RL78/G13でタッチセンサー実験

以前にSDカードを接続する実験をしていた時、入力ポートのプルアップ抵抗設定
を間違えて、オープン状態になっていた、配線チェックの為、配線に指を近づけた
らカードが検出され、LEDが点滅するような状態だった。
それで、バグに気がついた。

この件に伴い、「入力ポートのインピーダンスは高いなぁー」と感じた。
※あたりまえなんだけど・・・

この件で、静電容量の微小な変化を使ったタッチスイッチを実験してみる事にした。

原理は簡単で、微小な静電容量を積分時間によって判定するもので、RL78のル
ープカウントを積分時間とする方式。

・タッチパッドは、10mm四方の銅版を使い、上に絶縁の為、ポリイミドテープ
を貼ってある。
・この銅版に1Mオームの抵抗を繋ぎ、プルアップしておく。
・等価的には、この銅版は、微小なコンデンサと考える事が出来る。
・指で「触る」事で、微小な容量が変化するものと思われる。

評価方法:
・まず、ポートを出力に設定して、「0」を設定し、等価コンデンサを放電する。
・次に、ポートを入力に設定して、「1」になるまでのループ数をカウントする。
・このループ数の違いにより、開放された状態と、触っている状態を判断できる。
・電源投入時、開放状態のカウントを計り、基準にする。
※この値は、安定しているので、一度基準が判ればよい。

実験結果:
実験すると、開放時は「50」くらいで、触ると、80~300くらいまで変化す
る事を確認。
指を近づけると、「60」くらいになるので、60以下は無視する。

ただ、かなりバタつくので、触った瞬間と離した瞬間を正確に判断するには、多少
の工夫が必要。

IMG_0823s

静電容量は、タッチパッドの作り方で、変化し、微妙な値が大きく影響するので、
再現性は低いかもしれない。

タッチスイッチ・サンプル

RL78/G13でA/D変換を使う

RL78/G13には、10ビット(8ビット)のA/D変換が付いてる。
変換時間もかなり速くて、最大だと、2.125uS。

・入力は最大12チャネル(64ピン版の場合)
・サンプル&ホールド回路も内臓
・入力チャネルを、基準電圧源の「+」、「-」に切り替えが出来る
・内臓電圧リファレンス(1.45V)に切り替えできる
※1.023Vが便利だと思うが・・

経験的に、AVRより、国産のマイコン内臓のA/Dの方が、変換精度が高く、
ノイズに強いと思う。
※AVRは、サンプルホールドが無いので入力信号によっては変換誤差が大きい。
ただ、10ビットは多少物足りない、12ビットは欲しいところ。

少し意外なのは、ルネサス(日立)系では、A/D入力は、入力ポートにしか転用
出来ないものだが、RL78では、入出力に設定出来る点が、利便性が高い。

国産マイコンのA/D変換は、変換開始のトリガーを色々選べるとか、かなり細か
い設定が可能なので、クラスでそれらを全てサポートする場合は、設計が難しい。
今回は、チャネルを選んで、変換するだけの、淡白な機能しか実装していない。
※必要に応じて、メソッドを追加したいと思う。

IMG_0821s

A/D変換サンプル

RL78/G13で BMP180 温度、圧力センサーの値を読む

以前に、Amazon で買った、中華の安い Arduino 系モジュール。
I2C接続の温度、圧力センサー、BOSHのBMP180を買って、積んでいたのだけど、
気晴らしに、ちょっと動作確認をしてみた。

Arduino 系の I2C モジュールは、ピンアサインがまちまちで、以前に使った DS3231 RTC と
は違うアサインになってて、何とも言えない脱力感・・・

ネットを探すと、Arduino のスケッチが沢山見つかるので、それをコピペして、C++ のクラス
を実装した。
※必要な部分だけ浮動小数点を使い、他は整数計算で行なっているものや、全て浮動小数点で
行なっている物など、様々なスケッチ、さらに、スケッチはほぼC++なんだけど、C的に書
かれているとか、色々だった。
RL78/G13なので、なるべく計算負荷が少なくて、精度を確保してある物を切り貼りし
た。
※BMP180の、補正は、以外と複雑で難解

動かしてみると、温度は、大体合っているようなので、とりあえず、「良し」として、プッシ
ュした。

ただ、utils::format クラスでは、まだ浮動小数点の表示をサポートしていない為、結果が浮
動小数点で返ってくるものは確認していない。

IMG_0820s

BMP180 温度、圧力センサーサンプル

—–
IEEE754 のバイナリーパターンを、10進に変換する部分を独自に実装してみたい、これは、
「課題」みたいなもので、面白そうでもある。
・整数計算だけで行なう。
・「printf」で可能な表現を全て備えたい。
・コンパクトに実装したい。
以前に実装しようと試みたけど、中途になっている・・・
これにそろそろ本格的に挑まないといけない・・・

