การเขียนโปรแกรมภาษา C สำหรับ AVR (ATmega328P): ตอนที่ 6#

Keywords: Atmel AVR MCU, ATmega328P, Bare-metal C Programming, AVR-GCC, avr-libc

▷ การเขียนโปรแกรมภาษา C แบบ Bare-Metal และการใช้ไลบรารี avr-libc#

บทความในตอนที่ 6 สาธิตตัวอย่างการเขียนโค้ดภาษา C เพื่อใช้งานวงจรที่เรียกว่า SPI (Serial Peripheral Interface ภายในชิป ATmega328P ในโหมดการทำงานแบบมาสเตอร์ (SPI Master) มีการใช้คำสั่งหรือฟังก์ชันของไลบรารี avr-libc (Online User Manual) และใช้ Wokwi Simulator ในการจำลองการทำงานของโค้ดเพื่อตรวจสอบความถูกต้องในเบื้องต้น

 

▷ วงจรสื่อสารข้อมูลด้วยบัส SPI (Serial Peripheral Interface)#

SPI เป็นรูปแบบการสื่อสารข้อมูลระหว่างชิป หรือเรียกว่า "โพรโทคอล" (Protocol) สื่อสารข้อมูลบิตอนุกรมแบบซิงโครนัส (Synchronous Serial Communication) ดังนั้นจึงมีการสร้างสัญญาณ Clock เป็นตัวกำหนดจังหวะการทำงานของระบบบัส

SPI ทำงานตามสถาปัตยกรรมแบบ Master-Slave ซึ่งจะต้องมีอุปกรณ์ที่ทำหน้าที่เป็น "มาสเตอร์" (Master) และ "สเลฟ" (Slave) อาจมีหลายอุปกรณ์ได้ในระบบบัสเดียวกัน แต่โดยปรกติ จะมีอุปกรณ์ มาสเตอร์ เพียงหนึ่งตัว

  • อุปกรณ์ มาสเตอร์ ทำหน้าที่สร้างสัญญาณ Clock (เรียกว่า SCK) สำหรับการทำงานของบัส SPI และสร้างสัญญาณควบคุม Slave Select หรือ Chip Select (เรียกว่า SS หรือ CS) เพื่อระบุว่า มาสเตอร์ จะสื่อสารกับอุปกรณ์ตัวใดที่ทำหน้าที่เป็น สเลฟ ในระบบบัสเดียวกัน
  • อุปกรณ์ สเลฟ คอยตอบสนองต่อการสื่อสารจาก มาสเตอร์

โดยทั่วไปการสื่อสารด้วยบัส SPI จะใช้สัญญาณ 4 เส้น (4-Wire SPI Protocol)

  • MOSI (Master Out Slave In): สัญญาณข้อมูลที่ใช้สำหรับส่งข้อมูลทีละบิตจาก มาสเตอร์ ไปยัง สเลฟ ทุกตัว
  • MISO (Master In Slave Out): สัญญาณข้อมูลที่ใช้สำหรับส่งข้อมูลทีละบิตจาก สเลฟ ไปยัง มาสเตอร์ หากมีอุปกรณ์ สเลฟ หลายตัว ก็ใช้สัญญาณนี้ร่วมกัน
  • SCK (Serial Clock): สัญญาณที่ถูกสร้างจาก มาสเตอร์ เพื่อกำหนดจังหวะการทำงาน หรือ Clock สำหรับอุปกรณ์ สเลฟ ทุกตัวในระบบบัส
  • SS (Slave Select, Active-Low) สัญญาณที่ถูกสร้างจาก มาสเตอร์ เพื่อเลือกสื่อสารกับอุปกรณ์ สเลฟ แต่ละตัวในระบบบัส

การทำงานของวงจร SPI ภายในชิป ATmega328P ถ้าทำงานเป็น มาสเตอร์ ขา SS จะไม่ถูกควบคุมโดยอัตโนมัติ ดังนั้นจะต้องมีการกำหนดสถานะลอจิกให้เป็น LOW ก่อนส่งข้อมูลไปยังอุปกรณ์ สเลฟ และให้เป็น HIGH เมื่อส่งข้อมูลแล้วและจบการสื่อสารข้อมูล

