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@ksakabe(Kazuhisa Sakabe)

MachiKaniaで6軸重力加速度センサーモジュール （BMI160）を使う

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はじめに

先日購入した電子工作ステーションで購入したラズパイ福袋2026に入っていた6軸重力加速度センサーモジュール (BMI160)をMachiKania type PをインストールしたRaspberry Pi Pico 2 Wに接続して加速度などを測定できたでのその方法をまとめました。今回もChatGPTに相談しながら試しました。

検証環境

今回は下記のハードウェア、ソフトウェアで検証しました。

ハードウェア

下記のハードウェアを使用しました。

ソフトウェア

  • MachiKania type P 1.6.1.0 KM-1511

接続

6軸重力加速度センサーモジュールとRaspberry Pi Pico 2 WをI2C通信で使用できるように次の表に示すように接続しました。

モジュールのSA0ピンをGNDに接続することでモジュールのスレーブアドレスが0x68にしています。なお、このピンを解放するとアドレスは0x69になります。

モジュール Pico 2W（物理）
3V3 3v3(36)
GND GND(38)
SCL GP7(10)
SDA GP6(9)
SA0 GND(38)

表に記載のない品は未接続です。

実態配線図を以下に示します。

BMI160_ブレッドボード.png

BMI160

BMI160はBosch Sensortecが開発した3軸の加速度センサと3軸のジャイロセンサを組み合わせた慣性計測ユニットです。製品紹介ページに示された仕様は次のとおりです。

  • 電源:DC3.2V~5V
  • 消費電流:<1mA
  • 通信モード:I2C/SPI
  • AD16ビットコンバータ、16ビットデータ出力
  • ジャイロ範囲:±125、±250、±500、±1000、±2000°/s
  • 加速範囲:±2、±4、±8、±16g
  • ピン間隔:2.54mm
  • 動作温度:-40℃～85℃

BMI160の初期化シーケンス

BMI160の初期化は次の手順で実行します。

  1. チップIDの確認
    CHIP_ID(0x00)レジスタのデータを取得し、その値が0xD1と一致するかを確認する。
  2. ソフトリセット
    CMD(0x7E)レジスタにデータ0xB6を書き込み、設定をデフォルト状態あるいはNVMに保存された値にします
  3. 加速度センサーの設定
    • ACC_CONF(0x40)レジスタにアンダーサンプリンク、帯域幅、出力データレートを設定します
    • ACC_RANGE(0x41)レジスタに加速度計の重力加速範囲を設定します
  4. ジャイロセンサーの設定
    • GYR_CONF(0x42)レジスタに出力データレータと帯域幅を設定します
    • GYR_RANGE(0x43)レジスタに角速度測定範囲を設定します
  5. PMU（電力管理ユニット）をノーマルモードにする。
    CMD(0x7E)レジスタにデータ0x11と0x15を書き込み、加速度センサーとジャイロセンサーを測定可能な状態にします

ACC_CONF(0x40)レジスタの内容

加速度計の設定用ACC_CONFレジスタの構成は次のとおりです。

名前 Register(0x40)ACC_CONF
Bit 7 6 5 4 3 2 1 0
Read/Write R/W R/W R/W R/W R/W R/W R/W R/W
Rest Value 0 0 1 0 1 0 0 0
Content acc_us acc_bwp acc_odr
  • acc_us：アンダーサンプリングのパラメータでノーマルモードは0b0に、ローパワーモードにするには’0b1にします。
  • acc_bwp：加速度計の帯域幅の設定でノーマルモードのときは0b010にします。
  • acc_odr：$100/2^{8-acc\_odr}$で得られるHz単位の出力データレートを定義します。acc_odrの値は0b0001〜0b1100の範囲です。0b1000が100Hzになります。

ACC_RANGE(0x41)レジスタの内容

加速度計の範囲設定用ACC_RANGEレジスタの構成は次のとおりです。

名前 Register(0x41)ACC_RANGE
Bit 7 6 5 4 3 2 1 0
Read/Write R/W R/W R/W R/W R/W R/W R/W R/W
Rest Value 0 0 0 0 0 0 1 1
Content Reserved acc_range<3:0>

acc_range<3:0>の値は次の4つから選びます。それ以外の値は±2gレンジに設定されます。

値 レンジ
0b0011 ±2g
0b0101 ±4g
0b1000 ±8g
0b1100 ±16g

GYR_CONF(0x42)レジスタの内容

ジャイロスコープの設定用GYR_CONFレジスタの構成は次のとおりです。

名前 Register(0x42)GYR_CONF
Bit 7 6 5 4 3 2 1 0
Read/Write R/W R/W R/W R/W R/W R/W R/W R/W
Rest Value 0 0 1 0 1 0 0 0
Content Reserved gyr_bwp gyr_odr
  • gyr_odr：$100/2^{8-gyr\_odr}$で得られるHz単位の出力データレートを定義します。gyr_odrの値は0b0110〜0b1101の範囲です。0b1000が100Hzになります。
  • gyr_bwp：ジャイロスコープの帯域幅係数は、センサーデータのローパスフィルターの3dBカットオフ周波数を定義します。

