100MBフラッシュマイコンとFreeRTOS

ルネサス、100MB超の大容量フラッシュ内蔵、160℃で10年以上のデータ保持もできる車載可能な次世代マイコン実現にメドの記事が、EE Times Japanで12月6日発表されました。

ルネサス100MBフラッシュマイコン実現にメド
ルネサス100MBフラッシュマイコン実現にメド(記事より)

これは、ルネサスが車載半導体シェア30%を狙う動きとリンクしています。マイコンは、ROM128KB、RAM128KB(Cypress PSoC 4 BLEの例)の「キロバイト」容量から、5~6年後には「メガバイト」へと変わろうとしています。

FreeRTOS

Richard Barry氏により2003年に開発されたFreeRTOSもVersion 10が発表されました。12月3日投稿で示したようにアマゾンがAWS:Amazon Web Service接続のIoT MCUにFreeRTOSカーネルを提供したことで、マイコンへのFreeRTOS普及が一気に進む可能性があります。

Amazon FreeRTOS
Amazon FreeRTOS(サイトより)

従来のFreeRTOSは、5KB以下のROMにも収まりリアルタイム性とマルチタスク処理が特徴で、小容量マイコンでも十分に使えるRTOSでした。しかし、Amazon FreeRTOSの魅力的ライブラリをフル活用すると大容量ROM/RAMが必要になるハズです。フラッシュ大容量化、製造技術の細分化の流れは、マイコン高性能と低消費電力ももたらし、Amazon FreeRTOSを使用しても問題はなさそうです。

世界的な電気自動車化:EVシフトの動きは、マイコンに数年で激しい変化を与えます。弊社もCortex-M0\M0+コアに拘らず、STM32F1で使ったCortex-M3コアなどの更に高性能マイコンにも手を伸ばしたいと考えています。

ポイントは、FreeRTOSだと思います。その理由が以下です。

Amazon FreeRTOS対応のSTM32L475 Discovery kit for IoT Nodeのサイトで、AWS経由でどのようにクラウドに接続し、評価ボード実装済みの各種センサデータをグラウド送信する様子や、逆にグラウド側からボードLEDを制御する様子が英語Video(約11分)に紹介されています。
英語ですが、聞き取り易く、解り易いので是非ご覧ください。

Videoで使用したサンプルソフトも同サイトからダウンロードできます。殆ど出来上がったこのサンプルソフトへ、必要となるユーザ処理を追加しさえすれば、AWS IoT端末が出来上がります。

追加ユーザ処理は、FreeRTOSのタスクで開発します。タスクの中身は、初期設定と無限ループです。無限ループは、使用マイコン(Videoの場合はSTM32L4+)APIとFreeRTOS APIの組合せです。

つまり、従来マイコン開発に、新たにFreeRTOS API利用技術が加わった構成です。従来マイコン開発は、マイコンテンプレートで習得できます。但しFreeRTOS利用技術は、別途習得する必要がありそうです。

その他の細々したクラウド接続手続きは、通信プロトコル上の決まり文句で、独自性を出す部分ではありません。

マイコンテンプレートサイト、レスポンシブ化完了

その弊社マイコンテンプレートサイトのレスポンシブ化が完了しました。閲覧の方々が、PCやスマホで画面表示サイズを変えても、自動的に最適表示に調整します。

また、サイト運営側も従来サイトに比べ、ページ追加/削除が容易な構成に変わりました。より解りやすく充実したサイト内容にしていきます。動作テストを十分にしたつもりですが、ご感想、バグ情報などをメールで頂ければ幸いです。

複製不可な暗号鍵生成技術:Chip DNA

IoTデバイスのセキュリティ対策に、IC製造プロセスのサブミクロン単位の違いを利用したデバイス固有の鍵を生成する技術:Chip DNAを使った製品DS28E38がマキシムから発表されました。

Chip DNAは、デバイスの指紋認証、顔認証に相当すると言えそうです。Maximは、暗号鍵の複製や外部からの解析も不可能なため、セキュア認証はChip DNA方式に変わると考えています。

また、MOSFETデバイスに自然発生するランダムアナログ特性を利用して暗号鍵を生成し、使用後は鍵が消える、つまりワンタイムパスワード的に使える技術もあるそうです。

ソフト➡ハード➡次世代セキュリティ:DS28E38

次世代暗号鍵
次世代暗号鍵(出典:マキシム、記事)

