Windows PCと.NETでもLチカしてみよう(nanoFrameworkの話じゃないよ)

はじめに

GPIOでLEDを点灯させるLチカはRaspberry PiやM5Stackで試すのが定番ですが、Windows PCではラズパイみたいな汎用GPIOがないので、PC単体だけでブレッドボードLEDやGrove規格のLEDモジュールを直接点灯させることはできません。

しかし、USB-GPIOデバイスを使用すればWindowsから制御してLチカを試すことはできます。
MCP2221Aを搭載するUSBドングル・ブリッジボードをを使用して、Windows上で.NETアプリからのLチカを試してみます。

概要

MCP2221Aとは

MCP2221(MCP2221A)はMicrochip社のUSB-各種シリアル/汎用I/Oを橋渡しする小型ブリッジICです。
PCからUSBで接続し、I2C、UART、GPIO、ADC/DAC等を扱えるものです。
Windows PCからはHIDデバイス及びCOMポートとして認識され、HIDのAPIで制御ができます。

環境

項目	概要
OS	Windows 11
言語/ランタイム	C#/.NET 10
USB-GPIO	みんなのラボ MR-GROVE-USBDONGLE
	みんなのラボ MR-GROVE-B
Grove LED	SeeedStudio GROVE LED
温度センサー	M5Stack用温湿度気圧センサユニットVer.3(ENV III)
ライブラリ	Smdn.Devices.MCP2221
	自作MCP2221ManagedWrapper

USB-GPIOはみんなのラボのUSBドングル及びブリッジボードを使用します。
LEDはブレッドボード上のものとGrove接続のものを使います。

また、後でGPIOではなくI2Cの方も試すためにM5 Stack用のセンサーも使用してみます。
どの組み合わせで試しているかは以降に記述します。

この辺の製品についてはマルツオンラインとかでも購入可能です。

LED制御その1

実行環境

.NETのMCP2221用のライブラリはいくつかありますが、今回はまず以下を使用してみます。

Windows上では内部的にはHidSharpを使っていますが、Linuxでもlibusbを使って動作するようです。

GPIOにはUSBドングルの方を使用して、ブレッドボード上のLEDを制御します。
このUSBドングルではGP2、GP3のポートが使用できます。

プログラム

using System.Device.Gpio;

using Smdn.Devices.MCP2221;

using var device = MCP2221.Open();

device.GP2.ConfigureAsGPIO(PinMode.Output);
device.GP3.ConfigureAsGPIO(PinMode.Output);

while (true)
{
    device.GP2.SetValue(true);
    device.GP3.SetValue(false);
    Thread.Sleep(1000);
    device.GP2.SetValue(false);
    device.GP3.SetValue(true);
    Thread.Sleep(1000);
}

実行結果

処理としては、ピンを出力に設定してSetValue()でHIGH/LOWを切り替えているだけのものです。
LEDが交互に点滅することを確認できます。

LED制御その2

実行環境

MCP2221の制御用ライブラリですが、オフィシャルからダウンロードできるものもあります。

上記からMCP2221 DLL (v2.2.1)をダウンロードするとその中には.NET用のライブラリもありますが、残念ながらレガシー.NET Framework用のものになります。

しかしUnmanaged用のDLLも含まれているので、それを使うための定義をすれば、最新の.NETからでもP/Invokeで使用できます。
っということで、そのための薄いラッパーライブラリを自前で用意したので、これを使ったサンプルも書いてみます。

このライブラリはダウンロードしたファイル中にmcp2221_dll_um_x64.dllを使うためのものなので、アプリケーションにはmcp2221_dll_um_x64.dllも含める必要があります。

こちらではGPIOにはブリッジボードの方を使用して、LEDはGrove接続のものを使用してみます。
このブリッジボードではGP0～GP3に個別のGroveポートが用意されています。

プログラム

using MCP2221ManagedWrapper;

using var device = Mcp2221.OpenByIndex(0);

