Arduinoで学ぶ組み込みハンズオン合宿をしてきました(1)

先週末11/24と11/25は、依頼された組み込みハンズオン合宿の講師をしてきました。開催場所は茨城県神栖市の旅館を借りてのものでした。オープンソース活用などを進めておられた知己が地元の母校(波崎工業高校)の後輩たちもターゲットにして開催する刺激を与えることを目的として企画されましたが、実際には若手抜きでの開催となり準備推進といった様相となりました
先日開発したスポーツ用の12秒タイマーの実装例などの解説を中心にしてカスタマイズや、センサー・アクチュエータを活用できるところまで参加された方々のIDE環境のセットアップから二日間で漕ぎつけるというものでした。ほかにも教育研究されている宇都宮大学の先生や波崎工業高校の先生のお話も交えての内容で縦軸が私の担当するハンズオンの合宿でした。

地域の工業高校生の参加勧誘に向けては、社会連携などの活動としてのお話しにつなげていく中でのものでしたので準備に手間取り実際の生徒さんたちの都合には十分な宣伝期間などが不足して、社会人の方たちの参加のみに限定されましたが教える側としてのトライアルとしては寧ろIT環境になれない方たちも含めてのものとしての挑戦でもありました。

最初に、自身の邂逅となるマイコン遭遇となる組み込み人生について自己紹介をかねての経歴説明の中でマイコン開発の進め方にどう携わってきたのかを話して開発環境への取り組みが35年ほど遡る時代背景での高級言語Cのマイコン実装実現での経験について話をして、現代にいたるまでの話をつなぎました。これには今日のハンズオンへの伏線を隠していました。同様な内容は先月開催されたヒューマンネットワーク高専の全国交流会でのプレゼンと被ります

手元に皆さんが使えるようにしたのは中華製のArduino互換基板です。今回参加された方々はUbuntu, Windows, MacOSと様々なタイプのマシンを持ち込まれていたのでIDEのインストールを通じて最近のライセンス問題やArduino自身の出自や、Arduinoプロジェクトの御家騒動、USB変換チップの模造品問題などについても触れて今回のものに搭載されているものが中華国家が推進しているCH340が搭載されていることに触れて、識者の方にも経験のあるUSBケーブルが動作しなくなったある時期の時代背景についても触れて実態について紹介しました。こうした技術上の現代史を知らないまま、これからの時代を生きていくうえでは重要な点と理解しています。

折角の機会なのでマイコンの構造を解き明かしつつ内部の構成についても解説を加えるという回りくどい教え方でもありました。

Arduinoのベースとなるマイコンの基本を知ってもらう意味で機械語の動作が目視でみたりすることが出来るマイコン黎明期に登場したAlnair/IMSAIなどのレプリカマシンであるLegacy8080(科学少年出版)を持ち込みマイコンとしての動作の概念であるメモリ、バスライン、デバイスの仕組みについて解説して自身が開発して成果を上げてきた話とシンクロしながら説明をして、組み込みの基本となるリセットからのマイコン動作も含めてデモすることで実際にマイコンをステップ動作させることで理解した雰囲気に導きました。

Arduinoの良いところはプロトタイピングのために徹底した抽象化が図られていて本当の意味で知らなければならない細かい所作については理解しなくても使い込んでいくことが出来ることでもあるのですが、そうした隠ぺいした部分について詳細な理解までは別にして気にする程度に説明することで実際のモノづくりに必要なことを実装例を通じて示していきました。

実際に作ったスポーツタイマーは12秒計測を行う大型のLEDでフラッシングを脈動するような形で色や照度を変えつつ表示計測して任意に停止したり巻き戻したり進めたりという実現したものの説明を先に行いました。これで参加される方がこれから説明しようとするものについての動作上の理解をしてもらうことが出来ました。

