¿Qué es una interfaz SPI en Arduino?

¿Alguna vez te has preguntado qué significa SPI y por qué es tan importante para la plataforma Arduino? Si es así, no estás solo. SPI, que significa Serial Peripheral Interface, es un elemento clave al trabajar con placas Arduino. Permite al usuario conectar varios dispositivos externos como sensores y pantallas a una placa Arduino; Básicamente, es todo lo que necesitas para controlar esos dispositivos. Esta publicación de blog explorará qué es SPI y por qué es importante para la plataforma Arduino.

¿Qué es la interfaz periférica serie (SPI)?

La interfaz periférica serie (SPI) es un protocolo de comunicación serie desarrollado por Motorola en la década de 1980. Este tipo de protocolo permite que los dispositivos se comuniquen entre sí a alta velocidad y con baja complejidad de cableado. El SPI utiliza una arquitectura maestro-esclavo, lo que significa que un dispositivo inicia el intercambio de datos entre los dos dispositivos conectados. Se utiliza para comunicaciones de alta velocidad y corta distancia entre circuitos integrados en una sola placa PCB o en distancias cortas a través de cables.

SPI utiliza cuatro líneas de señal: Salida maestra Entrada esclava (MOSI), Entrada maestra Salida esclava (MISO), Reloj serie (SCK) y Selección de esclavo (SS). MOSI transmite datos del maestro al esclavo mientras que MISO transmite datos del esclavo al maestro. SCK transmite información de reloj entre los dos dispositivos y SS se utiliza como señal de habilitación para comenzar la comunicación.

En conclusión, SPI proporciona una solución confiable y rentable para la comunicación de alta velocidad entre circuitos integrados en una PCB o en distancias cortas a través de cables. Ofrece una implementación sencilla y rápida y requiere sólo cuatro conexiones de cables de señal. Esto lo convierte en una opción popular para los desarrolladores de sistemas integrados. [1].

Partes de una red SPI

Dispositivo maestro SPI

El dispositivo maestro es el que suministra señales de reloj e inicia cualquier comunicación. También controla todas las transferencias de datos en el bus, incluido el inicio de la transmisión de datos desde dispositivos esclavos a sí mismo o desde sí mismo a un dispositivo esclavo. El dispositivo maestro determina cuándo y qué dispositivos esclavos participarán en las transacciones.

Dispositivos esclavos SPI

Los dispositivos esclavos están conectados a la red SPI a través de sus pines SS (selección de esclavo) dedicados. Siempre que sea necesario acceder a un esclavo en particular, el dispositivo maestro debe activar su pin SS correspondiente antes de iniciar la comunicación. Esto permite conectar varios esclavos al mismo bus, pero solo uno puede interactuar a la vez mientras que otros permanecen inactivos hasta que el dispositivo maestro los seleccione. Además, puede haber ocasiones en las que no se seleccione ningún esclavo y el dispositivo maestro se comunique solo consigo mismo.

Reloj SPI

La señal de reloj es generada por el dispositivo maestro y controla cuándo se pueden enviar datos en el bus. Esto permite que todos los dispositivos conectados a la red sincronicen sus actividades y se comuniquen adecuadamente entre sí. La velocidad a la que oscila esta señal de reloj está determinada por dos parámetros: su frecuencia (el número de pulsos por segundo) y su ciclo de trabajo (la relación entre pulsos altos y bajos).

MOSI (Master Out Slave In)

Esta línea conecta el dispositivo maestro con todos los dispositivos esclavos de la red. Siempre que es necesario transmitir un byte desde el maestro a uno o más esclavos, lo envía a través de esta línea. Los datos enviados a través de esta línea pueden ser leídos por todos los dispositivos esclavos, aunque solo el que esté seleccionado responderá.

MISO (Maestro en esclavo fuera)

Esta línea conecta todos los esclavos de la red al dispositivo maestro. Siempre que es necesario enviar un byte desde un dispositivo esclavo al maestro, esto se hace a través de esta línea. Los datos enviados a través de esta línea solo pueden ser leídos por el dispositivo maestro y ningún otro esclavo.

Pines SS (selección de esclavo)

Para cada dispositivo esclavo conectado a la red también debe haber un pin SS que se utiliza para seleccionar ese esclavo en particular cuando se necesita comunicación entre él y el maestro. Cuando está activo (alto), este pin indica que un esclavo específico debe prepararse para una transacción. Cuando está inactivo (bajo), todos los dispositivos esclavos de la red ignorarán cualquier dato que les envíe el dispositivo maestro.

