電気工作 on M1KE BL0G

Pro MicroにQMKファームウェアを書き込む方法の備忘録

Wed, 15 Nov 2023 23:53:57 +0900

背景

最近、自作キーボードのLily 58 Proと7sProを組み立てた
その際に、それぞれのキーボードで利用されたマイコンにQMK Firmwareを書き込む必要があった
そこで、マイコンへのファームウェアの書き込み方法の備忘録を残す

使ったもの

ソフトウェア

OSは次を使用した。

Windows 11

Arduino IDEのバージョンは以下である。（マイコンのドライバー用にArduinoはインストールをした）

その際に、Arduino AVR Boards (ver. 1.8.6)のインストールも行った。
Menuから、Tools > Board > Board Managerと進み、AVR検索すればインストールできる。

QMKは次のバージョンになる。

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[mike@DESKTOP-F0UL539 qmk_firmware]$ qmk --version
1.1.1

QMK toolboxは次になる。

ハードウェア

また、マイコンとパソコンの通信及びリセットの為に次が必要だった。

Pro Micro
- Arduino Pro Micro互換の中国のマイコンボードのSparkfun Pro Microを使用
- Pro MicroのマイコンはATmega324U4
- ATmega324U4はAVRのマイコン
データ転送できるMicro USBケーブル
リセットの為の道具 (OR)
- ブレッドボードとジャンプワイヤー
- ピンセット

注意!

Micro USBケーブルは「充電専用」と「データ転送専用」がある
Micro USBケーブルは見た目ではデータ転送ができるかは分からない
故に、パッケージを確認するか、使ってみてExplorerが立ち上がるかを確認しないと分からない
USBトライデントマークがあるからデータ転送ができるとも限らないので注意

前提知識

マイコン

マイコンとは

Googleで調べると次が生成された。

マイコンとは、マイクロコントローラ（Microcontroller Unit、MCU）やマイクロコンピュータの略で、電気機器を制御するための小さなコンピュータ

つまりは、電気的な回路や機械的な部分を制御する半導体チップの事。

マイコンの種類

自作キーボードではArduionoのPro Microがよく使われる。そのPro MicroはAVR系のアーキテクチャのマイコンである。他にも有名どころでは、PICやARMがあるが、その種類は以下になる。

PICマイクロコントローラ
- Microchip Technologyによって開発された
- 低コスト、低消費電力であり、趣味の電子工作から産業用途まで幅広く使用されている
ARMマイクロコントローラ
- ARM Holdingsによって設計されたアーキテクチャを採用
- 高性能で省エネルギー性に優れており、スマートフォンから組み込みシステムまで広範囲に渡って利用されている
AVRマイクロコントローラ
- Atmel（現在はMicrochip Technologyが所有）によって開発された
- Arduinoなどの人気のある開発ボードに採用されており、教育や趣味のプロジェクトに広く使われている
Intel 8051/8052
- Intelによって開発された古典的なマイクロコントローラ
- 教育や一部の産業用途にまだ使われている
MSP430（Texas Instruments）
- 低消費電力の設計で知られ、バッテリー駆動の携帯機器やセンサー類に利用される
ESPシリーズ（Espressif Systems）
- WiFiやBluetooth組み込みのマイクロコントローラ
- IoTデバイスやスマートホームアプリケーションに適している

マイコンとマイコンチップとマイコンボードの違い

マイコンとマイコンボードとマイコンチップには次の違いがある。

マイコン（マイクロコントローラ）
- マイコンは、1つの集積回路（IC）の中にプロセッサ（CPU）、メモリ（RAM、ROM）、入出力のI/Fなどを統合した半導体デバイス
- 一般的に「マイコン」と言った場合、この単一のチップを指す
マイコンチップ（マイクロコントローラチップ）
- これはマイコンの別の呼び方
マイコンボード（マイクロコントローラボード）
- マイコンボードは、マイコンチップを含む、より大きな電子基板
- 例えば、ArduinoやRaspberry Piなど

マイコン（Microcontroller）のチップやボードの違いで呼び名が変わるという事。

QMK

QMKについて

QMKは、コンピューターのキーボードを制御するマイコン用のOSSのファームウェア
QMKの意味は、Quantum Mechanical Keyboard
メカニカルキーボード界隈ではよく利用されるファームウェア

QMKのツールについて

主に、以下の3つのQMKのツールを使う。

QMK Configurator
- Firmware（hexファイル）をオンラインで作成するためのWebsite
QMK Toolbox
- Firmware（hexファイル）を書き込む為のツール
QMK MSYS
- Firmwareをローカルで作成するためのツール

NOTE:

なお、QMK ConfiguratorとQMK MSYSはどちらもhexファイルを作成するのが目的
そののため、それらどちらか好きな方を使うのでOK
次の使い分けになる
- Keymapだけを変更したいならQMK Configurator
- 細かく修正したい場合はQMK MSYS

QMKのツールの使い方

QMK Configurator

QMK Configuratorとは

QMKが提供しているWebサイト
キーボードのKeymapの設定を簡便に行うために利用する
URLはここになる

利用方法

自分のキーボードタイプとレイアウトを選べば、好みのKeymapに設定できる。設定後にCompleボタンとDLボタンを押下して、hexファイルをDLする。それをQMK Toolboxで焼けばOK。

NOTE:

なお、Keycode > QuantumにあるAnyは任意のキーを設定できるモノだが、次のリンクのコードを入力する必要がある。

qmk_firmware/docs/keycodes.md at master · qmk/qmk_firmware

QMK MSYS

QMK MSYSとは

QMK Confugulatorでhexをビルドせずに、ローカルでソースコードからビルドする時に使うツール
QMKは、MSYS2、CLI、および必要な全ての依存関係のバンドルしている

MSYSとは

MSYS (Minimal SYStem)は、Windows上で動作するUNIXシェル（Bash）や各種ツール類（gawk, sed, tarなど）を統合したプログラム開発環境を提供するパッケージ
コンパイラ環境である、MinGW（Minimalist GNU for Windows）をより使い易くサポートするもの
MinGWを導入すれば、gcc/g++コンパイラや各種開発ツールを用いてシェル環境上でC/C++言語プログラムを開発できる
MSYSはMinimal SYStemの略

