I2C接続microSDモジュール
2025.09.24
1系統SPIのみのマイコンボードで、TFTディスプレイとmicroSDカードを同時に使用すると、
アクセス排他制御を行っても画像表示中にmicroSDカードへの書き込みに不具合が発生することがあります。
そこで、microSDカード・アクセス専用のマイコンを独立させ、SPI接続をI2C接続に変換して、本体側マイコンと接続することにします。
I2C接続 microSDカードモジュールの利点
・TFTディスプレイとのSPI競合を回避できます
・SDライブラリは同時に複数のファイルを開くことができないため、I2C接続を利用することでマスター側とスレーブ側のSDカード間でファイルのコピーが可能になります
・スレーブ側マイコンボードにESP32を用いると最大255文字のファイル名を付けることができます
・配線の煩わしさがなく、Qwiicケーブル接続で簡単に利用でき、スレーブ側はケーブルからの電力供給で稼働します
デメリット
・SPI接続に比べて転送速度が遅い
備考
Arduino系のI2C速度には、100KHzの標準モードと400KHzの高速モードが選択可能です。
しかし高速モードを設定すると、通信エラーが発生してしまいました。
試しにsetClock()関数で200KHzを指定してみたところ、標準モードに比べて40%程度早くなったので、
プログラムでは200KHzを設定して使いました。
128x160ドットのTFTディスプレイにSPI接続のmicroSDカードモジュールからデータを読み込んで表示させた場合、3554msec、
今回作成したI2C接続microSDカードモジュールから読込むと、15913msec となり、4.48倍の時間が掛かりました。
●スレーブ側microSDカードモジュールの作成
Seeeduino XIAOとピン配置互換性があり、さらにQWIICコネクタを実装しているESP32-S2を使いました
〇Adafruit QT Py ESP32-S2 WiFi Dev Board with STEMMA QT
・ESP32-S2 240MHz
・4 MB Flash & 2 MB PSRAM
・2.4 GHz Wi-Fi (SoC)
・Two I2C ports
・Hardware UART
・Hardware SPI
・Hardware I2S on any pins
・3.3V regulator with 600mA peak output
Adafruit QT Py ESP32-S2
●マスター側テスト環境作成
Arduino UNO用にTFTディスプレイとSDカードモジュールの帽子を作ります。
〇ST7735 128x160 SPI TFT DISPLAY
Arduino UNOの8(RST)/9(CS)/10(DC)/11(MOSI)/13(SCK)/GNDソケットに挿すように帽子を作りました
Arduino ICSPの12(MISO)/13(SCK)/GND/11(MOSI)/3V3を使っています
〇Seeeduino v4.3
駆動電圧3.3/5V切替え可能なUNO R3互換機を使い、3.3V側で使用しました。
5V駆動のArduinoを使う場合は、I2C接続の際、ロジックレベル変換が必要になります。
・ATmega328P microcontroller
・Arduino UNO bootloader
・14 Digital I/O Pins (6 PWM outputs)
・6 Analog Inputs
・ISP Header
・Arduino UNO-R3 Shield Compatible
・Micro USB programming and power supply
・3 on-board Grove connectors
・3.3/5V system operation power switch
Seeeduino v4.3には、GROVEコネクタが2個あります。
スレーブ側モジュールとは、GROVE-QWIIC変換ケーブルで繋ぎます。
●プログラミングの留意点
作成したプログラムはスレーブ側のI2C制御と、マスター側で使われるI2Cクラスライブラリです。
クラスライブラリのヘッダーファイルはスレーブ側プログラムでも使用されます。
1.Arduino系I2Cの1回当たりの送受信サイズは最大32バイトです。
大きなデータを転送するには分割送信する必要があります。
2.マスターからスレーブに送信する際には、最初の1バイトをコントロール・コードとして用いる仕様にしています。
●プログラム・ビルド時の留意点
Arduino UNO R3のRAMは2キロバイトと小さく、プログラムのビルド時点で90%以上使用しているような状態ではI2C通信が正常に機能しないことがあります。
ビルド時点で70%前半に収めるようソースコードを最適化したほうが無難です。
●ソースコード
I2CTools.zip
●I2CToolsリファレンス
空き時間に考えた初期仕様です。適当に仕様変更してください。
void I2CTools.begin(TwoWire *wire)
Example Code)
#include <Wire.h>
#include "I2CTools.h"
I2CTools i2ctools;
void setup()
{
Wire.begin();
i2ctools.begin(&Wire);
}
long I2CTools.open(char *path, unsigned char mode)
| Parameters: | char *path | | ファイルパス |
| | unsigned char mode | | I2C_FILE_READ |
| | | | I2C_FILE_WRITE |
| | | | |
| Returns: | (正常)I2C_ERR_SD_OK | | (case.) I2C_FILE_WRITE |
| | (正常)ファイルサイズ | | (case.) I2C_FILE_READ |
| | I2C_ERR_PATH_OVERFLOW | | |
| | I2C_ERR_TRANSMISSION | | |
| | I2C_ERR_SD_BEGIN | | |
| | I2C_ERR_SD_EXIST | | |
