AE-BMX055使用9軸センサーモジュールの設定

"I2CとSPIで３軸ジャイロセンサL3GD20を使ってみた"のジャイロセンサが販売終了になっていたので、現在販売されている"BMX055使用9軸センサーモジュール"について調べてみることに。

モジュールの扱い方は、"取扱説明書"に回路図含め既に丁寧に記載されています。
ここでは実装部品やジャンパをショートする事による信号線の変化などを図解して整理してみたいと思います。

BMX055 - 小型汎用型9軸センサーモジュール

本モジュールの心臓部、Bosch Sensortec社の9軸センサのBMX055です。
非常に小型の9軸センサで、3軸12bit加速度センサ、3軸16bit±2000°/sジャイロスコープ、及び3軸地磁気センサから構成されています。

BMX055は、SPIとI2C両方の通信方式に対応していますが、このモジュールではI2Cに固定されていて、使用するのは下記の10ピンとなります。




Pin#
Name
I/O Type
Description
Connect to


3
VDD
Supply
電源 アナログ/デジタル・ドメイン(2.4-3.6 V)
VDD


4
GNDA
Ground
アナログ用GND
GND


6
GNDIO
Ground
I/O用GND
GND


7
PS
Digital in
プロトコル選択(GND=SPI/VDDIO=I2C)
VDDIO


9
SCx
Digital in
SCL：シリアルクロック
SCL


11
SDx
Digital I/O
SDA：シリアルデータI/O
SDA


12
SDO2
Digital out
ジャイロアセンサのドレス選択
JP3/VDDIO


13
VDDIO
Supply
デジタルI/O電源電圧(1.2V...3.6V)
VDDIO


17
SDO1
Digital out
加速度センサのアドレス選択
JP2/VDDIO


20
CSB3
Digital in
磁気センサのアドレス選択
JP1/VDDIO

FXMA2102 - I2Cバス用のデュアル電源、2ビット電圧変換器

FXMA2102は、Fairchild Semiconductor社製の広範囲の入出力双方向の電圧レベル変換を行うデュアル電圧電源トランスレータです。
BMX055の駆動電圧は3.3Vなので、5V電源もしくは1.8V駆動のマイコンボードの信号線を3.3Vに変換するために使用します。



Pin#
Name
I/O Type
Description
Connect to


1
VCCA
Supply
A-サイドの電源
3V3


2
A0
Digital I/O
A-サイド入力または3ステート出力
SCx


3
A1
Digital I/O
A-サイド入力または3ステート出力
SDx


4
GND
Ground
GND
GND


5
OE
Digital in
出力イネーブル入力
3V3


6
B1
Digital I/O
B-サイド入力または3ステート出力
SDA


7
B0
Digital I/O
B-サイド入力または3ステート出力
SCL


8
VCCB
Supply
B-サイドの電源
VDDIO


参考 : I2Cバス用双方向電圧レベル変換モジュール(FXMA2102)

NJM2863F33 - ローノイズ低飽和型レギュレータ 3.3V100mA

5V電源のマイコンボードからの電源出力を3.3V(F33は3.3Vを指す)の電圧に変換するレギュレータです。Raspberry PiやESPシリーズなど3.3V電圧のマイコンボードでは、この経路を介さず動作させます。

