Arduino UNOで理解するSPI通信技術

UNO-ATmega328
2024.04.18

SPIとは

SPIは、Serial Peripheral Interfaceの略で、マイクロコントローラ間でデータを高速に転送するための通信プロトコルです。このシステムは、マスター/スレーブのアーキテクチャを使用しており、一つのマスターデバイスと一つまたは複数のスレーブデバイスで通信します。

マスター/スレーブのアーキテクチャ

SPI（Serial Peripheral Interface）のマスター/スレーブアーキテクチャは、シリアル通信プロトコルにおいて一般的に使用される通信方式です。このアーキテクチャにおいて、一つのデバイスがマスターとして振る舞い、一つ以上のデバイスがスレーブとして機能します。マスター/スレーブの関係性は、データの送受信における制御権と、通信の初期化をマスターが担う点に特徴があります。

マスター/スレーブの役割

  1. マスターデバイスの役割は、
    • 制御の中心として、 マスターデバイスは通信の開始、維持、終了を制御します。具体的には、クロック信号（SCK）を生成し、スレーブデバイスとのデータ交換を調整します。
    • データ送信の役割として、 マスターはデータをスレーブに送信すると同時に、スレーブからデータを受信することができます。これはMOSI（Master Out Slave In）とMISO（Master In Slave Out）という2つの線を通じて行われます。
    • スレーブ選択の役割として、 複数のスレーブを制御する場合、マスターはSS（Slave Select）ピンを使用して、通信するスレーブを選択します。各スレーブは専用のSSピンに接続されている必要があります。
  2. スレーブデバイスの役割は、
    • 受動的な役割として、 スレーブデバイスはマスターからのクロック信号に同期して動作します。マスターからデータ受信の準備ができている場合にのみ、データを送信することが可能です。
    • データ交換の役割として、 スレーブはマスターからデータを受け取り、またマスターにデータを送り返すことができますが、通信の開始はマスターからの信号に依存します。

アーキテクチャの利点と制限

利点としては以下の3点があげられます。

  1. シンプルな配線
    SPIは比較的少数の配線で複数のデバイスとの高速通信が可能です。
  2. 高速通信
    クロック同期式のため、非常に高速なデータ転送が実現します。
  3. 柔軟なデバイス制御
    マスターが複数のスレーブを個別に制御できるため、複数デバイスが接続された複雑なシステムに適しています。

また、利点だけではなく下記の制約も受けますので注意が必要です。

  1. ディスタンスの制約として、 高速通信の性質上、配線の長さが限られ、デバイス間の距離も短くなければなりません。
  2. スレーブ間の直接通信不可として、すべての通信はマスターを介して行われるため、スレーブ同士の直接通信はできません。

SPIのマスター/スレーブアーキテクチャは、その高速性と効率の良さから、多くのマイクロコントローラや周辺デバイスで広く採用されています。特に、データ転送が頻繁に必要なセンサーやディスプレイ、SDカードなどのアプリケーションで特に有効です。

SPIの通信方式

SPI通信は主に4本の線で構成されます。

  1. MOSI（Master Out Slave In）：マスターからスレーブへのデータ線。
  2. MISO（Master In Slave Out）：スレーブからマスターへのデータ線。
  3. SCK（Serial Clock）：クロック信号をマスターから提供。
  4. SS（Slave Select）：スレーブをアクティブにする選択信号。

データはクロック信号に同期してビット単位でシリアルに送受信されます。これにより、システム内の各デバイスは正確なタイミングでデータを読み取ることができます。

SPIの発祥と必要性

SPIは1980年代にモトローラによって開発されました。この通信手法は、高速で安定したデータ転送を必要とするアプリケーション向けに設計され、特にリアルタイムシステムでの使用が考慮されていました。初期のマイクロプロセッサと周辺デバイス間で効率的にデータを交換する手段として開発されたため、現在でも多くのマイクロコントローラで採用されています。

Arduino UNOでのSPIの利用

Arduino UNOにおいてSPIを利用するための物理的なピン配置は以下の通りです。

  • 11番ピン: MOSI
  • 12番ピン: MISO
  • 13番ピン: SCK
  • 10番ピン: SS（デフォルトのスレーブ選択ピン）

基本的なSPIセットアップと注意点

ArduinoでSPI通信を行うには、SPIライブラリを使用します。セットアップの基本は次のステップで構成されます。

  1. SPIライブラリをインクルードする。
  2. SPI.begin()を呼び出してSPI通信を初期化する。
  3. 必要に応じてクロック速度やデータオーダー、データモードを設定する。

SPI通信のサンプルプログラム

#include <SPI.h>

void setup() {
  SPI.begin(); // SPIを開始
  SPI.setClockDivider(SPI_CLOCK_DIV16); // クロック速度を設定
  pinMode(10, OUTPUT); // SSピンを出力に設定
}

void loop() {
  digitalWrite(10, LOW); // スレーブを選択
  SPI.transfer(0x76); // データを送信
  digitalWrite(10, HIGH); // スレーブを解放
  delay(1000);
}

上記のコードは、Arduino UNOを使ってSPI通信を行う基本的な例です。これを利用することで、センサーデバイスや他のマイクロコントローラとデータをやり取りできます。

SPI通信の速度について

SPI（Serial Peripheral Interface）の通信速度は、使用するハードウェアとその設定によって大きく異なります。SPIはその柔軟性が高く、異なるクロック速度で動作することが可能です。一般的な範囲は数百kHzから数十MHzに及びますが、具体的な速度は次の要因によって決定されます。

