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I2CでRaspberry Piから 複数の周辺機器を制御する
- 1. I2CでRaspberry Piから 複数の周辺機器を制御する 2016-06-10 サイボウズラボ 西尾泰和 (兼 「未踏IoT開発合宿 #1」参加報告)
- 2. このスライドの目的 • 一般社団法人未踏のIoT研究会による 「未踏IoT開発合宿 #1」に参加した • いままであやふやだったI2Cに関する理解が 深まったので忘れないうちに解説する • 付録として合宿でどんなことをやったかを 報告する 2
- 7. シリアル通信 具体的な実現方法がいくつもある • UART • USART • SPI • I2C • USB 7
- 9. UART以外の呼ばれ方(余談) 9 「RS-232C」や「シリアル」と呼ぶ人もいる。厳密に言えばUARTは回路の名前で、 通信プロトコル自体には名前にコンセンサスが存在しない状態。 昔はコンピュータに「シリアルポート」がついてて、RS-232C規格に従って通信できた。 その25本or9本のピンのうちの3本がGND, TX, RXで、それが電子回路との通信に使われた が、最近はシリアルポートがないものが多いので「USBシリアル変換アダプタ」を使う。 https://www.switch-science.com/catalog/1032/ 画像出典 https://ja.wikipedia.org/wiki/RS-232
- 10. UART Universal Asynchronous Receiver/Transmitter 非同期＝クロック信号を共有していない。 どういう周期で信号線を読めばいいかわからない →周期は事前に決めておく。(ボーレート) 例えばRaspberry Piにシリアル接続するなら 115200ボー、1秒に115200回読む。 10
- 13. USART Universal Synchronous/Asynchronous Receiver/Transmitter UARTに同期のためのクロック信号を付けたもの。 つまりGND, TX, UX, CLKの4本。 筆者は使ったことがない。後述のSPIがメジャー になり、あえて使う理由がなくて使われなくなっ たという理解。 13
- 18. SPI Serial Peripheral Interface USARTの「TX→周辺機器RX」に相当する信号線 がMOSIと呼ばれる*。逆方向の信号線(MISO)、 クロック信号(SCLK)、図に書かれていないGND、 とここまではUSARTまでに出てきたものと同じ。 スレーブセレクト(SS)がSPIの特徴。 18 画像出典 https://ja.wikipedia.org/wiki/シリアル・ペリフェラル・インタフェース * Master Out Slave In
- 20. I2C Inter-Integrated Circuit。発音はI-squared-C。 日本だと「IスケアC」と書いてあることもある* 周辺機器に7bitのアドレスが決まっており、 そのアドレスを指定して通信する。 ** 配線はGND含めて3本と、USARTよりさらに少な い。入力も出力も1本の信号線でやるため。 20 * シリアルＩスケアＣ ＥＥＰＲＯＭ ２４ＦＣ２５６－Ｉ／Ｐ: マイコン関連 秋月電子 http://akizukidenshi.com/catalog/g/gI-03568/ ** イーサネットの方が身近な人のために例えると、ネットワーク機器にMACアドレスが ついているようなもの。もちろんMACはI2Cより後に生まれた。
- 21. I2C SDA(データ)とSCL(クロック信号)の2本と、 図に書かれていないGNDを接続する。 ここまでのおさらい UART GND, TX, RX USART GND, TX, RX, CLK SPI GND, MOSI, MISO, SCLK, SS I2C GND, SDA, SCL 21 https://ja.wikipedia.org/wiki/I2C
- 22. 余談(USB) UART～I2Cと色々なシリアル通信の方法があり、 SPIとI2Cはバスを採用していることを解説した。 この延長線にあるのがUSB(Universal Serial Bus) USBはGNDと、信号線D+/-と*、電力供給のVBUS の4本からなる。クロックはD+/-の差分を使って 伝える。(信号線が2本なところは同じ) 22 * Dが2本ある理由: ケーブルが電波を受けた時に2本に同じようにノイズが乗るので、差 分を取ることでノイズ除去できる。あとクロック。 https://en.wikipedia.org/wiki/USB
- 23. I2Cのプロトコル 雑な説明 1. マスター: アドレス(7bit)、Read/Write(1/0)、 を送る(1ビットずつ、SDAに出力して、クロッ クを出力して、を繰り返す) 2. マスター: クロック信号を発行する スレーブ: クロック信号に合わせてSDAに出力 する マスター: それを読む ACKとかに関しては後で詳しく書くので省略 23 Q: スレーブからデータを読むときもマスターがクロックを発行する？ A: Yes、付録参照
- 28. Raspberry Piにつなぐ Raspberry Pi 3のピン番号1, 3, 5, 9がそれぞれ 3.3V、SDA1、SCL1、GNDなのでそこへつなぐ 28 奥に3本あるのは本題と関係ない。6, 8, 10がGND, TX, RXで、PCからUSB-UARTを使って シリアルコンソールに接続して作業している。
