Raspberry Pi 3の GPIOに I2C通信方式の A/D、D/Aコンバータを接続する方法 (ラズパイ３に I2Cの A/D、D/Aコンバータ YL-40 PCF8591モジュール基板を繋げてフィジカルコンピューティングする方法)

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・2016/03/26

Raspberry Pi 3の GPIOに I2C通信方式の A/D、D/Aコンバータを接続する方法

(ラズパイ３に I2Cの A/D、D/Aコンバータ YL-40 PCF8591モジュール基板を繋げてフィジカルコンピューティングする方法)

Tags: [Raspberry Pi], [電子工作]

● Raspberry Pi 3 Model Bを遂に購入

　Raspberry Pi3 Model B RPI2 RPI3

　大人気の CPUボードの Raspberry Piに WiFiと Bluetoothが搭載されたモデルが新発売となりました。
　以前から Raspberry Pi 2を買おうかどうか迷っていましたが、Raspberry Pi 3 Model Bの発売を機に購入を決意してラズベリアンになる事にしました。

　※ ラズパイの OS Raspbianはバージョンが上がる毎に過去の版と OSの内部の作りが変わり、過去に書かれた製作記事（例えば Raspbian Wheezyの時代の記事）がそのままではエラーが出たりして動かない事が有ります。
　※ 当方のホームページのラズパイ記事は全て Raspberry Pi 3 Model Bと Raspbian Jessieの組み合わせで動作確認をしております。
（ただし、将来的に新しい Raspbian OSが出た場合に、当方の Raspbian Jessieを基にした内容がそのままでは動かない可能性が有ります。）
　※ 2017/08/16から Raspbian OSは Raspbian Jessieから Raspbian Stretchに変わりました。
　※ 2019/06/20から Raspbian OSは Raspbian Stretchから Raspbian Busterに変わりました。

Download Raspbian for Raspberry Pi

ちなみに、歴代のバージョンと名称は

Debian	コードネーム	年月	備考	（参考）Ubuntuでの該当名称
Debian 11	Bullseye	2021/08/14～	2021/11からラズパイにリリース	Focal Fossa 20.04 LTS ？
Debian 10	Buster	2019/06/20～	2019/06からラズパイ４対応	Bionic 18.04 LTS
Debian 9	Stretch	2017/08/16～	2018/03からラズパイ３Ｂ＋対応	Xenial 16.04 LTS
Debian 8	Jessie	2015～	2016/02からラズパイ３対応	Trusty 14.04 LTS
Debian 7	Wheezy	2013～2016
Debian 6.0	Squeeze	2011～2014
Debian GNU/Linux 5.0	Lenny	2009～2012

● Raspberry Pi3の GPIO端子の I2C機能を有効化して ADコンバータの PCF8591を接続する

　Raspberry Pi3の GPIO端子の I2C機能を有効化して ADコンバータの NXP PCF8591を接続します。
　NXP PCF8591は AD/DAの分解能は 8ビットですが、アナログ入力が 4個、アナログ出力が 1個有るので、お手軽回路実験には最適です。（分解能が 8ビットと言う事で読み値の計算が 1バイトで済むのもミソ）

PCF8591: 8-bit A/D and D/A converter - NXP.com
[PDF]PCF8591 8-bit A/D and D/A converter - NXP.com

　今回はお手軽実験という事で YL-40 PCF8591 AD/DAコンバータモジュール基板を使用しました。
　この YL-40モジュール基板は基板上に半固定抵抗や CdSセル光センサ、サーミスタ温度センサが実装されているので動作実験をするのに便利です。（ジャンパピンを取る事で個別に無効にできる）
　また、D/Aコンバータの出力は基板上の D1 LEDに接続されています。（無効化できない）
　※注意：Raspberry Piの 40ピン GPIO端子の 1ピンと 3ピンは I2C通信の為に 1.8KΩで基板上でプルアップされている。
　※注意：なので、モジュール基板側の裏面に有る R8と R9の 10Kの抵抗を取る必要が有ります。（簡易的な動作実験レベルならば取る必要は無い）

