SPI

La Interfaz Periférica Serial (SPI) es un protocolo de comunicación síncrona que mueve datos entre un dispositivo maestro (típicamente un microcontrolador) y uno o más periféricos esclavos a través de cuatro cables. Un dispositivo sincroniza la conversación, enviando un flujo de pulsos en la línea de reloj (SCLK); los datos fluyen hacia afuera en MOSI (Master Out, Slave In) y hacia adentro en MISO (Master In, Slave Out), mientras que las líneas de selección de chip (CS) direccionan qué esclavo está escuchando. El maestro controla la temporización absolutamente, haciendo que SPI sea más rápido y simple que los protocolos seriales asíncronos como RS-232.

En la monitorización de energía y servicios públicos, SPI conecta microcontroladores a chips de sensores, registros de desplazamiento, módulos de memoria y controladores de pantalla en la misma placa. Un medidor inteligente podría usar SPI para leer datos de un convertidor analógico a digital que muestrea voltaje y corriente, o para comunicarse con una EEPROM que almacena constantes de calibración. Las tasas de datos varían de 100 kHz a 50 MHz dependiendo del dispositivo esclavo y la longitud del cable; la mayoría de las aplicaciones industriales se mantienen por debajo de 10 MHz para evitar problemas de ruido en las plantas industriales.

Restricciones eléctricas e integridad de la señal

SPI no es un protocolo de larga distancia. El cableado debe ser corto: de 10 a 50 centímetros es lo típico antes de que las reflexiones de la señal y el acoplamiento capacitivo causen errores de bit. El protocolo tampoco es diferencial; funciona con niveles lógicos de un solo extremo (3.3 V o 5 V), por lo que es vulnerable a la interferencia electromagnética de los variadores de motor y las fuentes de alimentación conmutadas comunes en las subestaciones de servicios públicos. Para tramos más largos o entornos hostiles, los diseñadores aíslan las señales SPI utilizando optoacopladores o chips de aislamiento dedicados, sacrificando ancho de banda por inmunidad al ruido.

Un dispositivo esclavo requiere una línea CS. Si una placa de medidor debe comunicarse con cinco chips de sensor diferentes, se necesitan cinco cables de selección de chip; las líneas MOSI, MISO y SCLK se pueden compartir. Esta ramificación es económica y por eso SPI sigue siendo estándar en la medición integrada, pero significa que la complejidad del cableado aumenta con el número de sensores. Algunos diseños utilizan la conexión en cadena (los esclavos pasan datos en un anillo) para reducir el número de pines, aunque esto es más raro en aplicaciones de energía.

El hardware SPI es maduro y económico. Cada microcontrolador comercial incluye al menos un puerto SPI en silicio. Sin licencias, sin componentes exóticos, sin fase de negociación: se escribe en la línea de reloj, se conmuta la selección de chip y los bits se mueven. Esto convierte a SPI en la opción predeterminada para la fusión de sensores locales en medidores inteligentes, monitores de red y electrónica de potencia a escala de servicios públicos, donde el costo por unidad y la confiabilidad importan más que el ancho de banda.