RL78マイコン,MCU:マイコン,LPCマイコン,Kinetisマイコン,STM32マイコン,PSoC/PRoCマイコン,MSP432マイコン,Cortex-M0+コア,Cortex-M0コア,Cortex-M3コア,Cortex-M23コア,Cortex-M4コアIoTマイコン,プロトタイピング開発,Arduino,PSoC 4000S,FRDM-KL25Z,Baseboard

・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)

一言で言うと、従来から使ってきた5V Baseboardに、Arduinoプロトタイプシールドを追加した構成です。

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向けセンサなどをMCU評価ボードへ機能付加
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付属の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。

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評価ボードなどに対しても、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。

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。

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HappyTechサイトへCypress PSoC 4000S/4100S/4100PSテンプレートページを追加しました。
PSoC 4000S/4100S/4100PSマイコンの習得、業界標準のCypress第4世代CapSenseコンポーネントを使ったタッチユーザインタフェース(UI)開発に最適なマイコンテンプレート(1,000円税込)の発売開始です。

PSoC 4000S搭載CY8CKIT-145評価ボードで動作中のCapSenseテンプレート
PSoC 4000S搭載CY8CKIT-145評価ボードで動作中のCapSenseテンプレート

PSoC 4000S/4100S/4100PSテンプレート説明資料、ダウンロード可能

PSoC 4000S/4100S/4100PSテンプレート付属説明資料の最初の3ページが、サイトよりダウンロード可能です。

PSoCプログラミングのポイントであるコンポーネント単位ソフトウェア開発を、Cypress第4世代CapSenseコンポーネントを例に具体的に学べます。

Cypress PSoCマイコンの関連テンプレートは、2016年発売:PSoC 4/PSoC 4 BLE/PRoCテンプレートに続いて第2弾目です。前回テンプレートは、一般的なMCU開発で汎用的に使うコンポーネント:液晶表示やADC、SW、BLEなどを使いテンプレート化しました。

このテンプレートご購入者様からは、どうすれば各コンポーネント情報が得られるか、コンポーネントバージョンアップへの対処方法、開発したソフトウェアの他PSoCデバイスへ移植方法など、PSoCプログラミングに関する多くのご質問やご意見を頂きました。

CapSenseコンポーネントに絞ってテンプレート化

そこで、第2弾のPSoC 4000S/4100S/4100PSテンプレートでは、評価ボードへ追加するコンポーネントをCapSenseコンポーネントのみに絞り、よりPSoCプログラミングの要点を掴み易いようにテンプレート化しました。

つまり、CapSenseコンポーネントを利用したテンプレート応用例のPSoC 4000S評価ボードを、別のPSoCデバイス:PSoC 4100S/4100PS評価ボードへ移植する手法を使って、コンポーネント単位のPSoCソフトウェア開発要点を説明しています。
※既に第1弾のPSoC 4/PSoC 4 BLE/PRoCテンプレートをお持ちの方でも、テンプレート本体以外は被る(内容重複)ことが少なく、別視点からのCypress PSoCプログラミングの特徴をご理解頂けると思います。

第4世代CapSenseコンポーネント

PSoC 4000S/4100S/4100PSファミリ内蔵の第4世代CapSenseコンポーネントは、スマホで普及したタッチユーザインタフェース(UI)の業界標準技術です。本テンプレートでCapSenseコンポーネント利用方法を習得すれば、従来の簡単な操作パネルを、より洗練されたタッチHMI:Human Machine Interfaceで実現し、他社差別化ができます。

PSoC 4000S/4100S/4100PSテンプレートで用いた評価ボードは、トランジスタ技術2019年5月号付録基板も含まれます。トラ技5月号記事は、開発環境PSoC CreatorやPSoCデバイスの特徴は良く分かりますが、記事ソースコードがダウンロードできず、実際に付録基板を簡単には動作させられないのが残念です。

