付属品としてUSB Type-Cケーブル、14Pinリボンケーブルが付属しています。

E2エミュレータLiteとの差として、スイッチでターゲットマイコンや電圧を切り替える仕様になっています。また、スイッチ切替でUART機能も内蔵しているため、ちょっとしたデバッグ用途にも便利です。

14ピンコネクタはE2エミュレータLiteと同じですが、ピンアサインはEZ-CUBE3とE2エミュレータLiteで全く異なるため、互換性がありません。ケース後ろにピンアサインの説明が記載されているため、E2エミュレータLiteよりも迷わず、接続は簡単です。

基板構成としてはE2エミュレータLiteよりもかなり簡素で低価格なのも納得です。メインMCUとしてR5F52318ADFLを搭載しているようです。何よりもUSB Type-CでPCと接続可能なため、昨今の接続環境としては非常に便利です。

ソフトウェア的な互換性については、EZ-CUBE3もE2エミュレータLiteもRenesas Flash ProgrammerやCS+等からは同じくE2Liteとして認識されます。つまり、E2エミュレータLiteを使用しているユーザの場合、設定変更なしでそのままEZ-CUBE3を使用することが可能です。

なお、EZ-CUBE3以外に低価格なデバッガーとしてAE-RL78G11-STICKも同様にE2Liteとして認識されるようで、低価格なデバッガーとして利用できるようです。

E2エミュレータLite以外にEZ-CUBE3も日本で入手できるようなればよりユーザの裾野が広がるかと思いました。特に低価格かつUARTやType-C対応が教育用途や評価検証において非常に魅力的です。ただし、EZ-CUBE3は現時点では中国圏のユーザをターゲットにしているため、それ以外のユーザはサポート対象外です。上記情報についても今後の仕様変更によっては変更される可能性があります。あくまで現時点で確認した参考情報としてください。

USBシリアルI2C変換基板V2とAMS製ToFセンサ、最大8x8のTMF8828や最大48x32のTMF8829を使ってヒートマップとして可視化するツールを作成してみました。ツールはTMF8828/TMF8829 ToF Viewerとしてこちらに公開しています。TMF8829に関しては解像度や設定をラジオボタンで変更できるように実装しました。また、ヒートマップのCSS、JSコード自体はHTMLに組み込んでいるため、右クリックの開発者ツール等で簡単に実装を確認することができます。

実際に使用してみた際のスクリーン動画をアップしてみました。

本ツールはあくまで動作確認用を目的としています。USBシリアルI2C変換基板V2のデフォルトI2C速度が100kbps程度のため、解像度が高くなると非常にフレームレートが遅くなり、十分なパフォーマンスが発揮できません。マイコン等でSPIや400kbpsのI2C等で接続すれば、センサ仕様のパフォーマンスを発揮できます。解像度8x8程度であれば非常にスムーズなフレームレートで挙動を確認することが可能です。

先日、FirefoxもWeb Serial APIに対応したため、本ツールでEdgeやChromeだけでなく、Firefoxでも可視化できるようになりました。今後もWeb Serial APIを活用したツールを作成してみたいと思います。

ライブラリ等を使用せず、CSSの.cellクラスを活用して比較的容易にグリッドのヒートマップをhtmlで実装できました。EdgeやChrome等のブラウザから簡単にUSBシリアルI2C変換基板V2[スイッチサイエンス、Elecrow]とMLX90640やAMG88XXで温度を可視化できます。

MLX90640用のTherrmo Viewerはこちらです。AMG88XX用のTherrmo Viewerはこちらです。ヒートマップのCSS、JSコード自体はHTMLに組み込んでいるため、右クリックの開発者ツール等で簡単に実装を確認することができます。

