デジタル・スイッチング・レギュレーター

現在、SW レギュレーターを組もうと思ったら、専用の IC を買えば済む、しかし、微妙に違う仕様のICが数限りなくあり、ベストな選択をする事が難しいし、数個購入するとなると、割高でもある。

とりあえずのゴールは、リチウムイオン電池の充電や、ブラシレスモーターの制御なのだが、専用 IC で組むとそれなりの値段になってしまうし、より細かい制御をしようと思うと、マイコンの助けも必要なので、1個のマイコンだけで、全ての制御を行う予定。

まず、「昇圧」は、電流の管理が必須で、誤るとドライバーを破壊するので、無難な「降圧」方式で実験してみた。

12 ビットの A/D コンバーターを使って、フィードバックを行い、指令電圧に追従させてみた。
まず、一番単純な制御で行ってみた。

IMG_0534ss

A/D チャネル0: 10K のボリューム(指令電圧)
A/D チャネル1: 出力電圧(1/6)
A/D チャネル2: 入力電圧(1/6)

A/D の入力には、AD8656 をバッファアンプに使い、1/6 に分圧して、基準電圧には 2.5V のリファレンスを使った、電源は 12V 。
※写真のボードでは、保護抵抗やリミッターを省いているが、付けた方が無難だろう。

パワー MOS-FET は、IR 社の IRLR3114 、ドライバーはリニアテクノロジーの LTC4442

LTC4442 の制御電圧は FET のゲート電圧を考えて 10V 程度を供給している。
※バイパスコンデンサをしっかり配置しないと、正常に動作しない、使うのにコツがいるようだ、ハイサイド側が ON した時、かなりハンチングしているようで、原因が良く判らない・・・
IMG_0535ss
LTC4442 は、上下の FET が貫通しないような工夫がしてあるので、デッドタイムの制御はしなくていいのでコンビニエンスだ・・(それが正しく働いてなくて、ハンチングしているのかも・・)

RX63T は、PWM タイマーの周波数として 100MHz を扱えるので、9 ビットの分解能として、187.5KHz (96MHz / 512) を実現している。
インダクターは TDK の 22uH 電圧にもよるけど、このサイズ(容量)なら 500mA 程度なら取り出せるだろうか・・

メインループは、1000Hz なので、応答は、そんなに高速では無いが、サンプリング方式では、どのみち限界がある。

ソースコード一式を、github にプッシュしてある。

—–
今後の課題として、もっと違った制御法を試して、ステップ応答などの特性を評価してみないといけない。

追記 (2014/1/1)(2014/1/2):
・比例制御から、もう少し違う制御にしてみた・・
・A/D の変換タイミングを、PWM に同期させてみた。
・ハイサイドの FET をチャージポンプで駆動している為、パルスが無くならないように、最低値と最大値を制限。
・サンプリングは 10KHz にした。

    bool up = true;
    int32_t base_gain = 651;
    int32_t high_gain = 1500;
    int32_t low_limit = 10;
    int32_t high_limit = 500;
    int32_t cpv = low_limit;
    while(1) {
        adc_.start(0b00000111);

        cmt_.sync();

        // A/D 変換開始
        adc_.sync();
//        int32_t ref = static_cast<int32_t>(adc_.get(0)); // 指令電圧
        int32_t out = static_cast<int32_t>(adc_.get(1)); // 出力電圧
        int32_t inp = static_cast<int32_t>(adc_.get(2)); // 入力電圧

        // 三角波
        if(up) {
            ref += 20;
        } else {
            ref -= 20;
        }
        if(ref > 1700) {
            up = false;
            ref = 1700;
        } else if(ref < 200) {
            up = true;
            ref = 200;
        }

        int32_t dif = ref - out;  // 誤差
        // PWM の制御量に対するスレッショルド
        if(std::abs(dif) < 40) {
            if(dif < 0) --cpv;
            else ++cpv;
        } else {
            // 基本的な制御量の計算
            int32_t d = dif * 512 / inp;

            // 指令電圧、入力電圧の比に応じて、ゲインを制御
            // ・指令電圧が低い場合はゲインを小さくする
            int32_t g = (high_gain - base_gain) * ref / inp;
            g += base_gain;
            if(d < 0) g -= g / 4;
            cpv += d * g / 4096;
        }

        // 出力リミッター
        if(cpv < low_limit) cpv = low_limit;
        else if(cpv > high_limit) cpv = high_limit;

        gpt_.set_a(cpv);
        uint16_t ofs = (512 - cpv) / 2;
        gpt_.set_ad_a(cpv + ofs);   // A/D 変換開始タイミング

↑はメインループ(サンプリング)部分
※実用的には過電流保護なども必要。
出力に 1000uF のコンデンサと 10uF のセラミックコンデンサを入れたら、リップルはかなり小さくなり、これなら実用的と思える。
※電圧が低い場合にはゲインを抑えるように改修

IMG_0537ss
※三角波を出力したところ
これなら、まぁ許容できるかも・・

追記(2014/1/7):
トップのオン時、出力が振動するのは、リニアテクノロジーの資料を読んでたら、トップ側FETに並列にショットキーダイオードを入れる事で改善する事が判り、早速入れてみた、完全には無くならないが、確かに改善してる。
全体的にリップルも減った。

DC/DC コンバーターとリチウム電池充電

16×16 ドットマトリックス LED 用の電源回路を作ってみた。

これは、一応キッチンタイマーなので、電池で動作する必要がある。

電池には、リチウムイオンポリマー電池を使ったので、5Vの昇圧と、充電回路も組み込んだ。

IMG_0528ss
IMG_0529ss

昇圧の DC/DC コンバーターは、電流が少なければ、HT7750Aとかでも良いのだけど、このICは、電流を多く取れないし、効率も悪く、フライホイールダイオードを追加する必要がある、そこで色々捜していたが、中々良い物(値段が安い)が無い、そんな時、EMH7601を見つけた!、このICは同期整流で、電流も多く取れてシンプルで高性能、値段も100円と、安い!
早速コレを使う事に決めた。
充電には、MCP73831T-2ACIを使った、これも2個で100円と格安だ。

