آموزش پروتکل ارتباطی SPI در میکروکنترلر AVR و ارتباط با ماژول ها سنسور ، حافظه SD و ماژول ارتباطی

آموزش پروتکل ارتباطی SPI در میکروکنترلر AVR و ارتباط با ماژول ها سنسور ، حافظه SD و ماژول ارتباطی ، پروتکل SPI (Serial Peripheral Interface) یکی از پروتکل‌های ارتباطی محبوب در الکترونیک است که برای انتقال داده به صورت سریال بین میکروکنترلرها و دستگاه‌های جانبی، مانند سنسورهای دما، کارت‌های حافظه SD، و ماژول‌های ارتباطی استفاده می‌شود. در این مقاله، ابتدا به معرفی SPI می‌پردازیم، سپس اصول پیاده‌سازی آن را در میکروکنترلرهای AVR شرح می‌دهیم و در نهایت چگونگی ارتباط با دستگاه‌های خارجی را بررسی می‌کنیم.

مقدمه‌ای بر پروتکل SPI

پروتکل SPI یک پروتکل سریال سینکرون (هم‌زمان) است که توسط چهار پایه اطلاعات را بین دستگاه‌های مختلف منتقل می‌کند. این پروتکل به دلیل سرعت بالا و سادگی ساختار، به یکی از رایج‌ترین پروتکل‌های مورد استفاده در میکروکنترلرها و سیستم‌های تعبیه شده تبدیل شده است.

ساختار پایه‌های مورد استفاده در SPI به شرح زیر است:

1. SCK (Serial Clock): سیگنال کلاک که زمان‌بندی انتقال داده‌ها را تعیین می‌کند.
2. MOSI (Master Out Slave In): خط انتقال داده از مستر (دستگاه اصلی) به اسلیو (دستگاه جانبی).
3. MISO (Master In Slave Out): خط انتقال داده از اسلیو به مستر.
4. SS (Slave Select): خط انتخاب اسلیو که نشان می‌دهد کدام اسلیو با مستر ارتباط برقرار می‌کند.

در SPI، مستر دستگاه اصلی است که سیگنال کلاک را تولید می‌کند و می‌تواند چندین اسلیو را کنترل کند.

مزایای SPI

پروتکل SPI نسبت به سایر پروتکل‌های سریال، مانند I2C و UART، مزایای خاصی دارد:

• سرعت بالا: به دلیل ساختار سینکرون، SPI قادر به انتقال داده با سرعت بالا است.
• سادگی: ساختار SPI ساده بوده و پیاده‌سازی آن نسبت به پروتکل‌های دیگر به پیچیدگی کمتری نیاز دارد.
• چندین اسلیو: مستر می‌تواند به راحتی با چندین دستگاه جانبی به صورت هم‌زمان ارتباط برقرار کند.
• انتقال دوطرفه: در SPI هم‌زمان می‌توان داده را از مستر به اسلیو و بالعکس ارسال کرد.

ساختار پروتکل SPI در AVR

برای استفاده از پروتکل SPI در میکروکنترلرهای AVR (مانند ATmega328 یا ATmega32)، باید ابتدا رجیسترهای مربوطه تنظیم شوند. به طور کلی، مراحل زیر برای پیاده‌سازی SPI در AVR انجام می‌شود:

1. تنظیم مود ارتباطی: SPI دارای چهار مود کاری است که هر کدام ترکیب خاصی از لبه کلاک و سطح سیگنال پایه دارد. این مودها به کمک دو بیت CPOL و CPHA در رجیستر کنترل SPI تعیین می‌شوند.
2. تنظیم سرعت کلاک: سرعت کلاک SPI به کمک رجیسترهای تنظیم کلاک مشخص می‌شود که می‌توان آن را به میزان دلخواهی تنظیم کرد.
3. انتخاب حالت مستر یا اسلیو: با تنظیم بیت MSTR در رجیستر کنترل SPI، میکروکنترلر می‌تواند به عنوان مستر یا اسلیو عمل کند.
4. فعال‌سازی SPI: با تنظیم بیت SPE در رجیستر کنترل SPI، واحد SPI فعال شده و آماده ارسال و دریافت داده می‌شود.

در اینجا کدی برای راه‌اندازی SPI به عنوان مستر آورده شده است:

#include <avr/io.h>

void SPI_Init() {
    DDRB = (1<<PB3) | (1<<PB5) | (1<<PB2); // تنظیم پایه‌های MOSI، SCK و SS به عنوان خروجی
    SPCR = (1<<SPE) | (1<<MSTR) | (1<<SPR0); // فعال‌سازی SPI، تنظیم به عنوان مستر و تنظیم سرعت کلاک
}

void SPI_Transmit(char data) {
    SPDR = data; // داده را در رجیستر داده قرار دهید
    while(!(SPSR & (1<<SPIF))); // انتظار برای اتمام ارسال
}

char SPI_Receive() {
    while(!(SPSR & (1<<SPIF))); // انتظار برای دریافت داده
    return SPDR; // داده دریافت شده را بازگردانید
}

این تابع‌ها SPI را به عنوان مستر تنظیم می‌کنند و امکان ارسال و دریافت داده را فراهم می‌سازند.

