, заголовок должен быть сформирован программистом заранее, до начала передачи пакета.

Интерфейсы передачи.

Для передачи данных с одного устройства на другое или с одной микросхемы на другую разработано множество интерфейсов передачи данных. Каждый интерфейс имеет как положительные, так и отрицательные стороны, поэтому необходимо знать какие интерфейсы бывают, их плюсы и минусы и использовать правильный интерфейс для передачи данных в той или иной ситуации.

Интерфейсы бывают с асинхронной и синхронной передачей данных. При синхронной передаче данных, одновременно с данными передаётся синхросигнал, позволяющий синхронизироваться приёмнику и передатчику. Примером такого протокола служит интерфейс SPI.

В асинхронной передаче данных синхронизирующий сигнал отсутствует. В таких линиях существует опасность рассогласования приёмника и передатчика, в результате чего дальнейшие данные будут приняты не правильно. Для предотвращения этого в асинхронных интерфейсах производится периодическая синхронизация по линиям передачи данных. Плюсом таких интерфейсов является меньшее число проводников, требующееся для передачи.

Рассмотрим несколько наиболее популярных интерфейсов поближе.

Интерфейс USART.

Интерфейс USART - последовательный универсальный синхронно-асинхронный приемо-передатчик. Передача данных в USART осуществляется через равные промежутки времени. Этот временной промежуток определяется заданной скоростью USART и указывается в бодах (Для символов, которые могут принимать значения, равные только нулю или единице бод эквивалентен битам в секунду). Существует общепринятый ряд стандартных скоростей: 300, 600, 1200, 2400, 4800, 9600, 19200, 38400, 57600, 115200, 230400, 460800, 921600 бод.

Помимо бит данных USART автоматически вставляет в поток синхронизирующие метки, так называемые стартовый и стоповый биты. При приёме эти лишние биты удаляются. Обычно стартовый и стоповый биты отделяют один байт информации (8 бит), однако встречаются реализации USART, которые позволяют передавать по 5, 6, 7, 8 или 9 бит. Биты, отделённые стартовым и стоповым сигналами, являются минимальной посылкой. USART позволяет вставлять два стоповых бита при передаче для уменьшения вероятности рассинхронизации приёмника и передатчика при плотном трафике. Приёмник игнорирует второй стоповый бит, воспринимая его как короткую паузу на линии.

Принято соглашение, что пассивным (в отсутствие данных) состоянием входа и выхода USART является логическая «1». Стартовый бит всегда логический «0», поэтому приёмник USART ждёт перепада из «1» в «0» и отсчитывает от него временной промежуток в половину длительности бита (середина передачи стартового бита). Если в этот момент на входе всё ещё «0», то запускается процесс приёма минимальной посылки. Для этого приёмник отсчитывает 9 битовых длительностей подряд (для 8-бит данных) и в каждый момент фиксирует состояние входа. Первые 8 значений являются принятыми данными, последнее значение проверочное (стоп-бит). Значение стоп-бита всегда «1», если реально принятое значение иное, USART фиксирует ошибку.

Для формирования временных интервалов передающий и приёмный USART имеют источник точного времени (тактирования). Точность этого источника должна быть такой, чтобы сумма погрешностей (приёмника и передатчика) установки временного интервала от начала стартового импульса до середины стопового импульса не превышала половины (а лучше хотя бы четверти) битового интервала. Для 8-бит посылки 0,5/9,5 = 5 % (в реальности не более 3 %). Поскольку эта сумма ошибок приёмника и передатчика плюс возможные искажения сигнала в линии, то рекомендуемый допуск на точность тактирования USART не более 1,5 %.

Поскольку синхронизирующие биты занимают часть битового потока, то результирующая пропускная способность UART не равна скорости соединения. Например, для 8-битных посылок формата 8-N-1 синхронизирующие биты занимают 20 % потока, что для физической скорости 115 200 бод даёт битовую скорость данных 92160 бит/с или 11 520 байт/с.

Контроль чётности

В протоколе USART имеют возможность автоматически контролировать целостность данных методом контроля битовой чётности. Когда эта функция включена, последний бит данных («бит чётности») всегда принимает значение 1 или 0, так чтобы количество единиц в байте всегда было четным.

Управление потоком

В старые времена устройства с USART могли быть настолько медлительными, что не успевали обрабатывать поток принимаемых данных. Для решения этой проблемы модули USART снабжались отдельными выходами и входами управления потоком. При заполнении входного буфера логика принимающего USART выставляла на соответствующем выходе запрещающий уровень, и передающий USART приостанавливал передачу. Позже управление потоком возложили на коммуникационные протоколы, и надобность в отдельных линиях управления потоком постепенно исчезла.

Физическая реализация.

USART это протокол обмена, т.е. он определяет способ формирования бита, параметры передачи байта, скорость передачи и прочее.

А вот физическая реализация у USART-a может быть различная. Например, для передачи данных внутри одной платы сигналы передаются уровнями +5В и 0В. Для передачи данных на длинные расстояния и между устройствами применяются другие физические уровни напряжений и стандарты такие как: токовая петля (4-20 мА), RS-232 (COM-порт), RS-485 и тому подобные.

Для преобразования «контроллерных» уровней 0-5В в «стандартные» существует огромное количество специализированных микросхем, например ADM202 для RS-232.

Последовательный интерфейс SPI

Наименование SPI является аббревиатурой от "Serial Peripheral Bus", что отражает его предназначение - шина для подключения внешних устройств. Шина SPI организована по принципу "ведущий-подчиненный". В качестве ведущего шины обычно выступает микроконтроллер, но им также может быть программируемая логика, DSP-контроллер или специализированная ИС. Устройства, подключенные к ведущему, являются ведомыми. В их роли выступают различного рода микросхемы, в т.ч. запоминающие устройства (EEPROM, Flash-память, SRAM), часы реального времени (RTC), АЦП/ЦАП, цифровые потенциометры, специализированные контроллеры и др.

Главным составным блоком интерфейса SPI является обычный сдвиговый регистр, сигналы синхронизации и ввода/вывода битового потока которого и образуют интерфейсные сигналы. Таким образом, протокол SPI правильнее назвать не протоколом передачи данных, а протоколом обмена данными между двумя сдвиговыми регистрами, каждый из которых одновременно выполняет и функцию приемника, и функцию передатчика. Непременным условием передачи данных по шине SPI является генерация сигнала синхронизации шины. Этот сигнал имеет право генерировать только ведущий и от него полностью зависит работа подчиненного.

Подключение.

Существует три типа подключения к шине SPI, в каждом из которых участвуют четыре сигнала. Назначение сигналов SPI описано в таблице 7.1.

Самое простое подключение, в котором участвуют только две микросхемы, показано на рисунке 7.2. Здесь, ведущий шины передает данные по линии MOSI синхронно со сгенерированным им же сигналом SCLK, а подчиненный захватывает переданные биты данных по определенным фронтам принятого сигнала синхронизации. Одновременно с этим подчиненный отправляет свою посылку данных. Представленную схему можно упростить исключением линии MISO, если используемая подчиненная ИС не предусматривает ответную передачу данных или в ней нет потребности. Одностороннюю передачу данных можно встретить у таких микросхем как ЦАП, цифровые потенциометры, программируемые усилители и драйверы. Таким образом, рассматриваемый вариант подключения подчиненной ИС требует 3 или 4 линии связи.