一言で言えば、WSLが無かった頃に使われていたWindows上のLinuxの開発環境。

QMK MSYSのインストール方法

QMK MSYSからexeファイルをダウンロード。それを実行する。

すると以下のようにshellが立ち上がる。自分の場合はMSYSをインストール後次のようになった。

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[mike@DESKTOP-F0UL539 ~]$ which sh
/usr/bin/sh
[mike@DESKTOP-F0UL539 ~]$ pwd
/c/Users/mike

その後、qmk setupを行う。 Submoduleも含めてCloneするので時間がかかった。

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[mike@DESKTOP-F0UL539 ~]$ qmk setup
☒ Could not find qmk_firmware!
Would you like to clone qmk/qmk_firmware to C:/Users/mike/qmk_firmware? [y/n] y
Cygwin WARNING:
 Couldn't compute FAST_CWD pointer. This typically occurs if you're using
 an older Cygwin version on a newer Windows. Please update to the latest
 available Cygwin version from https://cygwin.com/. If the problem persists,
 please see https://cygwin.com/problems.html

Cloning into '/c/Users/mike/qmk_firmware'...
Updating files: 0% (134/37180)
Updating files: 0% (258/37180)
Updating files: 1% (372/37180)
Updating files: 1% (388/37180)
Updating files: 1% (521/37180)
Updating files: 1% (663/37180)
Updating files: 2% (744/37180)
Updating files: 2% (818/37180)
Updating files: 2% (989/37180)
Updating files: 3% (1116/37180)
Updating files: 3% (1138/37180)
Updating

...

Submodule path 'lib/printf': checked out 'c2e3b4e10d281e7f0f694d3ecbd9f320977288cc'
Submodule path 'lib/vusb': checked out '819dbc1e5d5926b17e27e00ca6d3d2988adae04e'
Ψ Successfully cloned https://github.com/qmk/qmk_firmware to C:/Users/mike/qmk_firmware

これにてqmkのセットアップは完了。

自分のカスタムkeymapを作成する

qmk_firmware/keyboardsフォルダ以下にレイアウト毎のキーマップフォルダが作成されているので、好みのキーボードで自分のkeymapフォルダを作る。例としてlily58のキーマップを作る。

lily58フォルダは次にある。

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$ pwd
/mnt/c/Users/mike/qmk_firmware/keyboards/lily58
$ tree . -L 1
.
├── config.h
├── glow_enc
├── keymaps
├── lib
├── light
├── r2g
├── readme.md
├── rev1
└── rules.mk

このlily58のフォルダのkeymaps以下にlily58のキーボードのキーマップの設定例がある。

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$ tree . -L 1
.
├── barabas
├── bcat
├── bongocat_wpm_responsive
├── chuan
├── curry
├── cykedev
├── datadavd
├── default
├── domnantas
├── drasbeck
├── druotoni
├── gaston
├── gshmu
├── hvp
├── jhelvy
├── keymap
├── lily58l
├── manna-harbour_miryoku
├── mb_via
├── mikefightsbears
├── muppetjones
├── muuko
├── narze
├── ninjonas
├── niolang
├── oldfieldtc
├── paulomp90
├── pomodoro
├── pttbx
├── via
├── yshrsmz
└── yuchi

そこでlily58lのフォルダをコピーして同じ階層にmylily58を作成する。以下のような感じになる。

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$ pwd
/mnt/c/Users/mike/qmk_firmware/keyboards/lily58/keymaps/mylily58

$ tree . -L 1
.
├── config.h
├── keymap.c
├── readme.md
└── rules.mk

そのmylily58の中のkeymap.cを変更すればキーマップを変更できる。下はkeymap.cの中身の一部。

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const uint16_t PROGMEM keymaps[][MATRIX_ROWS][MATRIX_COLS] = {

/* QWERTY
 * ,-----------------------------------------. ,-----------------------------------------.
 * | ESC | 1 | 2 | 3 | 4 | 5 | | 6 | 7 | 8 | 9 | 0 | ` |
 * |------+------+------+------+------+------| |------+------+------+------+------+------|
 * | Tab | Q | W | E | R | T | | Y | U | I | O | P | - |
 * |------+------+------+------+------+------| |------+------+------+------+------+------|
 * |LCTRL | A | S | D | F | G |-------. ,-------| H | J | K | L | ; | ' |
 * |------+------+------+------+------+------| [ | | ] |------+------+------+------+------+------|
 * |LShift| Z | X | C | V | B |-------| |-------| N | M | , | . | / |RShift|
 * `-----------------------------------------/ / \ \-----------------------------------------'
 * | LAlt | LGUI |LALT| /Space / \Enter \ | RALT |BackSP| RGUI |
 * | | | |/ / \ \ | | | |
 * `----------------------------' '------''--------------------'
 */

 [_QWERTY] = LAYOUT(
 KC_ESC, KC_1, KC_2, KC_3, KC_4, KC_5, KC_6, KC_7, KC_8, KC_9, KC_0, KC_GRV,
 KC_TAB, KC_Q, KC_W, KC_E, KC_R, KC_T, KC_Y, KC_U, KC_I, KC_O, KC_P, KC_MINS,
 KC_LCTL, KC_A, KC_S, KC_D, KC_F, KC_G, KC_H, KC_J, KC_K, KC_L, KC_SCLN, KC_QUOT,
 KC_LSFT, KC_Z, KC_X, KC_C, KC_V, KC_B, KC_LBRC, KC_RBRC, KC_N, KC_M, KC_COMM, KC_DOT, KC_SLSH, KC_RSFT,
 KC_LALT, KC_LGUI,KC_LALT, KC_SPC, KC_ENT, KC_RALT, KC_BSPC, KC_RGUI
),

変更が終わったら今回作ったmylily58をビルドする。一旦qmk_firmwareのリポジトリのルートフォルダまで行く。

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$ pwd
/mnt/c/Users/mike/qmk_firmware

ここで次のコマンドを実行しビルドする。なお、ビルドに関してはMSYSから行う（自分はWSLから行ったらフリーズしたため）。

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[mike@DESKTOP-F0UL539 qmk_firmware]$ make lily58/light:mylily58

QMK Firmware 0.22.14
Making lily58/light with keymap mylily58

Generating: .build/obj_lily58_light_mylily58/src/info_deps.d [OK]
Generating: .build/obj_lily58_light_mylily58/src/default_keyboard.c [OK]
avr-gcc.exe (GCC) 8.5.0
Copyright (C) 2018 Free Software Foundation, Inc.
This is free software; see the source for copying conditions. There is NO
warranty; not even for MERCHANTABILITY or FITNESS FOR A PARTICULAR PURPOSE.

