今回の講義の目的は、マイコンを使って電圧を制御することです。電圧を上げたり下げたりできると、LEDの光る強さを変えたり、モータの回転速度を変えたりすることができます。 ※10月24日の演習には、未使用の単3電池4本を持参してください。持ってきていない場合には、演習時間内に購入しに行ってもらいます。 目次 5.1 PWM 5.2 モータの基礎 5.3 実習 5.1 PWM マイコンの世界はデジタルなので、プログラムで電圧を制御するのは、ちょっと難しいことです。そこで、PWMという手法が登場します。 これは擬似的にアナログ出力を実現する方法だと思ってください。 仕組み マイコンのデジタルピンからの出力は、HIGH(例えば3V)かLOW(例えば0V)のどちらかだけです。しかし、0Vから3Vまでの間で電圧を自由に変えたいという場合があります。例えば、LEDの明るさを調整したい場合などです。こういう時には、PWM(Pulse Width Modulation)という方法を用います。 PWMの仕組みを一言で説明すると、HIGHとLOWを素早く切り替えることによって、HIGHとLOWの間の電圧を擬似的に作り出す方法です。以下の図をみてください。 このようにHIGHとLOWを規則的に繰り返す信号を、パルス波と言います。上記の図で示しているパルス波は、ある一定時間で同じパターンを繰り返していますね。このような繰り返しの間隔を周期と呼び、1秒間に何周期あるかを周波数と呼びます。周期の始まりは、LOWからHIGHに変わる瞬間で、周期の終わりは、次にLOWからHIGHに変わる瞬間です。周波数1kHzと言ったら、1秒間に1000回の周期が起こるような波形を意味します。 図で示したパルス波は、1周期におけるHIGH(3V)とLOW(0V)の間隔が、ちょうど1/2ずつになっています。周波数が十分に高い場合，このデジタルピンにかかる電圧は、3V / 2 = 1.5Vとなります。これがPWMです。実際に電圧を変えるのではなくて、擬似的に電圧を変えているのです。 PWMを使った場合にデジタルピンにかかる電圧は，デューティ比(duty ratio) によって決まります。デューティ比とは，1周期の間にHIGHになっている割合のことです。HIGHが3Vの場合、デューティ比50%ならば1.5V，10%ならば0.3Vとなります。 PWMを使用する場合、どのくらいの周波数が必要かは難しい問題なので、あまり深入りしないことにしますが，1Hzではだめなことは明らかです。1Hzということは、HIGHとLOWが同じ時間であるとすると1周期内で0.5秒ずつです。LEDで実験すると単に点滅するだけです。PWMの周波数は、デジタルピンの用途によって変わるとされています。例えばLEDを使う際に必要な周波数，モータを使う際に必要な周波数という具合です。モータの場合には10kHzから20kH位が適当でしょう。LEDだと、数100Hzでも大丈夫だと思います。 PWMを使って電圧を制御するには、パルス波を作り出す必要があります。パルス波は、タイマを使って作ります。非常に微小な時間をタイマによって作りだし，デジタル出力をHIGHにしたりLOWにしたりします。 例えば、1kHzの周波数でPWM 制御をしたいとしましょう。1秒間に1,000周期ですから，1周期は1msです。1周期を10段階に分けると、1段階100µsになります。この100µsをタイマを使って作り1単位とすれば、10%刻みでデューティ比が設定できるようになります。 試してみよう mbedの基本ライブラリには、PWMを簡単に使うためのPwmOutというクラスが用意されています。よって、自分でタイマを使って波形を作る必要はありません。GPIOはPWMピンとして使うことができます。ただし、P11は使えません。また、PWMピンとして指定できるのは3つまでという制約があります。 ソース電流を使った回路でLEDを光らせることを考えます。定電流ダイオードではなくて330Ωの抵抗を使っていることに注意してください。 以下のようなプログラムを作成して、実行します。

LEDをよく見ていると、1秒ごとに光る強さが変わるのが観察できるはずです。暗い時にはPWMのデューティ比は20%になっています。 myled.period_ms(1);に注目してください。これは、PWMの周期を、1msの幅に設定しています。1周期が1msということは、1kHzということですね。それでは、これを100msにしたら、どうなるでしょうか。これは、演習で実際に実験することにしましょう。 デューティ比を変化させてLEDの明るさを連続して変化させて見ましょう。