รูป: ผังแสดงองค์ประกอบของวงจร SPI ภายในชิป ATmega328P (Source: Atmel / ATmega328p Datasheet)

การทำงานของบัส SPI แบ่งได้เป็น 4 โหมด (SPI Modes: 0,1,2,3) จำแนกตามพารามิเตอร์สองตัวที่เรียกว่า CPOL (Clock Polarity) และ CPHA (Clock Phase)

รูป: โหมดการทำงานของ SPI

รูป: คลื่นสัญญาณของ SPI จำแนกตามโหมดการทำงาน (CPHA และ CPOL แบ่งออกเป็น 4 โหมด)

วงจร SPI ของ ATmega328P สามารถเลือกได้ว่า จะให้ทำหน้าที่เป็นอุปกรณ์ มาสเตอร์ หรือ สเลฟ และใช้ขาของชิปไมโครคอนโทรลเลอร์ดังนี้

  • MOSI ตรงกับขา PB3 หรือ Arduino D11 pin
  • MISO ตรงกับขา PB4 หรือ Arduino D12 pin
  • SCK ตรงกับขา PB5 หรือ Arduino D13 pin
  • SS ตรงกับขา PB2 หรือ Arduino D10 pin (ใช้สำหรับกรณีที่อุปกรณ์ทำหน้าที่เป็น SPI Slave)

แนะนำให้ศึกษาเพิ่มเติมจากบทความ: "การสื่อสารด้วยบัส SPI และเขียนโปรแกรมด้วย Arduino"

ในการเขียนโค้ดเพื่อใช้งาน SPI ของ ATmega328P จะต้องศึกษาการทำงานของรีจิสเตอร์ที่เกี่ยวข้อง จากเอกสารของผู้ผลิต (ATmega328P Datasheet) เช่น

  • SPCR (SPI Control Register) รีจิสเตอร์กำหนดค่าการทำงานของ SPI เช่น
    • SPE (SPI Enable) บิตเปิด (1) หรือปิด (0) การทำงานของ SPI
    • DORD (Data Order) บิตเลือก MST First (0) หรือ LSB First (1)
    • MSTR (Master / Slave) บิตเลือกโหมดการทำงาน ให้อุปกรณ์ทำหน้าที่เป็น Master (1) หรือ Slave (0)
    • CPOL (Clock Polarity) และ CPHA (Clock Phase) บิตจำนวน 2 บิต เพื่อเลือกโหมดการทำงานของ SPI
    • SPR[1..0] บิตจำนวน 2 บิต เพื่อเลือกค่าตัวหารความถี่สำหรับสัญญาณ SCK
  • SPSR (SPI Status Register) รีจิสเตอร์ระบุสถานะการทำงานของ SPI เช่น
    • SPIF (SPI Interrupt Flag) บิตสำหรับแสดงสถานะอินเทอร์รัพท์ของ SPI หรือสถานะการส่งข้อมูลหนึ่งไบต์ครบแล้ว
    • SPI2X (Double SPI Speed Bit) ถ้าเป็น 1 หมายถึง คูณสองสำหรับความถี่ SCK
  • SPDR (SPI Data Register) ข้อมูลไบต์จะถูกเขียนลงในไบต์นี้ และถูกส่งข้อมูลออกทาง MOSI โดยอัตโนมัติ และจะรับข้อมูลเข้ามาทาง MISO เพื่อเก็บในรีจิสเตอร์นี้เช่นกัน

รูป: รีจิสเตอร์ที่เกี่ยวข้องกับการทำงานของ SPI ที่สำคัญได้แก่ SPCR SPSR SPDR

รูป: การกำหนดค่าบิตให้แก่ SPI2X, SPR1, SPR0 เพื่อเลือกตัวหารความถี่สำหรับ SCK

 