Generating: .build/obj_lily58_light_mylily58/src/info_config.h [OK]
Generating: .build/obj_lily58_light_mylily58/src/default_keyboard.h [OK]
Compiling: .build/obj_lily58_light_mylily58/src/default_keyboard.c [OK]
Compiling: quantum/keymap_introspection.c [OK]
Compiling: quantum/quantum.c [OK]
Compiling: quantum/bitwise.c [OK]
Compiling: quantum/led.c [OK]
Compiling: quantum/action.c [OK]
Compiling: quantum/action_layer.c [OK]
Compiling: quantum/action_tapping.c [OK]
Compiling: quantum/action_util.c [OK]
Compiling: quantum/eeconfig.c [OK]
Compiling: quantum/keyboard.c [OK]
Compiling: quantum/keymap_common.c [OK]
Compiling: quantum/keycode_config.c [OK]
Compiling: quantum/sync_timer.c [OK]
Compiling: quantum/logging/debug.c [OK]
Compiling: quantum/logging/sendchar.c [OK]
Compiling: quantum/bootmagic/bootmagic_lite.c [OK]
Compiling: quantum/bootmagic/magic.c [OK]
Compiling: quantum/matrix_common.c [OK]
Compiling: quantum/matrix.c [OK]
Compiling: quantum/debounce/sym_defer_g.c [OK]
Compiling: quantum/split_common/split_util.c [OK]
Compiling: quantum/split_common/transport.c [OK]

すると、同じ階層にmylily58のhexファイルが生成される。

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[mike@DESKTOP-F0UL539 qmk_firmware]$ ls -al | grep lily
-rw-r--r-- 1 mike None 73081 Nov 16 03:19 lily58_light_mylily58.hex

このhexファイルをマイコンに焼き付ける。

QMK Toolbox

QMK Toolboxとは

QMKでFirmwareをマイコンに書き込むだめの、Windows / Macアプリ
ビルドしたHexファイルをマイコンに書き込むため利用する

インストール方法

このReleases · qmk/qmk_toolboxページから、最新のバージョンのqmk_toolbox_install.exeを選択して、DLしてインストールする。

ファームウェアの焼き方

MIC / Microcontrollerの箇所で今回のマイコンであるATmega324U4を選択する。また、load fileはQMK MSYSかQMK Configurationで作成した.hexファイルを選択する。

TIPS:

auto-flashを選択するとマイコンがリセットされた際に、自動的に書き込まれる。
Pro microはリセット後に8sしか書き込み状態にならないので、auto-flashを選択すると便利である。

次にPro microのpinoutを示す。

Pro MicroはGNDとRSTを2回ショートさせるとリセットモードになる。次の写真のようにブレッドボードにさしてジャンプワイヤーを使ったり、ピンセットで短絡させたりする。 QMK toolboxを起動していればログが吐かれるので、それで確認をしても良い。その際に、RX LEDとTX LEDが微笑に光るので、それでリセットされたかを確認することも可能。

リセットが完了し書き込まれると、次のようなログが流れる。これは書き込みが完了したと事を示す。

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Caterina device connected (usbser): Arduino LLC (www.arduino.cc) Arduino Leonardo bootloader (COM5) (2341:0036:0001) [COM5]
Attempting to flash, please don't remove device
>
> Connecting to programmer: .
> Found programmer: Id = "CATERIN"; type = S
> Software Version = 1.0; No Hardware Version given.
> Programmer supports auto addr increment.
> Programmer supports buffered memory access with buffersize=128 bytes.
>
> Programmer supports the following devices:
> Device code: 0x44
>
> avrdude.exe: AVR device initialized and ready to accept instructions
>
> Reading | ################################################## | 100% 0.00s
>
> avrdude.exe: Device signature = 0x1e9587 (probably m32u4)
> avrdude.exe: NOTE: "flash" memory has been specified, an erase cycle will be performed
> To disable this feature, specify the -D option.
> avrdude.exe: erasing chip
> avrdude.exe: reading input file "C:\Users\mike\Downloads\salicylic_acid3_7skb_rev1_layout_mine (2).hex"
> avrdude.exe: writing flash (22292 bytes):
>
> Writing | ################################################## | 100% 1.66s
>
> avrdude.exe: 22292 bytes of flash written
> avrdude.exe: verifying flash memory against C:\Users\mike\Downloads\salicylic_acid3_7skb_rev1_layout_mine (2).hex:
> avrdude.exe: load data flash data from input file C:\Users\mike\Downloads\salicylic_acid3_7skb_rev1_layout_mine (2).hex:
> avrdude.exe: input file C:\Users\mike\Downloads\salicylic_acid3_7skb_rev1_layout_mine (2).hex contains 22292 bytes
> avrdude.exe: reading on-chip flash data:
>
> Reading | ################################################## | 100% 0.16s
>
> avrdude.exe: verifying ...
> avrdude.exe: 22292 bytes of flash verified
>
> avrdude.exe: safemode: Fuses OK (E:FD, H:D8, L:FF)
>
> avrdude.exe done. Thank you.
>
Flash complete

これで書き込みは完了である。

なお、USBケーブルを抜き差しをするとQMK Tookboxで次のようなログが残る。 ArduinoをでインストールされたArduino Leonardoのドライバが働いて、Pico Microのブートローダーが認識されていると言う事である。