LEDの明るさが滑らかに変わることが観測されるはずです。 PWMを使う際にもう1つ頭に入れておいて欲しいことがあります。それは、デューティ比を変化させる際には少し間隔をおく必要があるということです。5msくらいあれば大丈夫だと思います。上記の例ではwait(0.1)で100msの間隔を空けています。 もう1つ気をつけるべきことは、すべてのGPIOがPwmOutに使える訳ではないことです。P11は使えません。 5.2 モータの基礎 この講義では、DCモータとサーボモータという2種類のモータを使います。 DCモータ 家庭にある電源コンセントを、AC100Vと呼ぶことは知っていると思います。このACとはAlternating Currentの略で、電流の向きが変わることを意味しています。日本語では、交流あるいは交流電流と言います。 一方、乾電池やUSB電源などは、直流あるいは直流電流と呼ばれます。DCというのは、Direct Currentの略で、直流電流を意味します。直流の場合、電流の向きは常に一定です。 DCモータは、直流電流で動くモータです。模型でよく使用するマブチモータは、皆さんも一度は見たことがあると思います。 乾電池でDCモータを動かすのは簡単です。 しかしモータを、マイコンに繋いで制御するとなると、ちょっと難しいです。まず、DCモータに限らずモータというものは、少なくとも数百mA、多ければ数Aの電流を必要とします。マイコンのピンから供給できる電流は5mAくらいなので、マイコンのデジタル出力を使い直接DCモータを駆動することはできません。使用するモータによって、別途、適した電源を用意する必要があります。また、正転、逆転、停止、回転速度などの制御を行う必要もあります。 そこで、それらのことを簡単に解決するための、モータドライバというデバイスが存在します。この講義では、TA7291Pというモータドライバを使います。TA7291Pは、mbedをはじめようキットには含まれていないので注意してください。 […]

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今回の講義の目的は、外部から情報をマイコンで受け取る方法をマスターすることです。ただし、今回扱うのはデジタル信号です。具体的には、スイッチが押されたことをマイコンで検知する、ということをやります。 目次 4.1 スイッチ 4.2 デジタル入力 4.3 チャタリング 4.4 実習 4.1 スイッチ スイッチというのは、電線を連結したり切断したりするためのデバイスです。ボタンということもあります。スイッチには様々な種類が存在しますが、よく使うものはタクトスイッチと、トグルスイッチです。 タクトスイッチ(tactile switch)とは、ボタンの形状をしていて、押すと電線が連結され、離すと切断されます。 写真のタクトスイッチはとても小さくて、5ミリ角くらいです。このタイプのものは、そのままブレッドボードに差し込んで使うことができます。 足が4つ付いていますね。これらの足は、2つずつの2グループに分かれていて、同一のグループに属する足は、常に通電するようになっています。どの足とどの足が繋がっているかは、背面にマークがあることが多いです。写真の製品の場合には、背面に線が書いてあって、繋がっている足がわかります。マルチメータを使ってどの足とどの足が通電しているか確認しておきましょう。 タクトスイッチが押された時にLEDが光る回路は以下のようになります。電源と抵抗の間にあるのが、タクトスイッチの記号です。 タクトスイッチをブレッドボードに刺す時には以下のように真ん中の仕切りをまたぐようにすると良いでしょう。 トグルスイッチ(toggle switch)とは、電線の連結と切断を切り替えられるようにしてあるスイッチです。どちらかを選択すると、他を選択し直すまで同じ状態を保ちます。 スイッチの電子部品記号は、いくつかあります。この講義では以下の2つを使います。 おまけとして、ディップスイッチの写真も載せておきます。これは、複数のトグルスイッチが1つのパッケージになったものです。 4.2 デジタル入力 スイッチの状態を感知するというのは、マイコンにとってはデジタル信号の入力を行うことです。ピンにかかる電圧は3.3Vか0Vのどちらかになり、3.3Vならば1、0Vならば0という数値で認識します。 スイッチは、直感的にわかりやすいデバイスですが、マイコンへの入力として使うときには少し注意が必要です。以下のように回路を作ると、タクトスイッチが押されたかどうかをマイコンで検知できそうに思いますよね。P11というラベルが付いている記号はmicro:bitのP11ピンです。 しかし、これはやってはいけません。タクトスイッチが押されているときにはP11が3.3Vにつながりますから正しく検知できます。