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2013年11月22日 (金)

RaspberryPiの電源制御装置の回路図とソース公開

そう簡単には動いてくれない(11/13/2013)
 Tiny13を使ったRaspberryPiの電源制御装置は、前回の記事を書いているとき実はまだ完全には動いていなかった。あのときは苦労の末何とか動き始めていたので、そう書いたのだが、実機とのテストではさらに予想もしなかったドラマ(試練)が待っていた。

 実装版は、まず最初からプログラマー(AVRSP)がTiny13を認めないのである。ブレッドボードでは動いているので、配線間違いか、ハンダ付けのミスに違いない。しかし小さな基板に空きピンが殆どないほど部品が密集しているので目検するだけでも結構手間がかかる。S_pb146180

 とはいえ、たかが8ピンのAVRである。そんなに時間がかかるわけでもない。ひととおり配線をチェックするが、間違っているところは見つからなかった。しかし動かない。ハンダブリッジなどのハンダ付け不良は、マルチテスターで確認した。おかしいところはない。夜も遅かったので、その日は諦めて手仕舞いする。

 次の日、頭の中がクリアになっているのだろう。すぐ誤りが見つかった。何で昨夜見つけられなかったか不思議なくらいの基本ミスだ。ISPピンの順番と、Tiny13のピン配列を勘違いしていた。こいつが隣り合わせに密接していたので混乱してしまった。

 間違いの原因は、配線量が少ないのでTop Viewだけのアートワークだけで配線面のハンダ付けをしたためである。ハンダ面のBottom Viewの図面を作るのをさぼっていた。基本を忘れるとやはりろくなことがない。

 Tiny13をプログラマーが認識してしまえば、あとはブレッドボードと同じように問題なく動くはずだ。ミニブレッドボードに差したセメント抵抗で負荷テストをする。スイッチで電源が入りショートしていた抵抗を生かすと電流が減ってちゃんと電源が切れる。よし、良いようだ。

 いよいよ、実際のRasPiの電源につなぐ。おやあ、スイッチを入れた瞬間は電源が入り、LEDがつくが、すぐに切れてしまう。何回かやると、1回くらい無事に電源が入って動き出す時もあるが、たいていは切れてしまう。投入直後の電流が少ないのかもしれない。S_pb146170

 オシロのスイープを最大(一単位5秒)にし、実際に流れる電流を測ってみることにした。例の超低抵抗(0.22Ω)を電源にシリーズに入れ、両端の電圧をオシロの入力にする。シャットダウン時の電流量はきれいにいっぺんに下がるが、電源投入時には、定格になるまで結構時間がかかっている。

 これだ。定格の数百mAに上昇するまでには、秒どころが数秒かかっているではないか。現在の仕様は0.5秒たって定格にならないと、さらに0.5秒待ってそれでも下の場合に電源を切っている。そうか、立ち上がりのときはこの仕様では電源が入らないのだ。S_pb146171

投入直後だけ時間をあけるロジックを考える(11/14/2013)
 電源が切れるときは、すぐに切れて欲しいが、立ち上がるときは数秒待って欲しいという要件である。一種のパズルである。色々考える。要するにパワーダウンモードから立ち上がったときだけ、この電流監視を一定期間オミットしてやれば良い。

 出来上がったロジックはまあ、あまり褒められたものではない。秒カウンターを設けてこいつを数えているだけである。動作中はこの無駄なカウントアップを常に行うので(実際には一定以上は増やさないが)無駄なオペレーションになるが、大したロードではないだろう。

 テストに入る。おやあ、全く改善されない。電源を入れるとすぐに切れる。それにこの切れ方がおかしい。少なくとも1秒近くは電流を監視しているはずなのだが、この切れ方は一瞬だ。そうか、わかったぞ。これは電流を監視して切っているのではないのだ。これはマイコンがリセットされているからだ。

 今まで、ロジックばかり気にしていたけれど、Tiny13がリセットしていることまで気が回らなかった。電源投入時のRasPiのラッシュカレントで、電源電圧が低下し、マイコンがリセットしてしまっているに違いない。今度もオシロの出番だ。スイープを戻して、投入時のシングルショットを狙う。

