RaspberryPi3の電源問題はOSの不具合だった

　しつこいことでは誰にも負けない当研究所の所長が、やっとのことでRaspberryPi3(以降Raspi3)が立ち上がらない問題を解決することができた。

　研究所の工作テーマはESP32に移っていたが、定点カメラを目指したRaspi3の初期ブートが失敗するトラブルは解決されていない。パワーオンリセットが効かないのである。USB機器をはずして立ち上げると大体うまく行くが、USBをつないだまま（もちろんセルフパワーHUBで電源供給済み）だと、ほぼ立ち上がらない。　質（たち）の悪いことに、一旦、ブートに成功すると暫くは問題なく動く。しかし半日おいておくと、立ち上がらなくなる。一番先に疑われたのは電源である。いくつかのアダプターを買ってきたり、ケーブルを吟味したり、HUBを換えたりしたが、はっきりとした改善は見られない。

　オシロを使って立ち上がりの電圧の波形を何とかとることができた。立ち上がらない時と、正常に動いた時の双方の波形がとれた。しかしどちらも似たような波形だ。確かに0.5msくらいのところで大電流が流れたらしいディップがあるが、正常に立ち上がる時も同じようなものだ。電源が原因ではないような気がする。

もう一台RaspberryPi3を買う(5/24/2017)
　次に疑うべきは、Raspiのハードそのものである。以前、Edisonで本体がおかしくなって熱暴走したこともある。もしかしたらハードがやられているのかもしれない。今、Raspi3は一台しかないので確認はできない。これはもう一台買うしかないか。

　予備ということにして（使うあてがないのがつらい）Raspi3をアマゾンで発注する。ケースとヒートシンク付きで￥5980と安かったのでつい手が出た。数日で届く。便利な時代になったものだ。

　まずは、この新しいRaspiの動作確認である。システムディスクの16GBのSDカードを用意し、NOOBS一式をダウンロードする。OSのバージョンは2.1.0から2.4.0に上がっていた。　

　ふーむ、zipファイルが200MB以上増えている。どんどん進化しているようだ。インストールは順調に進みトラブルなくOSは展開された。電源を入れる。全く問題ない。順調に立ち上がる。少なくとも電源ではない。電源不足を示す画面の稲妻マークも全く表示されない。快調だ。

　やっぱり最初のRaspi3が原因だったのか。いや、まだ、カメラをつないでいない。しかもOSが違う。今のOS(2.4.0)はまだ裸の状態で、これからSAMBAや、動体検知motion、日本語入力、固定IPアドレス化などを加えていかないとトラブルの起きた状況にならない。

　加えた変更のうち、初期化のトラブルに関係しそうな要素は、何といってもカメラモジュールの接続だ。ハードの初期化でループしてしまえばブートは先に行かない。まずトラブルの起きた元のRaspi3にこの2.4.0の新しいシステムディスクを差し替えて動かしてみる。

結局、OSを最新版にして落着(5/28/2017)
　やっぱり何の問題もなく立ち上がった。いやいや、まだカメラモジュールをenableにしていない。raspi-configでカメラモジュールをenableにして立ち上げ直す。よーし、素直にブートが始まった。Raspi本体が悪くないことは確実だ。

　最後の確認である。カメラの動作確認だ。motionはまだ入れていないので、raspistillなどの専用コマンドをあせる手でコンソールに入力する。おめでとうございます。ランプがついて写真がとれた。間違いなくOSの問題である。

　これでトラブルの原因がはっきりした。2.1.0でのカメラモジュールの接続はブートの時にハングすることがあるのだ。このあと、元の2.1.0のOSに戻し、再現を確認した後、raspi-configでカメラをdisableにすると、カメラをつけていてもトラブルが解消することを確かめた。

　このハングが何の原因で起きるのかはわからない。少なくともインストール直後は起きていなかったから、カメラモジュールだけの問題ではなさそうである。このあと入れたアプリと何らかの競合が起きた可能性が高い。

　何が原因にせよ、少なくとも2.4.0で電源トラブルは解消した。というので、2.4.0にこれまでのアプリをインストールし直せば問題は解決する。せっせとNOOBS2.4.0の新しいバージョンにこれまでのアプリをインストールし始めた。

　SAMBAサーバーや、Motion動体検知パッケージ、日本語入力など、入れるたびに初期化の状況を確かめる。2.4.0では最終的にmotionを動かしても全く問題は起きなかった。

