UART アーカイブ - IoT MCUのHappyTech

RAファミリ評価ボードFPB-RA6E1やPFB-RA4E1、FPB-RA2E1などは、MCUのUARTとPCの接続に古いハードウェア知識が必要です。そこで、FPB-RA6E1のUARTとPC接続（USB UART Bridge）を解説し、FSPサンプルコードで動作確認しました。

FSPサンプルコード：sci_uart_fpb_ra6e1_ep

FPB-RA6E1（Cortex-M33/200MHz、Flash/1MB、RAM/256KB）のUARTとPC接続の公式サンプルコードが、sci_uart_fpb_ra6e1_epです。このFSP （Flexible Software Package）スタックConfigurationが上図です。

簡単に説明すると、FSP UARTスタックを使ってPCとUART（115200bps、8-Non-1）で接続し、Timerスタックを使ってPWMでLED1輝度を変えます。UART受信した1-100値が、PWM設定値です。

つまり、Tera Term経由でPCから1-100を入力すると、評価ボードLED1の輝度がPWM 1-100%で変わります。

サンプルコード付属readme.txtの上記は、MCUのUARTピンを、どうやってPCのUSBへ接続するかが、開発経験者でも解りにくい箇所です。Windows 7より前の古いMCU開発者なら解るかもしれません。

USB UART Bridge

Windows 7以前の古いPCには、RS-232Cコネクタ：シリアルポートが実装済みでした。シリアルポートの用途は、MCUとの通信や、特定アプリのライセンスキーなど多数ありました。

しかし、Windows 7以降、RS-232Cコネクタは消えUSBへと変わりました。

消えたRS-232Cの代わりにUSB経由でMCUと通信を行うのが、USB UART Bridgeです。実績あるデバイスとして、FTDI社のFT232RLが有名でした。

つまり、MCU UART入出力ピンをPCへ接続するには、USB UART Bridge（＝USBシリアル変換アダプタ）が必要なことを知っている古いMCU開発者のみreadme.txtが判る訳です。

最近のMCU評価ボードは、USBシリアル変換アダプタとMCUプログラム/デバッグを、1本のUSBで共用しているものが多く、USB UART Bridgeを別途追加し開発する例は稀です。PCのUSBポート数が少なくなってきたからでしょう。

お勧めUSBシリアル変換アダプタ

「FTDI USBシリアル変換」で検索すると、USB 2/3.1や5/3.3V対応など様々なアダプタが、様々な価格で現れます。

殆どの5Vデバイスは、3.3V入力を5V High入力と認識します。それでも、MCUと接続する電圧は、5Vと3.3Vを選択できる方が無難です。High誤認識を防ぐことや、5V耐性が無いMCUピンでも接続できるからです。

低価格で入手性も良く、5/3.3V選択ができるお勧めのUSB UART Bridgeが、FTDI FT232RL USB-TTLシリアル変換アダプタ3個セットです。基板上にスルーホールがあるため、MCU UARTピンとの直接接続も簡単です。

リンク

お勧めハードウェアループバックテスト

低価格で3個入り品質に不安な方は、購入後、ハードウェアループバックテストをお勧めします。

ハードウェアループバックテストとは、デバイスの送信：TXDと受信：RXDを結線し、送信データが受信データに現れるかをハードウェア的にテストすることです。このテストにより、購入アダプタが、正常動作することを確認します。

Tera Termを接続すれば、TXD LED、RXD LED動作も確認できます。また、Windows 11 22H2は、お勧めFTDI FT232RL USB-TTLを、追加ドライバなしでUSB Serial Portと認識することも分かります。

sci_uart_fpb_ra6e1_ep動作確認

前章までのハードウェア知識を使って、評価ボード：FPB-RA6E1（搭載RA6E1 MCUは、VCC：2.7～3.6 V動作）とシリアル変換アダプタ：FTDI FT232RL USB-TTL（3.3V選択）、PC USBを接続しました。