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USB device connected (usbccgp): (Standard USB Host Controller) USB Composite Device (04D8:EB5F:0007)
USB device connected (HidUsb): (Standard system devices) USB Input Device (04D8:EB5F:0007)
USB device connected (HidUsb): (Standard system devices) USB Input Device (04D8:EB5F:0007)
Caterina device disconnected (usbser): Arduino LLC (www.arduino.cc) Arduino Leonardo bootloader (COM5) (2341:0036:0001) [COM5]

参考文献

mini pupper 1で遊んだログ

Thu, 02 Nov 2023 00:45:55 +0900

背景

黄色い四足歩行ロボットmini pupper 1で遊んだ時の備忘録
日本名は、ミニぷぱ
データがOSSがで公開されているのがいい

Mini Pupperとは

小型のオープンソース四足歩行ロボット犬キット
ROS、SLAM、Navigation、OpenCV AI などに対応する教育・研究向けのロボット犬
その元ネタは、スタンフォード系のオープンソース四足ロボット Stanford Pupper
pupperの意味は小さい子犬で、読み方はパッパー

Mini PupperとHiwonder PuppyPIの違い

観点	Hiwonder PuppyPi	Mini Pupper
ざっくり性格	完成度高めの教育・AIビジョン実験用ロボット犬	オープンソース寄りのROS/SLAM学習プラットフォーム
見た目	黒い金属フレームでロボット犬感強め	黄色い筐体＋顔LCDでホビー感・教材感強め
開発思想	Hiwonderの教材・アプリ・デモ込みで触りやすい	DIY、改造、ROS学習、コミュニティ寄り
主な用途	AIビジョン、顔検出、追跡、音声/大規模AI連携、LiDAR/ロボットアーム拡張	ROS2、SLAM、Navigation、OpenCV、カメラ/LiDAR拡張
サイズ・重量	226×149×190mm、720g	Mini Pupper 2は210×110×160mm、450g
バッテリー	7.4V 2200mAh LiPo	Mini Pupper 2は1000mAh、micro USB充電
コンピュータ	Raspberry Pi 4B/5構成	Mini Pupper 2はRaspberry Pi CM4
価格感	公式ページ上は構成により変動、Standard Kitで$559.99表示	公式ストアではMini Pupperは$649表示

どっちが改造に向いているかというと、Pupperとなる。

参考文献

プログラミング学習できるロボット犬「Mini Pupperミニぷぱ」で遊んでみた！ - CHASUKE.com

mini pupper 2で遊んだログ

Thu, 02 Nov 2023 00:45:55 +0900

背景

黄色い四足歩行ロボットmini pupper 2で遊んだ時の備忘録
日本名は、ミニぷぱ
mini pupper 1の後継機にあたるロボ

Mini pupper 1と2の違い

項目	Mini Pupper 1	Mini Pupper 2
CPU	Raspberry Pi 4B	Raspberry Pi CM4
サイズ	209×165×145 mm	209×109×145 mm
重量	560 g	465 g
ペイロード	150 g	200 g
サーボ	PWMサーボ	位置フィードバック付きシリアルバスサーボ
MCU	なし	ESP32-S3
IMU	公式比較表では N/A	あり
タッチセンサー	なし	あり
マイク/スピーカー	外部モジュール	あり
OS/ROS	Ubuntu 22.04 / ROS2対応	Ubuntu 22.04 / ROS2対応

大きな違い:

Mini Pupper 1 はPWMサーボをRaspberry Pi 4B側から制御する構成
一方、Mini Pupper 2 は位置フィードバック付きシリアルバスサーボとESP32-S3が入っているので、脚の状態を読みやすく、制御もしやすい方向に進化している

参考文献

プログラミング学習できるロボット犬「Mini Pupperミニぷぱ」で遊んでみた！ - CHASUKE.com

PICマイコンについてざっくり全体像理解

Mon, 30 Oct 2023 21:32:47 +0900

背景

PICマイコンの理解の為に調べた事
特に、PIC16F18857について
AIにデータシートを見てもらいながらまとめたメモ

PIC16F18857の特徴

項目	内容
CPU	8ビット PIC16系 RISC
最大クロック	32 MHz
命令数	49命令
Flash	56 KB、32K words
SRAM	4 KB
EEPROM	256 bytes
I/O	25本、うち1本は入力専用
動作電圧	PIC16F18857は 2.3〜5.5 V
温度範囲	Industrial: -40〜85℃、Extended: -40〜125℃
パッケージ	28ピン SPDIP / SOIC / SSOP / QFN など

データシートのファミリ表で、PIC16(L)F18857が 32768 words / 56 KB Flash、256B EEPROM、4096B SRAM、25 I/O、24ch ADC2 と示されている。

表記	意味	何に使うか
32768 words / 56 KB Flash	プログラムを保存する容量	書いたCコードや機械語を入れる
256B EEPROM	電源を切っても残る小さなデータ保存領域	設定値、校正値、カウンタなど
4096B SRAM	プログラム実行中に使う一時メモリ	変数、配列、受信バッファなど
25 I/O	入出力ピンの数	LED、スイッチ、センサー、モーター制御など
24ch ADC2	アナログ電圧を読める入力数	ボリューム、温度センサー、電圧測定など

内蔵周辺機能

内蔵周辺機能の全体像

CPU本体とは別に、PIC16F18857の中に入っている便利な小回路が入っている。

マイコンの中には、CPU以外にこういう部品が入っている。

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CPU → プログラムを実行する頭脳
タイマ → 時間を数える
ADC → 電圧を数値に変換する
PWM → モーターやLEDの強さを制御する
CLC → 簡単な論理回路を作る
通信回路 → UART / SPI / I2C など
監視回路 → 暴走検出、エラー検出など

タイマ

タイマは、マイコン内部で時間を数える機能。

たとえば、

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1msごとに処理する
LEDを0.5秒ごとに点滅する
10秒経ったらモーターを止める
PWM信号を作る
入力信号の長さを測る

などに使う。

ビットの違いは以下:

8ビットタイマ → 短い時間向き（0~255）
16ビットタイマ → より長い時間・高精度な測定向き（0~65535）

HLT

HLT は Hardware Limit Timer の略
日本語っぽく言うと、ハードウェア制限タイマ
普通のタイマより少し賢くて、信号の時間幅や異常な長さを監視する用途に使える