本テンプレートをご利用頂ければ、トラ技付録基板でも基板上のLED点滅動作を利用したシンプルなテンプレート応用例や、CapSense動作がご理解可能です。
※トラ技付録基板に、弊社推薦評価ボード :CY8CKIT-145のCapSenseボード部分(CapSenseテンプレート動作時)とKitProgインタフェース(シンプル/CapSenseテンプレート動作時)を別途配線することで動作します。配線は、下図のようなスルーホール間接続のジャンパーワイヤが簡単です(確かハンズマンで購入しました)。

トラ技2019年5月号付録PSoC 4100S基板で動作中のシンプルテンプレートとスルーホール間接続ジャンパーワイヤ
トラ技2019年5月号付録PSoC 4100S基板で動作中のシンプルテンプレートとスルーホール間接続ジャンパーワイヤ

ブログの関連投稿検索方法

ブログ右上の検索窓に「CapSense」か「PSoC 4000S」入力または、カテゴリでPSoC/PRoCマイコンを選択すれば、PSoC 4000S/4100S/4100PSテンプレートに関するブログの関連投稿が一覧で得られます。テンプレート説明資料と、合わせてご覧いただければ、PSoC 4000S/4100S/4100PS マイコンやCapSenseコンポーネントがより解り易くなると思います。

PSoC 4000S/4100S/4100PSテンプレートのご購入をお待ちしております。

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Cypress PSoC Creatorで、開発デバイスファミリが見つからない時の対処方法を示します。

No Target PSoC Family
No Target PSoC Family

開発デバイスファミリがDevice familyリストに無い!?

PSoC 4100PSファミリ評価ボード:CY8CKIT-147を入手、評価ボード付属サンプルコードをPSoC Creator 4.2(以下、Creator)にインポートするためFind Code Exampleをクリックしましたが、対象MCUファミリのPSoC 4100PSがDevice familyリストに見当たりません。

このリストに対象MCUファミリが無い時は、新規プロジェクト作成やサンプルコードインポートができないため、Creatorが全く使えません。お手上げ状態です。

※CY8CKIT-147は、CapSenseテンプレート開発用にトラ技懸賞で当選した評価ボード(前回投稿参照)です。

PSoC Creator対処

CreatorのToolsタブからFind new devicesをクリックします。Device Update Installerダイアログが表示されますので、Installをクリックし完了を待ちます。

PSoC CreatorのFind new devices
PSoC CreatorのFind new devices

Creator再起動でDevice familyリストへ最新MCUファミリが追加されます。勿論、PSoC 4100PSもDevice familyリストにありますので、CreatorでCY8CKIT-147プロジェクト作成ができ開発可能となります。

例としてPSoC 4100PSファミリで説明しましたが、他のデバイスファミリがDevice familyリストに無い場合も同様に解決できます。

Update ManagerはDevice familyリスト更新ができない

Cypress Update Managerは、PSoC Creatorなども含めたインストール済みCypress MCU開発環境の更新状況をチェックし、更新や削除が簡単にできる優れたツールです。Creatorと同時にインストールされます。

Update Managerは、自動で起動し目立つのでご存じの方は多いと思います。しかし、前章で示したCreatorが扱うDevice familyリスト更新はUpdate Managerではできません。Creator 4.2を長く使っている方ほど、Find new devicesを忘れがちですので注意してください。

Creatorが扱うコンポーネントの場合は、同じことは起こりません。理由は、Creatorでプロジェクトを開いた時、右下に黄色の!アイコンが表示されるからです。この!アイコンをクリックすると、プロジェクトで使用中のコンポーネントが最新版へ更新されます。

PSoC CreatorのNew Compornents are available表示
PSoC CreatorのNew Compornents are available時の!アイコン表示

但し、コンポーネント更新は、アプリケーションに対して動作リスクが伴います。更新前プロジェクトArchive作成も忘れずに行いましょう(関連投稿:STM32CubeIDE v1.1.0更新と文字化け対策(その2)の2~3章)。

