【４】ハードウエアが先かプログラムが先か・・・密接した関係
さて、今回からハードウエアの話に入リます。
前々回で述べましたが、このホームページではＦｌａｓｈ ＰＩＣという架空のトレーニングボードを使って勉強していきます。ボードは２種類あり〝ツールボックス〟の〝ボードの変更ボタン〟を押すと切り替わります。初めはボード１を利用しましよう。左がボード１の写真です。
ボード１が実際どのようなカタチをしているのか、試しにＦｌａｓｈ ＰＩＣのページへ飛んでご覧になってみてください。マウスでイロイロなボタンを押しても結構です。まだプログラムが入っていませんので何も動きませんし、壊れることもありませんので安心してください。（笑）
Ｆｌａｓｈ ＰＩＣ のページを開く
これ以降 Ｆｌａｓｈ ＰＩＣに載っているＰＩＣ特有のことを指すときはＦＰＩＣと書き、ＭｉｃｒｏＣｈｉｐ社のＰＩＣとＦＰＩＣに共通の事柄は単にＰＩＣと書きます。
基板の左に歯車が付いた妙なカタチをした〝ちきどん２号〟というマシンが配線されていますが、これはモータで歯車を廻してイロイロなタイミングでマイクロスイッチをＯＮ／ＯＦＦさせて、プログラムの勉強に利用しようというだけのものです。 余談１
基板上にはこのモーターをＯＮ／ＯＦＦさせるリレーや８個のＬＥＤと１個の７セグメント表示器と１個の汎用ボタン、リセットボタンなどが搭載されています。これらはすべて基板上のＦＰＩＣのプログラムでコントロール可能です。
基板の話が出たのでそろそろ本題に入ります。
基板に載っているＦＰＩＣは１６Ｆ９９９という架空の型番が付いています。ピン配置は異なりますが基本的な部分はミッドレンジＰＩＣ（１６Ｆ８４、８７７）とほぼ一緒です。しかし割り込み機能やウォッチドッグタイマーなどは搭載されていません。あくまでも基本的なモノだけです。
ＰＩＣが正常に動くためには最低限の条件があります。
① 配線が正しく確実にされていること。いも半田は論外
② 供給電源が安定していて規定値内であること
③ 入出力端子の加電圧が正しい範囲内であること
④ 安定したクロックが供給されていること
⑤ リセット信号が正しく規定内で入っていること
などが上げられます。余談２
プログラムが完全なものであっても上の条件から外れると誤動作を起こします。そして最悪なのは、ビギナーな人ほどこの条件を軽んじている傾向があります。組込み制御は先に述べましたが、ハードとソフトが一体となっていなければいけません。これからプログラムをしようという時に、ハードの最低限の条件がクリアされないと先に進むことができません。
Ｆｌａｓｈ ＰＩＣのボードは架空のトレーニングボードですので、パソコンが正しくインターネットに接続されていて、Ｆｌａｓｈプレーヤーがインストールされている限りこの条件はクリアされます。それも無料で・・・（笑）
Ｗｉｎｄｏｗｓ以外のパソコンやｉＥ以外のブラウザでの動作保障はされていませんのでご了承ください。また、Ｆｌａｓｈ ＰＩＣ自体にバグがあった場合この条件から外れます。不運にもバグに遭遇された方はそのときの状況を詳しくお知らせください。早急に修正致します。
ハードの準備ができました。これでプログラムだけに専念できます。と言いたいところですが、ファームウエアを作るにはＰＩＣの構造とＦｌａｓｈ ＰＩＣのボード１の回路を詳しく知る必要があります。
ＰＩＣの構造については後閑先生のホームページのＰＩＣとは？で詳しく説明されていますのでそちらに譲るとして、ここではＦｌａｓｈ ＰＩＣを中心にＰＩＣについて最低限のことと、慣れた人でも陥りやすい事柄について説明していきます。
