ラズパイでI2C通信を行う - ハードウェア技術者のスキルアップ日誌

ラズパイを使ってハードウェアを制御するシリーズ、第三回目はI2C通信です。
今回は実際にデバイスをラズパイに接続して動作確認を行ったので、その手法も合わせてまとめておきたいと思います。

I2Cとは？

I2Cは Inter-Integrated Circuit の略でアイ・スクエアード・シーと読みます。
SCL, SDAの二本の信号線からなるシリアルバスです。

規格の詳細は割愛しますが、こちらに日本語の規格仕様書がアップされています。http://ekousaku.web.fc2.com/doc/I2C.pdf

ラズパイとデバイスの接続

ラズパイでI2Cを使用するにはデバイスと以下のように接続します。
I2Cの端子はオープンコレクタなので、外付けのプルアップ抵抗が必要です。センサーモジュールをお使いの場合はそちらに実装されていることがあるので、回路図で確認してください。

ラズパイのI2C端子は設定を変えることでGPIO2をSDAに, GPIO3をSCLに割り当てることができます。

　 f:id:masashi_k:20200503223555p:plain

今回はアナログデバイセズの加速度センサーADXL345を使って動作確認をしてみます。
（こちらのサイトからモジュールを購入しました）
http://akizukidenshi.com/catalog/g/gM-06724/
データシート
http://akizukidenshi.com/download/ds/freescale/ADXL345_jp.pdf

センサーモジュールとの接続は以下の回路図のようにしました。CS端子とVDDを接続するとI2Cモードで動作するようになります。

　　 f:id:masashi_k:20200503231353p:plain

実際の接続（まだ電源は入れていません）

f:id:masashi_k:20200503231802j:plain

I2Cを使うための設定

Rasbianのデフォルト設定ではラズパイでI2Cを使うことはできません。
GUIの設定メニューからI2Cを有効にします。

設定ーRaspberry Piの設定ーインターフェース

f:id:masashi_k:20200503232411p:plain

f:id:masashi_k:20200503232554p:plain

I2Cを有効にした後、再起動するとI2Cが使用できるようになります。

デバイスがI2C接続で認識されているかを確認するために以下のコマンドを実行します。

$ i2cdetect -y 1

正しく認識されると以下のように表示されます。0x1dが接続されている加速度センサーのスレーブアドレスです。

     0  1  2  3  4  5  6  7  8  9  a  b  c  d  e  f
00:          -- -- -- -- -- -- -- -- -- -- -- -- --
10: -- -- -- -- -- -- -- -- -- -- -- -- -- 1d -- --
20: -- -- -- -- -- -- -- -- -- -- -- -- -- -- -- --
30: -- -- -- -- -- -- -- -- -- -- -- -- -- -- -- --
40: -- -- -- -- -- -- -- -- -- -- -- -- -- -- -- --
50: -- -- -- -- -- -- -- -- -- -- -- -- -- -- -- --
60: -- -- -- -- -- -- -- -- -- -- -- -- -- -- -- --
70: -- -- -- -- -- -- -- --

Pythonライブラリのインストール

ラズパイのpythonでI2C通信を行うにはWiringPiライブラリを使用します。
pipコマンドでインストールします。

$ pip3 install wiringpi

I2Cで通信を行うプログラム

上記でインストールしたWiringPiライブラリを使って値を読み書きするサンプルコードを以下に示します。

import wiringpi

slv_addr = 0x1D   #デバイスのスレーブアドレス
read_addr = 0x00   #デバイス内でアクセスしたいアドレス
write_addr = 0x1E    #デバイス内でアクセスしたいアドレス
write_data = 0x08   #書き込むデータ値

#初期設定
wiringpi.wiringPiSetup()
i2c = wiringpi.I2C() #get I2C
Fd = i2c.setup(slv_addr) #setup I2C device

#アドレス"read_addr"の値を読み出す
read_data = i2c.readReg8(Fd, read_addr)
print('read_data = 0x{:02x}'.format(read_data))  # デバイスID 11100101 が読めるはず
#>>read_data = 0xe5

#アドレス"write_addr"に対してwrite_dataを書き込む
i2c.writeReg8(Fd, write_addr , write_data)

#正しく書き込めたことを確認
read_data = i2c.readReg8(Fd, write_addr)
print('write_data = 0x{:02x}'.format(read_data)) 
#>>write_data = 0x08

read, writeとも8bit用の関数を使用していますが、16bitの関数も準備されています。

int wiringPiI2CWriteReg8 (int fd, int reg, int data) ;
int wiringPiI2CWriteReg16 (int fd, int reg, int data) ;
int wiringPiI2CReadReg8 (int fd, int reg) ;
int wiringPiI2CReadReg16 (int fd, int reg) ;

wiringpiのサイト
http://wiringpi.com/reference/i2c-library/

リアルタイムに3軸加速度を読み出すプログラム

i2cのアクセス関数を用いてリアルアイムにx,y,z方向の加速度を読み出すプログラムを作りましたので、参考までに乗せておきたいと思います。

import wiringpi
import time

slv_addr = 0x1D

#初期設定
wiringpi.wiringPiSetup()
i2c = wiringpi.I2C() #get I2C
Fd = i2c.setup(slv_addr) #setup I2C device

i2c.writeReg8(Fd, 0x2D , 0x08) #測定スタート

try:
    while True:
        #x,y,z方向の加速度を取得(2の補数表現)
        x_data = i2c.readReg16(Fd, 0x32)
        y_data = i2c.readReg16(Fd, 0x34)
        z_data = i2c.readReg16(Fd, 0x36)
        #2の補数を10進に変換
        if(x_data & 0x8000):
            x_data = ((~x_data & 0xFFFF) + 1)*-1
        if(y_data & 0x8000):    
            y_data = ((~y_data & 0xFFFF) + 1)*-1
        if(z_data & 0x8000):
            z_data = ((~z_data & 0xFFFF) + 1)*-1
        #加速度に変換（Dレンジ ±2g）
        x_data = 2 * 9.8 * x_data / 0x7FFF
        y_data = 2 * 9.8 * y_data / 0x7FFF
        z_data = 2 * 9.8 * z_data / 0x7FFF
        print('x: {:2.2f}, y: {:2.2f}, z: {:2.2f} [m/s^2]'.format(x_data, y_data, z_data))
        time.sleep(0.1)
    
except KeyboardInterrupt:
    print('!FINISH!')