SPI-тест с обратной связью: Освойте протокол с Velxio

Введение

SPI (Serial Peripheral Interface) — это синхронный последовательный протокол связи, широко используемый для подключения микроконтроллеров к датчикам, дисплеям и микросхемам памяти. В этом руководстве мы создадим тест SPI с обратной связью с помощью симулятора Velxio. Тест с обратной связью отправляет байты через SPI и считывает ответ, подтверждая корректную работу протокола. Поскольку физического ведомого устройства нет, симулятор возвращает отправленный байт, что делает этот способ идеальным для изучения SPI без какого-либо оборудования.

Сборка схемы

Начнем с создания схемы. Единственный необходимый компонент — Arduino Uno, который мы разместим на холсте.

Чтобы добавить Arduino Uno, откройте выбор компонентов, нажав на значок ”+” на панели инструментов холста.

Найдите “Arduino Uno” и разместите его на холсте. Arduino Uno имеет выделенные выводы SPI:

• MOSI (Master Out Slave In) — вывод 11
• MISO (Master In Slave Out) — вывод 12
• SCK (Serial Clock) — вывод 13
• SS (Slave Select) — вывод 10 (мы будем использовать его как выбор микросхемы)

В этом тесте с обратной связью внешнее подключение не требуется, так как сигналы SPI являются внутренними для Arduino. Однако необходимо убедиться, что вывод SS (вывод 10) настроен как выход и изначально установлен в высокий уровень, а затем переключается в низкий во время передачи. Это обрабатывается в коде.

Разбор кода

Теперь рассмотрим код. Откройте редактор кода, нажав на вкладку “Code” на панели инструментов редактора.

Код написан на Arduino C++ и использует встроенную библиотеку SPI.h. Внешние библиотеки не требуются.

// SPI Loopback Test
// Sends bytes via SPI and logs the exchange.
// Without a physical slave, the emulator returns the sent byte.

#include <SPI.h>

#define SS_PIN 10

void setup() {
  Serial.begin(9600);
  Serial.println("========================");
  Serial.println("  SPI Protocol Test");
  Serial.println("========================");
  Serial.println();

  pinMode(SS_PIN, OUTPUT);
  digitalWrite(SS_PIN, HIGH);
  SPI.begin();
  SPI.setClockDivider(SPI_CLOCK_DIV16);

  Serial.println("SPI initialized.");
  Serial.print("Clock divider: 16 (");
  Serial.print(F_CPU / 16);
  Serial.println(" Hz)");
  Serial.println();

  // Send test pattern
  Serial.println("Sending test pattern via SPI:");
  byte testData[] = {0xAA, 0x55, 0xFF, 0x00, 0x42, 0xDE, 0xAD, 0xBE};

  digitalWrite(SS_PIN, LOW);  // Select slave

  for (int i = 0; i < sizeof(testData); i++) {
    byte sent = testData[i];
    byte received = SPI.transfer(sent);

    Serial.print("  TX: 0x");
    if (sent < 16) Serial.print("0");
    Serial.print(sent, HEX);
    Serial.print("  RX: 0x");
    if (received < 16) Serial.print("0");
    Serial.print(received, HEX);

    if (sent == received) {
      Serial.println("  (loopback OK)");
    } else {
      Serial.println();
    }
  }

  digitalWrite(SS_PIN, HIGH);  // Deselect slave

  Serial.println();
  Serial.println("SPI test complete.");
}

void loop() {
  delay(1000);
}

Разберем ключевые части:

• #include <SPI.h>: Подключает библиотеку SPI Arduino.
• #define SS_PIN 10: Определяет вывод выбора ведомого как вывод 10.
• setup(): Инициализирует последовательную связь на скорости 9600 бод, настраивает вывод SS как выход и устанавливает его в высокий уровень, затем вызывает SPI.begin() для инициализации периферии SPI. Делитель тактовой частоты установлен на 16, что дает тактовую частоту F_CPU / 16 (1 МГц для Arduino с частотой 16 МГц).
• Тестовый шаблон: Массив из 8 байт (0xAA, 0x55, 0xFF, 0x00, 0x42, 0xDE, 0xAD, 0xBE) отправляется по одному.
• digitalWrite(SS_PIN, LOW): Выбирает ведомое устройство (в режиме обратной связи это просто логический шаг).
• SPI.transfer(sent): Отправляет байт и одновременно принимает байт. В режиме обратной связи принятый байт равен отправленному.
• Вывод в последовательный порт: Каждая передача выводится в шестнадцатеричном формате, и если отправленный и принятый байты совпадают, добавляется “(loopback OK)”.
• digitalWrite(SS_PIN, HIGH): Отключает ведомое устройство после передачи.
• loop(): Пустой, за исключением задержки, так как тест выполняется только один раз в setup().

Ключевые концепции

• Протокол SPI: SPI — это синхронный полнодуплексный протокол с четырьмя проводами: MOSI, MISO, SCK и SS. Ведущий генерирует тактовый сигнал и управляет выбором ведомого.
• Обратная связь: Соединение MOSI с MISO (или использование симулятора, который повторяет сигнал) позволяет тестировать аппаратное обеспечение SPI без внешнего ведомого устройства.
• Делитель тактовой частоты: Функция SPI.setClockDivider() устанавливает частоту SCK относительно системной тактовой частоты. Меньшие делители означают более быструю связь.
• SPI.transfer(): Эта функция одновременно отправляет и принимает байт. Это основа связи SPI.

Распространенные ошибки и советы по отладке

• Настройка вывода SS: Вывод SS должен быть настроен как выход; в противном случае аппаратное обеспечение SPI может автоматически переключиться в ведомый режим. Всегда устанавливайте pinMode(SS_PIN, OUTPUT) и устанавливайте его в высокий уровень в режиме ожидания.
• Несоответствие скорости передачи: Убедитесь, что скорость передачи в мониторе последовательного порта соответствует Serial.begin(9600). В Velxio монитор последовательного порта открывается автоматически.
• Полярность и фаза тактового сигнала: Режим SPI по умолчанию (режим 0) использует SCK с низким уровнем в режиме ожидания и выборку данных по переднему фронту. Если ваше ведомое устройство ожидает другой режим, используйте SPI.setDataMode().
• Отсутствие внешнего подключения: В этом тесте с обратной связью провода не нужны. Если вы подключаете реальное ведомое устройство, дважды проверьте соединения: MOSI к MOSI, MISO к MISO, SCK к SCK и SS к SS.

Предлагаемые расширения

• Добавьте внешнее ведомое устройство: Смоделируйте датчик или дисплей, добавив второй Arduino в качестве ведомого и написав скетч для ведомого.
• Измените тактовую частоту: Поэкспериментируйте с различными делителями тактовой частоты (например, SPI_CLOCK_DIV2, SPI_CLOCK_DIV128) и наблюдайте за влиянием на скорость передачи.
• Отправляйте большие объемы данных: Измените тестовый шаблон для отправки строки или показаний датчика.
• Используйте прерывания: Реализуйте связь SPI с помощью прерываний для неблокирующих передач.

Попробуйте сами

Готовы погрузиться? Откройте живой пример в Velxio и запустите симуляцию. Вы увидите вывод в последовательный порт с каждым переданным и принятым байтом, подтверждающий обратную связь.

Откройте тест SPI с обратной связью в Velxio

Удачного моделирования!