楽しくやろう。

前の投稿に引き続いて、使わないままになっていたSPI接続の気圧センサを動かしてみました。
（前回のADCチップがまだブレッドボードに載っかっています・・・）
MPL115A1というセンサーを使用したモジュールで、いろいろなところからモジュールが販売されていますが、私のものは秋月電子で購入したものです。

ＭＰＬ１１５Ａ１使用大気圧センサーモジュール（ＳＰＩ）: センサ一般 秋月電子通商 電子部品 ネット通販

このモジュールは温度補正などの機能があり、測定値の計算が面倒そうなのですが、今回は以下のmicro:bit用のソースコードが見つかったので、それをちょこっと修正して使わせていただきました。

hackscribble/microbit-MPL115A1-barometer: MicroPython program for the BBC micro:bit that displays pressure and temperature readings from a MPL115A1 SPI-connected sensor.

micro:bitのSPIはクラスではなくモジュールになっているので、そこが主な修正点になります。
修正版は一応以下のリポジトリにアップロードしてあります。

boochow/microbit-MPL115A1-barometer: MicroPython program for the BBC micro:bit that displays pressure and temperature readings from a MPL115A1 SPI-connected sensor.

結線ですが、CSは前回と同じくGPIO22にしています。

MPL115A1  Raspberry Pi
     VDD  3.3V
     GND  GND
    SCLK  SPI0-CLK(23)
     DIN  SPI0-MOSI(19)
    DOUT  SPI0-MISO(21)
      CS  GPIO22(15)

本当はCAPとGNDの間に1μF程度のコンデンサを入れないといけないらしいですが、さぼっています。下のように、一応動作しましたが、値が安定していないのはそのせいかもしれません。
気温が高いのは、ノートPCの排気口のすぐそばに置いているからで、これはおそらく正常動作です。

昨日試したMicroPython用のSPIクラスですが、OLEDはデータ出力しか確認できません。
手元にMCP3204というADコンバータがあったので、これでSPI経由でのデータ入力も実験してみました。

１２ｂｉｔ　４ｃｈ　ＡＤコンバータ　ＭＣＰ３２０４－ＢＩ／Ｐ: 半導体 秋月電子通商 電子部品 ネット通販

MCP3204は、12bit（0～4095）のADコンバータを4つ搭載しています。同じタイプで、8つのADCを搭載するMCP3208というチップもあります。

Raspberry Piとの接続は、以下のように電源、クロック/MOSI/MISO、およびCS（Chip Select）です。CSはどのGPIOでもよいのですが、今回はGPIO22を使用しました。
そのほか、ADCの基準電圧（今回はVDDをそのまま使用）も接続が必要です。

MCP3204  Raspberry Pi
  VDD    3.3V
 VREF    3.3V
 DGND    GND
  CLK    SPI0-CLK(23)
 DOUT    SPI0-MISO(21)
  DIN    SPI0-MOSI(19)
   CS    GPIO22(15)

ADCの入力は、VRを接続しました。ちなみに写真のVRはpimoroniで購入したものです。

使い方ですが、MCP3204のデータシートにある以下の図で信号が概観できます。
ホスト側から送信するデータは24bitで、そのうち実質的なデータは6bit目から10bit目までで

6bit目：スタート信号（常に1）
7bit目：データを絶対値で取る（1）か差分を取る（0）か
8～10bit目：読み取るチャンネルの番号

となっています。

MCP3204/3208は2本の入力をペアにして、その差分の値を読むことができ、7bit目はそのための指定ですが今回は使いません。
また、チャンネル指定はMCP3208（8ch）と共通の仕様のため3bitありますが、MCP3204は4chしかないので8bit目は常に0となります。

以上から、たとえばCH2の値を絶対値で読み取るには

0000 1100 10xx xxxx xxxx xxxx　→　16進で 06 80 00

というデータを送信すればよいことになります。
ADCからのデータも24bit送られてきますが、下位12bitだけが有効です。

MicroPythonでのサンプルコードを以下に載せておきます。
動かすと、1秒ごとにCH0の値を12bitの整数（0～4095）でプリントします。
値は信号がGNDレベルのとき0、VDDと同じ（3.3V）のとき4095です。