Autobús SPI

El bus SPI es donde todas estas señales se conectan y se comunican entre sí. Todos los dispositivos conectados a la red deben poder leer y escribir en las mismas líneas para que se produzca la comunicación entre ellos. La señal de reloj generada por el dispositivo maestro determina cuándo se pueden enviar datos a través de este bus para que todos los dispositivos permanezcan sincronizados y la comunicación se mantenga fluida. [2].

Cómo programar Arduino para comunicación SPI

Paso 1. Conecte la placa Arduino

Conecte los pines SPI (MISO, MOSI, SCK y SS) de la placa Arduino a los puertos apropiados de su dispositivo externo. Si estás usando un Arduino Uno o Duemilanove como maestro, estos pines serán digitales 13 (MISO), 11 (MOSI), 12 (SCK) y 10 (SS).

Paso 2. Configurar el software

Abra el software IDE para su placa Arduino. Esto se puede descargar gratis desde arduino.cc/en/Main/Software. Seleccione su tipo de placa Arduino en Herramientas > Placa, luego configure cualquier otra configuración de software necesaria, como el puerto serie o el puerto USB.

Paso 3. Codifique su programa

Escriba un programa para comunicarse entre su placa Arduino y el dispositivo externo. Esto implicará configurar la relación Maestro/Esclavo, definir cuántos bytes se leen o escriben en cada transacción, así como cualquier otra configuración personalizada que pueda necesitar para su proyecto.

Paso 4. Cargue el código en la placa Arduino

Una vez que hayas terminado de codificar, cárgalo en tu placa Arduino a través del puerto USB o la conexión serie. El código debería comenzar a ejecutarse por sí solo cuando la carga se realice correctamente.

Paso 5. Pruebe su programa

Pruebe que su programa esté funcionando correctamente leyendo y escribiendo datos entre los dos dispositivos mediante comunicación SPI. Asegúrese de verificar ambas direcciones de comunicación (enviar y recibir) para asegurarse de que todo funcione correctamente.

Paso 6. Haga los ajustes necesarios

Si hay algún problema con la comunicación SPI, realice los ajustes necesarios en su código. Es posible que deba modificar la configuración de sincronización o cambiar el protocolo para que funcione correctamente con su dispositivo externo. Después de realizar cambios, vuelva a cargar y pruebe nuevamente hasta obtener los resultados deseados.

Una vez que todo funcione correctamente, debería poder utilizar con éxito la comunicación SPI en su placa Arduino. [3]!

Configuración de pines SPI en Arduino Uno

En Arduino Uno, la interfaz periférica serie está conectada a los pines digitales 10 (SS), 11 (MOSI), 12 (MISO) y 13 (SCK). Cada pin juega un papel importante en el envío y recepción de datos en la red SPI.

El pin SPI Slave Select (SS) se utiliza para seleccionar entre varios esclavos en un solo bus. Por lo general, se mantiene en un nivel lógico alto cuando no está en uso, pero puede bajar durante la comunicación con un dispositivo esclavo. El pin de entrada maestra de salida esclava (MOSI) se utiliza para enviar datos desde el dispositivo maestro a los dispositivos esclavos. El pin Maestro de entrada y salida de esclavo (MISO) se utiliza para recibir datos de uno de los dispositivos esclavos. Finalmente, el pin Serial Clock (SCK) proporciona una señal de reloj para mantener todos los esclavos sincronizados con el dispositivo maestro.

Los pines SPI en Arduino Uno son ideales para conectar múltiples dispositivos esclavos, permitiendo la comunicación simultánea entre el maestro y múltiples esclavos. Esto puede resultar útil en aplicaciones como adquisición de datos o sistemas de automatización industrial donde varios sensores o periféricos necesitan comunicarse con un solo controlador.

Con su interfaz versátil y compatibilidad con una amplia gama de dispositivos periféricos, SPI es uno de los protocolos digitales más utilizados en la actualidad. La adición de estos cuatro pines en Arduino Uno facilita la conexión de su placa a otros dispositivos y pone su proyecto en funcionamiento rápidamente.

SPI en configuración maestro-esclavo

En una configuración maestro-esclavo, SPI se utiliza para establecer comunicación entre dos dispositivos. El dispositivo maestro inicia la comunicación y controla la señal de reloj que ambos dispositivos utilizan para sincronizar su intercambio de datos. El dispositivo esclavo recibe comandos del maestro y puede enviar y recibir datos según lo solicite el maestro.

Normalmente, cada dispositivo tiene dos cables para la transmisión de datos: una línea de entrada (MISO) y una línea de salida (MOSI). Dependiendo de su aplicación particular, es posible que también necesite un pin de selección de chip (CS) o SS separado para cada dispositivo para que se comuniquen correctamente.

