PSoC 4100S CapSenseの使い方(その1)

CypressのPSoC 4 MCU内蔵のタッチセンサ:最新の第4世代CapSenseの使い方を何回かに分けて投稿します。目標は、従来のメカニカル入力インタフェース:スイッチやボタンに変わる、新しいタッチユーザインタフェース(タッチUI)入力処理専用のテンプレート開発です。

操作性や装置全体の印象に大きな影響を与えるユーザフレンドリーなタッチUIを、低開発リスク、低価格で実現するこのテンプレートは、競合他社との差別化に役立つと思います。

タッチユーザインタフェーステンプレート
タッチユーザインタフェーステンプレート。ボタンからタッチ・ベースへ変化したユーザ入力処理用PSoC MCUと、それ以外の2MCU構成。プロトタイプ開発速度向上とユーザフレンドリーが狙い。

第4世代CapSense特徴(第3世代比)

・タッチ検出性能向上 → 検出感度、反応特性改善
・木材、厚いアクリル材がタッチ表面材でも反応 → デザイン幅広がる
・液量センシング可能 → シャンプー、薬品ボトル液面検出可能
・自己容量方式と相互容量方式の両方対応 → 近接センサが多くても対応可能
・低消費電流化 → センサ毎に6uAから3uAへ半減

出典:静電容量タッチセンサの性能を大幅改善、対応するマイコンを2製品投入

CapSenseデータシート Version 6.0最初のページに、CapSense v6.Xコンポーネント(=コントローラ)は、v2.Xコンポーネント以前との後方互換は無いと明記されています。また、古いコンポーネントや第3世代CapSense利用経験が有る方のために第4世代マイグレーションガイドもあります。

本稿は、最新の第4世代CapSenseを使い、初めてタッチUI開発する方を対象とします。この第4世代CapSense内蔵MCUは、PSoC 4000S、PSoC 4100S(トラ技付録基板実装)、PSoC 4100S PlusとPSoC Analog Coprocessorです(2019年6月現在)。

低価格PSoC 4000SとタッチUI評価ボード

トラ技2019年5月号で紹介された第4世代CapSense内蔵MCUは、PSoC 4100Sです。同じCortex-M0+コアですが、機能を絞ったのがPSoC 4000Sです。両者の主な仕様差を表1に示します。

関連投稿:GWお勧め本:トラ技5月号PSoC 4100S基板付きで販売中

トラ技付録基板PSoC4100S仕様とPSoC 4000Sの主な特徴差
項目 トラ技付録基板PSoC4100S仕様

CY8C4146LQI-S433

PSoC 4000S仕様

CY8C4045AZI-S413

JPY1個価格(Mouser調べ、2019/06 ¥570 ¥453
CPUコア Cortex-M0+、48MHz
メモリ FLASH 64KB 32KB
SRAM 8KB 4KB
シリアル通信ブロック 3個(I2S/SPI/UART/LINに対応) 2個(I2S/SPI/UARTに対応)
ADC 逐次比較型 12ビット分解能、1Msps なし
シングル・スロープ型 10ビット分解能、11.6ksps
GPIO 34 36
DAC 電流出力型 7ビット分解能×2
その他アナログ・ブロック OPアンプ 2個、6MHzGB積、6V/usスルーレート なし
コンパレータ 3個、内2個はスリープ・モード時も動作 2個スリープ・モード時も動作
静電容量式タッチセンサ(CapSense 自動調節機能付き(特許取得済み)
論理演算ブロック スマートI/O 3入力1出力のLUT×8

PSoC 4000Sも第4世代CapSense内蔵MCUです。PSoC 4100SのOPアンプなどのアナログ機能を省いた結果低価格で、仕様からCapSense利用のタッチユーザインタフェース(タッチUI)入力処理専用のMCU向きであることが解ります。

例えば、メカニカルボタンを1個50円とすると、ボタン8個で400円。これをタッチUIで置換えるので同程度の低価格MCUは好適です。PSoC 4000SはPSoC 4100Sに比べ少機能なので、ソフトウェア開発も容易です。初心者向きの開発案件とも言えます。さらに、PSoC 4000S実装済みで、タッチ・パッドとスライド・バーが付属した低価格なタッチUI評価ボード:CY8CKIT-145-40XX PSoC 4000S CapSense Prototyping Kitも用意されています。

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

CapSenseの使い方(その1:低開発リスク、低価格のタッチUI実現手段)まとめ

低開発リスク、低価格で第4世代CapSenseを使ったタッチユーザインタフェース(タッチUI)を実現する手段として、PSoC 4000S実装評価ボード:CY8CKIT-145-40XX PSoC 4000S CapSense Prototyping Kitを使い、タッチUI入力処理専用のテンプレート開発を行います。このテンプレートは、トラ技付録PSoC 4100S基板でも同じように動作します。

最初の図のように、様々な装置や別MCUの入力手段として単独利用もできます。また、個人レベルでチョット変わった下図のようなタッチUIモジュールを手軽に開発する時にも役立つと思います。

タッチUIモジュールイメージ(出典:トラ技P53 AIジェスチャ・スティック図を加工)
タッチUIモジュールイメージ(出典:トラ技P53 AIジェスチャ・スティック図を加工)

次回から、タッチUIのメリット、ハードウエアのタッチUI基板ポイント、CapSense制御ソフトウェアの構造、開発ツールPSoC Creatorの設定方法など、CapSenseの具体的な使い方を、主にソフトウェア開発者向けに判り易く説明していきます。

GWお勧め本:トラ技5月号PSoC 4100S基板付きで販売中

トランジスタ技術2019年5月号が、サイプレス・セミコンダクター(以下サイプレス)のPSoC 4100S搭載基板付きで1,180円(税込)で販売中です。平成最後のトラ技で、PSoC 4と統合開発環境PSoC Creatorの良さが判る雑誌が、安価に入手できます。

