ESP32 と MCP3008 で SPI の勉強

ESP32 を使って、 SPI の基本的な動作を確認します。
ここで接続するデバイスとして、 10 bit x 8 チャンネルの ADコンバータ MCP3008 が手元にあったのでそれを使いました。

環境

• Arduino 1.8.10 for Linux
• esp32 by Espressif System Version 1.0.3
• WEMOS LOLIN32

接続

信号名	MCP3008 PIN	MCP3008 信号名	ケーブル	ESP32 GPIO	ESP32 信号名
VDD	16	VDD	オレンジ	3V3	3V3
	15	VREF	VDD
	14	AGND	DGNDに接続
SCK	13	CLK	黄色	IO18	VSPCLK
MISO	12	DOUT	紫	IO19	VSPIQ
MOSI	11	DIN	灰	IO23	VSPID
CS	10	CS/SHDN	緑	IO5	VSPICS0
GND	9	DGND	黒	GND	GND

MCP3008 はアナログ入力ポートが CH0 〜 CH7 の 8チャンネルあります。それぞれ 10 bit の分解能で AD 変換を行い、SPIでマイコンなどに取り込むことができます。テストのため、CH0 に 1kΩの抵抗をつけて、VDDにつないでみました。

MCP3008 の SPI 設定

データシートから、転送に必要な設定を読んでみます。

• MSBFIRST (LSBFIRST転送もMSBFIRST転送の後に行われる)
• アイドリングHIGH/LOW両対応
• 転送タイミング クロックの立ち上がりエッジ (2020/08/23:「立ち下がり」と記述していたのを修正しました)
• クロックスピード 10kHz以上,最高1.35MHz (VDD=2.7V時)

スタートビットとして1ビット送信しますが、SPIライブラリは8ビット単位での送信です。そのために前に7ビットの0を入れて転送します。
それに続く8 bit において以下のようにデータが送受信されます。

bit7	bit6	bit5	bit4	bit3	bit2	bit1	bit0
SGL/DIFF	D2	D1	D0	?	0	B9	B8

ここで、bit7~bit4はMCP3008への入力です。SGL/DIFFは シングルエンド入力と作動入力のビットです。1ならシングルエンド、0なら作動入力となります。
今回はシングルエンド入力を使います。その場合、D2/D1/D0 はチャンネル指定、CH0なら D2=0,D1=0,D0=0。CH1ならD2=0,D1=0,D0=1。
bit2〜bit0 はMCP3008からの出力です。bit2 が常に0,B9およびB8で10bitのAD変換値のうちの上位2ビットとなります。

更に続く 8 bit において、以下のようにMCP3008から続くB7〜B0の残り8ビットが出力されます。

bit7	bit6	bit5	bit4	bit3	bit2	bit1	bit0
B7	B6	B5	B4	B3	B2	B1	B0

この転送が終わってもCS信号がLow出会った場合には、以下の 7bit がMSBFIRST転送として行われます。

B1	B2	B3	B4	B5	B6	B7

SPI の転送モード

Mode	CPOL(クロック極性)	CPHA(クロック位相)
0	0	0
1	0	1
2	1	0
3	1	1

クロック極性は 0:アイドルLo パルスHigh 1:アイドルHigh パルスLo
クロック位相は 0:パルス先端で転送 1:パルス後端で転送

なので MCP3008 は SPI の モード 0 または モード 3 を使用することになります。

ESP32 のSPI設定

ESP32 は VSPI、HSPI の2つの SPIチャンネルがありますが、SPIライブラリだとVSPIの方が使われるそうです。
更に、 SPI のポート割当は変更可能なようですが、今回はデフォルトの設定を使っています。
速度は SPISettings パラメータで設定します。 今回は 1000000 と設定することで、最大 1MHz で駆動することになります。

コード

#include <SPI.h>
#define SS 5
float Vref = 3.3 ;
 
SPISettings settings(1000000,MSBFIRST,SPI_MODE1);


void setup() {
    pinMode(SS, OUTPUT);
    Serial.begin(115200);
    SPI.begin();
}
   
void loop(){
    byte single = 1 << 7; // Single...1 /Diff...0
    byte channel = 0;
    byte buffer1  = single |  ( channel << 4 ) ;
    byte buffer2 = 0 ;
    float volt; 
    unsigned int getdata;
    SPI.beginTransaction(settings);
    digitalWrite(SS, LOW);
    SPI.transfer( 0b00000001); // Start bit 
    buffer1 = SPI.transfer(buffer1); // CH0 singleEnd
    buffer2 = SPI.transfer(buffer2);
    digitalWrite(SS, HIGH);
    SPI.endTransaction();
    getdata = ((buffer1 & 0x03) *256) + buffer2;
    volt = getdata*Vref /1024;
    Serial.print(   getdata ); 
    Serial.println( ": " +String(volt,3) + "V");
    delay(1000);
    delay(1000);
}

実行結果

1023: 3.297V
1023: 3.297V
1023: 3.297V
7: 0.023V
23: 0.074V
0: 0.000V
0: 0.000V
0: 0.000V
154: 0.496V
1023: 3.297V
1023: 3.297V
1023: 3.297V
1023: 3.297V
1023: 3.297V
1023: 3.297V
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CH0 に接続した抵抗を、VDDからGNDに繋ぎ変え、再度VDDに接続した時の値です。