Aquisição por SPI com o MCP3008

No SPI, o Uno atua como controlador: ele inicia a troca e fornece os pulsos de clock. O MCP3008 é um periférico: recebe os comandos e devolve dados quando está selecionado.

A comunicação é síncrona porque os bits avançam em relação ao clock compartilhado. Diferentemente do I2C, o periférico não é escolhido por um endereço dentro da mensagem: cada periférico possui sua própria linha de seleção, chamada CS.

Os quatro sinais têm papéis diferentes:

• SCK: clock gerado pelo Uno; organiza os instantes da troca de bits.
• MOSI (Master Out, Slave In): dados que saem do Uno e entram no MCP3008 pela entrada DIN.
• MISO (Master In, Slave Out): dados que saem do MCP3008 pela saída DOUT e entram no Uno.
• CS (Chip Select): seleção individual do MCP3008.

Enquanto CS estiver em nível alto, o MCP3008 fica desmarcado. A transação acontece com CS em nível baixo: o Uno o leva a baixo antes da sequência de clock e o devolve a alto ao terminar.

Imagine um barramento com dois periféricos. SCK, MOSI e MISO podem ser compartilhados, mas cada periférico precisa de um CS próprio.

O controlador só deve deixar um periférico que possa responder por MISO selecionado por vez. Os outros permanecem desmarcados e liberam MISO, isto é, não tentam impor nível alto ou baixo nessa linha. Assim, o periférico selecionado é o único a devolver dados.

Separe: Uno R3 e cabo USB, MCP3008 DIP-16, protoboard, jumpers, multímetro, dois resistores de 1 kΩ, um resistor de 10 kΩ e dois capacitores cerâmicos de 100 nF.

Faça toda conexão ou alteração com o USB desconectado. O MCP3008 será alimentado pelo Uno em 5 V; portanto, os sinais SPI de 5 V são compatíveis nesta montagem.

Posicione o MCP3008 atravessando o vão central da protoboard. Use a tabela para fazer as conexões principais. VDD e VREF usam o trilho de 5 V do Uno; AGND e DGND usam o mesmo GND do Uno. Não conecte VREF ao pino AREF do Arduino.

Os capacitores de 100 nF devem ficar fisicamente próximos ao MCP3008: um entre VDD e GND e outro entre VREF e GND.

Monte o divisor que fornecerá uma tensão conhecida:

5 V → resistor de 1 kΩ → nó de medição → resistor de 1 kΩ → GND

Ligue o nó de medição a CH0 (pino 1). Com resistores iguais, a previsão é aproximadamente VREF/2. Como os resistores estão em paralelo vistos pela entrada, a resistência de Thévenin da fonte é 500 Ω, adequada para esta prática.

Não aplique tensão externa, tensão negativa nem tensão acima de VREF a qualquer canal analógico.

Clock: repouso, transições e amostragem

No SPI, CPOL define o nível de repouso de SCK: baixo quando CPOL = 0 e alto quando CPOL = 1. CPHA define em qual borda o receptor captura o dado, em relação às transições do clock.

Para o MCP3008, a entrada DIN é capturada na subida de CLK. A saída DOUT é atualizada na descida, para que o controlador possa ler um bit estável na subida seguinte.

Assim, uma escolha prática compatível é SPI_MODE0: clock em repouso baixo e captura na primeira borda, que é a borda de subida. O dispositivo também aceita o modo 3, mas neste tutorial será usado o modo 0.

Os parâmetros abaixo vêm das condições documentadas para o MCP3008 alimentado a 5 V nesta prática. Eles devem ser escolhidos em conjunto: uma configuração de clock incompatível pode deslocar ou corromper os bits, mesmo com os fios conectados corretamente.

Não confunda três grandezas:

• Frequência de SCK: pulsos por segundo na linha de clock.
• Duração da transação: tempo em que a seleção fica ativa e os bits da leitura são transferidos.
• Intervalo entre aquisições: decisão do firmware sobre quando iniciar a próxima conversão.

Por exemplo, SCK de 1 MHz fornece períodos de 1 µs, mas o programa pode iniciar uma aquisição a cada 100 ms. Nesse caso, a cadência é aproximadamente 10 aquisições por segundo, e não um milhão.

Para pedir uma conversão, o Uno envia ao MCP3008 um comando com quatro campos: bit de início, seleção SGL/DIFF e três bits de canal.

