Raspberry Pi Picoでプログラミング ⑩ i2c APIと気圧センサLPS25

　i2cは、クロックSCLとデータSDA信号のタイミングを利用したバスです。Picoではi2c0とi2c1の二組のバスがサポートされ、いろいろなピンで利用できるので、汎用性が高いです。

　次に示すのは、それぞれのバスで、利用できるピンの組み合わせです。

i2c0

[GP1,GP0]、[GP5,GP4]、[GP9,GP8]、[GP13,GP12]、[GP17,GP16]、[GP21,GP20]

i2c1

[GP3,GP2]、 [GP7,GP6]、 [GP11,GP10]、 [GP15,GP14]、 [GP19,GP18]、 [GP27,GP26]

　データ転送速度は100kHzがデフォルトで、400kHz、1MHzまで使えます。

●APIのファンクション

i2c_inst_t *i2c　i2c0もしくはi2c1
baudrate　Hzで指定
uint8_t addr　7ビット（もしくは10ビット）のアドレス
const uint8_t *src　送信するデータへのポインタ
uint8_t *dst　データを受信するためのバッファへのポインタ
size_t len　長さ（バイト）

ファンクション	要約
uint i2c_init (i2c_inst_t *i2c, uint baudrate)	ハードウェアの初期化。ほかの関数を使う前に実行。デフォルトはマスタ。データ転送速度を指定でき、返り値には実際に設定された値が戻る
void i2c_deinit (i2c_inst_t *i2c)	I2Cハードウェア・ブロックを無効にする。I2Cが使用されなくなった場合は、再度無効にする。再使用する前に再初期化する必要がある
uint i2c_set_baudrate (i2c_inst_t *i2c, uint baudrate)	データ転送速度を指定し、返り値には実際に設定された値が戻る
void i2c_set_slave_mode (i2c_inst_t *i2c, bool slave, uint8_t addr)	slave=trueでスレーブ・モードにセット。失敗するとマスタ・モードになる。addrはスレーブ・モードに使われるアドレス
static uint i2c_hw_index (i2c_inst_t *i2c)	i2cのバス番号0、1が返る
int i2c_write_blocking_until (i2c_inst_t i2c, uint8_t addr, const uint8_t src, size_t len, bool nostop, absolute_time_t until)	指定されたバイト数をアドレスに書き込もうとし、指定された絶対時間に達するまでブロックする
int i2c_read_blocking_until (i2c_inst_t i2c, uint8_t addr, uint8_t dst, size_t len, bool nostop, absolute_time_t until)	アドレスから指定されたバイト数を読み取もうとし、指定された絶対時間に達するまでブロックする
static int i2c_write_timeout_us (i2c_inst_t i2c, uint8_t addr, const uint8_t src, size_t len, bool nostop, uint timeout_us)	トランザクション全体が完了するのを待つ時間を指定して、指定されたバイト数をアドレスに書き込
static int i2c_read_timeout_us (i2c_inst_t i2c, uint8_t addr, uint8_t dst, size_t len, bool nostop, uint timeout_us)	トランザクション全体の完了を待つ時間を指定して、アドレスから指定されたバイト数を読み取る
int i2c_write_blocking (i2c_inst_t i2c, uint8_t addr, const uint8_t src, size_t len, bool nostop)	指定されたバイト数をアドレスに書き込む。最後のパラメタがtrueの場合、マスタは転送の終了時にバスの制御を保持し（Stopは発行されない）、次の転送はスタートではなくリピーテッド・スタートで開始される
int i2c_read_blocking (i2c_inst_t i2c, uint8_t addr, uint8_t dst, size_t len, bool nostop)	アドレスから指定されたバイト数を読み取る。最後のパラメタがtrueの場合、マスタは転送の終了時にバスの制御を保持し（Stopは発行されない）、次の転送はスタートではなくリピーテッド・スタートで開始される
static size_t i2c_get_write_available (i2c_inst_t *i2c)	returnが0以外の場合、少なくともその数のバイトをブロックせずに書き込める
static size_t i2c_get_read_available (i2c_inst_t *i2c)	使用可能なデータがない場合は0、戻り値が0以外の場合は、少なくともその数のバイトをブロックせずに読み取れる
static void i2c_write_raw_blocking (i2c_inst_t i2c, const uint8_t src, size_t len)	TXFIFOに直接書き込む
static void i2c_read_raw_blocking (i2c_inst_t i2c, uint8_t dst, size_t len)	RXFIFOから直接読み取る

●AdafruitのLPS25HBボードのおもなスペック

　実際にi2cで気圧センサLPS25のデータを読み出します。

動作電圧　3.3V（デバイスは1.7～3.6 V）
測定範囲　260～1260hPa
確度　±0.1hPa（25℃）、±1hPa（0～80℃）
インターフェース　SPI、I2C。I2C用プルアップ抵抗は実装、5V用レベル変換回路実装
スレーブ・アドレス　0x5d

●接続

　[GP9,GP8]のi2c0バスにつなぎます。このボードはSTEMMA QTと呼ばれるI2C専用の4ピンコネクタがついています。2本の信号線以外に、3.3VとGNDをつなぎます。

●WHO_AM_I

　読み書きが正しくできるかどうかを、WHO_AM_I（0x0f）を読み出し、0xbdが返ってくることで確認します。

　pico/worksフォルダにlps25hbフォルダを作ります。なかに、CMakeLists.txtとlps25.cを入れます。

　lps25.cの内容です。


#include <stdio.h>
//#include string.h>
#include "pico/stdlib.h"
#include "hardware/i2c.h"
//#include "pico/binary_info.h"

static int lp25hb_addr = 0x5d;