しかし、タクトスイッチが離されているときには、P11はどこにも繋がっていない状態になります。このような状態を、ピンがオープンになっていると言い、マイコンのピンでは電圧が測定できません。 また、以下のような回路もよく見られる間違いです。 この回路では、3.3Vとグランドがショートしてしまうので大変危険です。3.3Vをマイコンボードからとっている場合には、マイコンボードが破損する恐れがあります。 正しくは以下のような回路を組みます。 P11をデジタル入力として使用する際には、マンコンの中では以下のようなことが行われています。これはピンをデジタル入力として使う場合で、前回実験したデジタル出力の場合には当てはまりません。 P11をデジタル入力に使っている時には、P11の先は非常に大きな抵抗を介してグランドに接続されています。図では仮に3MΩ(メガオーム)としています。このような状態をハイインピーダンスと呼びます。P11の内部では、マイコンがこの大きな抵抗にかかる電圧を計測しています。 この例では、1KΩの抵抗と3MΩの抵抗は並列に接続されていますね。並列に接続されているということは、どちらにも同じ電圧がかかるということです。タクトスイッチが押されると、並列回路の部分に3.3Vの全てがかかるはずです。よって、P11では3.3Vが計測されます。タクトスイッチが離されている時には、P11はGNDとGNDの間の電圧を測ることになりますから0Vになるわけです。 このような回路をプルダウン回路と呼び、10KΩの抵抗をプルダウン抵抗と呼びます。 プルダウン回路とは逆に、タクトスイッチが離されている時に3.3Vが計測され、押されている時に0Vとなる回路も作れます。 これをプルアップ回路と呼び、10KΩの抵抗をプルアップ抵抗と呼びます。この場合、スイッチが離されている時に3.3Vが計測されます。 今度は、以下の図のように考えます。 タクトスイッチが押されていない状態では直列回路です。1KΩにかかる電圧と3MΩにかかる電圧の和が3.3Vになります。こういう回路を分圧回路と呼ぶのですが、これはもう少し先の回で説明したいと思います。ここでは、1KΩと3MΩの差があまりにも大きいので、3.3Vのほとんどが3MΩの方にかかることになる、としておきます。 タクトスイッチが押された状態では直列回路と並列回路の組み合わせです。並列回路になっている抵抗は3MΩとタクトスイッチです。タクトスイッチはほぼ0Ωと思って良いはずですね。この2つの抵抗を組み合わせた抵抗値を求めてみましょう。 1/R = 1/R1 + 1/R2 R1が0Ω、R2が3MΩです。1/R1はほぼ無限大ですから、1/R1 + 1/R2もほぼ無限大です。ということは、Rはほとんど0Ωだということです。よって、1KΩに3.3Vのほぼ全てがかかり、3MΩにかかる電圧は0Vです。 スイッチの応用例 それでは実際に回路を作って試してみましょう。プルダウン回路にしてみます。回路図は、前の章で説明したものを参照してください。 プログラムは、以下の通りです。

PC側で、ターミナルを起動して、シリアル通信の結果を表示できるようにしてください。タクトスイッチを押すと、以下のような結果が得られるはずです。 DigitalIn mytactile(P11);は、P11でデジタル信号の入力を待つための宣言です。mytactile.read()で、その時のP11の状態を読み取っています。この結果は1か0ですから、それに応じて”high”か”low”を出力します。 […]

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今回の講義の目的は、マイコンの使い方を理解することと、デジタルピンの使い方をマスターすることです。 3.1 マイクロコントローラの基礎 3.2 mbed OS 3.3 実習 3.1 マイクロコントローラの基礎 まず、マイコンについて基本的なことを説明しておきます。マイコンは、一般に以下の写真のような見た目をしています。 写真のマイコンは、細長い形をしていて両側に足が出ていますが、形状はいろいろなものが存在します。多くの場合、黒いプラスティックのパッケージになっています。このプラスティックのパッケージの中に、マイコン本体が封入されています。よって、マイコン本体は、もっと小さなものです。 マイコンからは、ゲジゲジの足のようなものが出ています。これをピン(pin)、あるいは端子と呼びます。マイコンは、このピンを通じて電源供給を受けたり、他の部品と連携したりします。 micro:bitのマイコンボードを見ると、5mm四方ほどの黒い正方形のマイコンが実装されているのがわかります。 