Nesta prática, use apenas entrada simples (single-ended): cada canal é medido em relação a AGND. Nesse formato, o campo SGL/DIFF vale 1. Os três bits seguintes selecionam CH0 a CH7:

• CH0 = 000
• CH1 = 001
• …
• CH7 = 111

O comando será dividido em bytes porque SPI.transfer() troca oito bits por vez. Isso não muda o protocolo: apenas organiza seus bits para a transferência SPI.

Para um canal armazenado na variável canal (de 0 a 7), envie estes três bytes enquanto CS estiver em nível baixo:

1. 0x01 — coloca o bit de início na posição esperada.
2. 0x80 | (canal << 4) — coloca SGL/DIFF = 1 e os três bits do canal.
3. 0x00 — envia bits neutros e, principalmente, fornece clocks para o MCP3008 terminar de deslocar o resultado.

Para CH0, o segundo byte é 0x80; para CH1, é 0x90; para CH7, é 0xF0. O 0x80 já representa o bit de entrada simples.

SPI recebe um byte ao mesmo tempo que transmite outro. Chame os bytes recebidos de rx0, rx1 e rx2, na mesma ordem dos três bytes enviados.

rx0 não contém resultado útil e deve ser descartado. Em rx1, os bits iniciais são de enquadramento, incluindo o bit nulo previsto pelo protocolo. Apenas seus dois bits menos significativos são dados convertidos: B9 e B8.

O byte rx2 contém B7 até B0. Portanto, o código de 10 bits é reconstruído com:

((rx1 & 0x03) << 8) | rx2

A máscara 0x03 preserva somente B9 e B8. O deslocamento de oito posições os leva à parte alta do resultado; o OR combina essa parte com os oito bits de rx2. O resultado possível vai de 0 a 1023.

O sketch usará apenas SPI.h, já fornecida pelo núcleo Arduino AVR. Antes de copiar o código, substitua o valor de VREF pela tensão que você mediu entre VREF e GND na sua montagem. O valor 4.96 no exemplo não é obrigatório.

SPI.beginTransaction() aplica 1 MHz, MSBFIRST e SPI_MODE0, mas não seleciona o MCP3008. A seleção elétrica ocorre somente quando D10 vai para nível baixo. Ele deve permanecer baixo durante as três transferências e voltar a alto antes de SPI.endTransaction().

Copie todo o sketch em um único arquivo na IDE Arduino. Ajuste somente VREF para a sua medição antes de compilar e gravar.

rx0 é recebido porque toda transferência SPI ocorre nos dois sentidos, mas ele não contém parte útil da conversão e é descartado. Já rx1 e rx2 formam o código de 10 bits.

O controle de canalExibido faz o rótulo serial acompanhar o argumento usado em lerMCP3008(). Assim, quando você trocar futuramente lerMCP3008(0) por lerMCP3008(1), a saída mostrará CH1.

Com a montagem já conferida, compile e grave o sketch. Abra o Monitor Serial local em 115200 bit/s. A cada cerca de 100 ms, o Uno solicita CH0, reconstrói o código e calcula codigo × VREF / 1024.0 em ponto flutuante.

Agora organize a sequência interna da função de leitura. Considere as três chamadas de SPI.transfer() como uma única etapa: elas precisam ocorrer sem interromper a seleção do conversor.

Complete as chamadas que delimitam corretamente uma aquisição. Não altere a ordem: a biblioteca aplica parâmetros, mas o programa deve controlar explicitamente a seleção por CS.

O que observar no monitor serial

Com o sketch anterior gravado e o Monitor Serial em 115200 bit/s, cada linha deve trazer três informações:

• CH0: o canal solicitado;
• código: resultado bruto de 0 a 1023;
• V estimada: conversão do código usando a constante VREF medida na sua montagem.

Para o divisor de dois resistores de 1 kΩ entre 5 V e GND, o ponto médio ligado a CH0 é previsto como aproximadamente metade de VREF. Assim, o código tende a ficar perto do meio da escala: 512, mas não precisa ser exatamente esse número.

Três referências para confrontar

Use estas três referências para avaliar a leitura de CH0:

1. Previsão do divisor: com resistores iguais, aproximadamente VREF / 2.
2. Medição no multímetro: tensão real entre o ponto médio e GND.
3. Estimativa do MCP3008: código × VREF / 1024.0.

Use a VREF que você mediu na montagem. Embora VDD e VREF estejam ligados ao trilho de 5 V nesta prática, “5,00 V” é um valor nominal, não uma medição.

