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[NEW] 2016/03/26

Raspberry Pi 3の GPIOに I2C通信方式の RTC リアルタイムクロックを接続する方法 Raspberry Pi 3の GPIOに I2C通信方式の RTC リアルタイムクロックを接続する方法

(ラズパイ3で I2Cの RTC ZS-042 DS3231モジュール基板を使用する方法)

Tags: [Raspberry Pi 3], [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。


● Raspberry Pi3の GPIO端子の I2C機能を有効化して RTC DS3231リアルタイムクロックを接続する

 Raspberry Pi3の GPIO端子の I2C機能を有効化して RTC DS3231リアルタイムクロックを接続します。
 ラズパイには RTC機能が無く、電源が切れると現在時刻が失われてしまいます。
 ZS-042 RTC DS3231 リアルタイムクロックモジュールにはリチウム電池によるバッテリバックアップ機能も有るのでこれを使用します。
 ZS-042モジュールには オマケで AT24C32の 4KBの不揮発メモリも搭載しています。

 ※モジュール基板側に有る I2C制御線の SCLと SDAに有る 4連の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く。
 ※モジュール基板の左右の SCL、SDA、VCC、GNDは各端子同士で繋がっている。

 DSで始まる型番なので Dallas Semiconductor Corp.由来の製品である事がわかる。(マキシムは 2001年にダラスセミコンダクタコーポレーションを買収した。)
 ちなみに、ダラス・セミコンダクタ社は 1-Wire LANと言う配線 1本で通信する 1ワイヤ・バス・システムを開発した。これは MicroLANとも呼ばれる。
 実際には GND(アース線)も含めて 2本の配線を用い、 300メートルの範囲に散在する数百個のセンサや制御機器を芋づる方式あるいはスター方式で接続し、各センサの情報をホストコントローラに収集したり、簡単な制御を行う事が出来ます。
 1-Wireの実験はデジタル温度センサ 1Wire DS18B20で行ないます。

DS3231 超高精度I²C内蔵RTC/TCXO/水晶 - Maxim
,[PDF]DS3231 超高精度I²C内蔵RTC/TCXO/水晶 - Maxim

・ZS-042 RTC DS3231 リアルタイムクロックモジュール基板回路図
ZS-042 RTC DS3231 リアルタイムクロックモジュール基板回路図


・Maxim RTC DS3231 Block Diagram
Maxim RTC DS3231 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 RTC DS3231リアルタイムクロックモジュール ZS-042を接続する

 ZS-042 RTC DS3231リアルタイムクロックモジュール基板を使用して I2C接続の実験を行ないます。

 ZS-042 RTC DS3231リアルタイムクロック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。


HiLetgo Arduino クロックモジュール DS3231 AT24C32 IIC メモリー モジュール [並行輸入品]
ASIN: B011DT3E36

EasyWordMall DC 3.3-5.5V DS3231 AT24C32 高精度リアルタイムクロックモジュール [並行輸入品]
ASIN: B00YQZFMMQ

DC 3.3-5.5V DS3231高精度リアルタイムクロックモジュール コンデンサ
ASIN: B01DDAYI4C

 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) ZS-042 DS3231モジュールの SCLを ラズパイの GPIOの SCL(GPIO3)(紫色)
 (2) ZS-042 DS3231モジュールの SDAを ラズパイの GPIOの SDA(GPIO2)(青色)
 (3) ZS-042 DS3231モジュールの GNDを ラズパイの GPIOの GND(GND) (灰色)
 (4) ZS-042 DS3231モジュールの VCCを ラズパイの GPIOの +3.3V(3V3)(緑色)

・Raspberry Piの I2C機能を有効にして GPIO端子に DS3231の RTC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 DS3231の RTC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 I2C I/Fの周辺機器を接続する
Raspberry Piの I2C機能を有効にして GPIO端子に I2C I/Fの周辺機器を接続する


・Raspberry Piの I2C機能を有効にして GPIO端子に DS3231の RTC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 DS3231の RTCモジュールを接続する
 ※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。

・Raspberry Piの I2C機能を有効にして GPIO端子に DS3231の RTC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 DS3231の RTCモジュールを接続する


● DS3231の RTCモジュールと Raspberry Piの接続の様子
・Raspberry Piの I2C機能を有効にして GPIO端子に DS3231の RTC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 DS3231の RTC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 DS3231の RTC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 DS3231の RTC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 DS3231の RTC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 DS3231の RTCモジュールを接続する
 ※ モジュール基板側のプルアップ抵抗を取り除いた所



●ラズパイ3で I2C端子に接続した RTC DS3231を確認する

 $ sudo 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
 ※ ZS-042 DS3231の RTCモジュールを接続していると 0x57と 0x68に検出している事が分かる
 0x57は AT24C32の 4KB不揮発メモリ
 0x68は RTC DS3231のリアルタイムクロック

