ロボットを作る上で欠かせないのがセンサーです。センサーにはいろいろな種類がありますが、マイコンでセンサー入力を行う場合にはまずその出力方式が気になるところです。


＜センサー素子＞

　センサーを探して、目的のものを見つけた場合、そのセンサーが素子の状態だったとします。この時はマイコンと直接接続できるものなのかを確認する必要があります。ほとんどの場合は出力が微弱なためにマイコンとは直接接続することはできず、オペアンプなどで増幅回路を構成して信号を増幅する必要があります。


＜シリアル出力の素子＞

　センサーがモジュール（基板上に回路が形成されている状態）の場合、シリアル出力されているというセンサーがあります。この場合、動作電圧が同じであれば直接UARTに接続することができます。A33Fの場合はUART1はUSBシリアルでPC接続用となっておりますが、UART2が自由に使えます。但し、一般的に入手できるセンサーモジュールは５V電源が多いので気をつけてください。A33Fは３．３V動作です。この場合、３．３Vと５Vを変換するICがありますので、それを使って電圧変換回路を作る必要があります。
　尚、浅草ギ研のロボット神経システムシリーズと、赤外線距離センサーIR600はシリアル出力のセンサーですが、これらも動作電圧は５VなのでA33Fには直結できません。


＜パルス出力型のセンサー＞

　センサーによっては出力がパルス状になっており、そのパルス幅の長さがセンサー値というものもあります。浅草ギ研では２軸加速度センサーや超音波距離センサーがそれにあたります。しかし、これらも動作電圧は５Vなので直接接続することはできません。
　パルス出力型のセンサーの値を読む場合は、接続した端子の電圧のHIGH/LOWを調べて、状態をTIMERで計測して値を求めます。

＜電圧出力型のセンサー＞

　センサーによっては出力が電圧値になっているものもあります。浅草ギ研では３軸加速度センサー、感圧センサー、近接センサーがそれにあたります。これらは３．３Vでも動作するのでA33Fに直結可能です。また、市販のその他のセンサーでも動作電圧が５Vであってもセンサー出力が３V以下しか出ないものなどもあり、そのようなものも接続できます。
　 裏ワザですが、距離計測にシャープのGP2D12がよく使われています。これは安価だし、ロボットパーツを売っているところなら大抵のショップで入手できます。これは本当は５V動作なのですが３．３Vでも動きます。


　電圧を測定する場合にはマイコンのADC（アナログデジタルコンバータ）機能を使います。

　マイコンなどで、電圧変化のアナログ量をデジタル数値に変えることをAD変換と言います。AD変換を行う装置をADC（ADコンバータ）と言います。性能の目安としては

　１）サンプリングレート　：　どれだけの速度（間隔）で電圧を数値に変えられるか。一瞬では測定できない。

　２）分解能 　：　どれだけ小さい単位の電圧変化を測定できるか。

　があります。
　

　上限値と加減値の電圧は設定できますが、通常は動作電圧の範囲内になります。

　電圧を数値に変換する方法にはいろいろあります。下に代表的な方式と性能を示します。dsPIC33FのADCは逐次（ちくじ）比較型です。

　サンプリングレートは、例えば１MHｚという仕様だったら、１秒間に１００万回の測定ができるということになります。上のグラフで、測定間隔が狭いということは元の波形をより忠実に再現できる、つまりアナログ量をより忠実に取得（サンプリング）できるということになります。
　１MHｚということは１ｕＳに相当するので、１個のデータを取る場合は１ｕＳしかかからないということになります。例えば二重積分型で１ｋＨｚのサンプリングレートのＡＤＣだと、１個のデータを取るのに最低１ｍＳはかかることになります。

＜Ａ３３ＦのＡＤＣポート＞

　センサーを接続する場合、センサーモジュールにも電源を供給する必要がありますが、Ａ３３Ｆでは７００ｍＡまでの電流を外部に供給できる３．３Ｖ電源が付いており、各センサー端子の周りに電源端子も配置していますので、センサー側が３．３Ｖ動作するものであればＡ３３Ｆから電源を供給することができます。

　

　端子は２ｍｍピッチですので２ｍｍピッチのピンヘッダを取り付けられます（浅草ギ研で販売）。また、浅草ギ研の電圧出力型センサーモジュールのいくつかは同じく２ｍｍピッチなので、専用のセンサーケーブル（浅草ギ研で販売）を使って接続することができます。また、京商のロボット「マノイ」のオプションのセンサー類も同じ端子配列、同じピン間隔になっていますので直接接続することができます。


＜dsPIC33FのADCの仕様＞

　dsPIC33FシリーズのADCは、「１０ｂｉｔ、１ＭＨｚ」か「１２ｂｉｔ、５００ｋＨｚ」のどちらかを設定で選択できます。その中でもＡ３３Ｆで使用しているdsPIC33FJ256GP710はＡＤＣの入力端子が３２個付いています。

　dsPIC33Fの使い方は、基本的にはdsPIC30Fリファレンスマニュアルの１７章と１８章に書いてあります。これは30Fシリーズ用なので、33F固有の情報はdsPIC33Fデータシートの２２章を参照します。

