何年も放置していたラズパイマガジン2015年秋号用の部品セットの動作確認中です。
今回はSPIバス接続のA/DコンバーターMCP3002と、赤外線測距モジュールGP2Y0A21YK0Fを組み合わせて見ました。
ラズパイマガジン2015年秋号のサンプルソースがpython2向けかつ、実装が古く上手く動かないので、python3で組み直しています。
SPI接続A/Dコンバーター MCP3002
MCP3002はSPIバスに接続して使います。
データシートは秋月電子のサイト他で入手可能です。
https://akizukidenshi.com/download/ds/microchip/mcp3002.pdf
ピンは下記の様な8ピン。
ピンの用途とraspberry piとの接続は以下の様になります。
| ピン番号 | ピン | 用途 | 接続先 | 備考 |
|---|---|---|---|---|
| 1 | CS | Chip Select | ラズパイのCE0またはCE1 | 今回のサンプルではCE0(24番ピン) |
| 2 | CH0 | アナログ入力チャンネル0 | 測定したいアナログソース | |
| 3 | CH1 | アナログ入力チャンネル1 | 測定したいアナログソース | |
| 4 | GND | グランド | ラズパイのGND(6番ピン,9番ピン等) | |
| 5 | Din | シリアルデータ入力 | ラズパイのMOSI(19番ピン) | |
| 6 | Dout | シリアルデータ出力 | ラズパイのMISO(21番ピン) | |
| 7 | CLK | シリアルクロック | ラズパイのSCLK(23番ピン) | |
| 8 | Vdd/Vref | 電源/参照電圧 | ラズパイの3.3V(1番または17番) | |
このチップからA/D変換結果を読み出すコードは以下のサイトのサンプルソースを参考に、Classライブラリ化+チャンネル選択を可能にしました。
qiita.com
ctrl_mcp3002.py:
#!/usr/bin/env python3
# -*- coding: utf-8 -*-
import spidev
import time
class ctrl_mcp3002:
# コンストラクタ
# spidevのインスタンスを渡す
def __init__(self,spi):
self.spi = spi
self.spi.max_speed_hz = 100000 # MAX clock 1MHz
self.spi.mode = 0b00 # Mode 00
# AD変換結果読み出し
# 引数: ch - チャンネル番号 0もしくは1
# 戻り値: 読み出し結果 0〜1023
def read_ch(self,ch):
cmd = 0x40 + ((2 + ch) << 4) + 8
# print("cmd = " + hex(cmd))
resp = self.spi.xfer2([cmd,0x00])
value = (resp[0] * 256 + resp[1]) & 0x3ff
return value
# テストコード
if __name__ == '__main__':
spi = spidev.SpiDev()
spi.open(0,0)
test_cnt = 10 # 読み出しテスト回数
mcp3002 = ctrl_mcp3002(spi)
# Channel 0と1を1秒間間隔で10回読み出し
for i in range(test_cnt):
# 1秒待ち
time.sleep(1)
ch0_value = mcp3002.read_ch(0)
ch1_value = mcp3002.read_ch(1)
print("=== Test Count %d" % i)
print(" channel0 = %d" % ch0_value)
print(" channel1 = %d" % ch1_value)
exit(0)
使い方はテストコード部分の通りで、SpiDevをimportしてインスタンスを作成、そのインスタンスをctrl_mcp3002クラスのコンストラクターに渡します。
あとはctrl_mcp3002クラスのインスタンスのread_ch()メソッドにチャンネル番号を渡すと、0〜1023の読み出し値を返却します。
Vdd/Vrefを考慮した電圧値変換は実装していないので、電圧値が欲しい場合はVdd/Vrefに与えた電圧をベースに算出してください。
赤外線測距モジュールGP2Y0A21YK0F
SHARP製の赤外線測距離モジュールです。
モジュールの外観は以下の通りで、向かって右側の黒いラインが電源、真ん中のオレンジがGND(紛らわしい配色ですね)、左側の白が距離情報を出力するラインです。
測定結果はデジタルではなく、アナログの電圧値から読み取る必要があるため、この白いラインをMCP3002のアナログ入力チャンネルに接続して測定します。
電源電圧は4.5〜5.5V指定のため、raspberry piの5V電源（2番または4番ピン)から給電します。
測定の有効距離は10cm〜80cmですが、距離が近いほど出力電圧が高く10cmで2.3Vくらい。80cmで0.4Vくらいですが距離と電圧の関係がリニアではないため、電圧から単純計算では距離が求められません。
データシートには以下の様なグラフが載っています。また出力電圧はMINとMAXで±0.15Vくらいの幅があるため、それほど高精度な測定はできなそうです。このMIN/MAXが個体差でどちらかに振れているなら、キャリブレーション測定の仕組みを組み込む必要がありそうですが、今回のサンプルではそこまでやっていません。
MCP3002用に作成したクラスライブラリと組み合わせて下記の様なコードを書きました。
データシートの距離-電圧グラフから目視でラフに読み取った対応テーブルをコーディングしています。(定規すら使っていないので、かなりいい加減ですがアナログ信号の精度やキャリブレーションを実施していないので、ここの精度をがんばってもあまり意味は無いかなと..)
