2017.08.06

5ドル！ラズパイ・ゼロ（Raspberry pi Zero）でIoT　(4)　A-Dコンバータの利用1　MCP3424

■アナログ入力が扱えると便利

　温度や湿度を測るとき、専用のセンサをつないで利用します。電圧を測るためにA-Dコンバータが利用できると、あらゆるアナログ・データを読み込めるので汎用性が上がります。

　ラズパイにはA-D変換機能はありません。GPIOにA-Dコンバータ（ADC）をつなぎます。A-Dコンバータには、3種類のインターフェースがあります。

I2C
SPI
独自シリアル通信

　A-Dコンバータは次の項目に注目して選択します。

ビット数
変換時間

　手軽に使えるのは10ビットですが、計測などでは12ビットから16ビットが欲しいところです。24ビットもありますが、ユニバーサル基板に実装して利用しても、その精度は得られません。10ビットのA-Dコンバータは、変換時の基準電圧が3.3Vとした場合、一番細かな数字LSBは、

　3.3V / 2^10 = 3.2mV

　同様にほかのビット数では次のような数字になります。ビット数が大きいほど、細かい単位でアナログをディジタルに変換できます。しかし、温度変化やノイズが原因で、12ビット以上のデータを正確にラズパイに取り込むのは難しいです。

12ビット　800uV
16ビット　50uV
18ビット　12.6uV
24ビット　0.20uV

　A-Dコンバータには、内部の構成によっていくつかに分類されます。

　二重積分方式。古くから精度の良い方式として使われていたが今は主流ではない
　ΔΣ方式。中低速用としては現在主流の方式。製造コストが安い
　逐次比較型。中速の変換方式の主流
　並列型。高速だが、ビット数を増やすには回路が大きくなり発熱が大きい

●MCP3424をPythonで使う

　マイクロチップのMCP3424は12ビットから18ビットが選択できる、4チャネル入力のA-Dコンバータです。インターフェースはI2Cです。DIPタイプの形状の製品がないので、ブレッドボードで利用する場合には、変化基板に実装された製品を購入します。同じシリーズに、MCP3425があり、こちらは16ビットで1チャネル入力です。秋月電子通商でDIP化基板に搭載された製品があります。

　4チャネルというのは、入力端子が4組あり、ソフトウェアで切り替えて使えるので、複数のセンサなどをつなげられます。変換ユニット自体は一組あるだけなので、高速に変換はできません。　

●MCP3424の主なスペック

　ビット数；12、14、16、18から選択
　基準電圧；2.048V内蔵
　電源電圧； 2.7～5.5V
　入力；差動
　増幅器；プラグラマブル前置アンプ内蔵（PGA）。1倍、2倍、4倍、8倍から選択
　変換方式；ΔΣ（デルタ・シグマ）方式
　変換速度；3.75 SPS （18ビット）、15 SPS （16ビット）、60 SPS （14ビット）、240 SPS （12ビット）から選択
　インターフェース；I2C
　I2Cデータ転送速度；standard （100 kHz）、fast （400kHz）、high-speed （3.4 MHz）モードのいずれか
　I2Cのスレーブ・アドレス；Adr0、Adr1ピンをそれぞれ、フロート、Low、Highに設定することで、0x68から0x6Fまで設定できる（7ビット）。Adr0、Adr1の両ピンをフロート、もしくは両ピンをLowにすると、0x68

●コンフィギュレーション・レジスタ

　プログラムの最初に、コンフィギュレーション・レジスタを設定します。

bit7　/RDY。'1'で変換開始
bit6、bi5　チャネル・セレクト。00；チャネル1（デフォルト）、01；チャネル2、10；チャネル3、11；チャネル4
bit4　変換モード。1；ワンショット、0；連続
bit3、bit2　サンプルレート。11；3.75 SPS （18ビット）、10；15 SPS （16ビット）、01；60 SPS （14ビット）、00；240 SPS （12ビット）
bit1、bit0　PGA。00 = 1倍（デフォルト）、01 = 2倍、10 = 4倍、11 = 8倍

例；チャネル1、16ビット、アンプの増幅度1；10011000
　　チャネル1、18ビット、アンプの増幅度1；10011100

●読みだしたコードの順番

　最上位ビットが符号です。

18ビット；3バイト、MMMMMMD17D16 (1st data byte) - D15 ~ D8 (2nd data byte) - D7 ~ D0 (3rd data byte) 。Mは最上位ビットがコピーされる
16ビット；2バイト、 D15 ~ D8 (1st data byte) - D7 ~ D0 (2nd data byte)
14ビット；MMD13D ~ D8 (1st data byte) - D7 ~ D0 (2nd data byte)
12ビット；MMMMD11 ~ D8 (1st data byte) - D7 ~ D0 (2nd data byte)