PSoCプログラミング要点

PSoCプログラミングは、デバイス内蔵コンポーネントのAPI操作です。従って、コンポーネント単位のプログラミングとその開発経験の積重ね/載せ替えが可能です。

想定アプリケーションに必要となる複数コンポーネントをパッケージしたものが、各種デバイスファミリで、Creatorインストール時の図がこれらを示しています。

PSoC Programmingのポイント
PSoC Programmingのポイントは、コンポーネント単位の開発経験の積重ね、デバイス載せ替えが可能なこと。

CreatorのGUIで、コンポーネント更新が新デバイスファミリ追加よりプライオリティが高いのも、コンポーネントプログラミングが理由だと筆者は思います。

多くのPSoCコンポーネントの中でCapSenseにハイライトしたのが開発中CapSenseテンプレートで、動作確認ファミリはPSoC 4000S/4100S/4100PSです。但し、同じ第4世代CapSenseコンポーネント内蔵のPSoC 6などへも流用や応用が簡単にできます。

PSoC Creator 4.3 Beta版リリース

2019年10月31日、新たにPSoC 4500ファミリをサポートするPSoC Creator 4.3 Bate版がリリースされました。PSoC 4500ファミリは、二つの独立したSAR ADCと5個までのOpamp/Comparatorブロックを持つアナログ周辺回路が豊富なデバイスファミリです。

Creatorが4.3へ正式更新された時には、同時にDevice familyリストも最新版へ更新されると思います。Creator 4.2が長く使われた結果、今回のようなデバイスファミリが見つからない事象が発生したと言えます。

同じファミリでも新デバイスが毎年追加されます。半年に一度程度は、CreatorのFind new devicesをクリックすることをお勧めします。

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MCU:マイコンは、種類が多くどれを自分の開発や製品に使うのが最適か?分りにくいと言われます。この問いに対する回答を示します。具体例として今年5月トランジスタ技術で紹介されたCypress PSoC 4シリーズのMCUを選択します。他ベンダでも同様です。

MCU選択とスマホ選択の差

毎年新機種が発表されるスマートフォン。特にAndroidスマホは、電話の基本機能は同じでも、カメラなどの付加機能やサービス、価格帯が広く、選択に迷います。それでも、何年かスマホを使っていると、どの機能が自分に必須かが分かってくるのと懐具合との兼ね合い、また、古い機種は数年でカタログから消えるので、スマホ選択幅は収束します。

ところが、MCUの場合は、発表後10年以上販売継続されます。スマホとの一番の差です。
古い選択肢も残ったまま新製品が追加され、選択幅が時間とともに広がるのがMCU選択を困難にする要因の1つです。

そこで、広い選択幅からMCUを選ぶ方法を、4段階で示します。

第1段階:適用製品による大枠選択

MCUベンダは、適用製品に合わせてMCUを大分類します。車載とインダストリアル分野では使用温度や内蔵周辺回路などの要件が異なるからです。そこで、第1段階は、この適用製品でMCUを選択します。

例えば、NXPSTマイクロエレクトロニクストップサイトの“アプリケーションタブ”がこの大枠を示します。
ルネサスエレクトロニクスCypressの場合は、“ソリューションタブ”です。

ここまでは、多くの方がご存じと思います。分かりにくくなるのは、ココカラです。

第2段階:MCU名称による中枠選択

同じインダストリアル分野のMCUでも、シリーズやファミリなど細かく名称が分かれています。名称が異なるには訳があるので、その理由を理解するのが、第2段階です。この段階では、ベンダ間の買収や合併などの歴史も知っている方が良いです。ポイントは、選択の決め手となる最新カタログの取得です。

Cypressのスマートアプリケーション分野のMCUで説明します。

スマートアプリケーション分野MCU使用例(出典:Cypressサイト)
スマートアプリケーション分野MCU使用例(出典:Cypressサイト)

PSoC 6/4/FM4などの複数MCUから構成されるスマート洗濯機です。PSoC X(X=4,6)は、元々のCypress MCUの名称で、FM4は、2014年に合併した米Spansion(実はSpansionに買収された富士通セミコンダクター)のMCU名称です。