実際に使用した際のスクリーン動画MLX90640版、AMG88XX版をアップしてみました。特にMLX90640は内部EEROMパラメータが正しく読み込みできないと正常に温度変換できません。変換に必要な全パラメータを「Download CSV」ボタンからグリッド温度情報と合わせてダウンロードできるようにしています。そのため、パラメータの妥当性の確認等の用途にも活用可能です。

しっかり1.15にアップデートできているユーザはいるため、1.15のアップデートやツールに問題があったわけではなく、運が悪かったと考えるのがよいかと思います。MINISFORUM BD795i SEは他のボードと違って色々苦戦する点があったため、復帰までの手順を紹介したいと思います。本作業はメーカの保証外です。RMAが正規手順です。専門的知識を有する方が自己責任で行ってください。ただ、壊れているユーザもいるようでやはりBIOSアップデートは注意が必要です。

■MINISFORUM BD795i SEの注意点

・Dual BIOS等の保護機能なし(書き込み失敗で即文鎮化しやすい)

・ピンヘッダが出ていない、SPI Flash取り外し不可、ピン治具必須

・8x6サイズのWSOP8 でピンを当てづらい 

・放熱フィンとPCIx16スロットの間にSPI Flashがあるため、場所が狭くピン治具が届きにくい

※ピン治具によって届かない場合有

※写真右下が1番ピン

上記の注意点を知らず、バックアップ等の準備をせずにアップデートしてしまい、更に運が悪く、アップデート失敗。そのままBSD(ブルースクリーン)となって、電源を切るしかなく、文鎮化してしまいました。ファンが回るものの、CMOSクリアでもBIOSが起動しませんでした(LAN LEDが点滅しない)。単なる書き込み失敗だけであれば、再度、Batを実行し、書き込みすることで文鎮化を避けられます。しかし、今回はWindows自体がBSDで停止したため、再書き込みすることができませんでした。

①SPI Flashツール(CH341A+1.8V変換+ASprogrammer)、ピン治具を準備

手持ちにあったCH341Aのツールを使用しました。W25Q256JWの電源は1.8Vで3.3Vではありません。1.8V変換アダプタが必須です。

今回、ピン治具は手持ちのSOIC8にスプリングピンを差し込み、スペーサを挟ませて8x6のWSON8に対応させました。無理に対応させると最悪、ショートさせて基板を破損させる可能性もあります。 8x6サイズのWSOP8対応のピン治具を事前に用意することを強く推奨します。

②ASprogrammerをダウンロードし、対応フラッシュを追加します。

③ASprogrammerのRead IDボタンを押して、接続確認します

　対応フラッシュの追記と接続が正常であれば自動的にW25Q256JWが検出されます

④接続確認後、Read ICボタンで現状のSPI Flashデータを念のため読み込み、保存しました。

⑥電源を入れてPCを起動を確認(初回はメモリキャリブレーションがあるため、少し時間がかかる)

本来、やるべき手順は下記です。

■事前準備

・SPI Flashのバックアップ

・Primary card MAC (Address)、System UUID、Motherboard S/Nをメモ

・SPI Flashツール、ピン治具を準備

・Windows、Office等の再アクティベーションする場合の準備

■作業

・可能な限りWin環境でなく、UEFI環境でアップデート

※書き込み中にOS側のエラーを回避する

■事後

・WindowsやOfficeのアクティベーション状態を確認

・新しいBIOSをバックアップ

壊れたSPI Flashのデータと1.15をバイナリエディタで見比べると、途中からずれたアドレス位置にデータが入っており、アドレス指定コマンドの処理に異常があり、書き込みに失敗したようです。

また、SPI Flashのメモリを全削除して、1.15を書き込みした影響なのか、System UUID？が変わってしまい、Office2021のアクティベーションを再度、行う必要がありました。Windowsは問題なく、再アクティベーション不要でした。1.12でDMI base board manufacturerが "Meigao Innovation Technology (Shen zhen) Co., Ltd"に変わったことも少し影響しているかもしれません。