スマホでの指紋認証の手軽さは、誰もが経験しています。Chip DNAは、ハードウエアセキュリティよりも更にセキュリティが優れています。

Chip DNAでipv4のアドレス枯渇のようなことが無いならば、決定打と言えそうです。しかも、1ドル未満のコストで実現できるそうなので、SOC:System on a chipでIoT MCUに実装すればセキュリティ問題は解決するかもしれません。

DS28E38
DS28E38(出典:記事、マキシム)

Amazon、IoTマイコンへFreeRTOS提供

Amazon:アマゾンがFreeRTOSをカーネルにして、IoT端末とのクラウド接続、セキュリティ確保、将来的にOTA:Over The Airによるアップデート機能をライブラリで提供というニュースが入りました。

嬉しいのは、「FreeRTOS」と「OTA機能がRTOSで提供」されることです。

Amazon FreeRTOS

IoT端末とクラウドを接続するには、IoT通信プロトコルが必要です。BLE:Bluetooth Low EnergyやThreadが有力ですが、国内外の網側事情が異なるため、実質的なIoTプロトコル実装は間違いなく大変です。

もしこのIoT通信機能が、最大手アマゾンの無償ライブラリで提供され、マイコンUARTと同様にIoT Communication APIを使え、しかもセキュリティ対策済みであるならば、IoT端末は爆発的に普及するでしょう。普及の足かせとなっているIoT通信とセキュリティ問題が解決されるからです。

Amazon FreeRTOS
Amazon FreeRTOS利用イメージ (出典:記事、AWS)

現在Amazon FreeRTOSのハードウエアパートナーは、テキサス・インスツルメンツ:TI、マイクロチップ、NXP、STマイクロエレクトロニクスの4社で、NXPは、LPC54018 IoT Module、STMは、STM32L4 Discovery Kit IoT Node評価ボードでサポートするそうです。

NXP、STMいずれもかなり高性能MCU評価ボードを使っていますが、これは高機能IoTエンド端末(≒簡易スマホ)を想定しているからだと思います。FreeRTOSカーネルなので、ROM/RAMが少ない低価格IoTエンド端末にも実装できるハズです。

弊社ブログでも紹介してきたFreeRTOS自身は、様々なベンダの低価格MCUにも実装実績があります。

残念ながら弊社のFreeRTOSサンプルソフトは、NXPのLPCXpresso824-MAX上で完全動作しているとは言えませんが、近いうちにSTMのSTM32F103RB(Cortex-M3:64MHz、ROM/RAM:128KB/20KB)で再チャレンジし、新たにFreeRTOS版のテンプレートを開発できないか検討中です。

OTA機能

出荷後の組込みソフトを更新したいことは良くあります。但し、Windows更新でも失敗があるように、技術的にハイリスクで、また更新費用を顧客が負担してくれないこと(ノーリターン)も多いので、悩ましい事柄です。

Amazon FreeRTOSのOTAがRTOS関連のみか、または、RTOSにとってのアプリ、つまり開発ソフトも含むかは不明ですが、たとえRTOSのみであってもOTAが提供されれば好都合です。セキュリティ起因の不具合解消に役立つからです。

従来のベアメタル開発でもOTA関連の資料は、英語版で難解な記事はあります。しかし、私の場合は、結局現地でIDE書き換えの経験が多いです。リクスを少しでも下げたいのもあります。RTOSが機能提供してくれれば、責任転嫁(?)ですが助かります。

弊社FreeRTOSへの取組み

IoTクラウドサービスは、アマゾンのAmazon Web Services IoT:「AWS IoT」が先行し、マイクロソフトの「Azure IoT」、これらを追いかけるグーグルの「Weave」とアップルの「HomeKit」、その後ろにARMの「mbed Cloud」という状況だそうです。アマゾンは最先端を走っているのです。

先行アマゾンが2017年末に発表したAmazon FreeRTOSの詳細は不明ですが、IoT MCUのRTOSにFreeRTOSが有力であるのは、確実になりそうです。

FreeRTOSソフト開発の場合、タスク自体は簡単で単純な初期設定+無限ループ構成です。タスク同期やタスク通信にRTOS APIが使えれば、それ程難しくはないと(今は)考えています。この考え方が、タスクが増えたりプライオリティを変えたりしても正しいか、間違っているかは、実践経験あるのみです。

個人で実践できるFreeRTOS動作環境の構築が、弊社FreeRTOS版テンプレートの目標となりそうです。

レスポンシブサイトと説明資料

HappyTechサイトを年内完成目標に、レスポンシブ対応:Responsive Web Designへ改良します。

数年前にサイトを開発した時は、1ページ表示が流行っていたので、これに倣って(ならって)開発しました。しかし、スマホやタブレットなどのモバイルデバイスが増え状況が変わりました。