Cypressは、Spansion合併でARM Cortex-M0+ライセンスを取得し、Cortex-M0利用のPSoC 4に適用、その結果生まれた新製品がPSoC 4Sです。PSoC 4Sは、特許取得済み静電容量式第4世代タッチセンサCapSense内蔵のPSoC 4000ファミリへと発展しました。

PSoC 4サイトトップページへ行き製品タブを見ると、さらに細かくPSoC 4000/4100/4200/4700とファミリが分類されており付加機能も異なります。この中枠の段階で製品セレクターガイドなどへ行くとMCU選択に迷ってしまします。他のベンダでも同様です。

この中枠MCU選択の重要資料:Brochureをダウンロードします。Brochureとは、製品パンフレット、カタログのことで、ほぼ毎年更新されます。

どのベンダでも、この中枠MCUを対象とした製品カタログがあります。この最新カタログを見つけるのがMCU選択での最重要事項です。

第3段階:最新カタログと評価ボードによる開発MCU選択

製品カタログには、ベンダがアピールしたい最新MCU情報が詳しく掲載されます。継続販売中の古いMCUや歴史は(紙面の都合上)無視されます。但し、これで新旧MCUを選択のふるいにかけることができます。

世間の話題にはなりにくいMCUの発展速度も、スマホやPC並みに早いのです。最新MCUは、低電力動作や処理効率に優れ、市場ニーズに即した開発が期待できます。

製品カタログには、中枠に相当するMCUファミリ一名称や概略を示す一覧図が掲載されます。

PSoC 4の場合は、下図です。ファミリ名の差(=意味)をこの図から理解すれば、開発MCU選択は、殆ど(?!)最終段階です。

PSoC 4ファミリ一覧図(出典:PSoC 4 Brochure)
PSoC 4ファミリ一覧図(出典:PSoC 4 Brochure)

殆どとは、例えば、エントリーレベル灰色の四角:PSoC 4000SファミリにもFlashやROM、内蔵周辺回路数により多くのMCUがあります。つまり、開発に適すMCUを各四角の中から選択する必要がある訳です。

これには、ファミリ毎にベンダが用意する評価ボード搭載MCUが適します。カタログにも評価ボードが記載されています。

ファミリ毎に用意される評価ボード(出典:PSoC 4 Brochure)
ファミリ毎に用意される評価ボード(出典:PSoC 4 Brochure)

評価ボード搭載MCUは、ファミリ内で最も標準的かつ応用範囲が広く、しかもサンプルコードが付いていますので、MCUを直に動作させることができます。低価格で入手性が良いのも特徴です。開発着手のMCUとしては最適です。

第4段階:プロトタイプ開発による製品MCU選択

評価ボードのMCUを基準にプロトタイプ開発を行い、製品化時のMCU選択をします。

プロトタイプMCUでFlash/RAM不足が懸念されならより大容量MCU、性能不足や周辺回路数不足が懸念されるならより高性能MCUを製品MCUとして選択するなどです。プロトタイプ開発により、製品MCU評価が高精度でできます。

以上の4段階で開発や製品に適すMCU選択ができます。プロトタイプ開発結果をどう活かすかで最適な製品MCU選択ができます。

Cypress PSoC 4 MCU選択具体例

弊社開発中のCapSenseテンプレートに用いるCypress PSoC 4 MCUを、上記の方法で選択した結果を示します。

CapSense は、PSoC 4000ファミリの他社差別化機能の1つです。そこで、このCapSenseを活かすプロトタイプ開発テンプレートを目指します。

CapSenseテンプレートに用いる3ファミリMCU:PSoC 4000S、PSoC 4100S、PSoC 4100PSの特徴を一覧で示します(縦長の図がウェブでは上手く表示できます)。

CapSenseテンプレート対象3MCUファミリ比較
CapSenseテンプレート対象3MCUファミリ比較

PSoC 4000S評価ボード:CY8CKIT-145-40XX PSoC 4000S CapSense Prototyping Kit搭載MCUは、CY8C4045AZI-S413(48ピン)です(下図左)。