なお、Primary card MAC (Address)はマザーボード上のLANポートのシールと一致しており、SPI Flashのメモリ全削除の影響はなさそうでした。アップデート前のSystem UUID、Motherboard S/Nをメモしていなかったため、それがどう変わったかについては今となっては分かりません。復帰できたため、一安心ですが、事前準備が重要ということを改めて認識しました。改めてになりますが、本作業はメーカの保証外です。RMAが正規手順です。専門的知識を有する方が自己責任で行ってください。

ただし、S-35770はカウントアップ専用で、カウントダウンすることはできません。また、I2Cを介してカウントデータを読み出すのみで、リセットすることはできません。なお、フリーレジスタ機能があり、カウント値とは別に3バイトの値を書き込み、読み出しすることが可能です。

S-35770のそのままの仕様ではリセットやLOOP(キャリーアウト信号)のIO状態をI2Cから取得や制御できないため、I2Cから制御可能なGPIO、PCA9536と組み合わせてI2Cを介して制御できるカウンタ基板を作成してみました。また、CR1220の電池を搭載することでカウント値を保持できるようにしました。

本基板はCR1220電池を搭載しているため、電源なしでカウント値の保持だけでなく、カウントも行うことが可能です。例えば、通常は本基板とスイッチ等(本基板のBATピンとCLKピンをスイッチに接続)を組み合わせてカウント数を本基板でカウントし、必要な時にマイコンと接続してカウント数を読み出すといった使い方が可能です。

なお、I2C GPIOを介してカウンタのリセット操作やLOOP信号の読み取りができますが、電池運用する場合は注意点があります。メイン電源を切る前にリセット信号のGPIOをデフォルトの入力に戻す必要があります。この理由として、GPIO出力のままの状態ではメイン電源が切られた際に電池でプルアップしているRST信号がLOWに引っ張られてカウンタがリセットされてしまうためです。この問題を防ぐためにI2C GPIOを入力状態にすることでRST信号がLOWに引っ張られることを防ぐことが可能です。

回路図やサンプルコード等はこちらで公開しています。また、スイッチサイエンスにて販売を開始しました。

SPIやUART、CAN等の様々な信号がありますが、USB PDの通信ロジックは1.2Vと信号レベルが低いため、上記のような低価格なロジックアナライザではそのまま取り込むことができません。これらのロジックアナライザは3.3Vや5Vの電圧レベルを想定しているため、USB PDの通信を取り込むためには何かしらの信号レベル変換が必要です。手持ちの双方向レベル変換IC、NTB0104GU12があったため、試しにレベル変換してみましたが、うまくレベル変換できませんでした。双方向レベル変換の場合、ロジックアナライザ側のプルアップやプルダウン等が邪魔してしまい、逆にPD信号を阻害してしまったようです。USB PDの通信ロジックの信号レベルを変換する際は片方向のレベル変換やバッファIC等を使用した方がよさそうです。

USB PDの電圧レベルは低く、信号レベル変換に苦労したため、専用のUSB PD Sniffer基板を作成してみました。レベル変換は汎用的なコンパレータを0.5V付近に閾値を設定しました。これにより1.2Vのロジックを3.3Vロジックに変換することが可能です。また、PD通信が完了後に5Vから指定した電圧に変化したタイミングを検出するため、VBUSが5.5Vを超えると信号がHighに変化する出力（ここではPD信号）も追加しました。この信号によって、リクエスト後に電圧が変化するタイミングや電圧変化後のReady信号までのタイミング等をロジックアナライザでCCの通信と同時に確認することが可能です。

VBUS電源を用いてコンパレータを動作させているため、追加で外部電源を供給する必要がありません。

実際に手持ちの65WクラスのUSB PDアダプタで20Vを出力させる際に本アダプタとnanoDLA+PulseViewで解析してみました。USB PDは300kHzで通信するため、ロジックアナライザのサンプリングレートは少なくとも500kHz以上を設定する必要があります。