La velocidad a la que se transfieren los datos a través de estas líneas depende de qué tan rápido esté funcionando la señal del reloj. Cuando se utiliza SPI en una configuración maestro-esclavo, el dispositivo maestro es responsable de configurar la velocidad del reloj SPI.

En general, SPI en una configuración maestro-esclavo proporciona un método de comunicación simple y confiable entre dos dispositivos con requisitos mínimos de cableado. Al controlar la frecuencia del reloj y las líneas de selección de chip, los datos se pueden transferir de manera rápida y confiable entre dos microcontroladores o periféricos.

Preguntas más frecuentes

¿Para qué se utiliza la interfaz SPI?

La interfaz periférica serie (SPI) es una interfaz utilizada para comunicarse entre dispositivos, como microcontroladores y dispositivos periféricos. Es un protocolo de comunicación en serie síncrono que permite la comunicación full-duplex utilizando cuatro líneas de señal: el reloj (SCK), Master Out Slave In (MOSI), Master In Slave Out (MISO) y selección de chip (CS). La interfaz SPI permite velocidades de transferencia de datos rápidas, ya que la transmisión de datos se sincroniza mediante la línea de reloj. Además, admite múltiples dispositivos esclavos en un solo bus, de modo que un maestro puede direccionar varios esclavos a la vez.

¿Cuáles son las ventajas de utilizar SPI?

Una ventaja de utilizar SPI sobre otros protocolos de comunicación es su velocidad. Dado que los datos se envían y reciben simultáneamente, no hay necesidad de paquetes confirmados ni otros retrasos en la transmisión de datos. Esto permite rendimientos muy altos cuando se comunica con múltiples dispositivos. Además, SPI utiliza menos líneas de señal que otros protocolos como I2C, lo que facilita la conexión de dispositivos sin tener que preocuparse por enrutar varios cables adicionales. Finalmente, SPI es un protocolo más robusto que otros ya que no depende de características eléctricas específicas como el acoplamiento capacitivo o la detección óptica. Esto lo hace menos susceptible a interferencias de fuentes externas.

¿Cuáles son las desventajas de utilizar SPI?

Una desventaja de utilizar SPI es que requiere una sincronización precisa entre el dispositivo maestro y el esclavo. Si la frecuencia del reloj es demasiado baja, la velocidad de transferencia de datos se reducirá significativamente y si la frecuencia del reloj es demasiado alta, se pueden producir errores de datos. Además, debido a su baja flexibilidad, SPI no puede admitir funciones de arbitraje o detección de colisiones como otros protocolos como I2C. Finalmente, debido a que utiliza cuatro líneas de señal, el enrutamiento puede volverse demasiado complejo al conectar varios dispositivos juntos.

¿En qué situaciones debería utilizar SPI?

SPI es más adecuado para aplicaciones que requieren altas velocidades y gastos generales mínimos. Un ejemplo típico sería conectar un microcontrolador a un dispositivo de memoria externo como un chip SRAM o Flash. Las rápidas velocidades de transferencia de datos de SPI lo hacen ideal para transferir grandes bloques de datos en poco tiempo. Además, dado que solo se requieren cuatro líneas de señal, existe menos complejidad al cablear varios dispositivos juntos. Finalmente, la solidez de SPI lo hace adecuado para entornos donde otros protocolos de comunicación podrían verse afectados por interferencias externas.

¿Cuál es la diferencia entre SPI e I2C Arduino?

La principal diferencia entre SPI e I2C es la cantidad de líneas de señal necesarias para la comunicación. SPI requiere cuatro líneas de señal (reloj, MOSI, MISO y selección de chip), mientras que I2C solo requiere dos (reloj y datos). Esto simplifica el cableado de dispositivos cuando se utiliza I2C, ya que se necesitan menos cables. Además, I2C admite funciones como el arbitraje y la detección de colisiones que pueden usarse para controlar el acceso a recursos compartidos en un bus. Finalmente, dado que utiliza menos líneas de señal que SPI, I2C es más susceptible a interferencias de fuentes externas debido a su menor robustez.

¿Cuál es un ejemplo de una interfaz SPI?

El ejemplo más común de una interfaz SPI es el bus de interfaz periférica serie (bus SPI). Este es un protocolo de comunicación en serie síncrono que se utiliza para conectar microcontroladores con dispositivos periféricos como chips SRAM y EEPROM. El bus SPI utiliza cuatro líneas de señal; la línea de reloj (SCK), Master Out Slave In (MOSI), Master In Slave Out (MISO) y selección de chip (CS). Las líneas MOSI y MISO se utilizan para la transmisión de datos, mientras que SCK proporciona sincronización entre el dispositivo maestro y esclavo.

