MSP430G2553 - SPI

概要

SPI (Serial Peripheral Interface) は、マスター・スレーブ方式を採用するシリアル通信インターフェースの一種であり、主にマイコンとペリフェラル (周辺機器) 間の通信に使用される。

同期式通信で、マスターがクロック信号を生成する。
全二重 (双方向) 通信が可能であり、少ないピン数で高速なデータ通信を実現することができる。

SPIの主な特徴を以下に示す。

• マスター・スレーブ方式

  マスター・スレーブ方式を採用しており、通常1つのマスターデバイスが1つ以上のスレーブデバイスを制御する。

  
  

• 全二重通信

  全二重通信が可能であり、マスターとスレーブが同時にデータを送受信できる。

  
  

  3本以上の信号線

  SPIは、以下に示す信号線を使用する。

  • SCLK (Serial Clock)

    マスターが生成するクロック信号

  • MOSI (Master Output, Slave Input)

    マスターからスレーブへのデータ送信線

  • MISO (Master Input, Slave Output)

    スレーブからマスターへのデータ送信線

  • SS (Slave Select)

    マスターがスレーブを選択するための信号線

• デイジーチェーン接続

  複数のスレーブを接続する場合、デイジーチェーン接続が可能である。

  これにより、マスターは最小限の信号線でスレーブを制御することができる。

  
  

• 高速通信

  SPIは比較的高速な通信が可能であり、一般的にはMHz単位のクロック周波数で動作する。

  
  

• 柔軟性

  SPIはクロック極性（CPOL）とクロック位相（CPHA）を設定できるため、様々なデバイスに対応可能です。

SPIは、EEPROM、フラッシュメモリ、センサ、ディスプレイ等、多様なペリフェラルとの通信に広く使用されている。

ただし、シンプルな構成と高速性が特徴であるが、デバイス数の増加に伴い信号線が増えるため、大規模なシステムには不向きな場合がある。

MSP430G2553のSPI通信

MSP430G2553のSPIモジュール

MSP430G2553におけるSPIモジュールは、USCI_A0レジスタ (Universal Serial Communication Interface) を使用することにより、実現することができる。
MSP430マイコンでは、マスターおよびスレーブとして動作可能である。

7つの動作モードが選択できる。 (3線式SPI、4線式SPI、I2C等)

データ長は7ビット、または、8ビットが選択可能である。

MSP430G2553のSPIは、センサ、メモリ、ディスプレイ等の外部デバイスとの高速なデータ通信に適している。
適切な設定と通信プログラムにより、効率的なデータ交換が可能である。

SPI通信で使用する信号線

• SCLK (Serial Clock)

  マスターが生成するクロック信号

• MOSI (Master Out, Slave In)

  マスターからスレーブへのデータ送信線

• MISO (Master In, Slave Out)

  スレーブからマスターへのデータ送信線

• CS (Chip Select)

  スレーブを選択するための信号線

SPI通信の動作概要

まず、マスターがクロック信号を生成し、通信を開始する。
マスターとスレーブは、MOSIとMISOを介して同時にデータを送受信する。

次に、マスターはCSを使用して通信するスレーブを選択する。
クロックの極性 (CPOL) とフェーズ (CPHA) は設定可能である。

SPI通信の設定手順

1. SPIに使用するピンの機能を選択する。 (UCA0SIMO、UCA0SOMI、UCA0CLK)
2. クロック源の選択とボーレートを設定する。
3. SPIモード (マスター / スレーブ) を選択する。
4. データ長、クロックの極性とフェーズを設定する。
5. 必要に応じて、割り込みを設定する。
6. マスターの場合は、CSピンを制御する。

サンプルコード : データの送信

以下の例では、MSP430G2553がマスターとしてSPI通信を行い、スレーブデバイスにデータ (0x55) を繰り返し送信している。
以下に示す手順により、SPI通信を行っている。

1. まず、spi_init関数でSPIの初期化を行う。

   spi_init関数では、SPIに使用するピンの機能選択、クロック源の選択、ボーレートの設定、SPIモードの設定等を行う。

2. メインループ内で、以下の処理を繰り返す。
   1. CSピンをLowにしてスレーブを選択する。
   2. spi_send_byte関数を実行して、データ (例: 0x55) をスレーブに送信する。

      spi_send_byte関数では、送信バッファが空になるまで待機して、データを送信バッファに書き込む。

   3. CSピンをHighにしてスレーブを解放する。
   4. 100[ms]の遅延を入れる。

スレーブデバイスの種類や接続方法に応じて、サンプルコードを適宜変更すること。

 #include <msp430.h>
 
 #define SPI_SCLK_PIN   BIT5  // P1.5 (UCB0CLK)
 #define SPI_MOSI_PIN   BIT7  // P1.7 (UCB0SIMO)
 #define SPI_MISO_PIN   BIT6  // P1.6 (UCB0SOMI)
 #define SPI_CS_PIN     BIT4  // P1.4 (CS)
 
 void spi_init(void);
 void spi_send_byte(unsigned char data);
 
 int main(void)
 {
    WDTCTL = WDTPW | WDTHOLD;    // ウォッチドッグタイマを停止
 
    spi_init();                  // SPIの初期化
 
    while (1) {
        P1OUT &= ~SPI_CS_PIN;    // CSをLowにしてスレーブを選択
        spi_send_byte(0x55);     // データ (例: 0x55) を送信
        P1OUT |= SPI_CS_PIN;     // CSをHighにしてスレーブを解放
        __delay_cycles(100000);  // 100[ms]の遅延
    }
 }
 
 void spi_init(void)
 {
    P1SEL  |= SPI_SCLK_PIN | SPI_MOSI_PIN | SPI_MISO_PIN;  // SPI用のピンを選択
    P1SEL2 |= SPI_SCLK_PIN | SPI_MOSI_PIN | SPI_MISO_PIN;
    P1DIR  |= SPI_CS_PIN;                                  // CSピンを出力に設定
    P1OUT  |= SPI_CS_PIN;                                  // CSをHighに設定
 