Чтобы подчиненная ИС принимала и передавала данные, помимо наличия сигнала синхронизации, необходимо также, чтобы линия SS была переведена в низкое состояние. В противном случае, подчиненная ИС будет неактивна. Когда используется только одна внешняя ИС, может возникнуть соблазн исключения и линии SS за счет жесткой установки низкого уровня на входе выбора подчиненной микросхемы. Такое решение крайне нежелательно и может привести к сбоям или вообще невозможности передачи данных, т.к. вход выбора микросхемы служит для перевода ИС в её исходное состояние и иногда инициирует вывод первого бита данных.

При необходимости подключения к шине SPI нескольких микросхем используется либо независимое (параллельное) подключение (рис. 7.3), либо каскадное (последовательное) (рис. 7.4). Независимое подключение более распространенное, т.к. достигается при использовании любых SPI-совместимых микросхем. Здесь, все сигналы, кроме выбора микросхем, соединены параллельно, а ведущий шины, переводом того или иного сигнала SS в низкое состояние, задает, с какой подчиненной ИС он будет обмениваться данными. Главным недостатком такого подключения является необходимость в дополнительных линиях для адресации подчиненных микросхем (общее число линий связи равно 3+n, где n-количество подчиненных микросхем).

В случае нехватки ножек микроконтроллера можно использовать микросхему демультиплексора. Демультиплексор подключает единственный входной сигнал к одному из выходных сигналов, в зависимости от кода на управляющих ножках. На рис 7.4 представлена схема подключения демультиплексора. На его вход подаётся сигнал SS, который принимает значение, равное 0, если необходимо выбрать одну из микросхем. Номер нужной микросхемы в двоичном коде подаётся на ножки Am-A0. Это позволяет уменьшить количество используемых в микроконтроллере ножек до m=log 2 n. Где n – количество подчинённых микросхем. Т.е. для подключения 128-ми устройств требуется 8 выводов микроконтроллера. Один для установки разрешающего сигнала и 7 для установки номера включаемой микросхемы. Необходимо отметить, что на неподключенных ножках демультиплексора должна быть логическая единица. В противном случае используется инвертер сигнала, преобразующий логический ноль в логическую единицу.

Каскадное включение избавлено от этого недостатка, т.к. здесь из нескольких микросхем образуется один большой сдвиговый регистр. Для этого выход передачи данных одной ИС соединяется со входом приема данных другой, как показано на рисунке 3. Входы выбора микросхем здесь соединены параллельно и, таким образом, общее число линий связи сохранено равным 4. Однако использование каскадного подключения возможно только в том случае, если его поддержка указана в документации на используемые микросхемы. Чтобы выяснить это, важно знать, что такое подключение по-английски называется "daisy-chaining".

Протокол передачи

Протокол передачи по интерфейсу SPI по сути идентичен логике работы сдвигового регистра (рис 7.6), которая заключается в выполнении операции сдвига и, соответственно, побитного ввода и вывода данных по определенным фронтам сигнала синхронизации. Установка данных при передаче и выборка при приеме всегда выполняются по противоположным фронтам синхронизации. Это необходимо для гарантирования выборки данных после надежного их установления. Если к этому учесть, что в качестве первого фронта в цикле передачи может выступать нарастающий или падающий фронт, то всего возможно четыре варианта логики работы интерфейса SPI. Эти варианты получили название режимов SPI и описываются двумя параметрами:

· CPOL - исходный уровень сигнала синхронизации (если CPOL=0, то линия синхронизации до начала цикла передачи и после его окончания имеет низкий уровень (т.е. первый фронт нарастающий, а последний - падающий), иначе, если CPOL=1, - высокий (т.е. первый фронт падающий, а последний - нарастающий));

· CPHA - фаза синхронизации; от этого параметра зависит, в какой последовательности выполняется установка и выборка данных. Если CPHA=0, то по переднему фронту в цикле синхронизации будет выполняться выборка данных, а затем, по заднему фронту, - установка данных. Если же CPHA=1, то установка данных будет выполняться по переднему фронту в цикле синхронизации, а выборка - по заднему.

Информация по режимам SPI представлена на рис 7.7 и 7.8.

Ведущая и подчиненная микросхемы, работающие в различных режимах SPI, являются несовместимыми, поэтому, перед выбором подчиненных микросхем важно уточнить, какие режимы поддерживаются ведущим шины. Аппаратные модули SPI, интегрированные в микроконтроллеры, в большинстве случаев поддерживают возможность выбора любого режима и, поэтому, к ним возможно подключение любых подчиненных SPI-микросхем (относится только к независимому варианту подключения). Кроме того, протокол SPI в любом из режимов легко реализуется программно.

Интерфейс RS-485

Интерфейс RS-485 (другое название - EIA/TIA-485) - один из наиболее распространенных стандартов физического уровня связи. Физический уровень - это канал связи и способ передачи сигнала (1 уровень модели взаимосвязи открытых систем OSI).

Сеть, построенная на интерфейсе RS-485, представляет собой приемопередатчики, соединенные при помощи витой пары - двух скрученных проводов. В основе интерфейса RS-485 лежит принцип дифференциальной (балансной) передачи данных. Суть его заключается в передаче одного сигнала по двум проводам. Причем по одному проводу (условно A) идет оригинальный сигнал, а по другому (условно B) - его инверсная копия. Другими словами, если на одном проводе "1", то на другом "0" и наоборот. Таким образом, между двумя проводами витой пары всегда есть разность потенциалов: при "1" она положительна, при "0" – отрицательна (рис 7.9).

Именно этой разностью потенциалов и передается сигнал. Такой способ передачи обеспечивает высокую устойчивость к синфазной помехе. Синфазной называют помеху, действующую на оба провода линии одинаково. К примеру, электромагнитная волна, проходя через участок линии связи, наводит в обоих проводах потенциал. Если сигнал передается потенциалом в одном проводе относительно общего, как в RS-232, то наводка на этот провод может исказить сигнал относительно хорошо поглощающего наводки общего ("земли"). Кроме того, на сопротивлении длинного общего провода будет падать разность потенциалов земель - дополнительный источник искажений. А при дифференциальной передаче искажения не происходит. В самом деле, если два провода пролегают близко друг к другу, да еще перевиты, то наводка на оба провода одинакова. Потенциал в обоих одинаково нагруженных проводах изменяется одинаково, при этом информативная разность потенциалов остается без изменений.

Аппаратная реализация интерфейса RS485.

Аппаратная реализация интерфейса - микросхемы приемопередатчиков с дифференциальными входами/выходами (к линии) и цифровыми портами (к портам UART контроллера). Существуют два варианта такого интерфейса: RS-422 и RS-485.

RS-422 - полнодуплексный интерфейс. Прием и передача идут по двум отдельным парам проводов. На каждой паре проводов может быть только по одному передатчику.

RS-485 - полудуплексный интерфейс. Прием и передача идут по одной паре проводов с разделением по времени. В сети может быть много передатчиков, так как они могут отключаются в режиме приема (рис 7.10).

Расшифровка обозначений на рис 7.10

D (driver) - передатчик;
R (receiver) - приемник;
DI (driver input) - цифровой вход передатчика;
RO (receiver output) - цифровой выход приемника;
DE (driver enable) - разрешение работы передатчика;
RE (receiver enable) - разрешение работы приемника;
A - прямой дифференциальный вход/выход;
B - инверсный дифференциальный вход/выход;
Y - прямой дифференциальный выход (RS-422);
Z - инверсный дифференциальный выход (RS-422).

