Raspberry Pi Pico I2Cで仮想DS1307 RTCを読み取る

はじめに

プロジェクトにリアルタイムクロック（RTC）を追加したいけれど、手元にハードウェアがないと思ったことはありませんか？Velxioを使えば、Raspberry Pi Picoと仮想DS1307を使用して、完全なI2C RTC読み出しをブラウザ上でシミュレートできます。このチュートリアルでは、回路、コード、主要な概念を順を追って説明し、自身のプロジェクトでI2C通信を自信を持って使用できるようにします。

回路の解説

まずは回路を見てみましょう。Velxioでサンプルを開くと、以下のコンポーネントが表示されます。

回路はシンプルです。Raspberry Pi Pico（nano-rp2040）が2つのLEDと仮想DS1307 RTC（個別のコンポーネントとしては表示されません—RTCはシミュレーションに組み込まれています）に接続されています。LEDはI2Cアクティビティの視覚的なインジケータとして使用されます。

• LED（青）：青いワイヤーでピンD12（SDAライン）に接続されています。アノード（A）はD12に接続され、カソード（C）は黒いワイヤーでGND.1に接続されています。
• LED（黄）：オレンジのワイヤーでピンD10（SCLライン）に接続されています。アノード（A）はD10に接続され、カソード（C）は黒いワイヤーでGND.1に接続されています。

両方のLEDは同じグラウンド（GND.1）を共有しています。I2CバスはSDA（データ）ラインとSCL（クロック）ラインで構成されています。DS1307 RTCは内部でアドレス0x68のこれらのラインに接続されています。LEDはI2C通信に厳密には必要ありませんが、ラインがトグルしていることを視覚的に示します。

この回路を自分で構築するには、Velxioのコンポーネントピッカーを使用できます。

「Raspberry Pi Pico」と「LED」を検索し、説明の通りに配線します。キャンバスツールバーは、コンポーネントのズームや配置に役立ちます。

コードの解説

それではコードを見ていきましょう。スケッチはWireライブラリ（組み込み）を使用して、I2C経由でDS1307と通信します。以下が完全なコードです。

// Raspberry Pi Pico — I2C DS1307 RTC Read
// Reads time from virtual RTC at address 0x68

#include <Wire.h>

byte bcdToDec(byte val) {
  return ((val >> 4) * 10) + (val & 0x0F);
}

void setup() {
  Serial.begin(115200);
  delay(500);
  Wire.begin();
  Serial.println("=== Pico I2C RTC Read ===");
  Serial.println("Reading DS1307 at 0x68 (system time)");
  Serial.println();
}

void loop() {
  // Set register pointer to 0
  Wire.beginTransmission(0x68);
  Wire.write(0x00);
  Wire.endTransmission();

  // Read 7 bytes: sec, min, hr, dow, date, month, year
  Wire.requestFrom(0x68, 7);
  if (Wire.available() >= 7) {
    byte sec   = bcdToDec(Wire.read() & 0x7F);
    byte min   = bcdToDec(Wire.read());
    byte hr    = bcdToDec(Wire.read() & 0x3F);
    byte dow   = bcdToDec(Wire.read());
    byte date  = bcdToDec(Wire.read());
    byte month = bcdToDec(Wire.read());
    byte year  = bcdToDec(Wire.read());

    const char* days[] = {"", "Sun", "Mon", "Tue", "Wed", "Thu", "Fri", "Sat"};