具体的な動作例を示すことで、その中身のソースコードを説明していくことで必要な記述が何を示していくのかについての関心が増します。

150個のLEDピースが連結されたNeoPixelというデバイスが三本の線で接続されていることを示しつつ、信号線の定義をソース上で行うこと、実際の基板の上での読み方や複数のピンが存在する中で使える二つのタイプのピンAnalogの入力にもつかえるピン、デジタルの入出力に使えるピンなとの機能についての説明や配置上の自由などにふれ、これから制御しようとしているLEDのシリアルテープ構造のもの自体が一つずつにマイコンが搭載されていて3色のLEDの色情報と輝度情報を持っていることを教えます。セグメント構造、色の制御、時間経過での色と照度変化のための構造定義とロジックについてから前後しますが、ArduinoのプログラムにはMainが存在せずにSetupとLoopしかないことを説明して、普通のブログラミングであればMainから終了すると終わってしまうのが、Setupが最初に一度だけ呼ばれてから、Loop関数は繰り返し呼ばれてしまう構造であることを伝えて、ようやくソフトの制御の流れについての読み方を説明していくことを伝えます。スポーツタイマーではBluetoothの端末からのコマンドで動作することを示していたことは示していましたが、あえてシリアルインタフェースは使わずにソフトシリアルを使っていることを理由も含めて説明していくことで深みに嵌めていきました。

7セグメントの構造の1.5桁構成の表示機で制御するためのLED構造が数珠つなぎで一番Arduinoに近いものからアドレスが降られていることを伝えて制御したいセグメントを定義するスタートとエンドの番号を定義していく箇所。

そのセグメントが0から12までどの様に点灯するのかということを定義したデータ配列。

三色のバランスを段々変えていき、緑から始まって、徐々に赤くなっていく色の変化を定義した配列。

一秒刻みで毎回ハッキリと輝度を上げて表示しつつ経過時間で薄くなっていくための輝度調整の計算ロジック。

以上開発した関数を組み合わせて、ある経過時間での残り時間を、その時の秒数と、その時の輝度と色で150個のLEDに与えるデータとして編集する関数群として呼び出す仕組み。

最後に一気にそのデータを瞬間的に高速に払い出すための関数。

BLEを使おうとしたら嵌ったerror: too many asp_ble_gattc_open(esp_gatt_if_t, uint8_t*, bool)’

ESP32の開発環境をArduinoに構築してとりあえず、LEDテープが動作したりするのは確認できたので、bleを使うために最新のライブラリを取り込んでみたのだが、表題のエラーがでる。ソースコードを確認していくと新しいライブラリで新たなincludeディレクトリとしてapiというものが出来ていた。まだBLEが最新版に統合されていない状況で個別にかぶせる形で展開したためにエラーとなる関数のヘッダーが新旧と同時に存在して探索パスの順序から古いものが参照されていたというオチだった。

apiに存在しているもので、上のディレクトリにあったものは削除することで解決した。

私の場合は、D:\User2\Documents\Arduino\hardware\espressif\esp32\tools\sdk\include\bluedroid

ここの下に新しいBLEライブラリはapiというヘッダが作られていた。

Arduino 環境 1.8.5
ESP32 最新版
BLE  0.4.16

Arduino入門キットを寄贈いただきました

多賀様から、Arduino-UNO、Groove用シールド、スイッチサイエンスさんのArduinoを始めようキットのセットを3式寄贈していただきました。Arduino-UNOを利用していろいろと実験されたい学生さんに無償でご利用していただけます。

多賀様まことにありがとうございました。

クリスマス用のデコレーションを3Dプリンターで作ってみる

秋葉原で電子工作スペースを運営しているアセンブラージュさんが、アキハパラ キラキラ化計画というイベントを企画されている。参加された方が実際に電気街でクリスマス期間に使われるイルミネーションを作成するワークショップで、作成物は展示期間後に渡される形だそうです。ヒューマンネットワーク高専としてアセンブラージュさんの応援をしているので、普段やっていることで何かお手伝いできることはないだろうか考えて材料を探していましたところ。

100円均一ショップで売っている耐震ジェルを見つけました。6個セットです。

%e8%80%90%e9%9c%87%e3%82%b2%e3%83%abこの粘着性の柔らかい樹脂(エラストマーゴム)はサイズが25mm四方で厚みが3mmというものです。