- 29. i2cdetect つながっている周辺機器のアドレスがわかる (液晶が3e、温度センサが48) 29 $ i2cdetect -y 1 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 a b c d e f 00: -- -- -- -- -- -- -- -- -- -- -- -- -- 10: -- -- -- -- -- -- -- -- -- -- -- -- -- -- -- -- 20: -- -- -- -- -- -- -- -- -- -- -- -- -- -- -- -- 30: -- -- -- -- -- -- -- -- -- -- -- -- -- -- 3e -- 40: -- -- -- -- -- -- -- -- 48 -- -- -- -- -- -- -- 50: -- -- -- -- -- -- -- -- -- -- -- -- -- -- -- -- 60: -- -- -- -- -- -- -- -- -- -- -- -- -- -- -- -- 70: -- -- -- -- -- -- -- --
- 30. ソースコード 30 https://gist.github.com/nishio/6892f3de5d8b54153212c51f5e21f772 import smbus from time import sleep bus = smbus.SMBus(1) addr = 0x3e # initialization data = [0x38, 0x39, 0x14, 0x70, 0x56, 0x6c, 0x38, 0x0c, 0x01] wait = [1, 1, 1, 1, 1, 400, 1, 1, 2] # ms for d, w in zip(data, wait): print 'write', hex(d), 'wait', w, 'ms' bus.write_byte_data(addr, 0b00000000, d) sleep(w / 1000.0) def cls(): bus.write_byte_data(addr, 0b00000000, 0b00000001) char_table = {} for i, c in enumerate('0123456789'): char_table[c]= 0b00110000 + i char_table['.'] = 0b00101110 def write(s): for c in s: bus.write_byte_data(addr, 0b01000000, char_table[c]) def write_deg_mark(): bus.write_byte_data(addr, 0b01000000, 0b11011111) bus.write_byte_data(addr, 0b01000000, 0b01000011) def get_temp(): addr = 0x48 v0, v1 = bus.read_i2c_block_data(addr, 1, 2) temp = ((v0 << 8) + v1 >> 3) / 16.0 return "%2.1f" % temp if __name__ == '__main__': while True: cls() write(get_temp()) write_deg_mark() sleep(0.5)
- 31. SMBus Pythonから制御するにはsmbusライブラリを使う SMBus(System Management Bus)はI2Cから派生 したプロトコルで、このライブラリでもI2Cを読 み書きできる。 31 I2C and SMBus Subsystem https://www.kernel.org/doc/htmldocs/device-drivers/i2c.html
- 33. 温度計算式 33
- 35. 液晶 「難しかったポイント」につまずく前に 講師の上田さんに教えてもらった。 • WRITEしか受け付けないのでR/Wは常に0 • Instruction WriteとData Writeの2つのコマンド がある • まず9回のIWを適切な待ち時間を挟みつつ発行 して初期化する必要がある • その後文字コード表を見ながら適切なコード をDWすれば文字が出る。 35
- 39. ボーレートを下げる $ sudo modprobe -r i2c_bcm2708 $ sudo modprobe i2c-bcm2708 baudrate=100 $ dmesg # 確認 [ 8.506891] bcm2708_i2c 3f804000.i2c: BSC1 Controller at 0x3f804000 (irq 79) (baudrate 100000) [ 436.079216] bcm2708_i2c 3f804000.i2c: BSC1 Controller at 0x3f804000 (irq 79) (baudrate 3814) 3814Baudまでしか下がらないみたい。 39
