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H8/3687FとCMOS-EYEのバス接続及びシリアル接続
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はじめに
ここでは H8/Tinyの中の、H8/3687Fを搭載したマイコンボード BTC065（ベストテクノロジー製） と浅草ギ研製CMOSイメージセンサーボードCMOS-EYEとの接続例を紹介します。
※このページで紹介する内容はあくまでも一例です。個別の作成のご相談ご質問はお答えできませんのでご了承下さい。このページと同じ内容についてのご質問についてはロボット掲示板にてお願いいたします。
用語について
このページで説明する用語について解説します。
CMOS-EYEはマイコンと接続することが前提となっております。以下の説明で「マイコン」と書いたところは、CMOS-EYEに接続するユーザー側のマイコンを示します。マイコン側の端子名は極力、そのマイコンのデータシートに書かれている名前を記載しています。
マイコンチップが載ったCPUボードを「マイコンボード」とします。マイコンボードの端子名は極力、そのマイコンボードの取扱説明に書かれている名称を記載しています。
CMOS-EYE上にも制御用のマイコンが搭載されていますが、これは「CMOS-EYE上のマイコン」とします。（バス接続時には特にこの「CMOS-EYE上のマイコン」を意識する必要はありません。）
CMOS-EYEからはいろいろな端子が出ています。アドレスを指定する端子の集まりを「アドレスバス」とします。又、データを指定したり受けたりする端子の集まりを「データバス」とします。
CMOS-EYEとH8/3687F
＜CMOS-EYEについて＞
CMOS-EYEは携帯電話用のCMOSカメラに、画像取り込み回路とSRAMを取り付けたもので、手持ちのマイコンなどと接続して小型の画像処理システムを構築できます。ロボットなどに搭載してスタンドアローンの自立型ロボットシステムを作るのに最適です。CMOS-EYEについては「CMOS-EYEの紹介・仕様・使い方」（以下「CMOS-EYEの紹介ページ」とする）のページに詳しく掲載しています。このCMOS-EYEの紹介ページはマニュアルも兼ねているので、使用前によく読んでください。特に、このページを読む前に、「ハードウェア仕様」「ピン配列」「バス接続での使い方」の節をよく読んでください。
＜なぜ３６８７Fなのか？＞
CMOS-EYEはシリアル命令による内蔵プログラムを使った画像処理も行えますが、本領を発揮するのはバス接続で高速に画像処理を行うパターンです。H8/Tinyの場合は、雑誌の付録にもなったH8/3694Fのマイコンボードがよく販売されていますが、バス接続を行うにはIO数が足りません。H8/3687Fであれば、CMOS-EYEとバス接続及びシリアル接続を行ってもまだ１０本ほどIOの空きがありますので今回はこれを使ってみます。
また、H8/3687Fはデータシートを見る限りでは３．３Vでも駆動できるようです。これについては下で実験してみます。
＜BTC-065について＞
自分でチップの状態からマイコンシステムを作れる方も最近は（2006.8現在）増えてきましたが、多くの電子工作ホビーストやロボットビルダーは市販のマイコンボードを購入して使用していると思います。今回、H8/3687Fを選んだ理由としてはベストテクノロジー社（以下ベステクと略す）からマイコンボードが出ているということもありました。ベステクでは、マイコンの開発経験が少ない方でも比較的簡単にマイコンプログラミングを始められる「GDL」という開発ツールが無償で提供されています。メーカーのC言語のマイコン開発環境が数万円〜数十万円もするこのご時世で、￥４，６００で、簡易とは言え、C言語開発環境が無償で使えるというのも魅力的です。
＜GDL以外の開発環境を使う方、3687F以外のH8/Tinyを使う方＞
アセンブラで開発できる方やGCCなどをインターネット上から取ってきて自分で開発環境を構築できる方、8687F以外のH8/Tinyを使う予定の方は、以降（CMOS-EYEとH8/3687F関連の別なページを含む）はプログラムロジックの参考程度に読んでいってください。個別のサンプルプログラムは作っておりませんのでご了承下さい。
