ArduinoをI/Oエキスパンダとして使う
前置き： キャッチーにArduinoをタイトルに持ってきていますが、正確にはDIP28ピンタイプのATmega8/88/168/328マイコンを指します。Arduinoボードでも再現できると思いますが、私は基本的に内臓クロックモードで実験・製作してますので純正Arduinoボードをお使いの方はご注意ください。
前置きその２： いつのまにかはてなスターを頂きました。とても嬉しいです。どうもありがとう。仕事で疲れて帰ってきましたが、頑張って書くことにしました。
前置きその３： はてなブログヘルプトップから辿り着けなかった、「はてな記法一覧」を検索で見つけたのでリンクを貼ります。ダッシュボードあたりにメモ書きとして置いておきたいのですが、なにかいい方法ないもんでしょうかね？
本題
ラズパイにはADCが載っていないのでアナログ値を測定したい場合には 別途ADCチップを繋げないといけません。また秋月で入手可能なADCにはちょうどいいのが見当たらないです。そんな折、「Arduino / I2C Slave デバイスを作る」
ysin1128.hatenablog.com
という記事を見かけたのでArduinoが I2C経由のADCになるのでは？。と考えました。GPIOも当然使えるし、 PWMのアナログ出力もできるIOエクスパンダにできるのではないか？。と思いつきました。
I2Cデバイスアドレス
0x26とします(7bit表記、8bit表記だと0x4c?)。
ピンのアサイン
UARTのRX/TX(2,3番ピン＝デバッグ用）, I2CのSCL/SDA（28, 27ピン）はシステムに必須なので除きます。 残るはD2〜D13, A0〜A3ですが、 D10をLOWにすると書き込みモードになるみたいなので、 D10だけ除くことにします。 ピンアサインと内部表現としてはできるだけ一致かつ順番に並べることにします。
| 名称 | 別名 | ピン番号 | 備考 |
|---|---|---|---|
| D2 | INT0 | 4 | 0x2 |
| D3 | INT1 | 5 | 0x3 |
| D4 | 6 | 0x4 | |
| D5 | PWM0 | 11 | 0x5 |
| D6 | PWM1 | 12 | 0x6 |
| D7 | 13 | 0x7 | |
| D8 | 14 | 0x8 | |
| D9 | PWM2 | 15 | 0x9 |
| D11 | 17 | 0xB | |
| D12 | 18 | 0xC | |
| D13 | 19 | 0xD | |
| A0 | C0 | 23 | |
| A1 | C1 | 24 | |
| A2 | C2 | 25 | |
| A3 | C3 | 26 |
ADCの値を読むのは該当するレジスタを読むことで、そのレジスタへの書き込みはPWM出力設定に割り当てます。PWM3は無いので、A3はread onlyということで。
コントロールレジスタ
とりあえず必要最小限だけ書き出してみました。
| Address | 名称 | 意味 |
|---|---|---|
| 00h | IODIRL | D0〜D7の入出力方向 |
| 01h | IODIRH | D8〜D13の入出力方向 |
| 02h | OLATL | D0〜D7の値 |
| 03h | OLATH | D8〜D13の値 |
| 04h | ALAT0 | A0の値 |
| 05h | ALAT1 | A1の値 |
| 06h | ALAT2 | A2の値 |
| 07h | ALAT3 | A3の値(readのみ) |
あとは必要に応じて追加することにしましょう。
IODIR
0がinput, 1がoutput。
IODIRL
| 7bit | 6bit | 5bit | 4bit | 3bit | 2bit | 1bit | 0bit |
| D7 | D6 | D5 | D4 | D3 | D2 | 未使用 | 未使用 |
IODIRH
| 7bit | 6bit | 5bit | 4bit | 3bit | 2bit | 1bit | 0bit |
| 未使用 | 未使用 | D13 | D12 | D11 | 未使用 | D9 | D8 |
OLAT
readでピンの値を入力、writeで出力。
ピンとビットのアサインはIODIRと一緒です。
ピンをOUTPUTモード設定していても、digitalRead()できるので、その値を返します。
スケッチ
#include <Wire.h> #define REG_LENGTH 8 #define IODIRL 0 #define IODIRH 1 #define OLATL 2 #define OLATH 3 #define ALAT0 4 #define ALAT1 5 #define ALAT2 6 #define ALAT3 7 #define PWM_0 5 #define PWM_1 6 #define PWM_2 9 byte byteSlaveADR = 0x26; // 7-bit Slave Address byte byteADR; byte byteDAT[REG_LENGTH]; byte byteREG[] = {0x00, 0x00, 0x00, 0x00, 0x00, 0x00, 0x00, 0x00}; bool trig; byte maskPortsL = 0b00000011; // System use these ports byte maskPortsH = 0b00000100; // System use these ports void setup() { Wire.begin(byteSlaveADR); Wire.onReceive(receiveEvent); Wire.onRequest(sendEvent); } void loop() { } void receiveEvent(int val){ int i = 0; int j; byte byteTMP; while(Wire.available()){ if(i < 32){ byteDAT[i] = Wire.read(); } else{ Wire.read(); } i = i + 1; } byteADR = byteDAT[0]; if(i > 1){ for(j=0;j<(i-1);j++){ byteTMP = byteADR + j; if(byteTMP < REG_LENGTH){ byteREG[byteTMP] = byteDAT[j+1]; if(byteTMP == 0){ trig = true; } switch (byteTMP) { case IODIRL: setIoDirL(byteREG[byteTMP]); break; case IODIRH: setIoDirH(byteREG[byteTMP]); break; case OLATL: setLatchL(); break; case OLATH: setLatchH(); break; case ALAT0: analogWrite(PWM_0, byteREG[byteTMP]); break; case ALAT1: analogWrite(PWM_1, byteREG[byteTMP]); break; case ALAT2: analogWrite(PWM_2, byteREG[byteTMP]); break; } } } } } void sendEvent(){ int i; getLatch(); getAnalogVal(); for(i=byteADR;i<16;i++){ Wire.write(byteREG[i]); } } void getLatch() { byte btmp = 0; for (int i = 7; i >= 0; i--) { btmp = (btmp << 1) | (digitalRead(i) & 0x1); } byteREG[OLATL] = btmp; for (int i = 13, btmp = 0; i >= 8; i--) { btmp = (btmp << 1) | (digitalRead(i) & 0x1); } byteREG[OLATH] = btmp; } void getAnalogVal() { byteREG[ALAT0] = analogRead(A0) >> 2; byteREG[ALAT1] = analogRead(A1) >> 2; byteREG[ALAT2] = analogRead(A2) >> 2; byteREG[ALAT3] = analogRead(A3) >> 2; } void setIoDirL(byte dir) { for(int i = 7; i >= 0; i--) { if (!((maskPortsL >> i) & 0x1)) { if ((dir >> i) & 0x1) { pinMode(i, OUTPUT); } else { pinMode(i, INPUT); } } } } void setIoDirH(byte dir) { for(int i = 13; i >= 8; i--) { int j = i - 8; if (!((maskPortsL >> j) & 0x1)) { if ((dir >> j) & 0x1) { pinMode(i, OUTPUT); } else { pinMode(i, INPUT); } } } } void setLatchL() { byte btmp; for(int i = 7; i >= 0; i--) { if (!((maskPortsL >> i) & 0x1)) { digitalWrite(i, (byteREG[OLATL] >> i) & 0x1); } } } void setLatchH() { byte btmp; for(int i = 13; i >= 8; i--) { int j = i - 8; if (!((maskPortsL >> j) & 0x1)) { digitalWrite(i, (byteREG[OLATH] >> j) & 0x1); } } }
ラズパイとI2C接続してみました。
GPIOエクステンションボードのフラットケーブルの先にラズパイがあります。ラズパイとArduinoのSCL/SDAをそれぞれ繋ぎます（写真では黄色がSCL, 橙がSDAです）。ポテンショメーターの両端をGND/Vccでつなぎ、中間値の線をArduinoのA0（写真では緑線）。ArduinoのD9(PWM)に赤色LED+220Ω抵抗繋げてGNDに落とします。写真では見づらいですがビルトインLEDに相当するD13ピンに抵抗と緑色LEDがつながっています。
残念ながらBBBBの実験用回路を組むスペースがないという欠点が如実に現れました。隣のラズパイ用のブレッドボードに寄生してます。
テストプログラムは以下の様になります。
#include <wiringPiI2C.h> #include <wiringPi.h> #include <stdio.h> #define IODIRL 0 #define IODIRH 1 #define OLATL 2 #define OLATH 3 #define ALAT0 4 #define ALAT1 5 #define ALAT2 6 #define ALAT3 7 int fd; int main() { fd = wiringPiI2CSetup (0x26); int i = 1; int aval; wiringPiI2CWriteReg8(fd, IODIRH, 0b00100000); // set LED pin for output while(1) { wiringPiI2CWriteReg8 (fd, OLATH, i << 5); aval = wiringPiI2CReadReg8(fd, ALAT0); printf("ALAT0 = %d\n", aval); wiringPiI2CWriteReg8 (fd, ALAT2, 255 - aval); i = !i; delay(1000); } }
- 動作してるかどうかを見るためにD13番ピンを1秒単位で交互にON/OFFさせてます。
- A0に繋げたポテンショメーターの値を１秒毎に表示して、その値に応じた値をD9(PWM)にanalogWriteさせてます。
- ADCの値でそのままLED点灯させても、よくわからないので、反転させて点灯させてます。
