SPI

SPI چیست؟ (Serial Peripheral Interface - رابط محیطی سریال)

SPI یک پروتکل ارتباطی سریال است که برای ارسال و دریافت داده بین میکروکنترلر و دستگاه‌های جانبی مانند سنسورها، نمایشگرها، کارت‌های حافظه، مبدل‌های آنالوگ به دیجیتال (ADC) و فلش مموری‌ها استفاده می‌شود. این پروتکل به دلیل سرعت بالا، سادگی و کارایی در بسیاری از سیستم‌های الکترونیکی استفاده می‌شود.

چگونه SPI کار می‌کند؟

SPI از چهار سیم اصلی برای تبادل داده استفاده می‌کند:

1. SCLK (Serial Clock) → این پایه سیگنال کلاک را ارسال می‌کند و زمان‌بندی داده‌ها را مشخص می‌کند. این سیگنال همیشه از Master به Slave ارسال می‌شود.
2. MOSI (Master Out, Slave In) → داده‌هایی که از Master به Slave ارسال می‌شوند، از طریق این پایه منتقل می‌شوند.
3. MISO (Master In, Slave Out) → داده‌هایی که از Slave به Master برمی‌گردند، از طریق این پایه منتقل می‌شوند.
4. SS (Slave Select) یا CS (Chip Select) → این پایه مشخص می‌کند که کدام Slave فعال شود. برای ارتباط با یک دستگاه خاص، Master پایه SS آن را LOW می‌کند.

در SPI، داده‌ها به‌صورت همزمان ارسال و دریافت می‌شوند. یعنی هر بار که یک بیت ارسال می‌شود، یک بیت هم دریافت می‌شود، که این ویژگی را ارتباط Full-Duplex می‌نامند.

SPI Master و SPI Slave چیست؟

در ارتباط SPI، یک دستگاه نقش Master (کنترل‌کننده اصلی) و یک یا چند دستگاه دیگر نقش Slave (دستگاه جانبی) را دارند.

Master:

• کنترل‌کننده اصلی است که کلاک را تولید می‌کند.
• می‌تواند داده‌ها را به Slave ارسال کند و از آن دریافت کند.
• تصمیم می‌گیرد که با کدام Slave ارتباط بگیرد.

Slave:

• فقط زمانی که Master آن را انتخاب کند فعال می‌شود.
• نمی‌تواند خودش ارتباط را شروع کند، بلکه منتظر فرمان Master می‌ماند.
• داده‌ها را از Master دریافت و پردازش می‌کند و در صورت نیاز پاسخ می‌دهد.

مثال ساده از نحوه عملکرد SPI

فرض کنید میکروکنترلر (Master) بخواهد دمای یک سنسور دما (Slave) را بخواند:

1. میکروکنترلر پایه SS سنسور دما را LOW می‌کند تا آن را فعال کند.
2. میکروکنترلر یک فرمان از طریق MOSI ارسال می‌کند و می‌گوید: "دما را بده!"
3. سنسور دما مقدار اندازه‌گیری شده را از طریق MISO به میکروکنترلر ارسال می‌کند.
4. پس از دریافت داده، میکروکنترلر پایه SS را HIGH می‌کند تا ارتباط با سنسور قطع شود.

چگونه چندین دستگاه Slave را کنترل کنیم؟

اگر یک Master بخواهد به چندین دستگاه Slave متصل شود، برای هر Slave یک SS جداگانه در نظر گرفته می‌شود. میکروکنترلر هر بار فقط یک دستگاه را فعال می‌کند، در حالی که بقیه غیرفعال هستند.

مثلاً اگر سه سنسور دما داریم، سه پایه SS1، SS2 و SS3 خواهیم داشت.

