בין אם מדובר בציוד היקפי למחשב, מכשירי חשמל חכמים, התקני אינטרנט של הדברים (IoT) או אלקטרוניים כלי מדידה, כולם משתמשים בפרוטוקולי תקשורת טוריים כדי לחבר רכיבים אלקטרוניים שונים יַחַד.
רכיבים אלה מורכבים בדרך כלל ממיקרו-בקר וממודולי עבדים כגון חיישן טביעת אצבע, ESP8266 (מודול Wi-Fi), סרוו וצגים טוריים.
מכשירים אלה משתמשים בסוגים שונים של פרוטוקולי תקשורת. להלן תלמד על כמה מפרוטוקולי התקשורת הטורית הפופולריים ביותר, כיצד הם פועלים, היתרונות שלהם ומדוע הם נשארים בשימוש.
מהי תקשורת טורית?
פרוטוקולי תקשורת טוריים היו כאן מאז המצאת קוד המורס ב-1838. כיום, פרוטוקולי תקשורת טוריים מודרניים משתמשים באותם עקרונות. אותות נוצרים ומשודרים על חוט יחיד על ידי קיצור חוזר של שני מוליכים יחד. הקצר הזה פועל כמו מתג; הוא נדלק (גבוה) ומכבה (נמוך), ומספק אותות בינאריים. האופן שבו אות זה מועבר ומתקבל יהיה תלוי בסוג פרוטוקול התקשורת הטורי בשימוש.
עם המצאת הטרנזיסטור והחידושים שבאו בעקבותיו, המהנדסים והטינקרים כאחד הפכו את יחידות העיבוד והזיכרון לקטנים, מהירים יותר וחסכוניים יותר בצריכת החשמל. שינויים אלה דרשו פרוטוקולי תקשורת אוטובוסים להיות מתקדמים טכנולוגית כמו הרכיבים המחוברים. כך המצאת פרוטוקולים סדרתיים כגון UART, I2C ו-SPI. למרות שהפרוטוקולים הטוריים הללו בני כמה עשורים, הם עדיין מועדפים עבור מיקרו-בקרים ותכנות ממתכת חשופה.
UART (משדר מקלט אסינכרוני אוניברסלי)
פרוטוקול UART הוא אחד מפרוטוקולי התקשורת הטוריים הוותיקים אך האמינים ביותר שאנו משתמשים בהם עד היום. פרוטוקול זה משתמש בשני חוטים הידועים כ-Tx (שידור) ו-Rx (קבלה) עבור שני הרכיבים כדי לתקשר.
כדי לשדר נתונים, גם המשדר וגם המקלט חייבים להסכים עם חמש תצורות נפוצות, אלו הן:
- מהירות באוד: מהירות השידור של מהירות העברת הנתונים.
- אורך נתונים: מספר הביטים המוסכם שהמקלט ישמור ברגיסטרים שלו.
- ביט התחלה: אות נמוך המאפשר למקלט לדעת מתי נתונים עומדים להיות מועברים.
- עצור ביט: אות גבוה המאפשר למקלט לדעת מתי הביט האחרון (הביט המשמעותי ביותר) נשלח.
- סיביות זוגיות: אות גבוה או נמוך המשמש לבדיקה אם הנתונים שנשלחו נכונים או פגומים.
מכיוון ש-UART הוא פרוטוקול אסינכרוני, אין לו שעון משלו המווסת את מהירות העברת הנתונים. כחלופה, היא אכן משתמשת בקצב הבאוד לתזמון כאשר ביט משודר. קצב השידור הרגיל המשמש ל-UART הוא 9600 באוד, כלומר קצב שידור של 9600 סיביות לשנייה.
אם נעשה את החשבון ונחלק סיביות אחת ב-9600 באוד, נוכל לחשב כמה מהר סיבית נתונים אחת משודרת למקלט.
1/9600 =104 מיקרו שניות
המשמעות היא שמכשירי ה-UART שלנו יתחילו לספור 104 מיקרו-שניות כדי לדעת מתי הביט הבא ישודר.
כאשר התקני UART חוברו, אות ברירת המחדל מוגבר תמיד לגבוה. כאשר הוא מזהה אות בתדר נמוך, המקלט יתחיל לספור 104 מיקרו-שניות ועוד 52 מיקרו-שניות לפני שיתחיל לשמור את הביטים ברגיסטרים שלו (זיכרון).
מכיוון שכבר הוסכם על כך ששמונה סיביות אמורות להיות באורך נתונים, ברגע שהיא שמרה שמונה סיביות של נתונים, היא תתחיל לבדוק זוגיות כדי לבדוק אם הנתונים הם אי זוגיים או זוגיים. לאחר בדיקת הזוגיות, סיבית העצירה תעלה אות גבוה כדי להודיע למכשירים שכל שמונה סיביות הנתונים שודרו בהצלחה למקלט.
בהיותו הפרוטוקול הטורי המינימליסטי ביותר המשתמש בשני חוטים בלבד, UART נפוץ כיום בכרטיסים חכמים, כרטיסי SIM ומכוניות.
קָשׁוּר: מהו כרטיס סים? דברים שאתה צריך לדעת
SPI (ממשק היקפי טורי)
SPI הוא פרוטוקול טורי פופולרי נוסף המשמש לקצבי נתונים מהירים יותר של כ-20Mbps. הוא משתמש בסך הכל בארבעה חוטים, כלומר SCK (קו שעון טורי), MISO (Master Out Slave In), MOSI (Master In Slave Out), ו-SS/CS (Chip Select). בניגוד ל-UART, SPI משתמש בפורמט מאסטר לעבד כדי לשלוט על מספר התקני עבד עם מאסטר אחד בלבד.