Подробнее остановимся на приемопередатчике RS-485. Цифровой выход приемника (RO) подключается к порту приемника UART (RX). Цифровой вход передатчика (DI) к порту передатчика UART (TX). Поскольку на дифференциальной стороне приемник и передатчик соединены, то во время приема нужно отключать передатчик, а во время передачи - приемник. Для этого служат управляющие входы - разрешение приемника (RE) и разрешения передатчика (DE). Так как вход RE инверсный, то его можно соединить с DE и переключать приемник и передатчик одним сигналом с любого порта контроллера. При уровне "0" - работа на прием, при "1" - на передачу (рис 7.11).

Приемник, получая на дифференциальных входах (AB) разность потенциалов (UAB) переводит их в цифровой сигнал на выходе RO. Чувствительность приемника может быть разной, но гарантированный пороговый диапазон распознавания сигнала производители микросхем приемопередатчиков пишут в документации. Обычно эти пороги составляют ± 200 мВ. То есть, когда UAB > +200 мВ - приемник определяет "1", когда UAB < -200 мВ - приемник определяет "0". Если разность потенциалов в линии настолько мала, что не выходит за пороговые значения - правильное распознавание сигнала не гарантируется. Кроме того, в линии могут быть и не синфазные помехи, которые исказят столь слабый сигнал.

Все устройства подключаются к одной витой паре одинаково: прямые выходы (A) к одному проводу, инверсные (B) - к другому.

Входное сопротивление приемника со стороны линии (RAB) обычно составляет 12 КОм. Так как мощность передатчика не беспредельна, это создает ограничение на количество приемников, подключенных к линии. Согласно спецификации RS-485 c учетом согласующих резисторов передатчик может вести до 32 приемников. Однако есть ряд микросхем с повышенным входным сопротивлением, что позволяет подключить к линии значительно больше 32 устройств.

Максимальная скорость связи по спецификации RS-485 может достигать 10Мбод/сек. Максимальное расстояние – 1200 метров. Если необходимо организовать связь на расстоянии большем 1200 метров или подключить больше устройств, чем допускает нагрузочная способность передатчика - применяют специальные повторители (репитеры).

Интерфейс I2C.

Этот интерфейс был предложен фирмой Philips, которая применила его для организации связи между микросхемами в своих телевизорах. I 2 C (аббревиатура слов Inter-Integrated Circuit) представляет собой двунаправленную асинхронную шину с последовательной передачей данных. Физически шина I 2 C представляет собой две сигнальные линии, одна из которых (SCL) предназначена для передачи тактового сигнала, а вторая (SDA) для обмена данными. Для управления линиями применяются выходные каскады с открытым коллектором, поэтому линии шины должны быть подтянуты к источнику питания +5 В через резисторы сопротивлением 1...10 кОм, в зависимости от физической длины линий и скорости передачи данных. Длина соединительных линий в стандартном режиме может достигать 2-х метров, скорость передачи данных – 100 кбит/с.

Все абоненты шины делятся на два класса – «Ведущий» и «Ведомый». Ведущее устройство генерирует тактовый сигнал (SCL). Оно может самостоятельно выходить на шину и адресовать любое ведомое устройство с целью передачи или приёма информации. Все ведомые устройства "слушают" шину на предмет обнаружения собственного адреса и, распознав его, выполняют предписываемую операцию. Кроме того, возможен так называемый "MultiMaster"-режим, когда на шине установлено несколько ведущих устройств, которые либо совместно разделяют общие ведомые устройства, либо попеременно являются то ведущими, когда сами инициируют обмен информацией, то ведомыми, когда находятся в режиме ожидания обращения от другого ведущего устройства. Режим "MultiMaster" требует постоянного слежения и распознавания конфликтов. В связи с этим, данный режим сложнее в реализации (имеется ввиду программная реализация) и, как следствие, реже используется в реальных изделиях.

В начальный момент времени – в режиме ожидания – обе лини SCL и SDA находятся в состоянии логической единицы (транзистор выходного каскада с открытым коллектором закрыт). В режиме передачи (рис 7.12) бит данных SDA тактируется восходящим фронтом SCL. Смена информации на линии SDA производится при нулевом состоянии линии SCL. Ведомое устройство может "придерживать" линию SCL в нулевом состоянии, например, на время обработки очередного принятого байта, при этом ведущее устройство обязано дождаться освобождения линии SCL, прежде чем продолжать передачу информации.

Для синхронизации пакетов шины I 2 C различают два условия – "START" и "STOP", ограничивающие начало и конец информационного пакета (рис 7.13). Для кодирования этих условий используется изменение состояния линии SDA при единичном состоянии линии SCL, что недопустимо при передаче данных. "START"-условие образуется при появлении нисходящего фронта на линии SDA, когда линия SCL находится в единичном состоянии, и наоборот, "STOP"-условие образуется при появлении восходящего фронта линии SDA при единичном состоянии линии SCL.

Передача данных начинается по первому восходящему фронту на линии SCL, которым тактируется старший бит первого информационного байта. Каждый информационный байт (8 битов) содержит 9 тактовых периодов линии SCL. В девятом такте устройство-получатель выдаёт подтверждение (ACK) – нисходящий фронт, свидетельствующий о приёме данных. Следует отметить, что любой абонент шины, как ведущий, так и ведомый может в разные моменты времени быть как передатчиком, так и получателем и в соответствии с режимом обязан либо принимать, либо выдавать сигнал ACK, отсутствие которого интерпретируется как ошибка.

Чтобы начать операцию обмена данными, ведущее устройство выдаёт на шину "START"-условие. За "START"-условием следует байт с адресом ведомого устройства (рис 7.14), состоящий из семибитового адреса устройства (биты 1...7) и однобитового флага операции чтения-записи - "R/W" (бит 0). Бит R/W определяет направление обмена, причём 0 означает передачу данных от ведущего к ведомому (рис 7.14а), а 1 – чтение из ведомого (рис 7.14б). Все биты по шине I 2 C передаются в порядке от старшего к младшему, то есть первым передаётся 7-ой бит, последним 0-ой. За адресом могут следовать один или более информационных байтов (в направлении, определённом флагом R/W), биты которых тактируются ведущим устройством по шине SCL.

При совершении операции чтения ведущее устройство должно сопровождать прочитанный байт сигналом ACK, если необходимо прочитать следующий байт, и не выдавать сигнал ACK, если собирается закончить чтение пакета (см. рисунок 7.14б).

Допускается многократное возобновление адреса ведомого устройства в одном цикле передачи, то есть передача повторного "START"-условия без предварительного "STOP"-условия (рисунок 7.14в).

Необходимо отметить некоторые особенности микросхем памяти, работающих по интерфейсу I 2 C, и процедур обмена данными с ними. Во-первых, энергонезависимая память данных этих микросхем разбита на страницы памяти, поэтому при записи байта вначале происходит копирование всей страницы во внутреннюю оперативную память микросхемы, где производится изменение нужной ячейки. После этого, производится стирание старой страницы и запись на её место новой. Ещё одной особенностью является то, что старшие четыре бита адреса ведомого устройства всегда должны быть равны 1010. Это требование регламентировано самой фирмой Philips.

