作りながら学ぶArduino+=電子工作入門

　前回、I2Cインターフェースの基本的なタイミングを見ました。今回からは、デバイスごとにWireライブラリを使って読み書きします。
　センサMCP9808の温度レジスタ（ポインタ）の読み出しは、最初に、レジスタを指定した後、読み出しだけを繰り返しました。これはマニュアルにも書かれていた、一度レジスタを設定したら、再度指定する必要はないという理由です。逆に、読み出しのたびにレジスタを指定しても、温度を読み出す動作に変わりはありません。

●MCP9808のおもなスペック

　電源電圧は2.7～5.5Vなので、5Vもしくは3.3VのArduinoで利用できます。I2Cインターフェースのデータ転送速度は0～400kHzです。Wireライブラリのデフォルトは100kHzで、高速の400kHzにはWire.setClock(400000)で変更できます。

　測定温度範囲は-40～125℃の範囲で確度±0.25°C（typ）です。データシートのAccuracyは日本では精度と訳すことが多いですが、ここでは確度という言葉を使います。typはtypicalの省略形で、代表値のことです。データシートではmin（minimal；最小値）、typ、max（maxim；最大値）が書かれていることが多いです。設計者はminの値に注目します。分解能の最大は+0.0625°C（12ビット時）です。

　利用したプリント基板はAdafruitです。スイッチサイエンスなどから入手できます。Adafruitではブレーク・アウト・ボードと呼んでいます。同様な製品はebayでもたくさん見つかります。デバイス単体はDigi-Keyでも購入できます。

●接続

　プリント基板上にA0、A1、A2のスレーブ・アドレスを設定する端子があります。回路図から、10kΩでプルダウンされているので、Lowです。データシートから0011000＝0x18です。0011は固定されていて、下位3ビットのA0からA2のいずれかをVddにつなぐことでアドレスを変更できます。

　SDAとSCLも10kΩでプルアップされています。ArduinoでこのMCP9808だけをつないで利用するときは、このまま使います。ほかにI2Cデバイスを使うときは、取り外したほうがよいでしょう。ラズパイでは本体側で1.8kΩでプルアップされているので、実験時に取り外しました。はんだゴテでチップ抵抗R1とR2を温めて外します。新規に購入した場合は、そのまま使います。チップ抵抗の表面には1002と書かれています。100×10^2=10000Ωです。

　取り去った抵抗の代わりに追加したプルアップ抵抗の2本は6.8kΩを使いました。4.7～10kΩの範囲の抵抗値なら何でもかまわないと思います。電力は1/2W、1/4W、1/6Wのいずれでも、炭素皮膜抵抗もしくは金属皮膜抵抗のどちらでもかまいません。電源5VとグラウンドGND間には、0.1uF（104）の積層セラミック・コンデンサと10～47uFのアルミ電解コンデンサを入れます。電解コンデンサはマーキングがあるほうがマイナス端子です。図では半円形のグレーのマーキングがあるので、その端子をGNDへつなぎます。黒色や茶色の電解コンデンサであれば、白い帯のマーキングがあります。コンデンサの耐圧は16～50Vの製品を使います。

　二つのコンデンサは、電源のデカップリング用です。ノイズを軽減し、安定な動作が望めます。なくても動きます。

　図では空中配線になっていますが、実際はブレッドボードを利用して配線します。

●スケッチとタイミング

　最初に、MCP9808スレーブ・アドレス0x18と温度ポインタの0x05を送ったのちストップ・コンディションになります。そのあと、2バイトの読み出しを行うために、再度スタート・コンディションになります。最初に読んだ1バイトが温度データの上位バイト、次が下位バイトであることが確認できます。デバイスによっては、上位と下位が逆になっていることがあります。

　ここで、温度ポインタ0x05を送った後Wire.endTransmission();を忘れるとどうなるかを見ます。スケッチでは0x05を送ったように見えますが、実際は読み出しだけが行われています。読み出しでは、正常な値を読み込めているようです。