接続後にVBUSに5Vが供給されるとPD通信を開始して、ソース側のUSB PDアダプタが出力可能なプロファイルを送信していることが確認できました。また、その後、シンク側のPDデバイスが20Vのリクエストしていることが確認できました。リクエストに対するアクセプト信号後、出力が20Vに変化し、Ready信号がソースからシンク側に送られていることも確認できました。

高性能なロジックアナライザであれば、信号電圧レベルの閾値を任意に変更できますが、入手が容易で安価なロジックアナライザは信号検出レベルが固定になっていることが多いです。そのような場合に本USB PD Sniffer基板は便利かと思います。

なお、本基板はPD通信の解析を目的としており、下記の注意点があります。

・USB3向けのTX、RXは未接続

・D+/D-、CC1/CC2、VBUS/GNDのみ接続

・CC1/CC2の信号が3.3Vレベルでピンヘッダから出力されます

・ピンヘッダから信号を入力してCC1/CC2にインジェクションすることはできません

・2つのType-Cコネクタの違いはありません(片方にシンク、もう片方にソースを接続してください)

・本基板のVBUSラインの定格は2Aです

・ネゴシエーション後、VBUSラインに大電流を流す場合は本基板外でVBUSラインパイパスさせてください

・挿入向きによって通信できない場合はどちらかのType-Cコネクタを裏返してください 

・VBUS ON直後のPD、CC信号はコンパレータが不安定なため、出力が一瞬、ONする場合があります  

・VBUSピンはPDネゴシエーション後に5Vを超える電圧が印加されます

・VBUSピンを直接、ロジックアナライザに接続した場合、ロジックアナライザが破損する可能性があります

・VBUSピンにロジックアナライザを接続せず、マルチメータやオシロスコープ等の電圧モニタピンとして使用してください

回路図やガーバー等はこちらで公開しています。USB PDデバイスを開発する際にぜひご活用ください。また、USB PD Sniffer基板を販売開始しました。

今回は先日からElecrowで販売を開始した光学式トラッキングセンサ基板について紹介したいと思います。自動走行車、走行ロボット等を制御する場合に自身の位置や移動距離の検出は非常に重要です。一般的な方法としてはホイールやタイヤにロータリーエンコーダ等を搭載することで位置や速度から自己位置を推定しますが、床面が滑りやすい場合や外力等で移動された場合に正しく推定できない問題があります。そのような場合に位置を推定するセンサとして便利なセンサが光学式トラッキングセンサです。

光学式トラッキングセンサは一言でいえば、パソコンの光学式マウスのセンサです。非接触で平面のX方向、Y方向の移動距離を検出することが可能です。パソコンの光学式マウスのセンサに比べて、専用の光学式トラッキングセンサは下記のような特徴があります。

・インタフェースがUSBでなく、マイコン等と接続しやすいI2CやSPI

・追加レンズや光学ユニットが不要

・検出距離が比較的広く、調整が容易

光学式トラッキングセンサとして有名なPixArt Imaging社製PAT9125EL-TKITを使用して、光学式トラッキングセンサ基板を開発しました。

光学式トラッキングセンサ基板の特徴は下記の通りです。

・追加レンズ不要

・検出距離は1mm~30mmで比較的広い範囲で検出可能

・基板上に電圧レベル変換を搭載しており、3.3V系の他、5V系にも直結可能

・使い勝手のよいI2Cモデルを使用、Grove互換コネクタで接続可能

・解像度は最大1,275cpiまで設定可能

・1つのセンサでX方向、Y方向の2軸の移動距離を検出可能

・トラッキングスピードは最大25.4cm/sec (1~3mm)、 76.2cm/sec (3~30mm) です

ElecrowのWebサイトで販売しています。また、動きを検出して位置の差分を表示するArduinoのサンプルコードも用意しています。25mm x25mmの基板のため、小型ロボットにも搭載が容易です。今後、光学式トラッキングセンサの活用事例等も紹介したいと思います。

