Arduino デジタルコンパス／HMC6352

デジタルコンパス（方位センサ）によって、物体の方位を磁気的に調べることができます。Arduinoで制御可能あるいは入手しやすいデジタルコンパスとして幾つか以下に挙げておきます。

デジタルコンパスの種類：
・「RDCM-802」（秋月電子:¥3400）
・「HMC1052L」（Sparkfun:$24.95／ストロベリーリナックス:¥3480）
・「HMC6352」（Sparkfun:$59.95／ストロベリーリナックス:¥7350／スイッチサイエンス:¥6980）
・「HM55B（日立製）」（Parallax:$29.99／日本マイクロボット教育社:¥4450）
・「CMPS03」（RoboticsConnection:$55）

それぞれの性能など：
「RDCM-802」は、３ビットの信号で８方位の解像度しかないので、大体の向きを調べるくらいしかできません。
「HMC1052L」は、ArduinoのanalogRead()で入力すれば１０ビット（１０２４段階）の解像度が得られます。
「HMC6352」は、I2C通信で０.０〜３５９.９度（０.１度ずつ）の分解能があります。
「HM55B」は、シリアル通信で１１ビット（２０４８段階）の解像度が得られます。
「CMPS03」は、I2C通信で3600の分解能。

サンプルソースについて：
「HMC6352」については、WiringのExamplesのサイトにサンプルソース（Standbyモード）があり、I2C通信のライブラリを用いればArduinoでも使用可能になります。ArduinoのPlaygroundにもサンプルがあります。
「HM55B」については、ArduinoのPlaygroundのサイトにサンプルソースがあります。
「CMPS03」については、Arduino用のライブラリがあります。

HMC6352の使い方：
今回は、「HMC6352」デジタルコンパスモジュールの実験をしてみます。
「HMC6352」は、I2C通信で方位データを得るので、I2C通信のライブラリを用います。ライブラリを取り入れるには、メニューバーのSketch>Import Library>Wireを選択することで「#include <Wire.h>」の一文が自動的にプログラムを書く欄に挿入されます。ArduinoでのI2C通信は、SDA端子（データ用端子）はアナログ入力の４番ピン、SCK端子（クロック用端子）はアナログ入力の５番ピンに限定されます。「HMC6352」は、５V電源でも許容範囲ですが今回は３.３Vを使用することにします。接続方法は以下の様になります。



アドレスについて：
I2C通信では、マスターデバイスとスレーブデバイスという関係性があります。マスターデバイスには複数のスレーブデバイスが接続できるメリットがあり、複数のスレーブデバイスはマスターデバイスから制御されることになります。今回の場合は、Arduino基盤がマスターデバイス、HMC6325がスレーブデバイスになります。複数のスレーブデバイスが接続可能であるため、スレーブデバイス側にはどのデバイスであるかを識別するためのアドレスが必要となります。データシートによれば、HMC6325のデフォルトのアドレスは１６進数の「0x42」であり、今回はこのアドレスを使うことにします。ただし、識別されるアドレスは８ビット中の上位７ビットであり、「0x42」を１ビット右にシフト「>>」した値になります（１６進数の「0x42」は、二進数の「01000010」であり、１ビット右にシフトするということは、二進数の「01000010」の桁を右に一桁ずらすことになるので、「00100001」（=0x21）になるということです／ビットシフトに関しては「Arduino-Processing　シリアル通信３」を参照）。

モード切替について：
HMC6325には、マスターデバイスから「A」を送信することで方位を計測開始しデータを読み取る「Standbyモード」と、一旦「A」を送信後データを読み取るごとに自動的に計測／出力する「Queryモード」、そして設定した周期（１Hz、５Hz、１０Hz、２０Hz、）で連続的に計測／出力した結果を読み取る「Continuousモード」があります。
今回は「Continuousモード（２０Hz）」を使うことにします。この設定をするためには、RAM書き込み用コマンド「G」、書き込み先（レジスタ）の「0x74」、そして設定内容の８ビット「0111010」あるいは１６進数の「0x72」を送信します。ちなみに、設定内容については、

0x50：Standbyモード（デフォルト）
0x51：Queryモード
0x52：Continuousモード（10Hz,Periodic Set/Reset=ON）
0x72：Continuousモード（20Hz,Periodic Set/Reset=ON）

となります（詳細はデータシートを参照して下さい）。
シリアルモニターを使って読み取り値を出力することにします。

//I2C通信ライブラリを取り込む
#include <Wire.h>

//デジタルコンパスモジュールのアドレス設定
int compassAddress = 0x42 >> 1; //=0x21
//読み込み値（角度）の変数を用意
int reading = 0; 
 
void setup() {
  //I2C通信開始 
  Wire.begin();
  //角度表示のためのシリアル通信開始
  //Serial.begin(9600);
  