例えば、

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入力信号が長すぎる
パルスが来ない
一定時間内に反応がない
モーター制御信号が異常

のような状況を検出するのに使える。ソフトウェアでずっと監視しなくても、タイマ側で判定できるのが利点。

WWDT

WWDT は Windowed Watchdog Timer の略
これはマイコンの暴走監視機能
通常のWatchdog Timerは、プログラムが暴走して止まったときにマイコンをリセットするための機能

たとえば、プログラムが正常なら定期的に、

1

私は正常に動いています

という合図をWatchdogに送っている。

でもプログラムが暴走して、その合図を送れなくなると、

1

おかしい。リセットしよう。

となる。

WWDTの Windowed は、「決められた時間範囲内でだけ合図してよい」という意味。

つまり、

1
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遅すぎてもダメ
早すぎてもダメ

これにより、単にプログラムが止まっただけでなく、異常に速くループしているような不具合も検出しやすくなる。

CLC

CLC は Configurable Logic Cell の略
日本語では、設定可能な論理セル
簡単に言うと、マイコン内部に小さな論理回路を作れる機能

たとえば、

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AND
OR
XOR
NOT
フリップフロップ
ラッチ

のような回路を、マイコンの中で構成できる。

普通なら、下のような処理はCPUでやる。

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入力Aを読む
入力Bを読む
AとBが両方1なら出力を1にする

でもCLCを使うと、CPUを使わずにハードウェアだけでできる。

たとえば、

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スイッチA AND スイッチB → 出力ON
PWM信号 AND 安全許可信号 → モーター駆動

のようなことができる。

CWG

CWG は Complementary Waveform Generator の略
日本語では、相補波形生成器
主にモーター制御や電源制御で使う
「相補」というのは、片方がONのとき、もう片方がOFFになるような信号

1
2


信号A: ON OFF ON OFF
信号B: OFF ON OFF ON

のような関係。

たとえば、Hブリッジやハーフブリッジでモーターを駆動するときに使う
重要なのは、上下のトランジスタが同時にONになるとショートして危険なので、CWGではデッドタイムという少しの隙間時間を入れられる

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3


上側OFF
少し待つ
下側ON

という制御ができる。

NCO

NCO は Numerically Controlled Oscillator の略
日本語では、数値制御発振器
簡単に言うと、設定した周波数のパルスや波形を作る機能

たとえば、

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1kHzの信号を出す
10kHzのパルスを出す
ブザー用の音を作る
一定周期のクロック信号を作る

などに使える。

タイマでも似たことはできるが、NCOは周波数を細かく設定しやすいのが特徴。

SMT

SMT は Signal Measurement Timer の略
日本語では、信号測定タイマ
外部から入ってくる信号の時間的な特徴を測るための機能

たとえば、以下などに使う。

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パルス幅を測る
周期を測る
周波数を測る
HIGH時間を測る
LOW時間を測る

例として、センサーからパルスが出てくる場合、下のようなタイプのセンサーがある。

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パルスの幅が長い → 測定値が大きい
パルスの幅が短い → 測定値が小さい

そういう信号を読むのに便利。

CRC/SCAN

これはエラー検出やメモリ検査系の機能
CRC は Cyclic Redundancy Check の略
日本語では、巡回冗長検査
簡単に言うと、データが壊れていないか確認するための計算

たとえば、以下などを確認するときに使う。

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通信で受け取ったデータが正しいか
Flash内のプログラムが壊れていないか
保存データが壊れていないか

SCAN

SCAN は、マイコン内部のFlashメモリなどを順番に読みながらCRCチェックする機能

つまり、以下などの用途。

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プログラムメモリをスキャンする
CRCを計算する
異常がないか確認する

信頼性が必要な機器では役に立つ。

PWM

PWM は Pulse Width Modulation の略
日本語では、パルス幅変調
ON/OFFを高速に繰り返して、平均的な出力の強さを変える方法

たとえばLEDを考えると、以下のような制御ができる。

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ずっとON → 明るい
半分だけON → 半分くらいの明るさ
少しだけON → 暗い

PWMは、以下などでよく使う。

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LEDの明るさ調整
モーター速度制御
ブザー音
サーボ制御
電源制御

デューティ比

PWMで重要なのがデューティ比。
デューティ比 = ON時間の割合

たとえば、以下のような意味。

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25% → 25%の時間だけON
50% → 半分ON、半分OFF
90% → ほとんどON

ロジック機能

ここでいうロジック機能は、主にCLCのような機能を指す。

つまり、簡単な論理処理を、CPUではなくハードウェアで行う機能。

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入力AがONかつ入力BがONなら出力ON
入力Aまたは入力BがONなら出力ON
信号を反転する
複数の条件を組み合わせる

3つのメモリ

Flashメモリとは

Flashメモリは、マイコンの中にある「プログラム保存場所」
下のようなプログラムを書いたら、それがコンパイルされて、このFlashに書き込まれる

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LEDを点滅させる
センサーを読む
UARTで送信する

PIC16F18857では、32768 words / 56 KB Flashとある
ここでの word は英単語ではなく、PICの命令1個分の単位
PIC16系では1命令がだいたい14ビット

$$ 32768 words × 14 bit = 約56 KB $$

つまり、約56KBぶんのプログラムを入れられるという意味

SRAMとは

SRAMは、プログラムが動いている間だけ使う作業用メモリ
PCでいうRAMに近い
例えば、Cの変数や配列がSRAMを使う

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int count;
char buffer[32];

PIC16F18857では、4096B SRAM
なので、4096バイト = 4KB の作業用メモリがある

EEPROM

EEPROMは、電源を切っても残るデータ保存用メモリ
PIC16F18857では、256B EEPROM
つまり、256バイトなので大きくはない
でも、設定値を保存するには十分なことが多い

例:

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モーター速度設定
センサー補正値
起動回数
ユーザー設定
最後に選んだモード

