Raspberry Pi Picoでプログラミング ⑬ spi APIとA-DコンバータMCP3008

　SPIバスは、I2Cよりデータの転送速度を高くできます。 Picoにはspi0とspi1のバスがあります。チップ・セレクトCS信号は、ユーザがGPIOピンを独自に制御するプログラムを書きます。

　クロック（ボーレート）は2MHz以上がサポートされていると書かれていますが、サンプル・プログラムは500kHzが見られます。最大値は11.083MHzと思われます。中途半端な周波数の設定を行ったとき、クロックと分周比から、それに近い値が設定されます。

　SPIでは、クロックの立ち上がりと立ち下がり、HighのときもしくはLowのとき、とデータが確定する条件が4種類あります。Picoでは一般的なMotorola SPI frame formatが採用され、クロックの極性（cpol）とクロックの位相（cpha）により、四つの動作モードが指定できます。

　多くのデバイスでは、モード0（cpol＝0、cpha＝0）が使われます。Picoのマニュアルの中で、デフォルトがこのモードであるという記述は見つかっていませんが、このモードにセットされていると思われます。

　Motorolaの規格以外に、National Semiconductor Microwire frame formatもサポートされているようですが、見かけません。

●APIファンクション

ファンクション	要約
void spi_init (spi_inst_t *spi, uint baudrate)	ほかの関数の前に呼び出し、SPIインスタンスを初期化する
void spi_deinit (spi_inst_t *spi)	SPIを無効状態にする。デバイスの機能を再度有効にするには、initを呼び出す必要がある
uint spi_set_baudrate (spi_inst_t *spi, uint baudrate)	SPIボーレートを設定。Hz。2Mbps以上
static uint spi_get_index (spi_inst_t *spi)	ハードウェアのインスタンス番号0もしくは1が返る
static void spi_set_format (spi_inst_t *spi, uint data_bits, spi_cpol_t cpol, spi_cpha_t cpha, __unused spi_order_t order)	SPIの構成。 *spi　spi0またはspi1 data_bits　有効な値4..16 cpol　SSPCLKOUT極性 cpha　SSPCLKOUT位相 order　MSB_FIRSTだけ
static void spi_set_slave (spi_inst_t *spi, bool slave)	slave　trueでスレーブに設定、できないときはデフォルトのマスタ
static size_t spi_is_writable (spi_inst_t *spi)	SPIデバイスで書き込みができるかどうかを確認。0以外ならOK
static size_t spi_is_readable (spi_inst_t *spi)	SPIデバイスで読み取りを実行できるかどうかを確認。0以外ならOK
int spi_write_read_blocking (spi_inst_t spi, const uint8_t src, uint8_t *dst, size_t len)	srcからSPIにlenバイトを書き込む。同時に、SPIからdstへlenバイトを読み取る
int spi_write_blocking (spi_inst_t spi, const uint8_t src, size_t len)	srcからSPIにlenバイトを書き込み、すべてのデータが転送されるまでブロック、受信したデータは破棄する
int spi_read_blocking (spi_inst_t spi, uint8_t repeated_tx_data, uint8_t dst, size_t len)	dstからlenバイト分読み取る。RXからデータを読み込むと、TXでrepeated_tx_dataが繰り返し出力される。通常、これは0にすることができるが、一部のデバイスではここで特定の値が必要。 SDカードは0xffを期待
int spi_write16_read16_blocking (spi_inst_t spi, const uint16_t src, uint16_t *dst, size_t len)	srcからSPIにlenハーフ・ワード（2バイト？）を書き込む。 SPIからdstへのlenハーフ・ワードを同時に読み取る
int spi_write16_blocking (spi_inst_t spi, const uint16_t src, size_t len)	srcからSPIにlenハーフ・ワード（2バイト？）を書き込む。受信したデータを破棄する
int spi_read16_blocking (spi_inst_t spi, uint16_t repeated_tx_data, uint16_t dst, size_t len)	dstからlenバイト分読み取る。RXからデータを読み込むと、TXでrepeated_tx_dataが繰り返し出力される。通常、これは0にすることができるが、一部のデバイスではここで特定の値が必要。 SDカードは0xffを期待