まずは左の欄からボード１の回路図を出して眺めて見てください。前回の回路図の説明の通りに描かれていますので、とりあえず、解らない部分があるかもしれませんがご覧ください。
組み込み制御をする上で最初にすることは、ハードウエアの入出力がどうなっているか、あるいはどうするかを把握することです。〝入力〟〝出力〟とは字の如く、何らかの情報が入ってくることと出すことです。何が入ったり出たりするのかといいますと、デジタル回路ですので電圧の高い状態と低い状態の二つの情報です。ここでは高い状態を〝Ｈ（ハイ）〟あるいは〝１〟、低い状態を〝 Ｌ （ロー）〟あるいは〝０〟と表現を統一します。
ＰＩＣには、この出したり入れたりするピンが何本も準備されています。まずはＦｌａｓｈＰＩＣで使用されているデバイス、ＦＰＩＣ １６Ｆ９９９のピン配置をご覧ください。左の絵です。
Ｖｄｄと書かれたピンは電源供給ピンで５Ｖに接続します。１番ピンはリセット端子で抵抗を通って５Ｖに接続されています。途中にあるボタンがリセットボタンで基板上に〝ＲＥＳＥＴ〟と書かれたボタンがそうです。マウスでそれを押すとＧＮＤに接続されて、リセット端子が電圧の低い状態＝ Ｌ になり、ボタンを離すと、ＧＮＤから離れますので元の 〝Ｈ〟 状態になります。電源５Ｖとのあいだに４.７ＫΩが接続されているのは、ボタンを押した時にＧＮＤと電源がショート状態になるのを防ぐのとボタンを放した時に、リセット端子を５Ｖに吊り上げておくためのものです。これをプルアップ抵抗といいます。１４番ピンのＧＮＤ端子に０.１μＦのコンデンサが付いていますが、これがパスコンです。パスコンはＩＣ自身が出すノイズを弱める働きをします。
Ｈ や Ｌ を出したり入れたりという話が出てきましたが、左図の赤色のピン（端子）がその部分です。〝ＲＡ０～ＲＡ６〟〝ＲＢ０～ＲＢ７〟〝ＲＣ０～ＲＣ７〟とグループ分けした名前が付いています。これらはポートと呼ばれ、８本ずつのグループになっています。ポートＡは７本しかありませんが、これはＦＰＩＣを２８ピンデバイスにしたために、ピンが足りなくなったので、ポートＡだけ犠牲になってもらっただけです（笑）実際のＰＩＣでもポートＡは他のポートより少ないです。
ポートの中で Ｈ や Ｌ を出すピンを出力ピンと呼び、 Ｈ や Ｌ に変化するのを読み取るピンを入力ピンと呼びます。ＰＩＣはプログラムで、すべてのポートのピンを入力ピンにも出力ピンにも設定することが可能ですので、自由な回路が組めることになります。
Ｆｌａｓｈ ＰＩＣのボード１の場合はＲＡ０～ＲＡ５〟を入力ピンに、他はすべて出力ピンに設定するような回路が組まれています。
それではまず、出力ピンの話から・・・。
プログラムで Ｈ を出すと、どれぐらいの電圧が出るのか？ですが、ほぼＰＩＣの電源電圧まで上がります。ただしここから電流を出せば出すほど Ｈ の電圧は低くなっていきます。
Ｌ の時はどれぐらい低いのか？ ほぼ０Ｖ近くまで下がります。０Ｖですので電流が流れ込んできます。流し込めば流し込むほど、こんどは逆に電圧が上昇します。そのため限度を超えると Ｈ なのか Ｌ なのかの区別がつかない状態にまでなります。したがって出し入れする電流値には限界があります。
では、どれぐらいの電流を出し入れできるかという話に進みます。出す場合は吐き出し電流とかソース電流と呼んでいて、ピン１本に２５ｍＡまでです。入れる場合は、流れ込み電流とかシンク電流と呼び、同じく１本あたり２５ｍＡまでです。ポートＡ，Ｂ，Ｃ全部でピンは２３本あるので、２３×２５ｍＡ＝５７５ｍＡも流せると喜んではいけません。ＰＩＣでは同時に吐き出し、流し込みできる電流の合計値は２００ｍＡまでです。２３本中８本までしか２５ｍＡの電流を同時に出し入れすることしかできません。（８×２５ｍＡ＝２００ｍＡ）
