I2C, SPI ir USART: mikrovaldiklių sąsajų veikimas ir panaudojimas

Užduoties tipas: Rašinys

Pridėta: šiandien time_at 11:26

Mikrovaldiklių sąsajos: I2C, SPI, USART

Įvadas

Šioje esė nuosekliai aptarsiu kiekvieną iš minėtų protokolų. Pirmiausia detaliai išnagrinėsiu I2C, SPI ir USART techninius veikimo principus, jų taikymo galimybes, stipriąsias bei silpnąsias puses. Remsiuosi Lietuvos aukštųjų mokyklų dėstomų kursų programomis, laboratoriniais darbais, nacionalinėje elektronikos pramonėje naudojamais sprendimais. Galiausiai pateiksiu palyginamąją analizę bei praktines rekomendacijas protokolų pasirinkimui. Kiekvienas šios esė skyrius bus iliustruotas konkrečiais taikymo pavyzdžiais, kurie aktualūs mūsų šalies ugdymo ir industriniam kontekstui.

---

I dalis: I2C sąsasos techniniai ir praktiniai aspektai

I2C susideda iš dviejų linijų: duomenų (SDA) ir laikrodžio (SCL). Abiem linijomis teka informacija tarp „master“ (valdančiojo) ir „slave“ (valdomojo) įrenginių. Šios linijos sujungia visus tinklo narius į vieną, todėl kiekvienas modulis gauna savo unikalų adresą (paprastai 7 bitų ilgis, galimi ir 10 bitų adresai). Tai leidžia vienu metu prijungti daug įrenginių. Tipo pavyzdys iš Vilniaus Gedimino technikos universiteto laboratorijos – trys ar keturi I2C jutikliai prijungiami prie vieno mikrovaldiklio, tokiu būdu efektyviai ir minimaliomis išlaidomis surenkama duomenų matrica.

Kai svarbus sistemos patikimumas, SDA ir SCL linijoms taikomi vadinamieji „pull-up“ rezistoriai (dažniausiai 4,7 kΩ), užtikrinantys, kad linija be apkrovimo visad bus aukšto loginio lygio, o informacija nebus prarasta dėl triukšmo ar kontaktų oksidacijos. Duomenų perdavimas palaikomas laikrodžio impulsais iš „master“, o kiekviena žinutė pradedama „start“, užbaigiama „stop“ signalu. Siekant duomenų patikimumo, kiekvieną baitą palydi „ACK“ (patvirtinimo bitas), kuriuo „slave“ patvirtina gavimą ar pageidauja kartotinės užklausos.

I2C protokolui būdinga nedidelė duomenų perdavimo sparta (standartiniam režimui – iki 100 kHz, „fast mode“ – iki 400 kHz), todėl dažnai naudojamas ten, kur prioritetas teikiamas linijų ekonomijai ir įrenginių skaičiui. Ilgų laidų atveju (pvz. tarpas tarp temperatūros jutiklio ir mikrovaldiklio 2-3 metrai), signalo kokybę gali paveikti triukšmai – todėl svarbu naudoti ekranuotus kabelius arba papildomą filtravimą.

Reali praktika: Kauno technologijos universiteto kursų studentai dažnai taiko I2C sąsają prototipuojant mažus duomenų surinkimo modulius su 24C32 EEPROM atmintimis arba BME280 aplinkos jutikliais – taip galima lanksčiai kaupti ir nuskaitinėti informaciją per vieną portą.

I2C privalumai: paprastas sujungimas, reikia tik dviejų laidų, galimybė prijungti daug įrenginių, gana patikimas duomenų perdavimas. Trūkumai: ribota sparta, jautrumas laidų kokybei, sudėtingesnis programinis valdymas didėjant įrenginių skaičiui.

---

II dalis: SPI sąsajos, jų veikimas ir taikymas

SPI pagrindą sudaro „master“ ir „slave“ santykis, tačiau skirtingai nei I2C, kiekvienam prietaisui reikalinga atskira CS (chip select) linija. Prijungimą lemia keturios linijos: MOSI (master → slave), MISO (slave → master), SCLK (laikrodžio signalas) ir CS (pasirinkimo signalas). Šios linijos užtikrina paralelinį duomenų srautą, kuriam būdinga didelė sparta (dažniausiai iki kelių MHz – Lietuvoje populiariuose STM32 ar AVR mikrovaldikliuose standartiniai dažniai siekia 2-10 MHz).

Duomenys perduodami „registrų slinkimo“ principu – tiek „master“, tiek „slave“ per vieną laikrodžio impulsą perduoda po bitą. Vienas svarbus niuansas – SPI nėra integruoto adresavimo, kiekvienas prijungtas įrenginys aktyvinamas tik trumpo CS impulso metu. Dėl to SPI labiau tinkamas sistemoms, kuriose svarbus ryšio greitis tarp nedidelio skaičiaus įrenginių.

Techniniai aspektai, pastebėti atliekant laboratorinius darbus – SPI gali būti naudinga, kai reikia didelio duomenų srauto, pvz., atkuriant garso signalą per skaitmeninio — analoginio keitiklį arba nuskaityant duomenis iš SD kortelės (populiaru egzamino metu naudoti „FATFS“ biblioteką mikrovaldikliui, nuskaityti JPG ar WAV failus realiame įrenginyje).

