3軸ジャイロセンサーL3GD20Hの使い方（I2C通信／SPI通信）

3軸デジタル出力ジャイロセンサーL3GDHから角速度データを読み取る方法を紹介します。

使用するマイコンはRaspberry Pi、プログラム言語はPythonで、I²C通信とSPI通信の2種類の通信方式について解説していきます。

サンプルプログラムでは、センサーからデータを読み取るだけでなく測定条件設定も行っています。

また、ExcelのVBAを使って、Raspberry PiとWifi接続してリアルタイムにグラフ表示する動画も紹介しています。

L3GD20Hの主な仕様
測定範囲：±245dps、±500dps、±2000dps
感度：8.75mdps/digit、17.5mdps/digit、70.0mdps/digit
非直線性：±0.2%FS
感度の温度特性：±2%/℃
零の温度特性：±0.04dps/℃

L3GD20Hは温度測定もできます（温度は8bitデータ）。

準備

L3GD20Hの購入

L3GD20Hは16端子のLGAと呼ばれる形状です。
センサーを手ではんだ付けするのは不可能なのでモジュールの購入になると思います。

下の写真は秋月電子通商で購入したL3G20Hモジュールで、今回はこのモジュールを使います。
I²C通信とSPI通信のどちらの通信方式にも対応しており、通信方式の切り替えは指定端子を電源またはGNDに接続します。

Raspberry Piの通信設定とPythonの操作方法

Raspberry PiのI²C通信とSPI通信設定を有効にします。
下の記事でRaspberry PiのI²C通信設定とSPI通信設定、Pythonの基本操作を説明しています。

Raspberry Pi OS（ラズパイOS）の通信設定とPythonの基本操作

Raspberry Pi OS（ラズパイOS）の通信設定とPythonの操作方法（コーディングやデバック方法）の解説をします。

I²C通信でデータを取得する

モジュールとRaspberry Piの接続

接続図

接続写真

I²C通信プログラミング

プログラムコード

Pythonのプログラムコードです。

import smbus
import time

#I2C設定
i2c = smbus.SMBus(1)
address = 0x6a

#L3GD20H設定
ret = i2c.write_byte_data(address, 0x20, 0x0F)
ret = i2c.write_byte_data(address, 0x23, 0x20)

while True:
    
    #データ読み込み
    xl = i2c.read_byte_data(address, 0x28)
    xh = i2c.read_byte_data(address, 0x29)
    yl = i2c.read_byte_data(address, 0x2A)
    yh = i2c.read_byte_data(address, 0x2B)
    zl = i2c.read_byte_data(address, 0x2C)
    zh = i2c.read_byte_data(address, 0x2D)
    
    #データ変換
    out_x = xh << 8 | xl
    out_y = yh << 8 | yl
    out_z = zh << 8 | zl
    
    #極性判断
    if out_x >= 32768:
        out_x = out_x - 65536
    
    if out_y >= 32768:
        out_y = out_y - 65536
    
    if out_z >= 32768:
        out_z = out_z - 65536
    
    #物理量（角速度）に変換
    out_x = out_x * 0.07
    out_y = out_y * 0.07
    out_z = out_z * 0.07
    
    #表示
    print('X: ' + str(out_x))
    print('Y: ' + str(out_y))
    print('Z: ' + str(out_z))
    
    #一時停止
    time.sleep(1)

プログラムの説明

プログラムの流れは以下の通りです。

I²C通信の設定
センサーの設定
センサーから角速度データを取得
データを物理量に変換し画面に表示
3．～4．を繰り返す

１．I²C通信の設定

#I2C設定
i2c = smbus.SMBus(1)
address = 0x6a

i2c = smbus.SMBus(1)
インスタンス生成です。使用するBus1を指定します。

address = 0x6a
アドレス指定です。モジュールの4番ピンをGNDに接続すると0x6a（16進数）で、電源に接続すると0x6bになります。通信時にこのアドレスを指定します。

Raspberry PiのLXTerminalから「i2cdetect -y 1」コマンドで、0x6aもしくは0x6bであることを確認出来ます。

２．センサーの設定

#L3GD20H設定
ret = i2c.write_byte_data(address, 0x20, 0x0F)
ret = i2c.write_byte_data(address, 0x23, 0x20)

設定は write_byte_data(adr, reg, dat)関数を使用します。

第１引数 adr：I²C通信のアドレス
第２引数 reg：レジスタ（設定したい項目の記憶場所）
第３引数 dat：データ（レジスタに設定する内容）

サンプルプログラムでは２つのレジスタを設定します。
・CTRL1レジスタ
・CTRL4レジスタ
レジスタの設定内容は以下の通りです。

i2c.write_byte_data(address, 0x20, 0x0F)