サンプルコード：sci_uart_fpb_ra6e1_epが示すMCU UART入出力ピンとUSB UART Bridge TXD/RXD接続、PC Tera Termの1-100入力による評価ボードLED1の輝度変化動作が確認できます。

sci_uart_fpb_ra6e1_epのTera Term入力（橙）と出力（白）

sci_uart_fpb_ra6e1_epのFPB-RA6E1とシリアル変換アダプタの結線

Tips：上記ArduinoコネクタのD1 TX (P109)、D0 RX (P110)へMCU UART使用ピンを変えるには、FSP UARTスタックの利用Channel 0をChannel 9へ変更すればOK。

ルネサスRAファミリ評価ボードは、本稿で示したMCU UART用にUSB 1本、e2 studioプログラム/デバッグ用に別のUSB 1本、合計2本のUSBが必要です（PC側もUSB 2ポート必要）。

このe2 studio プログラム/デバッグ用USBの通信ツールが、J-Link RTT Viewerです。sci_uart_fpb_ra6e1_epでは、FSPバージョンやsci_uart_fpb_ra6e1_ep操作方法が示されます。

次投稿：ベアメタルサンプル → RTOSタスク化

サンプルコード：sci_uart_fpb_ra6e1_epは、FSP UARTスタックのベアメタル利用例で、良くできています。ベアメタルに限らず、RTOSへの応用範囲も広いです。

そこで次回は、ベアメタルサンプルコード：sci_uart_fpb_ra6e1_epを、RTOSのタスク化する方法を投稿する予定です。この方法により、多くの公式サンプルコードを活用し、効率的にRTOS開発が行えます。

FRDM-KL25ZのUARTとPC を、USB経由のVCOM：Virtual COM port接続する方法を説明します。

VCOM：Virtual COM port

MCU評価ボードとPC間は、USBで接続されており、このUSB経由でターゲットMCUのプログラミングやデバッグを行います。前稿説明のJ-TAGハードウェアデバッガの代わりが、評価ボード付属デバッガで、FRDM-KL25Zの場合は、OpenSDAと呼びます。

本ブログ掲載の評価ボード付属デバッガが下表です。ベンダ毎に付属デバッガの呼び名は異なりますが、どれも機能的には同じです（Renesasは、別途E2 Lite/E2ハードウェアデバッガで機能提供します）。

ベンダ毎に呼び名が異なる評価ボード付属デバッガ
ベンダ	評価ボード付属デバッガ	評価ボード例	MCU – PC間通信
NXP	OpenSDA/CMSIS-DAP	FRDM-KL25Z/LPCXpresso54114	UART
STM	ST-Link	STM32G071RB	UART
Cypress	KitProg	CY8CKIT-145	UARTとI2C
TI	XDS110-ET	MSP-EXP432P401R LaunchPad	UART
Renesas	なし（E2 Lite/E2必須）	BlueBoard-RL78G13-64	UART

評価ボード付属デバッガには、ターゲットMCUのプログラミング/デバッグ機能に加え、MCUのUARTとPCのUSB間を橋渡し（＝接続）する機能があります。これをVCOM：Virtual COM port接続といい、Tera Termなどのシリアル通信ソフトウェアをPCにインストールすれば、いとも簡単にMCUの UART通信ソフトウェア送受信の動作確認ができます。

※Tera Termの代わりにMCUXpresso IDEプリインストールのSerial Terminalも使えます。

UART：Universal Asynchronous Receiver/Transmitter

UARTは、最重要MCU周辺回路です。

古くから装置組込み済みMCUの再プログラミング手段としてUARTは利用されてきました。最新IoT MCUでも、セキュア・ブート、セキュア・ファームウェア更新に使える手段はUARTのみです（関連投稿：STM32G0/G4のRoot of Trustなどを参照してください）。

さらに、MCUXpresso SDKの評価ボード新規プロジェクト作成時でも、最初からActiveな周辺回路はUART0だけです（※UARTの“0”に注意してください）。ボード実装済みのLEDさえ初期値はInactiveです。つまり、UARTを動作させないMCUは無いと言えるでしょう。

UARTソフトウェアの動作確認には、送・受信機能を持つため通信相手が必要で、VCOM接続によりPCが通信相手になるため、最重要周辺回路：UARTソフトウェアの動作確認ができる訳です。

