第９回：SPI 通信を使う場合の留意点

マイコンに外部デバイスを接続する場合、I2C 通信同様にしばしば使われるのが SPI 通信（Serial Peripheral Interface）です。高速通信が可能なのでメモリや高速 ADC/DAC、SD カードなどに使われています。

１．SPI通信の基本構成

SPI通信の基本的な接続は図１のような４線式になっています。多くの場合マスタ側がマイコンで、スレーブ側が接続デバイスとなります。

本来は図１上側のように1対1の通信で4線式が基本となっていますが、この中の SS 信号（チップセレクト）を増やすことで図-1下側のように１対 N の通信も可能になります。この場合、各デバイスは SS が無効な場合、出力をハイインピーダンス状態にするようになっていることが必要です。

２．SPI 通信のモードとフレーム同期

通信はシンプルな同期式シリアル通信ですが、クロックと受信サンプリングのタイミングにより図２のような４つのモードがあります。このモードがマスタとスレーブで合っていないと通信はできません。

相手とするデバイス側がどのモードで動作するようになっているかを調べ、これに合わせたモードとする必要があります。しかし、データシートでもなかなか分かりにくいので、まず SCK が常時 High か Low かを確認できたら、あとは受信エッジの2通りだけですから、どちらかを確認すればよいことになります。

３．SPI を使う場合の留意事項

(1) クロック周波数の最高値に留意

接続相手のスレーブデバイスにより最高クロック周波数が決まっています。これを超えないように注意が必要です。

(2) データのビット順とビット数に注意

デバイスにより MSB/LSB のビット順が異なったり、データが8ビット以上の場合もあったりしますから、これに合わせる必要があります。

(3) 電圧レベルに注意

3.3V 系と 5V 系があるので、互いに合わせる必要があります。

(4) ダンピング抵抗の考慮

通信速度、配線長、パターンにより信号ラインに反射が起きて通信エラーが発生することがあります。これを回避するためダンピング抵抗を配線の出力側に直列に挿入します。

この反射が起きている現象をオシロスコープなどで確認するのはなかなか難しいので、時々通信エラーが起きるという現象がある場合は、ダンピング抵抗を挿入するのが効果的です。

ダンピング抵抗の値の目安は表１のようにします。挿入位置は出力側のピン近くとします。

表１　ダンピング抵抗の値

(5) 配線パターンの引き回しに注意

高速な SPI 通信の場合、基板のパターンの引き回しで通信エラーを引き起こすことがあります。パターンは基本的に次のことに留意が必要です。

• 配線はクロスさせない　　→　クロストークが影響を与えます
• SCK ラインはできる限り短くし、グランド配線を隣接させて他の配線からの影響を最少化する

(6) 全二重通信に注意

全二重通信ですから、マスタが受信する場合でもデータを送信する必要があります。通常ダミーデータとして 0x00 を使うことが一般的ですが、デバイスにより指定されていることもあり確認が必要です。

以上がマイコンで SPI 通信を使う場合の留意事項となります。

著者プロフィール

後閑　哲也 Tetsuya Gokan

経歴	1971年　東北大学卒業後　大手通信機メーカにて各種の制御装置を開発 2003年　有限会社マイクロチップ・デザインラボ設立
現在の活動	マイコンや計測制御システムの開発コンサルタント、グローバル電子（株）顧問 神奈川工科大学　非常勤講師としてモノづくりの基礎を指導 書籍や雑誌記事の執筆
書籍 （技術評論社）	電子工作の素（改定新版） MCC、C言語によるPICプログラミング大全 マイコンの使い方がよくわかる本 逆引きPIC電子工作やりたいこと事典 IoT電子工作やりたいこと事典