・YL-40 PCF8591 AD/DAコンバータモジュール基板回路図

・NXP PCF8591 Block Diagram

● Raspberry Pi3の GPIO端子の I2C機能を有効にする方法

　まず最初に Raspberry Pi3の GPIO端子の I2C機能を有効にする必要が有ります。下記に I2C機能を有効化する手順をまとめました。

・2016/03/26

Raspberry Pi 3で GPIO端子の I2C機能を有効化する方法
ラズパイ３の GPIO端子の I2C機能を有効にして各種センサーを繋げる方法まとめ

● Raspberry Pi3の GPIO端子の I2Cに PCF8591 ADコンバータモジュール YL-40を接続する

　YL-40 PCF8591モジュール基板を使用して I2C接続の実験を行ないます。

　YL-40 PCF8591モジュール基板や同等の製品はアマゾンで購入できます。

uxcell モジュール　アナログへの変換デジタル　PCF8591 AD/ DA　コンバータモジュール

ASIN: B00RVFO01C

uxcell コンバータモジュール　PCF8591 AD/DA　デジタル変換　4線ケーブル

ASIN: B01C8CTC1U

SODIAL(R)PCF8591 AD/DA コンバータモジュールアナログへのデジタルへのアナログ変換

ASIN: B00U8MPHX0

ノーブランド品 AD DA コンバーターモジュール PCF8591 [並行輸入品]

ASIN: B010RYH07E

　結線方法は下記の様に 4本使用してそれぞれ接続します。
　(1) YL-40 PCF8591モジュールの SCLをラズパイの GPIOの SCL（GPIO3）
　(2) YL-40 PCF8591モジュールの SDAをラズパイの GPIOの SDA（GPIO2）
　(3) YL-40 PCF8591モジュールの GNDをラズパイの GPIOの GND（GND）
　(4) YL-40 PCF8591モジュールの VCCをラズパイの GPIOの +3.3V（3V3）

・Raspberry Piの I2C機能を有効にして GPIO端子に PCF8591の ADコンバータモジュールを接続する

・Raspberry Piの I2C機能を有効にして GPIO端子に PCF8591の ADコンバータモジュールを接続する

　モジュール基板の下記のジャンパを接続すると AIN0～AIN2の各入力に下記のセンサの値が入力される。
　[P4]ジャンパ = AIN1 サーミスタ温度センサ
　[P5]ジャンパ = AIN0 CdSセル光センサ
　[P6]ジャンパ = AIN3 半固定抵抗 10KΩ

・Raspberry Piの I2C機能を有効にして GPIO端子に PCF8591の ADコンバータモジュールを接続する

　※ラズパイ基板の I2C制御線には既に 1.8KΩのプルアップ抵抗が有るので、モジュール基板側のプルアップ抵抗 R8と R9の 10Kの抵抗を取る（プルアップ抵抗値が合成されてしまう）

・Raspberry Piの I2C機能を有効にして GPIO端子に PCF8591の ADコンバータモジュールを接続する

　※ YL-40 PCF8591モジュール基板側のプルアップ抵抗 R8と R9の 10Kの抵抗を取り除いた所

●ラズパイ３で I2C端子に接続した PCF8591を確認する

# raspi-configコマンドで I2Cを有効にする
sudo raspi-config

# i2cdetectコマンドを使用するには i2c-toolsのインストールが必要
sudo apt-get -y install i2c-tools
i2cdetect -y 1

　$ i2cdetect -y 1で I2Cに接続している周辺機器（センサー）を確認する
　※ PCF8591の ADコンバータモジュールを接続していると 0x48に検出している事が分かる

