シフトレジスタ 74HC597から Arduinoへ SPIでデータを受ける

SPI (Serial Peripheral Interface) とはどんな通信方式なのかを勉強して、シフトレジスタ 74HC597 (PISO) から Arduino へ、SPI でデータを受けとる実験をしてみました。

この記事は「meyon's STUDY」に投稿した記事の抜粋です。

なお、Arduino 公式サイトのアナウンスに従い、用語の言い換えをしています。新しい用語については Arduino & Serial Peripheral Interface (SPI) を参照してください。

データを受信する場合も、Arduino からデータを送ります。このとき送信するデータはダミーデータです。SPI.transfer(dummyData) でダミーデータが $\text{COPI}$ に送信され、同時に受信した $\text{CIPO}$ のデータは戻り値として出力されます。
ダミーデータは 74HC597 では利用しませんから、 $\text{COPI}$ はどこへも接続しません。利用するのは送信時に出力されるシリアルクロック $\text{SCK}$ で、74HC597 のシフトクロック $\text{SH}_\text{CP}$ に接続します。

74HC597 側では、チップセレクト $\overline\text{CS}$ を受けてパラレルロード $\overline\text{PL}$ を生成し、ストレージレジスタからシフトレジスタへデータを渡します。そして $\text{SCK}$ に同期してデータを $\text{CIPO}$ へ送出します。
送信が完了すると $\overline\text{CS}$ が HIGH になりますので、これをストレージクロック $\text{ST}_\text{CP}$ として、外部からのパラレルデータをストレージレジスタへ読み込みます。つまり、74HC597 から送られてくるデータは、一回前の通信が完了したときのデータということになります。

コントローラ (Arduino) 側では、チップセレクト $\overline\text{CS}$ を LOW にすることで通信を開始し、終了したら HIGH にもどす。SPI.transfer() を実行するとシリアルクロック $\text{SCK}$ が送出される。 $\text{COPI}$ に出力されるデータは、ペリフェラル側では利用しない。

ペリフェラル (74HC597) 側。 $\overline\text{CS}$ は $\text{ST}_\text{CP}$ につながっているが、LOW になっても何も起こらない。
$\overline\text{CS}$ の立ち下がりエッジで、一定時間のパラレルロード $\overline\text{PL}$ パルスを生成する。これにより、シリアルデータ $\text{Q7}$ にデータ $\text{D7}$ が出力される。
$\text{SH}_\text{CP}$ ( $\text{SCK}$ ) の立ち上がりエッジでデータをシフトし、8ビットのデータが $\text{CIPO}$ へ送られる。コントローラも、データを $\text{SCK}$ の立ち上がりエッジで読み込み、SPI.transfer() の戻り値として出力する。
受信が終了し $\overline\text{CS}$ が HIGH になると、それがストレージクロック $\text{ST}_\text{CP}$ となり、新たなデータがストレージレジスタへ読み込まれる。

Arduino は Nano Every です。使用するピンは、 $\text{SCK}$ が D13、 $\text{CIPO}$ が D12、 $\overline\text{CS}$ は D8 です。UNO や NANO では $\overline\text{CS}$ は D10 ですので、間違えないように。 $\text{COPI}$ (D11) は使用しません。
左の Dip スイッチで 8ビットのデータを生成、それをシフトレジスタ 74HC597 に読み込み、Arduino へ送ります。
下部の NOR ゲート 74HC02 を使った回路はワンショットパルス回路。チップセレクト $\overline\text{CS}$ が LOW になったときに、パラレルデータをロードするための $\overline\text{PL}$ を生成します。パルス幅は 90nsほどになっています。

9行目。Arduino Nano Every では $\overline\text{CS}$ のピンモードを設定してやらないとうまく動きません。UNO や NANO では必要ないです。
Dipスイッチで生成した 8ビットデータが、シリアルモニタに出力されます。

spi_receiving_test.ino
// Sketch for 74HC597 to Arduino SPI-Test 2023.9.10 meyon

#include <SPI.h>

SPISettings mySettings(8000000, MSBFIRST, SPI_MODE0);

void setup() {
  // In Nano Every,SS is pin-D8, Mode setting required
  pinMode(SS, OUTPUT);

  Serial.begin(9600);

  SPI.begin();
}

void loop() {
  static byte receivedValue = 0;

  SPI.beginTransaction(mySettings);
    digitalWrite(SS, LOW);
    receivedValue = SPI.transfer(0xff);
    digitalWrite(SS, HIGH);
  SPI.endTransaction();

  Serial.println(receivedValue, BIN);

  delay(50);
}