PSoC 4100S評価ボード:CY8CKIT-041-41XX PSoC 4100S CapSense Pioneer Kit搭載MCUは、CY8C4146AZI-S433(48ピン)です。トラ技5月号付録PSoC 4100S基板実装のCY8C4146LQI-S433(40ピン)も同じファミリですが、ピン数のみが違います(下図中央)。

PSoC 4100PS評価ボード:CY8CKIT-147 Prototyping Kit搭載MCUは、CY8C4145LQI-PS433(48ピン)です(下図右)。

Cypressの3ファミリ評価ボードは、どれも48ピンで揃っているので、比較しやすいでのすが、弊社は、予算の都合上、PSoC 4100Sファミリは、トラ技付録PSoC 4100S基板実装MCU(40ピン)を用います。

CapSenseテンプレート評価ボードMCU(PSoC 4000S評価ボード、トラ技5月付録PSoC 4100S基板、PSoC 4100PS評価ボード)
CapSenseテンプレート評価ボードMCU(PSoC 4000S評価ボード、トラ技5月付録PSoC 4100S基板、PSoC 4100PS評価ボード)

CapSenseで最重要なタッチUIハードウェアは、PSoC 4000S評価ボードのCapSense基板を、PSoC4100S/4100PS各基板と接続してテンプレート動作確認をします。PSoC 4000S → PSoC 4100SでFlash/RAM容量増加、PSoC 4000S → PSoC 4100PSでアナログフロントエンド強化などへ発展します。

※CapSenseテンプレート完成は、計画当初は2019Q3でした。しかし、PSoC 4100PS評価ボードは、トラ技懸賞品をあてにしており、運よく当選し11月Mに当選品が入手できました。2019Eを目途にテンプレート完成の予定です。

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CypressのPSoC 6を中心にNXPとSTM、3社のARMディアルコアMCUを調査しました。Cortex-M4とCortex-M0+を使う個人でも低価格で入手できるディアルコアMCUです。ディアルコアMCUの狙い、アプリケーション、シングルコアMCUソフトウェア開発との違いなどを説明します。

Cortex-A7とCortex-M4を使ったもう1つの超高性能ディアルコアMCUも少しだけ登場します。

ディアルコアMCUの狙い、アプリケーション

ディアルコアMCUの狙い
ディアルコアMCUの狙い(出典:Cypress Cortex-M4 PSoC 6サイト)

CypressのCortex-M4コアPSoC 6サイトの上図がディアルコアMCUの狙いを示しています。

つまり、「IoT市場獲得には、右側アプリケーションプロセッサからと左側マイクロコントローラ:MCUからの2つのアプローチがあり、MCUアプローチのPSoC 6は、処理能力とセキュリティ強化を低コスト、低電力で実現した」ということです。

PSoC 6は、実現手段としてメインコアにCortex-M4(150MHz)、補助コアにCortex-M0+(100MHz)のディアルコアを採用しています。このCortex-M4+Cortex-M0+の2MCU構成は、NXP:LPC54102STM:STM32WB55RGでも見られます。CypressとSTMは、Cortex-M0+側にBluetooth Low Energy無線通信機能を実装済みです。

PSoC 6は、実装セキュリティに応じてPSoC 62/63シリーズと3種類のPSoC 64シリーズに別れます。PSoC 62/63は、PSoC 6のセキュリティ機能とユーザ独自セキュリティファームウェア(ソフトウェア)を使うデバイス(次章参照)、最上位プレミアムセキュリティのPSoC 64は、標準的なセキュリティ機能を全て含むデバイスです。

一方、アプリケーションプロセッサアプローチは、NXP:iMX 7アプリケーションプロセサのようにスマホやRaspberry Piでも用いられたCortex-A7(800MHz)がメインコアで、Cortex-M4(200MHz)が補助コアです。このアプローチは、ソフトウェア開発規模が大きく評価ボードも高価で個人開発向きとは言いにくいと思います。Cortex-A7自身がマルチコアでOS利用が前提なので更に複雑になります。

