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Arduinoで、「センサーのSPI通信」と「オンボードのUSBホストポートのSPI通信」を同時に使いたい

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Arduinoで、「センサーのSPI通信」と「オンボードのUSBホストポートのSPI通信」を同時に使いたい!


■目的
 現在「Arduino MEGA ADK」を使用しております。

 「Arduino MEGA ADK」では基板上にUSBホストポートが付いております。←Android端末に接続するために使用。
 また、複数のセンサをSPI通信にてArduinoに接続しております。←使用。

 目的は、複数のセンサ値をArduinoで取得し、値をAndroidに渡して処理をすることです。


(※センサはI2C通信とSPI通信に対応していますが、I2C通信だと2つまでしか同時に使用できないようです。合計8つまでの値を読み取ってAndroidに値を引き渡すのが目的のため、SPI通信を使用しております。)

イメージ説明





■現状
 ○ USBポートからAndroidに値を引き渡すことは達成済み
 ○ 複数のセンサからArduinoで値を取得することも達成済み
 ※しかし、「Arduinoで複数センサの値を取得 → Androidに引き渡す」 と処理を連結させると、Android端末への接続が切れてしまいます。



イメージ説明


■原因を突き止めました。
Arduinoのオンボードで付いているUSBホストポートはSPI通信で接続しているようでした。
そのため、複数センサの値をSPI通信にて取得する処理と干渉してしまっているようでした。

 参考サイト

(I2C通信であれば、値を読み取ってAndroidに値を引き渡せましたが、2つのセンサしか接続できないため断念。)




■参考サイトの引用
 >>USB Host: MAX3421E. The MAX3421E comunicate with Arduino with the SPI bus. So it uses the following pins:

 >> Digital: 7 (RST), 50 (MISO), 51 (MOSI), 52 (SCK).
 >> NB:Please do not use Digital pin 7 as input or output because is used in the comunication with MAX3421E
 >> Non broken out on headers: PJ3 (GP_MAX), PJ6 (INT_MAX), PH7 (SS).



■思考錯誤
 SS(CS)はデフォルトのDigital10や、その他のポートで試してみました。
 しかし、SPI通信でセンサから値を取得すると、Androidとの接続が切れてしまいます。
 (なぜか、センサのSSの配線を繋げなければAndroidとの接続ができます。)

■推測
 そのため、当初疑っていた以下の様なSPI通信の初期設定部分が原因ではない可能性が出てきました。
 SPI.setBitOrder(MSBFIRST) ; // ビットオーダー
 SPI.setClockDivider(SPI_CLOCK_DIV8); // クロック(CLK)




残念ながら初心者の私にはお手上げ状態です。
お力添え頂けますと幸いです。
よろしくお願いします。





■センサ(気圧センサ LPS331AP)の配線
 3.3V:Arduinoの3.3V
 GND:ArduinoのGND
 MISO:Digital50にあたる場所
 MOSI:Digital51にあたる場所
 SCK:Digital52にあたる場所
 SS(CS) → D10やD3やD40など様々試してみたが変化なし

イメージ説明



■症状を改めて整理
 Arduino上の配線を全て取り払い、AndroidにのみUSBホストから接続 → USBホスト使用可能
 Arduinoにセンサを配線し、SS(CS)ポートを接続しない → USBホスト使用可能
 Arduinoにセンサを配線し、SS(CS)ポートを接続する → USBホスト使用できない!(おそらくSPI通信が干渉)












■ソースコード(一部省略しております。)

#include <SPI.h>

#include <Max3421e.h>
#include <Usb.h>
#include <AndroidAccessory.h>

int CS_i = 4;//CS(SS)のポート番号



/////////////////////////////////////////////
///Androidに値を送るための宣言(省略)////
/////////////////////////////////////////////




void setup()
{
  // シリアルモニターの設定
  Serial.begin(9600);
  acc.powerOn(); //USB Host機能を有効にする。(Androidの通信用)
  Serial.println("\r\nStart");

  // SPIの初期化
  SPI.begin() ; // SPIを行う為の初期化
  SPI.setBitOrder(MSBFIRST) ; // ビットオーダー
  SPI.setClockDivider(SPI_CLOCK_DIV8); // クロック(CLK)をシステムクロックの1/8で使用(16MHz/8)

  //シリアルモニタを開いたら、セットアップをやり直す!?
  while (!Serial) {}

  digitalWrite(CS_i, HIGH); //通信終了状態に
  pinMode(CS_i, OUTPUT); // 出力に設定

  //センサが認識していることを確かめる。
  Serial.println(LPS331AP_read(CS_i, LPS331AP_WHOAMI), HEX);

  //センサの設定を書き換える。
  LPS331AP_write(CS_i, LPS331AP_CTRL1, B10010000);

  delay(1000);

}





//センサへデータを書き込む関数
void LPS331AP_write(int CS, byte reg, byte val)
{
  digitalWrite(CS, LOW); //LOWにすることで通信開始
  SPI.transfer(reg);
  SPI.transfer(val);
  digitalWrite(CS, HIGH); //HIGHにすることで通信終了
}