３．３VでBTC０６５が動くか？のテスト
まず、スペックだけで検討してみます。
３６８７Fは３．３Vでも動きますが、BTC０６５全体では３．３V動作をさせると２つの問題が起きる可能性があります。
1つ目。BTC065にはH8/3687F以外にもいくつかのICが搭載されていますが、この中で、プログラムポートの電圧変換に使われているMAX3313というICのスペックが３．３V対応にはなっていませんでした。ということで問題が起きるとすると、「プログラムが書けなくなる」という可能性があります。
２つ目。H8/3687Fのデータシートを見ると、電源電圧が低くなると動作クロックも低くなるというものがありますが、BTC065上のクロックICは２０MHｚなので、「オーバークロックで動作しない」かもしれないという可能性があります。
下はデータシートの電気特性の抜粋です。これを見ると、３．３V動作時は１０MHｚ程度までしか動かせないことになります。
と、２つの懸念材料がありましたが、結論を言うと、BTC065に３．３Vを入れても問題なく動きました。
テストの結果、プログラム書き込み時に２０回に１回ぐらいの確率でプログラムが上手く書き込めない場合がありましたが、BTC０６５の電源を切り入りすると書き込めるようになります。クロックオーバーは、高速にSRAMにアクセスするプログラムを書いてテストしましたが、プログラムがBTC０６５にきちんと転送されれば問題なく動作していました。
浅草ギ研からはCMOS-EYEのオプションで５V変換ボードも出す予定ですが、ここでは、オーバースペックではありますが、３．３V動作でCMOS-EYEと直で動かすことにします。
尚、あくまでも仕様外の使い方なので、実際のロボットなどへの搭載時に５V変換をするかどうかは各自で判断してください。
H8/3687Fの端子の検討
＜バス接続時に必要なIO（ここではUARTのRXとTXもつなぎます）＞
B8/3687Fのデータシートと、BTC065マイコンボードの取説にある回路図を見ながら、CMOS-EYEと接続する端子を検討します。
とりあえず、データシートを見ながら以下のように端子を割り振ってみました。
＜端子割り付け案（3687Fデータシートの概要の内部ブロック図より）＞
TEST端子ですが、これはCMOS-EYEにはありません。後のページで、画像処理にかかった時間を計測するために利用することにした端子で、処理の前後にこの端子をHIGH/LOWさせてオシロスコープでその波形を観測して時間を測定しようと思います。（このページではそこまでいきません）。
BTC０６５ではプログラムをダウンロードするのにシリアルポートを１つ使用していますが、H8/3687Fはシリアルポートが２個ありますので空いている１つはCMOS-EYEと接続してシリアル命令も使えるように考えました。
H8/3687Fには入出力IO端子が４５本、入力IO端子が８本あります。ほとんどのIOはCMOS-EYEへの出力なので、入力IOは使いません（使えません）が、この入力専用IOはADCも兼ねているので、CMOS-EYEを接続してもADCが８本空くことになります。
入出力IOのうち４つはシリアル通信で使いますので４１本が自由に使えることになります。CMOS-EYEはバス接続時にIOを３５本使いますので問題なく全ての端子を接続することができます。
実際の接続
下は、BTC０６５の取扱説明に書いてある回路図の抜粋です。CN1とCN2につなぐことになります。
CMOS-EYEからは３．３V電源出力が出ています。これは７００ｍAぐらいまで供給できますが、BTC０６５はH8Tiny以外に小さいICが３個しかありませんので十分駆動できます。BTC０６５は本来５V動作のマイコンボードですが、この辺りは次の節で説明します。
今回はテストなので、CMOS-EYEとBTC065にヘッダピンを取り付けて、その間を一本づつコネクタで接続しました。その様子は下のようになります。写真の黄色い線のコネクタは２５５０コネクタというのを使ってます（浅草ギ研で販売してます）。このケーブルの作り方はこのページでやってますので参照してください。一本づつのコネクタだと配線を変えられるので実験に最適です。（使いまわしもできます。ブレッドボードの逆ですね。）
