Pico マルチプロトコルデモ: RP2040 でのシリアル、I2C、SPI、ADC

はじめに

Pico マルチプロトコルデモへようこそ！このチュートリアルでは、Raspberry Pi Pico (RP2040) を使用して、シリアル、I2C、SPI、ADC の複数のプロトコルを同時に通信する方法を学びます。これは、組み込み開発に必要な複数の主要スキルを統合した高度な例です。Velxio シミュレータで回路を構築し、コードを書き、各部分をステップバイステップで解説します。

回路の解説

コンポーネントと配線を見てみましょう。この回路は、Raspberry Pi Pico (Nano RP2040 Connect) といくつかの周辺機器を使用しています。

• 青色 LED (led-i2c): 電流制限抵抗を介してピン D12 (GP12) に接続。アノード (A) は D12 に、カソード (C) は GND に接続。
• 黄色 LED (led-spi): 同様にピン D7 (GP7) に接続。
• ポテンショメータ (pot-adc): 信号ピン (SIG) は A0 (GP26) に接続。VCC は 3.3V に、GND は GND に接続。
• 緑色 LED (led-gpio): ピン D2 (GP2) に接続。

すべての LED は共通のグランドを共有しています。ポテンショメータは 3.3V レールから電源を供給されます。配線は簡単ですが、Pico の内蔵 I2C および SPI ペリフェラルを使用していることに注意してください（回路図には明示的に示されていませんが、コードはデフォルトのピンで利用可能であると想定しています）。

コードの解説

コードは Arduino C++ で書かれており、Wire ライブラリと SPI ライブラリを使用しています。セクションごとに詳しく見ていきましょう。

セットアップ

void setup() {
  pinMode(LED_BUILTIN, OUTPUT);
  Serial.begin(115200);
  delay(500);

  Serial.println("==============================");
  Serial.println(" Pico Multi-Protocol Demo");
  Serial.println("==============================");
  Serial.println();

まず、内蔵 LED とシリアルを 115200 ボー で初期化します。delay により、シリアルモニタが接続する時間を確保します。

1. I2C スキャナ

  Wire.begin();
  Serial.println("[I2C] Scanning bus...");
  int found = 0;
  for (byte addr = 1; addr < 127; addr++) {
    Wire.beginTransmission(addr);
    if (Wire.endTransmission() == 0) {
      found++;
      Serial.print("  Found device at 0x");
      if (addr < 16) Serial.print('0');
      Serial.println(addr, HEX);
    }
  }
  Serial.print("  Total devices: "); Serial.println(found);
  Serial.println();

これは、すべての可能な I2C アドレス (1-126) をスキャンし、応答があったものを報告します。シミュレータでは、0x50 (EEPROM) や 0x68 (RTC) などのアドレスに仮想デバイスが表示される場合があります。

2. I2C EEPROM 読み書き

  Serial.println("[I2C] EEPROM test at 0x50...");
  Wire.beginTransmission(0x50);
  Wire.write(0x00); // register 0
  Wire.write(0x42); // data
  Wire.endTransmission();
  delay(5);

  Wire.beginTransmission(0x50);
  Wire.write(0x00);
  Wire.endTransmission();
  Wire.requestFrom(0x50, 1);
  if (Wire.available()) {
    byte val = Wire.read();
    Serial.print("  Wrote 0x42, Read 0x");
    Serial.print(val, HEX);
    Serial.println(val == 0x42 ? " — OK" : " — FAIL");
  }
  Serial.println();

アドレス 0x50 の EEPROM のレジスタ 0 に値 0x42 を書き込み、それを読み戻して検証します。これにより、基本的な I2C 読み書きをテストします。

3. I2C RTC

  Serial.println("[I2C] Reading DS1307 RTC at 0x68...");
  Wire.beginTransmission(0x68);
  Wire.write(0x00);
  Wire.endTransmission();
  Wire.requestFrom(0x68, 3);
  if (Wire.available() >= 3) {
    byte sec = ((Wire.read() & 0x7F) >> 4) * 10 + (Wire.read() & 0x0F);
    byte min2 = Wire.read();
    (void)sec; (void)min2;
    Serial.println("  RTC responded OK");
  }
  Serial.println();

