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ZephyrRTOSAdvent Calendar 2024

Day 7
@610t(武藤 武士)in秘密結社オープンフォース

Zephyrでmicro:bitの外部I2Cを使ってみた

Last updated at Posted at 2025-01-16

この文章は、ZephyrRTOS Advent Calendar 2024 1の7日目のエントリとして書かれました。

はじめに

これまで、何本かmicro:bitでZephyrを使う記事を書いてきましたが、全てサンプルを動かすというレベルのものでした。

そろそろ、なにか適当なアプリケーションを書きたいなぁと思ったところに、Zephyr and the BBC Microbit V2 Tutorial Part 3: I2C 2 というI2Cデバイスを使う記事があることに気が付きました。これは、内蔵I2Cに接続されている加速度センサーLSM303を使うという話になっています。

「micro:bitって外側端子にもI2Cが出ているから、ひょっとして外付けでI2Cデバイスが使えるんじゃね」と考えたので、使えないか試してみることにしました。

最終的にI2C接続のジョイスティックを動かすことができたので、報告したいと思います。

ハードウエア

利用したハードウエアは以下の通りです。

ハードウエア SKU 役割
micro:bit v2.0 SEDU-066006 メインボード
M5Stack用 I2Cジョイスティックユニット M5STACK-U024-C I2Cジョイスティック
M5:Bit micro:bit用変換ボード M5STACK-A051 micro:bitからI2Cを出す
GROVE - 4ピン-ジャンパメスケーブル SEEED-110990028 M5:Bitとジョイスティック接続用

接続イメージは、以下の図の通りです。

接続イメージ図

以下に各デバイスに関して説明します。

micro:bit

今回もmicro:bitを利用しました。
J-Link化したmicro:bit v2.0 3 を使っています。
初期設定などの詳細は、macOSでZephyrのmicro:bitデモを動かす 4 をご覧ください。

最新のmicro:bitはv2.2はJ-Link化できませんので、注意してください。

M5Stack用 I2Cジョイスティックユニット

M5Stack用 I2Cジョイスティックユニット 5 は、Grove接続のI2Cジョイスティックです。

プロトコルは非常に簡単で、I2Cアドレス0x52のレジスタ0x00から3バイト読み込むと、それぞれx方向の値,y方向の値,btn状態が得られます。
初期化などは必要ありません。

接続用ハードウエア

以下のハードウエアをmicro:bitとジョイスティックの接続用に使いました。

M5:Bit micro:bit用変換ボード

M5:Bit micro:bit用変換ボード 6 は、micro:bitのコネクタをピンに出すためボードです。この種のボードとしては、非常に安価になっています。
I2Cが右下の端子で2系統出せるようになっています。I2CがGroveで出ていればもっと良かったのですが…
さらに、シリアルはGrove端子に出ているので、簡単に利用できます。

この製品に限らず、micro:bitからI2Cを出すボードは各種出ていますので、どれを使っても問題ありません。
売り切れが多いですが、"grove micro:bit"で検索する 7 とそのような商品が出てきます。
いくつかの商品は直接Grove接続できるので、次のケーブルを使わなくても、普通のGroveケーブルでジョイスティックと接続できるようになります。

GROVE - 4ピン-ジャンパメスケーブル

GROVE - 4ピン-ジャンパメスケーブル 8 は、グローブケーブルを2.54 mmピッチのジャンパメスコネクタに変換するケーブルです。
M5:Bit側が4ピンオスコネクタで、ジョイスティック側がGroveになるため、必要になります。

Seeed製品のGroveケーブルとM5Stack製品のGroveケーブルでは、黄色と白の信号線の色が反対になっているので注意してください。
私は、これで数時間溶かしました…

ソフトウエア:デモプログラムソースコード

ここでは、ソフトウエアについて解説します。

全てのコードは、 https://github.com/610t/zephyr-playground で公開しています。

ジョイスティックの値をシリアルに出力する:m5stack_joystick

今回作成したアプリケーションのソースコードは、以下の通りです。
githubでは、 https://github.com/610t/zephyr-playground/tree/main/samples/boards/bbc/microbit/m5stack_joystick にあります。
他のサンプルと同じように、zephyr/samples/boards/bbc/microbit/m5stack_joystick/に以下のように配置していることを仮定しています。