    UCB0CTL1 |= UCSWRST;                                   // UCB0をリセット
    UCB0CTL0 |= UCCKPH | UCMSB | UCMST | UCSYNC;           // MSBファースト, マスターモード, 同期モード
    UCB0CTL1 |= UCSSEL_2;                                  // SMCLK
    UCB0BR0   = 0x02;                                      // ボーレートを設定 (SMCLK / 2)
    UCB0BR1   = 0;
    UCB0CTL1 &= ~UCSWRST;                                  // UCB0をリセット解除
 }
 
 void spi_send_byte(unsigned char data)
 {
    while (!(IFG2 & UCB0TXIFG));   // 送信バッファが空になるまで待機
    UCB0TXBUF = data;              // データを送信バッファに書き込む
 }

サンプルコード : データの受信 (マスターデバイス側)

以下の例では、MSP430G2553がマスターとしてSPI通信を行い、スレーブデバイスからデータを繰り返し受信している。
以下に示す手順により、SPI通信を行っている。

1. まず、spi_init関数でSPIの初期化を行う。

   spi_init関数では、SPIに使用するピンの機能選択、クロック源の選択、ボーレートの設定、SPIモードの設定等を行う。

2. メインループ内で、以下の処理を繰り返す。
   1. CSピンをLowにしてスレーブを選択する。
   2. spi_receive_byte関数を実行して、スレーブからデータを受信する。

      受信バッファ (1[byte]) にデータが受信されるまで待機する。

      受信したデータを変数received_dataに格納する。

   3. CSピンをHighにしてスレーブを解放する。
   4. 100[mS]の遅延を入れる。

スレーブデバイスの種類や接続方法に応じて、サンプルコードを適宜変更すること。

 #include <msp430.h>
 
 // マクロは、データ送信の場合と同様のため省略
  
 void spi_init(void);
 unsigned char spi_receive_byte(void);
 
 int main(void)
 {
    WDTCTL = WDTPW | WDTHOLD;               // ウォッチドッグタイマを停止
 
    spi_init();                             // SPIの初期化
 
    unsigned char received_data;
 
    while (1) {
       P1OUT &= ~SPI_CS_PIN;                // CSをLowにしてスレーブを選択
       received_data = spi_receive_byte();  // データを受信
       P1OUT |= SPI_CS_PIN;                 // CSをHighにしてスレーブを解放
 
       // 受信したデータを処理
       // ...略
 
       __delay_cycles(100000);  // 100[mS]の遅延
    }
 }
 
 void spi_init(void)
 {
    // データ送信の場合と同様のため省略
 }
 
 unsigned char spi_receive_byte(void)
 {
    while (!(IFG2 & UCB0RXIFG));   // 受信バッファ (1[byte]) にデータが入るまで待機
    return UCB0RXBUF;              // 受信バッファからデータを読み込む
 }

送信と受信で異なる設定が必要な場合

一般的に、SPIの初期化 (ピンの機能選択、クロック源の選択、ボーレートの設定、SPIモードの設定等) において、送信および受信で同じ設定を行う。

しかし、以下に示すシナリオでは、送信用と受信用で異なる設定が必要になる。
そのため、SPIの初期化において、送信用と受信用に分けて実装する、または、送信と受信の切り替え時に動的に設定を変更する必要がある。

ただし、多くの場合、送信と受信で同じ設定を使用できるため、共通化することが一般的である。

• クロックの位相 (CPHA) や 極性 (CPOL) が異なる場合

  スレーブデバイスによっては、クロックの位相や極性の要件が異なる場合がある。

  送信時と受信時で、クロックの位相や極性を変更する必要がある場合は、送信用と受信用で異なる設定が必要になる。

  
  

• ボーレート (通信速度) が送信時と受信時で異なる場合

  スレーブデバイスによっては、送信時と受信時でボーレートが異なる場合がある。

  送信時と受信時で異なるボーレートを使用する必要がある場合は、送信用と受信用で異なる設定が必要になる。

  
  

• データ長が異なる場合

  スレーブデバイスによっては、送信時と受信時でデータ長が異なる場合がある。

  送信時と受信時で異なるデータ長を使用する必要がある場合は、送信用と受信用で異なる設定が必要になる。

  
  

• 送信と受信で異なるSPIモードを使用する場合

  マスターとスレーブの役割が固定されている場合は、送信と受信で同じSPIモードを使用できる。

  ただし、マスターとスレーブの役割が動的に切り替わる場合は、送信時と受信時で異なるSPIモードを使用する必要がある。

  
  

• 送信と受信で異なるチップセレクト (CS) ピンを使用する場合

  複数のスレーブデバイスを接続する場合、送信先と受信先で異なるCSピンを使用することがある。

  送信時と受信時で異なるCSピンを使用する必要がある場合は、送信用と受信用で異なる設定が必要になる。