Raspberry PiのSPI接続方法

MPL115A1大気圧センサのデータを読む

MPL115A1大気圧センサのデータを読む

自作変換基板に載ったMPL115A1(SPI)大気圧センサが死蔵状態だ。
Raspberry Piで読んでみたのだが色々と問題があった。

そもそもRaspberry PiへSPIデバイスを接続する結線方法が分からない。正確に書くならCSをどのピンに接続していいのかわからないのだ。wiringPiのSPI関連の関数からすると、ch0とch1のふたつのチャンネルがあるようなのだが、おかしいぞ、SPIデバイスはいくつでも繋ぐことができるはずなのだ。2つだけとは疑問である。ようやく分かったことだが、SSとして利用できるピンが2つ用意されておりそれがCE0とCE1なのだ。2つのピンが用意されてるのでふたつチャンネルがあるということらしらしいのだ。

wiringPiSPIDataRW関数は曲者

MPL115A1大気圧センサの読み込みコマンドは、ここにあるmbedのMPL115A1ライブラリィを参考して作成した。浮動小数点が利用できるならもっと簡単な計算式で大気圧と気温を取り出せそうであるが、AVRでもmbedでも実績があるということで利用した。

簡単にできると思ったのだけど、wiringPiのwiringPiSPIDataRW関数をmbedなどのように1バイトずつ読み出すようにするとレジスタの値が読み込めないのだ。試行錯誤した結果、2バイトのコマンドを予め用意して読み書きすると2バイトのデータとしてレジスタ値が読めた。
MPL115A1は2バイトがコマンドの単位なので、2バイトのコマンド用意して送信する必要があるのだ。

エラー処理とか真面目に書いてないのだが、とりあえず作成したプログラムはこれ。

#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>

#include <wiringPi.h>
#include <wiringPiSPI.h>

//-- Pin Configuration --//
#define SPI_CH_0                0
#define SPI_CH_1                1
#define SPI_SPEED               1000000
// real addresses, in read_register: address |= 0x80
#define MPL115A1_PRESH    0x00    // 80
#define MPL115A1_PRESL    0x02    // 82
#define MPL115A1_TEMPH    0x04    // 84
#define MPL115A1_TEMPL    0x06    // 86

#define MPL115A1_A0MSB    0x08    // 88
#define MPL115A1_A0LSB    0x0A    // 8A
#define MPL115A1_B1MSB    0x0C    // 8C
#define MPL115A1_B1LSB    0x0E    // 8E
#define MPL115A1_B2MSB    0x10    // 90
#define MPL115A1_B2LSB    0x12    // 92
#define MPL115A1_C12MSB   0x14    // 94
#define MPL115A1_C12LSB   0x16    // 96
#define MPL115A1_C11MSB   0x18    // 98
#define MPL115A1_C11LSB   0x1A    // 9A
#define MPL115A1_C22MSB   0x1C    // 9C
#define MPL115A1_C22LSB   0x1E    // 9E

#define MPL115A1_STARTPRES 0x20 // start pressure measurement
#define MPL115A1_STARTTEMP 0x22 // start temperature measurement
#define MPL115A1_STARTBOTH 0x24 // start both simultaneously

// 関数プロトタイプ。
void MPL115A1_write_register(unsigned char address, unsigned char data);
unsigned char MPL115A1_read_register(unsigned char address);
float MPL115A1_read_pressure(void);
float MPL115A1_read_temperature(void);

void MPL115A1_write_register(unsigned char address, unsigned char data)
{
    //write any data byte to any single address
    //adds a 0 to the MSB of the address byte (WRITE mode)
    unsigned char spiData[2];

    spiData[0] = address & 0x7F;
    spiData[1] = data;

    wiringPiSPIDataRW(SPI_CH_0, spiData, sizeof(spiData));
}

unsigned char MPL115A1_read_register(unsigned char address)
{
    // returns the contents of any 1 byte register from any address
    // sets the MSB for every address byte (READ mode)
    unsigned char spiData[2];

    spiData[0] = address | 0x80;
    spiData[1] = 0x00;          // dummy

    wiringPiSPIDataRW(SPI_CH_0, spiData, sizeof(spiData));

    return spiData[1];
}

float MPL115A1_read_pressure(void)
{
    signed char sia0MSB, sia0LSB;
    signed char sib1MSB, sib1LSB;
    signed char sib2MSB, sib2LSB;
    signed char sic12MSB, sic12LSB;
    signed char sic11MSB, sic11LSB;
    signed char sic22MSB, sic22LSB;
    signed int sia0, sib1, sib2, sic12, sic11, sic22, siPcomp;
    float decPcomp;
    signed long lt1, lt2, lt3, si_c11x1, si_a11, si_c12x2;
    signed long si_a1, si_c22x2, si_a2, si_a1x1, si_y1, si_a2x2;
    unsigned int uiPadc;
    unsigned char uiPH, uiPL;
    unsigned int uiTadc;
    unsigned char uiTH, uiTL;

