ラズパイPicoをArduinoの代わりにシリアル通信させてみた

ラズベリーパイPicoはUSBシリアルのデバイスとして認識できます。

応用すればUSB1本で簡単にデータ通信することが可能です。

PicoをArduinoの代わりにAD変換デバイスとして使う方法を紹介します。

ラズパイPicoをArduinoの代わりにシリアル通信させてみた
1. PicoとArduinoはアナログ入力できます
2. PicoをUSBシリアルと認識しています
ラズベリーパイPicoとArduinoの比較
1. ラズベリーパイPicoのメリット
  1. Picoは価格が安い
  2. PicoのADCの分解能は12bit
2. Arduinoのメリット
  1. Arduinoは5Vのアナログ入力
  2. Arduinoはジャンパー線の接続が楽
ラズベリーパイPicoでUSBシリアル出力する
PythonでPicoのデータを取得する
PicoのAD変換をリアルタイムでプロットする
まとめ

ラズパイPicoをArduinoの代わりにシリアル通信させてみた

ラズベリーパイPicoはUSBシリアル接続のデバイスとして使用することが可能です。

またPicoはArduinoと同様にアナログ入力ピンを持ち、AD変換の機能があります。

ラズパイPicoをAD変換のUSBデバイスとして使用することが出来ました。

ホスト側のPythonを利用して、リアルタイムでPicoのAD変換のデータをプロットしています。

設定方法からプログラムまで一から手順を説明します。

下記動画でも紹介しています。是非一緒にご覧ください。

USBシリアル経由でPicoのデータをリアルタイムで取得できていることが分かります。

PicoとArduinoはアナログ入力できます

PicoとArduinoはアナログ入力ピンが有り、AD変換が可能です。

アナログの電圧値をデジタルに変換することができます。

温度・湿度などのアナログのセンサーを接続することが可能です。

PicoをUSBシリアルと認識しています

Arduino同様にPicoもUSBシリアルでデータを送受信することが可能です。

下記記事のようにホスト側(ラズパイ)のPythonで受け取ることができます。

ラズベリーパイとArduinoを連携！アナログ入力を応用してみた

Picoと接続しているホスト(ラズベリーパイ)側からもUSBデバイスと認識できています。

dmesgで確認すると、よくあるUSBシリアルデバイス(ttyACM0)として認識していました。

dmesg | grep -i usb

[    2.033280] usb 1-1.3: new full-speed USB device number 3 using xhci_hcd
[    2.168130] usb 1-1.3: New USB device found, idVendor=2e8a, idProduct=0003, bcdDevice= 1.00
[    2.168150] usb 1-1.3: New USB device strings: Mfr=1, Product=2, SerialNumber=3
[    2.168166] usb 1-1.3: Product: RP2 Boot
[    2.168182] usb 1-1.3: Manufacturer: Raspberry Pi
[    2.168197] usb 1-1.3: SerialNumber: E0C912D24340
[    2.172937] usb-storage 1-1.3:1.0: USB Mass Storage device detected

[ 2.033280] usb 1-1.3: new full-speed USB device number 3 using xhci_hcd

[ 2.168130] usb 1-1.3: New USB device found, idVendor=2e8a, idProduct=0003, bcdDevice= 1.00

[ 2.168150] usb 1-1.3: New USB device strings: Mfr=1, Product=2, SerialNumber=3

[ 2.168166] usb 1-1.3: Product: RP2 Boot

[ 2.168182] usb 1-1.3: Manufacturer: Raspberry Pi

[ 2.168197] usb 1-1.3: SerialNumber: E0C912D24340

[ 2.172937] usb-storage 1-1.3:1.0: USB Mass Storage device detected

dmesg | grep -i ttyACM

[    4.804474] cdc_acm 1-1.3:1.0: ttyACM0: USB ACM device

1	[ 4.804474] cdc_acm 1-1.3:1.0: ttyACM0: USB ACM device

ラズベリーパイPicoとArduinoの比較

ラズベリーパイPicoとArduinoはCPUから違い、大きな差があります。

どちらにも多くメリットがあるので、代表的なAD変換箇所をメインに紹介します。

ラズベリーパイPicoのメリット

ラズベリーパイPicoのAD変換の使い方・メリットに関しては下記記事でも紹介しています。

ラズパイでAD変換！Picoでアナログ入力してみた

ラズパイでAD変換！Picoでアナログ入力してみた

ラズベリーパイpicoでAD変換してみました。簡単に温度や電圧のアナログ入力値を測定することができます。設定方法からプログラムまで一連の手順を紹介します。

Picoは価格が安い

ラズベリーパイPicoは1台500円程度で非常に安いです。正規のArduinoと比べると格安です。

またサードパーティーの互換品のArduinoと比べてもほぼ同じ価格です。

Pico…500円程度
Arduino…数百円～3000円程度　※互換品～正規品で価格差があり

PicoのADCの分解能は12bit

ArduinoのADCの分解能が10bitに対して、Picoは12bitです。

さらに電圧が3.3Vのため、より精度の高いAD変換が可能となります。

下記計算のように精度だけで見ると、PicoはArduinoの5倍以上の数値となります。

Pico…3.3V/4096(2^12)≒0.8mV刻みのAD変換
Arduino…5V/1024(2^10)≒5mV刻みのAD変換

実際にPicoでAD変換のプログラムを実行したところ、約0.8mV刻みでAD変換できていました。

※プログラム上では16bit(read_u16())でreadしているため、65535(2^16)で分解しています。

Arduinoのメリット

ArduinoのAD変換については下記記事でも紹介しています。

ArduinoでAD変換！分解能10bitで電圧測定してみた

ArduinoでAD変換！分解能10bitで電圧測定してみた

Arduino Unoのアナログ入力を使用してAD変換してみました。分解能は10bitですが趣味の電圧測定には十分使用できるレベルです。 Arduinoとの接続方法からプログラムまで分かりやすく紹介します。