まとめると、低コスト低電力で処理能力とセキュリティ強化目的のCortex-M4+Cortex-M0+ディアルコアMCUの狙いは、IoTアプリケーションです。PSoC 63搭載の評価ボード:CY8CPROTO-063-BLEの価格は¥2,289(Digi-Key調べ)で、個人でも手が出せる価格帯です。

ディアルコアMCUのソフトウェア開発

PSoC 63 Line with BLE (Applications and Freatures)
PSoC 63 Line with BLE (Applications and Freatures)

Cypress Roadmap: MCU Portfolio、P25から抜き出したPSoC 63のアプリケーションとFeaturesです。具体的なIoTアプリケーションや、実装セキュリティ機能が解ります。
※ご参考までにこのMCU Portfolioには、CapSenseテンプレート開発で用いたPSoC 4000S/4100S仕様も解り易く掲載されています。

同じP25記載のPSoC 63ブロック図です。Cortex-M4とCortex-M0+がメモリ結合されています。

PSoC 63 Line with BLE (Hardware)
PSoC 63 Line with BLE (Hardware)

PSoC 6のソフトウェアは、Cortex-M4とCortex-M0+それぞれのソフトウェアが、2つ同時に別々に動作します。簡単に言うと、各シングルコアMCUソフトウェア同士が、同じデバイス内で動きます。メモリ結合なので、同一メモリアドレス同時アクセスの競合回避手段なども多分あるハズです(←調査不足😌)。

つまり、ディアルコアMCUソフトウェア開発と言っても、従来のCortex-M4やCortex-M0+シングルコアMCUソフトウェア開発の経験やスキルがそのまま活かせるのです。

一方のMCUから見ると、片方のMCUはインテリジェントな周辺回路と同じです。

例えば、Windowsソフトウェア開発なら、1つの機能を複数スレッドに分割し、処理効率を上げるなどのマルチコア対応の工夫が必要です。しかし、Cortex-M4+Cortex-M0+デュアルコアMCUの場合は、シングルコアのソフトウェア開発手法がそのまま使えます。

差分は、「2つのMCUに、どの機能を割振るか」です。

FPU内蔵のCortex-M4は、セキュリティなどの計算処理、高速GPIOアクセスのCortex-M0+は、IO処理やBLEモジュール管理、というのが定番(CypressやSTMのディアルコアMCUにみられる)割振りのようです。

まとめると、ディアルコアMCUソフトウェア開発は、シングルコアMCU開発経験がそのまま活かせます。しかも、別々動作の2コアを持つので、RTOSを使わずに処理分離と本当の並列動作ができます。

また、個人入手可能な評価ボード価格も魅力です。

評価ボード搭載のPSoC 63:CY8C6347BZI-BLD43(116-BGA)は、BGAパッケージなので基板実装は簡単ではありません。しかし、このPSoC 63とBLEアンテナをモジュール化したCYBLE-416045-02(14.0 mm x 18.5 mm x 2.0 mm、43-pad SMT with 36 GPIOs、下図)が評価ボードに実装済みで単体購入も可能です。

また、個人利用の場合には、評価ボードを丸ごと基板実装するのも効果的です。

EZ-BLE Creator Modules CYBLE-416045-02
CY8C6347BZI-BLD43搭載のEZ-BLE Creator Modules CYBLE-416045-02

ディアルコアMCUへの対処案

ディアルコアMCUの狙いは、巨大なIoT市場です。

各社がディアルコアMCUを発売する理由は、高度化するセキュリティ機能や、どの規格かが不確定な無線通信機能に対して、現状のシングルARMコアMCUでは、処理能力不足が懸念されるためです。
※近距離無線通信の有力候補が、BLEであることは確かです。

ディアルコアMCUならば、たとえ規格が変わっても、その影響を片方のMCU内に止めることもできます。つまり、ソフトウェア資産が無駄にならない訳です。

IoT市場へは、Cortex-M4+Cortex-M0+と、Cortex-A7+Cortex-M4のアプローチがあります。Cortex-M4を用いる点ではどちらも一致しています。FPU内蔵Cortex-M4ソフトウェア開発や経験が、IoT MCUプログラマの必須要件になるかもしれません。

