IoT MCU汎用Baseboardの汎用性

・IoT MCU汎用Baseboardの特徴
・CMOSデバイス直結を利用し、3.3V動作MCUソフトウェア開発に5V動作ハードウェアを使えること

をFRDM-KL25Z(動作範囲:1.71~3.6V、5V耐圧なし)を例に前稿で示しました。
このIoT MCU汎用Baseboard の汎用性について解りにくいというご指摘がありましたので、説明を加えます。

IoT MCU汎用Baseboard構成パーツ

IoT MCU汎用Baseboardの構成パーツが下図です。

Arduinoコネクタ有りのMCU評価ボードはFRDM-KL25Zを掲載しましたが、Arduinoコネクタを持たない例えば、Cypress)PSoC4000SなどのMCU評価ボードでも接続可能です。これが汎用性をうたった理由です。

様々な追加Arduinoシールドは、Arduinoコネクタでスタック接続、それ以外のパーツ間は、オス-オスコネクタで接続します。

IoT MCU汎用Baseboard構成(色付き領域)
IoT MCU汎用Baseboard構成(色付き領域)

IoT MCU汎用Baseboard構成パーツの役割

パーツ名 機能、役割

MCU評価ボード

動作電圧:3.3V/5V動作のMCUソフトウェア開発ボード
外部ハードウェア接続:Arduinoコネクタ/独自コネクタ

追加Arduinoシールド

IoT向けセンサなどのMCU評価ボード機能付加

Arduinoプロトタイプシールド

シールド直上へスタック接続(Arduinoピン名シルクあり)
配線済みMCUリセット、未配線2個LED、1個SW実装済み
MCU評価ボード直上設置で操作性向上

5V Baseboard

LCDやポテンショメータなど5V動作ハードウェア搭載

オス-オスコネクタ

ボード、各パーツ間接続

Arduinoコネクタ

Arduinoシールドスタック接続

CMOSデバイス直結

3.3V MCU出力→5Vハードウェア入力:接続問題なし
5Vハードウェア出力→3.3V MCU入力:5V耐圧無しなら3.3V以下

付属ブレッドボード

CMOSデバイス直結時、電流保護抵抗や必須ハードウェア搭載

MCUに5V耐圧が無い時は、MCU入力電流保護抵抗や入力電圧を3.3V以下へ抑える必要があり、これら必須ハードウェア、およびArduinoプロトタイプシールドの2個LED、1個SW配線用に、プロトタイプシールド付属ブレッドボードを使います。

IoT MCUは、MCU評価ボード搭載済み機能だけでなく、様々なセンサや付加機能(例えば、構成パーツで示したデータロギングシールドなど)を追加して開発します。これら追加センサや付加機能ハードウェアを、安く早く調達するには、既製Arduinoシールドが適しています。

殆どのMCU評価ボードがArduinoシールドを追加できるように設計されているのはこのためです。

Arduinoコネクタ実装済みのFRDM-KL25Zの場合は、直上、または直下へArduinoシールドをスタック追加します。FRDM-KL25Z追加シールド処理結果を表示するため、プロトタイプシールド経由で5V Baseboard LCDと接続します。

独自コネクタで機能追加するPSoC4000S評価ボードに対しても、オス-オスコネクタでArduinoプロトタイプシールドと接続すれば、それ以外の部分は共通です。この時は、プロトタイプシールド直下にArduinoシールドを追加します。

※Arduinoシールドを複数追加する時は、スタック接続します。

Arduinoプロトタイプシールドは、Arduinoピン名がシルク印刷済みです。Arduinoピン名とMCUピン名のマッピングを間違う可能性も低く、リセット追加で制御系の操作性も向上します。

様々なMCU評価ボードに対して、表中のMCU評価ボード以外の赤字パーツが汎用的に使え、かつ、Arduinoシールド追加性にも優れていることがお解り頂けたと思います。

IoT MCU汎用Baseboard用途

CMOSデバイス直結は、ハードウェア担当者からは、気持ちが悪いと言われるかもしれません。

この場合は、CMOSデバイス間にバス・スイッチ(SN74CB3T3245)を挿入すれば、パッシブデバイスですので高速性や信頼性、ノイズに対しても安心です。もちろん、動作ソフトウェアは同じものです。詳細は、関連投稿:3.3V MCUと5Vデバイスインタフェースを参照してください。

このIoT MCU汎用Baseboardは、早く、安くIoT MCUソフトウェア開発をするためのソフトウェア担当者向けツールという位置づけです。製品化にあたっては、ハードウェア担当者も安心するようにバス・スイッチの利用をお勧めします。


IoT MCU汎用Baseboard

弊社が考えるIoT MCU向き汎用Baseboardを示します。要件は、(1)IoT MCU向き、(2)低価格、(3)入手性の良さです。

Arduino UNOプロトタイプシールド ブレッドボード付き(¥480)と、従来から使ってきたBaseboardを併用した汎用Baseboardの特徴、FRDM-KL25Zを使った3.3V MCUと5V LCDのCMOSデバイス直結適用例を示します。

図1 Arduino UNO プロトタイプ シールド ブレッドボード 付き
図1 Arduino UNO プロトタイプ シールド ブレッドボード 付き

NXP IoT Module Baseboard

“IoT Baseboard”で検索すると、NXPのIoT Module Baseboard($160)が現れます。これは、右下にLPC54018(Cortex-M4/180MHz)をAdd-onし、EthernetやSD Card等の機能追加を行う「専用」Baseboardです。Baseboardに加え、ArduinoコネクタでもLPC54108へ機能追加できることが判ります。