　構造は次のようになっています。他のマイコンも大体同じですが、端子は沢山ありますがAD変換を実際に行う回路は１つか２つ（ｄｓPIC33Fは２つ）しかなく、測定する度に端子を切り替えてから測定します。つまり、測定の時は端子を指定する作業が必要になります。
　VREF+とVREF-端子は測定電圧の上限と下限を設定します。ここにつないだ電圧の間を１２ｂｉｔもしくは１０ｂｉｔに分解します。この端子は使わなくてもＯＫで、設定により３．３Ｖ電源電圧を上限に、０Ｖを下限に、又は各VREF+やVREF-と組み合わせて設定することができます。
　

　ADCはADC1とADC２の２つがあり、それぞれ３２個の端子につながっています。AD変換は時間がかかるのと、設定を変えて測定した場合もあるので、２つあった方が便利です。２つは同じように使えます。


＜ADC用のSFR(特殊レジスタ）＞

　ADC1とADC２がありますが、どちらも使い方は同じです。以下、ADC1の場合を説明しますが、ADC2も使う場合は番号だけ変えると同じ動きになります。

　ADCを使うのに次のSFRがあります。


　ADPCFGHとADPCFGL　：　３２個ある端子のどれをADCとして使うかを設定。

　AD1CON1　：　ADCの基本的な設定

　AS1CON2　：　電圧の上限下限設定とDMA関連設定

　AD1CON3　：　サンプルビット設定

　AD1CON4　：　DMAのバッファ設定

　ADC1BUF０〜Ｆ　：　測定した結果が入るレジスタです。バッファ（一時記憶装置）として１６個あります。

　AD1CHS0　：　測定する端子を選択します。

　AD1CSSHとAD1CSSL　：　一度に複数の端子を読む（スキャン）場合、どの端子をスキャンするかを選択。


　DMAは、ダイレクトメモリーアクセスという機能で、CPUの動作とは別に特殊機能で得た値をメモリに書き込むもので、ADCとDMAを組み合わせればCPUを止めることなく、取得した値がメモリに蓄積されていきます。これは例えば音声データやセンサーデータのログを高速に取るときに有効です。（ここでは詳しく説明しませんのでデータシートを参照して下さい。）


流れとしては、

　１） あらかじめADPCFGとAD1CONで設定をしておき、
　２） 読むときにAD1CHS0で端子を指定し、
　３） 開始（AD1CONのSAMPビットを１にするとスタート）させ、
　４） 終了を待つ（AD1CONのDONEビットが０になると終了）

という手順になります。



以下、各レジスタの説明をしますが、ADCはSFRが沢山あってややこしいので、次の節のサンプルプログラムを見た方が必要な情報だけあってわかりやすいかもしれません。 　


　こまかい話は飛ばして、サンプルプログラムを見る方はこちらへ


＜ADPCFGHとADPCFGL＞

　これは各端子をADCの入力端子として使う場合は１にします。例えばAN0端子をADC入力とする場合はAD1PCFGLのPCFG0ビットを０にします。初期設定は全部０になっていますので、逆にADCとして使いたくない場合は１に設定する必要があります。




＜AD1CON1＞

　ADCの設定をします。



　以下、重要な部分を説明します。

　ADON　：　dsPIC33Fの１でADC機能を有効にします。ADPCFGで設定しただけでは有効になりません。

　FORM　：　結果の数値の形式を設定します。詳しくはdsPIC30Fリファレンスの１７．１７に書いてあります。

　SSRC　：　ADCのサンプリングはある条件により開始されますが、その条件を設定します。特になにも無い場合は１１１の自動変換開始がよいと思います。

　SAMP　：　ここを１にすると測定開始を指示した状態になります。実際の測定開始はSSRCで設定した条件に合ったときに開始されます。

　DONE　：　サンプリングが終了するとここが１になります。ということで、SAMPを１にした後、DONEが１になるまで待つ必要があります。サンプリングが終了したらバッファアに値が書き込まれます。DONEは自動で０にならないので、終了後にここをに０を書き込む必要があります。


＜AS1CON2＞



　VCFG　：　表のような設定になります。A33Fの場合、AVDDは３．３V、AVSSは０Vです。ADREF+が上限の電圧値、ADREF−が下限の電圧値となります。

　CHPS　：　 １０ｂｉｔモードの場合には、３つあるサンプルホールドを使えます。サンプルホールドは測定した瞬間のアナログ電圧をその電圧値のまま保持するものです。１２ｂｉｔ動作ではこれは使えません。詳しくはdsPIC30Fリファレンスの１７．４に記述がありますのでそちらを参照してください。