　データシートによれば、データのあとに2バイトのConfiguration byteが送られていますが、実測しても見つかりません。

●プログラム例　16ビット

　2017年8月現在、RASPBIAN JESSIE WITH DESKTOPのカーネルを確認します。

uname -a
4.9.40

　インストールされているPythonのバージョンを調べます。

python -V
2.7.9

　インストールされているPython用I2Cライブラリを調べます。smbusはintelの呼び名で、Philipsの呼び名はI2Cです。

dpkg -l
python-smbus 3.1.1+svn-2

　i2c-toolsも入っています。最初は、このツールを使います。ラズパイとMCP3424をI2Cで接続します。

　利用したボードは現在入手できませんが、同等品は、ABElectronicsのADC Differential Piと思われます。

　Raspberry Piは、最初に、I2Cを利用する設定が必要です。メニューのPreferencesから、Raspberry Pi Configurationを開きます。

　I2CのEnabledにチェックを入れ、再起動します。

　ターミナルから、i2cdetectコマンドで、スレーブ・アドレスを確認します。A-D変換基板上には2個のMCP3424が搭載されています。

i2cdetect -y 1

　swap16関数は、read_word_data()で読んだデータの上位と下位バイトが逆に収納されているので、入れ替えます。sign16関数は、読み出したデータが2の補数形式のため、符号付き16ビットを10進数に変換します。差動入力の状態で入力信号を入れると、負の電圧も正常に計算します。

#!/usr/bin/env python
import smbus
import time
i2c = smbus.SMBus(1)
addr=0x68
Vref=2.048

def swap16(x):
        return (((x << 8) & 0xFF00) |
                ((x >> 8) & 0x00FF))

def sign16(x):
         return ( -(x & 0b1000000000000000) |
                   (x & 0b0111111111111111) )
#main
while 1:
        i2c.write_byte(addr, 0b10011000) #16bit
        time.sleep(0.2)
        data = i2c.read_word_data(addr,0x00)
        raw = swap16(int(hex(data),16))
        raw_s = sign16(int(hex(raw),16))
        volts = round((Vref * raw_s / 32767),5)
        print (str(volts) +"V")
        time.sleep(1)

◆実行例

　プログラムをmcp3424-16.pyとして保存します。sudo chmod 755 mcp3424-16.py で実行権を付けます。python mcp3424-16.py で実行します。

　電圧発生器（Takedariken TR6142）にA-Dコンバータの入力につなぎ、電圧を変化させます。

　18ビットの実行結果です。

　ここに掲載したプログラムは動作検証用です。エラー処理や、精度は考慮していません。

●プログラム例　18ビット

　18ビットのデータは3バイトになるので、read_i2c_block_data()を用いました。データは上位バイトから読み出されるので、read_word_data()のように逆順にする必要はありません。

#!/usr/bin/env python
import smbus
import time
i2c = smbus.SMBus(1)
addr=0x68
Vref=2.048
config = 0b10011100 #18bit
i2c.write_byte(addr, config) 
time.sleep(0.2)

def sign18(x):
        return ( -(x & 0b100000000000000000) |
                  (x & 0b011111111111111111) )
while 1:

        data = i2c.read_i2c_block_data(addr, config, 3) #18bit
        raw = ((data[0] & 0b00000011) << 16) | (data[1] << 8) | (data[2])
        raw_s = sign18(int(hex(raw),16))
        volts = round((Vref * raw_s / 131071),7)
        print (str(volts) +"V")
        time.sleep(1)

(2017/08/10) 訂正；16ビット用のプログラムで、「i2c.write_byte(addr, 0b100011000) #16bit」0が一つ多かったので削除。18ビット用も同様。「config = 0b100011100 #18bit」

5ドル！ラズパイ・ゼロ（Raspberry pi Zero）でIoT (4) A-Dコンバータの利用1 MCP3424

5ドル！ラズパイ・ゼロ（Raspberry pi Zero）でIoT

5ドル！ラズパイ・ゼロ（Raspberry pi Zero）でIoT　(4)　A-Dコンバータの利用1　MCP3424