PSoC 4100S CapSenseの使い方(最終回)

Cypress PSoC 4 MCU内蔵タッチセンサ:第4世代CapSenseの使い方、最終回は、これまでの関連投稿全体まとめと、PSoC MCU開発時の留意点を説明します。

6月3日発表のInfineon+Cypressが成立するかは不透明です(関連投稿:InfineonがCypress買収で合意)。但し、買収が成立するとCypressのPSoC 4シリーズはよりメジャーMCUになります。このPSoC 4000S/4100S内蔵の最新第4世代CapSense使ったタッチUIテンプレート開発が関連投稿の目的です。

PSoC MCUのソフトウェア開発は、他社ARMコアMCU開発と比べると少々クセがあります。

但し、このクセさえ知っていれば、他社MCUからの移行も容易で、PSoCの特徴を活かした開発もできます。そこで、このクセに対する個人的な留意点と、開発に使用した評価ボードのTipsを初めに示します。

第1回~今回の投稿を基に、PSoC 4000S/4100S専用タッチUIテンプレート開発を進めます。開発完了とテンプレート発売は、少し時間を頂いて、2019/3Qを予定しております。

PSoC MCU開発時の留意点、評価ボードTips

用語とPSoC Creator

Cypress PSoC MCU資料で用いる用語は、他社が使う一般的な用語と異なります(対応表参照)。また、PSoC CreatorのTopDesign.cyschと呼ぶ回路図へコンポーネントを配置し、開発着手するのも他社に無い手法です。

Cypress PSoC MCU用語 他社ARMコアMCU用語
ファームウェア:Firmware ソフトウェア
コンポーネント:Component ハードウェア、周辺回路、コントローラ
コードサンプル:Code Example サンプルプロジェクト、サンプルソフトウェア
PSoC CreatorのTopDesign.cysch(論理回路図) なし

PSoC Creatorも他社同様EclipseベースIDEです。しかし、PSoC MCUの独特な設計手法(これをクセと表現しました)をサポートする強力かつ良くできたツールです。画面構成が他社Eclipse IDEと異なりますが、注意して画面を観察すると、開発中に知りたいリンクがほぼ100%あります。

Cypressは、PSoC/PRoCをMCU:マイコンというより、むしろ、プログラミングも可能なASIC(PSoCがProgrammable System-on-Chipの略から筆者推測)のように考えているため、これらのクセが生じるのだと思います。

Cypress資料

Cypress資料は、質・量・書き方ともに優れています。英語ですが、日本語版もありますので、是非資料を読むことをお勧めします。内容は整理されており、解り易いので、目次のみ見てもほぼ解ります。

筆者はせいぜい数時間しか集中できません。集中力が持続しない方にお勧めの情報把握方法が、目次のみ → 内容類推 → 内容把握です。コンポーネント習得と同様、焦らず段階的、部分的に把握していけば、そのうち全体が見えてきます。

コンポーネントUpdate

PSoC MCUのソフトウェア開発は、コンポーネントAPIのプログラミングです。想定するアプリケーション用に各種コンポーネントを組み合わせて入れた容器、これがデバイスです。

コンポーネントは、それ自身が更新されバージョンを持ちます。例えば、第4世代CapSenseコンポーネントの最新バージョンは、2019年6月現在6.0です。PSoC Creator起動時に、プロジェクト使用中コンポーネント版数を自動的に調べ、Updateがある場合には、Notice Listに通知されます。

殆どの場合、コンポーネントをUpdateしてもトラブルはありません。しかし、コンポーネントUpdateがデバイスハードウェア/ソフトウェア両方に関係するため、コンパイルNGなどになることも稀にあります。

従って、Update時にはArchivesを作成し、元に戻せるようにしましょう。Archives作成は、PSoC CreatorがUpdate時にダイアログを示しますので従ってください。

コンポーネントCode Example

コンポーネント毎にCode Exampleがあります。PSoC Creatorのコンポーネントカタログ掲載のコンポーネントは、いわば標準的なもので、Code Exampleの中には、巧みな使い方をした派生コンポーネントもあります。