ＦＰＩＣでもそのあたりを考慮して回路を作ってあります。本当は何アンペア流しても壊れませんが・・・。（笑）
まずはＬＥＤ回路とクロック回路の部分を抜き出しましたのでご覧ください。
ＦＰＩＣはクロック端子〝ＯＳＣ１（２７番）〟〝ＯＳＣ２（２６番）〟からクロックを与えます。秋月電子通商で売られているセラロックという３本足のパーツを使うとコンデンサ（２０ｐ）は必要なく便利です。セラロックの真ん中の足をＧＮＤに接続して両端を〝ＯＳＣ１〟〝ＯＳＣ２〟に繋ぐだけです。順番はありません。
ポートＢとポートＣにそれぞれ８個、合計１６個のＬＥＤが接続されています。ちなみにポートＢには７セグメント表示器が付いていますが、これは単純にＬＥＤを〝８〟の字に並べてあるだけで、８個のＬＥＤが接続されていると思ってください。〝８〟の字の場合７個で済みますので残りの１個は〝ＤＰ〟と呼ばれる小数点のＬＥＤになります。
ボード１ではプログラムの時に理解しやすいように、 〝Ｈ〟 にするとＬＥＤが点灯するように回路を組みました。そのためＬＥＤの先はＧＮＤになっています。
これらのＬＥＤにはすべて４７０Ωが配線されています。これで電流の流れすぎを防いでいます。ＬＥＤは１０ｍＡほど流すときれいに光りますのでそれに合わせて抵抗値を計算しました。
ＦＰＩＣでは赤色のＬＥＤを想定してますので、１０ｍＡ流すとＬＥＤの両端は約１．５Ｖになります。それをＶＦ（直流順電圧）と呼んでいますが、５Ｖで光らすには、残り５－１.５＝３.５Ｖを抵抗で消費しなければいません。流れる電流は抵抗もＬＥＤも同じなので（直列接続ですから）、オームの法則 Ｒ＝Ｅ÷Ｉより３.５÷０．０１＝３５０Ωとなります。市販している抵抗で近い値は３３０Ωか４７０Ωですので、安全な方を取って一段上の４７０Ωにしました。
これでポートＢ、Ｃすべてのピンを 〝Ｈ〟 にしても、最大で１６０ｍＡの電流が流れてＬＥＤが点灯します。実際は４７０Ωですのでもっと少ない電流になるはずです。抵抗は１／６Ｗ（０.１７Ｗ）でもじゅうぶんですがＦＰＩＣでは１／４Ｗの絵になっています。
ところで、なぜこんなに何本もの抵抗がいるのでしょうか。１６個のＬＥＤを点灯するのに１６本も使っています。それなら、ＧＮＤにまとまっているところで１本の抵抗を入れて省略すればよいように思えますが、そう簡単な話にはなりません。１本の抵抗にまとめると、点灯しているＬＥＤの数によって、流れる電流値が変化します。そうすると抵抗の両端の電圧も変化して、結果的にＬＥＤの明るさが、点灯しているＬＥＤの数によって変化してしまいます。そのためＬＥＤ１本に抵抗１本となっています。
次にポートＡを見ていきましょう。全体回路図からポートＡの部分だけを抜き出しました。
ポートＡの６番ピン〝ＲＡ６〟は後で述べますのでここでは飛ばします。
〝ＲＡ０～ＲＡ４〟の接続先はすべてスイッチ類です。〝ＲＡ５〟は空きです。どこにも接続されていません。〝ＲＡ１～ＲＡ４〟は途中コネクターを通って〝ちきどん〟のスイッチへ配線されています。そしてスイッチの片側はＧＮＤへ繋がっています。〝ＲＡ０〟はコネクタへは接続されずに部品名〝ＳＷ１〟の片側へ。そのボタンの片側も同じようにＧＮＤに接続されています。どのスイッチ、ボタンともに押されるとＧＮＤに繋がるようになっています。接続先がスイッチ類ということなので、ポートＡの〝ＲＡ０～ＲＡ４〟までを入力ピンとして使っています。ここを 〝Ｈ〟 か 〝Ｌ〟 の状態にしてやるとＰＩＣは読み取ってくれます。
