Программируем Arduino

9. Взаимодействие с устройствами SPI

Последовательный периферийный интерфейс (Serial Peripheral Interface, SPI) — еще одна последовательная шина для подключения периферийных устройств к плате Arduino. Это быстрая шина, но для передачи данных в ней используются четыре линии против двух, используемых интерфейсом I2C. В действительности SPI не является истинной шиной, так как четвертая линия в нем называется «выбор ведомого» (Slave Select, SS). Каждое периферийное устройство на шине должно быть соединено своей линией SS с отдельным контактом на плате Arduino. Такая схема подключения эффективно выбирает нужное периферийное устройство на шине, отключая все остальные.

Интерфейс SPI поддерживается широким спектром устройств, включая многие типы тех же устройств, что поддерживают I2C. Нередко периферийные устройства поддерживают оба интерфейса, I2C и SPI.

Операции с битами

Взаимодействие по интерфейсу SPI часто связано с выполнением большого объема операций с отдельными битами. Первый пример, демонстрирующий использование АЦП на основе микросхемы MCP3008, в частности, требует хорошего понимания битовых операций и того, как маскировать ненужные биты, чтобы получить целое значение при чтении аналогового сигнала. По этой причине, прежде чем погружаться в особенности работы SPI, я хочу подробно поговорить об операциях с битами.

Двоичное и шестнадцатеричное представление

Впервые с битами мы встретились в главе 4 (см. рис. 4.2). Оперируя битами в байте или в слове (два байта), можно использовать их десятичные значения, но выполнять мысленно преобразования между двоичным и десятичным представлениями очень неудобно. Поэтому в скетчах для Arduino значения часто выражаются в виде двоичных констант, для чего поддерживается специальный синтаксис:

В первой строке определяется байт с десятичным значением 3 (2 + 1). Ведущие нули при желании можно опустить, но они служат отличным напоминанием о том, что определяется 8-битное значение.

Во второй строке определяется значение типа int, состоящее из 16 бит. Квалификатор unsigned перед именем типа int указывает, что определяемая переменная может хранить только положительные числа. Этот квалификатор имеет значение лишь для операций с переменной, таких как +, –, * и др., которые не должны применяться, если переменная предназначена для манипуляций с битами. Но добавление слова unsigned в определения таких переменных считается хорошей практикой.

Когда дело доходит до 16-битных значений, двоичное представление становится слишком громоздким. По этой причине многие предпочитают использовать шестнадцатеричную форму записи.

Шестнадцатеричные числа — это числа в системе счисления с основанием 16, для обозначения цифр в этой системе используются не только десятичные цифры от 0 до 9, но и буквы от A до F, представляющие десятичные значения от 10 до 15. В этом представлении каждые четыре бита числа можно представить единственной шестнадцатеричной цифрой. В табл. 9.1 перечислены десятичные значения от 0 до 15 и показаны их двоичные и шестнадцатеричные представления.

Таблица 9.1. Двоичные и шестнадцатеричные числа

Шестнадцатеричные константы, как и двоичные, имеют специальную форму записи:

Эту форму записи используют не только в программном коде на C, но и в документации, чтобы показать, что число является шестнадцатеричным, а не десятичным.

Маскирование битов

Нередко при приеме данных от периферийных устройств, независимо от вида связи, данные поступают упакованными в байты, в которых часть битов может нести служебную информацию. Создатели периферийных устройств часто стараются втолкнуть как можно больше информации в минимальное число бит, чтобы добиться максимальной скорости передачи, но это усложняет программирование взаимодействий с такими устройствами.

Операция маскирования битов позволяет игнорировать некоторую часть данных в байте или в большой структуре данных. На рис. 9.1 показано, как выполнить маскирование байта, содержащего разнородные данные, и получить число, определяемое тремя младшими битами.

Рис. 9.1. Маскирование битов

В описаниях двоичных чисел вы обязательно столкнетесь со словосочетаниями «самый младший» и «самый старший». В двоичных числах, записанных с соблюдением правил, принятых в математике, самым старшим битом является крайний левый бит, а младшим значащим — крайний правый. Крайний правый бит может иметь ценность только 1 или 0. Вам также встретятся термины самый старший бит (Most Significant Bit, MSB) и самый младший бит (Least Significant Bit, LSB). Самый младший бит иногда называют также нулевым битом (бит 0), первый бит (бит 1) — следующий по старшинству и т.д.

В примере, изображенном на рис. 9.1, байт включает несколько значений, но нас интересуют только три младших бита, которые нужно извлечь как число. Для этого можно выполнить поразрядную операцию И (AND) данных с маской, в которой три младших бита имеют значение 1. Поразрядная операция И (AND) для двух байт в свою очередь выполняет операцию И (AND) для каждой пары соответствующих битов и конструирует общий результат. Операция И (AND) для двух битов вернет 1, только если оба бита имеют значение 1.

Далее показана реализация этого примера на Arduino C с использованием оператора &. Обратите внимание на то, что поразрядная операция И (AND) обозначается единственным символом &, а логическая операция И (AND) — двумя: &&.