各ピンの動作は以下。



Pin#
Name
I/O Type
Description
Connect to


1
CONTROL
Digital in
ON/OFF制御(ON=HIGH/OFF=LOW)
VIN


2
GND
Ground
GND
GND


3
NOISE
Supply
ノイズバイパス用端子
C3/GND


4
VOUT
Supply
3.3V(固定)電源出力端子
C2/3V3


5
VIN
Supply
電源入力端子(出力+14Vまで)
C1/VCC

チップ積層セラミックコンデンサー　0.1μF

モジュール上でC1、C2、C3と表記されているコンデンサです。
レギュレータNJM2863F33のパスコンとして使用されています。

チップ抵抗　10kΩ

モジュール上でR1、R2、R3、R4、R5、R6、R7と表記されている抵抗です。
回路全般に渡って使用されています。

基板

10mm x 14mmの小さな基板です。
実装部品に隠れている箇所の配線は想定です。

モジュールのピン配置は以下のようになっています。



Pin#
Name
I/O Type
Description


1
GND
Ground
グランド


2
SDA
Digital I/O
I2Cデータ


3
SCL
Digital in
I2Cクロック


4
3V3
Supply
BMX055用電源端子


5
VCCIO
Supply
I2Cレベル用電源端子


6
VCC
Supply
モジュール電源端子

電源まわりの配線

部品を全く実装しない状態でのGND、3V3、VCCIO、VCCが導電する範囲を図解した状態です。

5V電源の接続

3.3V電源の接続

NJM2863F33まわりの配線

レギュレータによりVCCに5Vを印加した場合でも3V3から3.3Vの電圧を取得可能となります。

BMX055まわりの配線

抵抗R5、R6、R7を設置した事によりBMX055のSDO1、SDO2、CSB3へ3V3の電圧が印加されそれぞれHIGHと認証されます。

これら印加された電圧は、ジャンパJP1、JP2、JP3をハンダでショートさせる事で、それぞれLOWに変更可能で、それにより対応するセンサのアドレスを指定出来ます。

ジャイロセンサのアドレスは、以下の様にJP3をショートさせる事で変更可能。

抵抗R7を介して印加されていた3V3の電圧がGNDへと流れ込みSDO2への入力はLOWとなります。ジャイロセンサのアドレス指定の詳細は下表。



SDO2(JP3)
HIGH(OPEN)
LOW(SHORT)
ジャイロセンサ
0x69
0x68

加速度センサのアドレス変更は、JP2をショート。

ジャイロセンサ同様に、SDO1への入力はLOWとなります。
加速度センサのアドレス指定の詳細は下表。



SDO1(JP2)
HIGH(OPEN)
LOW(SHORT)
加速度センサ
0x19
0x18

地磁気センサのアドレス変更は、JP1をショート。

これまでと同じく、CSB3への入力はLOWとなります。
地磁気センサのアドレスは、SDO2、SDO1の設定値の影響も受けるため以下の様になります。



SDO2(JP3)
SDO1(JP2)
CSB3(JP1)
HIGH(OPEN)
LOW(SHORT)
加速度センサ
HIGH(OPEN)
HIGH(OPEN)
0x13
0x11
LOW(SHORT)
HIGH(OPEN)
LOW(SHORT)
0x12
0x10
LOW(SHORT)

通常は、全てOPENなのでジャイロセンサは0x69、加速度センサは0x19、地磁気センサは0x13のアドレスになっています。

FXMA2102まわりの配線

まず、I2Cの配線から確認。
SDAは、FXMA2102のB1へ接続され、A1からR1でプルアップされBMX055のSDxへと繋がります。
SDLも、FXMA2102のB0へ接続され、A0からR2でプルアップされBMX055のSCxへと繋がっています。

次にFXMA2102へ印加される電源まわりを確認してみます。
FXMA2102の出力側に設定された電源端子VCCAは、3V3に固定されていますが、入力側のVCCBは、VCC、VCCIO、3V3の各端子への入力電源と、ジャンパJP6、JP7、JP8によって変化します。

5V信号線の場合

JP6をショートして、入力側電源VCCBへ5Vを入力する事で、SDA、SDLの信号線が5Vから3.3Vへ変換されます。

3.3V信号線の場合

JP7をショートすると、NJM2863F33で変換された3.3VがVCCBへ入力されます。

1.8V信号線の場合

JP8をショートし、VCCIOへ1.8Vの電源を接続します。このジャンパをショートさせる事でVCCへの供給電圧と異なる電圧を指定可能となります。

I2Cのプルアップ

I2Cでは、マイコンボードから接続デバイスへのSDA、SDLラインのプルアップが決まり事になっています。本モジュールにおいても、JP4、JP5をショートさせる事によってプルアップを有効化出来るようになっています。

ただし、複数のI2C対応デバイスを接続する場合には、外部にプルアップ抵抗を置いてジャンパをオープンにしておく事が推奨されます。理由としては、プルアップ抵抗が重複してしまう可能があるからで、その場合適切な抵抗値を得られなくなってしまい正常に動作しない原因となってしまいます。

以上を踏まえた前提で、プルアップ動作を確認してみます。

上の図は5V電源、5V信号線となっていますが、3.3V、1.8Vでも同じです。
当たり前の事ですが、JP6、JP7、JP8のいずれかがショートされている状況でなければプルアップは有効になりません。理由がわからない場合は、もう一度"FXMA2102まわりの配線"の項目を最初から眺めてみて下さい。

ここまでの解説を元にジャンパの設定、配線を行えば問題なく動作するかと思います。