なるべく小さいスペースに詰め込んだ為、かなりキュウキュウだけど、とりあえず、何とか動作した。
ただ、残念なのは、「スライドスイッチ」だった・・・
予定では、二回路を使い、電源 OFF 時に、USB から充電、電源 ON 時には、USB から給電する予定だったが、1回路を買ってしまい、電源 OFF 時でも充電と給電をしてしまう。
いまさら、スイッチを交換するのもシンドイので、とりあえずそのままになってる。
※電源 ON 時に、USB から給電すると、DC/DC は完全にシャットダウンされるように工夫してある、P チャネルと N チャネルのFETを使って DC/DC の SD 端子を制御している。
ゲートを1回路だけ使いたいとか、要求が良くあるので、そんなのが欲しいとこだけど手持ちに無い、調べるとマルツパーツで売ってるみたいなので、今度買っておこう~

EMH7601 は、ほんとに素晴らしい~、通常ゲートを低電圧で動かして、低 ON 抵抗で高速に動かすのは難しいのだが・・・、それに同期整流で、外にショットキーダイオードを追加しなくても良い点も素晴らしい。
こうゆう斬新な製品は、意外と知られていないメーカーが創っており、入手が難しかったりするのだが、今回は Aitendo で扱っていてラッキーだった。

充電回路と DC/DC を合わせた小さい基板は需要がありそうだから、作ればよいと思うが、作るとなるとそれなりの値段になってしまうのだろうな・・・

C 言語よりお得な C++ その6

前回、非常に簡単ではありましたが、テンプレートで 「C 言語よりお得な C++ その5」FIFO のサイズを可変する方法を書きました。

今度は、もう少し複雑ですが、もっと実用的な実装のアイディアを示します。

以前から主に RX マイコン用の I/O 定義を C++ で実装して来ました、今回それを活用して実際に I/O の操作を行うクラスをテンプレートで実装してみます。

組み込みマイコンでは、ハードウェアーリソースは、大抵複数のチャネルがあります。
例えば、RX63T には CMT(コンペアマッチタイマー)は4チャネルあります、チャネル毎に操作する I/O の対象は微妙に違い、C のプログラムでは、チャネル毎に別々に実装するしかありませんでした(define のマクロで解決する方法は論外です)、このような微妙な違いは、大抵は、I/O のアドレスが違うとか、ビットの位置が違うなどでした、ですから、自分がどのチャネルに対して操作しているか判れば、柔軟性のあるドライバーを書く事は出来るのですが、テンプレートを使うと、非常にシンプルに判りやすく書けます、また最適化によって余分な部分は自動的に消してくれますので、リソースのダイエットや速度の向上が望めます。

※少し長いですが、cmt_io.hpp を示します。

#pragma once
//=====================================================================//
/*! @file
    @brief  RX62N, RX621, RX63T グループ・CMT I/O 制御 @n
            Copyright 2013 Kunihito Hiramatsu
    @author 平松邦仁 (hira@rvf-rc45.net)
*/
//=====================================================================//
#include "cmt.hpp"
#include "rx63x/system.hpp"
#include "rx63x/icu.hpp"
#include "vect.h"

namespace device {

    //+++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++//
    /*!
        @brief  CMT I/O クラス
        @param[in]  CMTx    CMT チャネルクラス
    */
    //+++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++//
    template <class CMTx>
    class cmt_io {

        uint32_t    clock_;

        void sleep_() { }

        static volatile uint32_t counter_;
        static void (*task_)();
        static INTERRUPT_FUNC void cmt_task_() {
            ++counter_;
            if(task_) (*task_)();
            switch(CMTx::get_chanel()) {
            case 0:
                ICU::IR.CMI0 = 0;
                break;
            case 1:
                ICU::IR.CMI1 = 0;
                break;
            case 2:
                ICU::IR.CMI2 = 0;
                break;
            case 3:
                ICU::IR.CMI3 = 0;
                break;
            }
        }

    public:
        //-----------------------------------------------------------------//
        /*!
            @brief  コンストラクター
        */
        //-----------------------------------------------------------------//
        cmt_io() : clock_(0) { }


        //-----------------------------------------------------------------//
        /*!
            @brief  ベースクロックの設定
            @param[in]  clock   ベース周波数
        */
        //-----------------------------------------------------------------//
        void set_clock(uint32_t clock) { clock_ = clock; }


        //-----------------------------------------------------------------//
        /*!
            @brief  初期化
            @param[in]  freq    タイマー周波数
            @param[in]  level   割り込みレベル
            @return レンジオーバーなら「false」を返す
        */
        //-----------------------------------------------------------------//
        bool initialize(uint32_t freq, uint8_t level) const {
            if(freq == 0 || clock_ == 0) return false;

            uint32_t cmcor = clock_ / freq / 8;
            uint8_t cks = 0;
            while(cmcor > 65536) {
                cmcor >>= 2;
                ++cks;
            }
            if(cks > 3 || cmcor == 0) {
                return false;
            }