ここでは、アドレス 0x68 の DS1307 RTC から時刻レジスタを読み取ろうとします。コードは 3 バイト（秒、分、時）を読み取りますが、デバイスが応答したかどうかのみを確認します。

4. SPI ループバック

  Serial.println("[SPI] Loopback test...");
  SPI.begin();
  SPI.beginTransaction(SPISettings(1000000, MSBFIRST, SPI_MODE0));
  byte tx = 0xAB;
  byte rx = SPI.transfer(tx);
  Serial.print("  TX: 0x"); Serial.print(tx, HEX);
  Serial.print("  RX: 0x"); Serial.println(rx, HEX);
  SPI.endTransaction();
  Serial.println();

これは単純な SPI ループバックを実行します。0xAB を送信し、受信した値を読み戻します。シミュレータでは、MISO と MOSI が外部で接続されていないため、受信値は 0xFF または他の値になる可能性があります。これにより、SPI ハードウェアをテストします。

5. ADC

  Serial.println("[ADC] Reading analog channels...");
  analogReadResolution(12);
  int a0 = analogRead(A0);
  Serial.print("  A0 (GP26): "); Serial.println(a0);
  Serial.println();

ADC の解像度を 12 ビット に設定し、A0 (GP26) から値を読み取ります。ポテンショメータのワイパー電圧が読み取られ、0 から 4095 の間の値が得られます。

6. GPIO 点滅

  Serial.println("[GPIO] Blinking LED...");
  for (int i = 0; i < 3; i++) {
    digitalWrite(LED_BUILTIN, HIGH);
    delay(200);
    digitalWrite(LED_BUILTIN, LOW);
    delay(200);
  }
  Serial.println("  3 blinks done");
  Serial.println();

  Serial.println("=== All protocol tests complete ===");
}

最後に、内蔵 LED を 3 回点滅させて、セットアップが完了したことを示します。

ループ

void loop() {
  // Heartbeat
  static unsigned long last = 0;
  if (millis() - last >= 3000) {
    last = millis();
    Serial.print("[Heartbeat] ");
    Serial.print(millis() / 1000);
    Serial.println("s");
  }
}

ループは 3 秒 ごとにハートビートメッセージを出力し、プログラムが実行中であることを示します。

主要な概念

• マルチプロトコル統合: シリアル、I2C、SPI、ADC を 1 つのスケッチに組み合わせることで、競合なく複数のペリフェラルを管理する方法を学べます。
• I2C アドレッシング: 特定のアドレスでデバイスをスキャンし通信する方法の理解。
• SPI 設定: クロック速度、ビット順序、モードの設定。
• ADC 解像度: analogReadResolution() を使用してより高い精度を得る方法。
• シリアルデバッグ: シリアルモニタを使用してリアルタイムデータを出力する方法。

よくある落とし穴とデバッグのヒント

• I2C プルアップ抵抗: Pico には内部プルアップがありますが、長い配線には外部プルアップが必要な場合があります。シミュレータでは自動的に処理されます。
• SPI ループバック: 物理的なループバックがない場合、受信データはゴミになる可能性があります。実際のループバックテストには、MOSI と MISO の間にジャンパ線を使用してください。
• ADC ノイズ: ポテンショメータはノイズが発生する可能性があります。ワイパーとグランドの間にコンデンサを追加すると効果的です。
• シリアルボーレートの不一致: シリアルモニタが 115200 ボー に設定されていることを確認してください。

推奨拡張機能

• 外部 I2C センサー（例：温度/湿度）を追加し、その読み取り値を表示する。
• SPI を使用して OLED ディスプレイを制御する。
• ADC を読み取り、値を EEPROM に保存するシンプルなデータロガーを実装する。
• ボタンを追加して、異なるテストモードをトリガーする。

自分で試してみよう！

実験する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。コードを変更したり、コンポーネントを追加したり、結果を即座に確認できます。

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