Переменная result в данном случае получит десятичное значение 5.

Сдвиг битов

Часто необходимые биты в принимаемых данных могут занимать не самые младшие разряды в байте. Например, если из данных, изображенных на рис. 9.1, потребуется извлечь число, определяемое битами с 5-го по 3-й (рис. 9.2), то вам придется сначала применить маску, чтобы оставить интересующие биты, как в предыдущем примере, а затем сдвинуть биты на три позиции вправо.

Сдвиг вправо в языке C выполняется оператором >>, за которым следует число, определяющее количество разрядов, на которое производится сдвиг. В результате часть битов будет сдвинута за границу байта. Далее приводится реализация примера из предыдущего раздела на языке C:

Представьте, что вы получили два 8-битных байта и должны собрать из них одно 16-битное значение типа int. Для этого можно сдвинуть биты старшего байта в один конец значения int, а затем прибавить второй байт. Этот процесс иллюстрирует рис. 9.3.

Рис. 9.2. Маскирование и сдвиг битов

Рис. 9.3. Объединение двух байтов в значение типа int

Чтобы реализовать это в Arduino C, нужно сначала записать highByte в переменную результата типа int, сдвинуть влево на восемь позиций, а потом прибавить lowByte:

Аппаратная часть SPI

На рис. 9.4 изображена типичная схема подключения к Arduino двух ведомых устройств.

Рис. 9.4. Плата Arduino и два ведомых устройства SPI

Линии тактового сигнала системы (System Clock, SCLK), выход ведущего/вход ведомого (Master Out Slave In, MOSI) и вход ведущего/выход ведомого (Master In Slave Out, MISO) подключаются к контактам на плате Arduino с теми же именами, которые в модели Uno соответствуют контактам D13, D11 и D12. В табл. 9.2 перечислены наиболее распространенные модели плат и соответствие контактов линиям интерфейса SPI.

Таблица 9.2. Контакты интерфейса SPI на плате Arduino

Линиями выбора ведомого могут быть любые контакты на плате Arduino. Они используются для выбора определенного ведомого устройства непосредственно перед передачей данных и его отключения по завершении обмена данными.

Ни к одной из линий не требуется подключать подтягивающее сопротивление.

Поскольку в некоторых моделях Arduino, в том числе Leonardo, контакты интерфейса SPI имеются только на колодке ICSP, многие платы расширений часто имеют гнезда SPI для подключения к колодке контактов ICSP. На рис. 9.5 изображена колодка ICSP с подписанными контактами.

Рис. 9.5. Контакты ICSP на плате Arduino Uno

Обратите внимание на то, что на плате Arduino Uno имеется вторая колодка ICSP, рядом с кнопкой сброса. Она предназначена для программирования интерфейса USB.

Протокол SPI

Протокол SPI на первый взгляд кажется сложным и запутанным, потому что данные передаются и принимаются обеими сторонами, ведущим и выбранным ведомым, параллельно. Одновременно с передачей ведущим устройством (Arduino) бита по линии MOSI ведомое устройство посылает другой бит по линии MISO плате Arduino.

Обычно Arduino посылает байт данных и затем восемь нулей, одновременно принимая результат от ведомого устройства. Так как частота передачи устанавливается ведущим устройством, убедитесь в том, что она не слишком высока для ведомого устройства.

Библиотека SPI

Библиотека SPI входит в состав Arduino IDE, поэтому вам не придется ничего устанавливать, чтобы воспользоваться ею. Но она поддерживает только сценарии, когда плата Arduino действует в роли ведущего устройства. Кроме того, библиотека поддерживает передачу данных только целыми байтами. Для большинства периферийных устройств этого вполне достаточно, однако некоторые устройства предполагают обмен 12-битными сообщениями, что несколько осложняет обмен из-за необходимости манипуляций с битами, как будет показано в примере в следующем разделе.

Прежде всего, как обычно, необходимо подключить библиотеку SPI:

Затем инициализировать ее командой SPI.begin в функции запуска передачи:

Для моделей платы Arduino, кроме Due, нужно также настроить цифровые выходы для всех линий выбора ведомых устройств. Роль таких выходов могут играть любые контакты на плате Arduino. После настройки их на работу в режиме выходов требуется сразу же установить на них уровень напряжения HIGH из-за инвертированной логики выбора ведомого, согласно которой напряжение LOW означает, что данное устройство выбрано.

Для модели Due имеется расширенная версия библиотеки SPI, поэтому достаточно определить контакт для выбора ведомого — и библиотека автоматически будет устанавливать на нем уровень LOW перед передачей и возвращать уровень HIGH по ее окончании. Для этого нужно передать коман­де SPI.begin аргумент с номером контакта. Недостаток такого подхода заключается в нарушении совместимости с другими моделями Arduino. В примерах, приводимых далее, все ведомые устройства выбираются вручную, и потому эти примеры будут работать на всех платах Arduino.

Для настройки соединения через интерфейс SPI имеется множество вспомогательных функций. Однако параметры по умолчанию вполне подходят для большинства случаев, поэтому изменять их нужно, только если документация с описанием ведомого устройства требует их изменения. Эти функции перечислены в табл. 9.3.

