【ラズパイ】A/Dコンバータ MCP3208と通信するコードの解説

2022.08.12
IT

ラズパイでADコンバーターMCP3208を使いたく、コードを探したのですが、

どれも分かりにくい、というより、何をしているのか分からなかったので、その解説です。

2進数の計算とチップの仕様とSPI通信を分からないといけないので、難しいですね。

1. 解説するコード2つ
2. まとめ

解説するコード2つ

1つは、仕組みを理解するのに有用だったコード。

2つ目は、使うのに便利なコードです。

(僕は書いていない)

1つ目の仕組みを理解するのに役立ったコード

Qiitaのこのコードです。

すでに解説書いてくれていますが、これすら分からない読解力だったので。。

下記が僕のコメント付きのコードです。

“””

”””

のコメントが追記部分です。

print文が()なかったので追加してます。

import RPi.GPIO as GPIO
from time import sleep

def initialize():  #制御手順１
    GPIO.output(SPICE0,GPIO.HIGH)  #このHigh、Lowで1クロックを再現
    """
    SPICE0,は、SPI通信で、どのセンサーと通信するのかの情報のやり取りをします。
    まずは、HIGHを送って初期化して、
    GPIO.output(SPICE0,GPIO.LOW)
    の部分で、LOWを送り続け、その間はそのセンサーと通信します。
    
    """
    GPIO.output(SPICLK,GPIO.LOW)
    """
    SPICLKは、SPI通信でデータを送受信するさいの、ラズパイとセンサーの同期のために使います。
    LOW(データのやり取り待ち)→HGH(データのやり取り)→LOW(データのやり取り終了)
    という感じです。
    """

def sendToMCP3208():  #制御手順３
    GPIO.output(SPICE0,GPIO.LOW)
    """
    initialize()でも書きましたが、ここで、LOWとすることで、ラズパイはLOWとしたMCP3208との通信を行います。
    """

    Transmitted_Data1 = 0b00000110 #10ビット中この8ビットを最初に入力する
    """
    MCP3208のデータシートを見ると分かるのですが、MSB(Most Significant Bit一番左の桁)から5番目の桁0までは、
    送らなくてもOKなものですが、理解のために送るとのことです。
    次の桁の1は、スタートビット1、次の桁の1は、Single-endedモードの1、
    LSB(Least Significant Bit）(右最後の桁)の0は、チャンネルを指定する3ビットの3ビット目です。
    チャンネルが8個あり、2進数を3ビット(000)を用いて、選択します。
    次のTransmitted_Data2のMSBから2桁で、3桁の残りの2桁を送信します。
    例えば、MCP3208の7ch(0ch始まり)の情報を取得したい場合は、
    Transmitted_Data1 = 0b00000111
    Transmitted_Data2 = 0b11000000
    とします。
    Transmitted_Data1のLSBの1とTransmitted_Data2のMSBから2桁の11です。
    """

    for i in range(8):
        """
        ここで8桁送信します。
        SPI通信の仕組み的に受信も同時に行うのですが、受信データは不定のデータなので受け取る意味がありません。
        なので、送信だけしています。
        """
        if Transmitted_Data1 & 0b10000000: #MSBが1ならTrue
            GPIO.output(SPIMOSI,GPIO.HIGH) #1をセット
        else:
            GPIO.output(SPIMOSI,GPIO.LOW)#0をセット
        """
        Transmitted_Data1 & 0b10000000では、
        ＆演算をして、0以外であれば、Trueとして、GPIO.output(SPIMOSI,GPIO.HIGH) #1をセット
        が行われます。
        ＆演算なので、0b10000000との各桁を比較して同じ桁が同じ値であれば、その値となります。
        0b10 & 0b11 = 0b10
        """
        GPIO.output(SPICLK,GPIO.HIGH)#クロック出力して1bit入力
        GPIO.output(SPICLK,GPIO.LOW)
        Transmitted_Data1 = Transmitted_Data1 << 1 #1bit左シフトする事で、if判定時に次のビットを操作対象にできる
        """
        ここでは、1桁ずつ送信する処理をおこなっています。
        GPIO.output(SPICLK,GPIO.HIGH)で送信です。
        Transmitted_Data1 = Transmitted_Data1 << 1
        をすると、LSB右の桁に0が追加されます。
        Transmitted_Data1 = 0b00000110
        であれば、
        Transmitted_Data1 = 0b00001100
        となります。
        これをFor文で、1回回るたびに、1の位置が左にズレていきます。
        目的は、
        Transmitted_Data1 =0→0→0→0→0→1→1→0
        と1つずつ情報を送ることです。1つずつ左にずらして行くことで、送りたい情報を送ります。
        """