    // read pressure, temperature and coefficients, calculate and return absolute pressure [kPa]

    MPL115A1_write_register(MPL115A1_STARTBOTH, 0x00); // start temperature and pressure conversions
    delay(3); // AN: data is typically ready after 3ms, DS for both: max. 1ms

    // read raw pressure
    uiPH = MPL115A1_read_register(MPL115A1_PRESH);
    uiPL = MPL115A1_read_register(MPL115A1_PRESL);
    uiTH = MPL115A1_read_register(MPL115A1_TEMPH);
    uiTL = MPL115A1_read_register(MPL115A1_TEMPL);

    uiPadc = (unsigned int) uiPH << 8;
    uiPadc += (unsigned int) uiPL & 0x00FF;
    uiTadc = (unsigned int) uiTH << 8;
    uiTadc += (unsigned int) uiTL & 0x00FF;

    // read coefficients, put into 16-bit Variables
    // a0, pressure offset coefficient
    sia0MSB = MPL115A1_read_register(MPL115A1_A0MSB);
    sia0LSB = MPL115A1_read_register(MPL115A1_A0LSB);
    sia0 = (signed int) sia0MSB << 8;
    sia0 += (signed int) sia0LSB & 0x00FF;

    // b1, pressure sensitivity coefficient
    sib1MSB = MPL115A1_read_register(MPL115A1_B1MSB);
    sib1LSB = MPL115A1_read_register(MPL115A1_B1LSB);
    sib1 = (signed int) sib1MSB << 8;
    sib1 += (signed int) sib1LSB & 0x00FF;

    // b2, 1st order temperature offset coefficient (TCO)
    sib2MSB = MPL115A1_read_register(MPL115A1_B2MSB);
    sib2LSB = MPL115A1_read_register(MPL115A1_B2LSB);
    sib2 = (signed int) sib2MSB << 8;
    sib2 += (signed int) sib2LSB & 0x00FF;

    // c12, temperature sensitivity coefficient (TCS)
    sic12MSB = MPL115A1_read_register(MPL115A1_C12MSB);
    sic12LSB = MPL115A1_read_register(MPL115A1_C12LSB);
    sic12 = (signed int) sic12MSB << 8;
    sic12 += (signed int) sic12LSB & 0x00FF;

    // c11, pressure linearity (2nd order) coefficient
    sic11MSB = MPL115A1_read_register(MPL115A1_C11MSB);
    sic11LSB = MPL115A1_read_register(MPL115A1_C11LSB);
    sic11 = (signed int) sic11MSB << 8;
    sic11 += (signed int) sic11LSB & 0x00FF;

    // c22, 2nd order temperature offset coefficient
    sic22MSB = MPL115A1_read_register(MPL115A1_C22MSB);
    sic22LSB = MPL115A1_read_register(MPL115A1_C22LSB);
    sic22 = (signed int) sic22MSB << 8;
    sic22 += (signed int) sic22LSB & 0x00FF;

    // Coefficient 9 equation compensation

    // 10bit stored in 16bit, shift right
    uiPadc = uiPadc >> 6;
    uiTadc = uiTadc >> 6;

    // Step 1: c11x1 = c11 * Padc
    lt1 = (signed long) sic11;
    lt2 = (signed long) uiPadc;
    lt3 = lt1*lt2;
    si_c11x1 = (signed long) lt3;

    // Step 2: a11 = b1 + c11x1
    lt1 = ((signed long)sib1)<<14;
    lt2 = (signed long) si_c11x1;
    lt3 = lt1 + lt2;
    si_a11 = (signed long)(lt3>>14);

    // Step 3: c12x2 = c12 * Tadc
    lt1 = (signed long) sic12;
    lt2 = (signed long) uiTadc;
    lt3 = lt1*lt2;
    si_c12x2 = (signed long)lt3;

    // Step 4: a1 = a11 + c12x2
    lt1 = ((signed long)si_a11<<11);
    lt2 = (signed long)si_c12x2;
    lt3 = lt1 + lt2;
    si_a1 = (signed long) lt3>>11;

    // Step 5: c22x2 = c22*Tadc
    lt1 = (signed long)sic22;
    lt2 = (signed long)uiTadc;
    lt3 = lt1 * lt2;
    si_c22x2 = (signed long)(lt3);

    // Step 6: a2 = b2 + c22x2
    lt1 = ((signed long)sib2<<15);
    lt2 = ((signed long)si_c22x2>1);
    lt3 = lt1+lt2;
    si_a2 = ((signed long)lt3>>16);

    // Step 7: a1x1 = a1 * Padc
    lt1 = (signed long)si_a1;
    lt2 = (signed long)uiPadc;
    lt3 = lt1*lt2;
    si_a1x1 = (signed long)(lt3);

