STM32でBNO055をI2Cで読む——アドレスのシフト・LSB/MSB変換・プルアップまで

Posted at 2026-06-29

STM32でBNO055をI2C接続——ポインタとアドレスのシフトでつまずいた初心者が、姿勢角を読むまで

I2Cでセンサーを読むのは、配線2本とコード数行で済む——はずなのに、最初の1個目はそう簡単にはいきませんでした。

自分がつまずいたのは、I2Cそのものよりも、その手前にある C言語のポインタ と データシートの読み方 でした。最初はチップIDのレジスタ（0x00）を読もうとして値が返らず、「HAL_..._Transmit で書き込みできてないから失敗してるのか？」と何時間も別の所を疑っていました。本当の原因は、「レジスタ番号を書き込む → そこから値を読む」という2段階の流れ と、関数に渡す「ポインタ」 を理解していなかったこと。結局、きちんと仕様書（データシート）を読んで、ようやく腑に落ちました。

この記事では、自分がハマったその「2段階の読み取り」「ポインタ」「データシートの読み方」も含めて、STM32L432KC と Bosch の9軸センサー BNO055 を I2C でつなぎ、姿勢角（向き）を読むところまでをやります。

環境：STM32CubeIDE 1.19.0 / HALドライバ / Nucleo-L432KC（STM32L432KCUx）。I2C1（SCL=PA9 / SDA=PA10）、センサーは BNO055。

1. I2C通信は、ざっくりこういうもの

まず仕組みだけ押さえておくと、つまずいたときに切り分けやすくなります。

I2Cは2本の線で複数のデバイスとやり取りする、クロック同期式のシリアル通信です。

SDA（Serial Data）… データを送受信する線。マスターとスレーブの双方向
SCL（Serial Clock）… タイミングを合わせるクロックの線。マスターからスレーブへの一方向

ここでの「マスター」はマイコン（STM32）、「スレーブ」はセンサー（BNO055）です。同じ2本の線に複数のセンサーをぶら下げられるので、各スレーブにはアドレス（住所）があり、マスターは「このアドレスの子としゃべりたい」と宣言してから通信します。

勉強しながら、自分はこんなふうに手で整理しました（接続のしかたと、SDA/SCLの波形）。

I2Cの1回の通信は、おおまかにこの順で進みます。

スタートコンディション：通信開始の合図（SCLがHighのときにSDAをLowにする）
スレーブアドレス送信：相手を指定する
書き込み / 読み出しビット：これからどっちをするか（書き込み=0 / 読み出し=1）
ACK / NACK：スレーブからの返事（通信OK=0 / 不可=1）
データ：8ビット単位でやり取り
ACK / NACK：1バイトごとに返事
ストップコンディション：通信終了の合図

他のシリアル通信と並べると、立ち位置が見えてきます。

方式	通信速度の目安	クロック線	信号線	構成
SPI	〜50Mbps	有	データ・クロック・チップセレクト	マスター1 ↔ 複数スレーブ
I2C	〜1Mbps	有	データ・クロック	複数マスター ↔ 複数スレーブ
UART	〜500kbps	無	データ	デバイス1 ↔ デバイス1

この「アドレス」と「2段階のやり取り」が、後で出てくる関門になります。

2. センサーを読むのは「書いてから、読む」の2段階

I2Cでセンサーの値を読むときに、自分が最初につまずいた最大のポイントがここです。

「読む」のに、いきなり受信するのではありません。まず「どのレジスタを読みたいか」をスレーブに書き込んで（送信して）から、改めてそのデータを読み出す、という2段階になります。

HALだと、この2段階はそのまま2つの関数に対応します。

// ① 読みたいレジスタの番号を「書き込む」
tx[0] = 0x1A;  // 例：オイラー角データの先頭レジスタ
HAL_I2C_Master_Transmit(&hi2c1, DevAddress_BNO055, tx, 1, 100);

// ② そこからデータを「読む」
HAL_I2C_Master_Receive(&hi2c1, DevAddress_BNO055, rx, 6, 100);

自分は最初、Master_Transmit を「書き込み（＝値をセンサーに書く）」だと思い込んでいて、チップIDが読めないのを「書き込みが失敗してる？」と延々疑っていました。実際は、Master_Transmit で 読みたいレジスタの番号を伝え、Master_Receive で その中身を受け取る、という役割分担でした。ここが分かると一気に進みます。

