Описание интерфейса SPI. Учебный курс AVR

Доброго времени суток! Сегодняшняя статья – небольшое теоретическое отступление, которое поможет нам при освоении курса «Программирование Ардуино» . Речь пойдёт об интерфейсе SPI. Что это такое и с чём его едят, мы постараемся разобраться в данной статье.

Для начала определение . SPI (Serial Peripheral Interface — последовательный периферийный интерфейс ) – это последовательный синхронный стандарт передачи данных, который предназначен для связи контроллера с различной периферией. Этот интерфейс простой и удобный. Под Аrduino написана специальная библиотека для работы с SPI.

Связь строится по принципу «ведущий-ведомый». В качестве ведущего устройства обычно выступает контроллер. Все остальные устройства, что подключаются в систему — ведомыми. Данные от ведущего устройства по шине данных передаются к одному из выбранных ведомых или наоборот от ведомого устройства к ведущему синхронно, по тактирующему сигналу ведущего.

Распиновка шины данных SPI состоит из 4-х линий: MOSI, MISO, CS и SCLK:

• MOSI (Master Out Slave In — Ведущий-выход, Ведомый-вход ) или просто SI – передача данных происходит от ведущего устройства к ведомому.
• MISO (Master In Slave Out — Ведущий-вход, Ведомый-выход ) или просто SO – передача данных происходит от ведомого устройства к ведущему.
• CS (Chip Select — Выбор чипа ) или SS (Slave Select — Выбор ведомого ) – выбор ведомого устройства.
• SCLK (Serial CLocK ) или просто SCK – передача тактового сигнала от ведущего устройства к ведомому.

Для того, чтобы передать данные от ведущего устройства к ведомому необходимо, чтобы ведущий выставил низкий уровень сигнала на линии CS ведомого, с которым собирается настроить связь. После этого биты передаются по линии MOSI. Для прекращения передачи данных ведущий как бы «отпускает» линию CS – выставляя на ней высокий уровень сигнала.

Для подключения нескольких ведомых устройств к шине данных SPI нужно на каждое из них завести свою индивидуальную линию CS. После того, как это будет выполнено, ведущее устройство сможет поочерёдно «дергать» линиями, переключаясь между ведомыми устройствами. Несколько ведомых можно подключать по разному: параллельно или последовательно.

Параллельное подключение ведомых устройств по шине данных SPI

Особенность параллельного подключения нескольких ведомых устройств заключается в том, что для создания связи используются общие линии SCLK, MOSI и MISO. При этом каждое ведомое устройство имеет свою линию SS(CS). Ведущее устройство определяет с каким «текущим ведомым» наладить обмен данными, путем формирования низкого уровня сигнала на соответствующей линии SSn (где n – 1,2…).

Для подключения к контроллеру n-числа ведомых устройств по интерфейсу SPI нужно выделить для данной цели n+3 выводов микроконтроллера.

Последовательное подключение ведомых устройств к шине SPI

Что же касается последовательного подключения ведомых устройств, то они используют общие линии SCLK и SS, а выход одного подключается ко вход другого. Линия MOSI ведущего устройству подключается к первому ведомому, а линия MISO — к последнему. Если смотреть на это подключение с точки зрения ведущего устройства, то по шине данных SPI, как бы подключено одно ведомое устройство.

Следует отметить преимущество такого типа подключения: можно подключать n-ое число устройств задействовав для этой цели всего 4 вывода микроконтроллере.