- 41. 2回やって比較してみる 41 take 1 01001000 H__HH_H_HH_H_H_H_H __HH_____HHH______ 00000000 10 _H_H_H_H_H_H_H_H_HH _H_H __________________H HH__ 01001000 10 _HHH__HH_H_H_H_H_H_H _H_H __H__HH_____HH______ HH__ 00001100 _H_H_H_H_H_HH_H_H ________HHHH_____ 11001000 10 _H_H_H_H_H_H_H_H _H_HH HHHH____HH______ HH__H take 2 1001000 __H_H_H_H_H_H_H _HH____HH______ 00000000 01 _H_H_H_H_H_H_H_H _H_H ________________ __HH 0 01001000 10 _H _HHH__H_H_H_H_H_H_HH _H_H __ __H__HH____HH______H HH__ 00001101 _H_H_H_HH_H_HH_H_HH ________HHHHH___HH_ 00010000 10 _H_H_H_HH_H_H_H_H_H_HH ______HH_________HH__H
- 42. アドレス48=1001000 42 take 1 01001000 H__HH_H_HH_H_H_H_H __HH_____HHH______ 00000000 10 _H_H_H_H_H_H_H_H_HH _H_H __________________H HH__ 01001000 10 _HHH__HH_H_H_H_H_H_H _H_H __H__HH_____HH______ HH__ 00001100 _H_H_H_H_H_HH_H_H ________HHHH_____ 11001000 10 _H_H_H_H_H_H_H_H _H_HH HHHH____HH______ HH__H take 2 1001000 __H_H_H_H_H_H_H _HH____HH______ 00000000 01 _H_H_H_H_H_H_H_H _H_H ________________ __HH 0 01001000 10 _H _HHH__H_H_H_H_H_H_HH _H_H __ __H__HH____HH______H HH__ 00001101 _H_H_H_HH_H_HH_H_HH ________HHHHH___HH_ 00010000 10 _H_H_H_HH_H_H_H_H_H_HH ______HH_________HH__H 意外なことに2か所あるし やり取りの長さが違って 「2バイト読むから2回」 ってわけでもなさそうだ。
- 43. 返り値 43 take 1 01001000 H__HH_H_HH_H_H_H_H __HH_____HHH______ 00000000 10 _H_H_H_H_H_H_H_H_HH _H_H __________________H HH__ 01001000 10 _HHH__HH_H_H_H_H_H_H _H_H __H__HH_____HH______ HH__ 00001100 _H_H_H_H_H_HH_H_H ________HHHH_____ 11001000 10 _H_H_H_H_H_H_H_H _H_HH HHHH____HH______ HH__H take 2 1001000 __H_H_H_H_H_H_H _HH____HH______ 00000000 01 _H_H_H_H_H_H_H_H _H_H ________________ __HH 0 01001000 10 _H _HHH__H_H_H_H_H_H_HH _H_H __ __H__HH____HH______H HH__ 00001101 _H_H_H_HH_H_HH_H_HH ________HHHHH___HH_ 00010000 10 _H_H_H_HH_H_H_H_H _H_HH ______HH_________ HH__H
- 47. 比較してみる 47 take 1 01001000 H__HH_H_HH_H_H_H_H __HH_____HHH______ 00000000 10 _H_H_H_H_H_H_H_H_HH _H_H __________________H HH__ 01001000 10 _HHH__HH_H_H_H_H_H_H _H_H __H__HH_____HH______ HH__ 00001100 _H_H_H_H_H_HH_H_H ________HHHH_____ 11001000 10 _H_H_H_H_H_H_H_H _H_HH HHHH____HH______ HH__H take 2 1001000 __H_H_H_H_H_H_H _HH____HH______ 00000000 01 _H_H_H_H_H_H_H_H _H_H ________________ __HH 0 01001000 10 _H _HHH__H_H_H_H_H_H_HH _H_H __ __H__HH____HH______H HH__ 00001101 _H_H_H_HH_H_HH_H_HH ________HHHHH___HH_ 00010000 10 _H_H_H_HH_H_H_H_H_H_HH ______HH_________HH__H S Addr Wr [A] Comm [A] S Addr Rd [A] [DataLow] A [DataHigh] NA P
- 48. 比較結果 • Write (‘0’)はどこ？ • アドレス後のACKは？ • コマンド後のが01だったり10だったり …もしかしてコマンド00000000じゃなくて これの頭の2bitがWriteとACKかも？ • データの間にACKがあるはずでは？ →一部のbitが欠けているのでは 48
