Comunicaciones SPI
SPI es un protocolo alternativo a I2C que utilizan muchos dispositivos. Hoy en día es frecuente encontrar dispositivos que implementan tanto I2C como SPI.
La elección de cuál utilizar depende de la aplicación:
- I2C utiliza menos pines y permite direccionar muchos más dispositivos.
- SPI utiliza más pines pero permite una velocidad muy superior.
Al igual que I2C es un protocolo serie, pero la dirección de los dispositivos no se transmite por el canal de datos sino que se utilizan patas específicas para seleccionarlos. Al igual que en I2C hay un maestro que toma el rol activo en la comunicación y uno o varios esclavos que asumen el rol pasivo.
Casa interfaz SPI cuenta con al menos cuatro patas:
- SCLK (Serial CLocK). Señal de reloj respecto a la que se sincronizan el resto de las señales.
- MISO (Master In, Slave Out). Entrada de datos para el maestro, salida de datos para el esclavo.
- MOSI (Master Out, Slave In). Salida de datos para el maestro, entrada de datos para el esclavo.
- CEn (Chip Enable). Una o varias señales de selección de destino activas a nivel bajo. Para enviar o recibir del dispositivo cero se activa la señal CE0, para el dispositivo uno se activa CE1, etc.
En la Raspberry Pi disponemos de tres periféricos independientes para implementar el modo esclavo y el maestro. El modo esclavo lo incorpora en el mismo BSI (Broadcom Serial Interface) que implementa también el esclavo de I2C. En el taller veremos el modo maestro, que tiene mucho más interés práctico.
La Raspberry Pi cuenta con tres interfaces maestro SPI (SPI0, SPI1 y SPI2) aunque solo una de ellas (SPI0) es visible para los modelos originales y dos de ellas (SPI0 y SPI1) para los modelos con conector J8 de 40 pines. Cada una de estas interfaces cuenta con dos líneas de selección de destino (CE0 y CE1). De ellas SPI0 es más evolucionada, puesto que permite DMA (acceso directo a memoria). SPI0 está diseñada para transferencias de alta velocidad (reloj de hasta 125Mhz) sin producir una carga significativa para el procesador. Sin embargo SPI1 no tiene posibilidad de usar DMA y solo dispone de una pequeña FIFO de cuatro palabras de 32 bits.
El kit del alumno dispone de un conversor analógico-digital con interfaz SPI CJMCU-1118, que incorpora el Texas Instruments ADS1118. Se trata de un conversor analógico-digital de 16 bits con amplificador de ganancia programable y con un sensor de temperatura. Puede medir cuatro señales analógicas referidas a masa o dos señales analógicas diferenciales. Vamos a ilustrar el uso de SPI con este módulo.
Para ello tendremos que estudiar bien su hoja de datos antes de trabajar con él. De momento para familiarizarnos con el dispositivo conectaremos un potenciómetro de 10K como muestra la figura.
Para comunicarnos con un dispositivo SPI tenemos que configurar primero una serie de parámetros:
- La polaridad de la señal chip select (CSPOL). Normalmente es activa a nivel bajo y no necesita modificarse.
- La polaridad del reloj (CPOL). Un valor 0 significa que el nivel de descanso del reloj es bajo. Un valor 1 significa que el nivel de descanso del reloj es alto.
- La fase del relok (CPHA). Si tiene un valor 0 significa que las transiciones de SCLK ocurren en la mitad de cada bit de datos transmitido. Un valor 1 significa que las transiciones de SCLK ocurren al principio de cada bit.
- Frecuencia del reloj. Se configura seleccionando una fuente de reloj y un divisor (CDIV). La fuente de reloj normalmente es de 125MHz.
Las diferentes combinaciones de CPOL y CPHA dan lugar a los cuatro modos posibles:
| Modo | CPOL | CPHA |
|---|---|---|
| 0 | 0 | 0 |
| 1 | 0 | 1 |
| 2 | 1 | 0 |
| 3 | 1 | 1 |
De la hoja de datos del ADS1118 podemos ver que el dispositivo es compatible con el modo 1 (CPOL=0, CPHA=1), la polaridad de CE es también activa baja y admite un reloj de hasta 4MHz.
Para interactuar con él vamos a usar las herramientas incluidas en la
biblioteca pigpio. En particular usaremos pigpiod y su interfaz
de órdenes pigs.
Primero ejecutamos el servidor pigpiod:
pi@raspberrypi:~ $ sudo pigpiod
pi@raspberrypi:~ $ ▂
Utilizamos sudo para que se ejecute con permisos de superusuario.
Se llama servidor porque atiende peticiones de los clientes. Por sí
mismo no hace nada, sino que espera a que un cliente le solicite
operaciones concretas.
El cliente se llama pigs y puede ejecutarse como usuario normal.
