温湿度センサの制御

この文書ではI2Cで制御できる温湿度センサについて説明します．PICなどのマイコンと比べてPi4JではI2Cを簡単に扱うことができるようになっています．簡単にできますので気楽に取り組んでください．

回路構成

下の図は温湿度センサ周りの回路図となっています．HDC1000には3本の端子があり，そのうち2本(SDAとSCL)がI2Cのためのものです．ともに330[Ω]の抵抗でプルアップされております．この2本を使って温湿度を測定する指令を出したり，HDC1000の設定を行ったり，測定結果を受信したりします．RDY端子は温湿度を測定し始めるとHighになり終わるとLowとなりますので，測定終了をRPiで検知するときに用いられます．

I2C

I2Cはオランダのフィリップス社が中心となり制定された，2線式シリアル通信に分類される通信規格であり，SDAではデータを送受信し，SCLではクロックを送ります．この規格では基本的に1個のマスタデバイスとN個のスレーブデバイスがあり，すべての送受信はマスタが主導して行いますので，マスタがSCLを通じてクロックを送信します．マスタから見たとき送受信の区別は各スレーブに設定してあるアドレスと一緒に送る1ビットの信号で決められており，例えばスレーブアドレスが0x24(7ビット)のデバイスにマスタからデータを送信する場合には，前述の0x24に続き，Low(=0)をスレーブに送信します．つまり，アドレス(7ビット)+送信(1ビット)=0x48(8ビット)というようにマスターからスレーブへ送信するのです．その結果，0x24のアドレスを持つスレーブだけが反応し，そのスレーブがSDAをLowにします．その後，マスタからデータをSDAへ送信するようになっています．マスタがスレーブからのデータを受信するときには，アドレスに続きHighを出力しますので，0x49を送信し，その後はスレーブからデータがSDAを通じて送られてきます．送られてくるタイミングはすべてSCLに則っていますので，マスタはそのクロックを出しつつデータを受信すればよいのです．

プログラム

上記ではI2Cの送受信の仕組みについて説明しましたが，Pi4Jではその辺のことをうまくオブラートに包んでくれているため，実際のところ，上記のような仕組みを知らなくても通信を行えてしまいます．ここではPi4JによるI2Cデバイスの制御方法について説明します．

まずはI2Cバスのインスタンスを取得するため，クラスI2CFactoryのスタティックなメソッドgetInstanceを用いてインスタンスi2c_busとします．getInstanceにはI2Cのバスを引数にする必要があります．今回はI2CBus.BUS_1を引数にします．次にi2c_busにあるメソッドgetDeviceを使ってHDC1000のインスタンスhdc1000を得ます．このときHDC1000のアドレスは0x40ですのでこれをgetDeviceの引数にします．そしてhdc1000にあるメソッドwriteでRPiからHDC1000へ初期設定データを送ります．HDC1000への指令は下表のレジスタアドレスをHDC1000へ送ります．

この中にはコンフィギュレーションレジスタがありアドレス0x02に割り付けられており，このコンフィギュレーションレジスタには2バイトの値を設定できるようになっています．下表にコンフィギュレーションレジスタに設定できる2バイトの用途を示します．

今回，温度と湿度を16bitを個別に取り込み，分解能は14bitにします．従いまして0x00, 0x00とします．まとめますと，コンフィギュレーションレジスタのアドレス0x02に続き，0x00と0x00をHDC1000へ送信すればよいですので，メソッドwriteは次のようになります．

 I2CBus i2c_bus = I2CFactory.getInstance(I2CBus.BUS_1);
I2CDevice hdc1000_pins = i2c_bus.getDevice(0b1000000);
hdc1000_pins.write(new byte[] { 0x02, 0x00, 0x00 }, 0, 3);

HDC1000にはI2C以外にRDY端子を用いますので，これをインスタンス化して プライベートなフィールド _readyとします．この端子は通常の入力端子ですのでスイッチと同様にクラスGpioPinDigitalInputのインスタンスにしてください．

演習

上記のプログラムをクラスHDC1000のコンストラクタに記載してください．ただし，hdc1000_pinsは他のメソッドでも使用しますので，名称を変更し，プライベートなフィールド _hdc1000Pinsとしてください．下にクラスHDC1000の外枠のみ示します．

{code}package jp.ac.nanano_nct.ashida_lab.hdc1000;

import java.io.IOException;

import com.pi4j.io.gpio.GpioController;
import com.pi4j.io.gpio.GpioFactory;
import com.pi4j.io.gpio.GpioPinDigitalInput;
import com.pi4j.io.gpio.PinPullResistance;
import com.pi4j.io.gpio.RaspiPin;
import com.pi4j.io.i2c.I2CBus;
import com.pi4j.io.i2c.I2CDevice;
import com.pi4j.io.i2c.I2CFactory;

public class HDC1000 {

    private GpioPinDigitalInput _ready;
    private I2CDevice _hdc1000Pin;

    public HDC1000() throws IOException{
        /* ここに記載 */
    }
}
{highlight}{end-code}

次に温度を取得するメソッドgetTempをHDC1000に追加します．温度を得るにレジスタは先ほど示した表の中にあるように，アドレス0x00に割り当てられていますのでこの値をHDC1000へ送ります．すると計測が始まり，RDY端子がHighになります．計測が終わるとRDY端子がLowになりますのでそれまで待ちます．今回はRDYがLowになるまでずっとその処理を行うことにしたいので，_readyの中にあるメソッドisHighを用います．スイッチのプログラムの時には，イベントリスナを使ったものでしたが，今回のようにずっとピンの状態を見張り続けるスタイルをポーリングといいます．HDC1000で温度を取得できましたら，_hdc1000Pinsにあるメソッドreadを用いて温度データを得ます．このメソッドには3個の引数があり，第1引数にはデータを格納する配列を，第2引数には配列の開始番号を，第3引数には読み込みデータ個数を指定します．今回は2バイトのbyte型配列 _bufをプライベートなフィールドとし，第1引数に用います．そして第2引数は0，第3引数を2にします．_buf[0]には上位8ビット，_buf[1]には下位8ビットが格納が格納されますので，これにもとづき int型のraw_dataとします．このとき，_bufはbyte型なのでキャストを忘れずに行ってください．

最後に得たデータを摂氏に変換します．変換式は下のとおりです．

{jmimetex}\frac{165 \times raw\_data}{2^{16}}-40{/jmimetex}

変換した結果をgetTempからreturnしてください．

演習

パブリックなメソッドgetTempをHDC1000に追加してください．