Arduinoからシフトレジスタ 74HC595へ SPIでデータを送る

SPI (Serial Peripheral Interface) とはどんな通信方式なのかを勉強して、Arduino からシフトレジスタ 74HC595 (SIPO) へ SPI でデータを送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。

Arduino では、SPI のコマンドである SPI.transfer(value) で内部のシフトレジスタへデータ value が渡され、 $\text{COPI}$ をとおして送信が始まります。74HC595 は、Arduino から送られてくるシリアルクロック $\text{SCK}$ に同期してデータを受け取ります。すべてのデータが送信されたら Arduino から $\overline\text{CS}$ 信号が送られてきますので、ストレージレジスタへデータを渡します。

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、 $\text{COPI}$ にデータ D7 がセットされ、シリアルクロック $\text{SCK}$ が送出される。 $\text{SCK}$ は 8クロック出力され、それにともなって送信データがシフトする。

ペリフェラル (74HC595) 側。 $\overline\text{CS}$ はレジスタクロック $\text{RCLK}$ につながっていて、LOW になっても何も起こらない。 $\text{SCK}$ はシフトクロック $\text{SRCLK}$ につながるが、クロックが入ってこなければ何も起こらない。つまり、待機状態。
$\text{COPI}$ はシリアル入力 $\text{SER}$ につながっているので、Arduino 側でデータ D7 が $\text{COPI}$ にセットされると、それが $\text{SER}$ に入力される。 $\text{SCK}$ が入るたびにデータを受けとり、シフトして、8ビットのデータがシフトレジスタから出力される。送信が終了し $\overline\text{CS}$ が HIGH になると、それがレジスタクロック $\text{RCLK}$ となり、データがストレージレジスタから出力される。

Arduino は Nano Every です。使用するピンは、 $\text{SCK}$ が D13、 $\text{COPI}$ が D11で UNO や NANO と同じですが、 $\overline\text{CS}$ は D8 です。UNO、NANO では D10 ですので、間違えないように。
$\text{CIPO}$ は入力端子ですので、GND もしくは +5V につないでおきます。うっかり出力ポートにしちゃったりすると悲惨な目にあいますので、1kΩ の抵抗を保護のためにつけておきましょう。

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。
Arduino で生成された 8ビットのカウントデータ 0x00~0xFF が、LEDに表示されます。

spi_transmission_test.ino
// Sketch for Arduino to 74HC595 SPI-Test 2023.9.8 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);
  SPI.begin();
}

void loop() {
  for (int value=0x00; value<=0xFF; value++) {
    SPI.beginTransaction(mySettings);
      digitalWrite(SS, LOW);
      SPI.transfer(value);
      digitalWrite(SS, HIGH);
    SPI.endTransaction();

    delay(50);
  }
}