SPI privalumai: didelė (iki kelių dešimčių MHz) sparta, labai mažas delsimas, paprastas programinis valdymas, netiesioginis prietaisų skaičius ribojamas laisvomis mikrovaldiklio jungtimis. Trūkumai: daugiau jungčių, ne toks patogus daugeliui įrenginių (reikia atskiro CS kiekvienam), būtina tiksliai derinti laikrodžio fazę (CPOL/CPHA).

---

III dalis: USART (Universalus sinchroninis/asinchroninis siųstuvas/imtuvėjas)

Asinchroniniame režime, duomenų bloką sudaro „start“ bitas, 5–9 duomenų bitai, pariteto bitas ir „stop“ bitas. Baudų dažnis (pvz., 9600, 115200 bitų per sekundę) turi būti suderintas abiejose grandinės pusėse. Vienas pagrindinių privalumų – užtenka dviejų linijų (TX ir RX), todėl šią sąsają patogu naudoti, kai reikia sujungti atskirus įrenginius didesniu atstumu, pvz., automatikos sistemose.

Klaipėdos universiteto studentai kurdami distancinio valdymo sistemas dažnai naudoja USART bendravimui su Bluetooth arba GSM moduliu – parametrai lengvai reguliuojami, galima keisti tiek laikrodžio dažnį, tiek „parity“ principus. Tokia sąranka leidžia užtikrinti stabilų ryšį ne tik laboratorinėmis, bet ir realiomis sąlygomis.

Svarbus aspektas – USART sąsajoje nėra natūralaus kelių įrenginių valdymo: dažniausiai ryšys vyksta tik tarp dviejų narių („point-to-point“). Tačiau egzistuoja padidinto našumo ryšiai RS485, kurie išplečia USART galimybes jungti kelis įrenginius vienu kabeliu. Svarbus ir klaidų valdymo aspektas – naudojamas pariteto bitas, tačiau I2C tipo „ACK“ protokolo čia nėra.

USART privalumai: paprastumas, universalumas, didesnis atstumas (ypatingai su RS232/RS485), platus modulių pasirinkimas. Trūkumai: sunkumai jungiant kelis įrenginius, didesnė klaidos rizika netiksliai suderinus baudų dažnį.

---

IV dalis: Protokolų palyginimas ir išvados inžinieriui

| Protokolas | Laidai | Spartos riba | Prijungiamų įrenginių kiekis | Adresavimas | Paprasta programinė realizacija | |:----|:-----|:-----:|:----:|:-----:|:-----:| | I2C | 2 | 100/400 kHz | 127 | Yra (7/10 bitų) | Vidutinė | | SPI | 4+ | 10+ MHz | Priklauso nuo CS linijų | Nėra (naudojamas CS) | Lengva | | USART | 2 | 0,1–5 Mbps | Paprastai 2 (arba daugiau su RS485) | Nėra | Lengva |

Kada verta rinktis kurią sąsają? - Daug jutiklių vienoje plokštėje, prioritetas – linijų taupymas: I2C. - Greitas, didelės apimties keitimasis informacija mažame tinkle: SPI. - Ryšys didesniu atstumu ar su išoriniais moduliais (pvz., modemas arba kompiuteris): USART.

Praktiniai iššūkiai ir sprendimai: - I2C linijose dažnai pasitaiko problemų dėl netinkamo „pull-up“ rezistoriaus parinkimo arba triukšmo ilgesniuose laiduose. Studentams rekomenduojama eksperimentuoti su skirtingomis rezistorių reikšmėmis, naudoti trumpus laidus arba ekranuotus kabelius. - SPI tinkle nesinchronizuotas CS valdymas gali sukelti duomenų korupciją – būtina užtikrinti, kad tik vienas „slave“ būtų aktyvuotas vienu metu. - USART ryšyje dažna klaida – nesutampantys baudų dažniai arba netinkamai sukonfigūruoti pariteto/stop bitai. Rekomenduojama naudoti osciliografą baudų dažniui verifikavimui.

Išplėstinės integracijos galimybės: - I2C įgalina „multi-master“ funkcionalumą, leidžiančią sistemos plėtrą didėjant sudėtingumui. - SPI gali būti išplėsta naudojant multipleksinius CS valdymo sprendimus. - USART dažnai naudojama kaip pagrindas standartizuotiems protokolams – Modbus, RS232, RS485.

---

Išvados

Kaip rodo ir Lietuvos inžinerinių studijų patirtis, protokolų išmanymas leidžia ne tik spręsti praktinius uždavinius („išspręsti užstrigusį mikroskopą elektronikos laboratorijoje“), bet ir įgyti reikalingų įgūdžių darbui su sparčiai tobulėjančiais išmaniaisiais įrenginiais. Ateityje galima tikėtis naujų, patobulintų jungčių – pvz., I3C ar CAN-FD, tačiau I2C, SPI ir USART įžvalgos dar ilgai bus aktualios tiek akademijoje, tiek Lietuvos elektronikos pramonėje.

---

Naudotos literatūros pavyzdinis sąrašas

*(Detalūs literatūros šaltiniai, kuriuos būtina įtraukti rengiant baigiamąjį darbą, čia nepateikiami)*