Chuẩn giao tiếp SPI được sử dụng phổ biến trong lĩnh vực điện tử và lập trình nhúng, chúng được kết nối và truyền dữ liệu giữa các thiết bị trong một hệ thống, SPI cung cấp một phương thức đồng bộ cho việc truyền thông tin nhanh chóng và tin cậy. Trong bài viết này, chúng ta sẽ tìm hiểu về nguyên lý hoạt động, cấu tạo và ứng dụng của giao tiếp SPI. Bên cạnh đó, chúng ta cũng sẽ khám phá các ưu điểm và hạn chế của chuẩn giao tiếp này, cùng với các ví dụ và hướng dẫn sử dụng giao thức SPI trong Arduino.

Xem thêm: Khái niệm cơ bản về chuẩn giao tiếp I2C trong Arduino

Chuẩn giao tiếp SPI là gì?

SPI (Serial Peripheral Interface) là một giao diện truyền thông đồng bộ được sử dụng để giao tiếp giữa các thiết bị trong hệ thống điện tử. Nó cho phép truyền dữ liệu giữa một thiết bị master và nhiều thiết bị slave thông qua các đường tín hiệu chung.

Cấu tạo của giao tiếp SPI

• SCLK (Serial Clock): Tín hiệu xung đồng hồ điều khiển cho việc đồng bộ truyền dữ liệu.
• MOSI (Master Out Slave In): Tín hiệu dữ liệu được truyền từ thiết bị master tới các thiết bị slave.
• MISO (Master In Slave Out): Tín hiệu dữ liệu được truyền từ các thiết bị slave về thiết bị master.
• SS/CS (Slave Select/Chip Select): Tín hiệu được sử dụng để chọn thiết bị slave nào sẽ tham gia truyền thông.

Trong quá trình truyền thông, thiết bị master điều khiển việc gửi và nhận dữ liệu bằng cách đồng bộ với các thiết bị slave thông qua tín hiệu SCLK. Thiết bị master chọn thiết bị slave cần truyền dữ liệu bằng cách đưa tín hiệu SS/CS về mức thấp.

Giao tiếp SPI được sử dụng rộng rãi trong các ứng dụng như viễn thông, điều khiển ngoại vi, giao tiếp với các cảm biến, mạch điều khiển đèn LED và nhiều thiết bị điện tử khác.

Nguyên lý hoạt động cuả giao tiếp SPI

Nguyên lý hoạt động của giao tiếp SPI (Serial Peripheral Interface) là dựa trên việc truyền dữ liệu tuần tự giữa một thiết bị master và một hoặc nhiều thiết bị slave. Giao tiếp SPI sử dụng một tín hiệu clock chung và các tín hiệu truyền dữ liệu đồng thời trên các kênh tương ứng.

Trong giao tiếp SPI, thiết bị master điều khiển quá trình truyền dữ liệu. Nó tạo ra xung clock trên chân SCK (Serial Clock) để đồng bộ hóa truyền dữ liệu giữa master và slave. Thiết bị master cũng chịu trách nhiệm kích hoạt chân Slave Select (SS) của từng thiết bị slave để chọn thiết bị nào sẽ giao tiếp.

Quá trình truyền dữ liệu diễn ra theo nguyên tắc “bit-shift” (dịch bit). Thiết bị master và slave truyền và nhận dữ liệu theo cùng một thứ tự từ bit cao nhất đến bit thấp nhất. Mỗi bit được truyền qua kênh MOSI (Master Out Slave In) từ master đến slave và qua kênh MISO (Master In Slave Out) từ slave về master.

Giao tiếp SPI có thể hoạt động ở các chế độ khác nhau, như chế độ truyền dữ liệu theo cạnh lên hoặc xuống của xung clock (SPI mode 0 hoặc mode 3) và chế độ truyền dữ liệu theo cạnh xuống hoặc lên của xung clock (SPI mode 1 hoặc mode 2). Sự lựa chọn chế độ phụ thuộc vào thiết bị master và slave được sử dụng và phải được đồng bộ hóa đúng để truyền dữ liệu chính xác.

Nguyên lý hoạt động của giao tiếp SPI dựa trên việc truyền dữ liệu theo đúng thứ tự bit và đồng bộ hóa thông qua tín hiệu clock chung. Điều này cho phép truyền dữ liệu nhanh chóng và hiệu quả giữa master và slave, thích hợp cho các ứng dụng yêu cầu tốc độ truyền dữ liệu cao và đồng bộ hóa chính xác.

