Arduinoコネクタを持つMCU評価ボードが多い理由

ArduinoコネクタコンパチブルMCU評価ボード例
ArduinoコネクタコンパチブルMCU評価ボード例

本稿は、Arduinoコネクタを持つMCU評価ボードが多い理由を、少し丁寧に説明します。上図は、Arduinoコネクタレベルでコンパチブル(=置換え可能)なSTマイクロエレクトロニクス、サイプレス・セミコンダクター、NXPセミコンダクターズ各社のMCU評価ボードを示しています。

Arduinoコネクタ

イタリア発で「オープンソースハードウェア概念」の発端となったArduino(アルデュイーノ、もしくはアルドゥイーノ)。その制御系とArduinoシールドと呼ばれる被制御系ボード間の物理インタフェースがArduinoコネクタ(右下)です。
I2C(SCL/SDA)/ADEF(アナログ基準電位)/DIGITAL(PWM兼用)/ IOREF(IO基準電位)/RESET/POWER/ANALOG INのピン配置が決まっています。

Arduinoコネクタのおかげで、制御系とシールドに分離して開発でき、それぞれをArduinoコネクタで接続すれば、Arduinoボードシステムが完成します。

Wikipediaによると、2013年には制御系とシールド、公式非公式合わせて140万台ものArduinoボードが販売されていて、安価にプロトタイプシステム構築が可能となっています。

Arduinoコネクタを持つMCU評価ボードが多い理由その1:市販安価シールド資産が使える

既にこれだけの数のシールドが販売中ですので、MCU開発にそのまま流用や小変更で使えるシールドもあります。

Arduinoコネクタを持つMCU評価ボードが多い理由その1が、この既製品で安価なシールド資産が使えるからです。使用部品選定やアートワークパターンなども十分に練られた既製品が入手できるのです。しかもこれらは殆どの場合、オープンソースハードウェアなので詳細が開示済みです。

シールドは縦方向に段重ね(スタッカブル)できますので、複数段を重ね機能増加も可能です。

ハードウエア基板を0から動作するレベルにまでもっていくのは、時間もコストも掛かります。市販シールドを利用したプロトタイプ開発が可能なことが、MCU評価ボードにArduinoコネクタを持つ理由です。

Arduinoコネクタを持つMCU評価ボードが多い理由その2:MCU性能評価に使える

シールドを使ってハードウエアが用意されれば、後はソフトウェアです。

図のようにシールドは、複数ベンダーのMCU評価ボードに使えますし、同一ベンダー内の異なるMCUの性能評価にも使えます。

例えば、最も重要な処理に必要なシールドと、その制御ソフトウェアのみをプロトタイプ開発し、MCU性能が重要処理に十分か否かの評価を行います。この評価結果で、コストパフォーマンスに優れたMCU選択が可能となります。

場合によっては、ピンコンパチブル性を利用して他ベンダーのMCU選択も可能です。Cortex-M系MCUはどれも似通ってはいますが、例えば、サイプレスのPSoCシリーズはアナログブロントエンド機能内蔵など、各ベンダーでそれぞれ特徴があります。これらMCU特徴を活かした開発で競合他社との差別化もできます。

MCU評価ボードプロトタイプ開発スピードを上げるマイコンテンプレート

その1もその2もポイントは、プロトタイプ開発のスピードです。効率的に、しかも精度良くプロトタイプ構築し評価するには、MCU製品で使用頻度が高いLCD出力やアナログポテンショメータ入力、LED出力などの単機能シールドを複数使うよりも、これら機能実装済みの汎用Baseboardを使う方が、より低コストにプロトタイプハードウエアの構築ができます。

関連投稿:CY8CKIT-042とCY8CKIT-042-BLEへの機能追加、サンプルソフトが直に試せるマイコン開発環境の章

弊社マイコンテンプレートは、Baseboard動作に必要なソフトウェアをBaseboardテンプレートで提供済みです。開発要件に必要なシールドを見つけ、シールド単体でMCU性能評価を行い、さらにBaseboard実装機能を付加すれば、MCU製品完成形により近いプロトタイプシステムでの評価も可能です。