ゴールデンウイークの読物に、MCUソフトウェア開発者だけでなくハードウェア開発者へもお勧めです。

トランジスタ技術平成31年5月号PSoC関連目次
トランジスタ技術平成31年5月号PSoC関連目次(※説明のため着色しています。出典:トランジスタ技術)

弊社ブログ掲載MCU中、筆者が最も好きなMCUが、Cortex-M0のPSoC 4シリーズです。MCU技術、サイプレスサイト掲載情報量と質、どれも競合他社より優れていると思います。但し、中級者以上の方には受けが良くても、初心者や初めてサイプレスサイトを訪れる方が解り易いかは疑問です。

ネット並みの手軽さはありませんが、紙媒体のトラ技は、セキュリティ不安や無駄な広告が無く、図表が多く2色で色分けされた文章は、CQ出版社構成済みです。PSoC 4やサイプレスが初めての方でも、短時間で重要箇所を読み・理解するのも簡単です。

ここからは、トラ技を入手した方を前提に、(少々差し出がましいのですが)PSoC 4やPSoC Creatorに解説を加えます。本ブログ対象の、「個人でも低価格で入手性が良いMCUにPSoC 4が該当」するからです。

PSoC 4と4000Sシリーズ

PSoCファミリラインナップがP60コラムにあります。PSoC 4の位置づけが良く解ります。このPSoC 4(Cortex-M0コア)に旧富士通のFM0+買収で得たCortex-M0+コアを採用し、世代改良したのがPSoC 4000Sシリーズです。S付きがCortex-M0+、無しがCortex-M0です。

PSoC 4000Sシリーズのラインナップが下図です。

PSoC 4000シリーズ分類
PSoC 4000シリーズ分類(出典:Cypress Semiconductorメールの一部抜粋)

メール画面切取り画像のためDigi-keyやMouserリンクは無効ですが、PSoC 4000Sシリーズは低価格で入手性も良いMCUであることが解ります。

Entry Level PSoC 4000Sのアナログ機能強化版であるPSoC 4100S:CY8C4146LQI-S433/Flash:64K/RAM:8K搭載基板がトラ技に付属しています。ブレッドボードなどで動作可能です(特設P115~に詳しい説明あり)。

PSoC 4100Sのトラ技採用理由は、第1部の(重い)処理内容や第2部のハイエンドPSoC 5LP(P104コラム参照)へのガイドがし易いからだと思います。

個人的には、先ずEntry LevelのPSoC 4000Sを使って、PSoCの良さをもっと手軽に読者に認知させた方が良いと感じました。4000Sと4100Sの差分は、内蔵アナログ・コンポーネントとその数だからです(MCU提供サイプレスの思惑もあるかもしれませんが…)。
※内蔵アナログ・コンポーネント解説は、特設P143~に詳しく説明されています。

PSoC Creator

PSoC Creatorは、EclipseベースIDEですが、他社IDEと異なります。使い勝手は、トラ技記事にあるように痒い所に手が届くように良くできたIDEです。モニタ1台ではなく、複数の高解像度モニタを使いたくなります。

簡単に言うと、MCUハードウェア開発者でも使える回路図機能とソフトウェア開発機能を全て盛り込んだ環境です。
※特設P129~のPSoC Creator操作マニュアルに詳しく説明されています。

PSoC Creator操作画面
PSoC Creator操作画面

筆者がPSoC 4000SとPSoC Creatorを勧める具体的理由が下記です。

MCUハードウェア開発者向け:自分で開発したハードウェアのテストプログラムを、できるだけ簡単に自作したいが、ソフトウェア開発技術を習得する時間が無い。

MCUソフトウェア開発者向け:制御ハードウェアの詳細を、データシートを読むよりも効率良く理解したい。ハードウェア担当者に直接聞くのも面倒だ。

これらの方々は、是非PSoC Creatorを試してください。ハード/ソフトの垣根がなく、自分が知りたいことをPSoC Creatorだけで調査でき、求める出力をCreateできるのがPSoC Creatorです。

PSoC Creatorを使うと、ハードウェア・ソフトウェア共に既存資産の活用と組み合わせでMCU開発するのが便利で効率的なのが良く解ります。ハードウェア的に言うとコンポーネント活用、ソフトウェア的に言うとAPI活用です。

PSoCの場合、外付けセンサー接続時にあると便利なアンプやコンパレータなどのアナログディスクリート回路や、AND/OR/NOTデジタルディスクリート回路などもMCU内蔵です。システム完成時の実装部品数が削減できます。

さらに、PSoC 4000Sには、タッチ・センサー制御に強いCapSenseも内蔵で、細かな調整もPSoC Creatorでできます。

一度使ってみれば、PSoC CreatorがPSoCの魅力を引き出すというトラ技解説が良く解ります。

PSoC 4000SとPSoC6テンプレート開発の可能性

弊社のPSoC 4/PSoC 4 BLE/PRoCテンプレートは、Cortex-M0対応で2015年発売当時は最新でした。

しかし、トラ技付属のPSoC 4100S搭載基板を活用できるテンプレートや、Entry Level第4世代PSoC 4000Sを使った新テンプレートも開発したくなりました。Cortex-M0+採用による低電力・高効率化が気になります。

例えば、PSoC 4000S CapSense Prototyping Kit($15)で新テンプレートを開発すると、タッチ・センサー機能も低価格で直にプロトタイプ開発ができそうです。更に高性能で低価格なPSoC 6ファミリ(Cortex-M4/M0+デュアルコア)にも興味があります。

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