            uint32_t chanel = CMTx::get_chanel();
            task_ = 0;
            switch(chanel) {
            case 0:
                set_interrupt_task(cmt_task_, ICU::VECTOR::CMI0);
                CMTx::CMSTR0.STR0 = 0;
                SYSTEM::MSTPCRA.MSTPA15 = 0;
                ICU::IPR.CMI0 = level;
                ICU::IER.CMI0 = true;
                ICU::IR.CMI0 = 0;
                break;
            case 1:
                CMTx::CMSTR0.STR1 = 0;
                SYSTEM::MSTPCRA.MSTPA15 = 0;
                set_interrupt_task(cmt_task_, ICU::VECTOR::CMI1);
                ICU::IPR.CMI1 = level;
                ICU::IER.CMI1 = true;
                ICU::IR.CMI1 = 0;
                break;
            case 2:
                CMTx::CMSTR1.STR2 = 0;
                SYSTEM::MSTPCRA.MSTPA14 = 0;
                set_interrupt_task(cmt_task_, ICU::VECTOR::CMI2);
                ICU::IPR.CMI2 = level;
                ICU::IER.CMI2 = true;
                ICU::IR.CMI2 = 0;
                break;
            case 3:
                CMTx::CMSTR1.STR3 = 0;
                SYSTEM::MSTPCRA.MSTPA14 = 0;
                set_interrupt_task(cmt_task_, ICU::VECTOR::CMI3);
                ICU::IPR.CMI3 = level;
                ICU::IER.CMI3 = true;
                ICU::IR.CMI3 = 0;
                break;
            }

            CMTx::CMCR = CMTx::CMCR.CMIE.b() | CMTx::CMCR.CKS.b(cks);
            CMTx::CMCOR = cmcor - 1;

            switch(chanel) {
            case 0:
                CMTx::CMSTR0.STR0 = 1;
                break;
            case 1:
                CMTx::CMSTR0.STR1 = 1;
                break;
            case 2:
                CMTx::CMSTR1.STR2 = 1;
                break;
            case 3:
                CMTx::CMSTR1.STR3 = 1;
                break;
            }
            return true;
        }


        //-----------------------------------------------------------------//
        /*!
            @brief  割り込みタスクを設定
            @param[in]  task    設定タスク
        */
        //-----------------------------------------------------------------//
        void set_task(void (*task)()) const {
            cmt_task_ = task;
        }


        //-----------------------------------------------------------------//
        /*!
            @brief  割り込みと同期
        */
        //-----------------------------------------------------------------//
        void sync() {
            volatile uint32_t cnt = counter_;
            while(cnt == counter_) ;
        }


        //-----------------------------------------------------------------//
        /*!
            @brief  割り込みカウンターの値を取得
        */
        //-----------------------------------------------------------------//
        uint32_t get_count() const {
            return counter_;
        }


        //-----------------------------------------------------------------//
        /*!
            @brief  CMT カウンターの値を取得
        */
        //-----------------------------------------------------------------//
        uint16_t get_cmt_count() const {
            return CMTx::CMCNT();
        }
    };
    template <class CMTx> volatile uint32_t cmt_io<CMTx>::counter_;
    template <class CMTx> void (*cmt_io::task_)();
}

ここで、重要なしくみは、「static」で宣言された関数と変数です、これは、割り込みルーチンと、クラスとのデータをやり取りする部分ですが、static に宣言されている為、クラスのインスタンスを取得する事が必要では無く、割り込み関数から簡単にアクセス出来ます。

※クラス外で、static 宣言されたリソースの実態を記述しておく必要がありますが、それは、コードの最後の方で行っています。

    template <class CMTx> volatile uint32_t cmt_io<CMTx>::counter_;  // カウンター変数の実態
    template <class CMTx> void (*cmt_io::task_)();  // 関数アドレスの実態

クラス内で static 宣言された変数やクラスは、そのクラスで共有されるのですが、このクラスはテンプレートクラスなので、CMT のチャネルが違えば、変数や、関数は、別々にインスタンス化されますので、好都合です。

このテンプレートクラスでは、個々の処理で、チャネル番号を取得して、switch 文により、処理を分けていますが、ここが、テンプレートの賢いところで、チャネル番号は、インスタンス化の時に定数なので、余分なケースは取り除かれてチャネル固有の実装だけが、取り込まれます。

どうでしょうか?、組み込みでも C++ を使う効果が理解できたのでは無いでしょうか?

※このソースコードや、I/O 定義ヘッダーは github にありますので参照して下さい。

WinAVR C++ の実力とは!?

この記事は、C++ Advent Calendar 2013 12月4日(水)の記事です。

前回は ボレロ村上 さんの記事でした。

最初に断っておきますが、C++ 関係の話題は、ほんの少しで、後は、少し毛色の違うマッタリとした話です。

WinAVR は、Atmel AVR Microcontrollers 用の gcc を使った C、C++ コンパイラーコレクションです。

今時、「gcc が使えるマイコン」なんて珍しくも無いと思うかも知れませんが、数百バイトの RAM と、数キロバイトの Flash(ROM) で構成された 8 ビットマイコンで実用に耐えるレベルで使う事が出来る C++(gcc) は、非常に珍しいと思いますし、フリーで制限無く使えます。
有志の方たちの努力で、非常に効率が良く、洗練された、品質の高いコードが出ます、又、数十種類にも及ぶ AVR ファミリーに特化した専用のヘッダーが用意されており、個々のデバイスに最適化した実装をシンプルに行う事が出来ます。

AVR マイクロコントローラーは、RAM や Flash(ROM) の容量や周辺機能の違いにより 100 円から数百円で、秋葉原などでも普通に買え、入手性も良く、又、プログラムを書き込むツールも安く売られています、必要な情報も公開されている為、自分で書き込み装置を製作する事もでき、これらのソリューションは、ホビーでハードウェアーを自作する人たちに好まれてきました。
IMG_0485s
2種類の自作 ISP (AVR にプログラムを書き込むツール)
日本でも色々な方が ISP を公開していますが、代表的なのは、「千秋ゼミ」 で、AVR への安価な書き込み機を紹介しています、このプロジェクトでは、100 円で買える最も安い AVR(ATtiny2313) を利用した ISP「HIDaspx」で、プログラミングループのマシンサイクルを厳密に調整して、USB1.1 の 1.5Mbps の接続をエミュレーションしています、そしてそれらを2キロバイトのメモリーに入れています、とてもクールなもので、素晴らしいソリューションです。
※「鶏と卵問題」がある為、HIDaspx が書き込まれた AVR が欲しい人は、連絡下さい、書き込み済みの物を送ります。(100 円+送料)

