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Raspberry pi의 GPIO 에서 Analog input 받기 (A/D converter MCP3008)

라즈베리파이는 기본적으로 아날로그 입력은 읽지 못하기 때문에 아날로그 값을 내보내는 여러가지 센서류를 사용하기 위해서는 별도의 A/D 컨버터를 통해 아날로그 신호를 디지털로 바꾸어 라즈베리파이에 전달 해 주어야 한다. 가장 많이 사용회는 부품은 MCP3008과 ADS1x115이다. MCP3008은 아두이노 우노와 동일한 10bit의 해상도를 가지며, ADS1x115는 보다 정교한 값을 리턴한다.

MCP3008

SPI프로토콜을 통해 라즈베리파이로 0~1023 사이의 값을 전달한다. 3004는 4개 채널의 아날로그 센서, 3008은 8개 채널의 아날로그 센서를 연결할 수 있다. 작동전압 2.7v~5v로, 라즈베리파이에서도, 아두이노에서도 바로 연결해 사용할 수 있지만, 센서로부터 들어오는 전압이 MCP3008이 연결된 작동 전압과 다르다면 주의해야 한다. (레벨 시프터 사용)

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MCP3008 데이터시트: https://cdn-shop.adafruit.com/datasheets/MCP3008.pdf
Adafruit 참고자료: https://learn.adafruit.com/raspberry-pi-analog-to-digital-converters/mcp3008 raspberry pi 홈페이지 참고자료: https://projects.raspberrypi.org/en/projects/physical-computing/15

라즈베리 - MCP3008 SPI연결

MCP3008는 SPI 프로토콜을 통해 라즈베리와 통신하는데, 라즈베리에서 SPI통신을 하는 방법은 하드웨어적인 방법과 소프트웨어로 SPI를 에뮬레이션 하는 방법이 있다. 하드웨어 방식은 조금 더 빠르지만 정해진 핀만 사용할 수 있고, 소프트웨어 방식은 살짝 느리지만 핀 사용에 융통성이 있다.

하드웨어 SPI연결

  1. 하드웨어 SPI를 사용하기 위해서는 무엇보다 먼저 raspi-config에서 SPI 를 enabled 해주어야 한다.
$ sudo raspi-config

Interfacing Option > SPI > Yes.

물론 GUI로 옵션 설정해도 된다.

  1. 하드웨어 spi 핀 연결

  2. MCP3008 VDD to Raspberry Pi 3.3V

  3. MCP3008 VREF to Raspberry Pi 3.3V
  4. MCP3008 AGND to Raspberry Pi GND
  5. MCP3008 DGND to Raspberry Pi GND
  6. MCP3008 CLK to Raspberry Pi SCLK
  7. MCP3008 DOUT to Raspberry Pi MISO
  8. MCP3008 DIN to Raspberry Pi MOSI
  9. MCP3008 CS/SHDN to Raspberry Pi CE0

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소프트웨어 SPI 연결

  1. 소프트웨어적으로 SPI를 구현한다면 'raspi-config'에서 설정할 필요없다.

  2. 또한 핀 연결 역시 파워와 GND를 제외하고는 아무 GPIO에나 연결하고 파이썬 코드에서 지정해주면 된다. 예를 들어...

  3. MCP3008 VDD to Raspberry Pi 3.3V

  4. MCP3008 VREF to Raspberry Pi 3.3V
  5. MCP3008 AGND to Raspberry Pi GND
  6. MCP3008 DGND to Raspberry Pi GND
  7. MCP3008 CLK to Raspberry Pi GPIO 5
  8. MCP3008 DOUT to Raspberry Pi GPIO 6
  9. MCP3008 DIN to Raspberry Pi GPIO 7
  10. MCP3008 CS/SHDN to Raspberry Pi GPIO 8

python library 설치

라이브러리가 다양하게 있지만, (스크래치 확장기능과의 호환성을 위해 ) Adafruit-mcp3008을 사용하였다.

$ sudo apt-get update
$ sudo apt-get install build-essential python-dev python-smbus python-pip
$ sudo pip install adafruit-mcp3008

python3에서 사용하기 위해서는 pip3...

아날로그 센서 연결

센서의 출력 단자를 mcp3008의 CH0 ~ CH7 중 하나에 연결한다. (위 이미지 참고)
주의!! 센서의 작동전압과 센서 출력값의 범위가 mcp3008의 작동전압, 기준전압(Vref)과 동일한지 확인!! 만약 센서의 출력범위는 0~5v라면 (라즈베리파이는 3.3v 입력만 받으므로) 반드시 3.3v-5v 레벨 시프터를 사용한다

파이썬 코드

import Adafruit_GPIO.SPI as SPI
import Adafruit_MCP3008
import time #예제에서 0.5초마다 업데이트하기위함.

# Software SPI configuration:
#CLK  = 5  # 소프트웨어 SPI를 사용하는 경우 연결된 핀 번호를 여기서 확인
#MISO = 6
#MOSI = 7
#CS   = 8
#mcp = Adafruit_MCP3008.MCP3008(clk=CLK, cs=CS, miso=MISO, mosi=MOSI)

# Hardware SPI configuration: 하드웨어 SPI를 사용하는 경우 아래를 주석 해제
SPI_PORT   = 0
SPI_DEVICE = 0
mcp = Adafruit_MCP3008.MCP3008(spi=SPI.SpiDev(SPI_PORT, SPI_DEVICE))

while True:
    value = mcp.read_adc(0)
    difference = mcp.read_adc_difference(0)

    print("value at CH:0 = %d" %value)
    print("difference between CH0 & CH1 = %d" %difference)
    time.sleep(0.5)

  1. import Adafruit_GPIO.SPI as SPI 와 import Adafruit_MCP3008 구문으로 라이브러리 임포트

  2. 소프트웨어/하드웨어 SPI 핀 설정

  3. mcp = Adafruit_MCP3008.MCP3008(clk=CLK, cs=CS, miso=MISO, mosi=MOSI)구문으로 mcp3008 오브젝트 생성

  4. mcp.read_adc(채널)함수로 센서값을 읽어오거나 (0~1023사이의 값), mcp.read_adc_difference(채널)함수로 해당 채널과 그 다음 채널 의 값의 차이를 읽어옴. (여기서는 CH0의 값 - CH1의 값 )