#define I2C_PORT  i2c0
#define WHO_AM_I  0x0f

#define SDA_PIN 8  // GP8
#define SCL_PIN 9  // GP9

static void read_registers(uint8_t reg, uint8_t *buf, uint16_t len) {
    i2c_write_blocking(I2C_PORT, lp25hb_addr, &reg, 1, true); 
    i2c_read_blocking(I2C_PORT, lp25hb_addr, buf, len, false);
}

int main() {
    stdio_init_all();

    printf("\nHello, lps25! Reading raw data from registers via i2c...\n");

    // setup i2c
    int f = i2c_init(I2C_PORT, 100 * 1000);
    gpio_set_function(SDA_PIN, GPIO_FUNC_I2C);
    gpio_set_function(SCL_PIN, GPIO_FUNC_I2C);
    gpio_pull_up(SDA_PIN);
    gpio_pull_up(SCL_PIN);

    printf(" hw bus is %d\n",i2c_hw_index(I2C_PORT));
    printf(" frequency is %dHz\n",f);

    f = i2c_set_baudrate (I2C_PORT, 111000);
    printf(" new frequency is %dHz\n",f);

    uint8_t id;
    read_registers(WHO_AM_I, &id, 1);
    printf("\nChip ID is 'probably 0xbd' 0x%x\n", id);

    return 0;
}

　CMakeLists.txtの内容です。


add_executable(lps25hb
        lps25.c
        )

# Pull in our pico_stdlib which pulls in commonly used features
target_link_libraries(lps25hb pico_stdlib hardware_i2c)

# create map/bin/hex file etc.
pico_add_extra_outputs(lps25hb)

　pico/works/CMakeLists.txtの内容です。


cmake_minimum_required(VERSION 3.12)

# Pull in SDK (must be before project)
include(pico_sdk_import.cmake)

project(pico_examples C CXX ASM)
set(CMAKE_C_STANDARD 11)
set(CMAKE_CXX_STANDARD 17)

set(PICO_EXAMPLES_PATH ${PROJECT_SOURCE_DIR})

# Initialize the SDK
pico_sdk_init()

# Add blink example
add_subdirectory(cmake)
add_subdirectory(blink)
add_subdirectory(serial)
add_subdirectory(clock)
add_subdirectory(i2cscanner)
add_subdirectory(lps25hb)

　ターミナルで、pico/works/buildにおります。

cmake ..

　pico/works/build/lps25hbにおります。

make -j4

　Resetボタンを押したまま、BOOTSELボタンを押し、Resetボタンを離してから、BOOTSELボタンを離します。RPI-RP2ドライブがマウントされました。

　RPI-RP2ドライブへ、lps25hb.uf2をドラッグします。

●wakeup
　このセンサは、電源が入ったら、スリープ・モードに遷移します。なので、測定したいときは、wakeupします。
　具体的には、CTRL_REG1レジスタに0x90を書き込みます。

●データは3バイト

　LPS25HBの気圧は、PRESS_OUT_H（0x2A)、PRESS_OUT_L（0x29）、PRESS_OUT_XL（0x28）のレジスタを読みだします。ポインタではなく普通のレジスタで連続しているので、0x28から3バイト読み出しますが、0x28 | 0x80のように、MSBを立てないと、正しく読めません。

　読み出した値を4096で割るとhPaの値が求まります。

　修正したlps25.cの内容です。5秒ごとに読み出します。


#include <stdio.h>
#include "pico/stdlib.h"
#include "hardware/i2c.h"

static int lp25hb_addr = 0x5d;

#define I2C_PORT  i2c0
#define WHO_AM_I  0x0f
#define CTRL_REG1 0x20
#define READ_BIT  0x80

#define SDA_PIN 8  // GP8
#define SCL_PIN 9  // GP9

static void read_registers(uint8_t reg, uint8_t *buf, uint16_t len) {
    i2c_write_blocking(I2C_PORT, lp25hb_addr, &reg, 1, true); 
    i2c_read_blocking(I2C_PORT, lp25hb_addr, buf, len, false);
}

static void write_register(uint8_t reg, uint8_t data) {
    uint8_t buf[2];
    buf[0] = reg;
    buf[1] = data;
    i2c_write_blocking(I2C_PORT, lp25hb_addr, buf, 2, true);
}

static int32_t lps25_read_raw() {
    uint8_t buffer[3];
    uint8_t val = 0x28 | READ_BIT;
    i2c_write_blocking(I2C_PORT, lp25hb_addr, &val, 1, true);
    i2c_read_blocking(I2C_PORT, lp25hb_addr, buffer, 3, false);
    int32_t pressure;
    pressure = buffer[2] << 16 | buffer[1] << 8 | buffer[0];
    return pressure;
}

int main() {
    stdio_init_all();

    printf("\nHello, lps25! Reading raw data from registers via i2c...\n");

    // setup i2c
    int f = i2c_init(I2C_PORT, 100 * 1000);
    gpio_set_function(SDA_PIN, GPIO_FUNC_I2C);
    gpio_set_function(SCL_PIN, GPIO_FUNC_I2C);
    gpio_pull_up(SDA_PIN);
    gpio_pull_up(SCL_PIN);

    //  wakeup
    write_register(CTRL_REG1, 0x90);

    while (1) {
        int32_t press = lps25_read_raw();
        printf("Pressure = %.1fhPa\n", press / 4096.0);

        sleep_ms(5000);
    }

    return 0;
}

　実行中の様子です。