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Raspberry Pi と I2C デバイスを長距離ケーブルで接続して通信する

Last updated at 2020-04-24Posted at 2020-04-21

概要

30 m, 100 kHz で通信できました

注：条件が異なれば結果は変わり、また信頼性試験をしたわけではないので、保証値ではなくあくまで実績です。各自の責任において参考にしてください。

Master
- Raspberry Pi 3 model B+ / Raspbian / i2ctools
  - core_freq=250
  - VDDIO = 3.3 V
  - プルアップ抵抗 1.8 kΩ (Raspberry Pi 実装済み)
Slave
- MCP23017
  - 配線を 5V にしたので、スレーブ側 VDD は 3.3V LDO を使っています
  - 4.5 V 以上なら 1.7 MHz 対応だが、 3.3 V の場合は 400 kHz
  - こちらはプルアップ抵抗なし
Cable
- UTP （シールド無しツイストペアケーブル）
  - 26AWG の LANケーブルを流用
  - P82B96 データシートのペア (5V:SCL / GND:SDA)
環境
- 常温常湿
  - 約 20 ℃ / 約 60 %RH
方法
- i2ctools の i2cdetect i2cget コマンドでスレーブの反応を確認
- ケーブルの長さとマスターの i2c_baudrate を変更して、通信可能な最大速度を確認
  - i2c_baudrate は 100 kHz 刻みで変更

MCP23017 & LDO 以外にも、いろいろくっついていますが影響は小さいはず（むしろ負荷容量が増えて悪影響ある）

近似すると 通信可能速度(kHz) = 670 * exp(-0.0675 * 配線長(m)) となる。
それによると 60 m, 10 kHz 程度が実用的な限度か

長距離の通信を「低速で構わない」ので「低コスト」で行いたい。
いろいろ調べ、 P82B96 という I2C エクステンダ（バスバッファ）を試そうとしました。（そのため検証基板に P82B96 と周辺部品が乗っています）

比較のために素の I2C の実力を測ってみたところ、想像以上に実力があったのでエクステンダの検証はやめました
ただ、構成によって結果は変わりますし、環境変動・ノイズへの耐性も不明なので、何か判明したら記事を追加します。

PCA9600D （秋月や Switch Science で購入可能）を購入する前に、まずは試してみる価値のある方法です。

私は、この方法を試す前に先走ってジャパンエレキットで P82B96 を注文してしまいましたよ。。。

せっかく検証環境が整ったので、デバイスの検証リクエストあれば検討します