FRDM-KL25ZのVCOM接続方法

前置きが長くなりました。本章から評価ボード：FRDM-KL25Z をOpenSDA経由でVCOM接続する方法を説明します。

結論から言うと、FRDM-KL25ZのVCOM接続には評価ボードに2配線追加が必要です。2配線を追加しTera Termを使ったUART送受信中の画面が写真1です。

J1-2とJ2-20配線・・・・・・・UART0_TX：PTA1とUART1_TX：PTE0接続
J1-1とJ2-18配線・・・・・・・UART0_RX：PTA2とUART1_RX：PTE1接続

FRDM-KL25Z関連資料は不親切で、この必須配線が分かりにくいので順を追って説明します。が、配線さえ追加すれば、全てのSDK UARTサンプルプロジェクトが正常動作しますので、急ぐ方は、まとめ章へスキップしてください。

MCUXpresso SDK UARTサンプルプロジェクトと回路図

FRDM-KL25ZのMCUXpresso SDK UARTサンプルプロジェクトは、どれもUART0ではなくUART1を使った処理例です。readme.txtには、“USB to Com Converter：USB2COM”をJ2-20/18と配線せよと記載されています。もちろん、別途USB to Com Converterを用意し、このとおり接続すればサンプル動作確認ができるでしょう。

しかし、OpenSDAにUSB to Com Converter と同じVCOM機能が備わっているのにこれを使わない手はありません。

そこで、FRDM-KL25Z回路図Rev.EのSheet 3を見ると、OpenSDAとMCUはUART0で接続済みで、R5とR6でUART1とも並列接続済みなのが判ります。本来ならUSB to Com Converterが無くてもそのままUART1サンプルプロジェクトが動作するハズです。

試しに、サンプルプロジェクトのUART1をUART0へ変更すると、コンパイル時に妙なワーニングが発生しますが、VCOM接続でUART0が動作します（UART0からUART1への変更にはMCUXpresso Config Toolsの使い方を参照してください）。つまり、UART0とOpenSDAは、回路図どおり接続済みな訳です。

R5とR6は実装されていますが、この代わり追加したのが2配線です。

その結果、UART1で全てのサンプルプロジェクトが正常動作します。また、UART0で発生した妙なワーニングもありません。

つまり、SDK付属UART1サンプルプロジェクトの正常動作には、J1-2とJ2-20、J1-1とJ2-18の2配線が必要です。この時UART0は、並列接続を避けるためInactiveにします。

※サンプルプロジェクトは、元々UART0がInactiveです。新規プロジェクト作成の時は、デフォルトActiveなUART0をInactive、UART1をActiveへ変更すると、サンプルプロジェクトがそのまま流用できます。

※評価ボード回路図最新版がRev.Eです。FRDM-KL25Z評価ボード裏側にシールが貼ってあり、回路図版数Rev.Eと一致、R5とR6も実装済みですが正常動作には追加配線が必要でした。回路図と実評価ボードの版数には、留意してください。

まとめ、新開発汎用Kinetis Lテンプレート

UARTとVCOM接続の重要性を示し、FRDM-KL25Z評価ボードで、VCOM接続を使ってMCUXpresso SDK UART1サンプルプロジェクトを正常動作させるには、評価ボードへ2配線を追加する使い方、各種注意点を説明しました。

このFRDM-KL25Z（Cortex-M0+/48MHz、General Purpose = Main Stream）を使って開発中の汎用Kinetis Lテンプレートは、新規プロジェクト作成時のデフォルトActiveなUART0をUART1へ変更済みで、本稿で示したような開発つまずきを回避する各種情報なども添付します。

写真1は、最も簡単なテンプレート応用例のVCOM動作で、評価ボードの赤/緑/青LEDやタッチスライダ、低消費電力動作のKinetis Lソフトウェアを簡単に開発できるテンプレートです。

3.3V動作新Baseboard

Cortex-M0+のKinetis Lは1.71Ｖから3.6 V動作で、従来弊社が扱ってきた5V Baseboard接続への5V耐圧端子が残念ながらありません。100MHzクラスで3.3V動作のCortex-M4テンプレート開発なども考慮すると、3.3V/1.8V動作用の新しいBaseboardを探し、テンプレート応用例に適用させたいと考えております。

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FSP利用RAファミリUARTの使い方