Flashも電源を切っても残るが、基本的にはプログラム用
EEPROMは、プログラム実行中に小さな設定データを書き換える用途に向いている

3つのメモリの違い

種類	電源OFFで残る？	主な用途
Flash	残る	プログラム本体
SRAM	消える	実行中の変数、一時データ
EEPROM	残る	設定値、記録データ

I/Oとは

I/Oは、Input / Output の略
つまり、マイコンのピンを使って次ができる

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入力 Input : スイッチを読む、センサー信号を読む
出力 Output : LEDを光らせる、リレーを動かす、ブザーを鳴らす

PIC16F18857では、最大で25本くらいのピンを入出力に使える
ただし、28ピンのマイコンでも全部が自由に使えるわけではない
電源ピン、GNDピン、リセット用ピンなどがあるため、実際のI/O数は25本

基本的なピン

VDD → 電源+
VSS → GND
MCLR → リセット端子
ICSPCLK → 書き込みクロック
ICSPDAT → 書き込みデータ

ちなみに、DとSの意味は、昔のMOSトランジスタ用語に由来する。

D = Drain
S = Source

Portピン

PICではピン名にこういう名前が付く。

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RA0
RA1
RA2
RB0
RB1
RC0
...

これは下の意味:

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R A 0
│ │ │
│ │ └─ 0番目
│ └─── Aポート
└───── Register / Port系の名前

ピンはグループごとに分かれている。

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PORTA: RA0, RA1, RA2, RA3...
PORTB: RB0, RB1, RB2...
PORTC: RC0, RC1, RC2...

次のように対応する。

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RA0 = PORTAの0番ピン
RB3 = PORTBの3番ピン
RC6 = PORTCの6番ピン
RE3 = PORTEの3番ピン

GPIOを使う時の基本レジスタ

レジスタ	役割
`TRISx`	入力か出力かを決める
`LATx`	出力値を書き込む
`PORTx`	実際のピン状態を読む
`ANSELx`	アナログ入力にするか、デジタルI/Oにするかを決める
`WPUx`	弱プルアップを使うか決める

レジスタ

以下のようなレジスタがある。

TRIS = 入力/出力を決める
LAT = 出力する値を書く
PORT = 入力状態を読む
ANSEL = アナログ/デジタルを切り替える

例えば、RA0の場合以下のようになる。

名前	意味
`TRISA0`	入力か出力かを決める
`RA0` / `PORTA0`	ピンの現在の状態を読む
`LATA0`	出力値を設定する
`ANSA0` / `ANSELA0`	アナログ入力にするかデジタルI/Oにするかを決める

DIP

DIP は Dual Inline Package の略
日本語だとデュアル・インライン・パッケージ、つまり 2列に足が並んでいるICパッケージのこと

こんな形のもの。

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 ┌───────────────┐
1 ─┤ ├─ 28
2 ─┤ ├─ 27
3 ─┤ ├─ 26
 │ IC本体 │
...│ │...
14─┤ ├─ 15
 └───────────────┘

DIP系以外のピン配置

名前	意味	特徴
DIP / PDIP	足が左右2列に出ている	ブレッドボード向き
SPDIP	Shrink DIP	DIPより少し小型
SOIC	表面実装IC	基板に直接はんだ付け
SSOP	小型の表面実装IC	SOICよりさらに細かい
QFN	足が外に出ていない表面実装	小型・高密度だが手作業は難しめ

ICSP

ICSPとは

In Circuit Serial Programmingの略
PICを基板等に実装したままの状態で、内蔵メモリにプログラムを書き込む方法のこと
つまり、ICSP方式でPICのプログラミングを行えば、いちいち PICをソケットからはずしてプログラマのソケットに差し換える手間が不要

ICSPのイメージ

イメージは以下の感じ。

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PICkit「データ線に 1 を出したよ」
PICkit「クロックをカチッ」
PIC「今の値は 1 だな」

PICkit「データ線に 0 を出したよ」
PICkit「クロックをカチッ」
PIC「今の値は 0 だな」

ICSPでクロック線を分ける理由

書き込みは以下のような感じ。

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ICSPDAT: 1 0 1 1 0
ICSPCLK: ↑ ↑ ↑ ↑ ↑
 読む 読む 読む 読む 読む

「データが来たら読む」方式もあり、代表例はUART。

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UART:
TX → データ送信
RX → データ受信
GND → 基準

UARTにはクロック線がない
その代わり、送信側と受信側で以下のように通信速度を事前に合わせる必要がある

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9600bps
115200bps

さらに、UARTは以下のようなルールが必要。

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スタートビット
データビット
ストップビット

ADC

ADCとは

ADCは、Analog to Digital Converter の略
日本語では、アナログ・デジタル変換器
マイコンは基本的にデジタルの世界で動いている

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0
1
HIGH
LOW

上のような信号は扱いやすい
でも現実のセンサーは下のような中途半端な電圧を出す

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0.73V
1.24V
2.58V
4.01V

このようなアナログ電圧を、マイコンが扱える数値に変換するのがADC
たとえば、5V基準で10ビットADCなら、下のように変換する

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0V → 0
2.5V → 約512
5V → 1023

ADC2とは

ADC2は、Microchipが使っている名称で、通常のADCより少し高機能なADC
普通のADCは、電圧を数値に変えるだけ
ADC2では、それに加えて、以下もしてくれる

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平均化
フィルタ
しきい値判定
オーバーサンプリング
簡単な演算処理

などをマイコン内部で補助できる
つまり、CPUで全部計算しなくても、ADC側である程度処理してくれる機能がある

24ch ADC2の意味

ADCで読める入力チャンネルが24個あるという意味
ここでの ch は channel、つまりチャンネル

たとえば、下のように、複数のピンや内部信号をADCに接続できる。

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AN0
AN1
AN2
AN3
...