// GPIOを出力に設定
device.SetGpioDirection(PinDirection.Output, PinDirection.Output, PinDirection.Output, PinDirection.Output);

while (true)
{
    // Hight/Lowを繰り返してチカチカ
    device.SetGpioValues(PinValue.High, PinValue.Low, PinValue.High, PinValue.Low);
    Thread.Sleep(1000);
    device.SetGpioValues(PinValue.Low, PinValue.High, PinValue.Low, PinValue.High);
    Thread.Sleep(1000);
}

実行結果

やっていることはUSBドングル/Smdn.Devices.MCP2221版に同じです。
mcp2221_dll_um_x64.dllが提供しているAPIは4ポートまとめて設定するものだったのでそのラッパーを使用していますが、ラッパー層で1ポート単位の処理も用意はしてあります。

温度センサー制御

実行環境

GPIOでのLチカの確認はできたので、ついでにI2C機能も試してみたいと思います。
GPIOが1本の線でHigh/Lowを扱うものに対して、I2Cは2本の線で複数デバイスとのやりとりができるものです。

Groveのケーブル色でいえば、GPIOは以下の内容で信号線に対してHigh/Lowを設定するもので、Lチカもプログラム的には信号のHigh/Lowを切り替えているだけのものですが。

色	内容
赤	VCC(電源、+3.3V または +5V)
黒	GND(グランド、0V)
黄と白	SIG(ドングルの場合GP2とGP3に対応)

I2Cでは以下の内容で、アドレスを指定して該当デバイスに対してRead/Writeを行ないます。

色	内容
黄	SCL(クロック)
白	SDA(データ)

機器としてはM5Stack用の環境センサーENV IIIを使用してみます。
このユニットには温湿度センサーSHT30と気圧センサーQMP6988が載っていますが、とりあえず扱いが単純な温度・湿度の取得だけを行ないます。

プログラム

using MCP2221ManagedWrapper;

using var device = Mcp2221.OpenByIndex(0);

// 初期設定
device.SetSpeed(100000);
device.SetAdvancedCommParams(timeout: 20, maxRetries: 3);

var data = new byte[6];
while (true)
{
    // コマンドWrite
    device.I2cWrite(0x44, true, [0x2C, 0x06]);

    Thread.Sleep(20); // 計測待ち

    // データRead: T(2) + CRC + RH(2) + CRC
    device.I2cRead(0x44, true, data);

    // 応答解析
    var rawTemperature = (ushort)((data[0] << 8) | data[1]);
    var temperature = (float)(-45.0 + (175.0 * rawTemperature / 65535.0));

    var rawHumidity = (ushort)((data[3] << 8) | data[4]);
    var humidity = (float)(100.0 * rawHumidity / 65535.0);

    Console.WriteLine($"Temperature={temperature:F2}C, humidity={humidity:F2}%");

    Thread.Sleep(1000);
}

実行結果

プログラム的には、アドレス(0x44がSHT30のアドレス)を指定してI2cWriteでコマンドを送信し、I2cReadでデータを取得しているだけです。
それっぽい値が取得できているので、I2Cの確認もできました。

完全なコード

完全なソースコードは以下にあります。

うさコメ

デバイス制御というとRaspberry PiやM5StackにPythonの話ばかりなので、あえてWindows PC上で.NETを使って制御する例を書いてみました( ˙ω˙)
普通はデバイス制御についてはM5Stackあたりにまかせて、WindowsからはM5Stackを介して制御すれば良い気はしますが、ネタの1つとして。

ところで、機器メーカーの出しているSDK/ソフトウエアでは、サポートプラットフォームが古かったり、API設計が微妙で「ソフトウエア設計がえろう上手おすなぁ。素人さんみたいに初々しくて感心いたしますわ」みたいに感じるものが多かったりで、それって日本のメーカー固有の話なのかと思っていましたが、世界的にもそうなんですかね( ˙ω˙)？

MCP2221のオフィシャルライブラリも、レガシー.NET Framework用のものしか入っていなかったので。
API自体はベタなだけで、京都スラングを使うような内容ではないですが。