【初心者】MCP3008/3004/3208/3204の使い方とは？ラズパイで試してみた

皆さんこんにちは！メカ旦那です。

ADコンバータでよく聞く「MCP3008/3004/3208/3204」 ですが、データシートが英語だし、色々難しい事書かれてるしよくわからない・・・という方も多いのではないでしょうか？そんな方向けにわかりやすく解説してみました。

そもそもADコンバータって何？・・・という方はまずこちらの記事をご覧ください！

MCP3xxx とは

外観

MCP3xxx はアメリカの半導体メーカー「Microchip Technology（マイクロチップテクノロジー）」が作るADコンバータになります。

秋月電子やAmazonなど様々なサイトで販売されており、在庫数も多いため、入手性が良いです。

データシートは秋月電子でダウンロードできますが、英語長文なので読みづらいです。。。そこでそれぞれの特徴を共通点、違いに分けて解説します。

共通点

まずはMCP3xxxの共通点です。

SPIについてはこちらで解説しています！

違い

続いてMCP3xxxの違いはこちらです。

サンプリングレート、分解能はこちらで詳しく解説しています！

通信の流れ

MCP3xxxはセンサ等からアナログ入力を受けた後、AD変換し、コンピュータ等のマスターにSPI出力します。通信の流れについて解説します。

MCP3208とラズパイを繋いでみた

手を動かした方がわかりやすいので、実際にMCP3208とラズパイ3A+を通信してみました。

動画

イメージはこんな感じになります。

可変抵抗からのアナログ出力を、MCP3208でAD変換しラズパイに入力。その後入力データに合わせてラズパイからLEDの明るさを変えるという構成です。

ラズパイにはアナログ入力がない！

今回なぜラズパイと繋いだかと言うと、アナログ入力機能がないからです。

Arduino Unoなど一部のマイコンにはアナログ入力ピンがあり、ADコンバータ不要になります。しかしラズパイ（ピコ以外）は無いため、ADコンバータが無いとアナログ入力を行うことができません。その為今回ラズパイを繋いでみました。

使用部品

使用するのはこちらです。

部品はまとめて購入することも可能です。

回路

回路図はこちらです。

プログラム　マスター側

//ライブラリインポート
import spidev	//ラズパイ向けSPIライブラリ
import time	
import smbus	//ラズパイ向けI2Cライブラリ

//SPI初期設定
spi = spidev.SpiDev()
spi.open(0, 0)
spi.max_speed_hz = 1350000	
spi.mode = 0b00			// SPIモード [0,0]

//I2C初期設定
i2c = smbus.SMBus(1)
ARDUINO_ADDR = 0x09		//スレーブ側I2Cアドレス

//アナログ値読み取り関数
def read_adc(channel):

    //チャンネル0~7以外はエラー扱い
    if channel < 0 or channel > 7:
        raise ValueError("channel must be 0-7")

    //spi.xfer2の引数作成
    byte0 = 0x06 | ((channel & 0x04) >> 2)  // スタート(1) + シングルエンド(1) + チャンネル(0)
    byte1 = (channel & 0x03) << 6           // チャンネル（1,0 bit目）
    byte2 = 0x00

    //引数に格納されたデータを出力
    //その後スレーブより3byte分の値が戻される為、変数「result」に格納
    result = spi.xfer2([byte0, byte1, byte2])

    //受領した3byteを12bitに変換
    adc_value = ((result[1] & 0x0F) << 8) | result[2]

    return adc_value  

//メイン処理
try:
    while True:
        adc_raw = read_adc(0)			//引数にチャンネル№（0）を格納し、関数呼び出し
        adc_8bit = adc_raw >> 4			//12bit→8bitに変換
        i2c.write_byte(ARDUINO_ADDR, adc_8bit)	//I2C出力
        print(f"Sent : {adc_8bit}")		//出力値をシリアルモニタに表示
        time.sleep(0.5)

except KeyboardInterrupt:
    print("終了しました。")

finally:
    spi.close()

プログラムについては、マスター・スレーブそれぞれに書き込む必要があります。まずはマスター側（ラズパイ）のポイントです。

プログラム　スレーブ側

//ライブラリインポート　
#include <Wire.h>                   //Arduino向けI2Cライブラリ「Wire.h」をインポート

//初期設定
volatile byte receiveData;          //LEDに出力する変数receiveDataを宣言

void setup() {
  Wire.begin(9);                    //Arduinoにスレーブアドレス9を設定
  Wire.onReceive(turnOnLED);        //マスターからのデータ受信時に関数「turnOnLED」を呼び出す
  pinMode(5, OUTPUT);               //LEDが接続されている5ピンを出力に設定
}

//呼び出し関数
void turnOnLED(int Number) {
  if (Wire.available()) 
   receiveData = Wire.read();       //マスターから受信した数値を変数receiveDataに格納
}

//メイン処理
void loop() {
  analogWrite(5, receiveData);      //LEDピンに変数receiveDataを出力。つまりPWMでLEDの明るさを制御。
}

続いてスレーブ（Arduino Leonard）側のコードです。ポイントは以下です。

まとめ

まとめはこちらになります。

この解説が少しでもわかりやすければ幸いです！