マイコンからは小さなピンが出ていますが、ものすごく小さくてプロトタイプを作る際には使いづらいことが多いです。そのため、マイコンボードは、ピンから配線を延ばして回路を作りやすい形状にしているのです。実際の製品にするときには、マイコンボードは使わずに、よりコンパクトな基盤にすることが多いです。 マイコンボード 以下のリンクをみてください。これは、mbedの公式Webサイト内でmicro:bitボードの紹介をしているページです。 https://os.mbed.com/platforms/Microbit/ このWebページはとても重要ですから、からなずブックマークなどをして、すぐにアクセスできるようにしておきましょう。特に以下の図が重要です。 この図は、micro:bitのピン配置図です。どの場所に、どういう機能のピンがあるのかを説明した地図のようなものです。幾つか重要なピンに関して説明しておきます。 +3v3: このピンには3.3Vの電圧がかかっています。他の電子部品に3.3Vを供給したい時には、ここを電源とします。 GND: グランド、つまりマイナスです。 P0からP20: 入出力ピン。いくつかのピンは特別な役割が割り当てられています。 ANALOG IN: アナログ入力に使えるピン。 Nordic nRF51822 ここで、micro:bitついて、もう少し説明しておきます。このマイコンボードにはNordic Semiconductorという企業のnRF51822というマイコンが使われています。このマイコンは、ARM社が設計したCortex-M0というアーキテクチャがベースとなっていて、以下のような特徴があります。 32bitマイコン フラッシュメモリ: 256kB SRAM: 16kB 動作クロック: 16MHz フラッシュメモリは、プログラムを格納する場所です。SRAMは、プログラム中で使用する配列や変数を格納する場所です。 SRAMは16kBしかありません。皆さんが使っているMacBook Airには4GBか8GBのメモリが搭載されています。あまりにも桁違いの大きさですね。 16kBがどのくらいの大きさなのかというと、日本語の文字で8000文字分です。英字アルファベットならば16000文字分、16bitの整数だと8000個分ということになります。ちなみに、mbedのint型は32bitですから、4000個分しか入りません。つまり4000個以上の整数が格納できる配列は宣言できない、ということになります。実際には3000個分くらいが限界でしょう。 mbedには、他にも様々なハードウェアプラットフォームがあり、micro:bitはコンパクトな方です。他のハードウェアには、もっと多くのRAMが搭載されていたりします。 nRF51822に関して、もっと詳細なデータが知りたければ、データシート(datasheet)というものを参照します。nRF51822のデータシートは、以下の場所にあります。ただし、マイコンのデータシートを読むのは難しいので、当面は無視しておいて構いません。 https://infocenter.nordicsemi.com/pdf/nRF51822_PS_v3.1.pdf デジタル信号・アナログ信号 電気の世界における信号とは、時間とともに変化する電圧によって情報を表すことです。デジタル信号とは、2つの電圧によって0と1を表現したもので、例えば、0Vが0で3.3Vが1のように表現します。以下の図では、0VとxVで説明しています。 実際の電子回路では、0を1V未満、1を2.5V以上のように、ある境界(閾値)を定めて判断しています。しかし、今は、そこまで意識する必要はありません。 アナログ信号の場合には、電圧の大きさで何かの大きさや量を表現します。例えば、部屋の明るさの場合には、光量を知りたいですよね。陽が昇れば徐々に明るくなり、陽が暮れれば徐々に暗くなります。夜中に電気をつければ突然明るくなったりもします。部屋の明るさを光センサを使って連続的に計測して電圧の変化に変換したもの、それがアナログ信号です。 ピン micro:bitでは、nRF51822というマイコンのピンをより使いやすいエッジコネクタという形に引き出しています。 マイコンのピンとエッジコネクタの端子は厳密に言えば違うものですが、ここではそれを区別せずに同一視することにします。ピンの名前は、mbedの公式Webサイトにあるピン配置図に基づくものとします。 この図をみると、ピンにはP0からP20までと+3V3、GNDという名前が付けられているのがわかります。+3V3やGNDについては既に説明しました。 […]

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