  • prj.conf
  • CMakeLists.txt
  • app.overlay
  • src/
    • main.c

プロジェクト設定ファイル:prj.conf

プロジェクトで利用する機能を指定します。
今回は、I2Cを有効にしています。

prj.conf
CONFIG_I2C=y

Cmakefile:CMakeLists.txt

アプリケーションbuild用のcmakeの設定ファイルです。
ソースは、main.cだけなので、それを指定しているだけです。

CMakeLists.txt
cmake_minimum_required(VERSION 3.13.1)

find_package(Zephyr REQUIRED HINTS $ENV{ZEPHYR_BASE})
project(m5stack_joystick)

target_sources(app PRIVATE src/main.c)

Device Tree Source Overlay:app.overlay

Device Tree Source(DTS)の上書きを行う場合に利用するファイルです。

外部I2C端子であるi2c1の定義を行っています。
外部I2Cでは、SDLが0x20、SCLが0x1aのため、これを指定しています。

app.overlay
&pinctrl {
        i2c1_default: i2c1_default {
                group1 {
                        psels = <NRF_PSEL(TWIM_SDA, 0, 0x20)>,
                                <NRF_PSEL(TWIM_SCL, 0, 0x1a)>;
                };
        };
};

&i2c1 {
        compatible = "nordic,nrf-twim";
        status = "okay";
        pinctrl-0 = <&i2c1_default>;
        pinctrl-names = "default";
};

アプリケーション本体:src/main.c

アプリケーション本体です。
ソースコードをシンプルにするため、返り値を確認してのエラー処理などは全くしてませんので、利用する時はちゃんとするようにしてください。

i2c = DEVICE_DT_GET(DT_NODELABEL(i2c1))でI2Cバスの初期化を行うだけで、このデバイスの場合は初期化処理の必要はありません。

データは、i2c_burst_read(i2c,0x52,0x00,val,3);で3バイトのデータval[]を受け取ります。

変数 意味
val[0] x方向の値
val[1] y方向の値
val[2] ボタンの状態

受け取った値は、printkを使ってシリアルコンソールに出力します。

src/main.c
#include <stdio.h>

#include <zephyr/kernel.h>
#include <zephyr/sys/printk.h>
#include <zephyr/drivers/i2c.h>

static const struct device *i2c;

int main(void)
{
        uint8_t val[3];

        // I2Cの初期化
        i2c = DEVICE_DT_GET(DT_NODELABEL(i2c1));
        k_msleep(1000);

        while (1) {
                // I2Cアドレス0x52のレジスタ0x00から3バイト読み込み
                i2c_burst_read(i2c,0x52,0x00,val,3);

                // 結果の出力
                printk("(%d,%d):%d\n",val[0],val[1],val[2]);

                k_msleep(100);
        }
}

ジョイスティックの状態を5x5 LED画面に表示する:m5stack_joystick_display

micro:bitには、5x5 LED画面があるので、ジョイスティックの状態をここに表示することを考えてみます。
githubでのコードは、 https://github.com/610t/zephyr-playground/tree/main/samples/boards/bbc/microbit/m5stack_joystick_display です。
更に、ジョイスティックを押し込んだ時には、Bを表示し、音をだすことにします。

ここでは、変更が必要なソースだけを紹介します。
CMakeLists.txtとapp.overlayは、m5stack_joystickと同じものを利用します。

プロジェクト設定ファイル:prj.conf

今回は、I2C以外にもディスプレイ関係を有効にしています。
更に、音を出すために、PWMも有効にしています。

prj.conf
CONFIG_GPIO=y
CONFIG_DISPLAY=y
CONFIG_MICROBIT_DISPLAY=y
CONFIG_PWM=y
CONFIG_I2C=y

Device Tree Source Overlay:app.overlay

今回は、PWMに対する定義の追加が必要です。
他は、これまでと同じです。

app.overlay
&pinctrl {
        i2c1_default: i2c1_default {
                group1 {
                        psels = <NRF_PSEL(TWIM_SDA, 0, 0x20)>,
                                <NRF_PSEL(TWIM_SCL, 0, 0x1a)>;
                };
        };
};