| | I2C_ERR_SD_OPEN | | |
| | I2C_ERR_SD_MODE | | |
long I2CTools.write(unsigned char *data, long len)
| Parameters: | unsigned char *data | | データポインタ |
| | long len | | データ長 |
| | | | |
| Returns: | 書込みバイト数 | | |
long I2CTools.read(unsigned char *data, long len)
| Parameters: | unsigned char *data | | データポインタ |
| | long len | | データ長 |
| | | | |
| Returns: | 読込みバイト数 | | |
long I2CTools.close()
| Returns: | (正常)I2C_ERR_SD_OK | | |
| | I2C_ERR_REQUEST | | |
long I2CTools.exist(char *path)
| Parameters: | char *path | | ファイルパス |
| | | | |
| Returns: | (正常)I2C_ERR_SD_OK | | |
| | I2C_ERR_PATH_OVERFLOW | | |
| | I2C_ERR_TRANSMISSION | | |
| | I2C_ERR_SD_EXIST | | |
| | I2C_ERR_SD_BEGIN | | |
long I2CTools.remove(char *path)
| Parameters: | char *path | | ファイルパス |
| | | | |
| Returns: | (正常)I2C_ERR_SD_OK | | |
| | I2C_ERR_PATH_OVERFLOW | | |
| | I2C_ERR_TRANSMISSION | | |
| | I2C_ERR_SD_REMOVE | | |
| | I2C_ERR_SD_EXIST | | |
| | I2C_ERR_SD_BEGIN | | |
long I2CTools.print(char *text)
| Parameters: | char *text | | テキストポインタ |
| | | | |
| Returns: | (正常)I2C_ERR_SD_OK | | |
| | I2C_ERR_SD_WRITE | | |
long I2CTools.printf(const char* format, ...)
| Parameters: | const char* format, ... | | 書式付き引数 |
| | | | |
| Returns: | (正常)I2C_ERR_SD_OK | | |
| | I2C_ERR_SD_WRITE | | |
long I2CTools.setClock(long clock)
| Parameters: | long clock | | I2C通信のクロック周波数 |
| | | | |
| Returns: | 設定クロック数 | | ※slave側がESP32系の場合 |
| | | | |
| Notes: | SAMD21系にはWire.setClock()を使えない場合があります |
●一体型I2C接続midroSDカード・モジュールの作成
8.3形式のファイル名でよければ、SAMD21系のマイコンボードも使うことができます。
※ロングネームが使えるはずのSDFatライブラリを試してみましたがうまくいきませんでした。
GroundStudioのJade PebbleとAdafruit microSD Card BFFの裏面側を合わせるようにして両側からピンヘッダーをハンダ付けしています。
重なり合ったMISO/MOSI/SCK/CS(6/TX)/GND/3V3ピンが使われます。
※Adafruit QT Py ESP32-S2も同様に一体化できます。
●GroundStudio Jade Pebble
Very small SAMD21E18A based development board wih 48 MHz 32 bit processor, 256kBytes of Programmable Flash program memory, 32kBytes Internal SRAM, 6 Capacitive Touch sensing (PTC), 9 PWM Channels, 11 Digital Pins, 9 channel 12 bit ADC Pins and built in RGB NeoPixel LED.
〇Technical specificatons
・USB Type C connector
・5V pin supply voltage: 4.3V-6.5V DC
・Microcontrollerul ATSAMD21E with 32-bit Cortex M0+ processor at a maximum of 48MHz
・Flash memory: 256KB
・RAM memory: 32KB
・Regulator 3.3V/500mA
・I2C_3V3 connector compatible wit Qwiic and STEMMA QT systems
・GPIO Pins: 11
・Integrated RGB LED
github
GroundStudio/GroundStudio_Jade_Pebble
〇Jade Pebble Pinout
●Adafruit microSD Card BFF Add-On for QT Py and Xiao
QT Py / XIAOと背中合わせに実装するよう設計されたmicroSDカードスロット搭載のアドオンボードです。
SPIインターフェイスに MOSI,MISO,SCKピンとCSピンはデフォルトで TXピンになっています。.
Adafruit microSD Card BFF
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