Таблица 9.3. Вспомогательные функции

Объединенные передача и прием происходят в функции transfer. Эта функция посылает байт данных и возвращает байт данных, принятый в процессе передачи:

Поскольку диалог с периферией обычно имеет форму запроса со стороны ведущего и ответа со стороны ведомого, часто последовательно выполняются две передачи данных: одна — запрос, другая (возможно, во время передачи нулей) — ответ периферийного устройства. Вы увидите, как это происходит, в следующем примере.

Пример SPI

Этот пример демонстрирует взаимодействие платы Arduino с интегральной микросхемой восьмиканального АЦП MCP3008, добавляющего еще восемь 10-битных аналоговых входов. Эта микросхема стоит очень недорого и легко подключается к плате. На рис. 9.6 изображена схема подключения микросхемы к плате Arduino с использованием макетной платы и нескольких проводов. Переменное сопротивление служит для изменения уровня напряжения на аналоговом входе 0 между 0 и 5 В.

Рис. 9.6. Схема соединения компонентов для примера SPI

Ниже приводится скетч для этого примера:

Функция printByte использовалась на этапе разработки для вывода двоичных данных. Несмотря на то что Serial.print может выводить двоичные значения, она не добавляет ведущие нули, что немного усложняет интерпретацию данных. Функция printByte, напротив, всегда выводит все 8 бит.

Чтобы увидеть данные, поступающие от микросхемы MCP3008, уберите символы // перед двумя вызовами printByte, и данные появятся в окне монитора последовательного порта.

Наиболее интересный для нас код сосредоточен в функции readADC, которая принимает номер канала АЦП (от 0 до 7). Прежде всего нужно выполнить некоторые манипуляции с битами, чтобы создать конфигурационный байт, определяющий вид преобразования аналогового сигнала и номер канала.

Микросхема поддерживает два режима работы АЦП. В одном выполняется сравнение двух аналоговых каналов, а во втором, несимметричном режиме (который используется в этом примере), возвращается значение, прочитанное из указанного канала, как в случае с аналоговыми входами на плате Arduino. В документации к MCP3008 (http://ww1.microchip.com/downloads/en/DeviceDoc/21295d.pdf) указывается, что в настроечной команде должны быть установлены четыре бита: первый бит должен быть установлен в 1, чтобы включить несимметричный режим, следующие три бита определяют номер канала (от 0 до 7).

Микросхема MCP3008 не поддерживает режим побайтовой передачи, в котором действует библиотека SPI. Чтобы MCP3008 распознала эти четыре бита, их нужно разбить на два байта. Далее показано, как это делается:

Первый байт конфигурационного сообщения содержит две единицы, первая из которых может не понадобиться, а вторая — это бит режима (в данном случае несимметричного). Другие два бита в этом байте — старшие два бита номера канала. Оставшийся бит из этого номера передается во втором конфигурационном байте как самый старший бит.

Следующая строка устанавливает уровень LOW в линии выбора ведомого устройства, чтобы активировать его:

После этого отправляется первый конфигурационный байт:

Аналоговые данные не будут передаваться обратно, пока не будет отправлен второй байт. 10 битов данных из АЦП разбиты на два байта, поэтому, чтобы подтолкнуть отправку оставшихся данных, выполняется передача нулевого байта.

Затем в линии выбора ведомого устанавливается уровень HIGH как признак того, что передача завершена.

Полученное 10-битное значение пересчитывается, как показано в следующей строке:

Каждый из двух байт содержит пять бит данных из десяти. Первый байт содержит данные в пяти младших битах. Все остальные биты, кроме этих пяти, маскируются, и затем выполняется сдвиг 16-битного значения int влево на пять разрядов. Младший байт содержит остальные данные в пяти старших битах. Они также выделяются маской, сдвигаются вправо на три разряда и прибавляются к 16-битному значению int.

Для проверки откройте монитор последовательного порта. Вы должны увидеть, как в нем появляются некоторые данные. Если повернуть шток переменного сопротивления по часовой стрелке, чтобы увеличить напряжение на аналоговом входе с 0 до 5 В, вы должны увидеть картину, похожую на рис. 9.7. Первые два двоичных числа — это два байта, полученных от MCP3008, а последнее десятичное число — это аналоговое значение между 0 и 1023.

Рис. 9.7. Просмотр сообщений в двоичном виде

В заключение

Организовать взаимодействие через интерфейс SPI без применения библиотеки очень непросто. Вам придется пройти тернистый путь проб и ошибок, чтобы добиться нужного результата. Занимаясь отладкой любого кода, всегда начинайте со сбора информации и исследования принимаемых данных. Шаг за шагом вы нарисуете полную картину происходящего и затем сможете сконструировать код, помогающий достичь желаемого результата.

В следующей главе мы исследуем последний стандартный интерфейс, поддерживаемый Arduino, — последовательный порт ТТЛ. Это стандартный вид связи «точка–точка», а не шина, но тем не менее очень удобный и широко используемый механизм обмена данными.