シングルコアMCU開発経験が活かせ、しかもRTOSを使わずに高速並列処理を実現できるディアルコアMCUのソフトウェア/ハードウエア開発を、評価ボードへの僅かな投資で、IoTが爆発的に普及する前から準備・習得するのは、技術者リスク回避の点からも必要だと思います。

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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。

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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。

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Cypress PSoC 4 MCU内蔵タッチセンサ:第4世代CapSenseの使い方、3回目は、CapSenseの使い方を前後半に分けて示します。前半は、CapSenseのPSoC Creator設定方法、次回の後半は、CapSenseのプログラミングです。

図1 PSoC 4100S/4000S CapSenseの使い方
図1 PSoC 4100S/4000S CapSenseの使い方(第3回前半・後半の内容)

参照情報:PSoC 4 Capacitive Sensing (CapSense) コンポーネントデータシート Version 6.0

PSoC Creatorインストール → トラ技第3章参照

雑誌やブログの場合、各種ツールのインストール手順に多くの紙面が割かれます。本稿も同様でした。しかし、最新IDE:PSoC Creator 4.2インストール手順は、トラ技2019年5月号第3章P129~P142に詳しく記載済みです。

本ブログは、トラ技付録基板も活用予定なので、本稿読者は既にこのトラ技をご購入頂いている前提で、PSoC Creatorインストールや基本的な使い方は、トラ技を参照頂いて省略します(すいません😔)。

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

CapSenseコンポーネントのTopDesign.cysch配置

PSoC Creatorインストール後のPSoC MCU開発手順は、本ブログ記載PSoC Creator 3.3の時と同じです。

つまり、TopDesign.cysch:トップデサイン・スケマティックと呼ぶ回路図へ、PSoC 4000S/4100Sコンポーネントカタログからプロジェクトで使うCapSenseコンポーネントをクリック&ドロップで配置 → そのCapSenseコンポーネントのプロパティを設定しビルド → ビルドで生成された各APIをmain.cで利用 → ソフトウェア完成、という流れです。

図1 CapSenseとEZ-I2Cの2コンポーネントを配置した部分がTopDesign.cyschに相当します。本稿では、CapSenseコンポーネントのプロパティ設定を解説します。そして、次回後半が、ビルド後のAPIを使ったCapSenseプログラミング。
EZ-I2Cコンポーネントは、その4で説明します。

CapSenseコンポーネントのプロパティ設定

PSoC CreatorのTopDesign.cyschへCapSenseコンポーネントを配置し、右クリックしたのが図2です。

Open Datasheet…クリックで、最初に示した参照情報のPSoC 4 Capacitive Sensing (CapSense) コンポーネントデータシートがモニタ上に現れます。使用デバイスコンポーネントの詳細なデータシートが、クリックだけで簡単に参照できるのがPSoC Creatorの特徴です。

図2 Capsenseコンポーネントの配置とデータシート取得
図2 CapsenseコンポーネントのTopDesign.cysch配置とデータシート取得

CapSenseコンポーネントの詳細なプロパティ設定も、このデータシートに記載されています。ゆえに、このデータシートを参照してください…と書くと、これで本稿が終わりますので、少し解説を加えます。

図2のConfigure…をクリックします。コンポーネントのプロパティ設定は、どのコンポーネントでも全てConfigure…で現れるダイアログで設定します。

以下、本開発で用いる評価ボード、CY8CKIT-145-40XX PSoC 4000S CapSense Prototyping Kitを使って設定例を示します(図3)。
上側がCapSenseコンポーネント配置直後のプロパティ設定前、下側がプロパティ設定後です。基本動作に必要なコンポーネントプロパティ設定は、Basicタブのみで十分です。

図3 CapSenceコンポーネントのプロパティ設定
図3 CapSenceコンポーネントのプロパティ設定

配置直後の+アイコンクリックで、タッチUIに使うパッド形状:ButtonやLinear Slider選択 → Sensing mode:CSXやCSD選択という流れです。白抜きセル欄は選択肢あり、グレーセル欄は選択肢なし(変更不可)を示します。

