USBホストMAX3421変換基板

USBホストICの比較検証のためにMAX3421E変換基板をAliexpressから購入してみました。以前に紹介したVinclumシリーズとの違いはどちら側に処理の中心を置くかの思想が違います。MAX3421はSPIスレーブICでUSBプロトコル変換に特化しており、動作の処理を命令するマイコンが別に必要となります。一方、VinclumシリーズはVinclum自体がプログラム可能なマイコンになっているため、用途によってはVinclum単体で動作させることが可能です。プロジェクトの目的によって使い分ける必要があります。部品コストとしてはVinculumは500円前後、MAX3421Eは1000円前後とVinculumの方が低コストです。

今回購入したAliexpressのMAX3421E変換基板は使う上で2点注意点が必要です。

�@VBUS

基板上のVBUSは通常、USB電源として5Vを供給しますが、基板上で3.3VとVBUSが接続されているため、そのまま5Vを接続すると3.3Vラインにも5Vが供給されてしまいます。基板上のパターンを切って3.3Vラインと5Vラインを分離する必要があります。最初、誤ってそのまま5Vを供給してしまい、3.3V系の電圧がおかしいことに気づいて判明しました。今回は偶然？にもMAX3421E他、デバイスは壊れませんでしたが、注意が必要です。

�ASPIシルク

基板上のシルクに間違いがあり、そのままマイコンと接続しても通信できません。基板上のMAX3421のICの足と基板上のピンをテスターで確認すると、基板上のCLKとMOSIが入れ替わっていることが分かりました。正しく配線することでMAX3421のレビジョンを正しく取得できるようになりました。

基板上のCLK→MOSIが正しい

基板上のMOSI→CLKが正しい

今後はVinculumとMAX3421を使いこなして、それぞれの特徴をまとめてみたいと思います。

Node-Redを用いたCO2センサ SenseAir S8 データ取得

今回は旭化成 CO2センサ S8 004-0-0053をNode-Redを用いて取り込んでみました。S8センサはNDIR方式のCO2センサで他の方式に比べて精度よく検出することが可能です。通信はUART接続となっており、Node-Redのnode-red-node-serialportとUSB-UARTシリアル変換アダプタを使用して簡単に接続することができます。なお、S8センサは3.3Vでなく、5V電源入力のため、5V出力があるUSB-UARTシリアル変換アダプタが便利です。

serialノードを使用する場合はクラウド版のnode-redでなく、rapberrypiやWindowsの場合、オンプレミス版のnode-redが必要です。

node-redのフロー全体は上記です。injectionノード、functionノード2つ、serialノード、デバッグノードを配置します。dashboardに表示させる場合は下半分のfunctionノード、ボタンとチャートを追加します。

injectionノードは2秒ごとにイベントを発生させるように設定しました。

測定指令としてS8センサに送るシリアルデータを設定します。

serialノードは9600bpsに設定します。COMポートの番号はデバイスマネージャ等から番号を確認して選択します。

functionノードでserialノードから受信したデータをCO2値に変換します。

dashboardに表示させる場合は値をそのままpayloadに入れるため、functionノードで上記のような値変換を行います。

実際にこのような感じでS8センサの値変化を可視化できました。

今回のnode-redフローファイルは

Node-Red_S8_CO2_Sensor_flows.json

です。

S8センサを使ってみて、非常に感度が高く、微小な変化にも大きく反応するため、室内環境等を継続監視するためには平均化やローパスフィルタ等を通した方がよいと思いました。方式が異なるため、単純比較できませんが、以前に紹介したZMOD4410ではそのような処理含めて実装されているため、簡易的に室内環境を継続監視する目的では向いていると思いした。今後はS8含めて複数のCO2センサを同時比較してみたいと思います。

組み込み系メモリ比較

IoT等が当たり前になる中で高精度、高機能化が進んでいます。特にセンサ、機械学習や通信といった機能を実装するためにはより多くのメモリ(特にRAM)が必要となります。

一般的なIoT機器の場合、プログラムをROMから読み出して、センサ情報を処理して無線で送信するといった流れとなります。センサの高機能化、高性能化が進むとセンサのデータを取りこぼすことなく保存するためにより高速で大きなメモリが必要となります。一方でマイコンのメモリは容量が限られており、大容量マイコンで内蔵RAMは1MB程度、一般的なマイコンで数100kB程度です。外部電源から供給されるパソコンや測定機器ではSDRAMといったメモリを外部につけることでメモリを増やしていますが、電池駆動を想定したIoT機器では消費電力の大きなSDRAMを載せることは困難です。今回は組み込み系でQSPIといった簡単に接続可能なシリアルメモリを比較してみました。

近い条件で比較できるように容量を4Mbit周辺のシリアルメモリで比較しました。21年1月時点のDigikey、Mouserを中心とした価格と入手可能な部品(製造完了でない)をリスト化しています。

方式	容量	型式	通信バス	通信クロック	価格	書換回数	書込待機	揮発性
SRAM	4Mbit	IS62WVS5128FBLL	QSPI	20MHz	￥599	Infinite	不要	揮発
PSRAM	64Mbit	PSRAM 64MBIT SPI 133MHZ	QSPI	133MHz	￥194	Infinite	不要	揮発
MRAM	4Mbit	MR25H40DF	SPI	40MHz	￥1,347	Infinite	不要	保持
FRAM	4Mbit	CY15B104QI-20LPXC	SPI	40MHz	￥2,413	1x10^15	不要	保持
FRAM	4Mbit	MB85RS4MTPF	SPI	40MHz	￥855	1x10^13	不要	保持
EEPROM	4Mbit	M95M04-DRMN6TP	SPI	10MHz	￥256	4x10^6	必要	保持
ReRAM	4Mbit	MB85AS4MTPF	SPI	5MHz	￥555	1.2x10^6	不要	保持
nvRAM	1Mbit	CY14B101Q2A	SPI	40MHz	￥1,083	1x10^6	必要	保持
NOR FLASH	4Mbit	AT25SF041B-SSHB-T	QSPI	108MHz	￥32	1x10^5	必要	保持
NAND FLASH	1Gbit	MT29F1G01ABAFDWB	QSPI	133MHz	￥296	1x10^5	必要	保持

