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今回はWebシリアルAPIを用いたツールについて紹介したいと思います。WebシリアルAPIはブラウザのAPIでWebサイトのJavaScriptを使用してPCのシリアルポートにアクセスできる機能です。

WebシリアルAPIで何ができるかというと、新しくソフトやツールをインストールしなくとも、ブラウザからあるサイトにアクセスするとPCのシリアルポートを介してコマンドを送ったり、受信したりすることが簡単に実現できます。残念ならが、WebシリアルAPIに対応したブラウザはEdgeもしくはChromeのみ対応となっており、22年9月時点ではFirefoxやSafariは対応していません。対応したブラウザからアクセスする必要があります。既に有名な使用例として、シリアルターミナルやEspruino Web IDE等があります。

今回はWebシリアルAPIを用いて、USBシリアルI2C変換基板を介してI2Cデバイスをブラウザから制御するツールについて紹介します。実際に作成したツールをgithub.ioに公開しています。

メインページから各デバイスのページに移動してください。今回はSHT31のデモを紹介します。USBシリアルI2C変換基板に温度湿度センサSHT31を接続して、ページにアクセスします。

接続ボタンを押すと、PCに接続れたCOMポートの一覧が表示されるため、USBシリアルI2C変換基板のポートを選択します。今回はCOM7を選択しました。PC環境やこれまでの接続履歴によってポートは変わるため、不明な場合はデバイスマネージャ等からUSBシリアルI2C変換基板を抜き差しして該当するCOMポートを確認してください。

初期化ボタンを押して、取得ボタンを押すと上記のように温度と湿度を取得することが簡単にできました。コードはMITライセンスとして各htmlファイル内に埋め込んでいます。htmlファイルのみでオフラインやローカル環境(htmlファイルをダウンロードしてからローカルで使用する)でも動作可能です。

今回はWebシリアルAPIを用いてUSBシリアルI2C変換基板から温度湿度センサSHT31と通信しました。今後は他のデバイス等を含めた応用的な機能を開発し、メインページに順次公開したいと思います。ただ、Windows環境では使用する中でWebシリアルAPIはサンプルAPIそのままのコードであっても時折、接続できなくなることがあり、ページの再読み込みやPCの再起動等が必要になる場合がありました。非常に便利なAPIであるものの、少し未完全な部分があるようです。

1-WireはGNDと電力を兼ねた信号線1本だけで低速なデータ転送を行うシリアルインターフェイス規格です。I2CやSPIと違って基板内や基板同士の通信でなく、外部に延長することを目的としていたシリアル通信規格のため、最長で数百m以上ケーブルを伸ばしてセンシングすることが可能です。

今回、紹介するのはI2Cから1-Wireデバイスを制御するための1-Wireマスタコンバータ、DS2485です。126Byteのバッファ、0.75kbit(32Bytex3)のEEPROMを搭載しています。I2Cから1-Wireに変換するコンバータとして、従来のDS2482、DS2483、DS2484等がありますが、DS2485は細かいタイミング調整やバッファ、EEPROM等を備えています。一方、コマンド等は従来と互換性がなくなっています。また、標準では3.3V系専用で5V系には対応していません。5V系で動作させるためにはレベル変換が必要です。なお、DS2485に備えられたGPIOはユーザ側でオープンドレインIOとして利用可能ですが、データシート内のP.38のP-Channel Enableビット等があることから仕様上はストロングプルアップのP-FET制御用のIOを想定しているようです。

マイコンから直接、1-Wireを制御する場合に比べて、1-Wireマスタコンバータを使用するとI2Cからコマンドを書き込んだり、値を読み込んだりするだけで通信できるため、マイコン側の負荷が低減できます。特に1-Wireはタイミングにセンシティブなため、一般的なマイコンで実装すると1-Wireの通信中は処理が占有されてしまいがちです。そのような場合に便利なのが1-Wireマスタコンバータです。

1-Wireマスタコンバータ、DS2485の変換基板を作成して、有名な1-Wire温度センサ、DS18B20を接続してみました。

1-Wireで必要なコマンドが1-Wireマスタコンバータに予め実装されているため、簡易に1-Wire機能を実装することが可能です。実装後の動作確認ではすんなり動作せず、原因を追ったところ、初期設定が必要なレジスタがあることが分かりました。1-WireマスタコンバータDS2485として電源投入後、Master Reset 62hコマンドくらいで、その他のタイミング等はデフォルト値で問題ありません。ただ、RPUP/BUFコマンドについてはエラッタなのか、デフォルト値から変更が必要なことが分かりました。RPUP/BUF Registerの初期値は803Chとなっており、一般的な条件では0006hに設定変更が必要です。他のレジスタはデフォルトで0006hになっているにも関わらず、RPUP/BUFだけは0006hに変更が必要なため、分かりづらく、注意が必要だと思いました。

1-Wireは省配線でありながら、1-Wire温度センサ、DS18B20の他、熱電対やEEPROMメモリ、I2C/SPIブリッジ等の様々なデバイスがあることから、色々試してみたいと思いました。