  //Continuous Modeに設定する
  Wire.beginTransmission(compassAddress);
  //RAM書き込み用コマンド
  Wire.send('G');
  //書き込み先指定
  Wire.send(0x74);
  //モード設定
  Wire.send(0x72);
  //通信終了
  Wire.endTransmission();
  //処理時間
  delayMicroseconds(70);
} 
  
void loop() {
  //デバイスに２バイト分のデータを要求する
  Wire.requestFrom(compassAddress, 2);
  //要求したデータが２バイト分来たら
  if(Wire.available()>1){
    //１バイト分のデータの読み込み 
    reading = Wire.receive();
    //読み込んだデータを８ビット左シフトしておく
    reading = reading << 8;
    //次の１バイト分のデータを読み込み
    //一つ目のデータと合成（２バイト）
    reading += Wire.receive();
    //２バイト分のデータを１０で割る
    reading /= 10; 
    Serial.println(reading);
  } 
  //処理のために少し待つ（20Hz）
  delay(50);
}

まずは、Wire.begin()でI2C通信を開始します。「HMC6325」の初期設定では、「Standbyモード」になっているため、setup(){...}内で「Continuousモード」に切り替えます。設定内容を「HMC6325」のRAMに書き込むために「G」というコマンド、書き込み先となる専用レジスタの「0x74」、設定内容となる８ビットの「0x72」をWire.send()を使って送信します。
方位角度の読み込みは、Wire.requestFrom()でアドレスと何バイト分のデータかを指定して要求します。計測結果は０〜３５９９までの値（３６０度を１０倍した値）を２バイト（１６ビット）で返してきます。Wire.available()によって２バイト分読み込み可能なデータをカウントしたら、Wire.receive()によって、２バイトの値を２回に分けて読み込みます。一度に読み込むことができる値は１バイト（８ビット、０〜２５５）までなので、最初の１バイトを読み込んだら、その値を８ビット左にビットシフト（８桁左にビットシフトするということは、２５６倍することと等しくなります）、その値に次の１バイト分のデータを加算します。値は１０倍されているので、最終的に１０で割って０〜３５９度の角度として取り込みます（float型を使えば０.０〜３５９.９で出力します）。２０Hzごとに計測する「Continuousモード」に設定したので、delay(50)を挿入してループの周波数も２０Hzにしておきました。

測定結果をProcessingへシリアル通信するのであれば、２回に分けて読み取った値（２バイト分）をそのまま１バイトずつ２回送信（合計２バイト）し、Processing側で受け取ってから二つの値を合成すればいいでしょう。値を合成するには、一個目の値を左に８ビットシフト（または２５６倍）してから二個目の値を足せば０〜３５９９の値として得ることができるはずです。BYTEフォーマットなら、そのまま2回で送信します。文字列でデリミタ（区切り記号）を挿入して送信する場合は、２回目の送信時にSerial.println()で改行記号を用いて送信します（Processing側での受信については、「Arduino-Processing シリアル通信３（複数の値を送信する場合）」あるいは「Arduino-Processing シリアル通信５（文字列で送信する場合）」を参照して下さい。

BYTEフォーマットで送信する場合：

void loop() {
  Wire.requestFrom(compassAddress, 2);
  if(Wire.available()>1){
    //２回に分けて読み取った値を
    //BYTEフォーマットで２個送信する 
    Serial.print(Wire.receive(),BYTE);//１個目
    Serial.print(Wire.receive(),BYTE);//２個目
  } 
  delay(50);
}

あるいは、文字列として送信する場合：

void loop() {
  Wire.requestFrom(compassAddress, 2);
  if(Wire.available()>1){
    //２回に分けて読み取った値を
    //DECフォーマットで２個送信する 
    Serial.print(Wire.receive(),DEC);
    Serial.print(",");//デリミタを挿入送信
    Serial.println(Wire.receive(),DEC);//改行記号つき
  } 
  delay(50);
}

また、「C」を送信することでキャリブレーションモードに入り、周囲の磁気の影響によるモジュール内素子のゆがみをなくし正常な状態に調整することが出来ます。モジュールを平らな場所に置いてから６秒から３分以内に、ニ周程度回転させ、「E」を送信することで終了します。２０秒以上かけて２回転させれば、正確なキャリブレーションになります。

//キャリブレーション開始コマンド送信
Wire.beginTransmission(compassAddress);
Wire.send('C');
Wire.endTransmission();

//30秒ほど待つ（6秒〜3分まで）
//この間に数回モジュールを回転させる
delay(30000);

//キャリブレーション終了コマンド送信
Wire.beginTransmission(compassAddress);
Wire.send('E');
Wire.endTransmission();

デジタルコンパスをモータなどの磁気を発するものの近くに設置すると磁気的影響を受けるので、少し離れた場所に設置したほうがいいでしょう。