今回はFirefoxのアドオンを利用して、Web Seial APIやWeb BLE APIをFirefoxで対応させる方法について紹介したいと思います。Web Serial API、Web BLE APIはブラウザのAPIでWebサイトのJavaScriptを使用してPCのシリアルポートやBLEにアクセスできる機能です。このAPIを使用する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だけでPCのシリアルポートやBLE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。既にこのAPIを使用していくつかツールをこちらで公開しています。

標準でWeb Seial APIやWeb BLE APIに対応したブラウザはEdgeもしくはChromeのみ対応となっています。Firefoxはアドオンを入れることで対応できるようなので実際に試してみました。

両方とも初回起動時はアドオンインストールだけでは起動せず、別途、中継するためのソフトウェアをインストールする必要があります。

初回接続時に追加でインストールするように案内が出るため、それに従ってインストールします。

アドオン追加と初回のみ中継するためのソフトウェアをインストールする必要があるため、手間を要しますが、それ以降はEdgeやChrome同等の使い勝手でスムーズにデバイス接続できることを確認しました。今回はFirefoxでWeb Seial APIやWeb BLE APIを活用したいという場合にアドオン追加で対応する方法について紹介しました。他にも組み込み系に便利なアドオンについて紹介したいと思います。

MINISFORUM BD795i SEにはWiFiカード接続用に空きスロットが1つあります。有線LANを現状、使用しているため、WiFiカード以外の拡張カードが使えるか、仮組してテストしてみました。

速度はUSB2.0ですが、普通に使用できることが分かりました。USBメモリ等で動作確認できました。

SATAコネクタとマザーボード上のコネクタが干渉するため、延長ケーブルで延長する必要があります。また、ドライブを駆動させるための電源は供給されないため、別途、電源から延長する必要があります。SATAコネクタの0番ポートに接続することでドライブを認識しました。ただし、今回の環境によるものなのか、1番ポートだけに接続した場合は読込が非常に遅く、正常に動作しませんでした。2つSATAドライブを持ち合わせていなかったため、詳細な確認はできませんでしたが、1つのドライブを使用する際は0番ポートに接続する必要がある？ようです。

今回試したUSBカードやSATAカードでいずれも動作確認ができました。ただし、いずれの場合でも標準のWiFiカード用の固定具がそのまま使用できないため、カード自体の固定方法が難しく、固定方法に工夫が必要です。MINISFORUM BD795i SE Mini-ITXはSATA等が搭載されておらず、USBポートもそこまで多くないため、WiFiカード用の空きスロットを活用して拡張する選択肢はありだと思いました。

SPU0410LR5Hが生産完了となった背景として、24年9月にコンシューマー向けMEMSマイクの製造から撤退し、Syntiantに売却したため、製品ラインアップの整理を行ったと思われます。

SPU0410LR5HとSPV0142LR5Hの違いを下記にまとめました。

デフォルトではファンのブラケットをヒートシンクに固定する際、GPU側か、M2SSD側の上下どちらかで固定する仕様です。ただし、どちらの場合であっても残念ながらmini-ITXの背面ファンと干渉します。

干渉の対策として、推奨できる取り付け方法ではありませんが、ファンブラケットを両側使用せずにパネル側の左ブラケットを右側に取り付けてメモリ側にファン位置をずらすことで干渉を回避しました。ファンの固定は標準の4か所から2か所になり、片持ち状態となってしまいますが、ファンはGPUほど重いものではないため、固定としては十分かと思いました。