Шина 1-Wire использует только один проводник для связи и питания. Режим связи – асинхронный и полудуплексный, который строго следует схеме ведущий-подчиненный. К одной и той же шине могут быть одновременно подключено одно или несколько подчиненных устройств. К одной шине может быть подключено только одно ведущее устройство.

Незанятому состоянию шины соответствует высокий уровень, который формируется подтягивающим резистором. Номинал подтягивающего резистора приводится в документации на подчиненную ИМС. Все микросхемы, подключенные к шине, должны быть способны создавать низкий уровень. Если выход микроконтроллера не поддерживает три состояния, то необходимо предусмотреть драйвер, у которого выход с открытым коллектором или открытым стоком

Передача сигналов по шине 1-Wire разделена на временные слоты длительностью 60 мкс. Одним временным слотом передается только один бит данных. Подчиненным устройствам допускается иметь существенные отличия от номинальных выдержек времени. Однако это требует более точного отсчета времени ведущим, чтобы гарантировать корректность связи с подчиненными, у которых различаются временные базисы.

Основные сигналы шины.

Ведущий инициирует каждую связь на битном уровне. Это означает, что передача каждого бита, независимо от направления, должна быть инициирована ведущим. Это достигается установкой низкого уровня на шине, который синхронизирует логику всех остальных устройств. Существует 5 основных команд для связи по шине 1-Wire: “Запись лог. 1”, “Запись лог. 0”, “Чтение”, “Сброс” и “Присутствие”.

Сигнал “Запись лог. 1”

Сигнал “Запись лог. 1” показан на рис. 7.15. Ведущий устанавливает низкий уровень в течение 1…15 мкс. После этого, в течение оставшейся части временного слота он освобождает шину.

Рис. 7.15 – Сигнал «Запись лог. 1»

Сигнал “Запись лог. 0”

Сигнал “Запись лог. 0” показан на рис 7.16. Ведущий формирует низкий уровень в течение не менее 60 мкс, но не дольше 120 мкс.

Рис 7.16 – Сигнал «Запись лог. 0»

Сигнал “Чтение”

Сигнал “Чтение” показан на рис. 7.17. Ведущий устанавливает низкий уровень в течение 1…15 мкс. После этого подчиненный удерживает шину в низком состоянии, если желает передать лог. 0. Если необходимо передать лог. 1, то он просто освобождает линию. Сканирование шины необходимо выполнять по истечении 15 мкс после установки низкого уровня на шине. Если смотреть со стороны ведущего, сигнал “Чтение” является, в сущности, сигналом «Запись лог. 1». Собственно внутреннее состояние подчиненного будет определять это сигнал «Запись лог. 1» или «Чтение».

Рис 7.17 – Сигнал «Чтение»

Сигнал “Сброс/присутствие”

Сигналы “Сброс” и “Присутствие” показаны на рис 7.18. Обратите внимание, что временные интервалы импульсов отличаются. Ведущий устанавливает низкий уровень в течение 8 временных слотов (480 мкс), а затем освобождает шину. Данный длительный период низкого состояния называется сигнал «Сброс».

Если на шине присутствует подчиненный, то он должен в течение 60 мкс после освобождения ведущим шины установить низкий уровень длительностью не менее 60 мкс. Данный отклик носит название «Присутствие». Если такой сигнал не обнаруживается, то ведущий должен полагать, что нет подключенных устройств к шине и дальнейшая связь невозможна.

USB (Universal serial bus) разрабатывался для оперативного подключения внешних устройств к персональному компьютеру с последующим нахождением и установкой нужного программного обеспечения. Питание маломощных устройств производится непосредственно через интерфейс.

Стандарт USB подразумевает в сети наличие только одного ведущего (Host) устройства. При этом стандарт поддерживает до 127 ведомых устройств в сети. Для различения ведущих и ведомых устройств были разработаны разные виды разъёмов (рис 7.19): Тип А – для ведущего и Тип В для ведомого. Принято, что напряжение 5В присутствует только на разъёме типа А, являющего ведущим. Остальные же устройства питаются непосредственно от него.

В стандарте USB используется 4 экранированных провода, из которых два передают питание (+5v & GND) (рис 7.19 и таблица 7.2). Остальные два представляют витую пару (twisted pair) дифференциальных сигналов данных. Используется схема кодирования NRZI (Non Return to Zero Invert, без возврата к нулю с инверсией) для передачи данных с полем синхронизации для синхронизации тактов ведущего и ведомых устройств.

В стандарте USB 2.0 появился стандарт On-The-Go (OTG), в котором введен протокол Host Negotiation Protocol, позволяющий двум устройствам USB договориться, кто будет выполнять роль ведущего. Это предназначено и ограничено одиночными подключениями точка-точка, например мобильный телефон – персональный компьютер.

USB поддерживает «горячее» (plug’n’play) соединение с динамически загружаемыми и выгружаемыми драйверами. Пользователь просто втыкает устройство, подключая его тем самым к шине. Хост детектирует присоединение, опрашивает свежевставленное устройство и загружает подходящий драйвер, индицируя песочными часами на экране момент загрузки (если драйвер для устройства USB уже установлен в системе). Конечный пользователь не заботится ни о терминировании, ни об IRQ (прерываниях) и адресах портов, ни о перезагрузке компьютера (перезагрузка не требуется). Когда пользователь закончил работу с USB-устройством, он просто вынимает его (или отсоединяет кабель), хост обнаружит отсутствие устройства и автоматически выгрузит драйвер.

SB версии 1.1 поддерживает две скорости – режим full speed со скоростью 12 Mbits/s и режим low speed со скоростью 1.5 Mbits/s. Режим 1.5 Mbits/s медленнее, и менее чуствителен к EMI (помехам), чем уменьшает стоимость ферритовых колец и снижает требования к качеству компонентов.

Кабель для поддержки полной скорости шины (full-speed) выполняется как витая пара, защищается экраном и может также использоваться для работы в режиме минимальной скорости (low-speed). Кабель для работы только на минимальной скорости (например, для подключения мыши) может быть любым и неэкранированным.

В стандарте USB 2.0 вводится режим High Speed со скоростью передачи данных 480Mbits/s.

Передача данных.

Все передачи данных по интерфейсу инициируются хостом. Данные передаются в виде пакетов. В интерфейсе USB используется несколько разновидностей пакетов:

А) пакет-признак (token paket ) описывает тип и направление передачи данных, адрес устройства и порядковый номер конечной точки (КТ - адресуемая часть USB-устройства); пакет-признаки бывают нескольких типов: IN , OUT , SOF , SETUP ;

Б) пакет с данными (data packet ) содержит передаваемые данные;

В) пакет согласования (handshake packet ) предназначен для сообщения о результатах пересылки данных; пакеты согласования бывают нескольких типов: ACK , NAK , STALL .

Передача данных по USB производится следующим образом:

Первый пакет, так называемый token, генерируется ведущим устройством для описания типа передаваемых данных, операции передачи (чтение или запись), адрес устройства и конечной точки (endpoint). Следующим обычно передаётся пакет данных, несущий полезную информацию, за которым идет пакет согласования (handshaking packet), сообщающий о том, что данные или token были приняты успешно, или конечная точка (endpoint) остановлена (stalled) или недоступна для принятия данных.