&i2c1 {
        compatible = "nordic,nrf-twim";
        status = "okay";
        pinctrl-0 = <&i2c1_default>;
        pinctrl-names = "default";
};

/ {
        zephyr,user {
                /* period cell corresponds to initial period */
                pwms = <&pwm1 0 PWM_USEC(1500) PWM_POLARITY_NORMAL>;
        };
};

アプリケーション本体:src/main.c

アプリケーション本体です。
m5stack_joystickにジョイスティックの値に応じて5x5 LEDに表示を行う機能と、ジョイスティックが押し込まれた時にBを表示して音を出す機能を追加しています。

src/main.c
#include <stdio.h>

#include <zephyr/kernel.h>
#include <zephyr/sys/printk.h>
#include <zephyr/drivers/gpio.h>
#include <zephyr/drivers/pwm.h>
#include <zephyr/drivers/i2c.h>
#include <zephyr/device.h>

#include <zephyr/display/mb_display.h>

static const struct pwm_dt_spec pwm = PWM_DT_SPEC_GET(DT_PATH(zephyr_user));
static const struct device *i2c;

int main(void)
{
        uint8_t val[3];
        struct mb_display *disp = mb_display_get();
        int x,y;

        // PWMの初期化
        if (!pwm_is_ready_dt(&pwm)) {
                printk("%s: device not ready.\n", pwm.dev->name);
                return 0;
        }

        // I2Cの初期化
        i2c = DEVICE_DT_GET(DT_NODELABEL(i2c1));
        k_msleep(1000);

        while (1) {
                k_msleep(100);
                // I2Cアドレス0x52のレジスタ0x00から3バイト読み込み
                i2c_burst_read(i2c,0x52,0x00,val,3);

                // 結果の出力
                printk("(%d,%d):%d\n",val[0],val[1],val[2]);

                // ディスプレイに表示  
                x = 4-(int)(val[0]*5/255);
                y = (int)(val[1]*5/255);
                struct mb_image pixel = {};
                pixel.row[y] = BIT(x);
                mb_display_image(disp, MB_DISPLAY_MODE_SINGLE, 250, &pixel, 1);

                // ジョイスティックのボタンが押されているときの処理
                //// 画面に"B"を表示して、音を出す
                if(val[2]) {
                        mb_display_print(disp, MB_DISPLAY_MODE_SINGLE, 1 * MSEC_PER_SEC, "B");
                        pwm_set_dt(&pwm, pwm.period, pwm.period / 2U);
                        k_sleep(K_MSEC(60));
                        pwm_set_dt(&pwm, 0, 0);
                }
        }
}

ドットを食べるゲーム:m5stack_joystick_dot_eater

最後に、ジョイスティックで自機を操作して、現れるドットを食べていくゲームを作りました。
githubのコードは、 https://github.com/610t/zephyr-playground/tree/main/samples/boards/bbc/microbit/m5stack_joystick_dot_eater です。

はじめに、'A'が表示されている状態でボタンAを押すことでゲームが始まります。
ジョイスティックで自機を動かして、もうひとつのドットで表示される敵機と位置を合わせてください。それで、そのドットを食べることができます。
制限時間内にいくつ食べられるかを競います。
'GAME OVER!!'が表示された後で、スコアが表示されるようになっています。