▷ โค้ดตัวอย่าง: SPI Master with Enabled Interrupt#

โค้ดตัวอย่างนี้ สาธิตการเปิดใช้งานวงจร SPI ของชิป ATmega328P เพื่อส่งออกข้อมูลไบต์จากชุดข้อมูลตัวอย่าง (อ้างอิงโดยอาร์เรย์ data ซึ่งมีข้อมูลจำนวน 8 ไบต์) เมื่อมีการเลื่อนบิตข้อมูลออกไปทางขา MOSI ก็มีการรับบิตข้อมูลกับเข้ามาทางขา MOSI ในขณะเวลาเดียวกัน

ก่อนเริ่มต้นส่งข้อมูล จะต้องมีการกำหนดหรือตั้งค่าการทำงานในวงจร SPI ซึ่งเป็นหน้าที่ของฟังก์ชัน initSPI() ในโค้ดตัวอย่าง เช่น

  • เลือกบทบาทเป็น มาสเตอร์
  • เลือกโหมดการส่งข้อมูล (เช่น โหมด 0 หรือ 3)
  • กำหนดทิศทาง I/O ของขาชิปสำหรับสัญญาณของ SPI
  • ตั้งค่าตัวหารความถี่เพื่อกำหนดความถี่ของสัญญาณ SCK (เช่น ใช้ความถี่ 8MHz)

ในตัวอย่างนี้ได้เลือกตัวหารความถี่เป็น 4 แต่มีการซิตบิต SPI2X (Double Clock Speed) ให้เป็น 1 จึงได้ความถี่ (16MHz/4) x 2 = 8MHz

นอกจากนั้นแล้วยังมีการเปิดใช้งานอินเทอร์รัพท์สำหรับ SPI เช่น เมื่อมีส่งข้อมูลไบต์ในแต่ละครั้งได้สำเร็จแล้ว จะมีการสร้างเหตุการณ์อินเทอร์รัพท์ และเรียกใช้ฟังก์ชัน ISR ที่มีชื่อว่า ISR(SPI_STC_vect) {...} โดยอัตโนมัติ

#include <avr/io.h>
#include <avr/interrupt.h> // for ISR(SPI_STC_vect)
#include <util/delay.h>    // for _delay_ms()

#define SS   PB2  // D10
#define MOSI PB3  // D11
#define MISO PB4  // D12
#define SCK  PB5  // D13

#define DATA_LENGTH (8)

const uint8_t data[ DATA_LENGTH ] = {
   0x55, 0x81, 0xE7, 0x01, 0x02, 0x3, 0x04, 0x05
};

volatile uint8_t done = 0;
volatile uint8_t data_index = 0;
volatile uint8_t data_recv[ DATA_LENGTH ];

ISR(SPI_STC_vect) { // Interrupt Service Routine for SPI
  data_index++;
  if (data_index == DATA_LENGTH) {
     done = 1;          // Set the done flag to 1.
     PORTB |= (1<<SS);  // Pull SS high
     SPCR  &= ~((1<<SPE)|(1<<SPIE)); // Disable SPI
  } else {
     data_recv[data_index] = SPDR;
     SPDR = data[data_index];
  }
}

void initSPI(void) {
  PORTB &= ~(1<<SS);  // Pull SS low
  // Set up the SPI unit: MSB first, Master mode, F_osc/2
  SPSR = (1<<SPI2X); // Set double speed for SPI clock
  SPSR |= (1<<SPIF); // Clear the SPI interrupt flag
  // Set as master and enable SPI interrupt
  SPCR = (1<<MSTR) | (1<<SPIE); // Use div=4 (default) 
  //SPCR |= (1<<SPR0);             // Use div=16
  //SPCR |= (1<<CPOL) | (1<<CPHA); // Use SPI Mode 3
  SPCR |= (1<<SPE); // Enable SPI
}

int main(void) {
  // Set SS, MOSI, and SCK as outputs
  DDRB  |= (1<<SS)|(1<<MOSI)|(1<<SCK); 
  DDRB &= ~(1<<MISO);  // Set MISO as input
  PORTB |= (1<<SS);  // Pull SS high
  _delay_ms(1);
  while (1) {
    cli();              // Disable global interrupts
    done = 0;           // Clear the done flag
    data_index = 0;     // Reset the data index
    PORTB &= ~(1<<SS);  // Pull SS low
    initSPI();          // Initialize / enable the SPI 
    SPDR = data[data_index]; // Start sending the first data byte
    sei();              // Enable global interrupts
    while (!done);      // Wait until the done flag is set
    _delay_ms(100);
  }
  return 0;
}