RL78/G13にVS1063をつないで音楽ファイル再生

PWMでの簡易再生は、それなりに良い音だったが、やはり不満が残る。

昔から、音楽プレイヤーを自作してみたいと思っていたが、なかなか機会が無かった。
車やバイクで音楽聴いたり、持ち歩けるタイプなど。
※売ってるものは、不満があり、買う気にならない(以前に色々買ったけど、結局、
不便なので、使わなくなった)

RL78/G13は、そのようなガジェットに丁度良く、昔にRXマイコンで実験した
VS1063を接続して、音を鳴らしてみた。

「積みIC」とゆーのが自宅に沢山あるwww、買ったけど、まだ実験もしていないも
ので、VS1001やVS1011もあった。
VS1001は古くて、制御ラインが、余分に必要みたいなので、肥やしになる事が決
定・・、VS1011は、LQFP48はキープしてあったけど、変換基板が無い。
確か、VS1011のSOP版もあったハズとかなり探したが、結局見つからない・・
仕方なく、RXマイコンで実験したVS1063を外して、今度もモジュールにした。
IMG_0816s
※最近、変換基板の表側のピンにバイパスコンデンサを付ける小技を覚えたww
※SOP版の方が配線が少なく、実験しやすい、LQFP版は、電源など沢山結線しな
いと動かないので、使いたくなかったが、SOPが見つからないので仕方なくモジュー
ルに組んだ。

VS1053は、I/O電源3.3V、コア電源1.8V、アナログ電源3.3Vが必
要で、1.8Vは、3.3Vからレギュレーターで作っている。
アナログ電源は、とりあえず、デジタル電源と共有している。(フェライトビーズを入
れてある)
本来、クリスタルは12.288MHzを使うが、手元に12MHzしか無かったので、
とりあえず、これを使う、内部設定で、補正を行なう事が出来る。

モジュールにした事で、マイコンとは、10Pのフラットケーブルで接続する、SPI
のクロックが高めなので、できるだけ短くする。

そして、ようやく接続が出来て、実験コードを書いて動かしてみる・・・
動かない・・・
RXマイコンで鳴らした事があるので、そうそう間違う事も無いと思い、色々確認する
ものの、問題無い・・・
オシロスコープで信号を確認していると、制御信号が出ていない?
結局良く調べたら、RL78/G13では、P62、P63は、出力にした場合、オー
プンドレイン専用ポート
で、ある事が判明した。
仕方なく、他のポートに繋ぎなおしてみたら、普通に鳴った・・・
※最近、くだらない理由で、「はまる」事が多いなぁー

IMG_0819s

VS1063との接続:

    ・P73/SO01 (26) ---> VS1063:SI     (29)
    ・P74/SI01 (25) ---> VS1063:SO     (30)
    ・P75/SCK01(24) ---> VS1063:SCLK   (28)
    ・P52      (35) ---> VS1063:/xCS   (23)
    ・P53      (36) ---> VS1063:/xDCS  (13) 
    ・P54      (37) ---> VS1063:/DREQ  ( 8)
    ・/RESET   ( 6) ---> VS1063:/xRESET( 3)

—–
プログラムは、鳴らすだけの機能しか実装していない。
VS1063は、色々なフォーマットに対応しているが、タグ情報をスキップするとか、
色々な細かいケアをしないと実用的には使えないので、プログラムはこれから充実させる
として、ここらで、スタート・ボードの設計なども進めておかないと・・

プロジェクト・ソース・コード

RL78/G13でSDカードの速度比較

SDC_sample プロジェクトで、単純な空読みと書き込みで、どのくらいの
速度が出ているのか調べた。

メーカーや種類によってかなり違いがある。
※読み込むサイズは512バイト、これ以上大きい場合は、RL78の
RAMサイズから考えてあまり実用的では無いと思える。

WAVプレイヤーでは、読み込みで200キロバイト以下のカードでは、
16ビット、44.1KHz、ステレオファイルの再生は、ほぼ無理の
よう。
※300キロバイト近くないと十分とは言えない。
※1GB、8GBのカードは、十分使えた。

256MBのSDカード(Panasonic)

SD Write test...
Write frame: 739
Write: 85134 Bytes/Sec
Write: 83 KBytes/Sec
SD Read test...
Read frame: 186
Read: 338250 Bytes/Sec
Read: 330 KBytes/Sec

1GBのSDカード(Transcend 60x)

SD Write test...
Write frame: 214
Write: 293993 Bytes/Sec
Write: 287 KBytes/Sec
SD Read test...
Read frame: 225
Read: 279620 Bytes/Sec
Read: 273 KBytes/Sec

2GBのSDカード(Transcend class ?)