サイト内容のコンテンツ追加・削除もしにくい構成でしたので、流行のレスポンシブサイトに変更します。

Responsive Web Design
Responsive Web Design

レスポンシブテンプレートを探す

手っ取り早くレスポンシブサイトを開発する方法は、ネットに溢れるレスポンシブテンプレートを利用することです。

私は、HTML5 UPというサイトのテンプレートを利用しました。テンプレート説明資料はありませんので、開発には、多少のHTML、CSSの解読技術とベース知識が必要です。

レスポンシブテンプレートメリット

記載内容はそのままに、ユーザが使う画面大小に合わせて自動的に表示レイアウトを変えるのがレスポンシブサイトです。ご覧のブログはWordPressを使っていますので、利用テーマをレスポンシブ版に変えればそれで出来上がりますが、サイトの場合は、自分でHTMLとCSSを使って作り直す必要があります。

基本部分が出来上がったHTML5 UPテンプレートに、修正を加え動作を確認しながら、短期にサイトを開発できるのがテンプレート利用のメリットです。

マイコンテンプレートメリット

このメリットは、弊社マイコンテンプレートでも全く同じです。

サイト開発と同様、マイコンも動き出すまでに手間がかかります。また、動き出した後も、修正や変更が生じます。テンプレートを使うと、この動き出しまでの時間を、殆ど0に短縮できます。

マイコンAD変換:ADCを例に説明します。

ADCは、サンプルソフトも多く使い方も良く知られています。しかし、実際にセンサを接続して動作させると、複数回ADCの平均を計測値とするか、あるいは、1回のADCを計測値とするかは、アプリにより異なります。

通常は、ノイズ対策として平均値を用いる場合が多いです。それでも、測定間隔や何回の計算で平均を求めるかについては、センサとマイコンを接続し、実際に動作させカット&トライ:試行錯誤で決めるのがBestです。

この試行錯誤に適したソース構成が初めから出来上がっていれば、試行も容易でスパゲッティーコード(!?)にもなりません。

つまり、立ち上げを早くし、実動作に近い環境でプログラミングでき、しかもスパゲッティー化を避けられるのがマイコンテンプレートのメリットです。

マイコンテンプレート説明資料

説明資料があると、テンプレート修正や変更が容易になります。テンプレート開発者の考え方、指針が解るからです。最近のソースコードは、数行に渡るほどの多くの英語コメントが付いていますが、コメント文だけでは、これら考え方、指針は表現できません。

説明資料が無い場合は、どこを修正・変更すれば良いがが不明で、この場所を探すのに余分な時間が必要になります。マイコンソースコードは、その傾向が特に強く修正や変更で直にスパゲッティーコードになります。

標準的な決まりが多くあるHTMLやCSSと異なり、マイコンソースは比較的自由に記述できるからです。その結果たとえ同じ職場でも、他人が開発したマイコンソースは解読が難しいのが現状です。標準的な知識レベルがバラバラなのも原因の1つでしょう。デサインレビューの結果が反映され難いのです。

そこで、マイコンテンプレートには説明資料を添付し、標準的と思う私の考え方や開発指針を多く記載しています。テンプレートソースコードにも豊富な(冗長な!?)日本語コメントが付いています。

勿論、これら考え方や指針は、あくまでご購入者様のテンプレート理解が目的で、押付けではありません。テンプレート版権は、ご購入者様個人に帰属しますので、ご自分の考え方を反映した改良も自由です。

ご購入者様のご質問にも丁寧にお答えします。

マイコンテンプレートは、初心者~中級者向けです。しかし、全ての方のレベルに合わせた説明は、不可能です。それぞれの方でご質問は、異なります。広いレベルの方に参考になると思ったご質問に関しては、テンプレート改版時、説明資料へ付け加えています。

以上の方針で、マイコンテンプレート説明資料やソースコードを作成しています。

マイコンテンプレートご購入者は、または購入検討中の方であっても、いつでも、どのようなご質問でも、大歓迎です。お気軽にinfo@happytech.jpまでお寄せください。

SPI/I2Cバスの特徴と最新表示デバイス

IoT MCUは、従来の2×16文字のLCDから、SPIバス接続でよりリッチな表示ができるものへと変わりつつあると前投稿で述べました。

SPIバスは、従来MCUでも実装しています。ただし、多くの場合I2Cとポート共用で、センサやEEPROMとI2C接続するサンプルソフトが多数派でした。IoT MCUでは、センサ接続とリッチ表示を同時にサポートするので、I2C/SPIポートを2個以上装備するMCUが多くなりました。

