【Raspberry Pi】A/Dコンバータ MCP3208を使ってアナログ計測

2021年6月11日2024年3月17日

Raspberry Piを用いたデバイス制御には、温度センサーや距離センサーなどで周辺環境を検知することが必須です。でも、Raspberry PiにはA/Dコンバータが備わっていないんです…。

本記事では、Raspberry PiとA/DコンバータMCP3208を接続して、センサ値を読み取る方法について解説します。

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Raspberry Piでアナログ計測するにはA/Dコンバータが必要

Raspberry PiはArduinoとは異なり、A/Dコンバータが搭載されていません。そのため、Raspberry Piでアナログ計測するには、A/Dコンバータを別途用意しなくてはなりません。

本記事では、Microchip Technology社のMCP3208というA/Dコンバータを使用します。

MCP3208のインターフェイスはSPIという規格が採用されていますので、Raspberry PiとMCP3208はSPI接続します。

A/Dコンバータ MCP3208の仕様

MCP3208は12bitのA/Dコンバータです。

12bit = 4096刻みでアナログ値を検出出来るということです。

また、MCP3208は8つのアナログ入力信号を読み取ることが出来ます。姉妹品としてMCP3204がありますが、こちらはアナログ入力信号が4つまでに限られること以外、仕様は同じです。

Raspberry PiとA/DコンバータをSPI通信する

SPIはSerial Peripheral Interfaceの略でマイコンと周辺IC間を接続するバスです。

Raspberry PiとMCP3208にはSPIが備わっています。

両者SPIを接続し通信することで、MCP3208で読み取った値をRaspberry Piが認識することが出来ます。

SPI通信するためのspidevモジュールの使い方

MCP3208が計測したアナログ値をRaspberry Piへ送信してもらうのに、決まった通信やりとりがあります。

データシートを見ながら、自分でプログラムすることも可能ですが、結構大変です。

spidevというAPIがあるので、今回はspidevを使います。

SpiDevインスタンス生成

spi = spidev.SpiDev()

クラス内の関数を実行するためにSpiDevインスタンスを生成します。

MCP3208との接続

spi.open(port,cs)

spi.open()でMCP3208との通信を開始します。

第1引数のportは、2系統あるSPIの内どちらを使用するか選択します。SPI0なら0、SPI1なら1の数値を設定します。

第2引数のcsは、どのデバイスと通信するかです。MCP3208がCE0と接続されているなら0、CEなら1を設定します。

通信周期の設定

spi.max_speed_hz = 1000000 # 1MHz

spi.max_speed_hzに通信周波数を代入すると、その周波数で通信します。通信周波数の逆数が通信周期となります。

データ転送

xfer2(list of values)

関数xfer2で引数の値をMCP3208へ転送します。

MCP3208がアナログ計測した値をRaspberry Piに転送してもらうには、Raspberry Piからどんなデータを転送すればよいの？

MCP3208のデータシートによると、1回の通信で8bit(1byte)×3のデータ転送が必要です。Raspberry Piから下記のように転送します。

1byte目

1
(start bit)

SGL/
DIFF

2byte目

3byte目

説明にあたり、チャンネル0でアナログ計測することとします。

「SGL/DIFF」は、1(SGL): 絶対値計測か、0(DIFF): チャンネル間の差分値計測かの選択です。絶対値で計測したいので1を設定します。

絶対値計測を設定すると、3bitデータ「D2/D1/D0」はチャンネルNo.の指定です。チャンネルNo.指定方法は、チャンネルNo. = 4×D2 + 2×D1 + D0 となります。アナログ計測するチャンネルNo.は0ですので、D2=0、D1=0、D0=0を設定します。

「X」の値は問われませんので、0を設定します。

以上まとめると、Raspberry PiからMCP3208への転送データは、2進数表記で0b00000110、0b00000000、0b00000000、16進数表記で0x06、0x00、0x00となります。

Raspberry Piでアナログ計測してみる

準備したもの

Raspberry Pi Zero WH
ADコンバータ MCP3208
赤外線距離センサ
抵抗 33kΩ×1、680Ω×1
ブレッドボード
ジャンパワイヤオス-メス

回路図

サンプルプログラム

import spidev
from time import sleep
Vref = 3.3
 
spi = spidev.SpiDev()
spi.open(0,0) #port 0,cs 0
spi.max_speed_hz = 1000000 # 1MHz

while True:
    adc = spi.xfer2([0x06,0x00,0x00])
    data = ((adc[1] & 0x0f) << 8) | adc[2]
    print (str(Vref*data/4096) + "V")
    sleep(1)
 
spi.close()

spi.xfer2()の戻り値は、MCP3208から受信したアナログ値含む8bit(1byte)×3のデータです。

データシートによるとMCP3208からの受信データは以下の定義となります。

1byte目

2byte目

0
(Null)

B11

B10

3byte目

アナログ値は2byte目の下位4bitと3byte目ですので