【ラズパイ電子工作】SPI通信でADコンバータの値を読み取る方法(MCP3002)

SPI(Serial Peripheral Interface)とは、ICなどの電子部品と通信するために使用される通信方法の一種です。旧モトローラ社が提唱した規格で、汎用性が高いことから広く使われています。

デバイス間を繋ぐ信号線が4本(3本の場合もある)であり、数Mbpsの通信が可能といった特徴があります。

ADコンバータとは、アナログ(A)信号を入力して、入力電圧に応じたデジタル(D)信号を出力する部品です。

この記事では、ラズベリーパイのプログラム(Python)からSPI通信を用いてADコンバータに接続された半固定ボリュームの値を読み取る方法を解説します。

1. 完成イメージ（ADコンバータの値を読み取る）

この記事で完成するものは以下のようになります。

半固定ボリュームを回すと、実行結果は以下のように1～1023の数値が表示されます。

半固定ボリュームを右に回すと数値が増大します。

2. 使用する部品

今回使用する部品は以下の通りです。

ラズベリーパイ本体（モデル3B+）

『Raspberry Pi 3 Model B+』を使用します。※2020年6月時点で最新はRaspberry Pi 4になります。

ブレッドボード

LEDや抵抗といった各種部品や(後述する)ジャンパ線などを穴に差し込み、部品間を電気的に接続する板(ボード)です。

電子工作をする上で必須の部品です。

ジャンパ線

ブレッドボートに差し込み、電子部品の間を電気的に接続します。

↑の写真では両側が「ピン」になっており、ブレッドボートの穴に差し込んで使用します。

ADコンバータ：MCP3002

(小さくてすいません…)

今回はSPI通信に対応したADコンバータであるMCP3002を使用します。各ピンの機能は以下のようになります。

半固定ボリューム

半固定ボリューム(半固定抵抗器)は、ツマミを回すと抵抗値が変化する部品です。今回は0～10kΩ範囲の抵抗値を可変できる半固定ボリュームを使用します。

オススメの電子工作セット

電子工作をするため、これまで解説した部品の他にもスイッチやセンサなど、色々な部品が必要になってきます。個々で購入するには手間がかかるため、最初はセット品を購入することをおススメします。

電気設計人

私は以下のセット品を購入しました！

また、これからラズベリーパイを購入する場合、ラズベリーパイ本体を含めたセット品を購入することをおススメします。

ラズベリーパイ本体を収めるケースや、OSをインストールするためmicroSDカードなど必要なものを個々に購入する手間を省くことができます。

3. 回路図・配線の様子

ラズベリーパイのプログラム(Python)からSPI通信を用いてADコンバータに接続された半固定ボリュームの値を読み取る回路を解説します。

回路図

回路図は以下のようになります。

SPI通信をする場合「制御するデバイスをマスタ」「制御されるデバイスをスレーブ」と呼び、マスタとスレーブは4本の信号線で接続します。

今回のようにラズベリーパイでADコンバータの値を読み取る場合、「マスタがラズベリーパイ」「スレーブがADコンバータ」となります。

ラズベリーパイをADコンバータ(MCP3002)とSPI通信するため、以下のように接続します。

白色が被ってしまいました…ジャンパ線はこの色でなければいけない訳ではありません。

MCP3002と半固定ボリュームを接続する必要があります。今回はMCP3002のCH0(2番ピン)に接続します。(青色のジャンパ線)

3.3VとGNDをMCP3002と半固定ボリュームに各々接続します。(オレンジ色と黒色のジャンパ線)

配線の様子

配線の様子です。こんな感じになりました。

↑では、フラットケーブルでGPIOの全ピンをブレッドボードに接続しています。回路図と実際の配線は異なる部分がありますがご了承ください。

※電気的には「回路図」と同じ意味です。

4. プログラム(Python)

SPI通信を用いてADコンバータに接続された半固定ボリュームの値を読み取るプログラム(Python)は以下のようになります。

ソースコード

#必要なモジュールをインポート
import spidev                       #SPI通信用のモジュールをインポート
import time                         #時間制御用のモジュールをインポート
import sys                          #sysモジュールをインポート

#SPI通信を行うための準備
spi = spidev.SpiDev()               #インスタンスを生成
spi.open(0, 0)                      #CE0(24番ピン)を指定
spi.max_speed_hz = 1000000          #転送速度 1MHz