SD Write test...
Write frame: 954
Write: 65948 Bytes/Sec
Write: 64 KBytes/Sec
SD Read test...
Read frame: 309
Read: 203606 Bytes/Sec
Read: 198 KBytes/Sec

8GBのSDカード(Transcend class 6)

SD Write test...
Write frame: 541
Write: 116293 Bytes/Sec
Write: 113 KBytes/Sec
SD Read test...
Read frame: 180
Read: 349525 Bytes/Sec
Read: 341 KBytes/Sec

32GBのSDカード(FlashAir)

SD Write test...
Write frame: 583
Write: 107915 Bytes/Sec
Write: 105 KBytes/Sec
SD Read test...
Read frame: 347
Read: 181309 Bytes/Sec
Read: 177 KBytes/Sec

32GBのSDカード(ノーブランド class 10)

SD Write test...
Write frame: 417
Write: 150874 Bytes/Sec
Write: 147 KBytes/Sec
SD Read test...
Read frame: 212
Read: 296766 Bytes/Sec
Read: 289 KBytes/Sec

IMG_0815s

RL78/G13でWAVファイルのPWM再生

SDカードとPWMが出来たら、定番のWAV再生を行わない理由は無い。

また、SDカードアクセスのパフォーマンスを測る指針ともなる。

以前にR8Cで、トライした時は、色々な問題にぶつかって、実用性が薄い事
から、あまり深く掘り下げなかった。
・R8Cでは、UARTとSPIが共有している為、どちらか片方しか、利用
する事が出来ず、不満が残る。
※SPIをハードで行い、UARTをソフト処理する事も考えられるが、受信
動作は困難と思われる。
・R8CのPWMでは、コンペアレジスターがバッファされていない為、書き
込んだタイミングと、前の値との組み合わせにより、グリッチが発生する、そ
の為、「プツプツ」とノイズが気になる。

結局、SPIをソフトで処理して、実装してみたが、11.025KHz、8
ビット、ステレオが限界だった・・
これは、かなり微妙な結果だと言うしかない、UARTを諦めて、SPIをハ
ードで扱う事も考えたが、プツプツと発生するノイズ、PWMの仕様上の問題
をナチュラルに解決する方法を思いつけなかったので、中途半端だったが諦め
た。

RL78では、その全てを改善できるであろう事が判っていた、8ビットの
PWM変調に起因する音質以外は、ほぼ満足なものとなると思われる。

早速実装して、音を出してみたら、思った通りの結果だった、PWMのレジス
タ書き換えに起因するノイズも聞こえない、(RL78では、バッファされて
いる)48KHz、16ビット、ステレオのファイルも、難なく再生出来た。
※16ビットの下位8ビットは捨てている。
※つまり、他の処理も考え合わせると、ゆうに200キロバイト毎秒以上の
読み込み速度が出ていると思われる。

※SDカードの速度は次のブログを参照

—–
PWM周期は、8ビットの分解能が必要なので、カウンタのクロックを
16MHzとして、256で割った、62.5KHzとした。
これで、一応48KHzのサンプリング・レートに対応できる。

多少難しい問題として、PWMのサンプルレート、62.5KHzと、ファイル
のサンプリングをどのようにマッチさせるか、この微妙な周期の違いを、簡潔に
解決する方法を考慮する必要がある。
62.5KHz毎に起動する割り込みで、波形値をバッファから取り出して、
PWMのコンペアレジスタに設定している。
バッファのポインター移動は、サンプリング周期/62.5KHzの分数で行い、
小数点以下の誤差が全く出ないように工夫した。
※簡単な整数計算だけで行なえるので、シンプル。

    device::TAU01::TDRL = buff_[pos_ + l_ofs_] + wofs_;
    device::TAU02::TDRL = buff_[pos_ + r_ofs_] + wofs_;
    inc_ += rate_;
    if(inc_ >= 6250) {
        inc_ -= 6250;
        pos_ += skip_;
        pos_ &= 1024 - 1;
    }