CapSenseのCode Example検索方法
CapSenseのCode Example検索方法

評価ボード:KitProg2

本開発で用いた評価ボード:CY8CKIT-145-40XX PSoC 4000S CapSense Prototyping Kit のKitProg2基板は、2019年5月号トラ技第6章P103~P114のPSoC 5記事のことです。

評価ボードのKitProg2部分
評価ボードのKitProg2部分(出典:PSoC 4000S Prototyping Kit Guide)

筆者はこのPSoC 5搭載KitProg2基板を、トラ技付録基板に接続する予定です。つまり、トラ技記事では別途購入が必要であったUSBシリアル変換アダプタの代わりに、トラ技付録基板へのテンプレートプログラミングやデバッグに活用します。

もちろんKitProg2基板は、トラ技6章記事のような使い方もできます。

KitProg2基板は、「SWD(Serial Wire Debug)を使った“汎用”のPSoC MCUプログラミングインタフェースモジュール」です。

KitProg2とPSoC 6の接続例
KitProg2とPSoC 6の接続例(出典:CY8CPROTO-063-BLE Schematic)

上図はPSoC 6がターゲットMCUの例です。ターゲットMCUとSWD IO/SWD CLK+RST/GND/VTARGの5ピンで接続すれば、USB接続のKitProg2モジュール経由でPSoC Creatorプログラミング/デバッグが可能です。

また、USB ⇔ I2C/シリアル変換アダプタとして利用する場合は、KitProg2裏面掲載のターゲットMCUとの結線追加で可能です(評価ボードI2C、UARTは、基板内で配線済み)。

KitProg2裏面のターゲットUARTとI2Cの結線(中央)
KitProg2裏面のターゲットUARTとI2Cの結線(中央)

USB ⇔ I2C変換アダプタ利用時はPSoC Creator付属Bridge Control Panel、また、USB ⇔ UART変換アダプタ利用時はTera Termなどが接続ツールとして使えます。

開発するCapSense UIモジュールと外部機器、または別MCUとの接続デバッグ時に、上記KitProg2基板のUART、または、I2Cの変換アダプタ機能が活用できます。

その4で示したSCBコンポーネントの3モードのうち、UART/I2Cがこれら変換アダプタ経由でPCとの通信に使えます。従って、SCBコンポーネントを手軽に使うには、接続ツールが用意されているUART/I2Cが適しています。

評価ボード:機能分割と低価格

本開発評価ボードのブロック図です。前章KitProg2とPSoC 4000S、さらにEZ-BLE PRoCの3MCU搭載でわずか$15です。

CY8CKIT-145-40XX_PSoC 4000S_Prototyping_Kit_Block Diagram
CY8CKIT-145-40XX_PSoC 4000S_Prototyping_Kit_Block Diagram

EZ-BLE PRoCは、PSoC 4000SのEZ-I2Cコンポーネント経由で得たCapSenseボタンやスライド・バー位置を、スマホへのBluetooth無線送信する10 x 10 x 1.8mmサイズのモジュールです。スマホのアプリケーションは、Cypressサイトからダウンロードできます。

EZ-BLE PRoC用途
EZ-BLE PRoC用途

IoT MCUは、Bluetoothなどの無線通信やスマホ活用のエッジMCU制御も必要になります。

この開発に、無線機能付き高性能MCUを使って、RTOSやソフトウェア/ファームウェアを駆使し開発する選択肢もあります。が、評価ボードのようにモジュール分割し、複数の低価格MCUで組めば、わずか$15で実現できます。

しかも、機能分割した各MCUのソフトウェア開発も簡単です。EZ-BLE PRoCソースコードは、評価ボードサンプルプロジェクト内に有りますので参照してください。

評価ボードはバーゲンプライスです。しかし、その機能分割方法や評価ボードやモジュール活用のシステム開発も選択肢に入れるべきと感じる低価格と機能分割の上手さが解ります。低価格MCUでも使い方次第という好例が、本開発の評価ボードです。

PSoC 4000S/4100S内蔵、第4世代CapSenseの使い方(最終回:関連投稿)まとめ

ソフトウェア開発者向けPSoC 4000S/4100S第4世代CapSenseの使い方
項目 PSoC 4000S/4100S内蔵第4世代CapSenseの使い方(要点)
タッチUIテンプレート構想

(その1)