　その他はDMAに関する設定などです。詳しくはｄｓPIC30Fリファレンスを参照してください。


＜AD1CON3＞



　ADCは動作した瞬間に電圧が数値に変換されるのではなく、ある手順をふんで変換され、それには数クロック必要となります。変換には大きく「サンプル期間」と「変換期間」に別れ、動作スピードなどによって何クロック使うかや変換のタイミングを決める必要があります。これについてはｄｓPIC30Fリファレンスの１７．４、１７．７、１７．１２、１７．１５、１７．１６に記述があります。かなり長いので、読むのが面倒な場合は次の節のサンプルプログラムが標準的な設定ですのでそちらを参照してください。なお、リファレンスで動作クロックを表すFcyというのが出てきますが、A33Fで今までのページで説明した設定の場合（内蔵クロックで最速）はFcy=36.85になります。次の節のプログラム例の設定も同じです。


＜AD1CON4＞



　DMAを使う場合のバッファの大きさを設定します。詳しくはdsPIC30Fリファレンスを参照願います。


＜ADC1BUF０〜F＞

　変換結果が格納されるレジスタで、ここから結果を読むことができます。これらのレジスタは読み取り専用となっています。
　通常、結果はADCBUF0に格納されますが、複数同時サンプリングや、逐次サンプリング（一回の命令で数個をいっぺんに読む）の場合はその他のADBUF1〜Fに値が一時格納されます。詳しくはdsPIC30Fリファレンスの１７章（１７．５を中心にかいてある）を参照してください。


＜AD1CHS0＞



　ADC１は３２個の端子に対して１個しかありませんので、CH0SAで読み取る端子を設定します。その他ですが、端子を切り替える装置をマルチプレクサと言い、MUXで表しますが、どうやらMUXがAとBと２つあるようです。しかし、そのあたりの詳しい記述が見当たらないのでよくわかりませんでした。とりあえず初期設定でOKです。（おそらく、ｄｓPIC33FとｄｓPIC30Fではそのあたりの名称などが違うが、細かい動作については30Fの方にかいてあるので検索できなかったのだと思います。両方をすみずみまで読めばわかるかも）


＜AD1CSSHとAD1CSSL＞



　一回の指令で複数の端子を読み取るときに、どの端子を読み取るかを設定するものです。

　実際に指定した端子の電圧を読んでみるプログラムを作ってみました。（右クリックで対象を保存）

　ADC.c

　テストとして、浅草ギ研で販売している感圧センサーＡＳ−ＦＯＲＣＥを接続しました。３．３Ｖ動作で、コネクタもＡ３３Ｆと同じなので、センサーケーブルで直結できます。
　

　
　今回は、ADCで読み込んだ値をUSBシリアルを経由してPCのハイパーターミナルに表示させてみました。PCへの表示についてはこちらのページにやり方が書いてあります。printf関数を使っていますので、プロジェクトを作った後、「Project」->「Build Optins」->「Project」->「MPLAB LINK30」　の Heap size を設定するのを忘れないで下さい（適当に128とか）。

　ではプログラムの説明をします。

　今回は設定が複雑なので、設定部を関数にしました。まず、行３７，３８で全端子をADCにしています。ここは初期設定が全部０なので不要ですが一応参考のために入れておきました。あとはコメントの通りです。設定としてはスキャンなしで一回に一つの端子から読み取るもので、１２ｂｉｔモードになっています。よって結果の数値はＡＤＣＢＵＦ０に１２ｂｉｔ値で入ります（０〜４０９５の範囲）。
　行４３、４４はサンプルタイムの設定ですが、とくになにもなければこの設定でＯＫです。気になる方はdsPIC30Fリファレンスの１７章を読んでください。
　

　ADC読み込みも関数化しました。引数に端子番号(AN0なら０）を入れると読み取った値を返します。まず、行５３のようにAD1CHS0レジスタで読み取る端子を指定します。その後、AD1CON１のSAMPを１にすると自動的に読み取りが開始されます。読み取りには数クロックかかります。読み取りが終了するとAD1CON１レジスタのDONEが１になりますのでそれを行５５のように監視しています。この部分は本当はDONEが１にならなかったら暴走となるので本当はタイムアウトを設けた方がよいのですが、実験中は一度もコケたことはありませんでした。DONEは終了しても自動的にクリア（０）にならないので、行５６のように０を書き込んでクリアする必要があります。結果はADC1BUF0に書き込まれます。
　

　メインはこのようになっています。上の関数を呼び出しているだけなのであまりむずかしくないかと。
　

　実行結果はこのように値が１秒おきに表示されました。感圧センサーAS−FORCEは、通常時に電源の半分の値の電圧を出力させ、センサー部を押すと電圧が下がっていきます。２０３０の値は、１２ｂｉｔの最大値４０９５の約半分です。（ゴム部があるので多少圧力が加わっている）
　

　圧力を加えるとこのように値が下がっていきます。
　
　

　という感じでセンサーの電圧出力を数値に変えることができます。

　次はシリアル通信について説明します。


２００７年１２月５日