分数計算で、分子が、分母(6250)を超えたら、テーブルのポインターを進
める、また、分子から、6250を引く。
・6250は、62.5KHzの1/10で、「rate_」は、波形ファイルのサン
プリング周波数を1/10にしてある。
※つまり、48KHzなら4800、44.1KHzなら4410、
22.05KHzなら2205となる。
・1/10にするのは、計算レンジを16ビット以内に納まるようにする為の工夫。
・「skip_」は、8ビットモノラルなら「1」、8ビットステレオなら「2」、
16ビットモノラルは「2」、16ビットステレオなら「4」にする。
・8ビットファイルの場合、無音は「0x80」だが、16ビットファイルでは、
無音は「0x0000」となるので「wofs_」で調整する。
・WAVファイルは、リトルエンディアンなので、「l_ofs_、r_ofs_」で、掴む
位置を微調整する。
・バッファサイズは、SDカードの読み込みでは、512バイトの倍数が効率が
良いようなので、ピンポンバッファにする為、倍の1Kバイトとした。

—–
PWM出力は、適当なローパスフィルターを通す事で、アナログ出力を得られる。
今回は、2Kオームと、0.01uFのネットワークとした。
少し贅沢ではあるけども、フルスイング・オペアンプを使って、バッファーを組ん
でみたが、オペアンプを使わず、大きめのカップリングコンデンサを入れただけの
回路でも、問題無いだろう。
※RL78がリセット状態や、停止中は、出力に直流が乗るので注意。
IMG_0814s

・ターミナルからのコマンドで WAV ファイルを再生する。
・「dir」ディレクトリーリスト
・「play file-name」再生
・「play *」カード内の WAV 形式ファイルを全て再生
・再生中、「<」曲の先頭に戻る、「>」次の曲
・再生中「SPACE」を押す毎に、一時停止、再開
rl78_wav_play

※この写真は、オペアンプを使っていないRCフィルター
IMG_0813s

RL78/G13 WAV file player サンプル

参考回路とKiCADのプロジェクト:
WAV_Player KiCAD Project

WAV_Player_Sample

RL78/G13でPWM出力を出してみる

インターバル・タイマーの次は、PWM出力。

少し悩んだのは、少し構成が複雑になるので、どのようなAPIにするのが良いのか
・・・

RL78では、PWMを使う場合、マスターと、スレーブの2つのチャネルを組み合
わせる必要がある点が、少し厄介な為で、結局、PWMの設定関数は、テンプレート
関数とした、テンプレートの引数は、マスターチャネルのTAUを使う。

typedef device::tau_io<device::TAU00> master;
master master_;
device::tau_io pwm1_;
device::tau_io pwm2_;

bool init_pwm_()
{
    uint8_t intr_level = 0;
    if(!master_.start_interval(100000, intr_level)) {
        return false;
    }
    if(!pwm1_.start_pwm<master::tau_type>(0, intr_level)) {
        return false;
		}
    if(!pwm2_.start_pwm<master::tau_type>(0, intr_level)) {
        return false;
    }
    return true;
}

このサンプルでは、TAU01、TAU02をそれぞれPWM出力としている。
PWMの周期は、TAU0を使い、サンプルでは、100KHzとしている。
「TAU01」は、TO01(P16)40番ピン
「TAU02」は、TO02(P17)39番ピン

    auto val = master_.get_value();  // マスターチャネルのカウント最大値
    pwm1_.set_value(val / 4);  // PWM Duty 25%
    pwm2_.set_value(val * 3 / 4);  // PWM Duty 75%

サンプルでは、それぞれ、25%と75%のディーティーとしている。

IMG_0812s

PWMサンプル

RL78/G13でインターバル・タイマーを使ってみる

ようやく、ここまで来た感がある。

タイマーの機能は、複雑なので、機能を理解して、クラスを作るのが難しく、楽しい。

まず、面倒な、データ・レジスタのマッピング・・
これは、SAU(シリアルアレイもそうだったけど)ではまったんだけど、SDR
(シリアル・データ・レジスタ)でも実アドレスが、不規則に並んでいる・・
SAUは8チャネルが2ユニットあるのだけど、SDRだけ、不規則な実アドレスと
なっている。(何でこうなるのか理由は不明だが、仕様なので仕方無い・・)

タイマ・アレイはほぼ同じ構成であるので、テンプレートでクラスを作り、テンプレ
ートパラメーターとして、アドレスのオフセットを加える構成にしてある、しかし、
それだと、不規則なアドレスの変化に対応出来ない為、SDRだけ、別途アドレスを
与えるようにして対応した。

