SPI – Serial Peripheral Interface
SPI, czyli Serial Peripheral Interface, to szeregowy interfejs komunikacyjny, który umożliwia szybką wymianę danych między mikrokontrolerem a urządzeniami peryferyjnymi. Interfejs ten należy do najczęściej stosowanych w elektronice cyfrowej, zwłaszcza tam, gdzie liczy się wysoka prędkość transmisji, prostota implementacji i pełna kontrola nad sygnałami. Dziś wyjaśnię Ci dokładnie, jak działa SPI, jakie są jego zalety i gdzie najczęściej znajduje zastosowanie w praktycznych układach embedded oraz przemysłowych systemach sterowania.
Podstawy działania SPI
SPI działa w architekturze master-slave. Oznacza to, że jeden układ – najczęściej mikrokontroler – pełni funkcję nadrzędną (master), a jedno lub więcej urządzeń peryferyjnych pełni funkcję podrzędną (slave). Komunikacja odbywa się z wykorzystaniem czterech głównych linii sygnałowych:
- MOSI (Master Out Slave In) – linia danych wysyłanych z mastera do slave’a
- MISO (Master In Slave Out) – linia danych odbieranych przez mastera od slave’a
- SCLK (Serial Clock) – sygnał zegarowy generowany przez mastera
- SS/CS (Slave Select/Chip Select) – sygnał aktywujący konkretnego slave’a
Dane przesyłane są synchronicznie z sygnałem zegarowym. W zależności od konfiguracji urządzeń SPI może działać w różnych trybach pracy (mode 0–3), które określają poziom logiczny sygnału SCLK oraz momenty próbkowania danych.
Tryby pracy i synchronizacja
SPI umożliwia transmisję pełnodupleksową – oznacza to, że dane mogą być przesyłane jednocześnie w obu kierunkach. Dzięki temu transmisja może być bardzo szybka i płynna. Ustawienia zegara (polaryzacja CPOL i faza CPHA) pozwalają dostosować interfejs do wymagań różnych urządzeń. W praktyce często spotykamy sensory, pamięci Flash, przetworniki ADC/DAC czy wyświetlacze OLED, które wymagają konkretnego trybu SPI do poprawnej pracy.
Zastosowania SPI w systemach mikroprocesorowych
W systemach mikrokontrolerowych SPI służy m.in. do:
- Odczytu danych z czujników (np. termometrów cyfrowych, żyroskopów, akcelerometrów)
- Zarządzania pamięciami EEPROM i Flash
- Sterowania wyświetlaczami graficznymi
- Komunikacji z układami DAC/ADC
W porównaniu do innych interfejsów, takich jak I²C, SPI oferuje wyższą prędkość transmisji oraz prostszy mechanizm przesyłania danych, chociaż wymaga więcej linii sygnałowych – co może być wadą w układach o ograniczonej liczbie pinów.
Wady i zalety interfejsu SPI
SPI w praktyce inżynierskiej
Podczas projektowania układów z interfejsem SPI ważna jest poprawna synchronizacja urządzeń oraz zabezpieczenie przed zakłóceniami. Dla bardziej zaawansowanych rozwiązań stosuje się multipleksowanie linii CS lub zewnętrzne dekodery adresów, dzięki czemu możliwe jest dołączenie większej liczby urządzeń slave bez zwiększania liczby pinów kontrolnych.
W rzeczywistych aplikacjach przemysłowych SPI spotkamy nie tylko w małych projektach DIY, ale również w systemach automatyki, gdzie służy do komunikacji między sterownikami PLC a modułami I/O. Dodatkowo, w systemach audio wysokiej jakości, przetworniki C/A i A/C komunikują się przez SPI z procesorami DSP, zapewniając niskie opóźnienia i wysoką dokładność transmisji sygnału. Wczoraj analizowaliśmy temat magistrali I²C, która często bywa alternatywą dla SPI w mniej wymagających środowiskach – i dobrze zrozumieć te różnice, by dobrać odpowiednie rozwiązanie do konkretnego projektu.