メモリ側にファン位置をずらすデメリットとして、

・ファン固定が2か所となり片持ち状態

・CPU側のメモリアクセスが不便、アクセスのためにはブラケットを外す必要

・中心がずれることによる放熱性に影響？

等が挙げられますが、通常使用ではそれほど影響なく、背面ファンがないよりもメリットは大きいと思いました。

写真では分かりずらいですが、厚さ約20mmの背面ファンとCPUファンで隙間が約8mm程度あり、干渉せず取り付けすることができました。

また、ファンのコントロールはBIOS上の設定から行うことが可能ですが、設定のたびに立ち上げ直すのは非常に面倒です。専用ソフトウェアの代わりにFanControlが対応しているということが分かり、使ってみました。ファンの種類が自動的にリスト化され、個々に制御できることが分かりました。

ちょっとしたハーネス設計であればエクセルやパワーポイント等のポンチ絵で何とかやりくりできると思いますが、ハーネスの種類が多い場合やピン数が多い場合、後々の設計資産として残す場合にはやはり専用のソフトウェアやツールを活用した方が長い目で見るとよいです。特に設計情報(オス/メス、AWG、難燃性、結線図、コネクタピンアサイン等)の漏れは後々大きな問題になりがちです。

ただ、ハーネス専門としている業者でもない限りは高価な費用を払ってまで専用のソフトウェアを導入するに至らず、導入したとしてもライセンス所有者しかファイルを編集できないとなると使い勝手が悪いです。それらを考慮してOSSやWeb上で設計可能なハーネス設計ソフトウェアについて紹介したいと思います。

・QElectroTech

インストール型のOSSでハーネスの他、制御盤等の設計に特化したソフトウェアです。

・Wirely

オンライン型のハーネス設計ソフトウェアです。

比較的に簡単にハーネス設計することが可能です。

見た目からWireViz+設計支援というイメージです。

ハーネス設計ソフトウェアというよりもMicrosoft Visioのオンライン版というイメージです。

きれいにフローチャートといった図形を記述する場合に活用できそうです。

比較的理解しやすいyml形式で記述することで設計可能なハーネス設計ソフトウェアです。

接続図やBOM等を生成することが可能です。

クラウド等を使用せずにハーネス設計支援を実現するのであれば、QElectroTechかWireViz。

クラウドを活用してハーネス設計支援を実現するのであれば、Wirely。

という感じでしょうか。

トライアル期間がある有償ハーネス設計ソフトウェアを含めればさらに幾つかありますが、ツールを使いこなすノウハウも必要になってくるため、上記のようなツールが比較的導入の敷居が低く、使い勝手もそこまで難しくないため、活用しやすいと思いました。タイミングがあれば、個々のツールの使い方等にも別の機会で触れてみたいと思います。

少し離れた場所にボタン入力やLED出力等のIO信号を複数、届ける場合、そのまま配線すると信号線に応じて多くの配線が必要となります。そこまで信号の速さが求められない場合は信号線をシリアル化して省配線化できれば理想的です。一般的にはマイコンやFPGA等でシフトレジスタを制御しますが、使用前にマイコンへ書き込みが必要だったり、マイコン周辺の回路も必要になってくるため、より多くの部品が必要になります。

今回はシフトレジスタとロジックICを組み合わせて、マイコンを使用せずにIO信号をシリアル化して、省配線化する方法を紹介したいと思います。この方法で片方向の同期で2線(同期クロック、データ)、双方向の同期で3線(同期クロック、データx2)の信号線で実現することができます。例えば8bitシフトレジスタを使用する場合、片方向で8線から2線で済むことになります。双方向でも16線から3線で済みます。本数が多い場合や伝送距離が長い場合は省配線による効果が非常に大きくなります。

主な使用部品としては、入力ICにSN74HC165、出力ICにSN74HC595、クロック生成にLMC555、ラッチ用カウンタに74HC4017、クロックとラッチの論理変換に2bitのインバータSN74LVC2G04の部品で実現できます。