センサのデータを取りこぼすことなく保存するようなRAM的な使い方を想定すると、耐えられるものはSRAMやPSRAMはもちろんですがほぼ無限に近いMRAM、FRAMとなります。それ以下はRAM的な使い方をする場合、速度、書き換え回数を考慮した設計が必要となります。設定データ等、書き換えの少ないデータの場合はEEPROM、nvRAM、Flashメモリ等でも十分ですが、センサ測定毎に書き換える場合、すぐに寿命になります。例えば、1秒ごとに測定して書き込む場合、1日で86400回書き換えが発生します。Flashでは10日、EEPROMの場合は100日、3か月程度で寿命となります。実際は書き込みブロックを変えるといった処理で書き換え箇所が集中しないようにして、寿命を延ばします。ただ、組み込み系の場合、そこまで管理しない、できない場合も多々あります。

SRAMやPSRAMの代わりにMRAM,FRAMを使用すると不揮発メモリのため、毎回、RAMに初期化の処理を展開する必要がなくなり、起動時間短縮のメリットがあります。ただ、価格がまだ少し高く、容量も4Mbit、8Mbitが最大で限られているのが難点です。今後のMRAM,FRAMの大容量化、低価格化に期待です。

nanoDLA ロジックアナライザ

今回はロジックアナライザnanoDLAを紹介します。aitendoでも扱いがありますが、aliexpressで購入しました。8ch、24Mサンプリング、日本円で900円前後の簡易ロジックアナライザです。実際にインストールしてUSB信号(USB1.1)を解析してみました。

ソフトウェアはnanoDLA互換機となっており、こちらのサイトからPulseViewというソフトをダウンロード、インストールします。Windowsの他、Mac、Linuxにも対応しています。ドライバはZadigを用いて別途インストールします。

ZadigのインストールではOptionsからList All Devicesを選択することがポイントです。

リスト内のfx2lafwを選択してinstallドライバをクリックしてインストールします。

ドライバのインストールが完了した後、PulseViewを起動させます。

nanoDLAと接続するために赤枠のデバイスリストをクリックします。

fx2lafwを選択し、usbにチェック、scanをクリックするとデバイスが表示され、選択します。

デフォルトは1Mサンプル、20kHzのため、必要に応じて変更して、左上のRunボタンをクリックすると自動的に指定のサンプルを読み込みます。また、Configure Channelをクリックして必要な信号のみに選択することも可能です。

実際にUSB信号(USB1.1)を解析してみました。

拡大するとこんな感じです。

ロジックアナライザなので様々なプロトコルに対応しています。CAN、I2C、I2S、JTAG、SPI、UART等はもちろんのこと、この価格でSDやUSB(USB1.1のみ)、IR(赤外線通信)に対応しているのは驚きです。サンプリング周波数設定横の黄色と緑のアイコンをクリックすると対応プロトコルを選択できます。

プロトコル選択後にビュー側のプロトコルをクリックすると何の信号にプロトコルのどの信号が対応するか詳細を選択できます。

信号値だけでなく、Stack Decoderをクリックするとプロトコルに応じて処理内容を解析して補助情報を表示する機能もあります。

簡易的なロジックアナライザのため、電圧レベルが低レベル -0.5V~0.8V、高レベルは2V~5.25vで固定で絶縁等もされていませんが、非常に安価で容易に使用できるので1つあると非常に便利です。PCオシロスコープではチャンネル数が2chや4chと限定され、後から信号レベルを読み取る必要があります。一方、ロジックアナライザは最大8chでプロトコル解析して値が表示されるため、解析をより早くできます。Windowsの他、Mac、Linuxにも対応しているため、ロジックアナライザの入門としてnanoDLAはお勧めです。

タブレットVT484分解

今回は6年以上使用してバッテリーが摩耗して使用できなくなったdynabook Tab VT484/22Kを分解してみました。スペック概要は下記の通りです。

CPU：Atom Z3740/1.33GHz

メモリ：2GB

ストレージ容量：32GB

画面サイズ：8インチ

画面解像度：1280x800

OS：Windows 8.1

ネットワーク：Wi-Fiモデル

iPad等と異なり、接着剤で筐体が固定されておらず、側面に細いマイナスドライバを差し込むことで簡単にカバーを開けることができました。

バッテリーが6割以上も占めており、メイン基板が上側にあります。また、写真では見ずらいですが、タッチ制御とスピーカー、バイブレーション等の小さなサブ基板がバッテリー下側にありました。

中央少し左にCPUのAtom Z3740、左上下2つがRAMメモリです。写真を撮り忘れてしまいましたが、裏側にサムスン電子製のeMMCが搭載されていました。中央右には電源ICとしてBD2610GWがありました。右上にはBroadcom製のWiFiIC BCM4324が搭載されていました。iPhoneやiPadの基板よりも部品がまばらで実装密度はそこまで高くないように見えました。一方で当時で1台3万円程度で購入できる製造コストには驚きです。