3. BNO055とは（なぜ初心者にやさしいか）

BNO055は、加速度センサー・ジャイロ・地磁気センサーを1つに統合した9軸センサーです。最大の特徴は、チップの中で計算（センサーフュージョン）まで済ませてくれること。生データを自分で積分・フィルタする必要がなく、「向き（オイラー角）」を読むだけで済みます。

今回使う値を、データシートから拾って先に並べておきます。これらはコードを眺めても出てこない、仕様書を読んで初めて分かる情報です。

I2Cアドレス：0x28（ADDRピンをL/GNDにしたとき。Hにすると 0x29）。2進数だと 0b0101000
チップID：レジスタ 0x00 を読むと 0xA0 が返る（生きているBNO055の確認に使う）
動作モード：起動直後は設定モード。OPR_MODE（0x3D）に値を書くと動き出す。今回は姿勢制御向けの IMUモード（0x08） を使用（地磁気を使わない相対姿勢）
オイラー角データ：レジスタ 0x1A から。1度 = 16 LSB / 1ラジアン = 900 LSB
起動待ち：電源投入からセンサーが立ち上がるまで時間がかかるので、最初に十分なウェイト（数百ms〜）を入れる

4. CubeMXの設定

Connectivity から I2C1 を選び、Mode を「I2C」にする
ピンは SCL=PA9 / SDA=PA10 に割り当てた（CubeMXが自動で選ぶピンと違う場合は手動で変更）
I2C Speed は 100kHz か 400kHz。BNO055は400kHzまで対応

設定すると、生成コードに hi2c1 というハンドルと MX_I2C1_Init() が作られます。

配線とプルアップ：GPIOの設定で有効にする

I2CでつまずきやすいのがSDA/SCLのプルアップです。I2Cはオープンドレインという仕組みで、線を「H」に引き上げる役目がないと信号がうまく出ません。

外付けの抵抗（4.7kΩ程度）で引き上げる方法もありますが、今回は CubeMXのGPIO設定で内蔵プルアップを有効化しました。I2C1を設定したあと、GPIO Settings で SCL / SDA の GPIO Pull-up/Pull-down を「Pull-up」にします。

これを設定するまで IsDeviceReady も通らず、ここでもしばらく悩みました。「配線は合ってるのに反応しない」ときは、プルアップを真っ先に疑うのがよさそうです。

補足：内蔵プルアップは抵抗値がやや弱めなので、通信速度が速いときや配線が長いときは、外付けの抵抗のほうが安定することもあります。まず内蔵で試して、不安定なら外付けを検討、という順でよいです。

5. コード：アドレスを作る → 確認する → 起こす → 読む

コードの前に：`uint8_t` / `uint16_t` って何？

コードに出てくる uint8_t や uint16_t は、サイズが決まった整数の型です。組み込みではレジスタやバイト単位を直接扱うので、「何ビットの入れ物か」をはっきりさせるためによく使います。

uint8_t … 符号なし 8ビット（1バイト、0〜255）。I2Cでやり取りする1バイトのデータはこれ
uint16_t … 符号なし 16ビット（2バイト、0〜65535）。I2Cアドレスなどに使う
int16_t … 符号あり 16ビット（−32768〜32767）。角度のようにマイナスもとる値はこれ

u が付くと符号なし（プラスだけ）、付かないと符号あり（マイナスもOK）、数字がビット数、と読むと分かりやすいです。センサーの角度は負の値もとるので、後で int16_t で受けています。

アドレスは「7bitを1bit左シフト」する

I2C + HAL でいちばん多いつまずきです。データシートのアドレスは 7bitの 0x28 ですが、HALの関数は8bitのアドレスを要求します。なので1bit左にシフトします。

uint16_t DevAddress_BNO055 = 0b0101000 << 1;  // 0x28 << 1 = 0x50

0x28 のまま渡すと、いつまでも応答が返らず「配線は合ってるのに動かない」と悩むことになります。

① チップIDを読んで「本物のBNO055」か確認する

いきなり姿勢角を読む前に、答えが決まっているレジスタで試すのがコツです。チップID（0x00）は仕様書に「必ず 0xA0 が返る」と書いてあるので、これが読めれば「アドレスもI2Cの読み取りも正しい」と確定できます。値が毎回変わるセンサーでいきなり試すと、配線が悪いのかコードが悪いのか切り分けられません。

