Conectando o ADC MCP3008 ao Raspberry Pi para leitura de sensores analógicos, etc.

MCP3008 PDIP, créditos Adafruit

Um dos recursos que algumas pessoas sentem falta no Raspberry Pi é um ADC ( Conversor analógico digital ), quem está acostumado a mexer com Arduino deve ter reparado ou usado os pinos que vão de A0 à A5, que normalmente utilizam para conexão de sensores analógicos, apesar de se ter vários usos. Quem faz esse trabalho de leitura no Arduino é o ADC interno do chip Atmega.

No caso do Raspberry Pi não temos um ADC acessível, sendo preciso a utilização de uma placa de expansão ou um ADC externo. Existe ainda outras possibilidades, em alguns casos a utilização de uma "gambiarra" via capacitor como demonstrado no site adafruit é possível, mas que não terá a precisão de um ADC. Outra seria a utilização do ADC interno de chips Atmega ou PIC ligados ao Raspberry Pi por meio de comunicação serial.


Hoje o ADC mais comum que vejo utilizarem no Raspberry Pi é o MCP3004 ou MCP3008. Eles estão disponíveis no invólucro( em inglês, conhecido como package ) PDIP, de possível utilização em uma protoboard. Ambos fabricados pela Microchip, a diferença entre eles está na quantidade de canais e invólucros disponíveis, sendo o MCP3004 de 4 canais em invólucros PDIP, SOIC, TSSOP e o MCP3008 de 8 canais em invólucros PDIP e SOIC.

Para utilização da maioria o PDIP é o recomendável. No meu caso eu comprei um de invólucro SOIC na Aliexpress, pois estava mais barato do que o PDIP na época, a US$1,77. O problema dos outros invólucros como o SOIC é que além de ser preciso soldar, eles são SMD e muito pequenos.

MCP3008 SOIC

As especificações básicas do MCP3008 são as seguintes:

- 8 canais
- 10 bits de resolução
- Tensão de operação: 2.7V - 5.5V
- Amostragem máxima de 200ksps em 5V ou 75ksps máximo em 2.7V
- Comunicação SPI

Como a tensão de operação está entre 2.7V e 5.5V iremos utilizar a mesma tensão dos GPIOs do Raspberry Pi, que é de 3.3V.

Olhando no esquemático temos os seguintes pinos:

Pinos do MCP3008

As ligações com o Raspberry Pi serão feitas da seguinte forma:

Vdd -> 3.3v
Vref -> 3.3v
AGND -> GND
CLK -> SCLK( pino 23 )
Dout -> MISO( pino 21 )
Din -> MOSI( pino 19 )
CS/SHDN -> CE0( pino 24 )
DGND -> GND

O pino Vdd trata-se da alimentação do circuito, o Vref é a tensão de referência na leitura analógica, essa tensão pode ser diferente da Vdd, entretanto no nosso caso utilizaremos a mesma. Os pinos CLK, Dout, Din são respectivamente pino de clock, data input e data output do SPI. O pino CS/SHDN é usado para indicar comunicação com o chip quando em LOW ou caso contrário colocar em modo de baixo consumo( standby ) com HIGH.

Ligações do MCP3008 ao Raspberry Pi

Todos os pinos do outro lado do chip que não estão ligados são os analógicos. Atenção à posição do chip, que pode ser diferenciada por uma bolinha, ponto, etc. na ponta do mesmo.

Na parte de software para scripts ou testes podemos utilizar a ferramenta "gpio" da biblioteca wiringPi, ela conta com uma extensão para o chip mcp3004 mas que pode ser utilizado também para o mcp3008.

Caso ainda não tenha ela instalada, baixe a biblioteca utilizando o GIT:

$ git clone git://git.drogon.net/wiringPi

Caso não tenha o git instalado:

$ sudo apt-get install git-core

Entre no diretório wiringPi e rode como root ou sudo:

$ cd wiringPi
$ sudo ./build

Esse comando irá compilar e instalar automaticamente a biblioteca.


Todos os testes foram realizados no Raspbian e Raspberry Pi modelo B rev 2.0.

Para utilização é preciso carregar a extensão spi:

$ gpio load spi

E a leitura é feita com o seguinte comando:

$ gpio -x mcp3004:100:0 aread 100
1012

Essa leitura que fiz trata-se somente de um resistor de 10K ligado entre o primeiro pino analógico e o VCC, tendo seu valor quase o máximo dos 10 bits.

Nos parâmetros, 100:0 são da própria extensão, o primeiro "100" é o pinbase, o valor base para acessar o pino do ADC, ou seja, se você tem um base de valor 100, seu primeiro pino analógico será 100, o segundo 101 e assim por diante, o segundo argumento é o canal SPI. O argumento após o aread( analog read ) é o pino que desejamos ler levando em conta o valor base. Notei que o valor base mínimo é de 64, apesar de não achar escrito explícito em algum local, o que parece é que esse limite serve para não confundir com os pinos do próprio Raspberry Pi.

Caso queira ou precise lidar com programação para a leitura, é possível utilizar também a própria biblioteca wiringPi para isso.

Um simples programa em C que fizesse a leitura sem parar a cada 500ms seria da seguinte forma:

#include <wiringPi.h> #include <mcp3004.h> #include <stdio.h> #include <unistd.h> int main(){ wiringPiSetup() ; mcp3004Setup(100, 0); while(1){ usleep(500); printf("%d\n",analogRead(100+0)); } }

Salve com nome mcp3008.c, e compile com:

$ gcc mcp3008.c -lwiringPi -o mcp3008

Os valores 100 no código são o valor base explicado anteriormente.

Para fazer a leitura ao girar um potenciômetro, o conectamos como um divisor de tensão da seguinte maneira.

Potenciômetro

Ou para utilizar um LDR.

LDR

Quanto ao chip em invólucro SOIC que comprei, optei por soldar fios diretamente à ele e ficou da seguinte maneira:

MCP3008 SOIC SMD com fios

Para não poluir esse post com muitas imagens, em um próximo post coloquei algumas imagens dos passos que segui para soldar e criar um invólucro final de proteção.

O MCP3008 assim como sua outra versão de 4 canais são hoje de fácil utilização. Diversos outros ADCs são passíveis de utilização caso esse não te atenda, a questão fica talvez com o suporte de bibliotecas que facilitem o uso e que caso não o tenha terá que programar manualmente.

Referência:
http://ww1.microchip.com/downloads/en/DeviceDoc/21295d.pdf
Imagem: http://www.adafruit.com/images/1200x900/856-01.jpg