SPI คืออะไร ? รู้จักโปรโตคอลสื่อสารบน Microcontroller อีกตัวที่มีประสิทธิภาพสูง !

Serial Peripheral Interfac (SPI) คืออะไร ?

SPI หรือ Serial Peripheral Interface เป็นหนึ่งใน โปรโตคอล (Protocol) การสื่อสารที่สำคัญสำหรับการเชื่อมต่ออุปกรณ์ต่าง ๆ เข้ากับไมโครคอนโทรลเลอร์ (MCU) เช่น เซนเซอร์, หน้าจอแสดงผล (Monitor) , หรือ หน่วยความจำภายนอก ด้วยความสามารถในการส่งข้อมูลได้อย่างรวดเร็ว และมีความเสถียร SPI จึงเป็นที่นิยมใช้งานในระบบที่ต้องการการส่งข้อมูลแบบความเร็วสูง ไม่ว่าจะเป็นในโปรเจกต์ Internet of Things (IoT) , ระบบอัตโนมัติ หรืออุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์อื่น ๆ

ในบทความนี้จะพาทุกคนไปรู้จักกับ SPI ตั้งแต่ความหมาย, หลักการทำงาน, ประเภท, ข้อดีข้อเสีย และการนำไปใช้งานจริง เพื่อให้ทุกคนเข้าใจ SPI ได้มากขึ้นกว่าเดิมตามมาอ่านกันเลย ...

SPI คืออะไร ? (What is SPI ?)

SPI หรือ Serial Peripheral Interface เป็นโปรโตคอลการสื่อสารที่ใช้ในการแลกเปลี่ยนข้อมูลระหว่าง ไมโครคอนโทรลเลอร์ (MCU) , เซนเซอร์ และอุปกรณ์เสริมต่าง ๆ ซึ่งทำหน้าที่เหมือนภาษาที่อุปกรณ์ทั้งหมดสามารถเข้าใจร่วมกันได้ โดยพื้นฐานแล้ว SPI จะใช้สายสัญญาณ 4 เส้นในการสื่อสาร ได้แก่ MOSI (Master Out Slave In), MISO (Master In Slave Out), SCK (Serial Clock) และ SS (Slave Select) ซึ่งเปรียบเสมือนถนนที่ข้อมูลเดินทางไปมา

ภาพจาก : https://www.electronicwings.com/avr-atmega/atmega1632-spi

SPI มีจุดเด่นที่ความเร็ว และประสิทธิภาพสูง เนื่องจากไม่ต้องใช้โครงสร้างระบุที่ซับซ้อนเหมือนโปรโตคอลอื่น ๆ เช่น I2C ทำให้การสื่อสารระหว่างอุปกรณ์เป็นไปอย่างรวดเร็ว

SPI ทำงานอย่างไร ? (How does a SPI work ?)

SPI ใช้สายสัญญาณ 4 เส้นในการสื่อสาร ได้แก่ MOSI (Master Out Slave In), MISO (Master In Slave Out), SCK (Serial Clock), และ SS (Slave Select) โดยแต่ละสายก็มีหน้าที่ดังนี้

• MOSI และ MISO : สาย MOSI ส่งข้อมูลจากอุปกรณ์หลัก (Master) ไปยังอุปกรณ์รอง (Slave) ส่วนสาย MISO ส่งข้อมูลกลับจากอุปกรณ์รองไปยังอุปกรณ์หลัก
• SCK : สายสัญญาณนาฬิกาที่อุปกรณ์หลักใช้เพื่อบอกอุปกรณ์รองว่าเมื่อไรต้อง ส่ง หรือรับข้อมูล
• SS : สายที่ใช้เลือกอุปกรณ์รองตัวใดก็ตามที่ต้องการสื่อสาร