入力ピンに共通しているのは、途中に〝４.７Ｋ９Ｐ〟と書かれた抵抗アレイに繋がっていることです。抵抗アレイは【 回路図を描こう 】の項目で触れましたが中身は抵抗です。抵抗のすべての片側はまとめて１ピンから出ています。残りの片側が２～９番ピンになっています。ということは〝ＲＡ０～ＲＡ５〟はすべて抵抗４.７ＫΩを通って電源に接続されていることになります。（抵抗アレイの２，３番ピンが電源に接続されているのは空きピン処理のためです）
ＰＩＣでは入力になっているピンからは何も出ません。入力ピンですので、ここに 〝Ｈ〟 か 〝Ｌ〟 を与えてやらなければいけません。ようするにスイッチを押すと 〝Ｌ〟 、放している時に 〝Ｈ〟 になればよいわけです。スイッチを押すとＧＮＤに繋がりますので 〝Ｌ〟 になることは分ります。放すと 〝Ｈ〟 になるのはなぜでしょう。それが先ほどの抵抗です。 〝Ｈ〟 の状態を作るために１本ずつ抵抗を通して電源に接続していたのです。このように入力ピンを強制的に 〝Ｈ〟 に吊り上げる抵抗をプルアップ抵抗と呼びます。通常は１０ＫΩ～１ＫΩを使います。リセット端子に使っていた抵抗と同じ目的です。
スイッチから手を離した状態ではＧＮＤから離ていますので、〝ＲＡ０～ＲＡ４〟は電源５Ｖから抵抗４.７ＫΩを通して、ほぼ５Ｖの 〝Ｈ〟 状態になります。スイッチが押されるとスイッチ側でＧＮＤに接続されますので、ピン部分もほぼＧＮＤと同じ電圧、０Ｖになります。ＰＩＣは 〝Ｌ〟 と認識します。この時、抵抗が無ければショートして大電流が流れますが、電流は４.７ＫΩを通りますので１ピンあたり約１ｍＡだけで済みます。抵抗値を上げると消費電流を抑えられますが、 〝Ｌ〟 から 〝Ｈ〟 に上がる時間が鈍くなっていきます。
最後に残っていた〝ＲＡ６〟のピンの説明をします。
〝ＲＡ６〟は抵抗を通って〝ＰＮＰ〟タイプのトランジスタ〝２ＳＡ１０１５〟のベースに繋がっています。このトランジスタはアナログ回路の増幅器に使っているのではありません。デジタルの世界でのトランジスタは、ほとんどの場合、スイッチング回路になります。簡単に説明するとオーディオアンプのボリューム０とボリューム最大の二つの状態にしてＯＮとＯＦＦを作っているようなものです。
トランジスタのコレクタの先はオムロン製の〝Ｇ５Ｖ１〟というＤＣ５Ｖ用のリレーのコイルに繋がっています。〝ＲＡ６〟を出力ピンに設定して、〝Ｌ〟にすると、トランジスタのエミッタからベース抵抗４.７ＫΩを通って〝ＲＡ６〟に電流が流れます。ベース電流が流れるとエミッタとコレクタがボリューム最大状態のＯＮになり、コレクタから電流が吐き出されてきます。このようなスイッチング回路を吐き出し型（ソースドライブ）と呼びます。電流が流れてリレーのコイルが電磁石になると、内蔵されている接点が左側へくっ付きます。
このような接点構造を持つリレーを〝Ｃ接点〟とか〝トランスファー接点〟と呼びます。ちなみにこのオムロン製の〝Ｇ５Ｖ１〟は、サイコロぐらいの大きさで、コイルに５Ｖを流しますと約１０～１５ｍＡで接点がＯＮになります。接点に流せる電流は３０Ｖ１Ａほどですが、使いやすいリレーで多用します。よく似たリレーで、秋月電子通商で売られている５Ｖリレー〝Ｙ１４Ｈ－１Ｃ－５ＤＳ〟というのがありますが、カタチもピン配置もオムロンの〝Ｇ５Ｖ１〟と同じです。カタログでは５Ｖで３０ｍＡと書かれていますので置き換えが可能のように思いますが、７０ｍＡ以上流さないとＯＮにならないものが混ざっています。気を付けないとオムロンでは動いたのに〝Ｙ１４Ｈ－１Ｃ－５ＤＳ〟では動かないというトラブルが起きることがあります。