0x20（CTRL1レジスタ）
Xen（X軸の有効／無効）
Yen（Y軸の有効／無効）
Zen（Z軸の有効／無効）
PD（パワーモード）
BW1-BW0（帯域幅選択）
DR1-DR0（出力データレート）

0x0F
Xen（1：有効（デフォルト））
Yen（1：有効（デフォルト））
Zen（1：有効（デフォルト））
PD（1：通常モード）
BW1-BW0（00：12.5Hz（デフォルト））
DR1-DR0（00：100Hz（デフォルト））

データシートの『7.2　CTRL1(20h)』で詳細を確認できます。

DR1	DR0	BW1	BW0	PD	Zen	Xen	Yen
０	０	０	０	１	１	１	１
0				F

i2c.write_byte_data(address, 0x23, 0x20)

0x23（CTRL4レジスタ）
SIM（SPIモード 4wire／3wire）
ST2-ST1（セルフテスト有効／無効）
IMPen（トリガラッチ（レベル）有効／無効）
FS1-FS0（フルスケール選択）
BLE（ Big／Little endian data選択）
BDU（Block data update）

0x20
SIM（0：SPIモード 4wire（デフォルト））
ST1-ST0（00：セルフテスト無効（デフォルト））
IMPen（0：トリガラッチ（レベル）無効（デフォルト））
FS1-FS0（10：2000dps）
BLE（0：Data LSB（デフォルト））
BDU（0：continuous update（デフォルト））

データシートの『7.5　CTRL4(23h)』で詳細を確認できます。

BDU	BLE	FS1	FS0	IMPen	ST1	ST0	SIM
０	０	１	０	０	０	０	０
2				0

３．センサーから角速度データを取得

#データ読み込み
xl = i2c.read_byte_data(address, 0x28)
xh = i2c.read_byte_data(address, 0x29)
yl = i2c.read_byte_data(address, 0x2A)
yh = i2c.read_byte_data(address, 0x2B)
zl = i2c.read_byte_data(address, 0x2C)
zh = i2c.read_byte_data(address, 0x2D)

取得は read_byte_data(adr, reg)関数を使用します。

第１引数 adr：I²C通信のアドレス
第２引数 reg：レジスタ（測定データの記憶場所）

サンプルプログラムは、６つのレジスタからデータを取得しています。

xl = i2c.read_byte_data(address, 0x28)
xh = i2c.read_byte_data(address, 0x29)
yl = i2c.read_byte_data(address, 0x2A)
yh = i2c.read_byte_data(address, 0x2B)
zl = i2c.read_byte_data(address, 0x2C)
zh = i2c.read_byte_data(address, 0x2D)

各軸の角速度データを記憶しているレジスタは下図の通りです。

４．データを物理量に変換し画面に表示

#データ変換
out_x = xh << 8 | xl
out_y = yh << 8 | yl
out_z = zh << 8 | zl

out_x = xh << 8 | xl
読み込んだ8bitデータをシフトして、上位と下位の16bitデータにします。

#極性判断
if out_x >= 32768:
    out_x = out_x - 65536

if out_y >= 32768:
    out_y = out_y - 65536

if out_z >= 32768:
    out_z = out_z - 65536

if out_x >= 32768:
　　out_x = out_x – 65536

2の補数表現を符号ありの表現に変換します。

16bitデータ	符号なし	符号あり
1000000000000000	32768	-32768
1000000000000001	32769	-32767
：	：	：
1111111111111110	65534	-2
1111111111111111	65535	-1
0000000000000000	0	0
0000000000000001	1	1
0000000000000010	2	2
：	：	：
0111111111111110	32766	32766
0111111111111111	32767	32767

2の補数の詳しい説明はこちら
「2の補数」（2021年10月12日 (火) 17:00　UTCの版）『ウィキペディア日本語版』

#物理量（角速度）に変換
out_x = out_x * 0.07
out_y = out_y * 0.07
out_z = out_z * 0.07

out_x = out_x * 0.07
物理量（角速度）に変換します。

測定範囲が±2000dpsなので、1digitあたりの角速度は70.00mdps/digit（0.07dps/digit）です。
データに0.07をかけて物理量にします。