Конечными точками в стандарте USB называются источники и приёмники данных. Все устройства должны поддерживать конечную точку 0. Это конечная точка, которая принимает все управляющие запросы и запросы статуса во время энумерации (запрос дескриптора для определения типа подключенного устройства) и в течение всего времени, когда устройство остается работоспособным на шине.

Конечные точки с номерами от 1 используются для передачи пользовательской информации. Рассмотрим пару примеров.

Драйвер устройства передаёт на конечную точку ЕР1 ведущего устройства. Т.к. данное устройство является ведущим, то данные попадают в OUT буфер ЕР1. При этом посылается токен OUT, говорящий о готовности данных к отправке. Получив этот токен, ведомое устройство может считать данные из буфера OUT.

Если ведомому устройству требуется передать на ведущее данные, оно помещает их в буфер IN. В этом буфере данные будут до тех пор, пока ведущее устройство не отправит токен IN, запрашивая данные с конечной точки. Все буферы конечных точек называются по отношению к ведущему устройству, т.е. выходной буфер ведомого устройства называется IN т.к. он является входным буфером для ведущего устройства.

Передача данных от одной конечной точки к другой производится через потоки. Поток – логическое соединение между хостом и конечной точкой (точками).

Потоки также имеют набор параметров, таких как тип передачи (Control, Bulk, Iso или Interrupt), направление потока данных и максимальные размеры пакета/буфера.

Например, поток по умолчанию – это двунаправленный поток, составленный из IN конечной точки 0 и OUT конечной точки 0 с типом передачи control.

USB определяет два типа потоков (pipes)

А) Stream Pipes не имеют предопределенного USB формата, поэтому Вы можете послать данные любого типа через stream pipe и восстановить данные на другом конце. Потоки данных последовательны и имеют предопределенную направленность – IN или OUT. Stream pipes поддерживают типы передач bulk, isochronous и interrupt. Stream pipes могут управляться либо от хоста, либо от устройства.

Б) Message Pipes имеют предопределенный USB формат. Они управляются хостом, инициируются запросом, отправляемым от хоста. Данные пересылаются в нужном направлении, заданном в запросе. Таким образом, message pipes позволяют передавать данные в обоих направлениях, но поддерживают только передачи control.

Стандарт USB описывает четыре типа передачи данных:

А) Управляющая пересылка (control transfer ) используется для конфигурации устройства, а также для других специфических для конкретного устройства целей.

Б) Потоковая пересылка (bulk transfer ) используется для передачи относительно большого объема информации.

В) Пересылка с прерыванием (iterrupt transfer ) испольуется для передачи относительно небольшого объема информации, для которого важна своевременная его пересылка. Имеет ограниченную длительность и повышенный приоритет относительно других типов пересылок.

Г) Изохронная пересылка (isochronous transfer ) также называется потоковой пересылкой реального времени. Информация, передаваемая в такой пересылке, требует реального масштаба времени при ее создании, пересылке и приеме.

Потоковые пересылки характеризуются гарантированной безошибочной передачей данных между хостом и функцией посредством обнаружения ошибок при передаче и повторного запроса информации. Когда хост становится готовым принимать данные от функции, он в фазе передачи пакета-признака посылает функции IN -пакет. В ответ на это функция в фазе передачи данных передает хосту пакет с данными или, если она н

SPI (Serial Peripheral Interface) – последовательный синхронный стандарт передачи данных в режиме полного дуплекса, разработанный компанией Motorola для обеспечения простого и недорогого сопряжения микроконтроллеров и периферии. SPI также иногда называют четырехпроводным (англ. four-wire) интерфейсом.SPI является синхронным протоколом, в котором любая передача синхронизирована с общим тактовым сигналом, генерируемым ведущим устройством (процессором). Принимающая периферия (ведомая) синхронизирует получение битовой последовательности с тактовым сигналом. К одному последовательному периферийному интерфейсу ведущего устройства-микросхемы может присоединяться несколько микросхем. Ведущее устройство выбирает ведомое для передачи, активируя сигнал «выбор кристалла» (chip select) на ведомой микросхеме. Периферия, не выбранная процессором, не принимает участие в передаче по SPI.
В SPI используются четыре цифровых сигнала:

• MOSI или SI – выход ведущего, вход ведомого (англ. Master Out Slave In). Служит для передачи данных от ведущего устройства ведомому;
• MISO или SO – вход ведущего, выход ведомого (англ. Master In Slave Out). Служит для передачи данных от ведомого устройства ведущему.
• SCK или SCLK – последовательный тактовый сигнал (англ. Serial CLocK). Служит для передачи тактового сигнала для ведомых устройств.
• CS или SS – выбор микросхемы, выбор ведомого (англ. Chip Select, Slave Select).Как правило, выбор микросхемы производится низким логическим уровнем.

В зависимости от комбинаций полярности и фазы синхроимпульсов возможны четыре режима работы SPI.

Режим SPI	Временная диаграмма
Режим SPI0
Режим SPI1 Активные уровень импульсов — высокий.
Режим SPI2 Сначала защёлкивание, затем сдвиг.
Режим SPI3 Активные уровень импульсов — низкий. Сначала сдвиг, затем защёлкивание.

В таблице принято:

• MSB — старший бит;
• LSB — младший бит.

Мастеру приходится настраиваться на тот режим, который используется ведомым.
При обмене данными по интерфейсу SPI микроконтроллер может работать как ведущий (режим Master) либо как ведомый (режим Slave). При этом пользователь может задавать следующие параметры:

• режим работы в соответствии с таблицей;
• скорость передачи;
• формат передачи (от младшего бита к старшему или наоборот).

Соединение двух микроконтроллеров по структуре ведущий – ведомый по интерфейсу SPI осуществляется по следующей схеме.

Выводы SCK, CS для ведущего микроконтроллера являются выходами, а ведомого микроконтроллера – входами.

Передача данных осуществляется следующим образом. При записи в регистр данных SPI ведущего микроконтроллера запускается генератор тактового сигнала модуля SPI, и данные начинают побитно выдаваться на вывод MOSI и соответственно поступать на вывод MOSI ведомого микроконтроллера. После выдачи последнего бита текущего байта генератор тактового сигнала останавливается с одновременной установкой в «1» флага «Конец передачи». Если поддерживаются и разрешены прерывания от модуля SPI, то генерируется запрос на прерывание. После этого ведущий микроконтроллер может начать передачу следующего байта либо, подав на вход SS ведомого напряжение уровня логической «1», перевести его в состояние ожидания.

Одновременно с передачей данных от ведущего к ведомому происходит передача и в обратном направлении, при условии, что на входе SS ведомого присутствует напряжение низкого уровня. Таким образом, в каждом цикле сдвига происходит обмен данными между устройствами. В конце каждого цикла флаг прерывания устанавливается в «1» как в ведущем микроконтроллере, так и в ведомом. Принятые байты сохраняются в приемных буферах для дальнейшего использования.

При приеме данных принятый байт должен быть прочитан из регистра данных SPI до того, как в сдвиговый регистр поступит последний бит следующего байта. В противном случае первый байт будет потерян.

Вывод SS предназначен для выбора активного ведомого устройства и в режиме Slave всегда является входом. Каждый раз, когда на вывод SS подается напряжение уровня логической «1», происходит сброс модуля SPI. Если изменение состояния этого вывода произойдет во время передачи данных, и прием, и передача немедленно прекратятся, а передаваемый и принимаемый байты будут потеряны.