    #制御手順4
    Transmitted_Data2 = 0b00000000 #10bit中の2ビット、上位2ビットだけ使用
    """
    ここでは、データシート上でいう、2バイト目、のデータを送ります。
    データシートの仕様は下記のようになっています。
    送信データは、MSBと次の桁で、CH番号の続きを。残りの6桁は、特に意味はない、という仕様です。
    受信データは、最初の3桁が不定、次の4桁目が0で、残りの4桁がセンサーからのデータです。
    センサーからのデータは12桁送られて来ますが、その最初の4桁がここで送られてきます。
    for i in range(2):
        において、CH番号の続きの部分だけ送ります。
    """
    for i in range(2):
        if Transmitted_Data2 & 0b10000000:
            GPIO.output(SPIMOSI,GPIO.HIGH)
        else:
            GPIO.output(SPIMOSI,GPIO.LOW)
        GPIO.output(SPICLK,GPIO.HIGH)
        GPIO.output(SPICLK,GPIO.LOW)
        Transmitted_Data2 = Transmitted_Data2 << 1



def receiveFromMCP3208(): #制御手順５
    """
    ここで、上記for i in range(2):で、送受信し損ねた途中のデータを送受信します。
    データシート上では、受信データは最後の12Bitに情報が詰まっているという仕様になっているので、
    1桁ずつ受信していきます。
    データシートの仕様では、送信側は、Don't care bitと書かれているので、送ろうが送るまいが変わらないようです。
    """
    Received_Data = 0b000000000000 #戻り値の12bitデータ変数
    for i in range(13):  #iは0→12まで1ずつインクリメントされる
        GPIO.output(SPICLK,GPIO.HIGH)
        GPIO.output(SPICLK,GPIO.LOW)
        """
        SPICLK,GPIO.HIGH→SPICLK,GPIO.LOWが送受信の合図です。
        """

        if i == 0: #nullビットなので対象外処理
            """
            使用上受信データの11桁目はNullが入るBitです。
            """
            pass
        elif i >=1 and i <= 11: #通常処理
            Received_Data = Received_Data | GPIO.input(SPIMISO)
            Received_Data = Received_Data << 1
            """
            桁を詰めて、情報を詰めていきます。
            """
        elif i== 12: #最終ビットの場合左ビットシフトをしない
            Received_Data = Received_Data | GPIO.input(SPIMISO)

    return Received_Data

def close():  #制御手順６
    GPIO.output(SPICE0,GPIO.HIGH)
    """
    SPICE0にHIGHを送ることで、MCP3208の通信は終わりという合図です。
    """


SPICLK = 11
SPIMOSI = 10
SPIMISO = 9
SPICE0 = 8
GPIO.setmode(GPIO.BCM)
GPIO.setup(SPICLK,GPIO.OUT)
GPIO.setup(SPIMOSI,GPIO.OUT)
GPIO.setup(SPIMISO,GPIO.IN)
GPIO.setup(SPICE0,GPIO.OUT)


while True:
    initialize()

    sendToMCP3208()

    value = receiveFromMCP3208()
    print(value)

    close()

    sleep(0.2)

100

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import RPi.GPIO as GPIO

from time import sleep

def initialize(): #制御手順１

GPIO.output(SPICE0,GPIO.HIGH) #このHigh、Lowで1クロックを再現

"""

SPICE0,は、SPI通信で、どのセンサーと通信するのかの情報のやり取りをします。

まずは、HIGHを送って初期化して、

GPIO.output(SPICE0,GPIO.LOW)

の部分で、LOWを送り続け、その間はそのセンサーと通信します。

"""

GPIO.output(SPICLK,GPIO.LOW)

"""

SPICLKは、SPI通信でデータを送受信するさいの、ラズパイとセンサーの同期のために使います。

LOW(データのやり取り待ち)→HGH(データのやり取り)→LOW(データのやり取り終了)

という感じです。

"""

def sendToMCP3208(): #制御手順３

GPIO.output(SPICE0,GPIO.LOW)

"""

initialize()でも書きましたが、ここで、LOWとすることで、ラズパイはLOWとしたMCP3208との通信を行います。

"""

Transmitted_Data1 = 0b00000110 #10ビット中この8ビットを最初に入力する

"""