uint8_t reg[1];
uint8_t value[1];

reg[0] = 0x00;  // CHIP_ID レジスタ
HAL_I2C_Master_Transmit(&hi2c1, DevAddress_BNO055, reg, 1, 100);
HAL_I2C_Master_Receive(&hi2c1, DevAddress_BNO055, value, 1, 100);

printf("BNO055 Chip ID : 0x%X\r\n", value[0]);  // 0xA0 が出れば成功

② IMUモードにする（書き込み = 2バイト送信）

起動直後は設定モードで、姿勢角はまだ出てきません。レジスタに値を書き込んで動作させます。書き込みは「[レジスタ番号, 書き込む値] の2バイトを送信する」だけです。

uint8_t opr_mode[2];
opr_mode[0] = 0x3D;  // OPR_MODE レジスタ
opr_mode[1] = 0x08;  // IMU モード
HAL_I2C_Master_Transmit(&hi2c1, DevAddress_BNO055, opr_mode, 2, 100);
HAL_Delay(100);      // モード切替の待ち

③ オイラー角（向き）を読む

データは 0x1A から、下位バイト→上位バイトの順で並んでいます。6バイトまとめて読み、2バイトずつ組み立てます。

uint8_t tx[1];
uint8_t rx[6];

tx[0] = 0x1A;
HAL_I2C_Master_Transmit(&hi2c1, DevAddress_BNO055, tx, 1, 100);
HAL_I2C_Master_Receive(&hi2c1, DevAddress_BNO055, rx, 6, 100);

int16_t heading = ((int16_t)rx[1] << 8) | (int16_t)rx[0];
int16_t roll    = ((int16_t)rx[3] << 8) | (int16_t)rx[2];
int16_t pitch   = ((int16_t)rx[5] << 8) | (int16_t)rx[4];

// 1度 = 16 LSB なので16で割ると「度」になる
float heading_deg = heading / 16.0f;
float roll_deg    = roll    / 16.0f;
float pitch_deg   = pitch   / 16.0f;

これで姿勢角が度で取れます。

バイナリデータの変換：LSBとMSBを1つにまとめる

ここで初心者がつまずくのが、センサーの値が2つのバイトに分かれて返ってくることです。16ビットの値は1バイト（8ビット）には収まらないので、BNO055は 下位8ビット（LSB）と上位8ビット（MSB）の2バイトに分けて、しかも LSBを先に送ってきます。

rx[0] … LSB（下位8ビット）
rx[1] … MSB（上位8ビット）

これを1つの数値に戻すのが、コード中の ((int16_t)rx[1] << 8) | (int16_t)rx[0] です。MSBを8ビット左にずらして「上の桁」に持ち上げ（<< 8）、LSBと |（OR）で合体させています。この変換をやらないと、値がおかしくなります。なぜLSBが先なのか、何ビットずらすのかは、データシートのレジスタ表を読んで初めて分かるところでした。

ちなみに、オイラー角・クォータニオン・線形加速度・重力ベクトルはレジスタが連続して並んでいるので、rx を大きめ（26バイトなど）にして一度の Receive でまとめて読むと効率的です。

④ ループで読み続ける

姿勢角は刻々と変わるので、③の「読む部分（Transmit → Receive）」を while(1) のループの中に置いて、繰り返し読み続けます。チップID確認とモード設定は一度きりでいい初期化なのでループの前に、データの読み取りはループの中に、と分けるのがポイントです。

// --- ループの前（初期化）---
// チップID確認、IMUモード設定 …（前述）

while (1) {
    // 「レジスタを書く → データを読む」を毎回くり返す
    tx[0] = 0x1A;
    HAL_I2C_Master_Transmit(&hi2c1, DevAddress_BNO055, tx, 1, 100);
    HAL_I2C_Master_Receive(&hi2c1, DevAddress_BNO055, rx, 6, 100);

    // …ここで rx を角度に変換して使う…

    HAL_Delay(20);  // 読みすぎないよう少し待つ
}

Transmit（レジスタ指定）と Receive（読み取り）はセットです。毎周このペアを回すことで、最新の姿勢角が取れ続けます。

6. つまずきポイント（自分がハマった所）

★ ポインタ：`rx` は `&rx[0]` のこと

最大の壁でした。HAL_I2C_Master_Receive の引数には rx とだけ書きますが、これは「配列名がそのまま先頭要素のアドレスを表す」からです（rx と &rx[0] は同じ意味）。関数側は「ここから何バイト書き込んでいいよ」という置き場所の先頭住所を受け取って、そこに順番にデータを入れていきます。