本稿は、SPI/I2Cバスの特徴と、SPI接続の最新表示デバイスを示します。

SPIバスとI2Cバスの特徴

SPI Bus vs. I2C Bus (Source: Wikipedia)
SPI Bus vs. I2C Bus (Source: Wikipedia)

SPI(3線式)とI2C(2線式)は、どちらも制御ボード内で使うシリアル通信インタフェースです。少ない線数で複数デバイスを接続できますので、制御ピン数を少なくしたいMCUには適しています。
※SPI:Serial Peripheral Interface
※I2C:Inter-Integrated Circuit

仕様の解説などは、ネット内に数多くありますので省略します。

前投稿のNXP Swiss Army Knife Multi toolのWebinarで示されたSPIとI2Cの特徴に、MCU使用例を加筆したのが下表です。

SPI vs. I2C (Source: NXP Swiss Army Knife Multi tool Webinar)
  SPIバス I2Cバス
長所

・高速

・5V/3.3V デバイス混在可能

・2線でバス接続可能
短所

・デバイス毎にチップセレクト必要

・4動作モードがあるためバス接続時面倒

・低速

・同一Vddでデバイスプルアップ

使用例 リッチ液晶ディスプレイ, SD/MMCカードなど EEPROM, 加速度センサ, 気圧センサなど

※NXPは、当初I2Cバスで液晶ディスプレイ接続を試みたが、結局SPIバス接続になったそうです。Webinarだと、アプリケーションノートに記載されないこのような貴重な情報が入手できます。

SPI接続の最新表示デバイス

検討の結果NXPは、128×64ドット1.3“のOLED: Organic LED(有機LED)ディスプレイをMicro SDカードとSPIバス接続しています(前回投稿Swiss Army Knife Multi tool Block図参照)。
※有機LEDは、輝度や視野角、消費電力などの面で優れた特性を持つLEDです。

SPI OLED Display
SPI OLED Display

*  *  *

一方CypressのCY8CKIT-062-BLE Webinarでは、264×176ドットのE-INKディスプレイシールドが使われました。E-INKディスプレイは、電源OFFでも表示が残る画期的な表示デバイスです。しかもシールド基板なので、Arduinoコネクタを持つMCU評価ボードへの装着も可能です。

E-INK Display Shield
E-INK Display Shield

記載インタフェース信号名から、このE-INKディスプレイもSPI接続であることが解ります。

SPI E-INK Display
SPI E-INK Display (Source: PSoC® 6 BLE Pioneer Kit Guide, Doc. # 002-17040 Rev. *B, Table 1-3)

CY8CKIT-062-BLEは、このE-INKディスプレイのシールド基板付きで8,600円(Digi Key調べ)で入手可能なのでお得です。

しかし、E-INKディスプレイの制御方法が、PSoC Creatorの専用ライブラリ経由で、PSoC MCUファミリで使うには(多分)問題ありませんが、他社評価ボードでこのシールドを使う時は、専用ライブラリの詳細解析などが必要になると思います。

まとめ

SPIバスとI2Cバスの特徴と、SPI接続の最新表示デバイスを2つ示しました。

MCU評価ボードで使われた有機LEDディスプレイやE-INKディスプレイには、I2Cよりも高速なSPIバスが接続に使われています。

有機LEDディスプレイは、輝度や視野角、消費電力などの面で従来LEDディスプレイよりも優れています。

E-INKディスプレイシールドは、電源OFFでも表示が残りArduinoコネクタを持つ他社評価ボードにも装着可能ですが、Cypress制御ライブラリの解析が必要になります。

そこで、SPIバス接続を使ったArduinoシールド基板で、リッチ表示可能、サンプルソフトなどの情報多数、入手性が良く低価格、という条件で調べたところ、Adafruit(エイダフルート)の1.8“カラーTFTシールド(128×160ドット)、microSDカードスロットとジョイスティック搭載(秋月電子3,680円)を見つけました。

1.8" TFT Shield Schematic
1.8″ TFT Shield Schematic

TFT コントローラICのST7735Rのデータシートも開示されていますので、OLEDやE-INKシールドよりも使いやすいと思います。

しかも、メニュー表示した画面に、付属ジョイスティックを使ってユーザが処理選択することもできるので、お勧めのSPI接続表示シールド基板です。

Broadcom、Qualcomm、NXP買収戦略

半導体の業界動向についての最新記事を3つ紹介します。

パックマン(古い!)とBroadcom、Qualcomm、NXPでこの状況を表すとこんな感じでしょうか?