    // Step 8: y1 = a0 + a1x1
    lt1 = ((signed long)sia0<<10);
    lt2 = (signed long)si_a1x1;
    lt3 = lt1+lt2;
    si_y1 = ((signed long)lt3>>10);

    // Step 9: a2x2 = a2 * Tadc
    lt1 = (signed long)si_a2;
    lt2 = (signed long)uiTadc;
    lt3 = lt1*lt2;
    si_a2x2 = (signed long)(lt3);

    // Step 10: pComp = y1 + a2x2
    lt1 = ((signed long)si_y1<<10);
    lt2 = (signed long)si_a2x2;
    lt3 = lt1+lt2;

    // Fixed point result with rounding
    //siPcomp = ((signed int)lt3>>13);
    siPcomp = lt3/8192;

    // decPcomp is defined as a floating point number
    // Conversion to decimal value from 1023 ADC count value
    // ADC counts are 0 to 1023, pressure is 50 to 115kPa respectively
    decPcomp = ((65.0/1023.0)*siPcomp)+50;

    return decPcomp;
}

float MPL115A1_read_temperature(void)
{
    unsigned int uiTadc;
    unsigned char uiTH, uiTL;

    // read, calculate and return temperature

    MPL115A1_write_register(MPL115A1_STARTTEMP, 0x00); // start temperature conversion
    delay(3); // AN: data is typically ready after 3ms, DS for temp: max. 0.7ms

    // read raw temperature
    uiTH = MPL115A1_read_register(MPL115A1_TEMPH);
    uiTL = MPL115A1_read_register(MPL115A1_TEMPL);

    uiTadc = (unsigned int) uiTH << 8;
    uiTadc += (unsigned int) uiTL & 0x00FF;

    // 10bit stored in 16bit, shift right
    uiTadc = uiTadc >> 6;

    // Tadc is 472 counts at 25degC, -5.35 counts/degC
    // return ((float)uiTadc - 472.0)/(-5.35) + 25
    return (605.75-uiTadc)*0.186916;
}


int main(int argc, char **argv)
{
    float pressure, temperature;

    printf("***** Start MPL115A1 Barometric Pressure Sensor *****\n");


    // SPI channel 0 を 1MHz で開始。
    if (wiringPiSPISetup(SPI_CH_0, SPI_SPEED) < 0)
    {
        printf("SPI Setup failed:\n");
        exit(-1);
    }

    while(1)
    {
        pressure = MPL115A1_read_pressure();
        temperature = MPL115A1_read_temperature();

        printf("--------------------------\n");
        printf("Pressure    is %.1f hPa\n", pressure*10);
        printf("Temperature is %.1f degC\n", temperature);

        delay(1000);        // 1s wait
    }

    return 0;
}

そしてこれが、読み出したデータだ。良い感じだ。

bant@raspberrypi ~/workspace/C/SPI $ sudo ./MPL115A1_test
[sudo] password for bant:
***** Start MPL115A1 Barometric Pressure Sensor *****
--------------------------
Pressure    is 1024.8 hPa
Temperature is 17.0 degC
--------------------------
Pressure    is 1024.8 hPa
Temperature is 17.0 degC
--------------------------
Pressure    is 1024.8 hPa
Temperature is 17.0 degC
--------------------------
Pressure    is 1024.8 hPa
Temperature is 17.1 degC
--------------------------
Pressure    is 1026.1 hPa
Temperature is 17.0 degC
--------------------------
Pressure    is 1026.1 hPa
Temperature is 17.0 degC

読めたのだが…

MPL115A1のデータは暴れるので、平均値を表示するようにしたら実用になるだろう。
まだまだ落ち着いてないので、とりあえず読めたのでヨシとしておこう。

【2013年10月30日追記】

少し時間がとれたので、公開したファイルを修正して使えるコマンドに仕立て直した。それを公開する。
MPL115A1読み出しコマンド (332 ダウンロード)

Raspberry Piにて上記のファイルをダウンロードし解凍後、

$>make
$>sudo make install

にて構築&インストールできる。

実行は以下のとおり

bant@raspberrypi ~/workspace/C/MPL115A1 $ MPL115A1 -c0 -t100
***** Start MPL115A1 Barometric Pressure Sensor *****
[Conditions]------------
SPI Channel: 0 ch
SPI Speed: 1000000 Hz
Average times: 100

[Results]---------------
Pressure: 1023.5 hPa
Temperature: 15.4 degC

【2013年11月1日追記】

githubに最新ファイルを公開した。
場所は”ここ“である。
注意書きを置いたので必要な方は読んでくたさい。

ちなみにMPL116A1のgitのクローン・コンパイル&インストールは以下のとおり

$>git clone https://github.com/bant/MPL115A1
$>cd MPL115A1
$>make
$>sudo make install