На этом пока всё, продолжение следует…

Инструкция

SPI - Serial Peripheral Interface или "Последовательный периферийный интерфейс" - это синхронный протокол передачи для сопряжения ведущего устройства (Master) с периферийными устройствами (Slave). Ведущим устройством часто является . Связь между устройствами осуществляется по четырём проводам, поэтому SPI иногда называют "четырёхпроводной интерфейс". Вот эти шины:
MOSI (Master Out Slave In) - линия передачи данных от ведущего к ведомым устройствам;
MISO (Master In Slave Out) - линия передачи от ведомого к ведущему устройству;
SCLK (Serial Clock) - тактовые импульсы синхронизации, генерируемые ведущим устройством;
SS (Slave Select) - линия выбора ведомого устройства; когда на линии "0", ведомое устройство "понимает", что сейчас обращаются к нему.
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 .
На рисунке показаны два варианта подключения устройств по протоколу SPI: независимое и каскадное. При независимом подключении к шине SPI ведущее устройство обращается к каждому ведомому устройству индивидуально. При каскадном - устройства срабатывают поочерёдно, каскадом.

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, 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 вывод Ардуино в качестве SS.
На рисунке приведено стандартное соответствие выводов шинам SPI для Arduino UNO и Nano.

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 "0".
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.

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 подключим по светодиоду (через ограничительный резистор). Схема приводится на рисунке.

Напишем такой скетч.
Сначала подключим библиотеку SPI и инициализируем интерфейс SPI. Определим пин 8 как пин выбора ведомого устройства. 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 в 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 мониторе последовательного порта выводятся значения, которые получаются при этой операции: единичка бежит по разрядам - светодиоды загораются волной.

Если вы уже знаете что такое SPI интерфейс и с чем его едят, то вряд-ли вы почерпнете что-то новое из этой статьи. В ней я попробую рассказать основные понятия относящиеся к этому интерфейсу, а в следующей расскажу как использовать модуль SPI встроенный в микроконтроллеры STM32. Как и любой другой интерфейс, SPI используется для передачи данных от одного устройства к другому. Устройства на шине SPI не равноправны, как правило, присутствует одно главное устройство (Master) и множество подчинённых устройств (Slave). Обычно, в роли мастера выступает микроконтроллер, а подчинёнными устройствами является различная периферия вроде термодатчиков, акселерометров, часов реального времени итд. Мастер не просто так называется мастером, без его ведома ни один слейв не будет предпринимать ни какого обмена данными. Сама шина SPI физически представляет собой 4 провода:

• MOSI – По этому проводу данные идут от Master к Slave устройству
• MISO — По этому проводу данные идут от Slave к Master устройству
• SCK — Через этот провод, Master передает тактовый сигнал к Slave устройствам
• CS – Chip select (или SS – Slave select) – Через этот провод мастер дает понять слейву, что сейчас он шлёт данные именно ему.

Из описания всех четырёх линий можно сделать выводы:

• SPI – это последовательный интерфейс. Биты данных передаются один за другим
• SPI — это синхронный интерфейс. Это означает, что передача данных (в любую сторону) происходит только в то время когда мастер генерирует импульсы синхронизации и передает их через провод SCK другим устройствам на шине.
• К одной шине может подключаться несколько устройств, количество которых теоритически не ограничено.
• SPI предоставляет возможность обмениваться данными в полнодуплексном режиме. Пока мастер генерирует тактовые импульсы, он может посылать данные на слейв устройство и одновременно принимать их от него же.

Теперь рассмотрим, как устройства подключаются к шине. Стрелочки показывают кто и куда передает сигнал:

