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【Raspberry Pi】ADコンバータMCP3425の使い方

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Toshihiko Arai
投稿日: 2020-12-14

この記事では、Raspberry PiとADコンバータMCP3425を使ってアナログ電圧を読み取る方法を解説していく。MCP3425はI2C通信となるので、Raspberry PiでI2C通信を使える設定を済ませておこう。

Raspberry PiとMCP3425の配線

アナログ電圧の用意

今回はMCP3425の動作確認のみなので、センサは使わず、図のように分圧抵抗で作ったアナログ電圧を使ってみた。3.3Vはラズパイから供給する。

MCP3425は作動入力だが話を簡単にするため、VinマイナスをGNDに落とし、Vinプラスのみを使った。上の回路図では3.3Vを10kΩで2等分しているので、Vinプラスは1.65Vの電圧となる。

なお、本記事ではRaspberry Pi zero WHを使用したが、もちろん他のRaspberry Piでも構わない。

Raspberry PiとMCP3425の配線

次にRaspberry PiとMCP3425の配線図を示す。

MCP3425 | 役割 | Raspberry Pi接続先 | ラズパイ物理ピン |
——- | —- | ————– | —————- ||
1 | Vin+ | 分圧抵抗へ | – |
2 | Vss | GND | 6番 |
3 | SCL | GPIO3 | 5番 |
4 | SDA | GPIO2 | 3番 |
5 | Vdd | +3.3V | 1番 |
6 | Vin- | GND | – |

Raspberry PiではSDAとSCLが、それぞれGPIO2とGPIO3に割り当てられているので注意しよう。

MCP3425が認識されているか確認する

ここまでの設定で、Raspberry PiとMCP3425が正しく接続されていれば、$ sudo i2cdetect -y 1を実行することでMCP3425のアドレスが表示される。

$ sudo i2cdetect -y 1
     0  1  2  3  4  5  6  7  8  9  a  b  c  d  e  f
00:          -- -- -- -- -- -- -- -- -- -- -- -- -- 
10: -- -- -- -- -- -- -- -- -- -- -- -- -- -- -- -- 
20: -- -- -- -- -- -- -- -- -- -- -- -- -- -- -- -- 
30: -- -- -- -- -- -- -- -- -- -- -- -- -- -- -- -- 
40: -- -- -- -- -- -- -- -- -- -- -- -- -- -- -- -- 
50: -- -- -- -- -- -- -- -- -- -- -- -- -- -- -- -- 
60: -- -- -- -- -- -- -- -- 68 -- -- -- -- -- -- -- 
70: -- -- -- -- -- -- -- --

【注意】アドレスが表示されない場合

Raspberry Piを再起動してみよう。また、MCP3425ではVin+とVin-が未接続状態だとアドレスが表示されないので注意。

ADコンバータMCP3425の使い方

次にMCP3425の使い方を説明する。今回はポイントのみ理解できればよいので、必要最低限の説明をする。

差動入力

MCP3425は差動入力となっているので、アナログ電圧は下の式で計算される。ただしVin+とVin-の入力範囲はGNDを基準にプラスマイナス約2Vまで。今回、Vin-はGNDに接地しているので0Vとして計算する。

\[ V_{IN} = V_{IN+} - V_{IN-} \]

コンフィギュレーションレジスタ

MCP3425は、ゲインやサンプルレートを設定できるようになっている。設定方法はコンフィギュレーションレジスタに、8bitのデータを書き込むことで可能となる。

下の表が、コンフィギュレーションレジスタにおける各ビットの役割。

ビット 役割
0/1 PGA
2/3 サンプルレート
4 変換モード
5/6 未使用
7 RDY

【bit0/1】入力ゲイン (PGA) bit0とbit1では、入力ゲインの倍率を設定できる。アナログ電圧が小さい場合などに便利な機能だ。今回入力ゲインは1倍で使うので00を書き込む。

bit0/1 ゲイン
00 1倍
01 2倍
10 4倍
11 8倍

【bit2/3】ビットレートとサンプリングレート bit2、bit3では、ビットレートとサンプリングレートの設定を行う。ビットレートが高ければ解像度は上がるが、1秒間にサンプリングできる回数が減ってしまう。逆に、サンプリング回数を増やしたい場合は、ビットレートが犠牲となる。今回は、サンプリングレート16bit、サンプリングレート15SPSを設定する。だから10を書き込む。

bit2/3 ビットレート サンプリングレート
10 16bit 15 SPS
01 14bit 60 SPS
00 12bit 240 SPS

【bit4】変換モード 今回は連続変換モードを選択するので1を書き込む。

bit4 動作
1 連続変換モード。このビットが選択されると、デバイスはデータ変換を継続的に実行する。
0 ワンショット変換モード。デバイスは単一の変換を実行し、別の書き込み/読み取りコマンドを受信するまで低電力スタンバイモードに入る。

【bit6/5】チャネルセレクション チャネルの選択ができるビットのようだが、MCP3425は1チャネルしかないので使用されない。00を書き込む。

【bit7】データレディフラグ ワンショット変換モードの時に使うようだ。今回は連続変換モードなので1を書き込む。

  • 以上を合わせると、コンフィギュレーションレジスタに書き込む値は「10011000」となる。

MCP3425についてもっと詳しく知りたい方はデータシートを参考に。 http://akizukidenshi.com/download/ds/microchip/mcp3425.pdf

MCP3425で電圧を読み取ってみよう！

MCP3425から電圧を読み取るPythonプログラムがこちら。データの上位と下位バイトが逆に収納されているので、swap16関数で入れ替えている。またデータが2の補数（2進数の0と1を入れ替え、1を足したもの）であるため、sign16関数で符号付き16ビットを10進数に変換している。

import smbus
import time
i2c = smbus.SMBus(1)
addr=0x68
config = 0b10011000
Vref=2.048
 
i2c.write_byte(addr, config) #16bit
time.sleep(0.2)
 
def swap16(x):
    return (((x << 8) & 0xFF00) | ((x >> 8) & 0x00FF))

def sign16(x):
    return ( -(x & 0b1000000000000000) | (x & 0b0111111111111111) )
  
while True:
    data = i2c.read_word_data(addr, config)
    raw = swap16(int(hex(data), 16))
    raw_s = sign16(raw)
    volts = round((Vref * raw_s / 32767), 4)
    print(volts)
    time.sleep(1)

プログラムを実行すると「1.6055V」と表示された。テスターでの実測値が「1.657V」だったので「0.05V」の誤差があるが良しとしよう。

参考サイト

https://www.denshi.club/pc/raspi/5raspberry-pi-zeroiot4a-d1-3.html

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