設計のポイントとしては下記の3点です。

①シフトタイミング

②ラッチ/ロードタイミング

③リセット後のクロック

①シフトタイミング

　SN74HC165、SN74HC595ともに立ち上がりでシフトするため、同じクロックを使用すると信号変化のタイミングと同時に信号を取り込んでしまうため、タイミングによってデータがずれてしまう問題が生じます。そのため、片方のクロックを反転させることで半周期タイミングをずらすことでシフト後の安定したタイミングで信号の取込みを行うようにしています。具体的にはSN74HC165にメインクロック(MCLK)、SN74HC595にメインクロックの反転クロック(/MCLK)を与えています。

②ラッチ/ロードタイミング

　74HC4017でメインクロック(MCLK)をカウントさせて8つ目にサブクロック(SCLK)として同期信号を生成させてます。9つ目の信号をリセット信号に接続することでカウンタリセットさせています。また、SN74HC165はHighでシフト、ローでパラレル信号の取込みなので同期信号の反転信号(/SCLK)を与えています。さらにそのままでは同期信号立ち上がりとメインクロックの立ち上がりがほぼ同じタイミングのため、タイミングによって先にシフトしてしまいます。その対策としてSN74HC165の反転同期信号(/SCLK)をCRフィルタで遅延させた信号(/SCLK_Delay)を使用することでロード後の最初のクロック(MCLK 0番目)を無視させています。

③リセット後のクロック

　配線数を減らすためにメイン基板とサブ基板でメインクロック(MCLK)の配線をなくしています。その代わりにサブ基板では同期クロック(SCLK)からメインクロック(MCLK)を生成しています。LMC555やNE555にはリセット入力があるため、そのピンに反転同期クロック(/SCLK)を与えることでリセットさせてメインクロック(MCLK)を同期させています。ただし、LMC555やNE555の注意点としてリセット直後と通常の繰り返しでチャージ電圧が異なる仕様のため、リセット直後のみ周期が遅くなる問題があります。この問題に対して、リセット直後も通常の周期と一致させるためにリセット時にトランジスタを介して予めコンデンサをチャージさせることで回避しています。

実際に基板を起こして作ってみた基板がこちらです。

使い方としては下記のように電源を供給して、メイン基板とサブ基板に通信線と電源線を配線することで各IOが同期します。実際に省配線で入力8bit+出力8bitのIOを同期させることができました。

マイコンやFPGAを使用せずにシフトレジスタを活用するのは一般的には想定された使い方ではないと思いますが、シフトレジスタとロジックIC、タイマICのみで簡易リモートIOを実現することができました。今回はユーザ入力を想定しているため、メインクロックは8kHz、同期速度は1kHz程度で安定性や伝送距離(数m程度)を重視した設計にしています。今回の回路図やガーバー等はこちらで公開しています。

NE555のリセットピンを電源にプルアップさせて連続的なクロックとして使用する場合には大きな問題になりませんが、NE555のリセットピンを活用して、必要なときのみクロックを出力する場合、NE555の回路そのままでは意図した動作を実現できません。具体的にはリセット直後はタイミングキャパシタは0Vからチャージされ、それ以降は1/3VCCからチャージされます。そのため、クロックの周期がリセット直後だけ長くなってしまう問題があります。

このような問題に対して、タイミングキャパシタに回路を別途、追加することで解決する方法が提案されています。

追加する回路としてはタイミングキャパシタにPNPトランジスタと1/3VCCとなるように抵抗を追加(下図黄色丸部分)します。

この回路によって、リセット中(RST 0V)はPNPトランジスタがONして、タイミングキャパシタが抵抗分圧によって1/3VCCにチャージされます。リセット解放後(RST VCC)でPNPトランジスタがOFFし、最初から1/3VCCでチャージを開始するため、リセット直後であっても一定のクロック周期のクロックを出力することが可能となります。

最近のICでは至れり尽くせりな仕様で意図通りに動くことが多いですが...昔からあるICの場合は互換性を重視している等の理由で応用的な回路では意図しない動作をすることが多々あるため、要注意です。

