HDL4316G の使い方

HDL4316Gは、スレーブ側にあるデバイスのアドレスを異なるアドレスに変換します。ひとつの I2Cバスに接続するスレーブデイバスのアドレスが固定されていたり、同時接続した個数が設定可能なアドレス数より多い場合でもひとつの I2Cバスを共有できるようになります。

I2Cバスについて

I2Cバスは、バス上にあるデバイスで SCLおよび SDAのラインを共有して接続されます。ホストデバイスがスレーブデバイスにアクセスするときは、ホスト側からアクセスしたいスレーブデバイス側のアドレスを指定します。指定されたスレーブデバイスだけが、応答し、ホストデバイスと通信を行います。
スレーブデバイス側のアドレスは、個々のデバイスを一意に指定するものですから、基本的に同一バス上でアドレスを重複させることができません。多くのデバイス・チップは、いくつかのデバイスアドレスを選択できるようになっていますが、エンドユーザ向け製品の基板上に実装されたときに、特定のアドレスのみに固定され、エンドユーザが変更できずに、複数のスレーブデバイスを接続できない場合もあります。また、設定可能であっても、その設定可能な種類の数を越えて接続することはできません。

このようにスレーブアドレスが重複する場合の解決方法としては、下記のような解決策が考えられます。

I2Cバススイッチ(マルチプレクサ) を利用し、利用するデバイス毎にバスを切り替える
SDAまたは SCLとSDAの両方について、利用するデバイス毎に接続・切断を切り替える
スレーブデバイスのアドレス変換回路を挿入する

HDL4316G は Analog Devices社製のLTC4316を用いて、第3の方法、スレーブデバイスのアドレスを変更する解決策を提供します。
ほかの2案は、目的のデバイスにアクセスするまえに、バスの切り替えや SDA/SCLの接続・切り離しなどの操作が必要になり、手順を誤ると、目的とは違うデバイスにアクセスしてしまう可能性があります。 HDL416G でアドレス変換すれば、個別の新しいアドレスを割り付けることができるので、スムーズに、かつ目的のデバイスに確実にアクセスできるようになります。

パーツ配置

No.	リファレンス	名称	備考
1	CN1	マスタ側 Grove接続コネクタ	コネクタ互換品
2	CN2	スレーブ側 Grove接続コネクタ	コネクタ互換品
3	RHTおよび RHB	変換アドレス設定用抵抗(上位3bit)
4	RLTおよび RLB	変換アドレス設定用抵抗(下位4bit)
5	R3, R4	スレーブデバイス側プルアップ抵抗	10kΩ 1/10W
6	R1, R2	マスタデバイス側プルアップ抵抗	未実装
7	U2	3.3V LDO-IC
8	U1	LTC4316	U1

接続方法

本基板の CN1側Grove互換コネクタ側に M5Stackや Raspberry Piなどの I2Cバスにアクセスするコンピュータを Groveケーブルで接続します。 CN2側のGrove互換コネクタ側には I2Cでアクセス可能なセンサや、ディスプレイなどのデバイスを Groveケーブルで接続します。 Groveケーブルは、本基板には付属していませんので、別途ご用意ください。
本基板を経由するとホスト側からは、変換されたアドレスで I2Cデバイスにアクセスできますので、 i2cdetect コマンド (RaspberryPi OSの場合)などで確認してください。

接続について

本基板は、I2C スレーブデバイスのアドレス重複の問題を解決するための基板です。スレーブデバイスが 1台しかない場合や、重複が全くない場合は、本基板を利用する必要はありません。同じアドレスがある場合、1台は、そのままのアドレスで、もう 1台を変換した別のアドレスにして使用することが想定されています。
例えば、本基板のスレーブ側に I2Cハブ基板等を経由して2台接続すると 2台とも変換されたアドレスでのアクセスになり、問題が解決しません。
I2Cハブ基板は、マスタ側に接続し、1台を I2Cハブ基板に直接、もう1台を本基板を経由して接続するようにして、使用します。
I2Cデバイスを並列に接続するときは、ブレッドボードを経由して接続することも理論的には可能ですが、安定した接続を確保するために例えば、スイッチサイエンスさんの GROVE I2Cハブ、 Grove - I2C ハブ (6ポート)などの製品を利用することをお勧めします。

アクセス方法

本基板の CN1コネクタ側に、M5Stickや RaspberryPi(Grove接続アダプタなどを使用)などマスタ側のデバイスを接続します。 CN2コネクタ側に、I2C接続のスレーブデバイス、たとえばディスプレイやセンサなどのデバイスを Grove用ケーブルで接続します。
CN2コネクタ側に接続されたスレーブデバイスには、変換されたアドレスが送信されます。ホストデバイス側からは、スレーブデバイスのアドレスと HDL4316G の変換アドレスとの排他的論理和で得たアドレスでアクセスします。

変換アドレスの決定

変換する値は U1に実装された LTC4316が実行します。アドレス値の上位 3bit, 下位 4bitの値は、LTC4316の XORH, XORL の各端子の電圧で決定されます。決定されるタイミングは、電源が入り、ENABLE端子が有効になったときになります。HDL4316G では、 ENABLE端子は、電源に接続されていますので、実質的に電源が入ったときに決まります。
XORH および XORLは、基板上にある RHT, RHB, RLT, RLB の 4つのチップ抵抗で、電源電圧を分圧して印加します。 HDL4316G が使用するチップ抵抗は、1608サイズで、誤差 1%級のチップ抵抗を使用しています。
RHT, RHB, RLT, RLB のチップ抵抗を交換することにより、変換するアドレスの値を変更することができます。推奨されるチップ抵抗の値は、データシートより下記の表のとおりです。交換する場合、チップ抵抗は誤差1%級を使用してください。

上位 3bit	RHTの値	RHBの値
000	Open	0
001	976k	102k
010	976k	182k
011	1M	280k
100	1M	392k
101	1M	523k
110	1M	681k
111	1M	887k

下位 4bit	RLTの値	RLBの値
0000	Open	0
0001	976k	102k
0010	976k	182k
0011	1M	280k
0100	1M	392k
0101	1M	523k
0110	1M	681k
0111	1M	887k
1000	887k	1M
1001	681k	1M
1010	523k	1M
1011	392k	1M
1100	280k	1M
1101	182k	976k
1110	102k	976k
1111	0	Open

変換するアドレスを 0x00 にすると、スレーブアドレスは、そのままスレーブ側に転送されます。この場合、本基板は、 I2Cバスのリピータとして利用できます。リピータとして利用するには Analog Devices社製の LTC4316は、高価なので、もっと安価な基板を探したほうが良いかもしれません。
また、同じ変換アドレスの基板を 2個直列に接続すると、結果的にアドレス変換が行われない状態と同等になります。
LTC4316のデーターシートには明記されていませんが、異なる値のチップ抵抗を使用したり、5%や 10%級のチップ抵抗を使用すると、 XORH または XORL の電圧が規定の範囲から外れてしまうことがあります。この結果、期待と異なるアドレスに変換されたり、電源を再投入したあとに変換されるアドレスが変わることも予想されます。
同じアドレスに変換が維持されるように、指定された値で、1%級のチップ抵抗を正しく実装することをお勧めします。
チップ抵抗は日本からでも Digi-Keyさんや Mouserさんのほか、マルツさんからの通信販売で購入できます。

そのほか、動作の詳しい内容については、Analog Devices社から発行されている LTC4316のデータシートを参照してください。