// UOFS: ユニット・オフセット
// CHOFS: チャネル・オフセット
// DRADR: SDRアドレス
template <uint32_t UOFS, uint32_t CHOFS, uint32_t DRADR>
struct tau_t {
.
.
.
};
typedef tau_t<0x00, 0x00, 0xFFF18> TAU00;
typedef tau_t<0x00, 0x02, 0xFFF1A> TAU01;
typedef tau_t<0x00, 0x04, 0xFFF64> TAU02;
typedef tau_t<0x00, 0x06, 0xFFF66> TAU03;
typedef tau_t<0x00, 0x08, 0xFFF68> TAU04;
typedef tau_t<0x00, 0x0A, 0xFFF6A> TAU05;
typedef tau_t<0x00, 0x0C, 0xFFF6C> TAU06;
typedef tau_t<0x00, 0x0E, 0xFFF6E> TAU07;

C++ で作ると、このような、変化に柔軟に対応できて、便利だ、そしてわかり易い。

RL78/G13 tau.hpp

—–
日本製マイコンのタイマー系は、やはり良く考えられて作られている。

まずは、基本のインターバル・タイマーを使って、矩形波を出力する。
インターバルタイマーの矩形波は、タイミングでトグルするので、設定の半分の周期
となる。

※サンプルでは、TO01端子(ポート1のビット6)40番ピンから、5KHz、
デューティー50%の信号を出力する。

TAUを使ったインターバルタイマー出力

今後、機能追加の過程で、仕様は変わるものと思う。

RL78/G13にSDカードを繋いでみる

液晶表示で、少し手間取ったけど、ようやく本命のSDカードアクセス。
でも、これは、ChaN さんのソフトウェアーに、おんぶにだっこで、自分の実装する
部分は少ない上に、非常に良く出来たソフトウェアーなので、移植も楽だし、トラブ
ルも少ない。
FatFs 汎用FATファイルシステム モジュール
※今回は、「ff12a」を使った。
RL78/G13は、リソースもそこそこ沢山あるので、最小構成版を使う必要は無
い(pfatfs)ものの、RO領域が限られるので、UTF-8を使う事が出来ない。
この対応は、少し考えたい。
※外部 EEPROM などに、コードページの変換テーブルなどを置く事が考えられる。
※又は、通常のコード領域に配置して、32ビットポインターでアクセスするなど。

以前R8Cで実験した時は、基板にSDカードソケットを直付けしたのだけど、それ
だと、他に流用出来なくなるので、今回は、モジュールにしてみた。
IMG_0809s
IMG_0810s
ヒロセ製のSDソケットは、品質が高く(創りが良い)、これ以外は使いたくないく
らいの出来の良さ。
一応、全ての端子を出してある、又、埃等が入らないように、テープを張ってある。
電源オン、オフのP-ChanelFET、電源LEDなども含めておいた。
電源をオンにした時、かなり大きな電流が流れる、その時の急激な電圧降下を和らげる
目的でフェライトビーズ(470オーム、1000mA)を入れてある。

また、カードのチップセレクト端子や、データアウト端子は、電源OFF時に、「H」
にしていると、そこから、電流が内部に還流するので、電源OFF時は、「0」にする
必要がある。

ChaN さんのプロジェクトを自分のシステムに移植する方法は、簡単で、サンプルにある
「generic」サンプルの「sdmm.c」を参考にする事だと思う、このソースは、クロック信
号、シリアル/パラレル変換を全てソフトで行っているもので、わかり易く、必要最低限
のコードを追加すればよい。
また、全体の機能設定を「ffconf.h」で行ない、「ff.c」をプロジェクトに加える。

IMG_0811s

SDカード・サンプル
このサンプルでは、起動すると、SDカードのルートディレクトリーをリストする。
このサンプルでは、カードをソケットに入れると、マウントを行い、抜くとアンマウント
を行なう。
又、コンソールから、「dir」コマンドを入力する事で、ディレクトリーのリストが行える。

シリアル通信では、SAU0(SO00、SI00、SCK00)を使っている。
それ以外の制御と、カード検出などは以下のポートを利用している。

    typedef device::PORT<device::port_no::P0,  device::bitpos::B0> card_select;	///< カード選択信号
    typedef device::PORT<device::port_no::P0,  device::bitpos::B1> card_power;	///< カード電源制御
    typedef device::PORT<device::port_no::P14, device::bitpos::B6> card_detect;	///< カード検出

※「main.cpp」参照

参考回路と KiCAD のプロジェクトなど:
KiCAD プロジェクト

SDC_sample