Tiny13がリセットしている。猛烈なラッシュカレントを観測する(11/15/2013)
 何回か失敗した後、オシロで、RasPi投入時のラッシュカレントを観測するのに成功した。何と、電源投入直後、2回も1V台に下がる猛烈なディップが出ている。これじゃあどんなCPUでも、リセットするはずだ。このディップがRasPi本体の初期電流か、同時につないでいるHUBによるものなのかはわからない。S_pb156191

 電源を別にすることは考えられないので、このディップを軽減する措置を考えなければならない。まず、大容量パスコンで止める事を考える。基板はもうぎりぎりで、入れられるにしても100μFが限界だ。

 Tiny13のVccのところに、コンデンサーを空中配線で接続し、動作テストする。やった。スイッチを押すと、リセットせずに電源が入り、動き始めた。良かった。インダクターまでは要らなさそうだ。実装に入る。リレーの横がなんとか入りそうだ。苦労してハンダ付けする。

 テストしてみた。おやあ、何だ、またリセットだ。バラックでは止まったのに実装すると駄目になる。何故だろう。空中配線の方が調子が良い。場所が悪いのか。空中配線は、Vcc直結だったが、実装は少し迂回している。これがいけないのだろうか。

 ばかにされている。念の入ったことに、もう一度、空中配線に戻すと、今度は駄目。ええー、これは一体なんだ。さっきはうまくいったのに。空中配線で100μHのインダクターを入れるとリセットは止まった。コンデンサーは実装した場所でもOKである。S_pb156190

 オシロで波形を調べると、しっかりなまっていて、これなら問題なさそうである。やはりインダクターが必要か。しかし、インダクターを入れる余地は部品面にはもうない。

インダクターの大きさでも変化がある。気難しい(11/15/2013)
 部品箱を漁ると、10μHのリードタイプのインダクターが見つかった。おお、これならハンダ面に入れることが出来る。早速入れてみる。おやあ、駄目だ。うーむ、気難しいものだ。部品箱にあるだけのインダクターを総動員して調べる。

 フェライトビーズまで基板の切片につけてリード線を出し調べる。こいつらはみな20μH以下で全滅。大きいものも、表面実装のものも、100μH以上でないと有効でないことがわかった。このあいだ秋月で調達したLCRメーター(DE5000)が大活躍した。測定器は買っておくものである。S_pb156186

 良く見ると、表面実装のインダクターにも外形が大きいものもあれば、小さいものもある。小さい表面実装のインダクターを見ていて閃いた。こいつはもしかしてハンダ面を整理すれば、基板に直接つけることが出来るのではないか。

 基板を確かめる。ふむ、うまくいきそうだ。リレーの下のハンダ面は、配線を整理すると、ギリギリ表面実装の100μHが収まるくらいのスペースがとれそうである。早速、実装にとりかかる。

 何とかインダクターは納まった。通電してみる。おーし、良いぞ。今度こそリセットせず、素直にRasPiが立ちあがった。今までの暗い気持ちがうそのように吹き飛んで、晴れ晴れとした気分になる。苦労すればするほど動いた時の喜びは大きい。因果なものである。S_pb216207

回路図とソースコードを公開する(11/16/2013)
 テストのためばらしてあったケースと基板を組み立て直し、スイッチボックスに入った制御装置を完成させる。SAMBAサーバーにしているRasPiに接続し、運用を開始した。スイッチを押すと、カチッとリレーの音がして、何事もなく電源が入る。次にシャットダウンボタンを押すと、暫くして、順調にシステムは終了し、赤ランプだけになり、電源も切れる.....はずだった。おやあ、切れない。

 うはあ、何だ、何だ。また、駄目か。あ、そうか。このSAMBAサーバーは2.5インチHDDがUSBでつながっている。シャットダウン時でも想定した以上の電流が流れているのだ。あわてて、ケースをはずし、ISPピンのUARTをつけて(PB1ではなくSCKのPB2がTTLの送信ピン)モニターを開始する。

 PCのコンソール上に一秒ごとのADコンバーターの計測値が表示される。こういうときのためにUARTが必要だったのだ。思った通りこのSAMBAサーバーは、HDDをつないでいるため、シャットダウン時の待機電流が、想定の倍以上の200mA近く流れていた。Autopwe_tiny13