前回の実装を元に、ベアメタルRaspberry Pi版MicroPythonにSPIクラスを追加してみました。

既存のSPIクラスのAPI

I2Cのときと同様、今回も既存のSPIクラスのAPIを調べてみました。
調査対象はハード実装（pyb.SPI）、ソフト実装（machine.SPI）、CircuitPythonの3つです。

micropython/pyb.SPI.rst at master · micropython/micropython

micropython/machine.SPI.rst at master · micropython/micropython

SPI – a 3-4 wire serial protocol — Adafruit CircuitPython 0.0.0 documentation

類似点や違いはI2Cのときと大体同じでした。
定義されているメソッドや定数は以下の通りです。

MicroPython HW SPI:
pyb.SPI(bus, …)
SPI.deinit()
SPI.init(mode, baudrate=328125, \*, prescaler, polarity=1, phase=0, bits=8, firstbit=SPI.MSB, ti=False, crc=None)
SPI.recv(recv, \*, timeout=5000)
SPI.send(send, \*, timeout=5000)
SPI.send_recv(send, recv=None, \*, timeout=5000)
SPI.MASTER
SPI.SLAVE
SPI.LSB
SPI.MSB

MicroPython SW SPI:
SPI.init(baudrate=1000000, \*, polarity=0, phase=0, bits=8, firstbit=SPI.MSB, sck=None, mosi=None, miso=None, pins=(SCK, MOSI, MISO))
SPI.deinit()
SPI.read(nbytes, write=0x00)
SPI.readinto(buf, write=0x00)
SPI.write(buf)
SPI.write_readinto(write_buf, read_buf)
SPI.MASTER
SPI.LSB
SPI.MSB

CircuitPython SPI:
busio.SPI(clock, MOSI=None, MISO=None)
deinit()
configure(*, baudrate=100000, polarity=0, phase=0, bits=8)
try_lock()
unlock()
write(buffer, *, start=0, end=len(buffer))
readinto(buffer, *, start=0, end=len(buffer), write_value=0)
write_readinto(buffer_out, buffer_in, *, out_start=0, out_end=len(buffer_out), in_start=0, in_end=len(buffer_in))
frequency

MicroPythonのSW SPIとCircuitPythonは大体同じですが、CircuitPythonはバッファの一部を指定するためのパラメータ（start、end）が追加されています。I2Cのときと同様、MemoryViewを使わずに済ませるためと思われます。

Raspberry Pi向けのAPI設計

今回も、MicroPythonのSW実装のAPIをベースにすることにしました。MicroPythonで書かれたデバイスドライバとの相性はこれが一番良いと思われます。

使用できるSPIバスは1つだけで、IDは0とします。
クロックおよびMOSI、MISOの信号線の指定は行えません。

スレーブデバイスを選択するためのCS信号は、Raspberry Piではハードウェアでサポートされていますが、あえて使わないことにしました。
SPIを利用する既存のMicroPythonソフトウェアでは、CSをGPIO出力で実装しているためです。
CSは高速に処理する必要は無いので、MicroPythonからGPIO出力を制御する使い方で問題ありません。

また、Raspberry PiはSPIをMasterでしか使えないので、クラス定数SLAVEは省略します。
ハードウェアではMSB/LSBの指定や、ビット幅の指定もできませんが、互換性のためにパラメータとしては残し、対応できない値が与えられたときはエラーにすることにします。

machine.SPIクラスの実装

I2Cのときと比べれば、かなりスムーズに実装できました。
バグらしいバグは、大量のデータをwriteしたときハングするというもので、これはReadバッファがあふれたためでした。
SPIでは、Masterが送ったのと同じだけのデータが常にSlaveから送られてくるので、読み捨て処理をする必要がありました。

まずは前回同様、MOSIとMISOを直結して、送ったデータがきちんと読み取れるかのテストです。

問題なく読み書きできました。

続いて、おなじみのOLED、SSD1306への表示をMicroPython付属のドライバで行ってみました。
SSD1306では、SPIのClock、MOSI、MISOのほか、CS、DC（Data/Cmd切り替え）、Resetも配線する必要があります。

結線は以下のようにしてみました。

OLED Raspberry Pi
GND  GND(6)
VCC  3V3(17)
D0   CLK(23)
D1   MOSI(19)
RES  IO17(15)
DC   IO16(13)
CS   IO5(11)

この結線の場合、コードは以下のようになります。
（ドライバモジュールssd1306.pyは読み込み済みの想定です。）

ピン番号はGPIOの番号を使うことに注意してください。
実行すると、記事の先頭の写真のようにちゃんと表示されました。