　ここで、MCP9808の電源を入れなおすと次の意味不明な波形が観測できました。先ほど正常な読み出しができていたのは、温度ポインタが一度書き込まれていたので、継続してその指定が有効だったため、温度データが読めていたようです。

　Wire.endTransmission();を有効にし、読み出すデータを2バイトから5バイトに変更してみます。温度データ2バイトに続いて3バイト読み込んでいます。I2Cでは、連続読み出しをするとき、スレーブ側のポインタが自動でインクリメントされる思っていました。データシートによれば、温度データ2バイトの次には製造者IDが2バイト、デバイスIDが続きます。しかし、正しくないので、ポインタは正しく指定して2バイトずつ読み出す必要があるようです。

●温度を得る

　読み出した2バイトのデータは、次の符号付き2の補数形式です。

　temp1にはbit15～bit8が、temp2にはbit7～bit0が入っています。bit15～bit13は不要なので、

でマスクします。C言語の演算子&は論理積で、temp1 と0b00011111のどちらのビットも1なら1に、そうでないときは0になります。したがって、上位3ビットは何であっても強制的に0になり、残りの5ビットは、もとの1/0が変化しません。

　Arduinoのintは16ビット長です。読み出したのは1バイト＝8ビットなので、上位1バイトは全部0でうずめられています。8回左へビット・シフトします（256を乗じても同じ）。そうすると、上位1バイトへ読み出したデータが移動します。

　下位8ビットが空いた状態なので、そこへtemp2を加算すると、符号1ビット＋12ビットのデータが作られます。

　図で説明します。

　温度データは符号付き2の補数形式で入っています。bit4が2^0=1℃単位、小数点以下は、bit3が2^-1＝0.5℃単位、bit2が2^-2＝0.25℃単位、bit1が2^-3＝0.125℃単位、bit0が2^-4＝0.0625℃単位です。したがって、12ビット・データに0.0625を乗じてスケーリングすると、温度temperature が得られます。tempは符号を除いた12ビット・データです。

　2の補数形式では、0は0x000、正のフルスケールは0x7ff、マイナスのフルスケールは0x800です。温度はフルスケールにはなりません。身近な温度のバイナリ値を計算しました。

　ここまでのスケッチでは、マイナスの温度は考慮しませんでした。bit12は符号です。1ならばマイナスです。任意のビットが1かどうかをテストする命令がないので、13ビット目の符号を含むtempSignを右に12回シフトすると、bit12だけが残るのでif文で判断します。マイナスの2の補数を10進に直すには、ビット反転し1を加えます。12ビットを扱っているので、適時マスクをかけます。

#include <Wire.h>
unsigned char MCP9808_address = 0x18;
unsigned char Temp_register = 0x05;

void setup() {
    Wire.begin();
    Serial.begin(9600);
    Serial.println("start "); 
}

void loop() {
    Wire.beginTransmission(MCP9808_address);
    Wire.write(Temp_register);
    Wire.endTransmission();
    Wire.requestFrom(MCP9808_address, 2);
    int temp1 = Wire.read(); 
    int temp2 = Wire.read(); 
    int tempSign = ((temp1 & 0b00011111 ) << 8 ) + temp2;
    int temp = tempSign & 0x0fff;
    if (tempSign >>12 ) temp = -( (~temp & 0x0fff) +1);
    float temperature = temp * 0.0625 ;
    Serial.println(temperature);
}

（※1）Arduino IDEは1.8.5を利用しています。プログラム・リストは、表示の関係でTabキーが無視されるので、スペースに代えてあります。また、リスト中を2回クリックすると全選択になるので、CTRL-Cでコピーし、テキスト・エディタにCTRL-Vで貼り付けて利用してください。エディタに持っていくと、スペースやリターン・コードなどが化けていることがあるので、一度消して、Arduino IDEのテキスト・エディタで修正してください。