タッチUIモジュール
単独タッチUIモジュール利用が可能
タッチUIハードウェア

(その2)

1. タッチUIは、指をパッドに近づけた時に生じる静電容量変化で検出。確実に静電容量変化を生むPCBハードウェア:パッド設計が重要。

2. ソフトウェア開発者向けPCB設計ガイドラインの要旨を示し、評価ボードパッド形状の理由と、自己容量式(self-capacitance)、相互容量式(mutual-capacitance)差を説明。

3. 評価ボードパッド部分をトラ技付録PSoC 4100S基板とも接続。 PSoC 4100Sでもテンプレートを動作させPSoC 4000S/4100S両方対応テンプレート化を図る。

CapSense設定

(その3前半)

1. コンポーネントカタログからCapSenseを選びTopDesign.cyschへ配置。

2. コンポーネントデータシートを参照しCapSenseプロパティ設定。基本動作は、Basicタブ設定のみで十分。

3. CapSenseコンポーネント使用GPIOピン設定は、ピンエディタで実行。

CapSenseプログラミング

(その3後半)

1. 基本動作プログラミング教科書に評価ボードサンプルプロジェクトmian.cは最適。

2. 基本動作は、スキャン開始と終了の間、CPUスリープで低電力動作可能。

3. 高感度動作は、スキャン中別処理禁止のブロッキングスキャンを検討。

4. CapSenseプログラミングは、他コンポーネントとの並列処理より時分割処理の方がリスクは少ない。

5. 基本動作CapSense APIは6個。さらに多くのCapSense APIあり。

EZ_I2C(SCB

(その4)

1. EZ-I2Cは、CapSense出力のリアルタイムモニタ用。

2. リアルタイムモニタは、ユーザ開発パッドのCapSenseプロパティ設定に役立つ。

3. EZ-I2Cは、SCBコンポーネント利用法:I2C通信の1種。

4. CapSenseとEZ-I2C間のデータ送受は、RAM利用。

わずか2個コンポーネント利用の第4世代CapSenseの使い方でも、初めてのPSoC MCU開発者向けに要点をまとめると上記になります。最新CapSense動作確認と、殆ど全てのPSoC MCU開発に必要になるSCBコンポーネントの習得が、評価ボードで手軽にできるので教材としては最適だと思います。

PSoC MCUは、コンポーネント単位の開発経験積重ねができます。

一度PSoC開発を経験しておけば、新しい内容はCapSenseプログラミングだけです。今後は開発アプリケーションに応じて使用するコンポーネントを段階的に増やし、PSoC MCU開発の面白さ、奥深さを実感、習得してください。

但し、新規にプロジェクトを開発する時でも、1からコンポーネントを積重ねるのは非効率です。

PSoC Creatorには、新規プロジェクト開始時にPre-populated schematicというプリセット型プロジェクトもあります。しかし、より実務的でプロトタイプ開発に適し、時分割処理を組込んだプロジェクト、これが弊社テンプレートです。

弊社テンプレートは、プロジェクト開始時に最低限必要なコンポーネントが組込み済みで、プロトタイプ開発スピードを上げる効果があります。また、時分割処理ですので、コンポーネント単位の処理追加・削除も容易です。

関連投稿:テンプレート利用Tips

新開発のPSoC 4000S/4100SタッチUIテンプレート発売は、2019/3Q予定です。

このテンプレートをご購入頂ければ、本稿のまとめ文章だけでなく、豊富な日本語コメント付きソースコードと、開発Know Howなども記載した資料が付属します。より具体的に、しかも初心者・中級者にありがちな開発トラブルを回避した第4世代PSoC 4000S/4100S CapSenseの使い方、PSoC MCU開発が短期で効率的に習得できます。

PSoC 4100S CapSenseの使い方(その3後半)

Cypress PSoC 4 MCU内蔵タッチセンサ:第4世代CapSenseの使い方、3回目後半は、CapSenseのプログラミングです。ソフトウェア開発者にとって一番面白い箇所です。

参照情報:AN85951 PSoC® 4 CapSense® Design Guide.pdf(日本語版)

CapSenseプログラミング理解はサンプルソースコードが最適

AN85951のCapSenseの設計フロー:P9をご覧ください。本稿テーマのCapSenseプログラミングは、8. Firmware Designに相当します(9. はPSoC Creatorの一般的な使い方でCapSenseとは無関係)。