    Serial.print("Time: ");
    if (hr < 10) Serial.print('0'); Serial.print(hr); Serial.print(':');
    if (min < 10) Serial.print('0'); Serial.print(min); Serial.print(':');
    if (sec < 10) Serial.print('0'); Serial.print(sec);
    Serial.print("  Date: ");
    Serial.print(days[dow]); Serial.print(' ');
    if (date < 10) Serial.print('0'); Serial.print(date); Serial.print('/');
    if (month < 10) Serial.print('0'); Serial.print(month); Serial.print('/');
    Serial.print("20"); if (year < 10) Serial.print('0'); Serial.println(year);
  } else {
    Serial.println("RTC not responding!");
  }

  delay(1000);
}

動作の仕組み

1. セットアップ：115200ボーでシリアル通信を開始し、Wire.begin()でI2Cバスを初期化します。DS1307はアドレス0x68にあります。

2. ループ：1秒ごとに、以下の処理を行います。

   • アドレス0x68にbeginTransmissionを送信し、0x00（秒レジスタへのレジスタポインタ）を書き込み、endTransmissionを実行します。
   • Wire.requestFrom(0x68, 7)を使用してRTCから7バイトを要求します。
   • 各バイトを読み取り、ヘルパー関数bcdToDecを使用してBCD（2進化10進数）から10進数に変換します。
   • 時刻と日付をフォーマットしてシリアルモニタに出力します。

3. BCD変換：DS1307は時刻値をBCD形式で保存します。例えば、バイト0x45はBCDで45を表します（4*10 + 5 = 45）。bcdToDec関数は10の位（上位ニブル）と1の位（下位ニブル）を抽出して結合します。

4. マスキング：特定のレジスタにマスクを適用します。

   • 秒：& 0x7FでCH（クロック停止）ビットをクリアします。
   • 時：& 0x3Fで12/24時間モードビットをクリアします（24時間モードを想定）。

主要な概念

• I2Cプロトコル：マイクロコントローラとペリフェラル間の通信用の2線式シリアルバス（SDA、SCL）。各デバイスは固有のアドレスを持ちます。
• Wireライブラリ：Arduinoの組み込みI2Cライブラリ。Wire.begin()でバスに参加し、Wire.beginTransmission(addr)でデバイスとの通信を開始し、Wire.write()でデータを送信し、Wire.endTransmission()で終了し、Wire.requestFrom(addr, count)でバイトを読み取ります。
• BCD形式：多くのRTCは表示を簡略化するためにBCDを使用します。人間が読める出力にするには、10進数に変換する必要があります。
• レジスタマッピング：DS1307には特定のレジスタマップがあります：秒（0x00）、分（0x01）、時（0x02）、曜日（0x03）、日付（0x04）、月（0x05）、年（0x06）。

よくある落とし穴とデバッグのヒント

• I2Cアドレスの間違い：デバイスアドレスを再確認してください。DS1307は通常0x68（7ビット）です。「RTC not responding!」と表示された場合は、アドレスを確認してください。
• プルアップ抵抗の欠落：実際のハードウェアでは、I2Cラインにプルアップ抵抗が必要です。Velxioでは内部でシミュレートされているため、追加する必要はありません。
• ボーレートの不一致：シリアルモニタのボーレートが115200と一致していることを確認してください。
• レジスタポインタが設定されていない：読み取り前に必ずレジスタポインタを設定してください。コードでは0x00を書き込んで秒レジスタを指すようにしています。
• マスキングエラー：CHビット（秒）や12/24時間ビット（時）のマスキングを忘れると、誤った値になる可能性があります。

推奨される拡張機能

• 時刻の設定：現在時刻をRTCに書き込むコードを追加します。各レジスタを設定するにはWire.write()を使用します。
• アラーム機能：特定の時刻に達したときにLEDをトリガーするアラームを実装します。
• LCDへの表示：シリアルモニタの代わりにI2C LCDを使用して時刻を表示します。
• 複数のRTC：同じバス上の2つの異なるI2Cデバイスからの読み取りを試みます。

実際に試してみよう！

実験の準備はできましたか？Velxioでライブサンプルを開き、シミュレーションを実行してください。シリアルモニタに毎秒時刻が表示されます。コードを変更して更新間隔を変更したり、新しい機能を追加したりできます。

Pico I2C RTC Readサンプルを起動する

楽しいシミュレーションを！