Broadcom、Qualcomm、NXP買収戦略
Broadcom、Qualcomm、NXP買収戦略

企業買収は、巨大な初期投資が必要な半導体業界での生き残り、かつ主要技術確保のための戦略の1つです。BroadcomがQualcommを買収すれば、Intel、Samsungに次ぐ3番手の半導体メーカとなり、スマホ向け半導体では業界最大手になるそうです。

QualcommによるNXP買収は、NXPのMCU競合他社(例えば、STエレクトロニクス、Cypress、我ら日本勢のルネサスエレクトロニクスなど)が嫌がり、また不安を抱く事柄(戦略)だと言うことは、つまり、この買収がMCUソフト/ハードの開発者である我々にも直接影響が大きいと言うことです。

NEC、日立、三菱各社のマイコンが、ルネサスになった時のことを思い出しましょう。

目先の開発案件だけに囚われず、大きなMCU技術動向、業界動向も把握しておかないと、ガラパゴス技術者になりかねません。

 

動きが早く激しい外国勢に対して、メモリー事業を売却して生き残った東芝は、

東芝の自動車用パワー半導体戦略
東芝の自動車用パワー半導体戦略

東芝やルネサスなどの日本半導体メーカには、我々日本MCU技術者がガラパゴス化しないためにも、生き残るだけでなく、例えば、マツダのSKYACTIV-Xのような、業界を引っ張っていく光る技術力を示してほしいと思います。

マイコンデータシートの見かた(その2)

現役STマイクロエレクトロニクスの「メーカエンジニアの立場」から記載された、ユーザ質問の多かった事項を中心にマイコンデータシートの見かたを解説する記事(連載2回目)を紹介します。

全3回の連載記事内容

第1回:凡例、絶対最大定格、一般動作条件、電源電圧立上り/立下り(2017年10月1日投稿済み
第2回:消費電流、低消費電力モードからの復帰時間、発振回路特性(← 今回の投稿)
第3回:フラッシュメモリ特性、ラッチアップ/EMS/EMI/ESD、汎用IO、リセット回路

記事タイトル:データシート数値の “裏の条件” とは

先入観を与える前に、記事を読んでください。消費電流、復帰時間、発振回路特性の留意点が記述されています。記事タイトルの “裏の条件” とは何でしょうか?

私は、データシート数値は、理想的動作環境のマイコン単体の最高数値、これが裏の条件と理解しています。
例えば、車の性能を燃費で比較する方は、普通の運転では絶対に達成できないカタログ燃費で車を評価します。マイコンも同じです。データシート数値は、このカタログ燃費相当だと思います。

カタログ燃費(出典:日本自動車工業会)
カタログ燃費(出典:日本自動車工業会)

実際は、この最高数値にマージンを入れて考える必要があります。どの程度のマージンを入れるかが問題で、安全側評価ならデューティ50%、つまり性能半分位が良いと思います。

但し、これもマイコン単体の話で、マイコン:MCUと電源、発信器や必須周辺回路を含めた制御系で考えると、どの程度マージンを入れるかは複雑怪奇になります。

そこで、ベンダ開発の評価ボードを手本とする考え、つまり、10月1日投稿で示した評価ボードをハードウエアテンプレートとして用いる考え方を、私は提案しています。

10月15日記事のように、評価ボードでもWi-Fi起動時電流に電源部品の余裕が(短時間ですが)少ないものもありますが、大方のベンダ評価ボードは、実用に耐えられる厳選部品が実装済みです。そこで、プロトタイピング時には、この評価ボードで制御系を作り、実装部品のマージンが十分かを評価するのです。

マージンが足りない場合には、同じ評価ボードへ、より高性能な部品を載せ替えるなどの対策が簡単にできます。制御される側もこのようなモジュールで開発しておけば、モジュール単位の設計、変更が可能です。

ソフトウエアも同様です。評価ボードを使えば、少なくとも最低限のソフト動作環境は整いますので、プロトタイピングのソフトをなるべく早く開発し、動作マージンを確認しておきましょう。

完成・出荷時には、ソフトへ様々な機能が後追加されるので、プロトタイピング時はハード同様デューティ50%、つまりROM/RAMの残りに50%位は残しておくと安心です。

