Crescent

今回は先日、Aliexpressで購入したミニホットプレートMHP30を紹介したいと思います。これまで簡単な電子工作基板の実装はヒートガンを用いてリフローしていましたが、部品によってはヒートガンの風によって途中で飛んでしまったりと作業しづらい点がありました。一方で専用の温度制御されたホットプレートを買うのは保管場所も要するため、導入を悩んでました。

そこでMakersの中でも話題のミニホットプレートMHP30を購入してみました。プレートサイズとしては30mmx30mmで非常に小さいものの、ちょっとした基板のリフローであれば、十分だと思いました。

PD65W以上の出力に対応したUSB-ACアダプタを電源として動作します。

背面のAのボタンを長押しで加熱スタート、Bボタン長押しで加熱ストップとなります。また、A、Bボタンを短く押すことで温度調整等が可能です。

実際に電子基板の部品実装をしたところ、きれいにQFN部品の実装ができました。

実際に使ってみて驚いたことは単なるホットプレートというよりもUSBガジェットの延長線として完成した製品だと感じました。具体的には下記の通りです。

・USBPDで60W(20V3A)の電源供給

・ヒータ温度をLEDで表示

・USBをPCに接続でUSBドライブとして認識

・USBドライブからファームウェアアップデートや設定ファイルの書き換えが可能

・本体が倒れるとヒーターOFF＆アラーム通知

USBをPCに接続した場合はPDではないため、加熱ONすると「Low Voltage」のエラーで加熱できないものの、PCからUSBドライブとして認識することでファームアップデートや設定ファイルの書き換えができるのは驚きました。

MHP30は非常に小さく、場所を取らないため、便利だと思いました。本体が小さいため、USBケーブルに引っ張られて机から落ちたりしないように気を付ける必要があると思いました。付属のUSBケーブルは非常に柔らかいため、それを使った方が引っ張られずによいと思います。また、ヒータONから数百秒程度で指定の温度になりますが、逆にヒータOFFして温度が室温程度に下がるまではそれ以上に時間を要するため、付属のシリコンカバー等を付ける等して触れた際にも火傷しないように注意が必要です。今後、MHP30を色々活用してみたいと思います。

今回はPIC32マイコンでC++ (CPP) プロジェクトを作成する方法について紹介します。といっても記事にする程でないほど簡単でした。

STM32マイコンのSW4STM32やCubeIDEではC++プロジェクトへの変換作業等が必要でしたが、MPLAB X(v5.45) + XC32(v2.50) +Harmony3では特に変換作業等必要なく、cppファイルと.hppファイルを追加するだけでした。また、ライブラリやプロジェクト、コンパイラ等はC++に対応済のため、追加設定は不要です。そのため、非常に簡単に実装できます。

追加するcppファイルと.hppファイルとして、ラッパーとなるwrapper.cpp、wrapper.hpp、LED点滅用の関数LedBlink.cpp、LedBlink.hppをプロジェクトに追加します。また、app.cからラッパー関数を呼び出すためのcpploop();を追加しました。各ファイルの詳細についてはこちらにアップロードしたため、割愛します。

通常のプロジェクト同様にLedBlink.cpp内でブレイクポイントを置いてデバッグもできました。

思った以上にすんなりC++ (CPP) プロジェクトを動かすことができたため、今後はパワフルなPIC32マイコンを活かして、機械学習系のライブラリ等にも応用してみたいと思います。

MachXO3LF/L Starter KitはLattite社のFPGA、MachXO3シリーズの評価ボードです。FTDIのUSBシリアル変換ICが搭載されているため、Diamond Programmer等から書き込み治具なしでそのまま書き込んで動作確認できます。

特にMachXOシリーズは外部FlashなしでFPGA単体で動作可能なため、小規模な開発に便利です。MachXO3LFとMachXO3Lで2種類ありますが、何度も書き換えて使用する可能性がある場合はFlashベースのMachXO3LFとなります。MachXO3LF/L Starter KitはFTDIの2232Hを搭載しています。2232Hは1つのICにシリアル機能をデバイスAとデバイスBで2つ搭載しています。デバイスAはJTAG書き込み用(245FIFOモード)、デバイスBはUARTやI2C等のユーザ用途に設定可能になっています。一方でデフォルトではデバイスBが初期設定(245FIFOモード)となっており、UART等の用途で使用できません。今回はMachXO3LF/L Starter KitでFTDIのUARTを使用する設定について紹介します。

�@ハードウェア設定

MachXO3LF/L Starter KitのデフォルトではFTDIのデバイスBとMachXO3が接続されていません。FTDIチップ横のR14(FTDI:TX-FPGA:RX)、R15(FTDI:RX-FPGA:TX)に抵抗(0~100Ω程度)を取り付ける必要があります。写真ではハンダでジャンパさせました。