注意点:

24個のADCが入っているわけではない
多くの場合、1つのADC回路に対して、24個の入力候補を切り替えて読む、という仕組み

イメージとしては、

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センサー1
センサー2
センサー3
...
センサー24
 ↓ 切り替えスイッチ
ADC本体

なので、24個を完全に同時に測るというより、順番に切り替えて測る感じ。

通信回路

PIC16F18857には MSSP という通信モジュールが入っていて、これを使って SPI / I2C ができる。

イメージ:

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PIC16F18857
├─ UART : PCやシリアル通信向け
├─ SPI : 高速なセンサー、SDカード、表示器など
└─ I2C : 温度センサー、OLED、RTC、EEPROMなど

MSSP

Master Synchronous Serial Port
SPIやI2Cを扱うためのモジュール

UART

UART は、かなりシンプルなシリアル通信
正式には Universal Asynchronous Receiver/Transmitter
クロック線なしで、送信用と受信用の2本の線でデータをやり取りする通信

UARTで使う線

UARTで使う線は、基本はこの2本。

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TX : Transmit 送信
RX : Receive 受信

実際にはGNDも必要なので、最低限はこう。

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PIC TX → 相手 RX
PIC RX ← 相手 TX
PIC GND ─ 相手 GND

ポイントは、TXとRXはクロス接続すること。

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PICのTX → 相手のRX
PICのRX ← 相手のTX

UARTのイメージ

UARTは、送る側と受ける側があらかじめ通信速度を決めておく。

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9600 bps
115200 bps

このような通信速度をボーレートと呼ぶ。

UARTにはクロック線がないので、
「1秒間に何ビット送るか、先に決めておこう」
という方式

UARTで送られるデータ

例えば、A という文字を送ると、実際にはビット列として送られる。

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スタートビット
データビット
ストップビット

よくある形式は、8N1
意味は、以下に

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8 : データ8ビット
N : パリティなし
1 : ストップビット1個

UARTの用途

UARTはこういう場面でよく使う。

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PCとのシリアル通信
USBシリアル変換器との通信
Bluetoothモジュール
GPSモジュール
他のマイコンとの簡単な通信
デバッグ用のログ出力

たとえばPICからPCへ、

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Temperature = 25.3
Motor ON
Error detected

みたいな文字列を送るのに便利

I2C

I2C は Inter-Integrated Circuit の略
読み方はだいたいアイ・スクエアド・シーまたはアイ・ツー・シー
IC同士を、少ない配線でつなぐための通信方式
温度センサー、OLEDディスプレイ、RTC、EEPROM、加速度センサーなどでよく使う

I2Cで使う線

I2Cで使う線は基本的に2本。

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SCL : クロック線
SDA : データ線

意味は下:

SCL : クロック線 SDA : データ線

接続イメージはこんな感じ。

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PIC SCL ─── センサー SCL
PIC SDA ─── センサー SDA
PIC GND ─── センサー GND

ただし、I2Cでは普通プルアップ抵抗が必要。

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VDD
 │
[4.7kΩ]
 │
SCL ───── PIC / センサー / OLED

VDD
 │
[4.7kΩ]
 │
SDA ───── PIC / センサー / OLED

抵抗値はよく 4.7kΩ や 10kΩ が使われる
モジュール基板だと、すでにプルアップ抵抗が載っていることもある

I2Cの大きな特徴

I2Cの強いところは、SCLとSDAの2本だけで複数の部品をつなげること。

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PIC
├─ 温度センサー
├─ OLED
├─ RTC
└─ EEPROM

配線としてはこういうイメージ。

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SCL ─┬─ 温度センサー
 ├─ OLED
 ├─ RTC
 └─ EEPROM

SDA ─┬─ 温度センサー
 ├─ OLED
 ├─ RTC
 └─ EEPROM

SPIだと相手ごとにCS線が必要だった。

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SPI:
CS1 → センサー1
CS2 → センサー2
CS3 → OLED

でもI2Cでは、相手をアドレスで選ぶ。

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温度センサー : 0x48
OLED : 0x3C
RTC : 0x68
EEPROM : 0x50

なので、PICはこういう感じで話す。

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PIC「0x48番のセンサーさん、温度をください」
温度センサー「はい、25.3℃です」

PIC「0x3C番のOLEDさん、文字を表示して」
OLED「了解です」

ここがI2Cのキモ。線で選ぶSPI、アドレスで選ぶI2C という感じ。

I2CのMasterとSlave

I2Cにも、基本的に Master と Slave がある。

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Master : 通信を開始して、クロックを出す側
Slave : Masterに呼ばれて応答する側

PICがセンサーを読む場合、たいていPICがMaster。

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PIC = Master
センサー = Slave
OLED = Slave
RTC = Slave

最近の資料では、Master/Slaveの代わりに、

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Controller / Target

のような言い方をすることもある。

初心者のうちは、

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Master = 話しかける側
Slave = 呼ばれて返事する側

くらいでOK。

I2C通信の流れ

例えば、PICが温度センサーから値を読む場合:

PICが通信開始を知らせる
PICがセンサーのアドレスを送る
PICが「読みたい」と伝える
センサーがデータを返す
PICが通信終了を知らせる

I2Cでは通信の開始と終了に名前がある。

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START 条件
STOP 条件

ざっくり図にするとこう。

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START
 ↓
アドレス送信
 ↓
Read / Write 指定
 ↓
データ送受信
 ↓
STOP

ReadとWrite

I2Cでは、相手のアドレスに加えて、読み書きを指定する。

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Read : 相手からデータを読む
Write : 相手にデータを書く

例：

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温度センサーから温度を読む → Read
OLEDに表示データを送る → Write
RTCに時刻を設定する → Write
EEPROMから設定値を読む → Read

ACKとNACK

I2Cでは、データを送ったあとに相手が、受け取ったことを送る。
これを ACK と呼ぶ

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ACK = Acknowledge

逆に、返事がない場合は NACKとなる。

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NACK = Not Acknowledge

イメージはこう。

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PIC「0x48番さん、いますか？」
センサー「います」 ← ACK

PIC「0x77番さん、いますか？」
返事なし ← NACK

I2Cのアドレス

I2C機器にはそれぞれアドレスがある。

よくある例：

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OLED SSD1306 : 0x3C
RTC DS3231 : 0x68
EEPROM 24LC256 : 0x50
温度センサー系 : 0x48

このアドレスによって、同じSCL/SDAにつながっている複数のICを区別する。

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PIC「0x3Cさん、画面表示して」
PIC「0x68さん、現在時刻をください」
PIC「0x50さん、保存データをください」