#表示
print('X: ' + str(out_x))
print('Y: ' + str(out_y))
print('Z: ' + str(out_z))

print(‘X: ‘ + str(out_x))
X軸、Y軸、Z軸の角速度データを画面に表示します。

５．３．～４．を繰り返す

#繰り返し
while True:

while True:
Stopボタンが押されるまで、角速度データの取得と画面表示を繰り返します。

※この『while True:』は、12行目のwhile文です。

プログラムの実行結果

プログラムを実行します。

①Runボタンを押します。
②3軸角速度データを1秒間隔で画面に表示します。
③Stopボタンを押すとプログラムは終了します。

ブレッドボードを水平に回転させるとZ軸の数値が変化します。X軸とY軸についても90°づつ軸を変えてブレッドボードを回転させると値が変化すると思います。

L3GD20DHの動作確認動画（2分12秒）の紹介です。
ExcelのVBAを使ってRaspberry PiとWiFi通信しています。

VBAからのコマンドをPythonで受信して、測定データをVBAに返送します。VBAは受け取った測定データをExcelにグラフ表示します。

動画はこの記事のVBAプログラムを使っています。

Excel VBAでTCP/IP通信しよう（wsock32.dllを使用）

Excel VBAでTCP/IP通信するプログラムを紹介します。TCP/IP通信にはwsock32.dllを使います。

Excelのグラフをアニメーションで動かす方法を紹介しています。

Excelのグラフをアニメーションで動かそう

ExcelのグラフをVBAとWindows API（user32.dllのSetTimer）を使ってアニメーション表示する方法を紹介します。

以上、I²C通信でL3GD20Hから角速度データを読み込んで表示するサンプルでした。

SPI通信でデータを取得する

モジュールとRaspberry Piの接続

接続図

接続写真

SPI通信プログラミング

プログラムコード

import spidev
import time

#SPI設定
spi = spidev.SpiDev()
spi.open(0, 0)
spi.max_speed_hz = 100000
spi.mode = 3

s_dat = [0x00, 0x00]
gyr_x = [0x00, 0x00, 0x00]
gyr_y = [0x00, 0x00, 0x00]
gyr_z = [0x00, 0x00, 0x00]

#L3GD20H設定
s_dat[0] = 0x20
s_dat[1] = 0x0F
readByteArry = spi.xfer2(s_dat)

s_dat[0] = 0x23
s_dat[1] = 0x20
readByteArry = spi.xfer2(s_dat)

#繰り返し
while True:
    
    #設定
    gyr_x[0] = 0x28
    gyr_x[0] |= 0x80
    gyr_x[0] |= 0x40
    
    gyr_y[0] = 0x2A
    gyr_y[0] |= 0x80
    gyr_y[0] |= 0x40
    
    gyr_z[0] = 0x2C
    gyr_z[0] |= 0x80
    gyr_z[0] |= 0x40
    
    #データ読み込み
    readByteArry = spi.xfer2(gyr_x)
    readByteArry = spi.xfer2(gyr_y)
    readByteArry = spi.xfer2(gyr_z)
    
    #データ変換
    out_x = gyr_x[2] << 8 | gyr_x[1]
    out_y = gyr_y[2] << 8 | gyr_y[1]
    out_z = gyr_z[2] << 8 | gyr_z[1]
    
    #極性判断
    if out_x >= 32768:
        out_x = out_x - 65536
    
    if out_y >= 32768:
        out_y = out_y - 65536
    
    if out_z >= 32768:
        out_z = out_z - 65536
    
    #物理量（角速度）に変換
    out_x = out_x * 0.07
    out_y = out_y * 0.07
    out_z = out_z * 0.07
    
    #表示
    print('X: ' + str(out_x))
    print('Y: ' + str(out_y))
    print('Z: ' + str(out_z))
    
    #一時停止
    time.sleep(1)
    
spi.close

プログラムの説明

SPI通信の設定
センサーの設定
センサーから角速度データを取得
データを物理量に変換し画面に表示
３．～４．を繰り返す

１．SPI通信の設定

#SPI設定
spi = spidev.SpiDev()
spi.open(0, 0)
spi.max_speed_hz = 100000
spi.mode = 3

spi.open(0,0)
Bus0をチップセレクト0でオープンします。

spi.max_speed_hz = 100000
クロックのスピードを10kHzにします。

spi.mode = 3
SPI通信のハードウェア設定です。（mode 3は負論理の立下りエッジ検出）

SPI通信の詳しい説明はこちら
「シリアル・ペリフェラル・インタフェース」（2021年10月21日 (木) 02:31　UTCの版）『ウィキペディア日本語版』

２．センサーの設定

#L3GD20H設定
s_dat[0] = 0x20
s_dat[1] = 0x0F
readByteArry = spi.xfer2(s_dat)

s_dat[0] = 0x23
s_dat[1] = 0x20
readByteArry = spi.xfer2(s_dat)