src/main.c以外のファイルは、m5stack_joystick_displayと同じです。

アプリケーション本体:src/main.c

このプログラムでは、新たにボタンAを扱うために、GPIOのコールバックを用いています。

main.c:GPIOの処理
#include <zephyr/drivers/gpio.h>
  ...
static const struct gpio_dt_spec sw0_gpio = GPIO_DT_SPEC_GET(DT_ALIAS(sw0), gpios);
  ...
// ボタンコールバック: ゲームスタート用
static void button_pressed(const struct device *dev, struct gpio_callback *cb, uint32_t pins)
{
  // 内容省略
}
  ...
	// GPIOの初期化
	static struct gpio_callback button_cb_data;
    /// ピンの設定
	gpio_pin_configure_dt(&sw0_gpio, GPIO_INPUT|GPIO_ACTIVE_HIGH);
    //// 割り込みの設定
	gpio_pin_interrupt_configure_dt(&sw0_gpio, GPIO_INT_EDGE_TO_ACTIVE);
    //// 割り込み用コールバック関数button_cb_dataの割り当て
	gpio_init_callback(&button_cb_data, button_pressed, BIT(sw0_gpio.pin));
    //// コールバック関数を登録
	gpio_add_callback(sw0_gpio.port, &button_cb_data);
  ...

敵機の処理をしている部分以外はこれまでのものと同じなので、詳細は省略します。

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

#include <zephyr/kernel.h>
#include <zephyr/sys/printk.h>
#include <zephyr/drivers/gpio.h>
#include <zephyr/drivers/pwm.h>
#include <zephyr/drivers/i2c.h>
#include <zephyr/device.h>

#include <zephyr/display/mb_display.h>

bool game_flag = false;

static const struct gpio_dt_spec sw0_gpio = GPIO_DT_SPEC_GET(DT_ALIAS(sw0), gpios);
static const struct pwm_dt_spec pwm = PWM_DT_SPEC_GET(DT_PATH(zephyr_user));
static const struct device *i2c;

// ボタンコールバック: ゲームスタート用
static void button_pressed(const struct device *dev, struct gpio_callback *cb, uint32_t pins)
{
	if (pins & BIT(sw0_gpio.pin)) {
		printk("A pressed\n");
		game_flag = true;
	}
}

int main(void)
{
	uint8_t val[3];
	struct mb_display *disp = mb_display_get();
        int x,y;

	// PWMの初期化
	if (!pwm_is_ready_dt(&pwm)) {
		printk("%s: device not ready.\n", pwm.dev->name);
		return 0;
	}

	// I2Cの初期化
	i2c = DEVICE_DT_GET(DT_NODELABEL(i2c1));
	k_msleep(1000);

	// GPIOの初期化
	static struct gpio_callback button_cb_data;
	gpio_pin_configure_dt(&sw0_gpio, GPIO_INPUT|GPIO_ACTIVE_HIGH);
	gpio_pin_interrupt_configure_dt(&sw0_gpio, GPIO_INT_EDGE_TO_ACTIVE);
	gpio_init_callback(&button_cb_data, button_pressed, BIT(sw0_gpio.pin));
	gpio_add_callback(sw0_gpio.port, &button_cb_data);

	int score=0;
	while (1) {
		int e_x,e_y;

		// Aボタンでゲーム開始
		while(!game_flag) {
			mb_display_print(disp, MB_DISPLAY_MODE_SINGLE, MSEC_PER_SEC, "A");
			k_msleep(100);
		}

		e_x=rand()%5;
		e_y=rand()%5;

		for(int timer=0;timer<100;timer++) {
			k_msleep(100);
			// I2Cアドレス0x52のレジスタ0x00から3バイト読み込み
			i2c_burst_read(i2c,0x52,0x00,val,3);

			// 結果の出力
			printk("(%d,%d):%d\n",val[0],val[1],val[2]);

			// ディスプレイに表示  
			x = 4-(int)(val[0]*5/255);
			y = (int)(val[1]*5/255);
			struct mb_image pixel = {};
			pixel.row[y] = BIT(x);
			pixel.row[e_y] = BIT(e_x);
			mb_display_image(disp, MB_DISPLAY_MODE_SINGLE, 250, &pixel, 1);
			printk("Pos:dot(%d,%d)==enemy(%d,%d)?\n",x,y,e_x,e_y);
			if(x==e_x && y==e_y) {
				score++;
				printk("score:%d\n",score);
				e_x=rand()%5;
				e_y=rand()%5;
				pwm_set_dt(&pwm, pwm.period, pwm.period / 2U);
				k_sleep(K_MSEC(60));
				pwm_set_dt(&pwm, 0, 0);
			}