 原因がわかれば対処は簡単だ。動作時との差は前と変わらない(動作時もそれだけ増えている)ので、閾値をそれに合わせて上げるだけで良い。プログラムをコンパイルし直し、ISPで流し込む。さあ、これでどうだ。よーし、シャットダウンのあと、チッと音がして問題なく電源も切れた。うれしくて、何度もRasPiを立ち上げ直しては喜ぶ。まるで子供である。

 以下に、このTiny13のソースコードと、回路図を公開いたします。回路図のBsch3ファイルは、AVRStudioのフォルダーの中に入っています。参考にしてください。

「AutoPwr.zip」をダウンロード

実体双眼顕微鏡をついに注文する(11/14/2013)
 前々から欲しいと思っていた実体双眼顕微鏡を遂に発注した。6年前に電子工作を始めて以来、視力はあきらかに衰えており、今では普通の2.54ミリピッチの汎用基板ですら、拡大鏡無しにはハンダ付けが覚束なくなっている。

 今使っている拡大鏡のレンズは、プラスチック製でハンダごてを不用意にあててあちこち傷が走っている。このあいだ新しいものを買ったのだが、せいぜいが3倍程度の倍率では、正直言って、0.5ミリピッチの表面実装部品のハンダ付けは無理で、前からこの実体顕微鏡は欲しかった。

 実体顕微鏡とは、研究室などでの精密な手作業には欠かせない道具で、昔、基板の実装を女子工員さんが手作業で半田付けしていたころには盛んに使われていた。立体視ができることと、スペースがレンズと対象物の間にあるので、手元の作業が出来るのが特徴だ。

 結構な値段なので、アマチュアの人はまず持っていないだろう。安いものもあるが、対物レンズと対象物の間がせまく観察するだけなら良いが、ハンダごてなどを使う工作にはむいていない。

 これから、0.5ミリピッチの表面実装ICを沢山使うことはもう余り考えられないが、今苦労している細かい作業が文明の利器で少しでも楽になるのに、それを我慢しているのもおかしな話だ。買おうと思えば買えない値段ではない。

 ハンダ付けのあとの仕上がり具合をいちいち20Xのルーペで確認するたびに、実体顕微鏡があればもっと楽に確かめられるのになあといつも思っていた。といって、5万を越える出費は、簡単に決断できるものではない。

 今年の始め頃から波動的に何度か買う気が盛り上がっていたのだが、その度に抑えてきた。年寄りの単なる趣味の工作に、双眼実体顕微鏡をそろえるのは、何か、腕はさっぱりなのに道具に金の糸目をつけない成金ゴルファーみたいで抵抗があったのだ。

 しかし、ウェブで、普通のアマチュアの方が実体顕微鏡で楽な思いをされているのを見ていると段々我慢が出来なくなってきた。中古を買っている人もいるが、こういう道具はなるべく新品が欲しい。電子工作を始めて、早や6年、年も70近くなったし、買っても、もう馬鹿にされることはなかろう(いや馬鹿にされることを恐れているわけではないが)。

 買う決心を固めつつウェブで機会あるごとに何を買うか調べていた。もとより数十万円する業務用は候補ではなく、アマチュアが手の出せる実体顕微鏡では、やはりこのホーザンのL50というのが一番良さそうだ。こいつは電子工作用に特化していて、値段も手頃(正価は8万円台だが実際は6万足らずで買える)である。

 前にも書いたように、こういう工作器具はなぜか店による価格差が大きい。沢山の店が出品しているが、結局、一番安い価格帯に入る楽天のここを選んだ。楽天のポイントが欲しかったこともある。価格は¥59,327(送料は無料)。久しぶりのオシロに次ぐ高額の電子工作関係の買い物である。

ホーザン双眼実体顕微鏡L50が届いた。こいつはすごい(11/17/2013)
 注文して2日で届いた。先方のメールでは受注製品なので1週間近くかかると言われていたのに恐ろしく早い。とるものもとりあえず梱包を解く。思ったよりコンパクトだ。これなら工作机に置いてもそう邪魔にならない。S_pb196199

 早速、セッティングにかかる。最初、メガネをつけたまま調整しようとしたが、どうしてもあわない。メガネをはずすと両眼の位置が接眼レンズに近くなって、突然視界が広がった。おおお、見える、見える。思っていたより視野も広い。