●A-DコンバータMCP3008

　Picoには12ビットA-Dコンバータが内蔵されています。ここでは、10ビットA-DコンバータMCP3008を外付けして、同じ電圧を読み込んで比較します。

　　データシート

●MCP3008のおもなスペック

分解能　10ビット
入力数　シングルエンド；8チャネル、疑似差動；4チャネル
動作電圧　2.7～5.5V
サンプリング速度　200ksps
変換方式　逐次変換SAR（Successive Approximation Register）
動作時の電流　500uA（5V時）
動作温度範囲　-40～85℃
インターフェース　SPI（クロック　最大3.6MHz；5V時）
パッケージ　DIP、SOIC、TSSOP

　基準電圧Vref入力、アナログ・グラウンドAGNDとディジタル・グラウンドDGNDが独立した端子で用意されています。

●接続

　基準電圧源VrefはVccにつなぎます。アナログ・グラウンドAGNDはディジタル・グラウンドDGNDへつなぎます。

●ソースの作成

　pico/worksフォルダにmcp3008フォルダを作ります。なかに、CMakeLists.txtとmcp3008.cを入れます。

　pico/worksフォルダの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)
add_subdirectory(tmp117)
add_subdirectory(aht20)
add_subdirectory(mcp3008)

　pico/works/mcp3008フォルダのCMakeLists.txtの内容です。


add_executable(mcp3008
        mcp3008.c
        )

# Pull in our pico_stdlib which pulls in commonly used features
target_link_libraries(mcp3008 pico_stdlib 
        hardware_spi hardware_gpio hardware_adc)

# create map/bin/hex file etc.
pico_add_extra_outputs(mcp3008)

　mcp3008.cの内容です。VrefはDMMの岩通VOAC7602の読み取り値です。

　チャネルのデータの作り方は、

　　A-Dコンバータ　その2　10ビットSPI MCP3008 -(1)

に詳しい解説があるので参照してください。

　じっさいにSPIバスでデータを読んでいるのが、

　　spi_write_read_blocking(SPI_PORT, writeData, buffer, 3);

です。writeData[]は3バイトのチャネル指定のデータです。最後の1バイトはダミーです。3バイト送ると3バイトのデータが読み出されます。buffer[]に読み出された最初のバイトはごみなので捨てます。


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

#define PIN_SCK  2
#define PIN_MOSI 3
#define PIN_MISO 4
#define PIN_CS   5

#define SPI_PORT spi0
static float Vref = 3.2562;


static inline void cs_select() {
    asm volatile("nop \n nop \n nop");
    gpio_put(PIN_CS, 0);  // Active low
    asm volatile("nop \n nop \n nop");
}

static inline void cs_deselect() {
    asm volatile("nop \n nop \n nop");
    gpio_put(PIN_CS, 1);
    asm volatile("nop \n nop \n nop");
}

void setup_SPI(){
    // This example will use SPI0 at 2MHz.
    spi_init(SPI_PORT, 2 * 1000 * 1000);
    gpio_set_function(PIN_MISO, GPIO_FUNC_SPI);
    gpio_set_function(PIN_SCK, GPIO_FUNC_SPI);
    gpio_set_function(PIN_MOSI, GPIO_FUNC_SPI);

    // Chip select is active-low, so we'll initialise it to a driven-high state
    gpio_init(PIN_CS);
    gpio_set_dir(PIN_CS, GPIO_OUT);
    gpio_put(PIN_CS, 1);
}

int readADC(uint8_t ch){
    uint8_t writeData[] = {0b00000001, 0x00, 0x00};
    switch(ch){
      case 0:
        writeData[1] = 0b10000000; 
      break;
      case 1:
        writeData[1] = 0b10010000; 
      break;
      case 2:
        writeData[1] = 0b10100000; 
      break;
      case 3:
        writeData[1] = 0b10110000; 
      break;
      case 4:
        writeData[1] = 0b11000000; 
      break;
      case 5:
        writeData[1] = 0b11010000; 
      break;
      case 6:
        writeData[1] = 0b11100000; 
      break;
      case 7:
        writeData[1] = 0b11110000; 
    }
    // printf("\n %0b %0b %0b\n",writeData[0],writeData[1],writeData[2]);
    uint8_t buffer[3];
    cs_select();
    sleep_ms(1);
    spi_write_read_blocking(SPI_PORT, writeData, buffer, 3);
    sleep_ms(1);
    cs_deselect();

    return (buffer[1] & 0b00000011) << 8 | buffer[2];
}

int main() {
    stdio_init_all();

    printf("\nHello, MCP3008 Reading raw data from registers via SPI...\n");

    setup_SPI();

    for (uint8_t i=0; i<8; i++){
        printf("ch%d is %.4fV\n", i, Vref * readADC(i) / 1024);
        sleep_ms(10);
    }
    return 0;
}