I2Cの速度

モード	速度
Standard-mode	100 kHz
Fast-mode	400 kHz
Fast-mode Plus	1 MHz

プルアップ抵抗

プルアップ抵抗は、信号線をVDD側へ弱く引っ張っておくための抵抗
I2CのSCL/SDAは、各ICが強くHIGHを出すのではなく、必要なときだけLOWに引っ張る方式で動く
そのため、誰もLOWにしていないときに信号線をHIGHへ戻すため、SCL/SDAにはプルアップ抵抗が必要になる
よく使う値は4.7kΩや10kΩ

SPI

SPI は、UARTより高速で、クロック線を使う同期式通信
正式には Serial Peripheral Interface

基本は4本。

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SCK : クロック
MOSI : Master Out Slave In
MISO : Master In Slave Out
SS/CS: 相手を選ぶ線

最近は用語として MOSI/MISO の代わりに、SDO/SDI や COPI/CIPO と呼ぶ場合もある。

基本イメージ（PIC側がMasterの場合）

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PIC SCK → センサー SCK
PIC MOSI → センサー SDI
PIC MISO ← センサー SDO
PIC CS → センサー CS
GND ─ GND

SPIのMasterとSlave

SPIでは、基本的に片方が Master、もう片方が Slave になる。

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Master : クロックを出して通信を支配する側
Slave : Masterに従って応答する側

PICがセンサーを読むなら、たいていPICがMaster。

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PIC「今から読むぞ。クロック出すぞ」
センサー「はい、そのタイミングでデータ返します」

SPIのCSとは

SPIでは、複数の部品をつなげることがでる
そのとき、どの部品と話すかを選ぶ線が CS

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CS = Chip Select
SS = Slave Select

例えば、3つのSPI部品をつなぐならこうなる。

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SCK ─ 全部に接続
MOSI ─ 全部に接続
MISO ─ 全部に接続

CS1 ─ センサー1
CS2 ─ センサー2
CS3 ─ 液晶

PICがセンサー1と話したいときだけ、以下のようにする。

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CS1 = LOW
CS2 = HIGH
CS3 = HIGH

多くのSPI部品は、CSがLOWのとき選択中となる。

SPIの特徴

SPIはかなり速い。

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UART : 比較的ゆっくり、配線少なめ
SPI : 速い、ただし線が多め
I2C : 線は少ない、複数デバイスに便利

SPIはクロック線があるので、UARTのように「ボーレートがズレて読めない」という問題が起きにくい。

UART / SPI / I2C の比較

通信方式	線の数	相手の選び方	特徴
UART	TX/RX	基本1対1	PC通信やデバッグ向き
SPI	SCK/MOSI/MISO/CS	CS線	高速、線は多め
I2C	SCL/SDA	アドレス	線が少なく複数ICに便利

かなり雑に言うと、

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UART = 1対1で文字を送るのが得意
SPI = 高速にデータをやり取りするのが得意
I2C = 少ない線でたくさんのICと話すのが得意

ざっくりまとめ

PIC16F18857のこの仕様は、こう読めばOK。

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56KB Flash
→ プログラムを入れる場所

4KB SRAM
→ 動作中の変数を置く場所

256B EEPROM
→ 電源OFF後も残したい小さな設定値を置く場所

25 I/O
→ 外部部品とつなぐピンが25本ある

24ch ADC2
→ 最大24系統のアナログ電圧を数値として読める

また、内蔵周辺機能は次のまとめになる。

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ADC → 電圧を読む
PWM → 強さを調整して出す
タイマ → 時間を数える
CLC → 条件判断をハードウェアでやる
WWDT → 暴走を監視する
CRC → データ破損を調べる

参考文献

電子部品の学習ログ

Fri, 30 Dec 2022 00:25:04 +0900

Background

仕事でメカトロニクスの理解が必要になった
電子部品周りの学習ログ

抵抗

リアクタンス

交流での「流れにくさ」のうち、コンデンサやコイルによるものをリアクタンスという。

コンデンサとコイルの対比:

コンデンサ：
- 電気をためる、変動をならす
- 電圧の変化を嫌う
コイル：
- 電流変化を抑える、磁気を使う
- 電流の変化を嫌う

慣用電流

電子が見つかる前に、先に「電流はこの向き」と約束してしまったから、実際に動いている電子とは逆向きで表現もする。

電流は、回路図や式の世界では＋ → －
電子は、金属の中では実際には－ → ＋

極性

向きがある部品のプラス・マイナス、または電流の向きのこと

LED

LEDは極性がある。

アノード：プラス側
カソード：マイナス側

見分け方:

足が長い方がアノード
本体の平らな切り欠き側がカソード

回路記号では、ダイオード記号に光の矢印がついた形。

ダイオード

電流を一方向に流しやすくする部品
本体の線が入っている側がカソード

電解コンデンサ

極性あり
本体の帯表示は、たいていマイナス側
逆接続すると劣化、発熱、破損の危険がある

部品の役割

抵抗

役割：

電流を流れにくくする
電圧を分ける
信号の状態を安定させる

代表例：

LEDに電流を流しすぎないための電流制限
スイッチ入力のプルアップ・プルダウン

コンデンサ

役割：

電気を一時的にためる
電圧の変動をならす
ノイズを減らす

よくある使い方：

電源の近くに置いて電圧を安定させる
スイッチのチャタリング対策
タイマー回路

電圧の揺れを吸収する部品。

ダイオード

役割：

電流を一方向にだけ流しやすくする

よくある使い方：

逆接続保護
整流
モータやリレーの保護

逆流防止弁である。

トランジスタ

役割：

小さい信号で大きい電流を扱う
スイッチとして使う
増幅する

よくある使い方：

マイコンの出力だけでは足りない電流で
モータを回す
リレーを動かす
LEDをたくさん点灯させる

電子的なスイッチである。

IC

役割：

複数の機能がまとまって入った部品

例：

555タイマ
オペアンプ
ロジックIC
マイコン

一言でいうと：機能のかたまりである。