GYR_RANGE(0x43)レジスタの内容

ジャイロスコープの角速度測定範囲の設定用GYR_RANGEレジスタの構成は次のとおりです。

名前 Register(0x43)GYR_RANGE
Bit 7 6 5 4 3 2 1 0
Read/Write R/W R/W R/W R/W R/W R/W R/W R/W
Rest Value 0 0 0 0 0 0 0 0
Content Reserved gyr_range<2:0>

gyr_range<2:0>は角速度の範囲と解像度で次の表の値になります。

range[2:0] フルスケール 解像度
000 ±2000°/s 16.4 LSB/°/s ⇔ 61.0 m°/s/LSB
001 ±1000°/s 32.8 LSB/°/s ⇔ 30.5 m°/s/LSB
010 ±500°/s 65.6 LSB/°/s ⇔ 15.3 m°/s/LSB
011 ±250°/s 131.2 LSB/°/s ⇔ 7.6 m°/s/LSB
100 ±125°/s 262.4 LSB/°/s ⇔ 3.8 m°/s/LSB
101,110,111 予約済み

初期化プログラム

上記を参考にBMI160を次のように初期化します。

  • 電力管理：ノーマルモード
  • 出力データレート：100Hz
  • 加速度測定範囲：±4g
  • 角速度の範囲：±2000°/s

BMI160の初期化サブルーチンを以下に示します。

REM ------------------------------------
REM BMI160 
LABEL BMI160INIT
VAR R,P
  REM CHIP_ID(0x00) check: should be 0xD1
  R=I2CREAD(ADDR,0x00)
  IF R!=0xD1 THEN RETURN 0

  REM Soft reset
  I2CWRITE ADDR,0x7E,0xB6
  DELAYMS 100

  REM Configure ODR/BW
  REM ODR=100Hz,BWP=2
  I2CWRITE ADDR,0x40,0x28
  I2CWRITE ADDR,0x42,0x28

  REM Range
  REM ACC:0x05->4g
  REM GYR:0x00->2000dps
  I2CWRITE ADDR,0x41,0x05
  I2CWRITE ADDR,0x43,0x00

  REM Acc Power mode->normal
  I2cwrite ADDR,0x7E,0x11
  DELAYMS 5

  REM Gyr Power mode->normal
  I2CWRITE ADDR,0x7E,0x15
  DELAYMS 100
  
RETURN 1

BMI160からのデータ読み出し

BMI160で計測されたデータはレジスタアドレス0x04から0x17（DATA_0からDATA_19）までに連続して格納されます。このレジスタに格納されるデータの先頭の0x04から0x0Bまでの8バイトはBMI160と接続した外部磁気センサの地磁気とホール抵抗のデータが格納されます。0x0Cから0x17の12バイトにはBMI160のジャイロセンサー、加速度センサーのデータが格納されてます。今回はBMI160のジャイロセンサーと加速度センサーのデータ12バイトを読み取ります。

データは次の表に示すようにLSB、MSBの順に格納されています。

レジスタ データ
0x0C GYR_X<7:0>(LSB)
0x0D GYR_X<15:8>(MSB)
0x0E GYR_Y<7:0>(LSB)
0x0F GYR_Y<15:8>(MSB)
0x10 GYR_Z<7:0>(LSB)
0x11 GYR_Z<15:8>(MSB)
0x12 ACC_X<7:0>(LSB)
0x13 ACC_X<15:8>(MSB)
0x14 ACC_Y<7:0>(LSB)
0x15 ACC_Y<15:8>(MSB)
0x16 ACC_Z<7:0>(LSB)
0x17 ACC_Z<15:8>(MSB)

データ読み出しプログラム

レジスタ0x0Cから12バイトを連続して読み取り、バッファに格納します。格納したデータをもとに角加速度と加速度の値を計算します。下記にそのコードを示します。サブルーチンS16は2つの引数から符号付きのデータを作ります。

レジスタ0x0Cから12バイト分のデータをバッファDに読み込み、先頭から2バイトずつ読み取り角速度と加速度を計算します。

REM ====================================
REM Read 6-axis
LABEL BMI160READ
  I2CREADDATA ADDR,D,12,0x0C

  GX=GOSUB(S16,PEEK(D+ 0),PEEK(D+ 1))
  GY=GOSUB(S16,PEEK(D+ 2),PEEK(D+ 3))
  GZ=GOSUB(S16,PEEK(D+ 4),PEEK(D+ 5))
  AX=GOSUB(S16,PEEK(D+ 6),PEEK(D+ 7))
  AY=GOSUB(S16,PEEK(D+ 8),PEEK(D+ 9))
  AZ=GOSUB(S16,PEEK(D+10),PEEK(D+11))