　ターミナルで、pico/works/buildにおります。

cmake ..

　pico/works/build/mcp3008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、mcp3008.uf2をドラッグします。

　ch0には、Analog Discovery Pro ADP3450のSupplies出力をつないでいます。ch1からch7は何もつないでいません。Supplies出力をDMMで測った電圧は3.24465Vです。

●内蔵のアナログ入力のデータを読む

　内蔵のA-Dコンバータを読むように修正したmcp3008.cの内容です。


#include <stdio.h>
#include "pico/stdlib.h"
#include "hardware/spi.h"
#include "hardware/gpio.h"
#include "hardware/adc.h"


#define PIN_SCK  2
#define PIN_MOSI 3
#define PIN_MISO 4
#define PIN_CS   5

#define SPI_PORT spi0
static float Vref = 3.2562;


static inline void cs_select() {
    asm volatile("nop \n nop \n nop");
    gpio_put(PIN_CS, 0);  // Active low
    asm volatile("nop \n nop \n nop");
}

static inline void cs_deselect() {
    asm volatile("nop \n nop \n nop");
    gpio_put(PIN_CS, 1);
    asm volatile("nop \n nop \n nop");
}

void setup_SPI(){
    // This example will use SPI0 at 2MHz.
    spi_init(SPI_PORT, 2 * 1000 * 1000);
    gpio_set_function(PIN_MISO, GPIO_FUNC_SPI);
    gpio_set_function(PIN_SCK, GPIO_FUNC_SPI);
    gpio_set_function(PIN_MOSI, GPIO_FUNC_SPI);

    // Chip select is active-low, so we'll initialise it to a driven-high state
    gpio_init(PIN_CS);
    gpio_set_dir(PIN_CS, GPIO_OUT);
    gpio_put(PIN_CS, 1);
}

int readADC(uint8_t ch){
    uint8_t writeData[] = {0b00000001, 0x00, 0x00};
    switch(ch){
      case 0:
        writeData[1] = 0b10000000; 
      break;
      case 1:
        writeData[1] = 0b10010000; 
      break;
      case 2:
        writeData[1] = 0b10100000; 
      break;
      case 3:
        writeData[1] = 0b10110000; 
      break;
      case 4:
        writeData[1] = 0b11000000; 
      break;
      case 5:
        writeData[1] = 0b11010000; 
      break;
      case 6:
        writeData[1] = 0b11100000; 
      break;
      case 7:
        writeData[1] = 0b11110000; 
    }
    // printf("\n %0b %0b %0b\n",writeData[0],writeData[1],writeData[2]);
    uint8_t buffer[3];
    cs_select();
    sleep_ms(1);
    spi_write_read_blocking(SPI_PORT, writeData, buffer, 3);
    sleep_ms(1);
    cs_deselect();

    return (buffer[1] & 0b00000011) << 8 | buffer[2];
}

int main() {
    stdio_init_all();
    adc_init();
    adc_gpio_init(26);
    adc_select_input(0);
    const float conversion_factor = Vref / (1 << 12);

    printf("\nHello, MCP3008 Reading raw data from registers via SPI...\n");

    setup_SPI();

    while (1) {
        for (uint8_t i=0; i<8; i++){
            printf("ch%d is %.4fV\n", i, Vref * readADC(i) / 1024);
            sleep_ms(10);
        }
        uint16_t result = adc_read();
        printf("ADC voltage: %f V\n", result * conversion_factor);
        sleep_ms(5000);
    }
    return 0;
}

　実行した様子です。ADC voltageが内蔵のA-Dコンバータの測定結果です。