ソフトウエアのプロトタイピング開発には、弊社マイコンテンプレートが最適です。

連載第2回範囲のMCUハードウエアまとめ

  • 水晶振動子のMCUクロック供給は、発振波形が正弦波に近いため貫通電流が増え消費電流大となる。
  • 未使用GPIO端子は、外来ノイズ対策に10k~100kプルアップorダウンし、電位固定が望ましい。
  • データシート低消費電力復帰時間がクロックサイクル規定の場合はそのまま使え、㎲規定の場合は参考値。
  • 外付け水晶振動子の利用時は、ベンダ推薦部品を使う。
  • 内蔵発振回路の利用時に、MCU温度変化やリフローによる機械的応力による周波数変動が無視できない場合は、周波数トリミングソフトを組込む。
  • PLL動作最低/最高周波数の設定ミスは多いが、マージンがありそのまま動作するので注意。

ESP-WROOM-32と評価ボードESP32-DevKitC

トランジスタ技術2017年11月号特集のWi-FiとBLE4.2両方搭載のIoTマイコン:ESP-WROOM-32(秋月電子550円)とその評価ボード:ESP32-DevKitC(秋月電子1480円)の記事をまとめます。

ESP32-DevKitC and ESPWROOM-32
ESP32-DevKitC and ESPWROOM-32

無線通信Wi-FiとBluetooth 4.2搭載で単価550円のマイコン

Wi-Fiは、802.11b/g/nの2.4GHzのみ、通信中の消費電流実測値は、起動時800mA、定常時200mAなのでマイコン電源にある程度の余裕が必要です。評価ボードは、1A出力のNCP1117(ONセミコンダクタ)を使っていますが、50%デューティで考えると、もう少し余裕が必要かもしれません。Bluetoothは、BLE4.2です。アンテナも内蔵です。

Tensilica製80MHz~240MHz動作32ビットディアル(!)コア、ROM: 448KB、RAM: 520KB、NXP)LPC8xxシリーズのスイッチマトリクス相当のGPIO_matrixを実装しており、デジタル周辺回路入出力を34本あるGPIOへ割り付け可能です。AD/DAなどのアナログ周辺回路は、ピン固定です。

製造は中国Espressif Systems社、従業員数約120人のファブレスメーカで、2016年米ガードナーが「IoT産業における最もクールな企業」に選出しました。Cortex-M系コアでありませんが、確かに機能/価格:コスパは凄いです。マイコン単体、評価ボードどちらも秋月電子からの入手性が良いので、人気が出るかもしれません。

プログラミングはArduino IDEとCLIのESP-IDFの2種

評価ボードESP32-DevKitCのプログラミングは、Arduino IDEのスケッチベースと、コマンド ライン インターフェース:CLIを使うEspressif Systems社提供ESP-IDF(IoT Development Framework)の2通りがあります。イーサネット、BLE4.2やI2Sを使う場合は、ESP-IDFでの開発が必要です。

評価ボードは、前述の1A電源とUSBシリアル変換デバイスのみ実装ですので、LEDやSWなどをブレッドボードなどで追加し、開発プログラムの動作確認をします。記事4章では、I2C接続で2種類の加速度センサー、1000円台で購入できるMMA8451Q(NXP)、または、20ビット高分解能のADXL355(アナデバ)を使い、簡易IoT地震計を開発しています。I2C経由の加速度データ取得方法は、他のマイコン制御時にも参考になります。

ディアルコア超高性能マイコンですので、評価ボードに1.8インチのSPIカラー液晶モジュール:M-Z18SPI-2PB(aitendo、950円)を接続し、動画を再生しているのが5章です。7章は、AD/DAを使って、今はやりのスマートスピーカーを開発しています。

11月号は、10ドルコンピュータのラズベリーパイZero Wを使った記事も記載されていますが、本ブログはマイコンが対象ですので割愛します。

マイコン開発のポイントは、ライブラリ活用/流用

コマンドラインインターフェース:CLIを使ったソフト開発は、慣れが必要です。しかし、これは慣れの問題です。例えArduino IDEでも、初めての人には戸惑う部分もあるでしょう。Arduino IDEが隠して(見えなくして)いる部分が他に比べて多いので、比較的簡単に慣れるようになるだけの話です。

慣れた後はどちらの開発環境も、豊富なライブラリや、サンプル・プログラム、サンプルソフトを使ってソフト開発をします。個人が1からソフトを全部開発するのではなく、既にあるソフト資産を活用/流用する、これが全てのマイコン共通の現代的なマイコンソフト開発方法です。

これはソフトウエアに限ったことではありません。ハードウエア開発でも、評価ボードやArduinoソケットは、1種のライブラリとも言えます。ソフト、ハードともに使える資産は活用し、これで得た(得をした)開発時間は、独自性を活かす部分に使います。