ST製気圧センサLPS25HBを使っていて、うまく気圧データを取得できないという問題に遭遇したため、その対処方法について紹介したいと思います。今回は秋月電子で販売されているLPS25HBの変換基板を使用しました。

現象としては一般的なI2Cデバイス同様にアドレス、レジスタを指定して、データをまとめて読み出すという流れでLPS25HBから気圧データを3byte分読み出すと同じ値のデータが3つ読み出され、意図した値が読み出せてないということが分かりました。データシートをよく見るとLPS25HBは一般的なI2Cデバイスと異なり、まとめてデータを読み出す際の自動アドレスインクリメントがデフォルトで無効化されているということが分かりました(データシートP.25)。自動アドレスインクリメントを有効化する場合はレジスタの最上位ビットに1をセットして読み出すと記載があります。自動アドレスインクリメントとは、2バイト以上のデータを読み出す際に先頭のレジスタのみ指定すると自動的にレジスタをインクリメントして一括で2バイト以上のデータを読み出せる機能です。

つまり、LPS25HBで気圧データ等を取得する場合、個々のレジスタを指定して1つずつ読み出すか、レジスタの最上位ビットに1をセットして読み出す必要があります。

例えば気圧データの場合、レジスタはPRESS_OUT_XL　0x28、PRESS_OUT_L　0x29、PRESS_OUT_H 0x2Aとなり、0x28を指定して3回読み出しするのでなく、レジスタの最上位ビットに1をセットした0xA8を指定して3回読み出しする必要があります。同様に温度の場合は0x2Bでなく、0xABを指定する必要があります。

他のST製気圧センサをざっと調べてみたところ、自動アドレスインクリメントがデフォルトで無効化されているのはLPS25HBのみということが分かりました。

製品名	アドレスインクリメント有無
ILPS22QS	〇
LPS22CH	〇
LPS22DF	〇
LPS22HB	〇
LPS22HH	〇
LPS25HB	×
LPS27HHTW	〇
LPS27HHW	〇
LPS28DFW	〇
LPS33K	〇

LPS25HBを使用する際は自動アドレスインクリメントがデフォルトで無効化されていることに注意してください。一般的な多くのI2Cデバイスはアドレスの自動インクリメントが有効化されていますが、ごく稀に自動アドレスインクリメントがデフォルトで無効化されているデバイスがあります。LPS25HBに限らず、I2Cデバイスの読み出しで同じ値が読み出されるという場合は自動アドレスインクリメントの設定がどうなっているか確認した方が良いと思いました。

今回はFPGA入門に最適なicestudioを紹介します。FPGAの開発をする場合、一般的にはメーカ提供のFPGAの開発環境をインストールしますが、開発環境のディスク容量が大きく、パッケージの追加等、インストール作業自体もなかなかハードルが高いのが現状です。

今回紹介するicestudioはメーカが提供する開発環境ではなく、OSSのプロジェクトの1つとしてFPGAの開発環境が開発、提供されています。対応しているFPGAは主にLattite社のiCE40系列、ECP5系列となっていますが、様々なiCE40系列の開発ボードに対応しています。今回はAliexpressで購入したIcesugar-nano開発ボードでicestudioを使ってみました。Icesugar-nano開発ボードはボード上にFPGA書き込みアダプタ、USBシリアル変換機能のマイコンが実装されているため、別に書き込みアダプタ等を購入せずに単体で書き込みや動作確認、デバッグ等を行うことが可能です。

話をIcesugar-nanoから戻して、icestudioの特徴は下記の通りです。

・一言でArduino IDEのFPGA版というイメージ

・Linuxはもちろんのこと、Windows、Macでも動作

・icestudioだけで論理合成、書き込みに対応

・インストールサイズが0.5GB前後と小さい

・評価ボードのサンプルが充実

・ブロックでの記述に対応、Verilogにも対応

・Verilogが分からなくとも、インストール後、すぐにLチカできる

・RISC-V等のブロック等もあり、様々な拡張が可能

今回はicestudio 0.9.0を利用してみました。

0.9.0時点で対応しているボードは下記のようです。

様々なサンプルプロジェクトが準備されています。

実際にLチカのサンプルプロジェクトを実行してみました。SelectからIcesugar-nanoを選択し、Examples→04.Muxes内の「01.Blinking Fixed LED」を選択します。

右下のUploadボタンを押すと自動的に論理合成が行われ、合成が成功するとIcesugar-nanoに書き込みが行われます。

上記のようにLEDが点滅したら成功です。デフォルトのブロックの他に有志でRISC-V等の様々なブロックが開発されているため、ブロックだけでちょっとしたFPGAの機能を実現できそうです。icestudioはまだ0.9.0ですが非常に完成度が高いと思いました。icestudioはもともとLinux環境でのFPGA開発環境のOSS、APIO等を開発してきたプロジェクトの1つで、以前からも注目していたため、今後のプロジェクトの発展が楽しみだと思いました。

2022年6月23日前後にCrescent宛のメールサーバに不具合があり、メールが正しく受信できない状況になっていることが判明しました。

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