MCP3208のデータシートを見ると分かるのですが、MSB(Most Significant Bit一番左の桁)から5番目の桁0までは、

送らなくてもOKなものですが、理解のために送るとのことです。

次の桁の1は、スタートビット1、次の桁の1は、Single-endedモードの1、

LSB(Least Significant Bit）(右最後の桁)の0は、チャンネルを指定する3ビットの3ビット目です。

チャンネルが8個あり、2進数を3ビット(000)を用いて、選択します。

次のTransmitted_Data2のMSBから2桁で、3桁の残りの2桁を送信します。

例えば、MCP3208の7ch(0ch始まり)の情報を取得したい場合は、

Transmitted_Data1 = 0b00000111

Transmitted_Data2 = 0b11000000

とします。

Transmitted_Data1のLSBの1とTransmitted_Data2のMSBから2桁の11です。

"""

for i in range(8):

"""

ここで8桁送信します。

SPI通信の仕組み的に受信も同時に行うのですが、受信データは不定のデータなので受け取る意味がありません。

なので、送信だけしています。

"""

if Transmitted_Data1 & 0b10000000: #MSBが1ならTrue

GPIO.output(SPIMOSI,GPIO.HIGH) #1をセット

else:

GPIO.output(SPIMOSI,GPIO.LOW)#0をセット

"""

Transmitted_Data1 & 0b10000000では、

＆演算をして、0以外であれば、Trueとして、GPIO.output(SPIMOSI,GPIO.HIGH) #1をセット

が行われます。

＆演算なので、0b10000000との各桁を比較して同じ桁が同じ値であれば、その値となります。

0b10 & 0b11 = 0b10

"""

GPIO.output(SPICLK,GPIO.HIGH)#クロック出力して1bit入力

GPIO.output(SPICLK,GPIO.LOW)

Transmitted_Data1 = Transmitted_Data1 << 1 #1bit左シフトする事で、if判定時に次のビットを操作対象にできる

"""

ここでは、1桁ずつ送信する処理をおこなっています。

GPIO.output(SPICLK,GPIO.HIGH)で送信です。

Transmitted_Data1 = Transmitted_Data1 << 1

をすると、LSB右の桁に0が追加されます。

Transmitted_Data1 = 0b00000110

であれば、

Transmitted_Data1 = 0b00001100

となります。

これをFor文で、1回回るたびに、1の位置が左にズレていきます。

目的は、

Transmitted_Data1 =0→0→0→0→0→1→1→0

と1つずつ情報を送ることです。1つずつ左にずらして行くことで、送りたい情報を送ります。

"""

#制御手順4

Transmitted_Data2 = 0b00000000 #10bit中の2ビット、上位2ビットだけ使用

"""

ここでは、データシート上でいう、2バイト目、のデータを送ります。

データシートの仕様は下記のようになっています。

送信データは、MSBと次の桁で、CH番号の続きを。残りの6桁は、特に意味はない、という仕様です。

受信データは、最初の3桁が不定、次の4桁目が0で、残りの4桁がセンサーからのデータです。

センサーからのデータは12桁送られて来ますが、その最初の4桁がここで送られてきます。

for i in range(2):

において、CH番号の続きの部分だけ送ります。

"""

for i in range(2):

if Transmitted_Data2 & 0b10000000:

GPIO.output(SPIMOSI,GPIO.HIGH)

else:

GPIO.output(SPIMOSI,GPIO.LOW)

GPIO.output(SPICLK,GPIO.HIGH)

GPIO.output(SPICLK,GPIO.LOW)

Transmitted_Data2 = Transmitted_Data2 << 1

def receiveFromMCP3208(): #制御手順５

"""

ここで、上記for i in range(2):で、送受信し損ねた途中のデータを送受信します。

データシート上では、受信データは最後の12Bitに情報が詰まっているという仕様になっているので、

1桁ずつ受信していきます。

データシートの仕様では、送信側は、Don't care bitと書かれているので、送ろうが送るまいが変わらないようです。

"""

Received_Data = 0b000000000000 #戻り値の12bitデータ変数

for i in range(13): #iは0→12まで1ずつインクリメントされる

GPIO.output(SPICLK,GPIO.HIGH)

GPIO.output(SPICLK,GPIO.LOW)

"""

SPICLK,GPIO.HIGH→SPICLK,GPIO.LOWが送受信の合図です。

"""

if i == 0: #nullビットなので対象外処理

"""

使用上受信データの11桁目はNullが入るBitです。

"""

pass

elif i >=1 and i <= 11: #通常処理

Received_Data = Received_Data | GPIO.input(SPIMISO)

Received_Data = Received_Data << 1

"""