また、Arduino(アルドゥイーノ)と呼ばれる、統合開発環境があり、この環境では、C++ に似た(殆ど C++)Arduino 言語を用いて、プログラムを作成する事ができ、世界中の人が使っています、今回のシステムでは、Makefile で直接 avr-gcc を動かしますので、Arduino は使いません。

最近は、32 ビットの ARM マイコンが 110 円で入手出来る時代なので、その価値は多少薄れているようにも思いますが、電源電圧範囲が広く、低消費電力で、それなりに高速(最大 20MHz)、外部ペリフェラルも豊富で、関係資料が多く、とても使いやすいマイコンなので、ホビーで電子工作をする人のより良いアイテムとなっています。
※双璧を成す同じような構成のマイコンとして PIC がありますが、こちらは gcc は使えませんし、C++ も使えないようです、場合によっては有料の SDK を購入する必要があります。

今までは、AVR マイコンの開発では、主に C でプログラミングしてきましたが、C++ でどのくらい実用性があるのか、検証するつもりで、全て C++ による実装を行い、関連する問題を検証してみました。

最も大きな問題として AVR C++ の仕様では stdlibc++(STL が使えない) が無い点です、それでは C++ と言えないのではと言う人もいるかと思いますが、たとえば ATtiny2313 では 256 バイトの RAM と、2 キロバイトの Flash(ROM) しかありません、このようなリソースでは、STL ライブラリーを含める事は不可能です、多分、WinAVR の開発者は、リソースの制限から、STL を捨て、C++ によって得られる成果を最大限受け取れるように最適化したものと思われます。
もちろん、 boost もそのままでは使う事は出来ませんが、一部は、WinAVR 用に修正すれば、恩恵を受け取る事は可能だと思います。
良く、「車輪の再発明」と言うのがありますが、AVR に限っては、もし必要なら、小規模で独自な vector、string、map、のような何かは必要になると思います、都合が良い事に、参考に出来る資料や実装は沢山あるので、移植は難しい事では無いと思います。
ただ、メモリー消費と機能を天秤にかけた、中世期の実装、格闘となると思います。

今回 ATmega328P(RAM: 2K, ROM: 32K, Clock: 20MHz)のマイコン(250 円)を使い、16×16 のドットのマトリックス LED 表示を持った小型デバイスを作ってみました、表示だけではエンターティメント性に欠けるので、単音の矩形波で実現するパルスサウンドモジュレーター(チープですが)を組み込みました、そして、入力デバイスとして4つの押しボタンスイッチ、時計用のリアルタイムクロックも加えました。
IMG_0490s
※各モジュールを外して分解したところ
※この写真にはRTCなどが含まれていません。

ソースコード、回路図など GitHUB で公開していますので、ハンダ付けが出来るなら、回路製作をチャレンジしても良いと思います、なるべく汎用的な部品を使い低価格になるようにしています、今回 16×16 の LED モジュールは、秋葉原でたまたま見つけたジャンク LT-5013T (420 円)を使ったのですが、全体のコストは2000 円くらいでしょうか。
元々は、台所で使うキッチンタイマーをゴージャスに作るのが目的だったのですが、(ダイソーで買ったタイマーは味気がありませんし、最近誤動作するようになってきました)作ってみると、16×16 LED ドットマトリックスはチープなわりに意外と奥が深いのでミニゲームも作ってみました。

(1)ハードウェアーとソフトの分担
マイコンを使った「装置」を作る場合、ハードで分担する部分と、ソフトで分担する部分の比率や構成を考えなければなりません、ホビーで作る場合は、なるべくソフトの比重を多くして、簡単なハードで済ます方が何かと楽なものです、その中でとりあえず一番のトピックスは LED の表示方法です、この LED のマトリックスでは、16×16(256個)の LED がありますがマトリックス状に結線されている為、一度に16個を表示して、それを16回繰り返して全ての表示を行います(ダイナミックスキャンと言います)、フレームレートをゲーム機並みの 60 枚にしたかったので、LED のダイナミックスキャンは 960Hz で行っています、このくらい高速だと、人間の目にはちらつきは認識できません。
今回、LED のダイナミックスキャンでは、3 to 8 デコーダー(74HC138)を2個、8 ビットのラッチを2個、P チャネル FET 16個で行いましたが、後で気がついたのですが、 TLC5940 と言う IC があって、輝度調整も出来て、まさにこれが最適なようです。
※ダイナミックスキャンでは、LED が物理的に点灯している時間はこの場合1/16なので、目的の明るさにするには16倍の輝度(16倍の電流を流す)にする必要があります。

ゲームを作ると「音」が欲しいのですが、このマイコンには16ビットのタイマーが1チャネル内臓されており、タイマーの周期で信号をトグルさせる事で音を鳴らす事が出来ます(ビープ音と言っています)、これを利用して12平均音階率の周波数を数オクターブ出せれば、単音でも簡単な音楽を演奏する事もできます、多少誤差があるので、高音になる程オンチになります。
又、別の8ビットタイマーを使い、出力をパルス幅変調して、ローパスフィルターを通す事で、擬似的な電圧出力を出せます、これで、音の信号を変調すれば、音にエンベロープ(強弱)を追加する事が出来ます、また、12平均音階率の中心周波数に対して多少周波数を上下すれば、ビブラートのような効果を追加する事も出来ます、あまりやりすぎると、複雑になりすぎるので程ほどにしますが、チープなハードでも、ソフトを凝れば、相当色々な表現が出来る事は間違いありません、C++ でサウンドドライバー的な実装を行うと、非常に楽が出来、このような実装を書けるのはとてもありがたいです!