• برای انتخاب سنسور ۱: digitalWrite(SS1, LOW);
• برای انتخاب سنسور ۲: digitalWrite(SS2, LOW);
• برای انتخاب سنسور ۳: digitalWrite(SS3, LOW);

مثال کدنویسی SPI در آردوینو (Master)

در این مثال، یک میکروکنترلر داده‌ای را از یک سنسور دریافت می‌کند و نمایش می‌دهد:

#include <SPI.h>

void setup() {
    SPI.begin();  // فعال‌سازی SPI
    pinMode(10, OUTPUT);  // پایه SS را خروجی تنظیم می‌کنیم
}

void loop() {
    digitalWrite(10, LOW);  // فعال کردن سنسور
    byte temperature = SPI.transfer(0x00);  // درخواست داده و دریافت مقدار دما
    digitalWrite(10, HIGH);  // غیرفعال کردن سنسور

    Serial.println(temperature);  // نمایش مقدار دما
    delay(1000);
}

مزایا و معایب SPI

مزایای SPI:

• سرعت بسیار بالا (معمولاً سریع‌تر از I2C و UART).
• امکان ارتباط دوطرفه همزمان (Full-Duplex).
• قابلیت اتصال چندین دستگاه Slave.
• ساختار ساده و پیاده‌سازی آسان.

معایب SPI:

• نیاز به تعداد زیادی سیم (برای هر Slave یک SS نیاز است).
• عدم پشتیبانی از آدرس‌دهی داخلی (برخلاف I2C).
• برای ارتباطات طولانی مناسب نیست.

نتیجه‌گیری

SPI یک پروتکل سریع و ساده برای ارتباط بین میکروکنترلر و دستگاه‌های جانبی است. Master کلاک را تولید می‌کند و Slave‌ها منتظر فرمان Master می‌مانند. با استفاده از چهار سیم SCLK، MOSI، MISO و SS، داده‌ها بین Master و Slave رد و بدل می‌شوند. برای مدیریت چندین دستگاه Slave، باید از پایه‌های SS مجزا استفاده شود.

حق با شماست! پایه ۲۲ در این میکروکنترلر PLMB نیست. اجازه بدهید مجدداً بررسی کنم.

پایه ۲۲ در MC68HC705B32

در تصویر داده‌شده، پایه ۲۲ با نام TCAP1 مشخص شده است.

آیا پایه ۲۲ (TCAP1) را می‌توان به زمین متصل کرد؟

پایه TCAP1 معمولاً به عنوان یک ورودی برای واحد تایمر و شمارنده (Timer Capture Input) استفاده می‌شود. این پایه به میکروکنترلر امکان می‌دهد تا رویدادهای خارجی را ثبت کند، مثلاً برای اندازه‌گیری مدت‌زمان یک پالس ورودی.

✅ در شرایط عادی، این پایه نباید مستقیماً به زمین متصل شود. اگر آن را به زمین متصل کنید، ممکن است عملکرد تایمر را مختل کنید یا مانع از دریافت سیگنال‌های خارجی شوید.

چه زمانی می‌توان این پایه را به زمین وصل کرد؟

1. اگر از تایمر/کپچر استفاده نمی‌کنید: می‌توانید این پایه را با یک مقاومت پول‌داون (مثلاً 10kΩ) به زمین متصل کنید تا از نویزهای ناخواسته جلوگیری شود.
2. اگر از این پایه به‌عنوان ورودی دیجیتال استفاده می‌شود: می‌توان آن را به GND متصل کرد، اما معمولاً با یک مقاومت.
3. اگر مدار شما این پایه را خروجی کرده باشد: نباید آن را مستقیماً به GND متصل کنید، چون ممکن است باعث اتصال کوتاه و آسیب به میکروکنترلر شود.

نتیجه‌گیری

پایه ۲۲ (TCAP1) را نباید بدون بررسی مستقیماً به زمین متصل کرد. اگر از آن استفاده نمی‌کنید، بهتر است با یک مقاومت پول‌داون (۱۰kΩ) آن را به GND متصل کنید تا نویز کاهش یابد.

آیا پایه ۲۲ (TCAP1) می‌تواند ورودی باشد؟

بله، پایه ۲۲ (TCAP1) در میکروکنترلر MC68HC705B32 می‌تواند به‌عنوان ورودی استفاده شود، زیرا این پایه مربوط به واحد تایمر/کپچر (Timer Capture Input) است. این واحد برای ثبت لحظه وقوع یک رویداد خارجی روی این پایه به‌کار می‌رود.