これまでのPSoC 4100S CapSenseの使い方に関する一連の投稿は、1~7の内容を抜粋し、かつ、ソフトウェア開発者向けに説明してきました(従って、本ブログで不明な点は、1~7を参照頂ければ、より理解できます)。

8. Firmware Designドキュメントは、P10に示されています。PSoC Creatorサンプルプロジェクトをクリックすると、P45の4.1.4 サンプルプロジェクトと4.2 ハードウェアキットへジャンプします(コンポーネントデータシートは、第4世代より古いCapSenseのこと)。

さて、このジャンプが意味するのは、「CapSenseプログラミングは、サンプルプロジェクトを読みなさい」ということです。

実際に動作するサンプルプロジェクトのソースコードを見れば、文章で細々プログラミングを説明するよりも一目瞭然ということです。

筆者も、これに完全に同意します。やはりソースコードが、一番良いプログラミング教科書です。…と書くと、これで本稿が終わりますので、少々解説を加えます。

CapSenseプログラミング解析

4.2 ハードウェアキットの開発キット3列目が(名称が違いますが)本開発の評価ボード:CY8CKIT-145-40XX PSoC 4000S CapSense Prototyping Kit です。

このサンプルプロジェクト:CE210709_CapSense_Linear_Slider_and_Buttonsのmain.cの一部を抜粋します。

評価ボードサンプルソースコードの一部抜粋
評価ボードサンプルソースコードの一部抜粋

初期設定:CapSense_Start()後、無限ループ内でCapSenseの3状態(SENSER_SCAN → WAIT_FOR_COMPLETE→ PROCESS_DATA)遷移を繰返します。default : breakがあるので、さらに別状態の可能性もあります。が、ここでは無視します。
※ENABLE_TUNERは、次回EZ_I2Cで示すCapSenseリアルタイムモニタ機能です。今回は無視してください。

注目すべきは、WAIT_FOR_COMPLETE状態のCySysPmSleep()です。

つまり、CapSenseスキャン開始と終了の間は、CPU:Cortex-M0+はスリープしているのです。この間にCPUで別処理をすることも可能です。スキャンとスリープCPUの割込み起動は、CapSenseコンポーネントが行います。

まとめると、ソースコードから以下が解ります。

・コンポーネント初期設定は、コンポーネント名_Start
・コンポーネントAPIは、コンポーネント名_処理内容
※CapSense以外の全てのコンポーネントでも上記2つは同じ
・CapSenseスキャン開始~終了間のハードウェア処理時間が長いため、CPUをスリープにするのが低電力化に良い。スリープ起動にCapSense割込みを使用。
・PSoC 4000S無限ループは、for(;;)の書き方

基本動作CapSense API

サンプルプロジェクトソースコードで使ったCapSense APIは、全部で6個です。

・CapSense_Start()
・CapSense_IsBusy()
・CapSense_ScanAllWidgets()
・CapSense_ProcessAllWidgets()

LED_Control()で、スライド・バー位置やパッドタッチに応じてLED制御を行うため2個使っています。

・CapSense_GetCentroidPos()
・CapSense_IsWidgetActive()

CapSenseコンポーネントデータシートには、CapSense APIが上記以外にも数多くあります。これらを使うとよりきめ細かな制御も可能です。興味ある方は、参照してください。

CapSenseファームウェアの注意書き

AN89548の6.1 ファームウェアP108~P110に以下の注意書きがあります。
※PSoC MCUでは、他社が言うソフトウェアのことをファームウェアと言います。

“CapSenseハードウェアは高感度アナログシステムなので、CPU並列動作によるデバイス電流の急激な変化は、CapSense検出能力に影響を与える可能性がある。CapSenseを、近接センサやオーバーレイ素材が厚い場合など高感度が必要な場合は、以下のブロッキングスキャンを使うこと。”

ブロッキングスキャンのソースコード
ブロッキングスキャンのソースコード(出典:AN89548)

ブロッキングスキャンとは、サンプルプロジェクトで示した状態遷移を止め、CapSense処理中は別処理を禁止するスキャンです。CapSenseのみにデバイス能力を使いますので、高感度ですがスキャン中の低電力化もしません。