ライブラリ活用/流用には、ライブラリを使う側の骨格:スケルトンを理解していることが前提条件です。記事P48のArduinoスケッチの書き方で言えば、図Aのsetup()やloop()関数のようにマクロ的にソフト構造を捉えた後に、ミクロな問題へと詳細化することです。

骨格:スケルトンを理解していれば、後は必要な機能をライブラリの中から選び、必要に応じてライブラリを修正し、骨格に付け加えれば、動くモノが完成します(完成度で言えば65~79%:良判定)。

マイコン開発はこの動くものから、完成・出荷段階(完成度80%以上:優判定)にするのに結構な手間と時間が掛かります。

従って、ライブラリを上手く使ってなるべく早い段階で良段階へ到達し、ここからは腰を落ち着けて80%以上の完成度になるように開発時間の配分をしましょう。
また、骨格理解や習得にも十分な時間を割きましょう。

弊社マイコンテンプレートは、様々なサンプルソフトを流用/活用した早期ソフト完成、いわゆるプロトタイピング開発に役立ちます。是非ご活用ください。

マイコンデータシートの見かた(その1)

現役STマイクロエレクトロニクスの「メーカエンジニアの立場」から記載された、ユーザ質問の多かった事項を中心にSTM32マイコンデータシートの見かたを解説する記事(連載1回目)を紹介します。

全3回の連載記事内容

予定されている第2回、第3回の解説内容が下記です。

第1回:凡例、絶対最大定格、一般動作条件、電源電圧立上り/立下り(← 今回の記事)
第2回:消費電流、低消費電力モードからの復帰時間、発振回路特性
第3回:フラッシュメモリ特性、ラッチアップ/EMS/EMI/ESD、汎用IO、リセット回路

今回の第1回を読むと、データシートの読み誤り易いポイントが説明されており、興味深いです。ハードウエアに興味がある、または、ハードも自分で設計するソフトウエア開発者は、読むことをお勧めします。

マイコンハード開発を数回経験すると、おおよその感触とデータシートの見る箇所が解ってきます。私も新人の頃は、網羅されたデータシートの、”どこの何を見れば良いかが判らず”困惑したものでした。

ハードウエアテンプレートは評価ボードがお勧め

私は、使用するマイコンの評価ボードを、ハードウエアのテンプレートとして使います。
例えば、STM32F072RB(=NUCLEO STM32F072RB)は、配線パターン(=gerber files)や使用部品リスト(=BOM)もサイトに公開されています。

これらのデータは、「短納期を要求される開発者の立場」なら、網羅的記載のデータシートよりも、効率よく回路設計をする手助けとなります。

データシートを見ることは、間違いなく重要です。

しかし、具体的にハードウエア設計をする時は、評価ボードのような既に設計済みの「ブツ」を参考にしながら、なぜこの部分はこうなっているのか?などの疑問を持ってデータシートを見る方が、効率が良く、しかも、分厚いデータシートのポイントを理解するのにも役立ちます。

アナログとデジタル電源の1点接地や、パスコン実装位置などは、文字で注意書きをいくらされても解り難くいものです。この点、実物は、文字に勝ります。

ソフトウエアテンプレートはマイコンテンプレートがお勧め

ソフトウエア開発は、マイコンテンプレートの宣伝をするな!と思われた、勘のいい読者の方は、コチラのサイトを参照してください。

サンプルソフトは、”メーカ立場での提供ブツですが、”開発者の立場からの実物として、STM32ファミリ、サイプレスPSoC、NXPのLPC8xx/LPC111x/Kinetis、ルネサスRL78/G1xの各種マイコンテンプレートを、ソフトウエア開発者様向けに提供中です。

連載第1回範囲のハードウエアまとめ

第1回記事の範囲で、マイコンハード開発ノウハウをまとめると、以下になります。

  • マイコン外部接続ハード駆動能力は、I2C、USART、数点のLED直接駆動可能端子を除いては極小で基本的には直接駆動はしない。
  • 外部接続ハードの駆動と接続方法は、Baseboard(mbed – Xpresso Baseboard)や、各種Arduinoシールドを参考にする。
  • マイコン電源は、評価ボードのパターン、実装部品も含めてまねる。
  • 開発製品版の未使用(空き)端子処理は悩ましいが、ソフトはデフォルト、ハードはソルダーブリッジ経由で接地。

私は、今後の連載を読んで、未使用(空き)端子処理の見識などを深めたいと思っています。

BLEとThreadソフト開発者必見動画

IoT通信規格のBLE 4.2とThread(802.15.4)両方をサポートするNXP)Kinetis KW41Z搭載の評価ボードを使ったBEL4.2とThreadメッシュ接続の開発Video(タイトルが以下Lesson 1~10)を紹介します。