・Raspberry Piで i2cdetectコマンドで I2C接続した ZS-042 DS3231の RTCモジュールを確認する
Raspberry Piで i2cdetectコマンドで I2C接続した ZS-042 DS3231の RTCモジュールを確認する



 modprobeコマンドで rtc-ds3232機能を有効にする。
$ sudo modprobe -c | grep 3231
alias i2c:ds3231 rtc_ds1307

$ sudo modprobe rtc-ds3232

 Raspbian OSが DS3231を認識する前は hwclockコマンドがエラーになる
$ sudo hwclock -r
hwclock: Cannot access the Hardware Clock via any known method.
hwclock: Use the --debug option to see the details of our search for an access method.

 ds3231の I2Cアドレス 0x68を new_deviceに設定して Raspbian OSに認識させる。
$ echo ds3231 0x68 | sudo tee /sys/class/i2c-adapter/i2c-1/new_device
ds3231 0x68

 Raspbian OSが DS3231を認識した後は hwclockコマンドが正常に動く
$ sudo hwclock -r
Sat 01 Jan 2000 00:00:47 UTC  -0.583639 seconds

$ date
Sun 27 Mar 14:22:41 UTC 2016

$ sudo hwclock -w

$ sudo hwclock -r
Sun 27 Mar 2016 14:22:52 UTC  -0.341080 seconds
・Raspberry Piで i2cdetectコマンドで I2C接続した ZS-042 DS3231の RTCモジュールを確認する
Raspberry Piで i2cdetectコマンドで I2C接続した ZS-042 DS3231の RTCモジュールを確認する



 最初は RTCの時刻は 2000年 1月と初期値になっているが、モジュール基板裏にバッテリを入れて RTCをバッテリバックアップすると、ラズパイの電源を切断しても日時を記憶している。
$ sudo modprobe rtc-ds3232

$ echo ds3231 0x68 | sudo tee /sys/class/i2c-adapter/i2c-1/new_device
ds3231 0x68

 DS3231 RTCモジュールの時刻情報を読み出す(初期状態なので 2000年になっている)
$ sudo hwclock -r
Sat 01 Jan 2000 00:00:47 UTC  -0.583639 seconds

 現在の OSのシステム時刻を読み出す(ネットワークから NTP経由で自動取得している)
$ date
Sun 27 Mar 13:05:46 UTC 2016

 現在の OSのシステム時刻を DS3231 RTCモジュールに書き込む
$ sudo hwclock -w

 DS3231 RTCモジュールの時刻情報を読み出す
$ sudo hwclock -r
Sun 27 Mar 2016 13:05:53 UTC  -0.666041 seconds

$ sudo shutdown -h now

$ sudo modprobe rtc-ds3232

$ echo ds3231 0x68 | sudo tee /sys/class/i2c-adapter/i2c-1/new_device
ds3231 0x68

 DS3231 RTCモジュールの時刻情報を読み出す(バッテリを接続しているので保持している)
$ sudo hwclock -r
Sun 27 Mar 2016 13:07:11 UTC  -0.675542 seconds

 DS3231 RTCモジュールの時刻情報を OSのシステム時刻に書き込む
$ sudo hwclock -s
・Raspberry Piで i2cdetectコマンドで I2C接続した ZS-042 DS3231の RTCモジュールを確認する
Raspberry Piで i2cdetectコマンドで I2C接続した ZS-042 DS3231の RTCモジュールを確認する





● 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MMA7455L0x1D(W:0x32 R:0x33)MMA7455
AQM0802Aと一緒に使えない相性?
使い方の説明
地磁気センサHMC5883L0x1E(W:0x3C R:0x3D)CJ-M49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
キャラクタ液晶
8文字x2行
秋月 AQM0802A
ST7032
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?
使い方の説明
湿度センサHTU21D0x40(W:0x80 R:0x81)GY-21使い方の説明
AD/DA変換PCF85910x48(W:0x90 R:0x91)YL-40使い方の説明
温度センサLM75A0x4F
A0-A2=H
(W:0x9E R:0x9F)A0~A2を "H"に設定
デフォルト 0x48
使い方の説明
3軸加速度センサADXL3450x53(W:0xA6 R:0xA7)GY-291使い方の説明
RTC
リアルタイムクロック
DS32310x68(W:0xD0 R:0xD1)ZS-042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-60500x68
ADO=L
(W:0xD0 R:0xD1)GY-521、
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-91500x69(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-92500x69(W:0xD0 R:0xD1)MPU-9150の改良型
気圧センサBMP1800x77(W:0xEE R:0xEF)BMP085の改良型
気圧センサBMP2800x76
SDO=L
(W:0xEC R:0xED)BMP180の改良型、
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
照度、近接センサAPDS-99300x39(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-99600x39(W:0x72 R:0x73)使い方の説明
RGB色センサTCS347250x29(W:0x52 R:0x53)使い方の説明
12点 静電タッチセンサMPR1210x5A(W:0xB4 R:0xB5)使い方の説明
有機LEDモジュールSSD13060x3C(W:0x78 R:0x79)DC='L'で 0x3C、DC='H'で 0x3D使い方の説明

 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
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Tags: [Raspberry Pi 3], [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。
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