・Raspberry Piで i2cdetectコマンドで I2C接続した PCF8591を確認する

Raspberry Piで i2cdetectコマンドで I2C接続した PCF8591を確認する

　i2csetコマンドでレジスタに値をセットして、
　i2cgetコマンドでレジスタの値を読み込む。

　AIN0 CdSセル光センサの値を取得する（明るいと 0xB0程度、暗いと 0xEE程度）
$ i2cset -y 1 0x48 0x00
$ i2cget -y 1 0x48
0xb1

　AIN1 サーミスタ温度センサの値を取得する（接触不良なのか動作不明）
$ i2cset -y 1 0x48 0x01
$ i2cget -y 1 0x48
0x09

　AIN3 半固定抵抗 10KΩの値を取得する（反時計回りで 0xFF、時計回りで 0x00）
$ i2cset -y 1 0x48 0x03
$ i2cget -y 1 0x48
0x76

　D/A出力 AOUTの出力値を設定する LED消灯
$ i2cset -y 1 0x48 0x40 0x00 ← 0V

　D/A出力 AOUTの出力値を設定する LEDがわずかに点灯する
$ i2cset -y 1 0x48 0x40 0x90 ← 約 1.85V（3.3 * 0x90 / 0xFF）

　D/A出力 AOUTの出力値を設定する LEDが明るく点灯する
$ i2cset -y 1 0x48 0x40 0xFF ← 約 3.3V

● Raspberry Piに接続できるその他の I2Cタイプの各種センサーの紹介

　AD/DA変換 PCF8591 YL-40 I2C AD/DA変換モジュール
　加速度センサ Freescale MMA7455 13549J2H I2C 3軸加速度センサーモジュール
　地磁気センサ HMC5883L CJ-M49 I2C コンパスモジュール（3軸地磁気センサ）
　気圧センサ BOSCH BMP180 GY-68 I2C 気圧センサモジュール
　Maxim DS3231 RTC ZS-042 I2C リアルタイムクロックモジュール AT24C32付き（4KB）
　　※ LIR2032の充電対応タイプのリチウムコイン型電池を使います。
　　※ 充電非対応の CR2032の場合は給電しない様に回路を修正します。右上のシルク印刷 SCLの上に有る [201]抵抗を取ります。そのまま使用すると電池が爆発します。

・Maxim DS3231 RTC ZS-042 I2C リアルタイムクロックモジュール AT24C32付き

Maxim DS3231 RTC ZS-042 I2C リアルタイムクロックモジュール AT24C32付き

　※モジュール基板側に有る I2C制御線の SCLと SDAに有るプルアップ抵抗を取る（連結した時にプルアップ抵抗値が合成されてしまう）
　※モジュール基板側の充電回路を無効化する為に SCLのシルク印刷の上の抵抗を取り除く。RTCバックアップ電池として充電対応の LIR2032型番の電池を使う場合は取り除かなくても大丈夫。今回は RTCバックアップ電池として通常の CR2032を使用するので取り除いた。

・Maxim DS3231 RTC ZS-042 I2C リアルタイムクロックモジュール AT24C32付き

・加速度センサ Freescale MMA7455 13549J2H I2C 3軸加速度センサーモジュール

　※モジュール基板側に有る I2C制御線の SCLと SDAに有るプルアップ抵抗を取る（連結した時にプルアップ抵抗値が合成されてしまう）
　※モジュール基板側の電源レギュレータを取り除く。ラズパイ基板から直に +3.3Vを供給できるので +5Vから +3.3Vを生成する電源レギュレータを取り除く。

・加速度センサ Freescale MMA7455 13549J2H I2C 3軸加速度センサーモジュール

・地磁気センサ HMC5883L CJ-M49 I2C コンパスモジュール（3軸地磁気センサ）

　※モジュール基板側に有る I2C制御線の SCLと SDAに有るプルアップ抵抗を取る（連結した時にプルアップ抵抗値が合成されてしまう）
　※モジュール基板側の電源レギュレータを取り除く。ラズパイ基板から直に +3.3Vを供給できるので +5Vから +3.3Vを生成する電源レギュレータを取り除く。