Arduinoは5Vのアナログ入力

Arduinoは5Vまでのアナログ入力が可能です。またArduino Unoは6chあります。

(PicoのIO電圧は3.3Vのため、5Vの入力はできません)

Pico…アナログ入力_3.3V・3ch
Arduino…アナログ入力_5V・6ch

Arduinoはジャンパー線の接続が楽

Arduinoはデフォルトでピンソケットが実装されています。

購入してすぐにジャンパー線を接続することが可能です。

Picoはピンヘッダーがデフォルトでは実装されていません。

Pico…ジャンパー線の接続には「改造要」
Arduino…ジャンパー線の接続には「改造不要」

Picoでは別にピンヘッダーを購入してはんだ付けする必要があります。

(筆者も)はんだ付けが面倒だったため、ICクリップ-ワニ口を使用しています。

Picoの簡単なテストレベルでは十分に対応できます。

ICクリップは狭い箇所を接続するのに便利です。

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ラズベリーパイPicoでUSBシリアル出力する

ラズベリーパイPicoでテスト的にUSBシリアル出力する方法は簡単です。

ラズパイPico公式のスタートガイドのファイルを使用するだけです。

下記記事の手順でファイルをPicoに書き込めば、自動的にUSBシリアル出力します。

ラズパイでAD変換！Picoでアナログ入力してみた

Pico側で出力するとUSB接続されているホスト側にもデータが届きます。

結果、ホスト側のPythonやシリアルコンソールでデータ取得することが可能です。

筆者はPythonにて下記設定でUSBシリアルのデータを取得しました。

デバイス名…ttyACM0
ボーレート…115200bps

PythonでPicoのデータを取得する

Picoのアナログ入力のデータをホスト側(ラズパイ)のPythonで取得します。

そして、リアルタイムでプロットするテストを行います。

Picoで取得するデータは可変抵抗で調整した0-3.3Vの電圧値です。

可変抵抗で3.3Vの電圧調整をする

ラズパイPicoで使用したピンは下記の通りです。

3V3(36ピン)→可変抵抗_1or3ピン
GND[AGND](33ピン)→可変抵抗_1or3ピン
ADC0(31ピン)→可変抵抗_2ピン

回路としても非常に簡単です。部品としては可変抵抗しか使用していません。

今回は10kΩを使っていますが1kΩでも問題ありません。

PicoのMicroPythonのプログラム

Pico側で実際に使ったMicropythonのプログラムは下記です。

下記記事の電圧値をAD変換するプログラムにLチカを合わせたものです。

ラズパイでAD変換！Picoでアナログ入力してみた

import machine
import utime
from machine import Pin, Timer

#sensor_temp = machine.ADC(4)
sensor_temp = machine.ADC(0)
conversion_factor = 3.3 / (65535)
led = Pin(25, Pin.OUT)
tim = Timer()

def tick(timer):
    global led
    led.toggle()

tim.init(freq=2.5, mode=Timer.PERIODIC, callback=tick)

while True:
    reading = sensor_temp.read_u16() * conversion_factor
    print(reading)
    utime.sleep(0.5)

import machine

import utime

from machine import Pin, Timer

#sensor_temp = machine.ADC(4)

sensor_temp = machine.ADC(0)

conversion_factor = 3.3 / (65535)

led = Pin(25, Pin.OUT)

tim = Timer()

def tick(timer):

global led

led.toggle()

tim.init(freq=2.5, mode=Timer.PERIODIC, callback=tick)

while True:

reading = sensor_temp.read_u16() * conversion_factor

print(reading)

utime.sleep(0.5)

ホスト側のPythonのプログラム

ホスト(ラズパイ)側で実際に使ったPythonのプログラムは下記です。

下記記事のプログラムをPico用に修正したものです。

ラズベリーパイとArduinoを連携！アナログ入力を応用してみた

#!/usr/bin/env python
# -*- coding: utf-8 -*-

import itertools
import math
import numpy as np

import serial
ser = serial.Serial('/dev/ttyACM0', 115200)

from matplotlib import pyplot as plt
from matplotlib import animation

from subprocess import getoutput


def _update(frame, x, y):
    """グラフを更新するための関数"""
    # 現在のグラフを消去する
    plt.cla()
    # データを更新 (追加) する
    x.append(frame)
    
    # Picoの電圧を取得する
    a=""
    a=ser.readline()
    while ser.in_waiting:
        a= a + ser.readline()
    a2= a.split(b'\r')
    y.append(float(a2[0]))

    # 折れ線グラフを再描画する
    plt.plot(x, y)
    
    # グラフのタイトルに電圧を表示する
    plt.title("CH* = "+ str(y[-1]) +" V")
    
    # グラフの縦軸_電圧の範囲を指定する
    plt.ylim(0,3.5)

def main():
    # 描画領域
    fig = plt.figure(figsize=(10, 6))
    # 描画するデータ
    x = []
    y = []
    
    params = {
        'fig': fig,
        'func': _update,  # グラフを更新する関数
        'fargs': (x, y),  # 関数の引数 (フレーム番号を除く)
        'interval': 1000,  # 更新間隔 (ミリ秒)
        'frames': itertools.count(0, 1),  # フレーム番号を無限に生成するイテレータ
    }
    anime = animation.FuncAnimation(**params)

    # グラフを表示する
    plt.show()

if __name__ == '__main__':
    main()