NodeMCU DevKit & MicroPython & I2C MPC23017

MCP23017 "I2C"のピン配置と配線

MCP23017のピン配置
No.	Name	Type	Function		Type	Name	No.
1	GPB0	I/O	双方向入出力ピンです。 "変更時割り込み"(IOC:Interrupt-on-change)または内臓の微弱なプルアップ抵抗、あるいはその両方を有効化出来ます。		I/O	GPA7	28
2	GPB1					GPA6	27
3	GPB2					GPA5	26
4	GPB3					GPA4	25
5	GPB4					GPA3	24
6	GPB5					GPA2	23
7	GPB6					GPA1	22
8	GPB7					GPA0	21
9	VDD	P	電源 1.8〜5.5V	PORTA B 割り込み出力	O	INTA	20
10	VSS		グランド			INTB	19
11	NC		未接続	ハードウェアリセット	I	RESET	18
12	SCL	I	シリアルクロック入力	ハードウェア アドレスピン	I	A2	17
13	SDA	I/O	シリアルデータ入出力			A1	16
14	NC		未接続			A0	15

MCP23017により拡張されるポートは、GPA0〜GPA7 & INTA、GPB0〜GPB7 & INTBとA、B２つに別れています。
A、Bの各GPIOは８個なので1byte(8bit)単位で管理しやすいのと、8bitのみのMCP23008という製品もあるので、その辺りも兼ね合いがあるのかもですけどね。

では、実際の配線を見ながら確認。

3V3GNDD1(IO5)D2(IO4)の４つはNodeMCU DevKitの各端子に接続。
SCLSDAは、ざっくり10kΩの抵抗でプルアップ。正確を喫するなら要抵抗値計算。
A0A1A2の３つは、以下の様にプルアップ、プルダウンして4 ビット固定アドレスに続くハードウェアアドレスビットを定義するために用います。この計7ビットがスレーブアドレスとなります。

D7	D6	D5	D4	D3	D2	D1
0	1	0	0	A2	A1	A0
0	1	0	0	0	0	0	0x20
0	1	0	0	0	0	1	0x21
0	1	0	0	0	1	0	0x22
0	1	0	0	0	1	1	0x23
0	1	0	0	1	0	0	0x24
0	1	0	0	1	0	1	0x25
0	1	0	0	1	1	0	0x26
0	1	0	0	1	1	1	0x27

RESETをプルアップしてリセットを無効化。
以上で検証に必要な配線は完了。

MivroPythonでMCP23017へI2Cで接続

ここから先は、NodeMCU DevKitでの作業。
データシートでは、スレーブアドレスに以下のようにR/Wビットを続けて制御バイトとして送信する旨記載されていますが、MicroPythonでは直接指定しないのでスルー。

			制御バイト
	D7	D6	D5	D4	D3	D2	D1	D0
Start bit	0	1	0	0	A2	A1	A0	R/W	ACK bit
		スレーブアドレス						Read : 1 Write : 0

NodeMCUを起動して、必要となるI2CとPinクラスををインポート。
Ctrl + eを押してからコピペしてCtrl + d。

MicroPython v1.10-8-g8b7039d7d on 2019-01-26; ESP module with ESP8266
Type "help()" for more information.
>>>
paste mode; Ctrl-C to cancel, Ctrl-D to finish
===
=== from machine import I2C, Pin
i2c = I2C(scl=Pin(5), sda=Pin(4), freq=400000) # I2C、Pinクラスのインポート
# I2Cオブジェクトの作成
===
>>>

freqは、400kHzで指定していますが、MCP23017では、1.7MHzでも稼働出来るようです。ただし、電圧が4.5～5.5V必要となるためNodeMCU(3.3V駆動)では使用しません。

I2Cでの接続確認は、以下。

>>> i2c.scan()
[32]
>>>

正常に接続されていればスレーブアドレスが10進数で表示。"32"は、16進数だと"0x20"。

下記は、以降で使用するI2Cの主だったメソッド。

I2C.readfrom_mem(addr, memaddr, nbytes, *, addrsize=8)
addr:スレーブアドレス - 0x20〜0x27
memaddr:メモリアドレス / レジスタアドレス
nbytes:読み込むデータサイズをbyte単位で指定
addrsize:アドレスサイズ(ESP8266では8bit固定で使用不可)

I2C.writeto_mem(addr, memaddr, buf, *, addrsize=8)
addr:スレーブアドレス - 0x20〜0x27
memaddr:メモリアドレス / レジスタアドレス
buf:バッファ / byte型 - コマンド/データ
addrsize:アドレスサイズ(ESP8266では8bit固定で使用不可)