・地磁気センサ HMC5883L CJ-M49 I2C コンパスモジュール（3軸地磁気センサ）

・各種センサーのモジュール基板上の不要部品を取り除いた所

　※モジュール基板側に有る I2C制御線の SCLと SDAに有るプルアップ抵抗を取る（連結した時にプルアップ抵抗値が合成されてしまう）
　※モジュール基板側の電源レギュレータを取り除く。ラズパイ基板から直に +3.3Vを供給できるので +5Vから +3.3Vを生成する電源レギュレータを取り除く。

● Raspbian OS Stretchで I2C-I/Fを有効にする方法

・2018/05/01

Raspberry Piの I2C機能を有効化する方法、最新の Raspbian Stretch対応 2018年版
ラズパイの I2C機能を有効にして各種センサーを繋げる方法まとめ

・2016/03/26

Raspberry Pi 3で標準とは別の GPIO端子の I2C機能を有効化する方法（I2C-3編）
ラズパイ３の GPIO23と GPIO24で I2C機能を有効にする方法まとめ

● センサデバイスの I2Cアドレス一覧 IICアドレス一覧と使用方法

加速度センサ	MMA7455L NXP	使い方の説明	0x1D	（W:0x32 R:0x33）	MMA7455 三軸加速度センサモジュール AQM0802Aと一緒に使えない相性？
地磁気センサ	HMC5883L Honeywell	使い方の説明	0x1E	（W:0x3C R:0x3D）	CJ-M49 デジタルコンパスモジュール 3軸地磁気センサ
RFID NFCリーダライタ	NXP PN532	使い方の説明	0x24	（W:0x48 R:0x49）	ELECHOUSE NFC MODULE V3
8ビット I/Oエクスパンダ	PCF8574 Texas Instruments	使い方の説明	0x2F	（W:0x5E R:0x5F）	FC-113 PCF8574 キャラクタ液晶モジュール接続用
キャラクタ液晶 8文字x2行	秋月 AQM0802A ST7032 Sitronix	使い方の説明	0x3E	（W:0x7E R:0x7F）	秋月の AQM0802液晶はラズパイ側の回路が原因の癖が有ります。 MMA7455と一緒に使えない相性？ PCA9515AD I2Cバスリピーターとの併用を推奨
キャラクタ液晶モジュール１６文字×２行	秋月 AQM1602A ST7032 Sitronix	使い方の説明	0x3E	（W:0x7E R:0x7F）	秋月の AQM1602A液晶モジュール
湿度センサ	HTU21D TE Connectivity	使い方の説明	0x40	（W:0x80 R:0x81）	GY-21 温度、湿度センサーモジュール
AD/DA変換	PCF8591 NXP	使い方の説明	0x48	（W:0x90 R:0x91）	YL-40 8ビットA/D & D/Aコンバータ
温度センサ	LM75A Texas Instruments	使い方の説明	0x4F A0-A2=H	（W:0x9E R:0x9F）	A0～A2を "H"に設定で 0x4F デフォルト 0x48
3軸加速度センサ	ADXL345 Analog Devices	使い方の説明	0x53	（W:0xA6 R:0xA7）	GY-291 ３軸加速度センサモジュール
I2Cメモリ	AT24C32 （4KBメモリ）		0x57	（W:0xAE R:0xAF）	ZS-042 下記の RTCモジュールに搭載
RTC リアルタイムクロック	DS3231 現 Maxim 旧 Dallas Semiconductor	使い方の説明	0x68	（W:0xD0 R:0xD1）	ZS-042 温度補償水晶発振器（TCXO）および水晶を内蔵する低コスト、超高精度 I2Cリアルタイムクロック（RTC）
赤外線アレイセンサ	AMG8833 Panasonic	使い方の説明	0x68	（W:0xD0 R:0xD1）	AMG8833 赤外線アレイセンサ Grid-EYEモジュールサーモグラフィーごっこが可能
6軸ジャイロ＋加速度センサ	MPU-6050 InvenSense	使い方の説明	0x68 ADO=L	（W:0xD0 R:0xD1）	GY-521 三軸加速度センサ・三軸ジャイロセンサモジュール、 AD0端子プルアップ時=0x69、 AD0端子プルダウン時=0x68
9軸ジャイロ＋加速度＋地磁気センサ	MPU-9150 InvenSense		0x69	（W:0xD0 R:0xD1）	MPU-6050に地磁気センサーを追加した最強センサー
9軸ジャイロ＋加速度＋地磁気センサ	MPU-9250 InvenSense		0x69	（W:0xD0 R:0xD1）	MPU-9150の改良型、３軸加速度 + ３軸ジャイロ + ３軸コンパス
気圧/気温/高度センサ	BMP180 Bosch Sensortec		0x77	（W:0xEE R:0xEF）	BMP085の改良型
気圧/温度/高度センサ	BMP280 Bosch Sensortec	使い方の説明	0x76 SDO=L	（W:0xEC R:0xED）	BMP180の改良型、温度・気圧（高度）センサー SDO端子プルアップ時=0x77、 SDO端子プルダウン時=0x76
湿度/気圧/温度/高度センサ	BME280 Bosch Sensortec		0x76 SDO=L	（W:0xEC R:0xED）	BMP280の進化型、湿度・温度・気圧（高度）の 4種類の環境情報を取得できる（湿度が追加になった） SDO端子プルアップ時=0x77、 SDO端子プルダウン時=0x76
照度、近接センサ	APDS-9930 Broadcom	使い方の説明	0x39	（W:0x72 R:0x73）
RGB色センサ、ジェスチャー、照度、近接センサ	APDS-9960 Broadcom	使い方の説明	0x39	（W:0x72 R:0x73）
RGB色センサ	TCS34725 TAOS	使い方の説明	0x29	（W:0x52 R:0x53）
12点静電タッチセンサ	MPR121 Freescale Semiconductor	使い方の説明	0x5A	（W:0xB4 R:0xB5）
有機LEDモジュール 128x64 0.96インチ	SSD1306 SOLOMON SYSTECH	使い方の説明	0x3C	（W:0x78 R:0x79）	DC='L'で 0x3C、DC='H'で 0x3D