โดยการทำงานของ SPI มีขั้นตอนดังนี้

ภาพจาก : https://www.youtube.com/watch?v=0nVNwozXsIc

1. การเริ่มต้นการสื่อสาร

อุปกรณ์หลัก (Master) จะเริ่มการสื่อสารโดยการตั้งค่าพารามิเตอร์ต่าง ๆ เช่น ความเร็วของสัญญาณนาฬิกา, รูปแบบของข้อมูล และการเลือกขา Chip Select (CS) ที่ใช้ในการสื่อสาร

2. เลือกอุปกรณ์รอง

อุปกรณ์หลักจะเลือกอุปกรณ์รอง (Slave) ที่ต้องการสื่อสารด้วยการเปิดใช้งานขา Chip Select (SS) ที่เชื่อมต่อกับอุปกรณ์นั้น

3. ส่งสัญญาณนาฬิกา

อุปกรณ์หลักสร้างสัญญาณนาฬิกา (SCK) เพื่อกำหนดจังหวะการรับ-ส่งข้อมูลระหว่างตัวเอง และอุปกรณ์รองที่ถูกเลือก

4. การส่งข้อมูลจากอุปกรณ์หลักไปยังอุปกรณ์รอง

อุปกรณ์หลักส่งข้อมูลแบบบิตต่อบิตผ่านสาย Master Out Slave In (MOSI) โดยข้อมูลแต่ละบิตจะถูกซิงโครไนซ์ (Synchronize) กับสัญญาณนาฬิกา

5. การรับข้อมูลจากอุปกรณ์รองไปยังอุปกรณ์หลัก

ขณะเดียวกัน อุปกรณ์รองจะรับข้อมูลผ่านสาย MOSI และสามารถส่งข้อมูลกลับไปยังอุปกรณ์หลักผ่านสาย Master In Slave Out (MISO) ได้พร้อมกัน

6. การแลกเปลี่ยนข้อมูล

ทั้งอุปกรณ์หลัก และอุปกรณ์รองสามารถส่ง และรับข้อมูลในเวลาเดียวกัน (Full-Duplex) ทำให้การสื่อสารรวดเร็วและมีประสิทธิภาพ

7. สิ้นสุดการสื่อสาร

เมื่อการแลกเปลี่ยนข้อมูลเสร็จสิ้น อุปกรณ์หลักจะยกเลิกการเลือกขา Chip Select เพื่อสิ้นสุดการสื่อสารกับอุปกรณ์รอง

ภาพจาก : https://iot-kmutnb.github.io/blogs/arduino/arduino-spi-master-slave/

การปรับตั้งค่าของ SPI (SPI Configurations)

การตั้งค่า SPI ประกอบด้วยหลายพารามิเตอร์ที่สามารถปรับเปลี่ยนได้ เพื่อให้สามารถควบคุมการทำงานของการสื่อสาร SPI ให้เหมาะสมกับการใช้งานที่ต้องการ

1. ความนิ่งของสัญญาณนาฬิกา (CPOL)

กำหนดสถานะของสัญญาณนาฬิกาเมื่อไม่ได้ใช้งาน โดยเลือกได้ว่าจะให้นาฬิกานิ่งอยู่ที่ระดับสูง (CPOL=1) หรือระดับต่ำ (CPOL=0) อุปกรณ์ทั้งสองต้องตั้งค่าให้ตรงกันเพื่อให้การสื่อสารเป็นไปอย่างราบรื่น

2. เฟสของสัญญาณนาฬิกา (CPHA)

ระบุช่วงเวลาที่ข้อมูลจะถูกเก็บ และเลื่อนในแต่ละรอบของสัญญาณนาฬิกา โดยสามารถตั้งค่าให้เก็บข้อมูลที่ขอบแรก (CPHA=0) หรือขอบหลัง (CPHA=1) ของสัญญาณนาฬิกาได้

ภาพจาก : https://stackoverflow.com/questions/73699021/understanding-spi-cpol-and-cpha

3. ลำดับการส่งบิต

กำหนดว่าจะส่งบิตที่สำคัญที่สุด (MSB) หรือบิตที่สำคัญน้อยที่สุด (LSB) ก่อน อุปกรณ์ที่สื่อสารกันต้องตั้งค่าให้ตรงกันเพื่อให้เข้าใจข้อมูลที่ส่งไปมาได้ถูกต้อง