MCUプロトタイプ開発をスピードアップさせるマイコンテンプレート
MCUプロトタイプ開発をスピードアップさせるマイコンテンプレート

マイコンテンプレートは、MCU評価ボードプロトタイプ開発の「速さ」をより早めます。

MCU評価ボード、IDE、開発ツール、ベンダーが変わってもテンプレート本体は不変

テンプレート本体、具体的にはアプリケーションのLauncher機能は、MCU評価ボード、IDE、コード生成ツールなどの開発ツール、ベンダー各社には依存しません。つまり、単純なC言語でできています。

従いまして、開発ツールやIDEが時代により変化・更新しても、テンプレート本体は変わりません。ご購入頂いた弊社マイコンテンプレートの付属説明資料は、発売当時の環境をベースに解説しております。しかし、最新版のIDEやコード生成ツールに更新されても、このテンプレート本体は不変ですので、安心してお使いください。

まとめ

Arduinoコネクタを持つMCU評価ボードが多い理由は、市販安価シールド資産を活用し、MCU性能評価へも活用すれば、MCUプロトタイプ開発が効率的かつ容易になるからです。プロトタイプ開発スピードをさらに上げるためマイコンテンプレートが役立つことも示しました。

マイコンは種類が多く、どのベンダーの何を使って開発すれば良いかというご質問を時々頂きます。お好きなベンダーのArduinoコネクタを持つMCU評価ボードを使ってプロトタイプ開発することをお勧めしています。制御系ベンダー差は、Arduinoコネクタで消えます。先ずは着手、あえて言えば被制御系の開発着手が先決です。

マイコンテンプレート活用プロトタイピング開発(3)

マイコンテンプレートを使ったプロトタイプ開発の第3回は、シールド基板Joystick機能のテンプレート追加です。

Joystick for HMI (Source:Adafruit)
4方向入力とプッシュ操作ができるジョイスティック(出典:Adafruit)

要旨

STM32Fx用テンプレートを題材にしましたが、他テンプレートでも同様です。説明が長くなったので、先に本投稿の開発手順と要旨を示します。

  1. シンプルテンプレートをRenameし、「機能追加用テンプレートを作成」
  2. API作成ツール、サンプルソフトやレファンレンスなどを利用し、「追加機能を理解」
  3. 「追加機能ファイルを作成」し、追加処理をプログラミング
  4. ユーザ関数起動「Launcher()で追加処理を起動し、デバッグ」

要旨:マイコンテンプレートをプロトタイプ開発に利用すると、既に基本動作する枠組みやライブラリが準備済みなので、機能追加の開発効率が上がり、追加処理が1ファイルに閉じ込められるため、ソフトウェア資産として流用性も高まる。

シールド基板構成

機能追加に使うシールド基板は、SDカードに液晶表示画像が保存されており、カードから画像を読込み、それを液晶に出力する、これにMCUのSPIインタフェースを使う構成です。Joystickは、液晶表示の選択肢を入力するためのHMI(Human Machine Interface)に使います。

Shield Fabrication Print
TFT液晶出力、SDカードのデータ入出力、Joystickでの5SW入力、これら3機能ハードウェアを追加するシールド基板(Source:Adafruit)

回路図からも解るようにJoystickは、シールド基板のSDカードやTFT液晶とは完全に別物です。1個のJoystickで「上下左右」と「プッシュ」の5入力を1本のADC入力だけで処理できますので、効率的で低価格なHMI実現手段の1つと言えます。

本投稿は、このJoystickのADC入力を弊社STM32Fxシンプルテンプレートへ追加し、ADC_Joystickプロジェクトを作り動作確認します。

関連投稿:テンプレート活用プロトタイピングの開発方針:第1回ソフトウェア概要:第2回

テンプレート変更準備

今回は、初めてですので、少し丁寧に説明を加えます。

最初に、ワークスペースへシンプルテンプレートを取込み、これに「変更を加える前」にプロジェクト名をADC_JoystickへRenameします。

Template Project Rename
Template Project Rename

Renameを選択すると、プロジェクト名の入力ダイアログが現れますのでADC_Joystickと入力します。

さらに、「手動」でcfg/ico/pdf/txtの4ファイル名をADC_Joystick. cfg/ico/pdf/txtに変更します。

最後に、ADC_JoystickをClean ProjectとBuild Projectすると、正常にコンパイルされ、シンプルテンプレートからADC_JoystickへRenameが成功したことが確認できます。