間に紙でアイコンを切り抜いたものを挟み、横からLEDで照明して両サイドからアイコンが照らされて浮かび上がるという作戦です。

 

image使うLEDはフルカラーでシリアル制御可能なWS2812Bの基板実装済のもので、10mm径の円盤で厚み3ミリというものです。

IchigoJamでの制御可能にするという課題についてはIchigoLampというパッケージをLPC810に焼きこむことで対応するというのが槙野さんところでの方針らしいので、それに準じます。

img_80691とりあえず、エラストマーゴムと基板二つを挟み込む樹脂パーツを3Dプリンターで試作してみました。

 

 

 

 

 

 

img_80611基板の実装イメージはこんな形ですが、給電配線は方向としては、間違いで中に向けて入りと出の双方でY字を描くようにするのですが、まずは点灯してイメージの確認です。

 

 

 

 

img_80591でこんな感じです。

しかしながら、実際に試作したケースでは、この太い給電線を収容できなかったので・・・img_80672ワイヤリングペンで配線することで、まずはアイコンを挟んで照らすことを評価しましたよ。色を変えてみてもよさそうでした。

コントローラは、とりあえず、ArduinoにNEOPIXELのスケッチを入れて評価しました。

収容部分の給電線の余裕をみた形にして3D設計しなおして作成したものは、こらちにUPしてあります。

エラストマーゴムは粘着性ですので、表面にもゴミが付きやすいのですが、この用途に限っては汚れてもグミのような感じになるだけで、照明の結果としては透明よりも良い感じになるようです。

むろん取り外して洗えますので、問題はないです。img_80661

嵌合に使用したネジはM2の8ミリです。
IchigoLampやArduinoなどからの給電能力から考えると、このペンダントとしての連結制限は6個くらいかもしれません。(12個のWS2812B)

輝度を下げる指定をすれば増やすことは可能ですし、別電源で供給するならば問題はありません。

作成しました3Dプリント部品やWS2812の基板については頒布いたしますので、希望者はお知らせください。

ニキシー管時計を作ろう (更新3)

レトロな映画で最近も見かける表示器だが数字のエレメントが重なり0-9あるいは単位などの表示ものもあるようだ。高専に入学したころ(1971)には、電子計算機室という名前で、実際にはこの表示器のついた大型電子卓上計算機が並んでいる部屋だったりもした。当時はSONY製やカシオ製の電子式卓上計算機が鎮座していた。ルート計算ができるモデルがあったが、計算をすると途中経過の表示などが確定していくさまでは表示が前後する形のこの表示管の味わいがありました。このチューブはソケットの上部から覗くようになっていてパネル面につけるタイプのものなのだろう。現在はロシアで生産しているようで、ソケットと合わせてチューブを購入した。中身はネオンサインと一緒で高圧200V程度をかけて当該のエレメントが点灯するようになる。

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真空管のソケットタイプではなく、ニキシー管の専用のソケットになっているらしい。
これを立てて取り付けるパネルを3Dプリンターで作成した。
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制御基板はATMEGAでArduino開発ベースとなっていた。基板には、高圧発生回路、フォトドライバー、高圧対応のBCDデコーダとなり、別にリアルタイムクロックのモジュールとi2cで接続する形だ。

IMG_5820

配線自体は、基本的に横一線で同じエレメントを数珠つなぎとしてアノードを各自に配線する。IMG_5825

制御基板やrtcモジュールを載せるシャーシも3dで作成した。ここにニキシー管パネルを立てる

IMG_5826

配線の終わったニキシー管パネルをつけた。

IMG_5831

これを落とし込む100円均一で買った木製ボックスにいれてみた。
この窓からニキシー管が見える予定。

IMG_5829

全体を接続して動作確認をしてみると点灯しない文字があるのでデバッグ開始

IMG_5835

今回のキットはチェコの方の作品だが、基板の改版とコードのメンテナンスがシンクしていないようで、atmegaからの引き出しピンが私の入手した基板ではあっていないようだ。古い基板をくれたのかもしれない。ソースは開示されているので修正することにして、まずケースに収めてつけてみた。こんな感じ
IMG_5845
問題点は、明らかになり基板のバージョンが古いらしいこととソースコードとマッチしていないことだった。基板をソースコードに合わせて修正してソフトを書き戻した。RGBとTICKのLEDにPWM制御をかけたいらしく仕様変更があったようだ。最新の図面は提供されていないがソースには、そのように書かれている。基板のパターンも訂正されていないのでパターンカットとジャンパーで筆者がしたであろう状態にしている。予備の基板が一枚あるので、作りたい方は、ジャンパーのみ実施していただく必要がある。パターンカットは実施済。