線はAWG24相当の太さのものを使ってますが、実際にロボットに組み込むときにはもっと細い線＆小さいコネクタを使用した方が良いでしょう。
一応、板金パーツの図面も載せておきます。ご参考まで。サーボホーン用の穴をあけてありますので、ヨー軸方向にカメラを回転させることもできる、というものです（が実際に使うかどうかは？）。CMOS-EYEは２φ５ｍｍ長のスペーサとM2L8ネジあたりで止めています。これらはWILCOで買えます。
センサ部の取り付け金具はCMOS-EYEに付属しているものを使いました。
サンプルプログラム
操作の基本であるSRAMへのアクセスと、シリアル命令を送ってみるプログラムを作りました。全ソースプログラムはこちら
CMOS-EYE_H83687.c （右クリックで対象を保存）
これは、
１） 起動時にCMOS-EYEのSRAMの先頭アドレスに数値を書きこんでみる
２）書き込んだ数値を読み出して、違う番地に書き込んでみる
３）その後、１０秒ごとにシャッターを切る（シリアル命令による）
という流れになります。この、読み書きと、シリアル命令が実装できれば、CMOS-EYEを使いこなすことができます。
以下、詳細を説明します。
サンプルプログラム−ヘッダーファイル
GDLに添付されているヘッダーファイル ３６８７．ｈ を使っています。この中で、ＩＯへアクセスする構造体などが記述されていますので、どのようにしてＩＯにアクセスするかはこのファイルの中をテキストエディタなどで見て、理解します。
ヘッダーファイルの一部
実際には、この下の方で、実際のハードウェアのＩＯアドレスが割り振られていて、st_io構造体はＩＯという名称で０ｘＦＦＤ０番地に割り振られているのがわかります。
ここから、例えば特殊レジスタＰＵＣＲ１にアクセスしたい場合は
バイトアクセスの場合−＞IO.PUCR1.BYTE
ビットアクセスでビット２にアクセスの場合−＞IO.PUCR1.BIT.B2
というようになります。
このヘッダーファイルは、使っている環境によって違う場合もあるので、ＧＤＬ以外の環境でプログラムをする場合はその環境のヘッダーファイルを確認して下さい。
ということで、とりあえず、３６８７．ｈをインクルードします。
サンプルプログラム−名称定義
ＣＭＯＳ−ＥＹＥとアクセスする場合に、IO.xxx.xxxという名称ではわかりづらいので、ＣＭＯＳ−ＥＹＥの端子の名称で、Ｈ８側の端子を定義しました。
アドレスは１９本必要なので、ポート１，３，７の３つをあわせて１９本にしています。これらを使ったアドレッシングについては次で説明します。
ＩＯ方向ですが、データバスだけは双方向の通信を行うので、入力と出力を切り替える必要があります。よって、入出力の方向を設定する、ポート６のポートコントロールレジスタにＤＡＴＡ＿ＤＩＲという名称をつけてます。
各ポートの、ポートコントロールレジスタは ０で入力 １で出力 となっています。初期値は０入力になっています。データシートを見なくてもわかるように、ここでは ＩＮＰＵＴ ＯＵＴＰＵＴ の名称をつけてます。よって、たとえば、データバスの方向を変えたい場合は
DATA_DIR = ALL_OUTPUT;
のように記述できます。
サンプルプログラム−アドレスセット
ＣＭＯＳ−ＥＹＥにアドレスを指定するのに、３つのポートを使っており、アドレッシングは少々複雑ですので関数化しました。
ポート１，３，７の空いている端子を活用していますが、割付イメージは次のようになります。
アドレスを指定する変数の型ですが、型は８ビットの倍数単位なので、８，１６，３２ビットの型がありますが、１９ビット以上は３２ビットになりますので ｌｏｎｇ
ｌｏｎｇ 型になります。このアドレスを分解して各ポートに対応させたのが下の関数になります。０ｘ．．．はビットを抜き出すためのマスクで、１とアンドを取ることでマスクをかけています。
各ポートは８ビット長なので、ポートに代入する際には、一応 (unsigned char)を先頭につけて８ビットに型変換しています。