			// ジョイスティックのボタンが押されているときの処理
			//// 画面に"B"を表示して、音を出す
			if(val[2]) {
				mb_display_print(disp, MB_DISPLAY_MODE_SINGLE, 1 * MSEC_PER_SEC, "B");
				pwm_set_dt(&pwm, pwm.period, pwm.period / 2U);
				k_sleep(K_MSEC(60));
				pwm_set_dt(&pwm, 0, 0);
			}
			k_msleep(25);
		}
		mb_display_print(disp, MB_DISPLAY_MODE_SINGLE, 0.25 * MSEC_PER_SEC, "GAME OVER!!");
		k_msleep(3000);

		mb_display_print(disp, MB_DISPLAY_MODE_SINGLE, 1 * MSEC_PER_SEC, "%d", score);
		k_msleep(3000);
		game_flag = false;
	}
}

動作手順

動作手順は、以下の通りです。

build

以下のコマンドでbuildします。
サンプルディレクトリ(samples/boards/bbc/microbit/m5stack_joystick)は適切に設定してください。ここでは、m5stack_joystickをbuildすることを仮定しています。

build
$ west build -p always -b bbc_microbit_v2 samples/boards/bbc/microbit/m5stack_joystick
   ...
[151/151] Linking C executable zephyr/zephyr.elf
Memory region         Used Size  Region Size  %age Used
           FLASH:       27556 B       512 KB      5.26%
             RAM:        5808 B       128 KB      4.43%
        IDT_LIST:          0 GB        32 KB      0.00%
Generating files from /Users/mutoh/work/zephyrproject/zephyr/build/zephyr/zephyr.elf for board: bbc_microbit_v2

flash

J-Link化したmicro:bitでは、以下のコマンドでflashできます。
--runner jlinkオプションは必要ない場合もあるようですが、J-Linkを強制的に利用するために指定しています。

flash
$ west flash --runner jlink
-- west flash: rebuilding
ninja: no work to do.
-- west flash: using runner jlink
-- runners.jlink: reset after flashing requested
-- runners.jlink: JLink version: 8.12
-- runners.jlink: Flashing file: /Users/mutoh/work/zephyrproject/zephyr/build/zephyr/zephyr.hex

動作確認

printkの出力は、シリアルコンソールに出されるため、これを確認する必要があります。
今回は、minicomを使いました。

minicomコマンドライン(macOS)
# シリアルデバイスの確認
$ ls -l /dev/cu.*
crw-rw-rw-  1 root  wheel  0x16000005  1  6 11:55 /dev/cu.Bluetooth-Incoming-Port
crw-rw-rw-  1 root  wheel  0x16000011  1 16 08:14 /dev/cu.usbmodem0007820596381
# minicomの起動
$ minicom -D /dev/cu.usbmodem0007820596381
(14,68):0
(33,39):0
(46,29):0
(58,19):1
(59,18):0
(59,39):0
(110,146):1
(104,162):0
(99,196):0
(75,239):1
  ...

m5stack_joystick

m5stack_joystickの動作の様子は、以下の動画 9 のようになります。

m5stack_joystick_display

m5stack_joystick_displayの動作の様子は、以下の動画 10 のようになります。

おわりに

サンプルを使うのではなく、はじめてZephyrでコードを書きました。
標準のDTSで定義されていないバスの情報などがアプリケーション側で上書きできたりするのには、ちょっと驚きました。
参考になりましたら、幸いです。

  1. https://qiita.com/advent-calendar/2024/zephyr ↩

  2. https://zephyrproject.org/zephyr-and-the-bbc-microbit-v2-tutorial-part-3-i2c/ ↩

  3. https://www.switch-science.com/products/6600 ↩

  4. https://qiita.com/610t/items/65feb82e35db99568d25 ↩

  5. https://www.switch-science.com/products/8101 ↩

  6. https://www.switch-science.com/products/6469 ↩

  7. https://www.switch-science.com/search?q=grove+micro%3Abit ↩

  8. https://www.switch-science.com/products/1048 ↩

  9. https://youtu.be/rk4jJjwS5Mw ↩

  10. https://www.youtube.com/watch?v=ZFt2L00lDps ↩

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