Если микроконтроллер находится в режиме Master, направление передачи данных через вывод SS определяется пользователем. Если вывод сконфигурирован как выход, он работает как линия вывода общего назначения и не влияет на работу модуля SPI. Как правило, в этом случае он используется для управления выводом SS микроконтроллера, работающего в режиме Slave.

Если вывод сконфигурирован как вход, то для обеспечения нормальной работы модуля SPI на него должно быть подано напряжение высокого уровня. Подача на этот вход напряжения низкого уровня от какой-либо внешней схемы будет воспринята модулем SPI как выбор микроконтроллера в качестве ведомого (при этом ему начинают передаваться данные).

Пример использования интерфейса SPI для микроконтроллеров STM32 хорошо описан в

Serial Peripheral Interface или SPI - последовательный периферийный интерфейс, служит для связи периферии и микроконтроллера. Например, в качестве периферии может быть: дисплей, различные датчики, FLASH память, SD карта (да, да, SD карта или «флешка» которую вы используете в телефонах и фотоаппаратах общается с внешним миром с помощью интерфейса SPI) и т.д.

К сожалению официальной документации на интерфейс SPI нет, поэтому данный пост основывается на различных статьях в Интернете, собственного опыта и документации на микроконтроллеры.

О том что такое SPI читайте в статьях википедии

В SPI всегда есть один ведущий и один/несколько ведомых.

Передачу данных всегда инициализирует ведущий.

В SPI используются четыре линии связи:

• MOSI или SI - выход ведущего, вход ведомого (англ. Master Out Slave In ). Служит для передачи данных от ведущего устройства ведомому.
• MISO или SO - вход ведущего, выход ведомого (англ. Master In Slave Out ). Служит для передачи данных от ведомого устройства ведущему.
• SCLK или SCK - последовательный тактовый сигнал (англ. Serial Clock ). Служит для передачи тактового сигнала для ведомых устройств.
• CS или SS - выбор микросхемы, выбор ведомого (англ. Chip Select, Slave Select ).

P.S. Для обеспечения односторонней связи с одним устройством, достаточно использовать SCLK , MOSI (в случае если ведомое устройство только принимает) или SCLK , MISO (в случае если ведомое устройство ничего не принимает, а только передает информацию). На входе CS ведомого устройства должен быть установлен логический ноль , иначе ведомый не будет работать.

P.S. Если ведомое устройство и передает и принимает, то можно ограничиться тремя проводами – MISO , MOSI , SCLK , на вход CS ведомого устройства также необходимо установить логический ноль .

SPI может быть реализован в микроконтроллере аппаратно , тогда задача по управлению интерфейсом решается для каждого микроконтроллера отдельно, т.к. реализации могут быть разными. Например, для ATmega328Р (микроконтроллер компании Atmel) при работе с SPI нам нужно самим программным путем установить на SS логический ноль при начале приема/передачи и установить логическую единицу обратно при окончание передачи .

Для передачи данных к ведомому устройству, нужно в сдвигающий регистр MASTER-а (на изображение сдвигающий регистр мастера — «8 BIT SHIFT REGISTER ») записать байт передаваемой информации . При этом автоматически на SCK начнет генерироваться синхросигнал . Это и есть аппаратная реализация.

Если аппаратной поддержки SPI в микроконтроллере нет, то интерфейс SPI можно всегда реализовать программно , т.е. создать программу управляющая ножками контролера согласно протоколу обмена SP.

Различия в реализациях интерфейса SPI

Ведомые микросхемы могут по разному «интерпретировать» принятый сигнал по SPI, отличие может заключается в следующих моментах:

• в размере передающих данных или размер пакета , обычно это 8 бит , но бывает и больше
• в порядке следования бит , сначала старший бит или сначала младший бит
• по какому уровню синхросигнала передаются данные (по логической единицы (HIGH) или логическому нулю (LOW))
• по какому фронту импульса происходит синхронизация (по подъему или спуску), кратко это называют «фазой синхронизации»

Комбинация «уровня синхронизирующего сигнала » и «фазы синхронизации » определяется в спецификациях как режимы работы SPI . Их всего 4-е :

Режим	Уровень сигнала (CPOL)	Фаза (CPHA)
0	0	0
1	0	1
2	1	0
3	1	1

В столбце «Уровень сигнала » 1-ца , означает, что бит данных , принимаются ведомым устройством, когда по линии синхронизации передается ноль , другими словами — ведомое устройство ожидает и не принимает данные, когда на SCK установлена логическая 1-ца .

В столбце «Фаза » 1-ца , означает, что сигнал синхронизации определяется по спадающему фронту синхроимпульса , а логический 0-ль по нарастающему фронту синхроимпульса .

P.S. Причем если в столбце «Уровень сигнала » установлена 1-ца , то спадающий и нарастающий фронт если изобразить на диаграмме будет «вверх ногами ».

На диаграммах, данные 4-е режима можно изобразить следующим образом:

Более подробно о принципах работы SPI вы можете прочесть в статье

http://www.kit-e.ru/articles/interface/2009_03_53.php

Реализация SPI на микроконтроллерах ATmega серии AVR (ATmega328P) и «ранних» МК фирмы Motorola

В микроконтроллере ATmega328P (микроконтроллер фирмы Atmel серии AVR) можно управлять следующими параметрами SPI :

Для настройки и управлением SPI интерфейсом используют три регистра:

• Регистр управления — SPCR
• Регистр состояния — SPSR
• Регистр данных — SPDR

Подробнее о каждом из них …

Регистр управления – « SPCR » 0x2C , адрес для записи 0x4C

— Логическая единица в 7-ом бите (имя бита SPIE ) – разрешить прерывания от SPI (прерывание будет в том случае если установлен бит глобального разрешения прерываний регистра SREG (7-й бит)). После окончания передачи байта будет сгенерировано прерывание.

— Логическая единица в 6-ом бите (имя бита — SPE ) — подключить SS, MOSI, MISO и SCK к портам микроконтроллера ATmega328P — PB2,PB3,PB4,PB5 .

— Логическая единица в 5-ом бите (имя бита DORD ) – определит, что по SPI сначала передается младший разряд , а потом старший – режим «LSB». Логический ноль, наоборот, что сначала передается старший разряд, а далее младший – режим «MSB».

— Логическая единица в 4-ом бите (имя бита — MSTR ) — режим ведущий включить , ноль – включить режим ведомого

— Логическая единица в 3-ем бите (имя бита CPOL ) (полярность сигнала синхронизации или уровень синхронизации) – синхронизация ведется по отсутствию импульса (по логическому нулю) или тактовый сигнал в состоянии ожидания равен 1-цы. Логический ноль — синхронизация ведется по присутствию импульса (по логической единицы) или тактовый сигнал в состоянии ожидания равен 0-лю. По какому фронту (спад или подъем) ведется синхронизация определяется в 2-ом бите (CPHA ).

— Логическая единица в 2-ом бите (имя бита CPHA ) (фаза синхронизации) – определяет, что сигнал синхронизации определяется по спадающему фронту SCK , а логический ноль по нарастающему фронту SCK . Причем если в CPOL установлена 1-ца, то спадающий и нарастающий фронт если изобразить на диаграмме «вверхногами».