基本、キッチンタイマー(ゲーム)なので、入力装置も必要です、押しボタンスイッチを4個付けました、ところで、「チャタリング」と言うのは知っていますか?、物理的な構造で接点を ON/OFF して、電気信号をやりとりすると、ON した瞬間、OFF した瞬間は、数ミリ秒の期間(この時間は、スイッチの機械的な構造によって変化します)だけ、信号が暴れて ON/OFF を繰り返します、これを普通に読み出すと確率的に正しく読めないので、昔は、このノイズを取り除く方法として、フリップフロップ回路が考案され、実際に使われていました、現代では、ソフトウェアーによって、このノイズを取り除いています、実際には、画面の更新周期(フレームレート)が 60Hz なので、このタイミング(16.67ミリ秒)に合わせて、スイッチを読みにいくだけです、これで、チャタリングが取り除かれる理屈はサンプリング理論で説明できます、シンプルで賢い方法です、この方法で前提となっているのは、チャタリングが16ミリ秒より十分短いのが前提ですが、機械式接点のチャタリングは悪くても8ミリ秒程度です。

(2)C++ の準備
WinAVR の C++ では libstdc++ がありません、そこで、C++ 標準ライブラリーに含まれるいくつかのコードと、ワークアラウンドが必要です。
・お決まりの new、delete の実装

void * operator new(size_t size)
{
    return malloc(size);
}
 
void operator delete(void* ptr)
{
    free(ptr);
}

※AVR はメモリーが少ないので、もし必要なら、オブジェクトの生成や廃棄で、メモリーが断片化した場合の対策を行う必要があります。

・ガード関数などの宣言と実装

__extension__ typedef int __guard __attribute__((mode (__DI__)));
 
extern "C" int __cxa_guard_acquire(__guard *);
extern "C" void __cxa_guard_release (__guard *);
extern "C" void __cxa_guard_abort (__guard *);
 
int __cxa_guard_acquire(__guard *g) {return !*(char *)(g);};
void __cxa_guard_release (__guard *g) {*(char *)g = 1;};
void __cxa_guard_abort (__guard *) {};

・純粋仮想関数の宣言と実装

extern "C" void __cxa_pure_virtual(void);
 
void __cxa_pure_virtual(void) {};

これだけあれば、C++ として必要十分の事は出来るようになります。

(3)割り込み
組み込みで一般的なアプリケーションと違う部分は、割り込み処理でしょうか、OS を伴わないマイクロコントローラーのソフトウェアーでは、割り込みを直接扱います、また、割り込み関数と、メイン関数の共有リソース管理や同期処理などを正しく動かす為、コンパイラの最適化を制御しなければなりません。

//-----------------------------------------------------------------//
/*!
    @brief  ATMEGA168P タイマー2 割り込みタスク(タイマー0比較一致)
*/
//-----------------------------------------------------------------//
ISR(TIMER2_COMPA_vect)
{
    ledout_.reflesh();
}

//+++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++//
/*!
    @brief  LED 出力クラス
*/
//+++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++//
class ledout {

    static const uint16_t fb_width_  = 16;
    static const uint16_t fb_height_ = 16;

    uint8_t     fb_[fb_width_ * fb_height_ / 8];
    uint8_t     count_;
    volatile uint16_t   frame_;

......

//-----------------------------------------------------------------//
/*!
    @brief  ダイナミック・スキャンのリフレッシュ
*/
//-----------------------------------------------------------------//
void reflesh() {

.....

    ++count_;
    if(count_ >= 16) {
        count_ = 0;
        ++frame_;
    }
}

//-----------------------------------------------------------------//
/*!
    @brief  フレームの同期
*/
//-----------------------------------------------------------------//
void sync() const {
    volatile uint16_t cnt;
    cnt = frame_;
    while(frame_ == cnt) ;
}

↑の「ledout」クラスでは、frame_は、割り込み関数と、メイン関数で共有されます、sync 関数では、割り込み時に frame_ のカウントアップが行われる為、それを検出していますが、最適化を制御する為、「volatile」を使います。
※ ISR マクロは、WinAVR が定義しているデバイス毎の割り込み関数用マクロです。

(4)同期式プログラムとモーションオブジェクト
ゲームでは、ファミコン時代から、画面の更新(60Hz)に同期してプログラムを動かす方式が主流です、一般的なアプリが、メッセージを送受信して、それに応答するように設計されるのに比べて小規模なシステムでは、合理的な事が多く、細かい制御が楽な為です。
ゲームアプリケーションでは、絶対的な時間軸に沿ってプログラムを動かします、たとえば「移動」を考えた場合、停止している場合は、移動ルーチンをスキップしているのでは無く、速度を「0」にしているに過ぎません、移動ルーチンは、動いていても動かなくても常に通っています、全体的に、このような方法論により組み立てます。
しかしながら問題もあって、処理負荷が大きくなり過ぎると、画面の更新( 60Hz だと 16 ミリ秒)に間に合わなくなり、次の画面更新に持ち越してしまう為、見た目の速度が半分、又はそれ以下になってしまいます、昔のシューティングゲームなどで敵や弾が多く表示された時に遅くなる現象(ナムコでは「ぞうさん」と呼んでいましたww)です。
ゲームの開発者は、そうならないように、処理負荷を調整して、分散させるなど工夫をしていました。