 これはすごい。これまでルーペでやっと見えていた、20倍の世界が両目に広がる。別世界を見るようだ。ハンダの肌目、フラックスの残滓、それを拭き取った時に残った綿棒の繊維の1本1本が手に取るように見える。

 照明が揃えば、もっと鮮明になるだろう。対物レンズとの間は半田ごてを入れる十分な空間もあるし、底板をはずすこともできるので、平面のもの以外にも対応が可能だ。これは楽しみなことになってきた。

 早速、照明アタッチメントを自作する計画を立てる。オプション品として用意されているが、法外な高額(2万円以上する)なのでこれは最初から自作するつもりをしている。参考サイトもある。電源を何にするか、DC-DCコンバーターを使うか、それを使うなら何にするか迷うところだ。

実体顕微鏡の照明アタッチメントをアクリル板で作る(11/18/2013)
 脱線は当研究所の得意とするところである。仕事の帰り秋葉原に寄り、秋月電子で照明用の高輝度白色LEDを物色する。いや、ここのLEDの品揃えは凄い。何を選んで良いのかこれまた迷ってしまう。下調べをしていったのだが、種類が多すぎる。昔買った白色LEDはとうに旧製品となって半額以下で売られている。

 照明用なので、カンデラは小さいが、照射角が広い60°のこれを選ぶ。帰ってきて試しに点けてみた。うわあ、これは明るい。照明範囲もぐっと広がっている。これなら、参考にしたサイトのように12個も並べずに半分で十分かもしれない。

 アタッチメントのフレームはアクリルの2ミリで作ることにする。参考サイトでは3ミリのアルミを使っているが、放熱のことはさほど心配しないで良いだろう。

 早速、手持ちのアクリル板をとりだして設計に入る。形は結局、参考サイトと全く同じ形になった。対象顕微鏡が同じホーザンL50なので当然と言えば当然だ。ただ電源は悩ましい。ACアダプターにするか、DC-DCコンバーター基板を使って使い古しの電池を活用するか。まだ迷っている。

 電源のことはあとで考えることにして、フレームの工作にとりかかる。久しぶりのコッピングソーの出番である。このあいだのライブカメラのフレームの時は、アクリル板が切れたあと熱で再固着してしまい、とても苦労した覚えがある。今度はそうならないようにしたい。

コッピングソーでアクリル板が綺麗に切れて上機嫌(11/19/2013)
 機械を棚から取り出しセットアップする。悲しいことに刃の装填方法を忘れている。ウェブで復習する。糸鋸の刃の装填は意外と難しい。間違えると、うなるだけで往復してくれないし、ゆるみがあると振動が激しくてまともに動かない。ウェブの解説どおりでは最初うなるだけで動かなかった。S_pb196194

 そのうち、糸鋸の理屈がわかって、ウェブの説明を勘違いしていたことがわかる。刃の駆動部が一番下にあるときに上部の可動部(木屑吹き出しポンプになっている)を押し下げておかねばならない。これを逆にすれば当然動かない。2つのサイトの説明をまぜこぜにしていたようだ。

 スムーズに刃が動き出したので、素材にドリルでまず小さい穴を開け、そこに刃を通して、真ん中のレンズが入る空洞部分の切り抜きから始める。今度は失敗しないよう、速度を一番遅くし、一気に切らないで少しづつ切っては休むを繰り返す。全く固着もなくきれいに円形が切れていく。良いぞ。その調子だ。

 安全のため、ガイド穴を4つあけ、1/4円単位に切る。切り過ぎないよう、所定の切り抜き線より少し内側を切るのだが、段々うまくなって、最後の方になると、ぎりぎりのところまで近づいても自信を持って方向を制御できるようになった。思っていたよりずっと早く切り抜きが終わる。

 上機嫌である。「刃のスピードを遅くする」「あせって無理に押して切り進めない」「時々休む」が、熱を持たせないコツのようだ(あたりまえのことだが)。用心して少し寸法線より内側で切ったのだが、この調子だと、これも不要になりそうだ。この部分が少なければ少ないほどあとのやすりかけの手間が省ける。今後が楽しみである。S_pb196196

 次はドリルによる穴あけである。センターポンチはアクリルなので割れる危険があるので省略する。そのかわり錐(きり)で、寸法が厳密なところ(本体との固定用6ミリ穴。これが狂うとレンズにリング部分が入らなくなる)だけ念入りに開けてドリルが泳がないようにする。それ以外のところは少々狂っても問題ない(見栄えは悪くなるが)。