MISO ו-MOSI פועלים כמו Tx ו-Rx של UART המשמשים לשידור וקליטת נתונים. Chip Select משמש לבחירה עם איזה עבד המאסטר רוצה לתקשר.
מכיוון ש-SPI הוא פרוטוקול סינכרוני, הוא משתמש בשעון מובנה מהמאסטר כדי להבטיח שהמכשירים הראשיים והעבדים פועלים באותו תדר. המשמעות היא ששני המכשירים כבר לא צריכים לנהל משא ומתן על קצב העברת העברת נתונים.
הפרוטוקול מתחיל כשהמאסטר בוחר את התקן העבד על ידי הורדת האות שלו ל-SS/CK הספציפי המחובר להתקן העבד. כאשר העבד מקבל אות נמוך, הוא מתחיל להאזין ל-SCK וגם ל-MOSI. לאחר מכן המאסטר שולח ביט התחלה לפני שליחת הסיביות המכילות נתונים.
גם MOSI וגם MISO הם דופלקס מלא, כלומר הם יכולים לשדר ולקבל נתונים בו-זמנית.
עם היכולת שלו להתחבר למספר עבדים, תקשורת דופלקס מלאה וצריכת חשמל נמוכה יותר מאשר אחרים פרוטוקולים סינכרוניים כמו I2C, SPI משמשים בהתקני זיכרון, כרטיסי זיכרון דיגיטליים, ממירי ADC ל-DAC וקריסטל תצוגות זיכרון.
I2C (מעגל משולב)
I2C הוא עוד פרוטוקול טורי סינכרוני כמו SPI, אך עם מספר יתרונות על פניו. אלה כוללים את היכולת להחזיק מספר מאסטרים ועבדים, התייחסות פשוטה (אין צורך בצ'יפ בחר), פועל עם מתחים שונים, ומשתמש רק בשני חוטים המחוברים לשני משיכה נגדים.
I2C משמש לעתים קרובות בהתקני IoT רבים, ציוד תעשייתי ואלקטרוניקה צריכה.
שני הפינים בפרוטוקול I2C הם ה-SDA (Serial Data Line) שמשדר ומקבל נתונים, ופין SCL (Serial Clock Line) המתפקד כשעון.
- הפרוטוקול מתחיל בכך שהמאסטר שולח ביט התחלה (נמוך) מה-SDA שלו, ואחריו כתובת של שבע סיביות שבוחרת את העבד, וסיבית אחת לבחירת קריאה או כתיבה.
- לאחר קבלת סיביות ההתחלה והכתובת, העבד שולח ביט אישור למאסטר ומתחיל להאזין ל-SCL ול-SDA לשידורים נכנסים.
- ברגע שהמאסטר מקבל זאת, הוא יודע שהחיבור נעשה לעבד הנכון. המאסטר יבחר כעת לאיזה אוגר (זיכרון) ספציפי מהעבד שאליו הוא רוצה לגשת. הוא עושה זאת על ידי שליחת שמונה ביטים נוספים המציינים באיזה רגיסטר יש להשתמש.
- לאחר קבלת הכתובת, העבד מכין כעת את פנקס הבחירה לפני שליחת אישור נוסף למאסטר.
- לאחר שבחר באיזה עבד ספציפי ובאיזה מהרגיסטרים שלו להשתמש, המאסטר שולח לבסוף את סיבית הנתונים לעבד.
- לאחר שליחת הנתונים, ביט אישור אחרון נשלח אל המאסטר לפני שהמאסטר מסתיים בביט עצור (גבוה).
קָשׁוּר: פרויקטי ה-IoT הטובים ביותר של Arduino
מדוע תקשורת טורית כאן כדי להישאר
עם עלייתם של פרוטוקולים אלחוטיים מקבילים ורבים, התקשורת הטורית מעולם לא ירדה מהפופולריות. בדרך כלל, תוך שימוש בשניים עד ארבעה חוטים בלבד לשידור וקבלה של נתונים, פרוטוקולים טוריים הם אמצעי תקשורת חיוני עבור אלקטרוניקה שיש לה רק כמה יציאות פנויות.
סיבה נוספת היא הפשטות שלו שמתורגמת לאמינות. עם רק כמה חוטים ששולחים נתונים פעם אחת בכל פעם, סדרתי הוכיחה את מהימנותה לשלוח את חבילות הנתונים השלמות ללא כל אובדן או השחתה בעת השידור. אפילו בתדרים גבוהים ותקשורת לטווח ארוך יותר, פרוטוקולים טוריים עדיין מנצחים פרוטוקולי תקשורת מקבילים מודרניים רבים הזמינים כיום.
למרות שרבים עשויים לחשוב שלתקשורת טורית כמו UART, SPI ו-I2C יש את החיסרון מעצם היותם ישנים ומיושנים, העובדה היא שהם הוכיחו את אמינותם על פני כמה עשרות שנים. פרוטוקולים כל כך ישנים ללא תחליף אמיתי רק מעידים שהם, למעשה, חיוניים וימשיכו לשמש באלקטרוניקה בעתיד הנראה לעין.
מתבלבלים בין SBCs כמו Raspberry Pi ומיקרו-בקרים כמו Arduino ו-Raspberry Pi Pico? הנה מה שאתה צריך לדעת.
קרא הבא
- טכנולוגיה מוסברת
- שימוש בנתונים
הירשם לניוזלטר שלנו
הצטרף לניוזלטר שלנו לקבלת טיפים טכניים, ביקורות, ספרים אלקטרוניים בחינם ומבצעים בלעדיים!
לחץ כאן כדי להירשם
