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Arduino で XIAOプログラミング
電子工作

プログラミング

2020年8月29日土曜日

HDDサンダーで回転数をXIAOで読み取るまでできた。その際に取得できた ArduinoでXIAOのプログラム、ライブラリでは解決できず、自分でチップのレジスタを操作するようなプログラムを書くために必要な知識をいくつか紹介する。

ソースの在り処

seeeduino XIAOのarduionoのソースは web上では https://github.com/Seeed-Studio/ArduinoCore-samd にある。割と見やすいので、よく利用する。ただし tools以下のファイルは無い。 PC上では、arduinoのboardマネージャで導入した場合, C:\Users\ユーザ名\AppData\Local\Arduino15\packages\Seeeduino ディレクトリ以下に配置される。

Exploreで開けるのも面倒な場所なので C:\Users\ユーザ名\AppData\Local\Arduino15\packages フォルダを exploreで「クイックアクセスにピン留め」しておくと各種CPUのarduinoのソースに簡単にアクセスでき便利になる。

ついでに cygwinのchereコマンドで context menuに「Cygwin here」を追加しておくと、 cygwinを開き

$ find . -type f | xargs grep SOME_TEXT
$ find . -name '*.h' | xargs grep SOME_TEXT

などとして、任意の文字列の出現箇所を調べられるので便利。

プログラミングの雰囲気を掴む

チップのレジスタを操作するようなプログラムをいきなり書くのは敷居が高いので、まずは簡単な機能のソースを見て雰囲気を掴もう。

GPIOの操作の仕方は digitalWrite()のソースを見る。 wiring_digital.c にある。 PWMの使い方は wiring_analog.c のanalogWrite()を見る。

プログラムを詳しく読む

雰囲気だけではプログラムは書けないので、真面目に XIAOで扱われているマイコン、 ATSAMD21G18に取り組もう。データシートにざっと目を通す。

マイコンの各ブロックの制御レジスタは型定義が

C:\Users\ユーザ名\AppData\Local\Arduino15\packages\Seeeduino\tools\CMSIS-Atmel\1.2.1\CMSIS-Atmel\CMSIS\Device\ATMEL\samd21\include\component

にブロックごとに有る。

実態の定義は以下に有る。

C:\Users\ユーザ名\AppData\Local\Arduino15\packages\Seeeduino\tools\CMSIS-Atmel\1.2.1\CMSIS-Atmel\CMSIS\Device\ATMEL\samd21\include\samd21g18a.h

これらを参照しながら読むとプログラムの詳細な動きが理解できる。

PWMの周期を変更

前回の報告で述べた通り、 HDDモータを制御するPWM信号の周波数は DRV11873の仕様で 7～100kHzの範囲内である必要がある。　Seeeduino XIAOの analogWrite()のPWMの周波数は実測で730Hzぐらいなので仕様に合わない。

これを修正すべく wiring_analog.c を読んだところ以下のことが判明した。

カウンタは16bitモードで動作
48MHzのクロックを2¹⁶=65536で分周し、 48,000,000Hz ÷ 65536 = 732.421875 Hzが出力されている。
カウントの最大値 0xffff を設定している箇所がある。

カウントの設定値を4800に変更することで、 PWMの周波数を 48MHz ÷ 4800 = 10KHz にすることができた。

信号の周期を計測

BLDCモータドライバDRV11873はモータ駆動の1サイクルに同期したパルスがFG端子から出力される。この何サイクルかがモータの1回転に対応するので、この信号の周期を計測することでモータの回転数を取得することができる。 ATSAMD21G18のカウンタでFG信号の周期を計測したので、その方法を説明する。

カウンタで信号の周期を計測するための構成を図に示す。外部ポートPA4から入力された信号を EIC(外部割込)に接続しイベントを発生させ、 EVSYS(イベントシステム)でタイマーに接続し周期を計測する。タイマーはTC4とTC5を合わせて 32bitタイマーとして計測する。クロックはシステムクロックの48Mhzを使用するので最大 2³²[count]÷ 48M[count/秒] = 89.47[秒]周期まで計測可能となる。

特徴的なのがEVSYS(イベントシステム)モジュール。これは各周辺ブロック間で信号をやり取りするバスで

12チャンネル
イベント・ジェネレータ74個
イベント・ユーザ29個

となっている。他のマイコン、例えばSTM32だとタイマーやADやDAなどの制御レジスタにこれを1にすると入力がTimer-nのX信号が接続されます、というようなbitがいろいろある。謎のブロック間ネットワークである。 EVSYSはそれを一般化しているわけで好意がもてる。しかし、残念なことに制御レジスタのアドレス空間をケチっているので使いにくい。

EICの使い方は WInterrupt.cにある attachInterrupt()のソースを見ると大体わかる。

EVSYSは使い方が分かりづらい。 arduinoでは全く使われていない。ハマったのは以下の2点。

クロックを供給する必要がある
レジスタを部分アクセスすると失敗する

クロックの供給というのは、コードで言うと以下の部分。

PM->APBCMASK.bit.EVSYS_ = 1;

STM32とかでプログラムしていると当たり前の部分だが、 Arduinoのソースを読んでいてもあまり出てこないので気が付かなかった。調べると wiring.cで結構初期化されている。

Datasheetの 11章 Peripherals Configuration Summaryが参考になった。

レジスタを部分アクセスすると失敗するというのは次の部分。まず、正常に動かないコード。

EVSYS->USER.bit.CHANNEL = 2;
EVSYS->USER.bit.USER  = 0x13;