“CapSenseといえども低消費電力設計が望ましいが、PSoC 4000デバイス(←Sなしに注意)は、CapSenseスキャン中のスリープは勧められない。” (以上の、” … “ が、6.1の注意書き)。

第4世代CapSense利用PSoC 4000S/4100Sテンプレート開発方針

本開発は、第4世代CapSense内蔵のPSoC 4000S(←S付き)とPSoC 4100Sデバイスが対象です。

従って、サンプルプロジェクトで示した「CapSenseスキャン中スリープ有り」の方法で開発し、高感度が必要な時は、ブロッキングスキャンを検討するアプローチで良いでしょう。

トラ技付録基板のPSoC 4100Sは、PSoC 4000Sに比べ内蔵アナログコンポーネントが豊富です(PSoC4100SとPSoC 4000Sの主な特徴差は、その1比較表参照)。

AN89548の注意書きから、CapSenseコンポーネントスキャン中の電流変動は禁物なので、欲張って他のアナログコンポーネントとデバイスを共用するのは、時分割処理すれば別ですが、CapSenseの性能を引出すのは大変そうな気がします。

この意味で、内蔵アナログ機能の少ないPSoC 4000SをCapSense専用デバイスとして使うのは、開発のスジは良いと思います。

一般的にCapSenseやADCなどのアナログ機能は、ノイズに敏感で動作中の電流変動にも性能を左右されます。また、トラ技2019年5月号P128、ACアダプタのノイズに注意の章記述から、トラ技付録基板利用時は、供給電源の品質も高いものを使うことが重要です。

以上のことから、CapSenseと別のアナログ機能を利用する時は、並列動作は避け、時分割処理の方がリスクも少ないと思います。

弊社テンプレートは、時分割処理動作です。従って、アナログ単独動作時とほぼ同じ性能を多重時でも出せます。

CapSenseの使い方(その3後半:CapSenseプログラミング)まとめ

PSoC 4000S/4100S内蔵第4世代CapSenseコンポーネントのプログラミング要点を示しました。

  1. CapSense基本動作プログラミング理解に、評価ボードサンプルプロジェクトソースコードは最適。
  2. CapSense基本動作なら、スキャン開始と終了の間、CPUスリープで低電力動作可能。
  3. 高感度CapSenseが必要なら、スキャン中別処理禁止のブロッキングスキャンを検討。
  4. CapSenseプログラミングは、他コンポーネントとの並列動作より時分割処理の方がリスクは少ない。
  5. CapSense基本動作で使うCapSense APIは、6個。さらに多くのCapSense APIあり。

PSoC 4100S CapSenseの使い方(その2)

Cypress PSoC 4 MCU内蔵タッチセンサ:第4世代CapSenseの使い方、2回目は、ハードウェアのタッチ・パッドやスライド・バー基板開発時のガイドラインを示します。と言っても、ソフトウェア開発に最低限必要なパッド仕組みを説明します。読者にソフトウェア開発者が多いからです。ハードウェアのPCBアートワーク担当者向けには、情報リンク先を示しています。

PSoC 4100S CapSenseの使い方(第2回内容)
PSoC 4100S CapSenseの使い方(第2回内容)

参照情報:AN85951 PSoC® 4 CapSense® Design Guide.pdf(日本語版)

タッチUIのメリット

メカニカルなボタンやスイッチでは、チャタリングや経年劣化、水濡れへの対応が必要です。タッチUIは、これらに対して有利です。また、パッド形状の自由度が高いので、スマホで一般的になった直感的なタッチ操作による優れたユーザインタフェース(UI)が実現できます。

これらタッチUIは、指をタッチ・パッドに近づけた時に生じる静電容量の変化をPSoC 4000S/4100S内蔵のCapSenseで検出し実現します。従って、確実に静電容量変化を生むパッドの基板設計が重要です。

タッチ・パッド、スライド・バー設計ガイドライン、AN85951の6.4章

静電容量変化の検出には、自己容量式(self-capacitance)、相互容量式(mutual-capacitance)という2方式があります。各方式の仕組みとパッド例が下図です。