桁を詰めて、情報を詰めていきます。

"""

elif i== 12: #最終ビットの場合左ビットシフトをしない

Received_Data = Received_Data | GPIO.input(SPIMISO)

return Received_Data

def close(): #制御手順６

GPIO.output(SPICE0,GPIO.HIGH)

"""

SPICE0にHIGHを送ることで、MCP3208の通信は終わりという合図です。

"""

SPICLK = 11

SPIMOSI = 10

SPIMISO = 9

SPICE0 = 8

GPIO.setmode(GPIO.BCM)

GPIO.setup(SPICLK,GPIO.OUT)

GPIO.setup(SPIMOSI,GPIO.OUT)

GPIO.setup(SPIMISO,GPIO.IN)

GPIO.setup(SPICE0,GPIO.OUT)

while True:

initialize()

sendToMCP3208()

value = receiveFromMCP3208()

print(value)

close()

sleep(0.2)

2つ目は、使うのに便利なコード

読者特典のコードなので、公開して良いのかわからないのですが、誰でもダウンロードできる状態なので、載せています。

(演習用のサンプルファイルのダウンロードは、こちらという部分の06-01-print.pyというものです)

NGであればご教授お願いします。

# -*- coding: utf-8 -*-
import RPi.GPIO as GPIO
from time import sleep

# MCP3208からSPI通信で12ビットのデジタル値を取得。0から7の8チャンネル使用可
def readadc(adcnum, clockpin, mosipin, misopin, cspin):
    """chは0〜7までしか指定できません。"""
    if adcnum > 7 or adcnum < 0:
        return -1

    GPIO.output(cspin, GPIO.HIGH)
    GPIO.output(clockpin, GPIO.LOW)
    GPIO.output(cspin, GPIO.LOW)
    """
    cspinで通信先を選び、clockpinで通信を開始します。
    """
    commandout = adcnum
    commandout |= 0x18  # スタートビット＋シングルエンドビット
    commandout <<= 3    # LSBから8ビット目を送信するようにする
    """
    commandout |= 0x18
    は下記と同じです。i+=1と同じ感じです。
    commandout = commandout | 0x18
    同様に
    commandout <<= 3 
    は下記と同じです。
    commandout = commandout << 3
    で、
    0x18 = 0b011000 = 0d24　です。
    adcnumでADコンバーターの受信したいCh番号を仮に3(0b000011)とすると、
    commandout |= 0x18によって、
    commandout =  0b011011
    となり、上位の桁に11が追加されます。
    そして、
    commandout <<= 3 
    によって、LSB右の桁に0が3つが追加されて、
    commandout = 0b11011000
    となります。
    これは、何を指すのか、というと、下記のとおりです。
    データシートの仕様では、最初に送信する5桁は送らなくてもOKで、その次の桁から、
    スタートビット1、次の桁の1は、Single-endedモードの1、CH番号を3桁で送信する、という仕様になっています。
    なので、commandout = 0b11011000として、
    スタートビット1、次の桁の1は、Single-endedモードの1、CH番号を3桁で011(=3)を送信する、というふうになっています。

    """
    for i in range(5):
        # LSBから数えて8ビット目から4ビット目までを送信
        if commandout & 0x80:
            GPIO.output(mosipin, GPIO.HIGH)
        else:
            GPIO.output(mosipin, GPIO.LOW)
        commandout <<= 1
        GPIO.output(clockpin, GPIO.HIGH)
        GPIO.output(clockpin, GPIO.LOW)
    adcout = 0
    """
    commandout = 0b11011000
    のうち最初の五桁11011を送信しました。
    必要な情報を送信できたので、もう後は、受信するだけです。
    """
    # 13ビット読む（ヌルビット＋12ビットデータ）
    for i in range(13):
        GPIO.output(clockpin, GPIO.HIGH)
        GPIO.output(clockpin, GPIO.LOW)
        adcout <<= 1
        if i>0 and GPIO.input(misopin)==GPIO.HIGH:
            adcout |= 0x1
    GPIO.output(cspin, GPIO.HIGH)
    """
    センサーデータが含まれているのはは、3バイト全体24桁のうち、後半の12桁です。
    前半の5桁は最初から飛ばしていて、5桁を送信したので、ココで受信するのは、
    11桁からです。
    なので、i>0として、
    ヌルビットも含めて、計算して、返却しています。
    """
    return adcout