1-ый и 0-ой бит совместно с битом SPI2x в регистре SPSR определяют скорость передачи данных по SPI (или скорость тактовый сигналов по SCK). Данные биты имеют смысл только для ведущего, для ведомого они бессмысленны, т.к. скорость приема зависит от частоты SCK ведущего.

Где fosc тактовая частота задающего генератора SPI (обычно она равна частоте тактирования процессора).

Регистр состояния – «SPSR» (адрес в ATmega328P для чтения 0x2D , адрес для записи 0x4D , если у вас другой МК, то найти адреса вы можете в документации)

— 7-ой бит регистра «SPIF »: SPI Interrupt Flag

В бит устанавливается единица , когда передача байта данных по MOSI закончена . Если установлен бит разрешения прерывания SPI (бит SPIE) в регистре SPCR, то установка флага SPIF приводит к генерации запроса на прерывание.

— 6-ой бит регистра «WCOL »: Write COLlision Flag

Бит конфликта записи в регистр SPDR . В бит устанавливается единица , если во время передачи данных выполняется попытка записи в регистр данных SPDR .

— с 5-ого по 1-ый бит – зарезервированные биты, их значение всегда равняется 0-лю

— 0-ой бит «SPI2X »: Double SPI Speed Bit

Бит «двойная скорость передачи данных ». Если в бит записана единица , то скорость передачи данных удвоенная . С помощью сочетания данного бита и 1-ого и 0-ого бита (SPR1 , SPR0 ) регистра SPCR , определяют скорость передачи данных по SPI. .

Регистр данных – «SPDR» (адрес в ATmega328P для чтения 0x2E , адрес для записи 0x4E , если у вас другой МК, то найти адреса вы можете в документации)

Размер регистра, как и выше указанных — 8 бит . Данный регистр используется для передачи и чтения данных по SPI . Помещая данные в него, вы запускаете процесс передачи.

Рассмотрим 3-и примера работы с интерфейсом SPI на ATmega328P в средах:

— Arduino

#include byte x=B11000000; //передаваемый бит byte y= B00000000; //в переменную y будет записываться принимающий бит void setup() { SPI.begin(); /* инициализация SPI */ /* инициализация в Arduino это значит - установить единицу в SS - настроить на выход SS (Slave Select или выбор ведомого) - 10 пин - установить 1-цу в следующие битах регистра управления SPCR: в 4-ый бит (имя бита - MSTR) - режим ведущий включить в 6-ой бит (имя бита - SPE) - подключить SS, MOSI, MISO и SCK к портам PB4,PB5,PB6,PB7 (10,11,12,13 пин в ардуино) - настроить следующие пины на выход: SCK (Serial Clock или тактовый сигнал) - 13 пин MOSI (Master Out Slave In или данные от ведущего) - 11 пин В резульлтате иницилизации через SPI.begin() конфигурация интерфейса SPI у нас выходит следующая: - очередность битов "MSB", т.е. сначала передается старший разряд, а далее младший - синхронизация ведется по присутствию импульса или тактовый сигнал в состоянии ожидания равен 0-лю - сигнал синхронизации определяется по нарастающему фронту SCK (два пункта выше указывают, что режим SPI в данном случае - 0) - скорость передачи fosc/4 */ // МЫ МОЖЕМ ДОИНИЦИЛИЗИРОВАТЬ НЕКОТОРЫЕ ПАРАМЕТРЫ СВЯЗИ по SPI сами // порядок следования бит //SPI.setBitOrder(MSBFIRST); /* LSBFIRST - сначала младший, далее старший MSBFIRST - сначала старший, далее младший (стоит по умолчанию от SPI.begin) */ // частота обмена данными //SPI.setClockDivider(SPI_CLOCK_DIV4); /* определяется как отношение fosc к коэфициенту, возможные значения которого: SPI_CLOCK_DIV2 SPI_CLOCK_DIV4 SPI_CLOCK_DIV8 SPI_CLOCK_DIV16 SPI_CLOCK_DIV32 SPI_CLOCK_DIV64 SPI_CLOCK_DIV128 */ //режим работы SPI //SPI.setDataMode(SPI_MODE0); /* SPI_MODE0 - нулевой режим SPI_MODE1 - первый режим SPI_MODE2 - второй режим SPI_MODE3 - третий режим */ } void loop() { /* РЕАЛИЗАЦИЯ ПЕРЕДАЧИ ДАННЫХ ПО SPI */ digitalWrite(10, HIGH); /* от нас треубется, самому установить в SS 1-цу */ y=SPI.transfer(x); /* передача по битно аргумента (байта) и прием ответа от ведомого уст-ва передача осуществляется присваиванием регистру SPDR значение байта причем в это время автоматрически на SCK (13 пин) формируется тактовый сигнал */ digitalWrite(10, LOW); /* от нас треубется, самому установить в SS 0-ль */ SPI.end(); /* отключает шину SPI от 10,11,12,13 пинов */ /* Т.е. устанавливает 0-оль в 6-ой бит (SPE) регистра SPCR */ }

#include byte x = B11000000 ; //передаваемый бит byte y = B00000000 ; //в переменную y будет записываться принимающий бит void setup () { SPI . begin () ; /* инициализация SPI */ /* инициализация в Arduino это значит Установить единицу в SS Настроить на выход SS (Slave Select или выбор ведомого) - 10 пин Установить 1-цу в следующие битах регистра управления SPCR: В 4-ый бит (имя бита - MSTR) - режим ведущий включить В 6-ой бит (имя бита - SPE) - подключить SS, MOSI, MISO и SCK К портам PB4,PB5,PB6,PB7 (10,11,12,13 пин в ардуино) Настроить следующие пины на выход: SCK (Serial Clock или тактовый сигнал) - 13 пин MOSI (Master Out Slave In или данные от ведущего) - 11 пин В резульлтате иницилизации через SPI.begin() Конфигурация интерфейса SPI у нас выходит следующая: Очередность битов "MSB", т.е. сначала передается старший разряд, а далее младший Синхронизация ведется по присутствию импульса Или тактовый сигнал в состоянии ожидания равен 0-лю Сигнал синхронизации определяется по нарастающему фронту SCK (два пункта выше указывают, что режим SPI в данном случае - 0) Скорость передачи fosc/4 // МЫ МОЖЕМ ДОИНИЦИЛИЗИРОВАТЬ НЕКОТОРЫЕ ПАРАМЕТРЫ СВЯЗИ по SPI сами // порядок следования бит //SPI.setBitOrder(MSBFIRST); // частота обмена данными //SPI.setClockDivider(SPI_CLOCK_DIV4); /* определяется как отношение Fosc к коэфициенту, возможные значения которого: SPI_CLOCK_DIV2 SPI_CLOCK_DIV4 SPI_CLOCK_DIV8 SPI_CLOCK_DIV16 SPI_CLOCK_DIV32 SPI_CLOCK_DIV64 SPI_CLOCK_DIV128 //режим работы SPI //SPI.setDataMode(SPI_MODE0); SPI_MODE0 - нулевой режим SPI_MODE1 - первый режим SPI_MODE2 - второй режим SPI_MODE3 - третий режим void loop () /* РЕАЛИЗАЦИЯ ПЕРЕДАЧИ ДАННЫХ ПО SPI */ digitalWrite (10 , HIGH ) ; /* от нас треубется, самому установить в SS 1-цу */ y = SPI . transfer (x ) ; /* передача по битно аргумента (байта) и прием ответа от ведомого уст-ва Передача осуществляется присваиванием регистру SPDR значение байта Причем в это время автоматрически на SCK (13 пин) Формируется тактовый сигнал */ digitalWrite (10 , LOW ) ; /* от нас треубется, самому установить в SS 0-ль */ SPI . end () ; /* отключает шину SPI от 10,11,12,13 пинов */ /* Т.е. устанавливает 0-оль в 6-ой бит (SPE) регистра SPCR */