自己容量式(左)と相互容量式(右)の仕組みとパッド例
自己容量式(左)と相互容量式(右)の仕組みとパッド例(出典:AN85951)

自己容量式は、1パッドに1個のGPIOを使います。相互容量式は、1パッドにTxとRxのGPIOペアが必要です。Txは複数ボタンで共有も可能で、自己容量式よりもGPIOを多く使うぶんタッチ検出性能が高くなります。電卓やキーパッドのような12個ボタンでも、下図のように7本のGPIOで実現できます。

マトリックス・ボタンのパッド例
マトリックス・ボタンのパッド例(出典:AN85951)

スライド・バーは、操作入力が増加、または減少する場合に用います。また、タッチ・パッドは、XとYの2次元で指位置を検出する方法で、X/Y各軸にスライド・バーを利用した例と考えれば良いでしょう。

※2019年6月現在、PSoC CreatorのCapSenseスライド・バーは、自己容量式のみをサポートしています。相互容量式は、今後のバージョンでサポート予定だそうです(AN85951、English、04/30/2019、P19)。

自己容量式スライド・バーのパッド例
自己容量式スライド・バーのパッド例(出典:AN85951)

このように、入力操作に応じたパッドを基板上にパターン設計(アートワーク)します。また、タッチ部分の基板保護のため、PCB表面に非導電性のオーバーレイ素材(タッチ表面材)を付けます。

CapSenceハードウエア構造
CapSenceハードウエア構造(出典:AN85951)

詳細なPCBレイアウト・ガイドラインは、前出AN85951の6.4章や、AN64846(日本語版)に記載されています。アートワーク担当者は参照してください(本稿は、ソフトウェア開発者が対象ですので、ガイドライン詳細説明は割愛いたします)。

このガイドラインに沿ってPCBアートワークを行えば、確実に静電容量変化を生むタッチUIパッドが開発できます。

評価ボードのパッド形状理由

本開発で用いる評価ボード、CY8CKIT-145-40XX PSoC 4000S CapSense Prototyping Kitのパッド形状が、なぜこんなカタチになっているか、前章の説明でソフトウェア開発者に理解できたと思います。

PSoC 4000S CapSense Prototyping Kit
タッチ・センサー基板付きで$15と安価なPSoC 4000S CapSense Prototyping Kit

つまり、上側の3パッドは、相互容量式で共有TX(1.3)と左からRX(1.6)、(1.5)、(1.4)の合計4GPIOを使います。下側は自己容量式のスライド・バーで、左から(0.6)、(0.3)、(0.2)、(0.1)、(0.0)の5GPIOを使います。TX(2.6)パターンはありますが、スライド・バーは、ソフトウェアは現在の自己容量式のみ対応です。但しハードウェアは、既に相互容量式に対応済みなのです。

パッド上下のLEDは、指タッチを検出した時に点灯させるインジケータです。また、オーバーレイ素材がパッド基板上に装着済みであることも判ります。

Capsenseパッド基板上のオーバーレイ素材
Capsenseパッド基板上のオーバーレイ素材

ガイドラインに沿って設計済み評価ボードの上側タッチ・パッド、下側スライド・バーの各パッド基板は、簡単に切離しができます。切離したパッド基板を、トラ技付録PSoC 4100S基板へ接続し、PSoC 4100S内蔵CapSenseでも開発したテンプレートを動作させる予定です。

CapSenseの使い方(その2:PCBハードウェア)まとめ

ソフトウェア開発者が最低限知るべきCapSenseのPCBハードウェアの使い方を示しました。

  1. タッチUIは、指をパッドに近づけた時に生じる静電容量変化をCapSenseで検出。このため、確実に静電容量変化を生むPCBハードウェア:パッド設計が重要。
  2. ソフトウェア開発者向けパッドPCB設計ガイドライン要旨を示し、評価ボードパッド形状の理由と、自己容量式(self-capacitance)、相互容量式(mutual-capacitance)のGPIO差を説明。
  3. PSoC 4000S評価ボードのパッド基板を切離し、トラ技付録PSoC 4100S基板と接続。 PSoC 4100SのCapSenseでも開発テンプレートを動作させ、PSoC 4000S/4100S両方対応CapSenseテンプレート化を図る。