※これはあくまでも一例です。今回の配線の場合にはこのようになります。ポートのビット抜けが無いようなマイコン（ＡＶＲや、１ポートが１６ビット長のマイコンとか）の場合はもう少し簡単になるでしょう。
サンプルプログラム−ＩＯ初期化
ＩＯ初期化部分です。各端子のHIGH/LOWの初期値と、入出力の方向を指定します。
−−−アドレスバス設定−−−
アドレスバスは、H8->CMOS-EYEへアドレス指定しか行わないので、全て出力に設定します。
−−−データバス設定−−−
データバスは入出力切替で使いますが、ICの端子同士が出力同士になると破損する可能性があるので、とりあえず入力に設定しておきます。動作中は、CMOS-EYEのSRAMの中身を読み出すときに、CMOS−EYE側のデータバスが出力になりますので、その時にこちら側が出力にならないように注意して下さい。
−−−シリアルポート設定−−−
H8のIO端子の中には、汎用IO機能の他に特殊な機能がある端子もあります。２つあるシリアル端子はどちらも使いますので、これらを特殊機能に設定します。この部分は、データシートの「I／Oポート」の部分と「シリアルコミュニケーションインターフェイス３」の部分両方を読む必要があります。（詳しくはデータシートにて確認）
−−−SCI3_2のシリアル設定−−−
GDLのヘッダファイルでは、２つあるシリアル通信機能は SCI3 と SCI3_2 という名称がつけられています。SCI3の方はプログラムをダウンロードするときに、BTC065の内蔵ダウンロードプログラムで自動的に設定されます。SCI3_2の方は今回、CMOS-EYEと通信しますのでユーザー側で設定します。設定内容はソースのコメントを参照してください。設定方法と設定値についてはデータシートの「シリアルコミュニケーションインターフェイス３」の部分に詳しく書いてあります。
−−−コントロール線−−−
ポート５はSRAMコントロール（CE,WE,OE)と、CMOS-EYEへのモード指定で使用しますので、全部出力に設定します。PMR5はポート５の特殊機能を使うかどうかの設定ですが、初期値で全部０（汎用IO指定）になってますので、この設定は無くてもかまいません（念のため入れた）。
ポート２はその他のCMOS-EYEの端子につないでいます。BSYだけはCMOS-EYEがビジーかどうかの判定をする線、つまりCMOS−EYE側は出力なので、こちら側は入力になっています。P21/RXDはプログラム用のシリアル受信端子で、プログラムダウンロード時にBTC065の内蔵ダウンロードプログラムで自動設定されますので設定は不要ですが、ここでは一応、RXを入力に設定してます。
−−−タイマ設定−−−
ウェイト用にタイマVを使っています。この部分はベステクのサンプルプログラムそのままです。
−−−初期値−−−
初期値では、
１）アドレスを０番地指定
２）モードを８０ｘ６０白黒
３）SRAMコントロールを全て無効
４）シャッターを待機状態
にしています。
シャッター端子のSTですが、これは撮影時以外はHIGHにしておかないとCMOS−EYEが撮影しっぱなし（常にBUSY状態でLEDが点きっぱなし）になるので、初期値は必ずHIGHにして下さい。
モード指定やSRAMコントロールについては「CMOS-EYEの紹介」のページで説明しています。
サンプルプログラム−起動部分
では設定関係の部分を作ったところで、ｍａｉｎ関数を作り、実際にＣＭＯＳ−ＥＹＥを動かしてみましょう。始めにＩＯ設定などをして、ＣＭＯＳ−ＥＹＥに初期状態を決めますが、ここでポイントは、ＣＭＯＳ−ＥＹＥの起動に３秒ほど時間がかかるということです。ここは重要です。よって、マイコン側のプログラムを起動する時に、ｍａｉｎ関数の冒頭で３秒ほどウェイトをかける必要があります。これを行わないと、特に、モード設定などがおかしな値になるので注意して下さい。（３秒以降にモード設定をしなおせばきちんと設定はされますが。）
下はそのｍａｉｎの冒頭部分と、ウェイト関数です。ウェイト関数はベステクのサンプルそのままです。
行１９０で、起動直後に３秒待っています。
Ｍ０−Ｍ２による撮影モード指定ですが、設定を変更した後は設定が反映されるまで１００ｍＳほどかかりますので余裕をみて２００ｍＳウェイトをかけます。