整理すると、

配列（rx、tx）→ そのまま渡せる（配列名 = 先頭アドレス）
1個の変数 → & を付けてアドレスにして渡す（例：&value）
ポインタ型は宣言時に * を付ける（例：uint8_t *p;）

「ポインタは変数のアドレスを格納する変数」「配列名は先頭要素を指すポインタ」——この2つが腑に落ちると、HALの関数の引数が急に読めるようになりました。

★ 自分のコードは USER CODE BEGIN の中に書く

地味だけど重要。CubeMXでピンや設定を変えてコードを再生成すると、/* USER CODE BEGIN */ 〜 /* USER CODE END */ の外に書いたコードは消えます。自分で足したコードは、必ずこのコメントブロックの中に書きます。これを知らずに、再生成で自分のコードが消えて「あれ、動かなくなった」となるのは初心者あるある（自分もやりました）。

printfが出ない / 表示が崩れる

printf でマイコンのデータをPCに出すとき、出力がすぐ反映されないことがあります。setbuf(stdout, NULL); でバッファリングを切ると、その場で出るようになります。ターミナル（Teratermなど）側でバッファをクリアすると表示もきれいになります。

いちばんの教訓：データシートから逃げない

アドレスが7bitか8bitか、データはLSB/MSBどちらが先か、1度が何LSBか、モードはどう設定するか——全部データシートに書いてあり、コードを眺めても出てきません。最初は英語の仕様書が面倒ですが、必要なのは「レジスタ表」と該当する数ページだけ。そこを読む習慣がついてから、つまずきの大半が消えました。

ソフトだけでなく、ハードも疑う

最後にもうひとつ、大事な実体験を。コードをいくら見直しても動かず、何時間も「自分のプログラムのどこが悪いんだ」と悩んでいたのに、実は原因がハードウェア側だったことがありました。自分の場合は、基板そのものの接続がうまくいっておらず、センサーを別の個体に交換したらあっさり成功しました。

ソフトを書く人ほど「バグはコードにある」と思い込みがちですが、組み込みでは配線・半田・接触・センサーの個体不良といったハード側の原因も同じくらいあります。チップID（0xA0）すら読めないときは、コードを疑う前に、ジャンパ線を挿し直す・別のセンサーや配線で試す、といったハードの切り分けも並行してやると、無駄に時間を溶かさずに済みます。

まとめ

I2Cは SDA / SCL の2本。マスター（STM32）がアドレスで相手を指定する
センサーの読み取りは 「レジスタ番号を書く（Transmit）→ データを読む（Receive）」の2段階。これを ループの中でくり返す
HALのI2Cアドレスは 7bitを1bit左シフト（0x28 << 1）
値は LSB/MSBの2バイトに分かれて返るので、(MSB << 8) | LSB で1つに戻す
uint8_t（1バイト）/ int16_t（符号あり16ビット）など、型のビット数を意識する
SDA/SCLには プルアップが要る（CubeMXのGPIO設定で内蔵Pull-upを有効化。弱ければ外付け）
流れは「チップID(0xA0)で確認 → OPR_MODEを設定 → データを読む」
ポインタは「配列名 = 先頭アドレス」「1個の変数は & を付ける」
自分のコードは USER CODE BEGIN の中に書く（再生成で消えるのを防ぐ）
倍率やレジスタは データシートにすべて書いてある
動かないときは ソフトだけでなくハード（配線・接触・センサーの個体）も疑う（自分は別のセンサーに替えたら動いた）

ポインタや2段階の読み取りでつまずいたのは、たぶん自分だけじゃないはずです。同じ所で止まっている人に、この記事が地図になればうれしいです。

次回は、ここで読んだ姿勢角を使って、前回作ったサーボを PD制御 で動かすところまでやります。

※コード・レジスタ値・倍率は BNO055 + 標準的なHALドライバを前提にしています。ボードやライブラリのバージョンによって細部が異なる場合があるので、ご自分の環境で動作を確認してから使ってください。

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