Tips:リネームプロジェクト名は、「追加周辺回路_装置」としました。プロジェクト名を見れば、時間が経過した後でも、内容が解りやすいメリットがあります。

関連投稿:Eclipse IDEプロジェクトのImportやRename方法

また、レファレンスプロジェクトとしてTFTシールドサンプルソフトもワークスペースへ取込みます。方法は、
File>Import>Existing Projects into Workspaceで
Repository>STM32Cube FW F0 V1.9.0>Project>STM32F072RB-Nucleo>Demonstrations>STM32F072RB-Nucleoを選択しImportしてください。

以上で、2プロジェクトがワークスペースへ入り、ADC_Joystickに変更を加える準備ができました。

Renamed to ADC_Joystick Project
ADC_JoystickプロジェクトとTFTシールドサンプルソフト(STM32F072RB-Nucleo)がワークスペースへ入る

STM32CubeMXでADC追加

Joystickで利用するADCを、STM32CubeMX(以下CubeMX)でADC_Joystickプロジェクトへ追加します。

CubeMXを起動し前章で手動変更したADC_Joystick.icoをLoadすると、シンプルテンプレートのCubeMX設定がロードされます。これに周辺回路ADCを追加します。

ADCのIN8に☑を入れると、PB0ピン、PB.00を使うことが解ります。このPB.00がArduinoコネクタA3に接続されており、Joystickのアナログ値がADCへ入力されます。

STM32CubeMX Setting
STM32CubeMX Setting

通常は、ここでADCを利用するサンプルソフトなどを参照し、詳細設定を調べます。しかし今回は、もっと直接役立つレファレンスプロジェクトのADC関連ソースを読みます。

※レファンレンスソースは一部しか抜粋しませんので、解りにくいと思いますが、文章が分かれば十分です。

TFT_ShieldDetect Logic
TFT_ShieldDetect Logic

ADC関連は、最初にmain.cのL120でシールド基板の実装有無を確認し、実装(SHIELED DETECTED)ならばTFTを初期化(BSP_LCD_Init())し、SDカードから画像読込み(SDCard_Config())を実行します。

L116のコメントから、PB.00電圧レベルで基板有無を確認していることが解ります。そこで、ShieledDetect()を読むと、アナログ入力として使う予定のPB.00を、ここでGPIO入力+プルダウンへ初期設定した後、電圧レベルを読込み、0以外で基板実装と判断しています。

PB.00をアナログ入力に設定しているのは、TFT_DisplayImages()の中、L304のBSP_JOY_Init()です。

つまり、最初にPB.00をGPIO入力+プルダウンに設定し、入力が0以外で基板実装と判断し、次に同じPB.00をADCのIN8に再設定(stm32f0xx_nucleo.cのL841)します。アナログ入力では基板有無の判定ができないのです。
プルダウンが設定できるGPIO入力なら基板無し(電圧レベル=0)の判定が可能です。また、ADC設定は、CubeMXのデフォルト設定で良いことも解ります。

Tips:「同じピン機能をADCからGPIOに切替えて実装有無を判断するテクニック」は、今回だけでなく他でも使えるので覚えておくと役立ちます。

以上、レファンレンスからADCの使い方が解りました。CubeMXへADC追加後のConfigurationタブを示します。CubeMX ProjectをセーブしGenerate Code、Generate Reportを実行し、初期化コードを生成して下さい。

STM32CubeMX Configuration
STM32CubeMX Configuration

シールド基板実装判定GPIOとADCの切り替え

ADC_Joystickのmain.cには、PB.00のADC初期化コードMX_ADC_Init()がCubeMXにより自動追加されます。では、どこで基板実装有無を確認するかというと、L232のUserInit()で行います。