¿Qué es el pin SPI Arduino Uno?

El Arduino Uno tiene seis pines que están conectados a la interfaz SPI integrada. Estos están etiquetados de la siguiente manera: SCK (pin 13), MISO (pin 12), MOSI (pin 11) y líneas de selección de chip 0 a 3 (pines 10, 9, 8 y 7 respectivamente). Las líneas de selección de chip se pueden utilizar para direccionar múltiples dispositivos esclavos en un solo bus, mientras que los otros tres pines forman las líneas de transmisión de datos.

¿Qué es el pin SPI?

El pin SPI es la conexión física entre dos dispositivos que utilizan el protocolo de interfaz periférica serie (SPI). Normalmente, se utilizan cuatro pines para la comunicación; la línea de reloj (SCK), Master Out Slave In (MOSI), Master In Slave Out (MISO) y selección de chip (CS). El SCK proporciona sincronización de tiempo entre el dispositivo maestro y esclavo mientras que las líneas MOSI y MISO se utilizan para enviar y recibir datos respectivamente. La línea CS se utiliza para direccionar varios esclavos en un único bus.

¿Qué es el reloj SPI?

El reloj SPI, también conocido como SCK o SCLK, es una salida de un dispositivo maestro que sincroniza la transmisión de datos con un dispositivo esclavo. El reloj lo genera el dispositivo maestro y lo envía al esclavo para indicar cuándo se deben transmitir o recibir datos. La frecuencia del reloj SPI determina qué tan rápido se pueden intercambiar datos entre los dos dispositivos, y las frecuencias más altas dan como resultado tiempos de transmisión más rápidos.

¿Qué es un autobús SPI?

El bus de interfaz periférica serie (SPI) es un protocolo de comunicación serie síncrono que se utiliza para conectar microcontroladores con dispositivos periféricos como chips SRAM y EEPROM. Utiliza cuatro líneas de señal; la línea de reloj (SCK), Master Out Slave In (MOSI), Master In Slave Out (MISO) y selección de chip (CS). El SCK proporciona sincronización de tiempo mientras que MOSI y MISO se utilizan para la transmisión de datos. La línea CS se utiliza para direccionar varios esclavos en un único bus, de modo que un maestro pueda direccionar varios dispositivos a la vez.

¿Por qué se puede utilizar SPI para conectar varios dispositivos?

SPI se puede utilizar para conectar varios dispositivos porque utiliza la línea de selección de chip (CS) que permite que un solo maestro direccione varios esclavos en el mismo bus. Esto se hace configurando diferentes pines CS en nivel bajo o alto para seleccionar con qué dispositivo se comunicará el maestro. Además, dado que solo se necesitan cuatro líneas de señal para la comunicación y las velocidades de transferencia de datos son relativamente rápidas, conectar varios dispositivos entre sí es más sencillo que con otros protocolos de comunicación.

¿Cuál es un ejemplo de una aplicación que utiliza SPI?

Un ejemplo común de una aplicación que utiliza SPI es conectar un microcontrolador a un dispositivo de memoria externo como un chip SRAM o Flash. Las rápidas velocidades de transferencia de datos de SPI lo hacen ideal para transferir grandes bloques de datos en un corto período de tiempo, por lo que a menudo se usa en aplicaciones donde se requiere una sobrecarga mínima. Además, dado que solo se necesitan cuatro líneas de señal, existe menos complejidad al cablear varios dispositivos juntos. Finalmente, la solidez de SPI lo hace adecuado para entornos donde otros protocolos de comunicación podrían verse afectados por interferencias externas.

Vídeo útil: Pantallas OLED con Arduino – OLED I2C y SPI

Párrafo de conclusión

La interfaz periférica serie (SPI) es un protocolo de comunicación serie síncrono que se utiliza para conectar microcontroladores con dispositivos periféricos como chips SRAM y EEPROM. Requiere solo cuatro líneas de señal (reloj, MOSI, MISO y selección de chip), lo que simplifica el cableado de varios dispositivos. Además, las rápidas velocidades de transferencia de datos de SPI lo hacen ideal para transferir grandes bloques de datos en poco tiempo. Finalmente, la solidez de SPI lo hace adecuado para entornos donde otros protocolos de comunicación podrían verse afectados por interferencias externas. Todos estos factores hacen de SPI una opción atractiva para conectar microcontroladores a dispositivos periféricos.

Referencias

1. https://www.techtarget.com/whatis/definition/serial-peripheral-interface-SPI#
2. https://www.analog.com/en/analog-dialogue/articles/introduction-to-spi-interface.html
3. https://www.circuitbasics.com/how-to-set-up-spi-communication-for-arduino/