Anote medições sucessivas sem alterar a montagem. Registre a VREF uma vez e preencha as linhas com o valor exibido pelo monitor e a estimativa correspondente. Se o sketch já imprime a estimativa, use-a e confira se ela é compatível com o cálculo.

Transferir não é confirmar

No SPI, SPI.transfer() sempre faz o Uno deslocar 8 bits enquanto gera pulsos de clock. Ao mesmo tempo, ele devolve os 8 níveis que foram lidos em MISO.

Isso não equivale a um ACK. Diferentemente do I²C, não há um bit padronizado pelo SPI que diga: “o MCP3008 recebeu e confirmou”. Portanto, três chamadas a transfer() concluídas provam apenas que o controlador executou a sequência de clock e leitura.

Elas não provam, por si só, que o MCP3008 estava conectado, selecionado por CS baixo ou respondendo conforme seu protocolo.

Um número possível não é uma leitura comprovada

O MCP3008 produz códigos de 0 a 1023. Assim, um resultado dentro dessa faixa é necessário, mas não suficiente para considerá-lo válido.

• 0 pode representar uma entrada próxima de GND.
• 1023 pode representar uma entrada próxima de VREF.
• Um valor intermediário pode ser correto — ou pode ser consequência de modo SPI, comando, CS ou bytes interpretados incorretamente.

Se o MCP3008 estiver ausente ou não selecionado, MISO pode ficar sem acionamento definido. Os bytes lidos nessa condição não têm um padrão universal confiável: não use um valor isolado como teste de presença.

Aplicação final: mova a entrada conhecida para CH1

Use o mesmo divisor de 1 kΩ + 1 kΩ, mas transfira seu ponto médio de CH0, pino 1, para CH1, pino 2, do MCP3008.

1. Desconecte o USB do Uno.
2. Remova somente o jumper entre o ponto médio do divisor e CH0.
3. Conecte esse ponto médio a CH1 (pino 2).
4. Mantenha todas as demais ligações, inclusive VDD, VREF, AGND, DGND, DIN, DOUT, CLK, CS e os capacitores.
5. Confira a posição do pino 2 antes de energizar novamente.

CH0 pode permanecer sem conexão, mas não o use como referência de comparação: uma entrada flutuante não representa uma tensão conhecida e pode produzir leituras variáveis.

No sketch anterior, use uma constante única para indicar o canal da prática. Ela será usada tanto na chamada de leitura quanto no rótulo enviado ao Monitor Serial. Assim, a saída não poderá identificar CH1 como se fosse CH0.

Faça as substituições mostradas abaixo: a constante fica junto das demais declarações globais; dentro de lerMCP3008(), remova a linha canalExibido = canal;; e, no loop(), use CANAL_MEDIDO nas duas posições indicadas.

Substitua byte canalExibido = 0; por esta constante, remova a atribuição a canalExibido da função e ajuste as duas linhas do loop(). Mantenha SPI_MODE0, 1 MHz, MSBFIRST, CS, VREF e a extração dos 10 bits sem alterações.

Complete a constante que seleciona o canal onde o divisor foi conectado. A mesma constante deve continuar sendo usada na chamada lerMCP3008(CANAL_MEDIDO) e na impressão do rótulo serial.

Depois da conferência visual, reconecte o USB e abra o Monitor Serial em 115200 bit/s. Observe algumas linhas identificadas como CH1 e compare três referências da mesma tensão:

• Previsão do divisor: aproximadamente VREF / 2.
• Multímetro: tensão entre o ponto médio do divisor e o GND comum.
• MCP3008: valor calculado pelo sketch, código × VREF / 1024.0.

Mover o mesmo ponto médio de CH0 para CH1 não deve alterar substancialmente a tensão observada. Diferenças pequenas entre código, estimativa e multímetro são compatíveis com tolerância dos resistores, quantização, erro dos instrumentos e flutuações normais.

Uma cadeia SPI concluída só mostra que o Uno gerou clocks e leu níveis em MISO durante as transferências. Ela não fornece um ACK padronizado que comprove presença do MCP3008 ou validade da conversão.

Nesta aplicação, a leitura de CH1 ganha evidência porque reúne: conexão e alimentação compatíveis, parâmetros documentados, CS baixo durante os três bytes, comando do canal correto, extração dos dez bits e comparação com a tensão conhecida do divisor. Um código como 509, sozinho, ainda é apenas um número interpretado a partir dos bytes recebidos.