Kinetis KW41Z Video Lesson Contents
Kinetis KW41Z Video Lesson Contents

BLEやThreadソフト開発者必見のLessons

内容、質ともに優れたVideoでMCUXpressoとSDKの使い方も良く解ります。特に興味深い内容とその出所が以下です。

  1. Bluetooth ClassicとBluetooth Low Energyの本質的な違い(Lesson 3、3分ごろ)
  2. Bluetooth ClassicとBLE間を接続するBluetooth Smart Ready(Lesson 3、6分ごろ)
  3. BLE接続の具体例(Lesson 3、19分ごろ)
  4. BLE/Thread接続に必要な知識(Lesson 3, 6)
  5. Threadが生まれた背景(Lesson 6、2分ごろ)
  6. Cortex-M0+/48MHz、512MB ROM、128KB RAM、FreeRTOSで実現するBLE/Thread IoT端末(Lesson  5, 9, 10)

BLEやThreadに関する情報は多くありますが、ソフト開発者の立場からは、本Lessonsが最も要領よくポイントをまとめています。

Kinetis KW41Z

KINETIS KW MCU FAMILY BLOCK DIAGRAM
KINETIS KW MCU FAMILY BLOCK DIAGRAM

Kinetis KW41Zの評価ボードは、以下の2種(Digi-Key価格)です。

低価格で有名なFRDM評価ボードですが、さすがに両プロトコル対応のKW41Z搭載ボードとなると$100以上します。Videoで使っているR41Z-EVALは、約$60と安く入手できます。但し、Lesson 10のBLEとThreadメッシュ切り替え接続の動作確認を行うには、同時に3台の評価ボードが必要です。

ThreadのみサポートのKW21、BLEのみのKW31もありますが、無線規格が乱立していて、どれが本命かを見極めるのが困難な現状では、両プロトコルサポートのKW41が安全でしょう。

API for IoT

MCUXpressoとSDKを使って、BLEまたはThread通信機能を持つIoT端末を開発する際に、プロトコルのどの部分の変更/修正が必要で、それがソース上のどこにあるか、全体の開発手順などはVideoを観ると良く解ります。

BLE Protocol Stack
BLE Protocol Stack

また、LEDなどのGPIO制御を行うSDKデモソフトとIoT通信の並列処理は、FreeRTOSを使って実現していることも解ります。簡単なIoT端末なら、このデモソフトに、外部センサ値をAD変換し、その変換データをクラウドのサーバーへIoT経由で送信する機能を追加しさえすれば、直ぐに開発できそうです。
※簡単なIoT端末は後述

BLEやThreadは、IoT通信の有力な候補です。しかし、IoTの通信プロトコルが何になるにせよ、IoT通信向けのAPIが決まれば、あまり気にする必要がない、というのが全Lessonを通しての私の感想です。

その理由は、デモソフト実装済みのGPIO制御はそのまま使えますし、FreeRTOSを使っていますので、外部センサ入力を定期的にADCする処理(ADCスレッド)と、ADC変換データをIoT通信APIへ出力する処理(IoT出力スレッド)の2処理を追加開発すれば良いからです。

ADCスレッドは、IoT通信規格には無関係です。一方、IoT出力スレッドは、Uart出力と同様のIoT APIが使える(用意される)と思います。NXP)LPC8xxマイコンのUart APIの例で示すと、Chip_UART_SendBlocking()が、Chip_IoT_SendBlocking()に代わるイメージです。IoT API利用条件が初期設定で満たされれば、ユーザは、通信速度や、通信プロトコルを意識せずにIoT通信を使えるようになると思います。

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IoT通信規格が不確定な状況で、少しでも早くIoTやRTOSに慣れるには、R41Z-EVALは良い評価ボードです。また、FreeRTOSを使えば、48MHz動作のCortex-M0+、512MB ROM、128KB RAMで簡単なIoT端末が開発できそうな見通しもこれらLessonは、与えてくれました。是非、ご自分でご覧になってください。

簡単なIoT端末のイメージ

データ入力とGPIO出力を行うMCU端末で、IoT無線通信機能を備える。通信セキュリティを確保できるAES-128などの機能も備え、対象機器から取得したデータを安全にクラウド内のサーバーへ送信する。
サーバーは、対象機器データを人工知能を使って予測分析し、結果を端末へ送信する。
端末は、受信結果を基にLEDなどのGPIO出力を行い、オペレータまたはロボットが対象機器メンテナンス作業の手助けをする。