//センサから値を受信する関数/
byte LPS331AP_read(int CS, byte reg)
{
  byte ret = 0;

  digitalWrite(CS, LOW); //LOWにすることで通信開始
  SPI.transfer(reg | LPS331AP_RW); //読み込むデータを指示
  ret = SPI.transfer(0); //データを取得
  digitalWrite(CS, HIGH); //HIGHにすることで通信終了

  return ret;
}




void loop()
{
  /////////////////////////////////////////////////
  ///センサから値を取得する処理       (省略)////
  //Androidに値を送る処理                            ////
  ////////////////////////////////////////////////
}
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ざっとしか見てい無くて恐縮ですが、、、

ATmega2560のプロセッサのマニュアルを見た限りでは SPIは1回線に見えます。
また、Arduino MEGA ADKの、マニュアルには Input and Output の章に

USB Host: MAX3421E. The MAX3421E comunicate with Arduino with the SPI bus. 

の記述がありますので、USBを使うのなら、ホスト間通信でSPIが使用されてしまいますので、センサのI/Oに利用できない気がします。

おそらく、現状はセンサ側の CS をアサートした瞬間にセンサがバスを操作してしまい、その結果、同じSPI回線を使用しているUSBが切断されてしまっている状況だと思います。


対策?を追記

現状の構成や部材のままの前提で、対策を考えると、

プロセッサで使用可能な残りのリソースは TWI と I2C ですが、どれも8回線分には無理があると思います。
センサー側の仕様を見ると確かに I2C には2個までしかぶら下げられないようですね。

となると、GPIOポートを使ってソフトウェアでI2CかSPIを実現する位しか思い浮かびませんが、I2Cはいろいろ面倒になりそうなので、SPIを1回線3本分と SSが8つで、合計 11本のGPIOを確保すれば実現できると思います。それぐらいは、あまっていますよね?

応用がわからないのですが、ハード駆動の通信を、ソフト駆動の通信に変更しても、応答速度はそれほど劣化しないと思いますが、問題になるでしょうか?

また、写真を拝見すると、SSが繋がっていないようですが、デバッグ用に1本だけ? それとも、見えないところにデコーダーがある?

SPIのソフトウェア実装については、それほど難しくは無いと思います。おそらく100行前後で出来ると思います。


サンプル(すみません、コンパイルもしていません)例
#define SS_CLK        ...
#define SS_MOSI    ...
#define SS_MISO    ...

unsigned char ss_transfer(unsigned char write_data)
{
    unsigned char i;
    unsigned char input_data;

    SS_CLK = 0;                /* アイドル時は CLK = L */
    for(i = 0; i < 8; i++)
    {
        SS_MOSI = (write_data & 0x80) ? 1 : 0;
        SS_CLK = 1;            /* CLK = H */
        delay();                /* 必用ならディレイ */
        SS_CLK = 0;            /* CLK = L */
        input_data <<= 1;
        input_data += SS_MISO;
        write_data >>= 1;
    }
    return input_data;
}
SSの制御は上位で行ってください。
SPIの制御は、いくつかパターンがあります。センサーに合わせて実装する必要がありますので注意してください。上記は、あくまで一例です。

ソフトによるSPI通信は、検索すればいろいろ転がっているようですので、調べてみるのも面白いでしょう。




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  • 2015/11/12 22:25

    T.Kanno様

    ありがとうございます。
    行き詰まっていたところにご回答いただき本当に感謝しております。
    わかりやすく噛み砕いてご回答いただけて本当に幸せです。

    私の知識不足でわからない部分があったため、何度も文章を読み返させて頂きました。
    やはりUSBホスト通信でSPI通信が使用されており、センサのI/Oが利用できないとのことですね。
    解釈があっていたようで安心しました。






    対策まで考慮して頂きありがとうございます。
    お恥ずかしながら全くというほど対処方法が思いつかなかったので、非常に励みになります。

    USBホストで使われるSPI通信とは別に、GPIOを使ってソフトウェアでSPI通信をするということですね!
    2グループのSPI通信を並列して動かすことは考えもしませんでした!
    早速試してみることにします!

    応用面まで御配慮頂きありがたい限りです。
    気圧センサ LPS331APを用いて息を感知したいと考えているので、そこまでの応答速度は求めておりません。

    写真撮影時にはブレッドボードにセンサを4つ接続しておりましたが、SSに1本しか接続しておりませんでした。
    お察し頂いた通りデバッグ用に1本だけ接続した状態でした。(説明不十分で申し訳ございません。)
    (↑ USBホストがSPIであると気付くまでセンサやソースコードを疑っていたため、最小構成で実験しておりました。)

    SPI通信をソフトウェアにてできることが驚きなぐらいですので、今から実装方法を調べてみることに致します。
    お力添え頂きありがとうございました。

    本サイト(terarail)は初めての利用でしたが、T.Kanno様のおかげでもう少し頑張れそうです。
    ありがとうございました。

    キャンセル

  • 2015/11/12 23:02

    ソフトによるSPI通信は、いろいろネットに転がっているようですので検索してみると良いでしょう。
    追記しましたサンプルのように、それほど面倒ではありません。初期設定やSSの制御をあわせても100行前後ですむと思います。

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