Как видно на рисунке, все линии интерфейса кроме CS, просто объединяются между собой. Для каждого слейв устройства, мастер имеет отдельный выход CS. Для того чтоб обменяться данными со вторым слейв устройством, мастер установит на ножке CS2 низкий логический уровень, а на двух других (CS1 и CS3) – высокий. Таким образом Slave_1 и Slave_3 не будут подавать вообще ни каких признаков жизни, и тем самым не создадут помех общению мастера и Slave_2. Еще раз подчеркну, что активное состояние ноги CS — это логический ноль. У такой схемы есть один недостаток – на 10 слейв устройств, мастер должен иметь 10 отдельных ног для подключения к CS. Существует другой вариант подключения который называется daisy-chain. При таком включении все устройства соединяются в цепочку и имеют один общий CS. Подробно этот способ включения рассматриваться не будет, в виду того, что используется он достаточно редко. Как уже упоминалось выше, к одной шине могут быть подключены самые разные slave устройства, некоторые из них достаточно быстрые и могут обмениваться данными с мастером на большой скорости, а некоторые наоборот очень медленные. Это значит, что мастер не должен слишком быстро генерировать тактовые импульсы, в противном случае медленные слейв устройства его не поймут из-за искажения данных. Однако скорость, это еще не все параметры SPI интерфейса, существует также 4 режима SPI. Я обращал внимание, что в даташитах на какое-либо устройство со SPI интерфейсом обычно так и пишут – «это устройство использует режим 2». Насколько это стандартизовано сказать не могу, но видел несколько раз. Если в двух словах описать суть этих режимов, то каждый из них определяет в какой момент (в зависимости от состояния линии SCK) нужно считывать/передавать данные. Следующая таблица показывает, что это за режимы и чем они отличаются друг от друга. Во всех 4-х режимах, мастер посылает один и тот же байт (0x93). Желтая линия это SCK, а синяя – MOSI.

Режим	CPOL	CPHA	Осциллограмма	Описание режима
0	0	0		Выборка по переднему нарастающему фронту
1	0	1		Выборка по заднему спадающему фронту
2	1	0		Выборка по переднему спадающему фронту
3	1	1		Выборка по заднему нарастающему фронту

Как видно из таблицы, номер режима состоит из двух бит – CPOL и CPHA . Бит CPOL определяет, в каком состоянии будет находиться нога SCL в то время когда ничего не передается. Если CPOL =0 то в режиме простоя на ноге низкий логический уровень. Это означает, что передний фронтом будет считаться переход из 0 в 1 (а задним фронтом соответственно наоборот из 1 в 0). Если CPOL =1 то в режиме простоя на ноге высокий логический уровень. Это означает, что передний фронтом будет считаться переход из 1 в 0 (а задним фронтом соответственно наоборот из 0 в 1). Бит CPHA определяет по какому фронту нужно производить выборку 0 – по переднему фронту, 1 – по заднему фронту. Собственно это всё и показывает таблица сверху. Кстати, примечательно, что точно так же эти два бита называются в регистре настройки SPI у микроконтроллеров STM32 и AVR. Следующий немаловажный параметр – порядок следования бит. Обычно, первым передается старший бит, но иногда бывает наоборот, если этого не учесть, то слейв и мастер не найдут общий язык. Количество бит может изменяться, обычно это 8 бит, иногда бывает больше. С теоритическими основами покончено. В следующей статье попробуем завести SPI на платке

SPI (англ. Serial Peripheral Interface, SPI bus - последовательный периферийный интерфейс, шина SPI) - последовательный синхронный стандарт передачи данных в режиме полного дуплекса , предназначенный для обеспечения простого и недорогого высокоскоростного сопряжения микроконтроллеров и периферии. SPI также иногда называют четырёхпроводным (англ. four-wire ) интерфейсом.

В отличие от стандартного последовательного порта (англ. standard serial port ), SPI является синхронным интерфейсом, в котором любая передача синхронизирована с общим тактовым сигналом, генерируемым ведущим устройством (процессором). Принимающая (ведомая) периферия 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» (англ. chip select ) на ведомой микросхеме. Периферия, не выбранная процессором, не принимает участия в передаче по SPI.

Интерфейс

В SPI используются четыре цифровых сигнала:

• MOSI - выход ведущего, вход ведомого (англ. Master Out Slave In ). Служит для передачи данных от ведущего устройства ведомому.
• MISO - 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 ).

Конкретные имена портов интерфейса SPI могут различаться в зависимости от производителя аппаратных средств, при этом возможны следующие варианты:

• MOSI : SIMO, SDI (на устройстве), DO, DON, SI, MRSR;
• MISO : SOMI, SDO (на устройстве), DI, DIN, SO, MTST;
• SCLK : SCK, CLK, SPC (SPI serial port clock);
• SS : nCS, CS , CSB , CSN , nSS, STE , SYNC .