GPIO.setmode(GPIO.BCM)
# ピンの名前を変数として定義
SPICLK = 11
SPIMOSI = 10
SPIMISO = 9
SPICS = 8
# SPI通信用の入出力を定義
GPIO.setup(SPICLK, GPIO.OUT)
GPIO.setup(SPIMOSI, GPIO.OUT)
GPIO.setup(SPIMISO, GPIO.IN)
GPIO.setup(SPICS, GPIO.OUT)

try:
    while True:
        inputVal0 = readadc(0, SPICLK, SPIMOSI, SPIMISO, SPICS)
        print(inputVal0)
        sleep(0.2)

except KeyboardInterrupt:
    pass

GPIO.cleanup()

# -*- coding: utf-8 -*-

import RPi.GPIO as GPIO

from time import sleep

# MCP3208からSPI通信で12ビットのデジタル値を取得。0から7の8チャンネル使用可

def readadc(adcnum, clockpin, mosipin, misopin, cspin):

"""chは0〜7までしか指定できません。"""

if adcnum > 7 or adcnum < 0:

return -1

GPIO.output(cspin, GPIO.HIGH)

GPIO.output(clockpin, GPIO.LOW)

GPIO.output(cspin, GPIO.LOW)

"""

cspinで通信先を選び、clockpinで通信を開始します。

"""

commandout = adcnum

commandout |= 0x18 # スタートビット＋シングルエンドビット

commandout <<= 3 # LSBから8ビット目を送信するようにする

"""

commandout |= 0x18

は下記と同じです。i+=1と同じ感じです。

commandout = commandout | 0x18

同様に

commandout <<= 3

は下記と同じです。

commandout = commandout << 3

で、

0x18 = 0b011000 = 0d24　です。

adcnumでADコンバーターの受信したいCh番号を仮に3(0b000011)とすると、

commandout |= 0x18によって、

commandout = 0b011011

となり、上位の桁に11が追加されます。

そして、

commandout <<= 3

によって、LSB右の桁に0が3つが追加されて、

commandout = 0b11011000

となります。

これは、何を指すのか、というと、下記のとおりです。

データシートの仕様では、最初に送信する5桁は送らなくてもOKで、その次の桁から、

スタートビット1、次の桁の1は、Single-endedモードの1、CH番号を3桁で送信する、という仕様になっています。

なので、commandout = 0b11011000として、

スタートビット1、次の桁の1は、Single-endedモードの1、CH番号を3桁で011(=3)を送信する、というふうになっています。

"""

for i in range(5):

# LSBから数えて8ビット目から4ビット目までを送信

if commandout & 0x80:

GPIO.output(mosipin, GPIO.HIGH)

else:

GPIO.output(mosipin, GPIO.LOW)

commandout <<= 1

GPIO.output(clockpin, GPIO.HIGH)

GPIO.output(clockpin, GPIO.LOW)

adcout = 0

"""

commandout = 0b11011000

のうち最初の五桁11011を送信しました。

必要な情報を送信できたので、もう後は、受信するだけです。

"""

# 13ビット読む（ヌルビット＋12ビットデータ）

for i in range(13):

GPIO.output(clockpin, GPIO.HIGH)

GPIO.output(clockpin, GPIO.LOW)

adcout <<= 1

if i>0 and GPIO.input(misopin)==GPIO.HIGH:

adcout |= 0x1

GPIO.output(cspin, GPIO.HIGH)

"""

センサーデータが含まれているのはは、3バイト全体24桁のうち、後半の12桁です。

前半の5桁は最初から飛ばしていて、5桁を送信したので、ココで受信するのは、

11桁からです。

なので、i>0として、

ヌルビットも含めて、計算して、返却しています。

"""

return adcout

GPIO.setmode(GPIO.BCM)

# ピンの名前を変数として定義

SPICLK = 11

SPIMOSI = 10

SPIMISO = 9

SPICS = 8

# SPI通信用の入出力を定義

GPIO.setup(SPICLK, GPIO.OUT)

GPIO.setup(SPIMOSI, GPIO.OUT)

GPIO.setup(SPIMISO, GPIO.IN)

GPIO.setup(SPICS, GPIO.OUT)

try:

while True:

inputVal0 = readadc(0, SPICLK, SPIMOSI, SPIMISO, SPICS)

print(inputVal0)

sleep(0.2)

except KeyboardInterrupt:

pass

GPIO.cleanup()

チップの仕様ので説明

MCP3208の仕様書は、こちら(PDF)です。

2つ目のコードは、ここから送受信と紫の◯で囲った部分から送受信しています。

1つ目のコードは、最初の桁から送受信しています。

まとめ

2進数なのでわかりにくいですが、1つずつ追っていくと分かるかなとおもいます。