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[NEW] 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 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

 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。)


● 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出来る)
 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。(無効化出来ない)
 ※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
YL-40 PCF8591 AD/DAコンバータモジュール基板回路図


・NXP PCF8591 Block Diagram
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。

[NEW] 2016/03/26
Raspberry Pi 3で GPIO端子の I2C機能を有効化する方法
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出来ます。


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



・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


・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


・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
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
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に接続出来るその他の 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
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
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を供給出来るので +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
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)
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を供給出来るので +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)
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
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を供給出来るので +5Vから +3.3Vを生成する電源レギュレータを取り除く。




● 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
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?
使い方の説明
地磁気センサHMC5883L
Honeywell
0x1E(W:0x3C R:0x3D)CJ-M49 デジタルコンパスモジュール 3軸地磁気センサ使い方の説明
RFID NFCリーダライタNXP PN5320x24(W:0x48 R:0x49)ELECHOUSE NFC MODULE V3使い方の説明
8ビット I/OエクスパンダPCF8574
Texas Instruments
0x2F(W:0x5E R:0x5F)FC-113 PCF8574 キャラクタ液晶モジュール接続用使い方の説明
キャラクタ液晶 8文字x2行秋月 AQM0802A
ST7032
Sitronix
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
使い方の説明
キャラクタ液晶モジュール 16文字×2行秋月 AQM1602A
ST7032
Sitronix
0x3E(W:0x7E R:0x7F)秋月の AQM1602A液晶モジュール使い方の説明
湿度センサHTU21D
TE Connectivity
0x40(W:0x80 R:0x81)GY-21 温度、湿度センサーモジュール使い方の説明
AD/DA変換PCF8591
NXP
0x48(W:0x90 R:0x91)YL-40 8ビットA/D & D/Aコンバータ使い方の説明
温度センサLM75A
Texas Instruments
0x4F
A0-A2=H
(W:0x9E R:0x9F)A0~A2を "H"に設定で 0x4F
デフォルト 0x48
使い方の説明
3軸加速度センサADXL345
Analog Devices
0x53(W:0xA6 R:0xA7)GY-291 3軸加速度センサモジュール使い方の説明
RTC リアルタイムクロックDS3231
現 Maxim
旧 Dallas Semiconductor
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)使い方の説明
I2CメモリAT24C32
(4KBメモリ)
0x57(W:0xAE R:0xAF)ZS-042
6軸 ジャイロ+加速度センサMPU-6050
InvenSense
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
使い方の説明
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
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
使い方の説明
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出来る(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
0x39(W:0x72 R:0x73)使い方の説明
RGB色センサ、ジェスチャー、照度、近接センサAPDS-9960
Broadcom
0x39(W:0x72 R:0x73)使い方の説明
RGB色センサTCS34725
TAOS
0x29(W:0x52 R:0x53)使い方の説明
12点 静電タッチセンサMPR121
Freescale Semiconductor
0x5A(W:0xB4 R:0xB5)使い方の説明
有機LEDモジュール 128x64 0.96インチSSD1306
SOLOMON SYSTECH
0x3C(W:0x78 R:0x79)DC='L'で 0x3C、DC='H'で 0x3D使い方の説明1

 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。
 制御アドレスが全て異なるので全部のセンサーモジュールをラズパイに接続して使用する事が出来ます。

 ※ 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。

[NEW] 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
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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Raspberry Pi 3、シングルボードコンピュータ ラズパイ3 Raspberry Pi関連はこちらへまとめました
 下記以外にも多数のラズパイ関係の記事が有ります。
 (I2C制御、GPIO制御、1-Wire制御、シリアル通信、日本語音声合成、日本語音声認識、中国語音声合成、MeCab 形態素解析エンジン、赤外線リモコン制御、秋月 I2C液晶モジュール、KeDei 3.5インチ液晶、HDMI 5インチ液晶、NFCカードリーダ、コマンドライン操作方法等)
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