一般的にマイコン等のGPIOを拡張する際にはI2C接続のGPIO Expanderを多く使用することが多いと思います。また、出力もしくは入力の片方しか使用しない場合はパラレル入力用のシフトレジスタSN74HC165やパラレル出力のSN74HC595等を活用することが多いと思います。入出力混在の場合はI2C GPIO Expander、入力のみor出力のみといった片方向の場合はシフトレジスタという使い分が多いようです。

I2C接続のGPIO ExpanderやSN74HC165、SN74HC595等は少なくとも2本、現実的にはINTピンやロードピンを含めて3本以上の通信線が必要となります。少しでも占有ピン数を減らして出力を拡張する手段として、シフトレジスタとコンデンサや抵抗を駆使して1wire化する方法もありますが、信号タイミングの依存が強くなります。比較的タイミングに依存せず、容易に拡張可能なICとしてSN74LV8153があります。

SN74LV8153は一言でいえばUARTから8bitの出力ポートを操作できるExpander/シフトレジスタです。UARTのTX通信線、1本のみで8bitの出力操作を実現できます(必要に応じて別途Resetピンを接続してください)。また、3ビットのアドレス設定ピンを備えており、1本の通信ラインで最大8つのSN74LV8153を接続可能です。この場合、最大64bitまで拡張することができます。その他の特徴として、自動的にボーレートを検出するため、ボーレート設定が不要という特徴があります。

SN74LV8153の主な仕様は下記の通りです

・信号電源3V～5.5V

・出力電源3V~13.2V

・出力電流最大40mA

・UARTフォーマット互換

・ボーレート2kbps~24kbps

　※UARTであれば9600bpsや19200bps等の設定が汎用的

データシートに記載されていないものの、UARTから送信する際の仕様

・UARTデータ長8bit

・スタートビット 1bit

・ストップビット 1bit

・パリティビット None

・スタートビット後は必ずHighレベルである必要があるため、データは0bXXXXAAA1となる

　※XXXXは出力のデータ、AAAは出力先ICのアドレス

・8つの出力を制御するため、1byteデータ0bXXXXAAA1を2回連続で送信する

PCにUSB-UARTSerial変換アダプタを接続して、SN74LV8153を操作した際、UARTはLSB Firstであることを失念しており、なかなか思い通りに動作せず、時間を要してしまいました。具体的には「スタートビット後は必ずHighレベルにする」ということは理解していましたが、MSB Firstだと思い込んでしまい、0b1AAAXXXXのデータを送信して、全く動作しないと悩んでしまいました。

UARTからデータを送信する際は下記のように「スタートビット後は必ずHighレベルにする」ため、UARTはLSB Firstなので0x80を加えるのでなく、0x01を加えるプログラムになります。

bytes[0] = 0x01 + (addr<<1) +((io_state&0x0F)<<4);
bytes[1] = 0x01 + (addr<<1) +((io_state&0xF0)<<0);

WebSerialAPIを活用して、ブラウザからUSB-UARTSerialを介してSN74LV8153を操作可能なツール、SN74LV8153 Test Toolを作成してみました。

EdgeやChorme等のWebSerialAPIに対応したブラウザからSN74LV8153の出力ポートを簡単に操作できます。

UARTはLSB Firstであることを失念して時間を要してしまいましたが、1本の通信線で出力を拡張できるSN74LV8153は非常に便利で面白いと思いました。出力だけでなく、入力に対応したICも出てくれば更に汎用性が上がって面白いですが、入力の場合はボーレート設定等が必要になるため、そのようなICは開発、販売されていないようです。少し残念です。

SN74LV8153の通信ボーレートが最大24kbpsでそこまで高速ではないため、高速な出力用途には向いていませんが、そこまで速度を要しない7SegやLED等の出力だけを拡張したいという場合には非常に便利だと思いました。今後、更に活用してみたいと思います。