CTRL1レジスタ設定
s_dat[0] = 0x20
s_dat[1] = 0x0F

CTRL4レジスタ設定
s_dat[0] = 0x23
s_dat[1] = 0x20

CTRL1レジスタとCTRL4レジスタは、I²C通信の２．センサーの設定に詳しい説明があります。

#設定
gyr_x[0] = 0x28
gyr_x[0] |= 0x80
gyr_x[0] |= 0x40
    
gyr_y[0] = 0x2A
gyr_y[0] |= 0x80
gyr_y[0] |= 0x40
    
gyr_z[0] = 0x2C
gyr_z[0] |= 0x80
gyr_z[0] |= 0x40

X軸、Y軸、Z軸の角速度データを読み込むためのレジスタアドレス設定です。
X軸：0x28
Y軸：0x2A
Z軸：0x2C

共通：0x80
[読み込み／書き込み] を [読み込み]に設定します。

共通：0x04
読み込みを自動インクリメントに設定します。

３．センサーから角速度データを取得

#データ読み込み
readByteArry = spi.xfer2(gyr_x)
readByteArry = spi.xfer2(gyr_y)
readByteArry = spi.xfer2(gyr_z)

readByteArry = spi.xfer2(gyr_x)

角速度データを格納しているレジスタアドレスからデータを読み込みます。
gyr_x[0]、gyr_y[0]、gyr_z[0]がレジスタアドレスを指定しています。

レジスタアドレスは、I²C通信の３．センサーから角速度を取得に詳しい解説があります。

４．データを物理量に変換し画面に表示

（I²C通信の４．データを物理量に変換し画面に表示に詳しい解説があります。）

#データ変換
out_x = gyr_x[2] << 8 | gyr_x[1]
out_y = gyr_y[2] << 8 | gyr_y[1]
out_z = gyr_z[2] << 8 | gyr_z[1]

out_x = gyr_x[2] << 8 | gyr_x[1]
取得した[2]の方のデータを8bit左にシフトして、上位｜下位で16bitの角速度データにします。

#極性判断
if out_x >= 32768:
    out_x = out_x - 65536
    
if out_y >= 32768:
    out_y = out_y - 65536
    
if out_z >= 32768:
    out_z = out_z - 65536

if out_x >= 32768:
　　out_x = out_x – 65536

2の補数表現を符号あり表現に変換します。

#物理量（角速度）に変換
out_x = out_x * 0.07
out_y = out_y * 0.07
out_z = out_z * 0.07

out_x = out_x * 0.07
物理量（角速度）に変換します。

測定範囲が±2000dpsなので、1digitあたりの角速度は70.00mdps/digit（0.07dps/digit）です。
データに0.07をかけて物理量にします。

#表示
print('X: ' + str(out_x))
print('Y: ' + str(out_y))
print('Z: ' + str(out_z))

print(‘X: ‘ + str(out_x))
X軸、Y軸、Z軸の角速度データを画面に表示します。

５．３．～４．を繰り返す

#繰り返し
while True:

while True:
Stopボタンが押されるまで、角速度データの取得と画面表示を繰り返します。

※この『while True:』は、25行目のwhile文です。

プログラムの実行結果

プログラムの実行結果は、I²C通信時の実行結果と同じなので割愛します。

まとめ

L3GD20HモジュールからRaspberry PiにI²C通信とSPI通信でデータを読み込んで表示するサンプルでした。如何でしたでしょうか。

L3GD20Hは、ハイパスフィルタ設定、各種割り込み、温度測定など、今回使用していない機能がまだまだあります。興味があれば是非チャレンジしてください。

プログラミングやソフトウェアの記事です。

プログラミング

センサーを活用するためのプログラミングやRaspberry Piの記事をまとめています。

準備

L3GD20Hの購入

Raspberry Piの通信設定とPythonの操作方法

I2C通信でデータを取得する

モジュールとRaspberry Piの接続

I2C通信プログラミング

プログラムコード

プログラムの説明

プログラムの実行結果

SPI通信でデータを取得する

モジュールとRaspberry Piの接続

SPI通信プログラミング

プログラムコード

プログラムの説明

プログラムの実行結果

まとめ

コメント

I²C通信でデータを取得する

I²C通信プログラミング