正常に動くコード。

EVSYS->USER.reg = EVSYS_USER_USER(0x13) | EVSYS_USER_CHANNEL(2);

このコードはイベント・チャンネル1 (CHANNEL-1の値)の出力を TC(USER 0x13)に接続しているが、上側のコードではDMAC CH0(USER 0x00)にも接続されてしまい、 DMAC側でイベントを受け入れる設定になっていないのでエラーとなり、イベント・チャンネル1が動かなる模様。正常に動くコードにたどり着くまで、かなり時間がかかった。

割込処理

これでタイマーに信号の周期が記録されるようになるが、プログラムの処理上、周期計測後に割込を発生させる。割込の処理も WInterrupt.cが参考になる。

タイマーのレジスタで割込を有効化し、以下のコードでNVIC(割り込みコントローラを設定する)

IRQn_Type v = TC4_IRQn;
NVIC_DisableIRQ(v);
NVIC_ClearPendingIRQ(v);
NVIC_SetPriority(v, 0);
NVIC_EnableIRQ(v);

cortex_handlers.c にデフォルトの割込ハンドラが定義されている。 TC4関連だけ抜き出すと以下のようになる。

/* Default empty handler */
void Dummy_Handler(void)
{
#if defined DEBUG
  __BKPT(3);
#endif
  for (;;) { }
}
...
void TC4_Handler ( void ) __attribute__ ((weak, alias "Dummy_Handler")));
...

デフォルトのTC4割込ハンドラは Dummpy_Handlerという無限ループのハンドラが設定されている。 weak属性が付いているので、 TC4_Handlerという関数を定義すれば呼び出される。

void TC4_Handler(void){
  uint8_t flags = TCx->COUNT32.INTFLAG.reg;
  if (flags & TC_INTFLAG_MC0) {
    ... 割込処理 ...
  }
  // 割込フラグクリア
  TCx->COUNT32.INTFLAG.reg = 0xff;
}

VSCodeのエラーを消す

VSCodeでArduinoのソースを編集していると intellisenseで大量のエラーが表示される。今までは無視してきたのだが、今回エラーを消すべく設定を調べてみた。

intellisenseの設定はプロジェクトのフォルダーの .vscode/c_cpp_properties.json を用意すれば良いのだが、自分で最初から書くのは大変なので VSCodeにArduino拡張を利用する。拡張機能タブでArduinoを検索すると 3つぐらい見つかるので、その中の Microsoft製のものをインストールする。

インストール後、コマンドパレットで Arduino:initializeを実行。 Boardで　Seeduino XIAOを選択すると .vscode/c_cpp_properties.json が生成されるが、まだ膨大にエラーが表示される。

修正が必要なのは defines と includePath。 definesの参考になるのが Seeeduino Arduinoの boards.txtファイル。これに

seeed_XIAO_m0.build.extra_flags= -DARDUINO_SAMD_ZERO -D__SAMD21__ -D__SAMD21G18A__ -DARM_MATH_CM0PLUS -DSEEED_XIAO_M0 {build.usb_flags}

という行がある。あと、足りないincludePathを追加し以下の設定でエラーが無くなった。

{
    "env": {
        "users": "C:/Users/ユーザ名",
        "ulib": "${users}/Documents/Arduino/libraries",
        "seeeduinoDir": "${users}/AppData/Local/Arduino15/packages/Seeeduino",
        "samd": "${seeeduinoDir}/hardware/samd/1.7.6"
    },
    "configurations": [
        {
            "name": "Win32",
            "includePath": [
                "${ulib}/Adafruit_SSD1306",
                "${ulib}/Adafruit_GFX_Library",
                "${samd}/cores/arduino",
                "${samd}/libraries/SPI",
                "${samd}/libraries/WIRE",
                "${samd}/libraries/Adafruit_ZeroDMA",
                "${samd}/libraries/TimerTCC0",
                "${samd}/variants/XIAO_m0",
                "${samd}/**",
                "${seeeduinoDir}/tools/**"
            ],
            "forcedInclude": [
                "${samd}/cores/arduino/Arduino.h"
            ],
            "intelliSenseMode": "gcc-x64",
            "compilerPath": "${seeeduinoDir}/tools/arm-none-eabi-gcc/7-2017q4/bin/arm-none-eabi-gcc.exe",
            "cStandard": "c11",
            "cppStandard": "c++17",
            "defines": [
                "ARDUINO=10813",
                "ARDUINO_SAMD_ZERO",
                "__SAMD21__",
                "__SAMD21G18A__",
                "ARM_MATH_CM0_PLUS",
                "SEEED_XIAO_M0"
            ]
        }
    ],
    "version": 4
}

includePathで、 ** でサブディレクトリとして指定してあるのに個別のディレクトリを指定している部分がある。これは個別指定の方を削除するとエラーになってしまうので仕方なく入れている。

intelliSenseModeとcompilerpathもデフォルトから変えている。これはデフォルトのままだと pinMode()が未定義というようなエラーが出るためで、原因はわからない。 intellisenseは謎が多い。

次は

HDDの出力をPWMで制御し、回転数も検出できるようになった。次は、フィードバックをかけて定速制御を行えばいいのだが、フィードバック・ゲインをどう決めるかが問題。

いつもなら、実験しながら適当に決めてしまうのだが、ちゃんと特性を計測し、極配置とかで設計してやるのも面白いかもとか思っている。どうなることか。

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