Ưu và nhược điểm của giao thức SPI

Ưu điểm

• Tốc độ truyền thông cao: SPI cho phép truyền dữ liệu với tốc độ rất nhanh, thường đạt được tốc độ Mbps hoặc thậm chí hàng chục Mbps. Điều này rất hữu ích khi cần truyền dữ liệu nhanh và đáng tin cậy trong các ứng dụng như truyền thông không dây, điều khiển từ xa và truyền dữ liệu đa phương tiện.
• Giao tiếp đồng bộ: SPI sử dụng tín hiệu xung đồng hồ (SCLK) để đồng bộ hoá việc truyền dữ liệu giữa master và slave. Điều này đảm bảo tính tin cậy của dữ liệu truyền, và master có thể điều khiển quá trình truyền thông theo ý muốn.
• Khả năng truyền thông hai chiều: SPI cho phép truyền dữ liệu theo hai chiều, từ master tới slave và từ slave về master. Điều này rất hữu ích trong các ứng dụng yêu cầu truyền thông hai chiều như truyền thông với các cảm biến hoặc thiết bị ngoại vi.
• Hỗ trợ nhiều thiết bị slave: SPI cho phép kết nối nhiều thiết bị slave với một master duy nhất. Master có thể chọn từng slave để truyền dữ liệu, giúp mở rộng khả năng kết nối và giao tiếp với nhiều thiết bị.

Nhược điểm

• Số lượng chân kết nối: SPI yêu cầu nhiều chân kết nối hơn so với các giao thức truyền thông khác như I2C. Điều này có thể tạo ra sự rắc rối và giới hạn trong việc thiết kế mạch và kết nối với các thành phần.
• Độ dài cáp giới hạn: Tín hiệu SPI có độ tương phản cao và tốc độ truyền thông nhanh, do đó, độ dài cáp kết nối giữa các thiết bị cần được giới hạn để tránh sự mất mát dữ liệu và nhiễu.
• Không hỗ trợ chia sẻ đường truyền: SPI không cung cấp cơ chế chia sẻ đường truyền giữa các thiết bị slave. Điều này có nghĩa là chỉ một slave được truyền dữ liệu tại một thời điểm. Điều này có thể tạo ra hạn chế trong việc giao tiếp

Hướng dẫn giao tiếp SPI với Arduino

1 Kết nối phần cứng

• Kết nối chân MOSI (Master Out Slave In) của Arduino với chân MOSI của thiết bị slave.
• Kết nối chân MISO (Master In Slave Out) của Arduino với chân MISO của thiết bị slave.
• Kết nối chân SCK (Serial Clock) của Arduino với chân SCK của thiết bị slave.
• Kết nối chân SS (Slave Select) của Arduino với chân SS của thiết bị slave. Chân SS sẽ được sử dụng để chọn thiết bị slave mà bạn muốn truyền dữ liệu.

2 Khởi tạo giao thức SPI

• Trong hàm setup(), sử dụng lệnh` SPI.begin()` để khởi tạo giao thức SPI trên Arduino.
• Thiết lập các tùy chọn giao thức như tốc độ truyền` (SPI.setClockDivider()), bit dữ liệu (SPI.setDataMode()) và bit đánh dấu (SPI.setBitOrder())`. Điều này phụ thuộc vào thiết bị slave bạn đang sử dụng, vì vậy hãy kiểm tra datasheet của thiết bị để xác định các giá trị chính xác.

3 Truyền dữ liệu

• Để truyền dữ liệu từ master tới slave, sử dụng lệnh SPI.transfer(data) trong hàm loop(). Điền giá trị dữ liệu bạn muốn truyền vào tham số data. Hàm này sẽ trả về giá trị nhận được từ slave (nếu có).
• Để truyền dữ liệu từ slave về master, bạn cũng sử dụng lệnh SPI.transfer(data). Tuy nhiên, bạn cần kích hoạt trạng thái slave bằng cách giảm chân SS xuống mức LOW trước khi truyền dữ liệu và tăng lên mức HIGH sau khi hoàn thành.

4 Giải phóng giao thức SPI

• Khi không sử dụng giao thức SPI nữa, hãy sử dụng lệnh SPI.end() để giải phóng tài nguyên và tắt giao thức trên Arduino.

Chú ý: Cách sử dụng và điều khiển giao thức SPI có thể khác nhau tùy thuộc vào thiết bị slave cụ thể mà bạn đang sử dụng. Hãy tham khảo datasheet và hướng dẫn của thiết bị để biết thêm chi tiết về cách giao tiếp SPI với từng thiết bị cụ thể.