　センサー類は必要な GPIOピンが 2本で済む I2C通信方式のデバイスで揃えました。
　また、全てのデバイスの信号電圧レベルは +3.3Vです。
　制御アドレスが異なるセンサーモジュール同士は同一の I2Cバスに接続してラズパイで使用する事ができます。

　※ MMA7455と一緒に使用すると ST7032iコントローラが認識されない。I2Cデバイス間の相性？ I2C配線の引き回し？

　※ ST7032iには STARTコンディションの前に、バス調停のSCLパルスがあると、誤動作してACKを返さないバグが有るそうです。
ストロベリー・リナックス ST7032 低電圧Ｉ２Ｃ液晶モジュールアプリケーションノート
　ごみが直前にあるとその後正しいシーケンスで通信しても ST7032は通信に失敗します。

　※ AQM0802A液晶モジュール使用時のＩ２Ｃバスのプルアップ抵抗は１０ｋΩを推奨いたします。（ラズパイ側で 1.8kΩでプルアップされているのが問題）
　※ Raspberry Pi 全シリーズに共通する仕様の制約から、AQMシリーズの液晶を接続する場合にはバッファ（I2Cバスリピーター、例：PCA9515AD）を介して接続してください。
Ｉ２Ｃ接続小型ＬＣＤモジュール（８ｘ２行）ピッチ変換キットの質問と回答

● Raspberry Piのコンソール上で使用する各種コマンド

　Raspberry Piのコンソール上で使用する各種コマンドは下記にまとめました。

・2016/03/26

Raspberry Pi 3の Linuxコンソール上で使用する各種コマンドまとめ
ラズパイの Raspbian OSのコマンドラインで使用する便利コマンド、負荷試験や CPUシリアル番号の確認方法等も

Tags: [Raspberry Pi], [電子工作]

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