Синхронизация в SPI

Частота следования битовых интервалов в линиях передачи данных определяется синхросигналом SCK, который генерирует ведущее устройство, ведомые устройства используют синхросигнал для определения моментов изменения битов на линии данных, при этом ведомые устройства никак не могут влиять на частоту следования битовых интервалов. Как в ведущем устройстве, так и в ведомом устройстве имеется счетчик импульсов синхронизации (битов). Счетчик в ведомом устройстве позволяет последнему определить момент окончания передачи пакета. Счетчик сбрасывается при выключении подсистемы SPI, такая возможность всегда имеется в ведущем устройстве. В ведомом устройстве счетчик обычно сбрасывается деактивацией интерфейсного сигнала SS .

Так как действия ведущего и ведомого устройства тактируются одним и тем же сигналом, то к стабильности этого сигнала не предъявляется никаких требований, за исключением ограничения на длительность полупериодов, которая определяется максимальной рабочей частотой более медленного устройства. Это позволяет использовать SPI в системах с низкостабильной тактовой частотой, а также облегчает программную эмуляцию ведущего устройства.

Прием и передача данных в SPI

Передача осуществляется пакетами. Длина пакета, как правило, составляет 1 байт (8 бит), при этом известны реализации SPI с иной длиной пакета, например, 4 бита. Ведущее устройство инициирует цикл связи установкой низкого уровня на выводе выбора подчиненного устройства (SS ) того устройства, с которым необходимо установить соединение. При низком уровне сигнала SS :

• схемотехника ведомого устройства находится в активном состоянии;
• вывод MISO переводится в режим «выход»;
• тактовый сигнал SCLK от ведущего устройства воспринимается ведомым и вызывает считывание на входе MOSI значений передаваемых от ведущего битов и сдвиг регистра ведомого устройства.

Подлежащие передаче данные ведущее и ведомое устройства помещают в сдвиговые регистры. После этого ведущее устройство начинает генерировать импульсы синхронизации на линии SCLK, что приводит к взаимному обмену данными. Передача данных осуществляется бит за битом от ведущего по линии MOSI и от ведомого по линии MISO. Передача осуществляется, как правило, начиная со старших битов, но некоторые производители допускают изменение порядка передачи битов программными методами. После передачи каждого пакета данных ведущее устройство, в целях синхронизации ведомого устройства, может перевести линию SS в высокое состояние.

Режимы работы интерфейса SPI

Возможны четыре комбинации фазы (CPHA) и полярности (CPOL) сигнала SCLK по отношению к сигналам данных. Режимы работы определяются комбинацией бит CPHA и CPOL:

• CPOL = 0 - сигнал синхронизации начинается с низкого уровня;
• CPOL = 1 - сигнал синхронизации начинается с высокого уровня;
• CPHA = 0 - выборка данных производится по переднему фронту сигнала синхронизации;
• CPHA = 1 - выборка данных производится по заднему фронту сигнала синхронизации.

Для обозначения режимов работы интерфейса SPI принято следующее соглашение:

• режим 0 (CPOL = 0, CPHA = 0);
• режим 1 (CPOL = 0, CPHA = 1);
• режим 2 (CPOL = 1, CPHA = 0);
• режим 3 (CPOL = 1, CPHA = 1).

Топология систем связи на базе SPI

В простейшем случае к ведущему устройству подключено единственное ведомое устройство и необходим двусторонний обмен данными. В таком случае используется трехпроводная схема подключения. Интерфейс SPI позволяет подключать к одному ведущему устройству несколько ведомых устройств, причем подключение может быть осуществлено несколькими способами.

Первый способ позволяет реализовать радиальную структуру связи (топология типа «звезда»), его принято считать основным способом подключения нескольких ведомых устройств. В данном случае для обмена более чем с одним ведомым устройством ведущее устройство должно формировать соответствующее количество сигналов выбора ведомого устройства (SS ). При обмене данными с ведомым устройством, соответствующий ему сигнал SS переводится в активное (низкое) состояние, при этом все остальные сигналы SS находятся в неактивном (высоком) состоянии. Выводы данных MISO ведомых устройств соединены параллельно, при этом они находятся в неактивном состоянии, а перед началом обмена один из выходов (выбранного ведомого устройства) переходит в активный режим.