CSXは相互容量式(Mutual-capacitance)のタッチ検出方法、CSDは自己容量式(Self-capacitance)のタッチ検出方法のことです。デフォルトはCSD(Self-cap)です。スライド・バー(SLD)は、自己容量式のみサポートですのでCSD、ボタン(BTN0/1/2)は、CSDかCSXの選択が可能で、評価ボードは相互容量式ですのでCSX(Mutual-cap)です(自己容量式、相互容量式は、その2投稿参照)。

CapSenseコンポーネントのプロパティ設定は以上です。繰り返しますが、基本動作はBasicタブの設定だけで十分です。

Advanceやその他のタブで更に詳細なCapSenseコンポーネントプロパティが設定できます。が、これらの設定は、データシートを参照してください。また、これら設定に、その4で説明するEZ-I2Cが役立ちます。

CapSenseコンポーネント使用GPIOピン設定

CapSenseコンポーネントが使うGPIOピン設定は、Workspace ExplorerのPinsクリックで別表示されるピンエディタ画面で行います。

CapSenseコンポーネントのGPIOピン設定
CapSenseコンポーネントのGPIOピン設定。TopDesign.cyschとは別画面で行うことに注意。

CapSenseコンポーネントのBTN0_Rx0使用ピンを、GPIOのP1[4]に設定する時が上図です。同様に、全てのCapSenseコンポーネントの使用GPIOピンを設定します。緑色□マーカーは、GPIO設定に問題が無いことを示しています。黄色が注意、赤色や灰色は設定NGです。

CapSenseの使い方(その3前半:CapSenseのPSoC Creator設定方法)まとめ

PSoC 4100S/4000S内蔵第4世代CapSenseコンポーネントのPSoC Creator設定方法を示しました。

  1. コンポーネントカタログからCapSenseを選び、TopDesign.cyschへ配置。
  2. 配置後、CapSenseコンポーネントの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コンポーネントが使用するGPIOピンの設定は、ピンエディタ画面で行う。

補足:PSoC Creator、コンポーネント、デバイスの関係

PSoC Creatorは、デバイス選択 → コンポーネントカタログから使用コンポーネントをTopDesign.cysch回路図へ配置 → コンポーネントプロパティ設定 → コンポーネント使用GPIOピン設定、という手順でソフトウェア設計を進めます。

それゆえ最初のデバイス選択を誤ると、コンポーネントリソース不足や、使用できるGPIOピンが無いなどの問題が発生します。PSoC Creatorは、この問題回避のため、設計途中であっても使用デバイスの変更が容易です(Project>Device Selection…で表示されるデバイスリストから代替デバイスを選ぶ)。これは、他社IDEに無いCypress PSoC Creatorの特徴です。

デバイスは、色々なコンポーネントを組合せた入れ物にしか過ぎず、コンポーネントこそがPSoCプログラミングの要です。コンポーネントが使う物理的GPIOピン割付を、論理的なTopDesign.cyschとは別画面のピンエディタで行うのもこのためです。

つまり、コンポーネントのプロパティ設定やコンポーネントAPIを使ったプログラミングは、デバイスが変わっても多くの場合そのまま引継げるのです。コンポーネントプログラミングが開発経験として蓄積できます。

PSoC Creatorとコンポーネント、デバイスの関係を示す図
PSoC Creatorとコンポーネント、デバイスの関係を示す図(出典:PSoC Creatorインストール時の図より)

但し、数多いデバイスリストから、最新の第4世代CapSenseコンポーネントを持つデバイスを再選択するのは、結構大変です(新旧コンポーネント混在や、CapSenseのように後方互換が無い例があるため。第4世代CapSense後方互換性は、その1参照)。

2019年6月現在、第4世代CapSenseコンポーネントを使用する時は、PSoC 4000S、PSoC 4100Sシリーズのデバイスから選ぶのが良いでしょう。

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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。

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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
静電容量式第4世代タッチセンサ(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。