  GXD#=FLOAT#(GX)/16.4
  GYD#=FLOAT#(GY)/16.4
  GZD#=FLOAT#(GZ)/16.4
  AXG#=FLOAT#(AX)/8192
  AYG#=FLOAT#(AY)/8292
  AZG#=FLOAT#(AZ)/8293

RETURN 1

REM ====================================
REM Convert signed 16bit
LABEL S16
USEVAR LSB,MSB
VAR LSB,MSB,V
  LSB=ARGS(1)
  MSB=ARGS(2)
  V=LSB+MSB*256
  IF V>32767 THEN V=V-65536
RETURN V

プログラム全体

プログラム全体を以下に示します。

BMI160T.BAS
REM ====================================
REM BME160
USEVAR ADDR
USEVAR GX,GY,GZ
USEVAR AX,AY,AZ
USEVAR GXD,GYD,GZD
USEVAR AXG,AYG,AZG

ADDR=0x68
DIM D(12/4)
CLS
I2C
PRINT "Start BME160"

IF GOSUB(BMI160INIT)=0 THEN
  PRINT "Initialize failed"
  END
ENDIF

PRINT "Init OK"

DO
  IF GOSUB(BMI160READ)=1 THEN
    CURSOR 0,3
    PRINT "ACC[g]   X: ";SPRINTF$("%+8.5f",AXG#)
    PRINT "         Y: ";SPRINTF$("%+8.5f",AYG#)
    PRINT "         Z: ";SPRINTF$("%+8.5f",AZG#)
    PRINT "GYR[dps] X: ";SPRINTF$("%+10.5f",GXD#)
    PRINT "         Y: ";SPRINTF$("%+10.5f",GYD#)
    PRINT "         Z: ";SPRINTF$("%+10.5f",GZD#)
  ELSE
    PRINT "Read failed"
    CONTINUE
  ENDIF

  DELAYMS 50

  IF INKEY()!=0 THEN BREAK
LOOP

END

REM ====================================
REM Initialize
REM
LABEL BMI160INIT
VAR R,P
  REM CHIP_ID(0x00) check: should be 0xD1
  R=I2CREAD(ADDR,0x00)
  IF R!=0xD1 THEN RETURN 0

  REM Soft reset
  I2CWRITE ADDR,0x7E,0xB6
  DELAYMS 100

  REM Configure ODR/BW
  REM ODR=100Hz,BWP-2
  I2CWRITE ADDR,0x40,0x28
  I2CWRITE ADDR,0x42,0x28

  REM Range
  REM ACC:0x05->4g
  REM GYR:0x00->2000dps
  I2CWRITE ADDR,0x41,0x05
  I2CWRITE ADDR,0x43,0x00

  REM Power mode->normal
  I2CWRITE ADDR,0x7E,0x11
  DELAYMS 5

  I2CWRITE ADDR,0x7E,0x15
  DELAYMS 100
RETURN 1

REM ====================================
REM Read 6-axis
LABEL BMI160READ
  I2CREADDATA ADDR,D,12,0x0C

  GX=GOSUB(S16,PEEK(D+ 0),PEEK(D+ 1))
  GY=GOSUB(S16,PEEK(D+ 2),PEEK(D+ 3))
  GZ=GOSUB(S16,PEEK(D+ 4),PEEK(D+ 5))
  AX=GOSUB(S16,PEEK(D+ 6),PEEK(D+ 7))
  AY=GOSUB(S16,PEEK(D+ 8),PEEK(D+ 9))
  AZ=GOSUB(S16,PEEK(D+10),PEEK(D+11))

  GXD#=FLOAT#(GX)/16.4
  GYD#=FLOAT#(GY)/16.4
  GZD#=FLOAT#(GZ)/16.4
  AXG#=FLOAT#(AX)/8192
  AYG#=FLOAT#(AY)/8292
  AZG#=FLOAT#(AZ)/8293

RETURN 1

REM ====================================
REM Convert signed 16bit
LABEL S16
USEVAR LSB,MSB
VAR LSB,MSB,V
  LSB=ARGS(1)
  MSB=ARGS(2)
  V=LSB+MSB*256
  IF V>32767 THEN V=V-65536
RETURN V

実行結果

上記のプログラムで加速度、角速度を測定できました。

IMG_3304.jpeg

さいごに

MachiKaniaでBMI160を使って加速度、角速度を測定できるようになりました。今回もChatGPTの力を借り、その結果をもとにBMI160の初期化方法などを確認しました。ChatGPTの力を借りなくてもできるようになりたいですね。

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