— Atmel Studio (AVR GCC)

#include #include void init_spi() { DDRB=(1<

#include #include void init_spi () { DDRB = (1 << PB0 ) | (1 << PB1 ) | (1 << PB2 ) | (0 << PB3 ) ; //конфигурируем выводы для SPI (SS, SCK, MOSI - выход, MOSI вход) // SPI initialization // SPI Type: Master // SPI Clock Rate: 2000,000 kHz // SPI Clock Phase: Cycle Start // SPI Clock Polarity: Low // SPI Data Order: MSB First SPCR = (0 << SPIE ) | (1 << SPE ) | (0 << DORD ) | (1 << MSTR ) | (0 << CPOL ) | (0 << CPHA ) | (1 << SPR1 ) | (1 << SPR0 ) ;

С номиналами от 10 Ом до 1 МОм);

соединительные провода (например, вот такой хороший набор);

персональный компьютер со средой разработки Arduino IDE.

1 Описание последовательного интерфейса SPI

SPI - Serial Peripheral Interface или «Последовательный периферийный интерфейс» - это синхронный протокол передачи данных для сопряжения ведущего устройства (Master) с периферийными устройствами (Slave) . Ведущим устройством часто является микроконтроллер. Связь между устройствами осуществляется по четырём проводам, поэтому SPI иногда называют «четырёхпроводной интерфейс». Вот эти шины:

Существует четыре режима передачи данных (SPI_MODE0, SPI_MODE1, SPI_MODE2, SPI_MODE3 ), обусловленные сочетанием полярности тактовых импульсов (работаем по уровню HIGH или LOW), Clock Polarity, CPOL , и фазой тактовых импульсов (синхронизация по переднему или заднему фронту тактового импульса), Clock Phase, CPHA .

Рисунок поясняет данную таблицу.

Интерфейс SPI предусматривает несколько вариантов подключения ведомых устройств: независимое и каскадное . При независимом подключении к шине SPI ведущее устройство обращается к каждому ведомому устройству индивидуально. При каскадном подключении ведомые устройства срабатывают поочерёдно, как бы каскадом.

Виды подключения устройств для работы по интерфейсу SPI: независимое и каскадное

2 Реализация интерфейса SPI на платах семейства Arduino

В Arduino шины интерфейса SPI находятся на определённых портах. У каждой платы своё соответствие выводов. Для удобства выводы продублированы и вынесены также на отдельный разъём ICSP (In Circuit Serial Programming, программирование устройства, включённого в цепь, по последовательному протоколу). Обратите внимание, что на разъёме ICSP отсутствует пин выбора ведомого - SS, т.к. подразумевается, что Arduino будет использоваться как ведущее устройство в сети. Но при необходимости вы можете назначить любой цифровой вывод Ардуино в качестве SS.

На рисунке приведено стандартное соответствие выводов шинам SPI для Arduino UNO и Nano.

3 Библиотека для работы с интерфейсом SPI

Для Arduino написана специальная библиотека , которая реализует протокол SPI . Подключается она так: в начале программы добавляем #include SPI.h .

Чтобы начать работу по протоколу SPI , нужно задать настройки и затем инициализировать протокол с помощью процедуры SPI.beginTransaction() . Можно выполнить это одной инструкцией: SPI.beginTransaction(SPISettings(14000000, MSBFIRST, SPI_MODE0))

Это значит, что мы инициализируем протокол SPI на частоте 14 МГц, передача данных идёт, начиная с MSB (наиболее значимого бита), в режиме SPI_MODE0.

После инициализации выбираем ведомое устройство, переводя соответствующий пин SS в состояние LOW .

Затем передаём ведомому устройству данные командой SPI.transfer() .

После передачи возвращаем SS в состояние HIGH .

Работа с протоколом завершается командой SPI.endTransaction() .

Желательно минимизировать время выполнения передачи между инструкциями SPI.beginTransaction() и SPI.endTransaction(), чтобы не возникло накладок, если другое устройство попробует инициализировать передачу данных, используя другие настройки.

4 Подключение сдвигового регистра к Arduino

Рассмотрим практическое применение интерфейса SPI . Будем зажигать светодиоды, управляя 8-битным сдвиговым регистром по шине SPI . Подключим к Arduino сдвиговый регистр 74HC595 . К каждому из 8-ми выходов регистра через ограничительный резистор подключим по светодиоду номиналом 220 Ом. Схема приводится на рисунке.

5 Скетч для управления сдвиговым регистром по интерфейсу SPI

Напишем такой скетч.

#include const int pinSelect = 8; // пин выбора регистра void setup() { SPI.begin(); // инициализация интерфейса SPI pinMode(pinSelect, OUTPUT); // digitalWrite(pinSelect, LOW); // выбор ведомого устройств (регистра) SPI.transfer(0); // очищаем содержимое регистра digitalWrite(pinSelect, HIGH); // конец передачи Serial.begin(9600); } void loop() { for (int i=0; i }

Сначала подключим библиотеку SPI и инициализируем интерфейс SPI . Определим пин 8 как пин выбора ведомого устройства SS . Очистим сдвиговый регистр, послав в него значение "0". Инициализируем последовательный порт.

Чтобы зажечь определённый светодиод с помощью сдвигового регистра, нужно подать на его вход 8-разрядное число. Например, чтобы загорелся первый светодиод - подаём двоичное число 00000001, чтобы второй - 00000010, чтобы третий - 00000100, и т.д. Эти двоичные числа при переводе в десятичную систему счисления образуют такую последовательность: 1, 2, 4, 8, 16, 32, 64, 128 и являются степенями двойки от 0 до 7.

Соответственно, в цикле loop() по количеству светодиодов делаем пересчёт от 0 до 7. Функция pow(основание, степень) возводит 2 в степень счётчика цикла. Микроконтроллеры не очень точно работают с числами типа "double", поэтому для преобразования результата в целое число используем функцию округления round() . И передаём получившееся число в сдвиговый регистр. Для наглядности в монитор последовательного порта выводятся значения, которые получаются при этой операции: единичка «бежит» по разрядам - светодиоды загораются волной.

6 «Бегущая волна» из светодиодов

Светодиоды загораются по очереди, и мы наблюдаем бегущую «волну» из огоньков. Управление светодиодами осуществляется с помощью сдвигового регистра, к которому мы подключились по интерфейсу SPI . В результате для управления 8-ю светодиодами задействованы всего 3 вывода Arduino. Если бы мы подключали светодиоды напрямую к цифровым портам Arduino, нам бы потребовалось для каждого светодиода использовать отдельный порт.

Мы изучили самый простой пример работы Arduino с шиной SPI . Более подробно рассмотрим работу нескольких сдвиговых регистров при независимом и каскадном подключениях в отдельной статье.