Qtの基礎 - SPI通信
概要
SPI (Serial Peripheral Interface) は、マイコンやSoCと周辺機器の間で使用される同期式シリアル通信プロトコルである。
高速かつ全二重通信が可能であり、主にセンサ、ディスプレイ、メモリチップ等との通信に利用される。
Qtフレームワーク自体に組み込まれた専用のクラスや機能は存在しない。
代わりに、OSが提供するSPIインターフェースを直接利用する、あるいは、サードパーティ製ライブラリを使用することになる。
多くの場合、OSが提供するインターフェースでの実装が一般的である。
Linuxの場合では、sys/ioctl.hファイル、linux/spi/spidev.hファイルを使用して、システムレベルのSPI操作を行う。
具体的には、SPIデバイスファイルを開いて、ioctlシステムコールを使用してSPIの設定を行い、read関数やwrite関数でデータの送受信を行う。
これらの低レベル操作をQtアプリケーションに統合する方法として、
QFileクラスを用いてデバイスファイルを操作、あるいは、QIODeviceクラスを継承した独自のクラスを定義することが想定される。
これにより、Qtのシグナルとスロットメカニズムやイベントループとの連携が可能になる。
非同期処理が必要な場合は、QtConcurrentモジュールを使用してSPI通信をバックグラウンドで実行して、結果をシグナルで通知する方法も有効である。
これにより、UIの応答性を維持しながらSPI通信を行うことができる。
ただし、SPIの実装はハードウェアやOSに大きく依存するため、具体的な実装方法はプロジェクトの要件やターゲットプラットフォームによって変わることに注意が必要となる。
場合によっては、クロスプラットフォーム対応のためのラッパークラスを定義して、プラットフォーム固有の実装を抽象化することも検討する。
セキュリティの観点からは、SPIデバイスへのアクセス権限の管理やデータの整合性の確認等も重要な考慮点となる。
SPI通信の設定
以下に示す設定は、マスターデバイス (マイコンやCPU) と スレーブデバイス (センサやメモリ等) の間で一致している必要がある。
正しく設定されていない場合、データの誤読や通信エラーが発生する可能性がある。
- 速度
- SPIバスのクロック周波数を指す。
- これはデータ転送速度を決定する。
- 高い周波数ほど速いデータ転送が可能になるが、デバイスの仕様や配線の品質などによって上限がある。
- 一般的な範囲は、数百[kHz]から数十[MHz]である。
- モード
- SPIには4つの動作モードがあり、これらはCPOL (クロック極性) と CPHA (クロック位相) の組み合わせで決まる。
- 以下に示すのモードは、クロック信号のアイドル状態とデータのサンプリングタイミングを定義する。
- モード0 - CPOL=0, CPHA=0
- モード1 - CPOL=0, CPHA=1
- モード2 - CPOL=1, CPHA=0
- モード3 - CPOL=1, CPHA=1
- ビット数
- 1回のデータ転送で送受信するビット数を指定する。
- 通常は8ビットであるが、デバイスによっては16ビットや他のビット数を使用することもある。
- LSB First (Least Significant Bit First)
- データ転送時に最下位ビットから送信するかどうかを決定する。
- デフォルトでは、ほとんどのSPIデバイスはMSB (Most Significant Bit) ファーストである。
- 3線式SPIモード / 4線式SPIモード
- 通常のSPIは4線式 (MOSI、MISO、SCK、CS) であるが、3線式では双方向データラインを使用することもできる。
- ループバックモード
- MISOとMOSIを内部的に接続して、送信したデータがそのまま受信される。
- 主にテスト目的で使用される。
- No Chip Select (CS)
- チップセレクト信号を使用するかどうかを指定する。
- 単一のSPIデバイスを使用する場合やソフトウェアで別途CSを制御する場合に使用する。
- Ready
- レディ信号を有効にするかどうかを指定する。
- 一部のSPIデバイスでは、データの準備ができたことを示す信号を使用する。
- CS Change
- 各ワード転送後にCSをトグルするかどうかを指定する。
- 通常、CSはトランザクション全体で低いままであるが、一部のデバイスでは各ワード間でCSをトグルする必要がある。
SPI通信の受信