Por ejemplo:
pi@raspberrypi:~ $ pigs help
...
pi@raspberrypi:~ $ ▂
La lista de órdenes que admite es muy larga, pero nos quedaremos con las relativas a SPI:
Orden |
Significado |
|---|---|
spio c b f |
Abre el canal SPI c usando un reloj de frecuencia b y con las banderas especificadas en f. Devuelve un número (handle) que debe usarse en todas las demás órdenes. |
spir h num |
Lee num bytes del canal SPI asociado al handle h. |
spiw h bvs |
Escribe bytes en el canal SPI asociado al handle h. |
spix h bvs |
Escribe bytes en el canal SPI asociado al handle h y a la vez recibe el mismo número de bytes por el mismo canal. |
spic h |
Cierra el canal SPI asociado al handle h. |
La orden spio tiene un parámetro f que corresponde a una serie de
banderas (flags) de configuración, que siguen el siguiente formato
de 22 bits:
| 21-16 | 15 | 14 | 13-10 | 9 | 8 | 7-5 | 4-2 | 1-0 |
|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
| bbbbbb | R | T | nnnn | W | A | uuu | ppp | mm |
Donde cada uno de los campos significa lo siguiente:
| Campo | Significado |
|---|---|
| mm | Modo SPI. |
| ppp | Polaridad de CEi. 0 = activa baja, 1 = activa alta. |
| uuu | Uso de CEi. 0 = se usa, 1 = no se usa. |
| A | SPI auxiliar. 0 = SPI normal, 1 = SPI auxiliar. |
| W | Número de cables. 0 = 4 cables (normal), 1 = 3 cables. |
| nnnn | Número de bytes a escribir antes de cambiar MOSI a MISO (solo para W = 1). |
| T | Orden de bits transmitidos. 0 = MSb primero, 1 = LSb primero. |
| R | Orden de bits recibidos. 0 = MSb primero, 1 = LSb primero. |
| bbbbbb | Tamaño de palabra en bits (0-32). 0 = 8 bits. Solo para SPI auxiliar. |
Tenemos suerte porque la mayoría de los parámetros por defecto corresponden a los valores que necesita el módulo CJMCU-1118. Tan solo hay que cambiar el modo SPI.
pi@raspberrypi:~ $ pigs spio 0 4000000 1
0
pi@raspberrypi:~ $ ▂
Ahora tenemos que configurar el módulo con las entradas referidas a masa, en modo continuo a 128 SPS y con rango de medida (FSR) de ±2.048V. El ADS1118 escribe su configuración a la vez que lee datos. Si no se desea escribir el registro de configuración simplemente hay que escribir ceros. Este es el formato del registro de configuración:
| 15 | 14-12 | 11-9 | 8 | 7-5 | 4 | 3 | 2-0 |
|---|---|---|---|---|---|---|---|
| SS | MUX | PGA | MODE | DR | TS_MODE | PU | NOP |
Donde cada campo corresponde a lo siguiente:
| Campo | Significado |
|---|---|
| SS | A 1 para empezar una conversión cuando está en modo single shot. |
| MUX | Configura el multiplexor de la entrada de conversor. Para señales referidas a masa es 1xx con xx correspondiente a la entrada que se desea. |
| PGA | Define el rango a plena escala del amplificador de ganancia programable. 000 para ±6.144V, 001 para ±4.096V, 010 para ±2.048V, 011 para ±1.024V, 100 para ±0.512V y el resto para ±0.256V. |
| MODE | 0 para modo continuo, 1 para modo single shot. |
| DR | Tasa de muestreo. Desde 8 hasta 860 SPS. 8·2ⁿ SPS. |
| TS_MODE | 0 = Modo ADC, 1 = modo sensor de temperatura. |
| PU | Habilita pull-up en DOUT. |
| NOP | Siempre xx1. 011 = Actualizar registro de configuración. |
En nuestro caso escribimos 0100 0100 1000 1011.
pi@raspberrypi:~ $ pigs spix 0 0x44 0x8b 0x44 0x8b
4 0 0 68 139
pi@raspberrypi:~ $ ▂
Para leer el valor del potenciómetro basta volver a repetir la orden pero en este caso no es necesario enviar un registro de control válido.
pi@raspberrypi:~ $ pigs spix 0 0 0 0 0
4 75 230 68 139
pi@raspberrypi:~ $ ▂
Enviando cuatro octetos devuelve cuatro octetos: la última muestra y un eco del registro de control.
Para interpretar la muestra hay que imprimir los dos primeros octetos como un número de 16 bits en complemento a 2 y multiplicar el resultado por los voltios que suponen cada bit (rango a plena escala dividido por el valor máximo, es decir, 2.048/32768).
pi@raspberrypi:~ $ V=$(printf "0x%02x%02x" 75 230)
pi@raspberrypi:~ $ echo "$(($V))/32768*2.048" | bc -l
1.21437500000000000000
pi@raspberrypi:~ $ ▂
Con el programa printf podemos imprimir valores de forma similar a
como lo hace la función printf de C. El operador $(orden) de la
shell simplemente devuelve la salida estándar de la orden que
encierra. En este caso la utilizamos para meter la muestra en
hexadecimal en la variable V. A continuación usamos el operador
$((expr)) de la shell para transformar ese número hexadecimal en
decimal y componemos una expresión que es calculada por bc.