کاربردهای SPI در ارتباط با دستگاه‌های جانبی

پروتکل SPI اغلب برای ارتباط با دستگاه‌های جانبی مختلف استفاده می‌شود. در این بخش، نحوه استفاده از SPI برای ارتباط با چند دستگاه جانبی پرکاربرد را بررسی می‌کنیم.

1. سنسورهای دما (مانند MAX6675)

سنسورهای دما مانند MAX6675 از SPI برای ارسال داده به میکروکنترلر استفاده می‌کنند. به این صورت که مستر (AVR) داده‌ی خام دما را از سنسور دریافت کرده و آن را پردازش می‌کند.

برای دریافت دما از سنسور MAX6675 می‌توانید از تابع زیر استفاده کنید:

int Read_Temperature() {
    char highByte, lowByte;
    
    PORTB &= ~(1<<PB2); // انتخاب سنسور (پایین آوردن SS)
    highByte = SPI_Receive();
    lowByte = SPI_Receive();
    PORTB |= (1<<PB2); // غیرفعال‌سازی سنسور (بالا بردن SS)

    return ((highByte << 8) | lowByte) >> 3; // ترکیب داده‌ها و حذف بیت‌های اضافی
}

2. کارت‌های حافظه SD

ارتباط با کارت‌های حافظه SD برای ذخیره‌سازی داده، نیازمند پیاده‌سازی SPI است. AVR به کمک SPI می‌تواند دستورات مختلف را به کارت حافظه ارسال کرده و داده‌ها را خوانده یا بنویسد.

نمونه‌ای از کد برای ارسال دستور به کارت SD:

void SD_Command(char cmd, int arg) {
    SPI_Transmit(0x40 | cmd); // ارسال دستور
    SPI_Transmit(arg >> 8);   // ارسال بخش بالای آرگومان
    SPI_Transmit(arg & 0xFF); // ارسال بخش پایین آرگومان
    SPI_Transmit(0x95);       // ارسال CRC برای دستورات خاص
}

3. ماژول‌های ارتباطی (مانند NRF24L01)

ماژول‌های بی‌سیم مانند NRF24L01 برای ارسال و دریافت داده از SPI استفاده می‌کنند. برای راه‌اندازی این ماژول‌ها، ابتدا باید دستورات مناسب از طریق SPI ارسال شود.

نمونه‌ای از کد برای ارسال دستور به ماژول NRF24L01:

void NRF_WriteRegister(char reg, char value) {
    PORTB &= ~(1<<PB2);       // انتخاب ماژول
    SPI_Transmit(0x20 | reg); // ارسال آدرس رجیستر
    SPI_Transmit(value);      // ارسال مقدار
    PORTB |= (1<<PB2);        // غیرفعال‌سازی ماژول
}

نکات کلیدی در پیاده‌سازی SPI

• مقداردهی اولیه مناسب: اطمینان حاصل کنید که پایه‌ها به درستی مقداردهی اولیه شده و هر اسلیو به صورت مناسب انتخاب شده است.
• مدیریت سرعت کلاک: سرعت کلاک SPI باید متناسب با دستگاه جانبی تنظیم شود؛ برخی از دستگاه‌ها با سرعت بالا سازگار نیستند.
• توجه به ترتیب داده‌ها: ترتیب داده‌ها و مود کاری در SPI بسیار مهم است؛ تنظیم اشتباه CPOL و CPHA می‌تواند منجر به داده‌های نادرست شود.
• مدیریت چندین اسلیو: در صورتی که چندین اسلیو به میکروکنترلر متصل هستند، باید از پایه‌های SS مختلف برای انتخاب اسلیوها استفاده شود.

نتیجه‌گیری

پروتکل SPI به دلیل ساختار ساده، سرعت بالا، و قابلیت ارتباط با چندین دستگاه، یک گزینه ایده‌آل برای میکروکنترلرها است. با تسلط بر اصول پیاده‌سازی SPI در AVR، می‌توانیم به راحتی با دستگاه‌های جانبی مختلف، از سنسورهای دما گرفته تا کارت‌های حافظه SD و ماژول‌های ارتباطی، ارتباط برقرار کنیم.

آموزش پروتکل ارتباطی SPI در میکروکنترلر AVR و ارتباط با ماژول ها سنسور ، حافظه SD و ماژول ارتباطی

مطلب پیشنهادی

آموزش کامل I2C در میکروکنترلر AVR ارتباط با سنسورها حافظه‌های خارجی و نمایشگرها

اموزش استفاده از حافظه EEPROM داخلی در میکروکنترلر AVR برای ذخیره‌سازی داده‌ها