ตัวอย่างการจำลองการทำงานด้วย Wokwi Simulator และใช้ Virtual Logic Analyzer บันทึกรูปคลื่นสัญญาณลงไฟล์ .vcd แสดงผลด้วยโปรแกรม GTKWave

รูป: การจำลองการทำงานด้วย Wokwi Simulator

รูป: สัญญาณ SPI ในโหมด 0 เมื่อมีการส่งข้อมูล 8 ไบต์ ตามลำดับ (เลือกใช้ความถี่สำหรับ SCK เท่ากับ 8MHz หรือคาบกว้าง 125ns)

รูป: ช่วงเวลาที่มีการส่งข้อมูลไบต์แรก 0b01010101 หรือ 0x55

 

ลองมาดูตัวอย่างสัญญาณที่วัดได้โดยใช้ออสซิลโลสโคปเมื่อทดลองใช้กับอุปกรณ์ฮาร์ดแวร์จริง

รูป: สัญญาณ SCK (CH1) และ SS (CH2) แสดงให้เห็นว่ามีการส่งข้อมูล 8 ไบต์

รูป: สัญญาณ SCK (CH1) และ MOSI (CH2) ช่วงที่มีการส่งข้อมูล 3 ไบต์แรก

รูป: สัญญาณ SCK (CH1) และ MOSI (CH2) ช่วงที่มีการส่งข้อมูลไบต์แรก 0b01010101 หรือ 0x55

รูป: สัญญาณ SCK (CH1) และ MOSI (CH2) ช่วงที่มีการส่งข้อมูลไบต์ที่สอง 0b10000001 หรือ 0x81

รูป: สัญญาณ SCK (CH1) และ MOSI (CH2) ช่วงที่มีการส่งข้อมูลไบต์ที่สาม 0b11100111 หรือ 0xE7

ลองดูตัวอย่างรูปคลื่นสัญญาณดิจิทัล เมื่อใช้ USB-based 8-channel Logic Analyzer วัดสัญญาณจริงจากบอร์ด Arduino Nano ใช้งานร่วมกับซอฟต์แวร์ Sigrok PulseView โดยตั้งค่า Sample Rate เท่ากับ 24MHz

รูป: การวัดสัญญาณที่ขาของบอร์ด Arduino Nano ด้วย USB Logic Analyzer

รูป: แสดงช่วงเวลาที่มีการส่งข้อมูล 8 ไบต์ (ส่งข้อมูลในโหมด SPI Mode 0 ความถี่ 8MHz) และมีการเปิดใช้งาน SPI Decoder เพื่อแสดงค่าของตัวเลขของข้อมูลไบต์

รูป: แสดงช่วงเวลาที่มีการส่งข้อมูล 3 ไบต์แรก ได้แก่ 0x55 0x81 0xE7

รูป: วัดคาบของสัญญาณ SCK (หนึ่งคาบได้ค่าประมาณ 125ns)

 

▷ กล่าวสรุป#

บทความนี้ได้นำเสนอตัวอย่างการเขียนโค้ดภาษาซีสำหรับ ATmega328P เพื่อใช้งานวงจร SPI โดยตั้งค่าให้ทำงานในโหมด SPI Master (มาสเตอร์) และส่งชุดข้อมูลไบต์ตามลำดับ มีการทดสอบโค้ดตัวอย่างด้วยวิธีการจำลองการทำงาน และทดลองด้วยอุปกรณ์ฮาร์ดแวร์จริง

 

This work is licensed under a Creative Commons Attribution-ShareAlike 4.0 International License.

Created: 2023-05-04 | Last Updated: 2023-05-07