表示できない文字や配線していないはずの小数点が表示されるなどの挙動がありさらに追及するとニキシー管のソケットナンバリングと向きが想定外になっていて180度異なっていたことが判明した。スペックシートとまったく反転しているのには驚いた。下記のスペックシートをみて、実際のTUBEを正立で見た際に天が12ピンではないのだとは・・・・。

in-12adiagram

ソケットを180度回すだけの配線の余長があったので幸いでした。

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操作キーは秋月の基板を天板のアクリルにとめつけて操作ボタンとLEDを出すことにしたのだが、基板加工機を使ってNCマシンの代行にさせようとしたのだが失敗してしまった。アクリル加工には基板加工とは違って出来るだけ発熱をしないようにしないといけないのだ。ドリル径より大きな穴をスイングしてあけさせようというのは周辺が溶け出してしまいみっともない形になった。1mm程度のドリルで上下の打ち抜きのみをさせるように次回はしたいと思います。
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出来上がりを確認してみると1,2,5の文字が表示できないという現象となり74141がおかしいようだ。ついてきたパーツはロシア製の互換チップのK155だったが、中華マーケットに手配をかけたが、いまさら秋葉原にもなさそうなので、入荷したら再開しよう。

原因は、基板のパターン間違いだった。A-Dが入れ替わっていた。途中表示をしなかったのは、10進デコーダの範囲外となっていたからだった。うーん、困ったものでしたがソース修正して無事表示が出るようになりました。

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予備の基板がありますので、作りたい方はNIXIE管の手配で作れそうです。

DSC_0588

追加のバグ報告 アノードの出力ピンがコネクタ順で時刻の10位と1位が入れ替わっていました。なぜか、この基板設計した人は間違ったままにしていたようです。表示がおかしいので、ソース側で修正しつつ、基板の間違いを確認しました。

作者からソースコードの旧ハード(Revisionなし)に対応するものが提供されましたが、若干の相違があったのでレポートを返しておきました。

時刻表示もOKです

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カレンダー表示もOKです

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ATMEGA Fuseリセッター

ちびでぃーのProの書き換えの過程でFuseを誤って書き込みISPでも動作しなくなった。
リセッターの基板(HVPP)を取り出してきて基板もろとも処置しようとしたのだが、対策がいるようだ。

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スパゲッティになっている小さな基板がちびでぃーのPro。 真ん中の基板がリセッターです。 リセットに成功するとグリーンLEDが点灯してエラーだと黄色のLEDがつく。 詳細はDEBUGポートにシリアルターミナルをつないで確認する。

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ATMEGA328(QFP32)とATMEGA328(DIP28)の違いがあるが、必要な線は取り出して接続したつもり。

FuseFix

結果はイエローで、どうも認識されないらしい。

FuseFix_Gd

普通のATMEGA168などを刺して確認してみると、動作するのだが

LEDテープケーブルを使ってみました

DSC_0154[1]

これは150個つながっているまま動作させました。

DSC_0159[1]

Aitendoのあちゃんでいいのという小さなArduinoユニットを使っています。

DSC_0203テープLEDは、スタンドライトの仕込みとして大型ウィスキーボトルにエンベデッドされました。
三号国民ソケットを使って上の電球と切り替えて動作します。

ゆらゆらと文字が光るウェルカムボード

アクリルボードで暗いところに置くと切り文字が妖しく色を変えて輝きます。
足元の多色LEDがゆらゆらと周期を変えて明度を変えることによりオーロラみたいな雰囲気で色が移り変わります。作って頂くのは切り文字や、LEDの基板とアクリルなどの工作です。
使うマイコンは既製品のArduinoUNOやキットのちびでーの2など。手間を惜しむか費用を惜しむかは分かれますが色々楽しめます。

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