Второй способ позволяет реализовать структуру связи типа «кольцо». В данном случае для активации одновременно нескольких ведомых устройств используется один сигнал SS , а выводы данных всех устройств соединены последовательно и образуют замкнутую цепь. При передаче пакета от ведущего устройства этот пакет получает первое ведомое устройство, которое, в свою очередь, транслирует свой пакет следующему ведомому устройству и так далее. Для того, чтобы пакет от ведущего устройства достиг определенного ведомого устройства, ведущее устройство должно отправить еще несколько пакетов.

Преимущества и недостатки интерфейса SPI

Преимущества

• Полнодуплексная передача данных по умолчанию.
• Более высокая пропускная способность по сравнению с I²C или SMBus .
• Возможность произвольного выбора длины пакета, длина пакета не ограничена восемью битами.
• Простота аппаратной реализации:
  • более низкие требования к энергопотреблению по сравнению с I²C и SMBus ;
  • возможно использование в системах с низкостабильной тактовой частотой;
  • ведомым устройствам не нужен уникальный адрес, в отличие от таких интерфейсов, как I²C , GPIB или SCSI .
• Используется только четыре вывода, что гораздо меньше, чем для параллельных интерфейсов.
• Однонаправленный характер сигналов позволяет при необходимости легко организовать гальваническую развязку между ведущим и ведомыми устройствами.
• Максимальная тактовая частота ограничена только быстродействием устройств, участвующих в обмене данными.

Недостатки

• Необходимо больше выводов, чем для интерфейса I²C .
• Ведомое устройство не может управлять потоком данных.
• Нет подтверждения приема данных со стороны ведомого устройства (ведущее устройство может передавать данные «в никуда»).
• Нет определенного стандартом протокола обнаружения ошибок.
• Отсутствие официального стандарта, что делает невозможным сертификацию устройств.
• По дальности передачи данных интерфейс SPI уступает таким стандартам, как UART и CAN .
• Наличие множества вариантов реализации интерфейса.
• Отсутствие поддержки горячего подключения устройств.

Пример программной реализации

Ниже представлен пример программной реализации SPI мастера на языке Си . Линия CS (chip select, выбор микросхемы) должна быть активирована (в большинстве случаев - притянута к низкому уровню), перед тем, как начнётся обмен данными, и деактивирована после окончания обмена. Большинство устройств требуют несколько сеансов передачи с активной линией CS . Эта функция может быть вызвана несколько раз, пока линия активна.

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 . В последнем столбце таблицы приведены поясняющие иллюстрации. На них Sample обозначены моменты, когда данные на линии должны быть готовы и считываются устройствами. Буквой Z отмечено, что состояние данных на линии неизвестно или не важно.

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 Стандартная библиотека для работы по интерфейсу SPI

Для Arduino написана специальная библиотека , которая реализует протокол SPI . Она устанавливается вместе со средой разработки Arduino IDE . 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.

Если вы планируете в своём скетче использовать стандартные пины Arduino, можно не описывать их в начале программы, т.к. они уже определены в самой библиотеке и имеют следующие имена:

#define PIN_SPI_SS (10) #define PIN_SPI_MOSI (11) #define PIN_SPI_MISO (12) #define PIN_SPI_SCK (13)

Данные пины определены в файле pins_arduino.h , который находится по пути %programfiles%\arduino-(версия)\hardware\arduino\avr\variants\ (если вы устанавливали программу в стандартное расположение). То есть, например, чтобы опустить пин выбора ведомого в состояние "0", можно написать:

DigitalWrite(PIN_SPI_SS, LOW);

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 скетч, реализующий «бегущую волну», последовательно зажигая светодиоды, подключённые к выходам сдвигового регистра.

#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.