 瞬間接着剤でLEDのはめたところを接着し、早くも完成である。はやる心を抑えながら、LEDを仮にハンダ付けし、このあいだの3Vから9Vを出すDC-DCコンバーターを空中配線し、点灯してみる。おおー、これは十分明るい。全く照明ムラも起きていない。60度の照射角があれば6個で十分だ。照明が明るいので、見えるものが一層はっきりして楽しい。

細かいハンダ付けが楽々。これはもう離せない(11/20/2013)
S_pb216211  辛抱できなくて、仮配線のまま、実体顕微鏡でのハンダ付けを早速試してみることにした。対象は、このあいだマルチメーターのロガー出力でUSB-TTLアダプターを交換したとき、はずしたままになっていたアダプターとUSBソケットのハンダ付けである。

 うはあ、0.3ミリのUEW線が丸太のように太い。ピンセットで動かすとこれが自由自在に動く。いやいや、これは楽だ。半田ごてをレンズの視野に入れる。レンズにあたりそうで冷や冷やするが、大丈夫、十分余裕がある。何しろ8センチ以上クリアランスがあるのだ。 S_pb196198

 ハンダがコテで溶けて基板ホールに溶け込んでいく姿がはっきりと目で確認できる。出来栄えは素晴らしく美しい。感動ものである。顕微鏡からはずして肉眼で見てみても、これが実に綺麗に仕上がっていることがわかる。ピンセットで、UEW線を細かく正確に位置決め出来るのが美しさに寄与しているようだ。

 間違いなく世界が広がった。まだ慣れていないのでひとつの工程にかかる時間は、拡大鏡などでやるより明らかに時間がかかっているが、これは慣れると早くなるだろう。本末転倒だけれど、なにか細かい表面実装の基板を作りたくなった。

 お年を召されてハンダ付けがしにくくなったら、貯金をはたいてでもこの実体顕微鏡はおすすめである。今までなんでこんなに苦労していたのか馬鹿らしくなるほど、ハンダ付けが楽になる。

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コメント

みなさん、コメントありがとうございます。

過渡現象は解析が難しいので、やっぱりリセットICで
この複雑なところを避けるのが一番の解決方法では
ないかと考えています。->そら。さん

>猫に小判
いえいえ、見ているだけでも楽しいですよ。手元が少し狭くてもいいなら、
もっと安い(Montaro 中華製だけど高評判)1万円台もあります。
->きゅうる村さん

>神技に見えます
あ、違いますよ。細部まで見えるので不器用でも工作が
しやすくなります。 ->ばんとさん

投稿: がた老 | 2013年11月26日 (火) 01時19分

毎度です。ばんとです。

ついこの間も、気圧センサをふたつもオシャカにしてしまい、
きゅうる村さんに慰められたところです。

実体顕微鏡を使って半田付けですか…
すごいなぁ。不器用な当方には神業に見えます。

投稿: ばんと | 2013年11月25日 (月) 18時50分

「波形」としてなまらせる考え方ではなくて、AVRから見て瞬断と考えて、C2に蓄えた電気でAVRが動ければいいけれど、そのままではC2の電気をRaspberryPi側に取られてしまうのでダイオードで逆流を防げば良いのではと思いました。

まぁ、仮説なのでうまくいくかは分かりませんが。

それと、ISPがターゲット電源だとISPの有無で条件が変わりますね。

投稿: そら。 | 2013年11月25日 (月) 11時08分

実体顕微鏡。
欲しいような、猫に小判のような。

投稿: きゅうる村 | 2013年11月23日 (土) 20時58分

そら。さん、いつもどうも。
 なるほど、ダイオードでも良いのか。一時考えていたのが、
リセットIC(表面実装品)で、Tiny13の方の立ち上がりを遅らせる方法でした。

投稿: がた老 | 2013年11月22日 (金) 22時31分

どうもです~。
凄いラッシュカレントですね。

ラッシュカレントの対策は終わってますが、記事を読んでいて、L1がダイオードでも良いのかなと思いました。

そうすれば、C2に蓄えられた電荷でラッシュカレント中もAVRを動かせますよね。

投稿: そら。 | 2013年11月22日 (金) 17時13分

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