図2 IoT Module Baseboard(UM11079に加筆)
図2 IoT Module Baseboard(UM11079に加筆)

LPC54018専用Baseboardで$160と高価ですが、Arduinoシールドが追加できる点が重要です。つまり、IoT Module Baseboardで基本機能追加、開発用途に応じた機能追加はArduinoシールドやPmodで行うという2通りの機能追加方式です。

Arduinoシールドで、様々なプロトタイピング開発に対応できる訳です。

Arduinoシールド

多くのMCU評価ボードは、上記LPC54018専用Baseboardと同様、Arduinoコネクタで機能追加が可能です。安価で豊富な種類のArduinoセンサシールドが販売中であることがその理由です。

弊社IoT MCU汎用Baseboardも、Arduinoシールドで機能追加できることをポイントと考えました。FRDM-KL25Zを例に説明します。

FRDM-KL25Zは、Arduinoコネクタが未実装ですのでコネクタを追加したのが図3です。Arduinoコネクタは、複数シールドをスタッカブルに装着するため、上側がメス、下側がオスの貫通ピンで構成されます。

図3 Arduinoコネクタ追加のFRDM-KL25Z
図3 Arduinoコネクタ追加のFRDM-KL25Z

Arduinoコネクタピン(青色)と、FRDM-KL25Zピン(赤色)の対応表です。例えば、右下のPTA1は、D0に対応するなど、MCU評価ボード開発時は赤色ピン、これがArduinoコネクタ利用時は青色ピンへ変わります。

図4 Arduinoコネクタピン(青色)とFRDM-KL25Zピン(赤色)対応表
図4 Arduinoコネクタピン(青色)とFRDM-KL25Zピン(赤色)対応表

MCU評価ボードにはArduinoピンのシルク印刷はありません。開発するMCU評価ボードのArduinoコネクタ対応表をよく見て、MCU評価ボードピンとArduinoピンマッピングを間違わないように注意する必要があります。

Arduino UNOプロトタイプシールド プレッドボード付き

図1のArduino UNOプロトタイプシールドは、MCUボード上に装着してもFRDM-KL25Zのタッチセンススライダの操作はできます。また、評価ボード上のLED動作は、プロトタイプシールドのスルーホールから目視できます。

さらに、プロトタイプシールドには、評価ボードRESETに並列接続済みリセットボタンと2個のLED、1個のSWが実装されています(図1回路図参照)。

プロトタイプシールドのLEDとSWは、評価ボードとは未接続ですが、付属のブレッドボードを使って配線すれば、LチカなどのMCU動作確認にも便利に使えます。

※Arduino UNOプロトタイプシールド プレッドボード付きの動作は、5章:3.3V MCUと3.3V LCD接続で示します。

IoT MCU汎用Baseboardと適用例

以上のようにArduino UNOプロトタイプシールドは、Arduinoコネクタを持つMCU評価ボードの機能追加や動作テストに便利に出来ています。

そこで、このプロトタイプシールドを、弊社が従来から使ってきた5V動作Baseboardと併用します。

MCU評価ボードへのIoTセンサやセキュリティ機能などはArduinoシールドで追加、LCDやポテンショメータなどの機能は5V動作Baseboardにより追加、この2通り機能追加で「汎用開発」に使えるIoT MCU Baseboardになります。

MCU評価ボードとして3.3V動作FRDM-KL25Zと、Baseboard実装の「5V動作LCD」とをCMOSデバイス直結で接続した適用例を示します(CMOSデバイス直結は、関連投稿を参照してください)。

図5 IoT MCU汎用BaseboardのFRDM-KL25Z適用例
図5 IoT MCU汎用BaseboardのFRDM-KL25Z適用例

※IoTセンサシールド等を追加する場合は、MCU評価ボード(FRDM-KL25Z)の直上、または直下へスタック装着を想定しています。図5は、IoTセンサシールド等を省略した例と考えてください。

3.3V MCUと3.3V LCD接続

プロトタイプシールドを装着したFRDM-KL25Zへ、前章の「5V動作LCD」の代わりに「3.3V動作LCD」を接続した例も示します。FRDM-KL25Zソフトウェアは、どちらも同じものです。

関連投稿では未検証であった3.3V MCU開発ソフトウェア動作確認に、CMOSデバイス直結を利用し5V動作Baseboardが利用できることが、LCD表示が同じであることにより実証できました。

図6 プロトタイプシールド利用の3.3V MCU評価ボードと3.3V LCD接続例
図6 プロトタイプシールド利用の3.3V MCU評価ボードと3.3V LCD接続例

ブレッドボードに実装したのは、LCD表示コントラスト調整用スライド抵抗です。5V系センサ等と3.3V MCU評価ボードをCMOSデバイス直結時に必須となるMCU入力電流保護抵抗は、ブレッドボードへ実装し対応できます。

まとめ

Arduinoプロトタイプシールドと、従来から弊社が使ってきた5V Baseboard併用の、IoT MCU汎用 Baseboardを示しました。IoT関連の機能追加はArduinoシールドで、LCD等の機能追加は5V Baseboardで行い、低価格、入手性が良く、様々なIoT MCUプロトタイピングに使えます。

最低限必要なロジックをプロトタイプシールド付属ブレッドボードへ実装すれば、3.3V系MCU評価ボードと5V系ハードウェアの制御ソフトウェア開発に、CMOSデバイス直結が使えることを実証しました。

本稿で示したFRDM-KL25Z とIoT MCU汎用Baseboardを使ったKinetis Lテンプレートは、年内に発売予定です。ご期待ください。