ファミコンでは家庭用ゲーム機としては、多分初めてハードウェアーによる画像の管理機能が採用されました、これを一般的には「スプライト」と呼びます。
あらかじめ設定した二次元の絵をハードウェアーによる管理で自由に移動させる事が出来るものです、「モーションオブジェクト」と言うのは「アタリ社」が呼んでいたものです。
※初期のパソコンでは、グラフィックスのビットマップをソフトウェアー処理して、スプライトのような処理をしていました、その為、リアルタイムに同時に動かせるオブジェクトの数と大きさに著しい制限がありました。
※インベーダーが流行った時代、アーケードの違法コピーが沢山行われていました、これは、当時のアーケードゲームは、誰でも入手できる部品を使っていた為ですが、現在大手のメーカーもコピーを行っていたのは、痛い事です・・・
ところで、インベーダーの基板は、白黒のビットマップグラフィックスしか無く、モーションオブジェクトのハードウェアーは搭載されていませんでしたが、どこかのコピー屋が、ナムコのギャラクシアンをコピーしていました、当然、モーションオブジェクト回路は無いので、その部分はソフトウェアーエミュレーションなのですが、ギャラクシアンの編隊が出ると、「ぞうさん」状態になっていましたwww
※そんだけ、エンジニアリングがあれば、オリジナルゲームが作れると思いますが・・・

今回のハードウェアーでも、アプリケーションは同期式で制御しており、ドットマトリックスは、16×16のモノクログラフィックスとして処理を行っています、ダブルバッファによるフレームバッファ方式を採用して、スプライト的な機能をソフトウェアーで実現しています。
フレームの最初でフレームバッファをドットマトリックスのスキャンバッファにコピー後、フレームバッファを消去して、表示の再構成を毎フレーム行っています。

   while(1) {
        graphics::monograph& mng = task_.at_monograph();
        ledout_.copy(mng.fb());    ///< フレームバッファを LED 表示バッファへコピー
        mng.clear(0);              ///< フレームバッファの消去

        task_.service();           ///< 表示の再構成を行う為のタスクサービス

        uint8_t sw = sync_system_timer_();   ///< フレームと同期後、スイッチの状態をサンプリング
        task_.at_switch().set_level(sw);     ///< スイッチの状態を更新して、押した瞬間、離した瞬間を作成
    }

(5)サウンド
今回採用した方法は、単音でチープですが、基本的な構造は網羅してあります。
まず、音階ですが、一般的な音楽理論では、12平均率を使います、1オクターブを均等に12分割するので平均率と呼ばれます。
1オクターブで周波数は2倍となるので、12乗したら2になる定数 (1.059463) を求め、乗算の定数として使います、12回掛けると2倍になります。

    2 ^ (1/12) = 1.059463
    C    :  65.41 Hz
    C#/Db:  69.30 Hz
    D    :  73.42 Hz
    D#/Eb:  77.78 Hz
    E    :  82.41 Hz
    F    :  87.31 Hz
    F#/Gb:  92.50 Hz
    G    :  98.00 Hz
    G#/Ab: 103.83 Hz
    A    : 110.00 Hz
    A#/Bb: 116.54 Hz
    B    : 123.47 Hz

※ピアノの調律などでは、この周波数を微妙にずらしたりするようです、和音の響きとか、色々な流儀があるようです。
「ドレミファソラシ」は「ミ、ファ」が連なっていて、他が一つおきなのに、何だか妙な感じです・・・
オクターブと音階により、分周比を決定し、タイマーのレジスターに書く事で、希望の周波数が出力されます、出力はデジタルなので矩形波です。

これだけだと、非常に限られた表現しかできません、たとえば、ある楽譜で「ド、ド、レ」となった場合、「ド、ド」は、一つの長い「ド」として聞こえてしまいます。
そこで、強弱を加える事で、切れ目を作ります、エンベロープ波形などと呼ばれています。
しかし、AVR はデジタル出力しかありません、そこで、パルス幅変調(PWM)と言う方法を使います、PWM では、一定の周波数を短形波出力して、1と0の比率を変える事で、平均すれば、強弱を変化させている事に等しくなります、PWM の周波数は、人間の可聴範囲外にある(今回は 78KHz を設定)ので、PWM で変調する事により、全体として、音の強弱として聞こえます、最終出力には、RC フィルターを入れて、高い音の成分をなだらかにして、多少聞きやすくしています。

サウンドクラスでは、音階と音長の管理、他表現のコマンド管理などを行い、音楽を演奏する環境を整えています。
又、音楽を鳴らしながら、効果音を擬似的に鳴らせるように、音楽を演奏するトラックは2つ用意して、別々に管理して、優先順位を決めて、片方のトラックの音を鳴らしています、常時1音しか出ないので、音楽が鳴っている時に効果音が鳴ると、音楽が完全に途切れるのですが、仕方ありません・・
※あるいは、ソフトウェアーを工夫して、短い時間で時分割処理にするとかすれば、擬似的に同時二音も出来そうな気がしますが、複雑になり過ぎるので、妥協しました。

・キッチンタイマー用楽曲
   // ストラップ(doriko)、イントロ部分
    static const uint8_t bgm_01_[] PROGMEM = {
        device::psound::sound_key::TEMPO,   210,

        device::psound::sound_key::D + 12 * 5, 32,
        device::psound::sound_key::D + 12 * 5, 32,
        device::psound::sound_key::E + 12 * 5, 32,
        device::psound::sound_key::Q,          16,
        device::psound::sound_key::D + 12 * 5,  8,
        device::psound::sound_key::E + 12 * 5,  8,
        device::psound::sound_key::Fs+ 12 * 5, 16,
        device::psound::sound_key::G + 12 * 5, 16,
        device::psound::sound_key::Fs+ 12 * 5, 16,
        device::psound::sound_key::E + 12 * 5,  8,
        device::psound::sound_key::D + 12 * 5, 24,
        device::psound::sound_key::Q,          32,