#連続して値を読み込む
while True:
    try:
        resp = spi.xfer2([0x68, 0x00])                 #SPI通信で値を読み込む
        volume = ((resp[0] << 8) + resp[1]) & 0x3FF    #読み込んだ値を10ビットの数値に変換
        print(volume)                                  #変換した値を表示
        time.sleep(1)                                  #1秒間待つ

    except KeyboardInterrupt:
        #Ctrl+Cキーが押された
        spi.close()                            #SPI通信を終了
        sys.exit()                             #プログラム終了

SPI通信でMCP3002の値を読み取り、変換して画面に表示します。

プログラムの解説

#必要なモジュールをインポート
import spidev                       #SPI通信用のモジュールをインポート
import time                         #時間制御用のモジュールをインポート
import sys                          #sysモジュールをインポート

2～4行目で今回必要な「モジュール」を宣言します。

#SPI通信を行うための準備
spi = spidev.SpiDev()               #インスタンスを生成
spi.open(0, 0)                      #CE0(24番ピン)を指定
spi.max_speed_hz = 1000000          #転送速度 1MHz

SPI通信をする準備をします。SpiDev()メソッドはspiという名称でSPI通信をできるようにします。

spi.open(0, 0)は、CE0(24番ピン)に接続したデバイスと通信を開始します。CE1(26番ピン)に接続したデバイスと通信する場合はspi.open(0, 1)と記述します。

#連続して値を読み込む
while True:
    try:
        resp = spi.xfer2([0x68, 0x00])                 #SPI通信で値を読み込む
        volume = ((resp[0] << 8) + resp[1]) & 0x3FF    #読み込んだ値を10ビットの数値に変換
        print(volume)                                  #変換した値を表示
        time.sleep(1)                                  #1秒間待つ

    except KeyboardInterrupt:
        #Ctrl+Cキーが押された
        spi.close()                            #SPI通信を終了
        sys.exit()                             #プログラム終了

「while文」は条件を指定して、その条件が真の時に繰り返し処理を行うものです。

while 条件式:
    繰り返し処理を行うコード

↑の「条件式」にTrueを指定することにより、条件式は常に真となりwhile文は無限に繰り返します。

ただし、このままではプログラム実行中に無限ループから抜け出す方法がありません。そこでwhile文の中にある「try文」と「except文」を使用します。

このtry-except文を用いることにより、while文の処理は以下のようになります。

while True:
    try:
        繰り返し処理を行うコード
    except KeyboardInterrupt:               #Ctrl+Cキーが押された
        spi.close()                         #SPI通信を終了
        sys.exit()                          #プログラムを終了

except KeyboardInterrupt:は、キーボードのCtrl + cキーが押された時にwhile文の繰り返し処理から抜けて「GPIOのクリーンアップ」と「プログラムの終了」の処理を行います。

Ctrl + cキーが押されていないとき、try:文の中の処理を繰り返し行います。(以下で解説)

while文の中の「繰り返し処理を行うコード」は以下の通りです。つまり、Ctrl + Cキーが押されるまで以下の処理を繰り返します。

    resp = spi.xfer2([0x68, 0x00])                 #SPI通信で値を読み込む
    volume = ((resp[0] << 8) + resp[1]) & 0x3FF    #読み込んだ値を10ビットの数値に変換
    print(volume)                                  #変換した値を表示
    time.sleep(1)                                  #1秒間待つ

spi.xfer2([0x68, 0x00])では、MCP3002のCH0(チャンネル0 アナログ入力)のアナログ値を取得します。

MCP3002から取得したデータはresp[0]とresp[1]の2バイトに分かれます。シフト演算子を用いて1ヶにまとめます。

time.sleep(1)は何もせずに1秒間待ちます。

5. おわりに

ラズベリーパイのプログラム(Python)からSPI通信を用いてADコンバータに接続された半固定ボリュームの値を読み取る方法を解説しました。

SPI通信を使用すると、電子工作の幅がグッと広がります。

まだまだラズベリーパイ初心者の私ですが、以下の参考書が大変参考にさせて頂いております。

2冊とも初学者にも易しい内容になっており、ゼロからラズベリーパイを始める方にもオススメできる参考書です。