ctrl_gp2y0a.py:
#!/usr/bin/env python3
# -*- coding: utf-8 -*-
import spidev
import time
from ctrl_mcp3002 import ctrl_mcp3002
class ctrl_gp2y0a25:
# MCP3002のVREF: 3.3V - 回路構成に合わせて修正のこと
vref_mcp3002 = 3.3
# 距離-電圧対応テーブル
# 数値はかなりラフなので、きちんとデータシート見て調整のこと
dist_table = ((7,3.0),
(10,2.25),
(15,1.7),
(20,1.3),
(25,1.1),
(30,0.9),
(35,0.8),
(40,0.75),
(45,0.7),
(50,0.6),
(55,0.55),
(60,0.5),
(70,0,45),
(80,0.4))
# コンストラクタ
# spidevのインスタンスを渡すとMCP3002に接続するチャンネル番号を渡す
# spi: SpiDevのインスタンス
# ch : MCP3002のチャンネル番号
def __init__(self,spi,ch):
self.spi = spi
self.channel = ch
self.mcp3002 = ctrl_mcp3002(spi)
self.tbl_len = len(ctrl_gp2y0a25.dist_table)
# 測定: 距離をcm単位で返却
def read_dist(self):
voltage = self.mcp3002.read_ch(self.channel) / 1023 * ctrl_gp2y0a25.vref_mcp3002
hit = -1
for i in range(0,self.tbl_len - 1):
if voltage <= ctrl_gp2y0a25.dist_table[i][1] and voltage >= ctrl_gp2y0a25.dist_table[i + 1][1]:
hit = i
break
if hit == -1:
dist = -1
else:
w = ctrl_gp2y0a25.dist_table[hit + 1][0] - ctrl_gp2y0a25.dist_table[hit][0]
h0 = ctrl_gp2y0a25.dist_table[hit][1] - ctrl_gp2y0a25.dist_table[hit + 1][1]
h1 = ctrl_gp2y0a25.dist_table[hit][1] - voltage
dist = ctrl_gp2y0a25.dist_table[hit][0] + h1 / h0 * w
return dist
# テストコード
# MCP3002のチャンネル番号を1で設定しているので、ch0に繋ぐ場合はchを書き換えのこと
if __name__ == '__main__':
ch = 1 # AD変換器 MCP3002の接続先チャンネル番号
spi = spidev.SpiDev()
spi.open(0,0)
test_cnt = 10 # 読み出しテスト回数
gp2y0a25 = ctrl_gp2y0a25(spi,ch)
for i in range(test_cnt):
# 1秒待ち
time.sleep(1)
dist = gp2y0a25.read_dist()
print("=== Test Count %d" % i)
print(" distance = %2.2f cm" % dist)
exit(0)
動作例: モジュールに手をかざしながらテスト
$ python3 ctrl_gp2y0a.py === Test Count 0 distance = 10.04 cm === Test Count 1 distance = 10.60 cm === Test Count 2 distance = 14.77 cm === Test Count 3 distance = 15.52 cm === Test Count 4 distance = 21.53 cm === Test Count 5 distance = 20.32 cm === Test Count 6 distance = 21.94 cm === Test Count 7 distance = 26.21 cm === Test Count 8 distance = 26.29 cm === Test Count 9 distance = 28.71 cm
今回のサンプルソースはgithubに上げてあります。
github.com