آیا می‌توان یک کلید (Push Button) به این پایه متصل کرد؟

✅ بله، می‌توان یک کلید را به این پایه متصل کرد، اما باید نکات زیر رعایت شود:

1. استفاده از مقاومت پول‌آپ یا پول‌داون:

   • اگر می‌خواهید وقتی کلید فشرده شد، مقدار LOW (0) خوانده شود، پایه را با یک مقاومت پول‌آپ (۱۰kΩ به VCC) متصل کنید.
   • اگر می‌خواهید وقتی کلید فشرده شد، مقدار HIGH (1) خوانده شود، پایه را با یک مقاومت پول‌داون (۱۰kΩ به GND) متصل کنید.

2. حفاظت در برابر نویز:

   • برای جلوگیری از جهش‌های ناگهانی (debouncing)، می‌توان از یک خازن کوچک (مثلاً ۱۰۰nF) موازی با کلید استفاده کرد.

3. تنظیم پایه در نرم‌افزار:

   • در کدنویسی باید این پایه را به‌عنوان ورودی دیجیتال تنظیم کنید و مقدار آن را در برنامه بخوانید.

مدار پیشنهادی برای اتصال کلید به TCAP1:

اگر بخواهید وقتی کلید فشرده شد مقدار LOW خوانده شود، مدار زیر را ببندید:

VCC (5V)
  |
  | (10kΩ Pull-up Resistor)
  |
TCAP1 -----> کلید -----> GND

کد نمونه برای خواندن کلید (در آردوینو - فقط برای درک بهتر)

void setup() {
  pinMode(22, INPUT_PULLUP);  // تنظیم پایه 22 به‌عنوان ورودی با مقاومت داخلی پول‌آپ
}

void loop() {
  if (digitalRead(22) == LOW) {  // اگر کلید فشرده شد
    Serial.println("Button Pressed!");
  }
  delay(100);
}

نتیجه‌گیری

بله، می‌توان از پایه ۲۲ (TCAP1) به‌عنوان ورودی برای اتصال یک کلید استفاده کرد. اما باید از یک مقاومت پول‌آپ یا پول‌داون برای عملکرد صحیح و جلوگیری از نویز استفاده شود.

✅ دقیقاً! هنگامی که پایه ۲۲ (TCAP1) در مد تایمر کپچر استفاده می‌شود، نباید مستقیماً به زمین (GND) یا تغذیه (VCC) متصل شود. بلکه همیشه یک مقاومت بین این پایه و زمین یا تغذیه قرار می‌گیرد.

چرا نباید TCAP1 را مستقیماً به GND یا VCC متصل کرد؟

• اگر این پایه ورودی تایمر کپچر باشد، باید تغییرات سیگنال (High و Low) را تشخیص دهد. اگر آن را مستقیم به زمین متصل کنید، همیشه مقدار ۰ (Low) خواهد بود و هیچ تغییری تشخیص داده نمی‌شود.
• برای عملکرد صحیح، معمولاً از یک مقاومت پول‌آپ (Pull-up) به VCC یا پول‌داون (Pull-down) به GND استفاده می‌شود. این کار کمک می‌کند تا پایه مقدار پیش‌فرض (default state) مشخصی داشته باشد و از نویزهای ناخواسته جلوگیری شود.

چه مقاومتی برای پول‌آپ یا پول‌داون مناسب است؟

• معمولاً مقدار ۱۰kΩ برای مقاومت پول‌آپ یا پول‌داون کافی است. اما در برخی موارد که حساسیت بالاتر نیاز است، می‌توان از ۴.۷kΩ یا ۱kΩ نیز استفاده کرد.

نتیجه‌گیری

هنگامی که پایه ۲۲ (TCAP1) در مد تایمر کپچر استفاده می‌شود:

• ❌ نباید مستقیماً به زمین متصل شود.
• ✅ باید از یک مقاومت پول‌آپ یا پول‌داون استفاده کرد، بسته به نیاز مدار.
• ✅ اگر ورودی از یک کلید یا سنسور باشد، می‌توان از یک مقاومت پول‌آپ به VCC یا پول‌داون به GND استفاده کرد تا وضعیت پایه مشخص باشد.