サンプルプログラム−SRAMへのデータ書き込み
まずはＳＲＡＭにアクセスしてなんらかのデータを書き込んで見ます。
ＣＭＯＳ−ＥＹＥ上のＳＲＡＭのアクセス方法についてはＣＭＯＳ−ＥＹＥの紹介ページで詳しく説明しています。
おおまかな流れとしては、
１）ＳＲＡＭを有効にする
２）書き込むアドレスを指定（出力）する
３）データバスに値を出力する
４）ＷＥをＬＯＷにする
５）ＷＥをＨＩＧＨに戻す
という手順になります。
上のプログラムをｍａｉｎの中に入れて実行すると、ＳＲＡＭの先頭から１１個のアドレスに０，１，２，３．．．の数値が記録されます。
ＳＲＡＭの中身を確認するのに、浅草ギ研で配布している ＣＭＯＳ−Ｖｉｅｗｅｒ を使うのが良いでしょう。このソフトはＰＣとＣＭＯＳ−ＥＹＥをつないで、シリアル命令を出したり、ＳＲＡＭの中身を表示したりできます。
実際にＣＭＯＳ−ＥＹＥ Ｖｉｅｗｅｒ で見たのが下の写真になります。
「データ読み取り」ボタンを押すと、アドレスとデータ長で指定した範囲を表示します。意図したとおりの値になっています。
サンプルプログラム−SRAMへのデータ読み込み
次にＳＲＡＭの内容を読み込んで見ます。読み込んだデータは、再度、ＳＲＡＭの中に書き込んで、ＣＭＯＳ−ＥＹＥ Ｖｉｅｗｅｒで確認してみます。
読み込みの流れは
１）ＳＲＡＭを有効にする
２）読み込むアドレスを指定（出力）する
３）ＯＥをＬＯＷにする
４）データバスに表れるデータを読み込む
５）ＯＥをＨＩＧＨに戻す
という手順になります。
今回は読み書きするので、データバスのＩＯ方向も切替ます。プログラムは次の通り、
下は ＣＭＯＳ−ＥＹＥ Ｖｉｅｗｅｒ でＳＲＡＭの内容を確認した結果です。
読み込んだデータを、＋１０した結果が２０番地以降に記録されていました。
サンプルプログラム−シリアル通信による命令実行
次に、シリアル通信でＣＭＯＳ−ＥＹＥ内蔵プログラムを実行させてみます。一番簡単な命令に「撮影」命令があります。これを送るとＣＭＯＳ−ＥＹＥは撮影を行います。シリアル通信命令については「CMOS-EYEの紹介」のページで説明しています。
データの送信ですが、Ｈ８の場合はＴＤＲレジスタにデータをセットすると自動的にそのデータがＴＸ端子から送信されます。ポイントですが、送信修了前にデータをセットしないように、送信データをセットしても良いか確認してからセットする必要があります。これはＳＳＲレジスタのＴＤＲＥビットを監視します。この辺りはデータシートに書いてありますので詳しくはそちらを参照願います。
ということで、１０秒おきに撮影を行った結果が次のようになりました。
送信データの配列が１７個になってますが、ＣＭＯＳ−ＥＹＥへの送信命令は最大でこのぐらいの長さのもありますので一応１７個で作っています。この命令送信部分は冗長的なデータが多いので関数化した方が良いでしょう。
撮影時にはＣＭＯＳ−ＥＹＥがＢＵＳＹになってＬＥＤが点灯しますので、この直後にＣＭＯＳ−ＥＹＥ Ｖｉｅｗｅｒで画面を確認したのが次の写真になります。
画面の設定は、起動時のところで設定しているように Ｍ０＝ＬＯＷ Ｍ１＝ＬＯＷ Ｍ２＝ＨＩＧＨ としているので８０ｘ６０カラーで撮影されます。（画面モードの設定値は「CMOS-EYEの紹介」のページで説明しています。）
＜撮影風景（カーテンを閉め切った室内）＞
＜Ｖｉｅｗｅｒで確認した結果＞
このようにきちんと命令が実行されて、撮影がされました。
この画面ですが、全体的に青っぽくなっています。これは、カメラのオートホワイトバランスが効いている為、画面に赤が多いと、赤が補正されて弱くなるためです。シリアル命令ではオートホワイトバランスをオフにすることもできますので、カラーの判定処理の場合にはオフにした方が良いでしょう。
自動露出も効いているので、少々暗い環境でも画像ははっきりと撮影できます。（ダイナミックレンジが有効に活用される）
このようなことからも、バス接続とシリアル接続両方で接続するのが望ましいです。
おわりに
このように、Ｈ８ＴｉｎｙでもＩＯが足りて入ればＣＭＯＳ−ＥＹＥを動かすことができます。次は色判定について解説します。
２００６年８月１７日
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