        device::psound::sound_key::A + 12 * 5, 32,
        device::psound::sound_key::A + 12 * 5, 16,
        device::psound::sound_key::D + 12 * 5, 16,
        device::psound::sound_key::E + 12 * 5, 32,
        device::psound::sound_key::Q,          16,
        device::psound::sound_key::D + 12 * 5, 16,
        device::psound::sound_key::A + 12 * 4, 16,
        device::psound::sound_key::Cs+ 12 * 5, 16,
        device::psound::sound_key::D + 12 * 5,  8,
        device::psound::sound_key::E + 12 * 5, 32,
        device::psound::sound_key::Q,          32,

        device::psound::sound_key::D + 12 * 5, 32,
        device::psound::sound_key::D + 12 * 5, 32,
        device::psound::sound_key::E + 12 * 5, 32,
        device::psound::sound_key::Q,          16,
        device::psound::sound_key::D + 12 * 5,  8,
        device::psound::sound_key::E + 12 * 5,  8,
        device::psound::sound_key::Fs+ 12 * 5, 16,
        device::psound::sound_key::G + 12 * 5, 16,
        device::psound::sound_key::Fs+ 12 * 5, 16,
        device::psound::sound_key::E + 12 * 5,  8,
        device::psound::sound_key::D + 12 * 5, 24,
        device::psound::sound_key::Q,          32,

        device::psound::sound_key::D + 12 * 5, 32,
        device::psound::sound_key::D + 12 * 5, 32,
        device::psound::sound_key::E + 12 * 5, 32,
        device::psound::sound_key::Q,          16,
        device::psound::sound_key::D + 12 * 5,  8,
        device::psound::sound_key::E + 12 * 5,  8,
        device::psound::sound_key::Fs+ 12 * 5, 16,
        device::psound::sound_key::G + 12 * 5, 16,
        device::psound::sound_key::Fs+ 12 * 5, 16,
        device::psound::sound_key::E + 12 * 5,  8,
        device::psound::sound_key::D + 12 * 5, 24,
        device::psound::sound_key::Q,          32,

        device::psound::sound_key::A + 12 * 5, 32,
        device::psound::sound_key::A + 12 * 5, 16,
        device::psound::sound_key::D + 12 * 5, 16,
        device::psound::sound_key::E + 12 * 5, 32,
        device::psound::sound_key::Q,          16,
        device::psound::sound_key::D + 12 * 5, 16,
        device::psound::sound_key::Cs+ 12 * 5, 16,
        device::psound::sound_key::D + 12 * 5, 16,
        device::psound::sound_key::E + 12 * 5,  8,
        device::psound::sound_key::D + 12 * 5, 24,
        device::psound::sound_key::Q,          16,

        device::psound::sound_key::Q,          255,
        device::psound::sound_key::END
    };
・効果音
    /// 移動効果音
    static const uint8_t snd_move_[] PROGMEM = {
        device::psound::sound_key::A + 12 * 4, 1,
        device::psound::sound_key::C + 12 * 4, 1,
        device::psound::sound_key::E + 12 * 4, 1,
        device::psound::sound_key::END
    };

IMG_0514ss
スピーカー、パワーアンプ、ボリューム

(6)RTC(リアルタイムクロック)
作っているうちに欲が出てきて、RTCを載せる事にしました、時間が判ると便利なものです。
RTCは電源が切れている間も時間を刻む必要があるので、専用ICを使いました、今回は、DS1371を使います、この IC は、1秒間隔でカウントアップする、32ビットカウンターを内臓しています、電源が切れても、リチウムボタン電池によりバックアップを行っているので、時間カウントは休み無く進み続けます。
単純な秒のカウントなので、ソフトウェアーで、年月日曜日などを生成します、この部分は通常 libc の「time.h」関係に含まれるのですが、AVR では、それも無い為、独自に実装しています、この部分は、昔に作った C のソースを使っています。

コラム:「不思議な RTC の常識」
RTC は、かなり昔からある IC で、色々なメーカーが何百種類と色々な物を出しています、ただ、その構成や機能には疑問が残ります。
一般に非常に多く流通している構成は、DS1302 のようなもので、カウンターは、秒、分、時間、曜日、日、月、年のように分かれており、一見便利そうですがー、ソフトを作る立場では、大きなお世話で、余計な事をしている典型で、非常に扱いにくいものです、このような構成では、これらレジスターを集めて、一旦シリアライズして、また元に戻さないと、何もできません、まっとうな時計管理では、うるう年や、うるう年、曜日を求める事が必須なのですから。
今回使った DS1371 は扱い易くてシンプルな32ビットカウンターなのですが、購入するとなると、こちらの方が値段が高く、入手性も悪いのが現実です、今回は以前にサンプルで入手した物が手元にあったので使いました。
これは、初期の8ビットマイコン時代の悪しき慣習が見直されないまま、現在に至っている事だと思いますが、何とも、歯がゆいものです・・・
※時間を設定する時、曜日を入力させた。
※ちなみに、DS1371 は 150 円、DS1302 は 50 円です。

IMG_0513ss
DS1371

IMG_0516ss
バックアップ電池

(7)アプリケーションの実際
今回は、とりあえず、以下の機能を入れてあり、全体で19キロバイト程の容量となりました。
・キッチンタイマー
・3分、4分、5分、用タイマー(カップ麺用)
・ゲーム
・時計

(8)電源
AVR は5Vで動作させているので、リチウムポリマー電池(3.7V)から5Vを生成して、動かしています。
リチウムポリマー電池の充電はUSBから行えるようにしてあります。
※この部分は、昔にジャンクで買った、USBバッテリーをそのまま分解して使いましたwww
IMG_0512ss
※この部分は、大きさに難がありまだ載せていません・・・

(9)まとめ
今回、色々な部分をC++で実装してみて、STLが使えないながら、効率よく判りやすく実装する事が出来ました、そして、小規模環境でも、十分実用的にプログラミングが行える事が判りました、メモリーが少ない事があらかじめ判っていれば、そのような対応をすれば問題無く、少ないメモリーは工夫をする為の味付けと感じました。
ただ、以上の前提は、今まで、C++を習得してきた下地がある事で応用が利いているものと思います。
現状で、これだけ環境が整っているのに、C++で実装している AVR のホビースト(日本国内の感覚)が少ない現実を考えると、やはり、C++の習得には、一定のハードルがある物と思われますし、最低限実用になるまで習得するにはそれなりの時間と忍耐も必要なのだと実感します、自分も未だ習得は半ばですが、この楽しい言語の習得は続けていきたいと考えています。

今回の成果を github に上げてありますので、興味ある人は参照して下さい。

※ドットマトリックス用のビットマップデータ変換は、「ビットマップ変換ツール」を参照。

操作の動画

そして次回は hotwatermorning さんの記事です。

よろしくお願いします!