4. ความเร็วของสัญญาณนาฬิกา

ระบุอัตราความถี่ของสัญญาณนาฬิกาที่ใช้ในการสื่อสาร SPI โดยปกติจะวัดเป็นเฮิรตซ์ (Hz) สามารถปรับเปลี่ยนได้เพื่อให้ตรงกับข้อกำหนดเวลาในการสื่อสารของอุปกรณ์

5. รูปแบบของข้อมูล

กำหนดขนาด และรูปแบบของข้อมูลแต่ละเฟรมที่ส่งผ่าน SPI รวมถึงจำนวนบิตต่อเฟรม และการตั้งค่าเพิ่มเติมอื่น ๆ

6. การตั้งค่าการเลือกอุปกรณ์

SPI มีขาเลือกอุปกรณ์หลายขา เพื่อให้อุปกรณ์หลักเลือกอุปกรณ์รองสำหรับการสื่อสาร การตั้งค่านี้จะกำหนดวิธีการเปิด และปิดการใช้งานขาเลือกอุปกรณ์ในระหว่างการส่งข้อมูล

7. โหมดการสื่อสารแบบ Full-Duplex หรือ Half-Duplex

 SPI รองรับการสื่อสารทั้งแบบ Full-Duplex (สามารถส่ง และรับข้อมูลพร้อมกัน) และ Half-Duplex (สลับระหว่างการส่ง และรับข้อมูล)

ภาพจาก : https://www.comms-express.com/infozone/article/half-full-Duplex/

8. การจัดการข้อผิดพลาด และการซิงโครไนซ์สัญญาณนาฬิกา

SPI สามารถตั้งค่าให้มีระบบตรวจจับข้อผิดพลาด และซิงโครไนซ์สัญญาณนาฬิกาได้ เพื่อให้มั่นใจว่าการสื่อสารเป็นไปอย่างเสถียร โดยเฉพาะในสภาพแวดล้อมที่มีสัญญาณรบกวน หรือการสื่อสารระยะไกลจนเกินไป

ซึ่งการปรับแต่งการตั้งค่าเหล่านี้จะช่วยให้การสื่อสาร SPI ทำงานได้อย่างเหมาะสม ทั้งในด้านความเร็ว, การซิงโครไนซ์ และความเข้ากันได้กับทุกอุปกรณ์ที่เชื่อมต่ออยู่

ประเภทของ SPI (Types of SPI)

ประเภทของ SPI มีหลายรูปแบบ โดยแต่ละประเภทมีความแตกต่าง และความสามารถเฉพาะตัว ซึ่งคุณสมบัติของแต่ละประเภทก็จะมีดังนี้

ภาพจาก : https://www.pinterest.com/pin/716635359437447462/

SPI กับ I2C แตกต่างกันอย่างไร ? (What is the difference between SPI and I2C ?)

ภาพจาก : https://embeddedwala.com/Blogs/DigitalCommunication/spi-vs-i2c

SPI (Serial Peripheral Interface) และ I2C (Inter-Integrated Circuit) เป็นโปรโตคอลการสื่อสารแบบอนุกรมที่นิยมในระบบฝังตัว โดยมีจุดเด่น และข้อจำกัดต่างกัน SPI มีความเร็วในการสื่อสารสูงกว่าหลาย MHz ซึ่งเหมาะกับงานที่ต้องการการส่งข้อมูลปริมาณมาก หรือความเร็วสูง เช่น จอแสดงผล และหน่วยความจำ แต่ต้องใช้สายสัญญาณ 4 เส้น และแต่ละอุปกรณ์รองต้องมีสาย SS แยกกัน ทำให้การเชื่อมต่ออุปกรณ์หลายตัวค่อนข้างยุ่งยาก