- 49. 並べて書いてみる 49 take 1 0 1001000 0 0 00000010 0 0 1001000 1 0 00001100 0 11001000 1 0 take 2 0 1001000 0 0 # S Addr Wr [A] 000000010 0 # Comm [A] 0 1001000 1 0 # S Addr Rd [A] 00001101 0 # [DataLow] [A] 00010000 1 0 # [DataHigh] NA P S Addr Wr [A] Comm [A] S Addr Rd [A] [DataLow] A [DataHigh] NA P あるはずなのにないものを赤字で書いた →あるはずのACKがないが本当にないのか？
- 56. アドレス=1001000 アドレス送信後 0 0 00000001 0 0 があって クロックが長めにHIになる。 ここまでが最初の命令。 56 _____________________HHHHHHHHHHHHHHHHHHHHHH_____________________________________ HHHHHHHHHH______________________HHHHHHHHHHH___________HHHHHHHHHHH___________HHHH _______HHHHHHHHHHHHHHHHHHHHHH___________________________________________________ HHHHHHH___________HHHHHHHHHHH___________HHHHHHHHHHH___________HHHHHHHHHHH_______ ________________________________________________________________________________ ____HHHHHHHHHHH___________HHHHHHHHHHH____________HHHHHHHHHHH___________HHHHHHHHH ________________________________________________________________________________ HH___________HHHHHHHHHHH___________HHHHHHHHHHH___________HHHHHHHHHHH___________H _______________________________________________________HHHHHHHHHHHHHHHHHHHHHH___ HHHHHHHHHH___________HHHHHHHHHHH___________HHHHHHHHHHH___________HHHHHHHHHHHH___ _________________________________________HHHHHHHHHHHHHHHHHHHHHH_________________ ________HHHHHHHHHHH___________HHHHHHHHHHHHHHHHHHHHHHHHHHHHHHHHHHHHHHHHHHHH______
- 57. 改めて比較→仕様書通り！ S 1001000 0 0 # S Addr Wr [A] 00000001 0 P # Comm [A] S 1001000 1 0 # S Addr Rd [A] 00001101 0 # [DataLow] A 01001000 1 P # [DataHigh] NA P Pのところは「クロックの立ち上がりでSDAを読 む」と0になるが、クロックがLOになる前にSDA がHIになるので0ではなくP(Stop condition) を表現しているのだとわかる。 1つ目のPは直後にSが来ることで、合わせて Repeated Start Conditionだとわかる。 57
- 63. 付録 Q: スレーブからデータを読むときもマスターが クロックを発行する？ A: Yes Q: 自分が発行してないクロックに合わせてデー タを書くとか無茶じゃない？ A: スレーブはクロックがLOになったのを見てか らデータを書き、マスターはクロックがHIになる タイミングで読めばよい。 63 HHHHHHHHHHH______________________HHHHHHHHHHHHHHHHHHHHHH_________________________ _HHHHHHHHHH___________HHHHHHHHHHH___________HHHHHHHHHHH___________HHHHHHHHHHH___ ___________________HHHHHHHHHHHHHHHHHHHHHH_______________________________________ ________HHHHHHHHHHH___________HHHHHHHHHHH___________HHHHHHHHHHH___________HHHHHH ______HHHHHHHHHHHHHHHHHHHHHH____________________________________________________ HHHHH___________HHHHHHHHHHH___________HHHHHHHHHHH___________HHHHHHHHHHH_________ _____________HHHHHHHHHHHHHHHHHHHHHH______________________HHHHHHHHHHHHHHHHHHHHHHH __HHHHHHHHHHH___________HHHHHHHHHHH___________HHHHHHHHHHHHHHHHHHHHHHHHHHHHHHHHHH 3番目の例はクロックから1サンプル遅れているので因果関係がわかりやすい