�AFTDI EEPROM設定

デバイスBが初期設定(245FIFOモード)となっており、UARTモードに切り替える必要があります。FTDIチップの横にEEPROMが接続されており、そこにFTDIチップの挙動を決定するパラメータが書き込まれています。パラメータを書き換えることでデバイスBをUARTとして動作させます。ここで注意点としてEEPROMのパラメータの書き換えに失敗した場合、Diamond Programmer等からJTAG治具として検出できなくなる可能性があるため、注意してください。

こちらのリンクからEEPROMのパラメータ書き換えのソフトウェアFT_Progをダウンロードします。ソフトウェアを起動し、F5キーを押して、ワーニングメッセージが表示されてOKを押すと、現在の情報が表示されます。

他にもFTDIデバイスが接続されている場合、誤って他のデバイスに書き込んでしまう可能性があるため、MachXO3LF/L Starter Kit以外のデバイスを外して、ツリー表示のデバイスが1つであることを確認してください。

Hardware Specificをクリックし、PortBのHardware設定をRS232 UARTに設定します。PortAはJTAG用の設定となっているため、間違えてPortAの設定を変更しないように注意します。

同様にDriverの項目をVirtual COM Portを選択します。

上記の設定で書き込みボタンを押します。USBを抜き差しするとCOMポートとして認識できるようになります。

なお、デバイスマネージャーから「表示をコンテナ別」に設定して、そこからVCP(Virtual COM Port)に設定変更できるチェックボックスがありましたが、こちらの設定だけではCOMポートが追加されるものの、UARTとして動作しませんでした。やはり、FT_Progを用いてパラメータの書き換えが必要なようです。

上記の手順後、C11にTX、A11にRXとしてユーザプログラムを書き込むことでMachXO3LF/L Starter Kit単体でPCとUART通信できるようになりました。R14、R15がデフォルトで未実装に気づかず、デバッグに時間を要してしまいました。Starter KitのPDF等にもUART通信を使用する手順について説明の記載がなく、ちょっと不親切だと思いましたが、なんとかPCとUART通信できるようになりました。

　ー昨年から断続的に開発してきた音方位センサがやっと形になってきたため、紹介したいと思います。音方位センサは直径4cmの円形基板に4つのMEMSマイクを搭載したセンサで音源の方位を音の時間差から計算してLED及びI2C、UARTで結果を出力する基板です。主な用途として小型の首振りロボットの頭に搭載することで声で頭の向きを変えたり、声でカメラの向きを変更して撮影するといった用途を想定しています。

　基板自体の開発は20年12月に完了していたものの、ファームウェアのアルゴリズムが安定せず、リリースできずにいました。断続的にアルゴリズムの検討、処理の見直しを実施し、最終的にGCC-PHAT(Generalized Cross-Correlation. PHAse Transform)方式である程度、安定して方向検知できるようになりました。GCC-PHATの原理の詳細については多くの論文や資料があるため、こちらでは述べませんが、音の方位を検出する原理として、少し離れたマイクから同時に音をサンプリングすることで、マイク同士の距離の差によって音が到達する時間差から方位を検出します。180度片側の場合、2つのマイクで角度を検出できますが、前方か後方か分かりません。平面の場合、3つ以上あれば360度の方位を検出できます。本センサは1つ冗長ですが、マイクを4つ搭載しています。

　まず、ハードウェアの構成として、どのような種類のマイクを使用するかという問題があります。基板の実装密度を高め、より高感度、音の感度が周波数によらずフラットなMEMSマイクを採用しました。MEMSマイクの中でもアナログマイクとデジタルマイク(PDM)のどちらにするかについては、アナログの場合、外付けでアンプが必須で環境によって増幅率が変更な必要な場合があります。デジタルの場合は外付けのアンプが不要な代わりにソフトウェアで処理が必須となります。部品数を減らし、環境にロバストなデジタルMEMSマイクを選定しました。

　微小な音の遅延を測定するため、4つのデジタルMEMSマイクを同時にサンプリングする必要があります。STM32L4シリーズ等ではPDMデジタルMEMSマイクを容易に処理可能なDFSDMを搭載していますが、多くのマイコンはそのような機能を搭載していません。汎用性等を考慮し、今回はSPIを用いて実装しました。4つのMEMSマイクをSPIで同時サンプリングする場合、SPIのクロックを4つで共通にして、SPIの1つをマスタ、残りの3つをSPIスレーブとして実装し、DMA転送することで4つのMEMSマイクの同時サンプリングを実現しています。RAMが十分あり、SPIを5つ搭載しているSTM32F411を選定しました。

　実際にスマートフォンから水の音を出して方向検知するデモ動画を紹介します。

　GCC-PHATアルゴリズム単体に加えて、誤検知をより防止するため、周波数帯を数kHz前後にフィルタし、音の変化が大きい場合(音のアナログ値の標準偏差)にのみ角度出力することで比較的安定して方向検知できるようになりました。一方で手を叩く音やモノを叩く音のような瞬間的な音の場合、音の反射等の影響が大きくなり、誤検知が多くなります。UARTやI2C通信周りの実装を今後行い、コード、回路図含めて公開後、提供開始したいと思います。