ในขณะที่ I2C ใช้สายเพียง 2 เส้น (SDA และ SCL) ทำให้สามารถเชื่อมต่ออุปกรณ์หลายตัวได้ง่ายกว่า โดยใช้การระบุที่อยู่ (Address) แทนการใช้ขา SS แยก แต่ความเร็วจะต่ำกว่าที่เพราะมีอัลกอริทึมที่ซับซ้อนกว่า  นอกจากนี้ SPI รองรับโหมดการสื่อสารแบบ Full-Duplex ที่สามารถส่ง และรับข้อมูลพร้อมกัน ในขณะที่ I2C ทำงานแบบ Half-Duplex ส่ง และรับข้อมูลสลับกัน จึงเหมาะกับงานที่ไม่ต้องการความเร็วสูงมาก เช่น การเชื่อมต่อเซนเซอร์ หรือโมดูลอุปกรณ์ทั่วไป

เปรียบเทียบข้อดี และข้อสังเกตของ SPI (SPI Pros and Cons)

การใช้งาน SPI ในระบบต่าง ๆ (SPI usage in Various Systems)

SPI ถูกใช้อย่างแพร่หลายในระบบอิเล็กทรอนิกส์ที่ต้องการการสื่อสารที่มีประสิทธิภาพ และความเร็วสูง ตัวอย่างการใช้งานที่พบบ่อยก็จะมีดังนี้

1. ระบบควบคุมอุตสาหกรรม

SPI ใช้ในระบบควบคุมอุตสาหกรรมสำหรับ การสื่อสารระหว่างตัวควบคุมลอจิกแบบโปรแกรมได้ (PLC), เซนเซอร์ และอุปกรณ์ควบคุมอื่น ๆ เพื่อใช้ในการควบคุมกระบวนการในโรงงาน

2. อิเล็กทรอนิกส์ในยานยนต์

SPI ใช้ในระบบอิเล็กทรอนิกส์ในรถยนต์เพื่อสื่อสารระหว่างไมโครคอนโทรลเลอร์, เซนเซอร์ และหน่วยควบคุมอิเล็กทรอนิกส์ (ECU) ทำให้เกิดฟังก์ชันต่าง ๆ เช่น ควบคุมเครื่องยนต์, การวินิจฉัยอาการรถยนต์, และระบบความบันเทิงบนรถ

ภาพจาก : https://www.makerguides.com/master-slave-spi-communication-arduino/

3. ระบบสมองกลฝังตัว 

SPI เป็นที่นิยมใช้ในระบบสมองกลฝังตัว เพื่อสื่อสารระหว่างไมโครคอนโทรลเลอร์ และอุปกรณ์เสริมต่าง ๆ เพราะความง่าย, ประสิทธิภาพ และความยืดหยุ่นทำให้มันเป็นที่นิยมนั่นเอง

ภาพจาก : https://www.makerguides.com/master-slave-spi-communication-arduino/

บทสรุปของ SPI (SPI Conclusions)

SPI เป็นโปรโตคอลการสื่อสารแบบอนุกรมที่สำคัญต่อการเชื่อมต่อไมโครคอนโทรลเลอร์กับอุปกรณ์เสริมต่าง ๆ ด้วยความสามารถในการสื่อสารที่รวดเร็ว และมีประสิทธิภาพ ทำให้ SPI เหมาะกับการใช้งานที่ต้องการการส่งข้อมูลความเร็วสูง การใช้ SPI ก็มีข้อสังเกตบางประการ เช่น การจัดการสัญญาณ Chip Select ที่ซับซ้อนในกรณีที่มีอุปกรณ์หลายตัว และข้อจำกัดในเรื่องความยาวสายสัญญาณที่ใช้ในการสื่อสาร

แต่ด้วยความยืดหยุ่นในการตั้งค่า และการใช้งาน ทำให้ SPI เป็นโปรโตคอลที่ได้รับความนิยม และมีประสิทธิภาพในการใช้งาน ช่วยให้ไมโครคอนโทรลเลอร์สื่อสารกับอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์ต่าง ๆ ได้เป็นอย่างดีเลยทีเดียว