bufは、コマンドとデータをまとめて書く事も可能ですが、ここでは理解しやすいように分けて書くようにしています。興味のある方は試してみて下さい。

MivroPythonでMCP23017の操作

MCP23017の操作は、基本的に以下のレジスタアドレスを呼び出して読み書きするだけです。それ以上も以下も出来ません。

MCP23017のレジスタアドレス
Access to:	Address IOCON.BANK = 0	Address IOCON.BANK = 1	Function
IODIRA	0x00(0b00000)	0x00(0b00000)	I/O方向レジスタ 0:OUTPUT/1:INPUT
IODIRB	0x01(0b00001)	0x10(0b10000)
IPOLA	0x02(0b00010)	0x01(0b00001)	入力極性ポートレジスタ 0:same logic state/1:opposite logic state
IPOLB	0x03(0b00011)	0x11(0b10001)
GPINTENA	0x04(0b00100)	0x02(0b00010)	状態変化割り込みピン設定レジスタ 0:Disable/1:Enable
GPINTENB	0x05(0b00101)	0x12(0b10010)
DEFVALA	0x06(0b00110)	0x03(0b00011)	状態変化割り込み用の既定値 コンペアレジスタ 7〜0 bitに比較値を設定
DEFVALB	0x07(0b00111)	0x13(0b10011)
INTCONA	0x08(0b01000)	0x04(0b00100)	状態変化割り込み制御レジスタ 0:ピンの変化のみ参照/1:DEFVAL設定値との比較参照
INTCONB	0x09(0b01001)	0x14(0b10100)
IOCON	0x0A(0b01010)	0x05(0b00101)	I/Oエクスパンダコンフィグレーションレジスタ 7〜1 bitで設定
IOCON	0x08(0b01011)	0x15(0b10101)
GPPUA	0x0C(0b01100)	0x06(0b00110)	GPIOプルアップ抵抗レジスタ 0:無効化　/　1:有効化
GPPUB	0x0D(0b01101)	0x16(0b10110)
INTFA	0x0E(0b01110)	0x07(0b00111)	割り込みフラグレジスタ ※読込みのみ 0:割り込み無し/1:割り込みを発生
INTFNB	0x0F(0b01111)	0x17(0b10111)
INTCAPA	0x10(0b10000)	0x08(0b01000)	割り込み発生ポート値レジスタ ※読込みのみ 0:Low / 1:High
INTCAPB	0x11(0b10001)	0x18(0b11000)
GPIOA	0x12(0b10010)	0x09(0b01001)	汎用I/Oポ ートレジスタ 0:Low / 1:High
GPIOB	0x13(0b10011)	0x19(0b11001)
OLATA	0x14(0b10100)	0x0A(0b01010)	出力ラッチレジスタ 0:Low / 1:High
OLATNB	0x15(0b10101)	0x0A(0b11010)

表を見ていると、レジスタアドレスがBank0、Bank1に分かれていますね。
これは、A、B二つのグループのレジスタアドレスを連続して(16bit)管理するか、分割して(8bit)管理するのかの違いです。BANK 1のアドレスは一見バラバラに見えますがBANK 0を右ビットローテーション(環状シフト)した値に統一されています。
ちなみに、ビットローテーションとは以下の様な働き。

呼称はローテート・ビット、ビット・ローテーション、Circular Shiftなど様々。
この辺りの設定はコンフィグレーションレジスタ(IOCON)で行い、標準でBank0になるように設定されています。
話が外れはじめたので、実際にレジスタアドレスを読み込んで値を確認。

>>> i2c.readfrom_mem(0x20, 0x00, 1)
b'\xff'
>>>

I/O方向レジスタレジスタ(IODIRA)の値を取得してみました。
結果b'\xff'('0b11111111')の戻り値。
IODIRAは、0:OUTPUT/1:INPUTなので、全てのGPIOが入力に設定されているようです。
取得された値の上位ビットから下位ビットへの並びは、GPIOポートGPx7〜GPx0の並びに対応しています。
書込みも試してみます。

>>>
>>> i2c.writeto_mem(0x20, 0x00, b'\x55')
i2c.readfrom_mem(0x20, 0x00, 1)
b'\x55'
>>>

IODIRAへ0x55(0b01010101)の値を書き込み、戻り値を確認。
ちょっと動作がわかりづらいのでLEDを繋いでみましょう。

MivroPythonとMCP23017でLチカ

まずは、ブレッドボードを増設してLEDを配線。

LEDと抵抗は、手元にあったものを適当に接続しています。
ちゃんと抵抗値を計算して接続しましょう！
って事で、Lチカコード。

from time import sleep
from machine import I2C, Pin

i2c = I2C(scl=Pin(5), sda=Pin(4), freq=400000)
i2c.writeto_mem(0x20, 0x00, b'\x00')

for i in range(10) :
	i2c.writeto_mem(0x20, 0x12, b'\xFF')
	sleep(0.5)
	i2c.writeto_mem(0x20, 0x12, b'\x00')
	sleep(0.5)

８個のLEDがまとまって点滅するので、眩しいです。
続いて、もう少しヒネったLチカ。

from time import sleep
from machine import I2C, Pin

i2c = I2C(scl=Pin(5), sda=Pin(4), freq=400000)
i2c.writeto_mem(0x20, 0x00, b'\x00')

b = 0xFF

for i in range(10) :
	i2c.writeto_mem(0x20, 0x12, b'\xFF')
	sleep(0.5)
	i2c.writeto_mem(0x20, 0x12, b'\x00')
	sleep(0.5)

for i in range(7) :
	i2c.writeto_mem(0x20, 0x12, b.to_bytes(1, 'big'))
	sleep(0.5)
	b = b >> 1

for i in range(9) :
	i2c.writeto_mem(0x20, 0x12, b.to_bytes(1, 'big'))
	sleep(0.5)
	b = b << 1

１０回点滅したあと、一つづつ点灯しているLEDが現象し、残った１つが左方向に移動して消灯するだけのコード。