UserInit()
テンプレートに準備済みのUserInit()

UserInit()は、無限ループ実行直前に、何らかの独自設定をユーザが行うための関数です。テンプレートには初めからこの関数が準備されています。

Shield Detection Logic in UserInit
Shield Detection Logic in UserInit

UserInit()のL128で基板実装判定のため、PB.00を再度GPIOに設定し直します。そして、判定結果をUSB経由のCOMポートへ出力します。テンプレートには、COMポート出力機能がありますので、簡単に判定結果が出力できます。

基板実装を確認したら、L146でPB.00を再再度ADCに設定します。

つまり、PB.00はCubeMXでADCとして初期設定しますが、UserInit()で基板実装判定のためGPIOに再設定し、実装済みならもう1度ADC初期設定をします。ADC初期設定コードは、CubeMX自動生成コードですので、将来ADC設定に変更が生じたとしてもCubeMXを変えれば良いだけで、ソースはそのまま使えます。

後は、ADCの値を読んで、stick位置を判断し、その結果も基板実装結果と同様、COMポートへ出力すればJoystick関連の追加処理は完成です。

STM32F0とSTM32F1のBSP

BSPはBoard Support Packageのことで、評価ボード用のライブラリです。
STM32F0用は、Drivers>BSP>stm32f0xx_nucleo.c/hです。STM32F1用は、stm32f1xx_nucleo.c/hです。

関連投稿:BSP解説は、コチラの投稿のSTM32Fxファームウエア構成やHAL Examplesの章を参照。

Joystickのstick位置判断関数BSP_JOY_GetState()もこのBSPで提供されますが、面白いことに、F0用とF1用のBSP_JOY_GetState()の閾値が異なります。どちらも同一条件で動作するので異なる必要はありません。また、if~else if~else文で分岐するのも、処理時間が長くなります。

Difference Between F0 BSP_JOY_GetState() and F1
Difference Between F0 BSP_JOY_GetState() and F1

そこで、F0用のより広い判断閾値を使い、if文とgoto文で分岐する方法を用いました。

Stick Position Judgement
Stick Position Judgement

ADC_Joystickプロジェクト動作確認

Joystickのみ機能追加する場合に備え、stick位置のCOMポート出力、STM32F0xとF1xで共用のための#ifdef~#endifなどの関連処理を新規追加のJoystick.cファイルに集め、ADC_Joystickプロジェクトへ加えました。

ADC_Joystick File Configuration
ADC_Joystick File Configuration

シールド基板を実装すると評価ボード上の青SWが操作できませんので、ユーザ関数を起動するLauncher()のSwScan()はコメントアウトし、代わりに40ms周期起動にstick位置の取得判断関数:JoystickSacn()を入れました。

完成したADC_Joystickプロジェクト動作中のCOMポート出力例を示します。

ADC_Joystick COM Output Example
ADC_Joystick COM Output Example

まとめ

STM32Fxシンプルテンプレートを使って、シールド基板のJoystick機能のみを追加しました。

長文説明になりましたが、実際に行った処理は、下記のようにとても簡単で単純です。

  1. テンプレートプロジェクトをRenameし、ADC_Joystickプロジェクト作成
  2. STM32CubeMXで、作成プロジェクトへADC機能を追加
  3. レファレンスプロジェクトのADC関連部分を読み、使い方と設定理解
  4. 機能追加/削除を容易にするため、Joystick.cファイルを新規追加し、ADC関連処理記述
  5. Launcher()で起動し、必要に応じて処理結果をCOMポートへ出力し、追加処理の動作確認

テンプレートには、COMポート出力やUserInit()などの基本的な処理と枠組み、BSPなど開発に必要となるライブラリが既に準備済みなので、「追加する処理にのみ集中して開発できる」ことがお判り頂けたと思います。

Joystickファイルを新規追加すると、機能の追加/削除、他プロジェクトへの応用も簡単です。ユーザが手動で変更する箇所は、ユーザ関数を起動するLauncher()やUserInit()、COMポートへの出力メッセージ程度で、初期化コードなどはAPI作成ツールSTM32CubeMXが自動的に生成します。