C 言語よりお得な C++ その5

C 言語プログラマーが、C++ に移行して、最初に味わう挫折感は、テンプレートでは無いでしょうか(継承とか、まぁ色々あると思いますが・・)?
大抵、複雑なテンプレートに出会うと、理解不能で、これがどんなふうに機能するのか、理解出来ない事が多く、それが、C++ 不審に陥るキッカケになるかもしれません。
逆説的に、プログラマーにハードルを与える機構を持った優れた言語と言う事も出来るかもしれません。

テンプレートは変態的 define とあんまし変らないと思う人もいるかもしれません、ですが、単なるマクロとは大きく違い、C++ 言語としての仕様をちゃんと網羅しており、より複雑で精妙な事を実現できますし、エラー検査が厳密に行われます。

最初は、簡単な物から、より複雑で、高機能な物へと順番に進んでいけば、良いと思えます。
※ゆっくり歩こうが速くあるこうが、諦めなければ最終目的地に到着します。

さて、テンプレートの題材(ネタ)を考えていたのですが、最近小規模な RX マイコンのプログラムを書いていて良いネタがありましたので紹介します。
※小規模な RX マイコンでは、リソースの関係で、STL がほぼ使えません。

シリアルコミュニケーションのドライバーで使う FIFO を簡単なテンプレートで改修します。
※シリアルコミュニケーションでは、FIFO を使って割り込みルーチンとメイン側でデータの受け渡しを行います。

最初は、以下のような物でした・・

#include <cstdint>
#include <cstdlib>

namespace utils {

    class fifo {

        volatile uint32_t       get_;
        volatile uint32_t       put_;

        char*       buff_;
        uint32_t    size_;

    public:
        fifo() : get_(0), put_(0), buff_(0), size_(0) { }

        ~fifo() { free(buff_); }

        void initialize(uint32_t size) {
            buff_ = static_cast<char*>(malloc(size));
            size_ = size;
            clear();
        }

        void clear() { get_ = put_ = 0; }

        void put(uint8_t v) {
            buff_[put_] = v;
            ++put_;
            if(put_ >= size_) {
                put_ = 0;
            }
        }

        uint8_t get() {
            uint8_t data = buff_[get_];
            ++get_;
            if(get_ >= size_) {
                get_ = 0;
            }
            return data;
        }

        uint32_t length() const {
            if(put_ >= get_) return (put_ - get_);
            else return (size_ + put_ - get_);
        }

        uint32_t pos_get() const { return get_; }

        uint32_t pos_put() const { return put_; }

        uint32_t size() const { return size_; }
    };
}

※記憶割り当てでは、通常 new delete を使うのですが、RX の gcc で、new、delete を呼び出す事で ROM サイズがほんのり大きくなる為、malloc、free にしてあります。

上のクラスは設計が不十分です、動的にバッファのサイズを変えようと思っても、割り当てを廃棄する関数が無い為、実際には変えられません (メモリーリークします)、それに、「initialize」を呼ばずに使うとクラッシュしてしまいます、まぁこの辺は、メンバー関数を追加するとか、ポインターのチェックを行うなどすれば回避できるのですが、だんだん複雑になっていきます。
そもそも、動的に変えられる仕様は必要でしょうか?
通常、シリアルコミュニケーションを使う前に1度確保したら、プログラムが終了するまで、サイズを変える事は稀です。
そこで、これをテンプレート化します。

#include <cstdint>

namespace utils {

    template <uint32_t size_ = 256>
    class fifo {

        volatile uint32_t       get_;
        volatile uint32_t       put_;

        char       buff_[size_];

    public:
        fifo() : get_(0), put_(0) { }

        void clear() { get_ = put_ = 0; }

        void put(uint8_t v) {
            buff_[put_] = v;
            ++put_;
            if(put_ >= size_) {
                put_ = 0;
            }
        }

        uint8_t get() {
            uint8_t data = buff_[get_];
            ++get_;
            if(get_ >= size_) {
                get_ = 0;
            }
            return data;
        }

        uint32_t length() const {
            if(put_ >= get_) return (put_ - get_);
            else return (size_ + put_ - get_);
        }

        uint32_t pos_get() const { return get_; }

        uint32_t pos_put() const { return put_; }

        uint32_t size() const { return size_; }
    };
}

どうでしょうか?、随分シンプルになりました。

インスタンスは、コンパイル時に決定する為、メモリー確保に関連するトラブルからも避けられ、サイズを与えれる(コンパイル時のインスタンス化)ので十分な実用性もあります。

何も指定しないと、256 バイトでサイズが作られますが、以下のようにすれば、サイズを指定できます。

    utils::fifo<512>    fifo_;

このテンプレートは「サイズ」をキーにしている為、サイズが異なれば、違う物とみなされる事になります。
このクラスのポインターを取得したければ、以下のようにサイズが合っていなければなりません。

    utils::fifo<512>*   fifo_ptr_;

    fifo_ptr_ = &fifo_;