  1. マスターデバイスのクロック速度:
    • SPIの通信速度は、マスターデバイスが生成するクロック信号に依存します。このクロックは通常、マスターデバイスのシステムクロックから派生され、プリスケーラ（分周器）を用いて適切な速度に調整されます。
  2. プリスケーラの設定:
    • 多くのマイクロコントローラでは、SPIクロック速度をシステムクロックに対して分割することができます。例えば、Arduino Unoの場合、ATmega328P マイクロコントローラは、システムクロックの2分の1、4分の1、8分の1、16分の1、32分の1、64分の1、128分の1でクロックを設定できます。
  3. スレーブデバイスのクロック容量:
    • スレーブデバイスが処理できるクロックの最大速度も重要な要因です。スレーブデバイスがサポートする最大速度を超えるクロック速度で通信を試みると、データエラーや通信の失敗を引き起こす可能性があります。
  4. 通信距離と環境:
    • 通信するデバイス間の物理的距離と環境も、実際の通信速度に影響を与えます。長距離や高ノイズ環境では、信号の品質が低下するため、低速で通信することが一般的です。

具体的な例

  • 低速アプリケーション: データの信頼性が特に重要なセンサーネットワークでは、数百kHzの速度で通信することが一般的です。
  • 高速アプリケーション: データの高速転送が必要なSDカードや高解像度のディスプレイでは、10MHzを超えるクロック速度で通信されることがあります。

実例

Arduino UnoのSPIクロック速度のデフォルト設定は4MHz（システムクロックの16分の1）ですが、最大で16MHz（システムクロックの等倍）まで設定可能です。ただし、この速度で安定して動作するかどうかは接続するスレーブデバイスの仕様に依存します。

SPIの通信速度の柔軟性は、異なるデバイス間の効率的なデータ転送を可能にするため、幅広いアプリケーションで利用されています。

SPI通信速度をレジスタ操作で設定する方法

SPIの通信速度設定をレジスタで制御する方法についてのサンプルコードを示します。この例では、Arduino環境でATmega328P（Arduino UNOで使用されているマイクロコントローラ）を基にしています。SPI通信で使用するレジスタは、特にSPCR（SPI Control Register）とSPSR（SPI Status Register）が関連します。

SPI通信設定の基本

SPIを設定するためには、以下のステップを行います：

  1. SPIを有効にする。
  2. マスターモードを設定する。
  3. クロック極性と位相を設定する（必要に応じて）。
  4. データオーダーを設定する（MSB先かLSB先か）。
  5. SPIクロックレートを設定する。

レジスタ設定によるSPI初期化

#include <avr/io.h>

void setupSPI() {
  // SPIピンの設定: SCK, MOSI, SSを出力に設定
  DDRB |= (1 << PB5) | (1 << PB3) | (1 << PB2); // Arduinoピン番号: 13 (SCK), 11 (MOSI), 10 (SS)
  DDRB &= ~(1 << PB4); // MISOを入力に設定 (Arduinoピン番号: 12)
  // SPIを有効化し、マスターモードを設定
  // クロックレートを f_osc/16 に設定, SPIモード0 (CPOL = 0, CPHA = 0)
  SPCR = (1 << SPE) | (1 << MSTR) | (1 << SPR0);
  // SPI2X = 0 (2倍速モード無効化)
  SPSR &= ~(1 << SPI2X);
}

void spiTransfer(uint8_t data) {
  SPDR = data; // データをSPIデータレジスタに書き込む
  while (!(SPSR & (1 << SPIF))) ; // 送信完了を待つ
}

void setup() {
  setupSPI();
}

void loop() {
  spiTransfer(0xAA); // テストデータを送信
  delay(1000); // 1秒待つ
}

説明

  • DDRB: デジタルピンのデータ方向を設定するレジスタです。出力か入力かを設定します。
  • SPCR (SPI Control Register):
    • SPE: SPIを有効にするビット。
    • MSTR: マスターモードを設定するビット。
    • SPR0, SPR1: SPIクロックレートを設定するビット。これらのビットの組み合わせでクロック分周数を設定します。
  • SPSR (SPI Status Register):
    • SPI2X: SPIのクロックレートを2倍にするビット。このビットを設定すると、分周率が半分になります。

このコードサンプルは、SPIをマスターモードで初期化し、定期的にデータをスレーブに送信する基本的な動作を示しています。SPIのクロック速度やその他のパラメータは、アプリケーションの要件に応じて調整可能です。

SPIが使用される現代の応用事例

現在、SPIはLCDディスプレイ、SDカード、センサーモジュール、さらには他のマイクロコントローラとの高速なデータ通信に広く使用されています。その高速性と信頼性の高さから、産業機器、消費者向けエレクトロニクス、自動車産業など多岐にわたる分野で利用されています。

まとめと今後の見通し

SPI通信技術はそのシンプルさと高いパフォーマンスにより、今後も多くのデジタルデバイス間で重要な役割を果たし続けるでしょう。特にIoT（Internet of Things）デバイスの増加に伴い、効率的な通信プロトコルの需要はさらに高まると予想されます。Arduino UNOを始めとするマイクロコントローラのSPI実装は、この技術を理解し利用するための優れたプラットフォームを提供します。

参考文献

この記事の作成にあたり、以下のリソースを参考にしました。

  • Arduino公式ドキュメント
  • “Mastering Microcontrollers Helped by Arduino” by Clementoni
  • Various technical blogs and forums discussing SPI communication

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