接点が左にくっ付いてＧＮＤと繋がるとラベル名〝ＣＯＭ〟のラインがＧＮＤに落ちます。〝ＣＯＭ〟は〝ちきどん〟のモーター回路に入っており、 〝Ｌ〟 になるとモーターが回転を始めるようになっています。つまり、〝ＲＡ６〟を 〝Ｌ〟 にすると〝ちきどん〟が回転して、 〝Ｈ〟 にすると停止するようになります。
リレーのコイルの両端にダイオードが逆向き（カソードが電源側に向いている）に接続されています。理由はリレーのコイルをＯＦＦにすると逆起電力というのが起きます。これはサージ電圧とも呼ばれて、コイルに掛けられた電圧の５～１０倍以上の逆向きの高電圧が発生します。この起電力を逆向きに接続したダイオードでショートさせて消す役目を持っています。普段は逆向きなので何の問題もありません。
コイル類に電圧を与えておいて、いきなりＯＦＦにすると必ずこのサージが起きます。ですのでリレーなどを使う時はこのダイオードを忘れずに付けましよう。つけずに作動させると、高圧のパルスがＰＩＣに飛び込んで誤作動を起こしたり、スイッチングしているトランジスタやＰＩＣ自身が焼損してしまいます。
トランジスタ〝２ＳＡ１０１５〟のベース端子から１０ＫΩが５Ｖへ接続されていますが、これは誤動作防止用です。
どのような誤動作が起きるのかといいますと、ＰＩＣは電源が入った直後のポートはすべて入力ピンに設定されてスタートします。処理数やクロック数にもよりますが、初期設定でＲＡ６を出力設定にするまでのあいだ、数ｍＳ期間はＲＡ６が何も出力されない（入力ピンですので）非常に不安定な状態ですので、いきなりトランジスタがＯＮになることがあります。接続先が〝ちきどん〟ですから、そうなっても問題はありませんが、そうではない制御の場合は大変危険です。そこで、出力ピンに設定されるまでのあいだ、この１０ＫΩが 〝Ｈ〟 に吊り上げているのです。これも例のプルアップ抵抗です。
補足：入力ピン（ＲＡ０～ＲＡ５）に接続している抵抗アレイの２、３番が空きになっているので、この１０ＫΩの抵抗を使わずに、抵抗アレイの方を使っても同じです。その方が部品コストも下がりますし、組み立てコストも安くなりますね。
今回は〝２ＳＡ１０１５〟を使って 〝Ｌ〟 でリレーをＯＮさせていましたが、 〝Ｈ〟 でリレーをＯＮさせる方法もあります。その時は〝ＮＰＮ〟タイプの〝２ＳＣ１８１５〟が使えます。
制御は逆で、ＲＡ６を 〝Ｈ〟 にするとベース電流が流れてトランジスタがＯＮになり、〝Ｌ〟 にするとＯＦＦになります。このようなスイッチング回路を吸い込み型（シンクドライブ）と呼びます。誤動作防止用の抵抗も通常ＯＦＦにするためにＧＮＤへ繋がれてます。この場合は〝プルダウン〟抵抗と呼びます。
リレーが小型の１０～５０ｍＡでＯＮ／ＯＦＦするものを動かしていましたので、小さなトランジスタで済んでいましたが、もっと大型のリレーを動かす時はトランジスタのスイッチング回路に工夫が必要になってきます。このあたりはもっと進んでから説明します。
これで、Ｆｌａｓｈ ＰＩＣのボード１の説明はだいたい終わりました。次回は少しプログラム側の話。これも避けては通れない、２進数とビットの説明に入ります。
【４】ハードウエアが先かプログラムが先か…密接した関係 ---（ここまで）
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