　やれやれ、長い道のりだったが、ここ暫く当研究所を悩ませたブートの不調は、OSの更新で解決することになった。もっと早く、カメラをdisableにしてテストしておけば、もう一台Raspi3を買わずにすんだのだが、まあ、これは結果論だろう。

今度はSAMBAドライブが不調(5/29/2017)
　そうこうするうちにまたトラブル発生である。SAMBAのディスクにしていた昔のLet'sNoteの2.5インチIDEドライブがおかしなことになった。立ち上がり時に、$LogFile is not clean. mount in Windows....のエラーが出て、書き込みが出来なくなった。Windowsでマウントし直しエラーをリセットせよとのことである。

　ファイルの中身は普通に見ることができる。SAMBAを通すとWindowsからも正常に見えるが、書き込みはこちらからもできない。それではというので、Win10の方にUSB経由で直接持ち込んで、エクスプローラーで見たら、何とドライブは認識したが「この場所にファイルはありません」という完全拒否である。

　Windowsに昔からあるディスク管理ユーティリティで調べる。コントロールパネルの奥にあるこのユーティリティ（このネストの深さは何だ。このソフトはサードパーティ製で、MSとしては何としてもいじらせたくないらしい）でドライブを見ると、ちゃんと正常にディスクは見える。　　
　しかし、ディスクの形式がRAW（生とでも訳すか）となっているのが気になる。このRAWをキーワードにウェブを検索すると、おお、良かった。沢山解決法があるようだ。要するに、何らかのタイミングでドライブのブートレコードのディスクの種類を規定するコードが誤って変更されるとこういう状態になるらしい。

Windowsのフリーソフトで解決(6/1/2017)
解決法の中から、まず、TestDiskを選ぶ。このユーティリティは、LinuxやWindowsでも動くフリーソフトで一番評判が良さそうなソフトだ。早速ダウンロードした。ガイドするサイトも沢山ある。簡単に治りそうに見えたが、これが結構難しい。

　やれることが沢山ありすぎて迷うのだ。日本語化されていないのはともかく、何がおかしくなっているのかわからないので下手にいじることができない。このあたりは、一瞬の動作で、すべてのファイルを失う危険がある。良く納得してからでないと作業は出来ない。

　要するに、「今、自分が何をやっているかを理解していないときは手を出してはいけない」というやつである。この「RAW」という文言が何を意味するのか具体的にわからないからである。迷った挙句、他にも方法がありそうなのでこのユーティリティの作業を諦めた。ウェブで検索を続ける。

　その結果、昔、所長も使ったことのある商用ソフトAcronisの無償試用ソフト(Acronis Disk Director)が良さそうなので、これで修復することにした。サイトに行き、慎重に無償版をダウンロードする。こういうソフトのページには、宣伝用の全く違うソフトのダウンロードボタンが隠れていることが多いので気を付けないといけない。

　何とか目的のソフトをダウンロードして、早速試してみた。このサイトが親切だ。
画面がわかりやすい。ガイドに従って、未初期化をRAWと読み替え作業を進める。順調に処理が進んで、そう時間もかからず完了した。RAWはNTFSに変わる。

　念のため、Windowsを再起動する。よーし、正常なドライブに戻った。書き込めるか。中に入っているテキストファイルを呼び出し文字を書き込んで保存する。良いぞ、問題なく変更された。このディスクの中に入っているファイルで失って困るものはないが、正常に戻ったことが嬉しい。

　SAMBAにつなぎなおし、read/write可能なことを確かめる。昔、知人にPCで何をするでもないのに環境整備だけに異常に熱心な人がいた。自分も今度の入れ込みぶりはこの系統かなと苦笑いする。今のところSAMBAで使っているのはmotionの記録ファイルだけである。

ACアダプターの負荷特性を調べると驚くべきことが(6/2/2017)
　Raspiの電源問題の後日談である。Raspi3の立ち上がりの不安定さを解消するため、めたらやたらDC5Vの安定化電源ACアダプターを買い込んだことは前回までにご紹介してある。それが、落ち着いて数えたら、容量が2A以上のものだけで6個もあった（購入4ケ、故障した無線ルーターなどからの流用品2ケ）。　

　容量とは言うが、本当にこれだけの電流を取り出せるのか確かめたことはない。前にも書いたように、必ずしも容量の大きいアダプターが安定してRaspiを動かせていたわけではない。彼らの実力がどの程度なのか、ちょっと本格的に調べてみたくなってきた。

　良く言う電源のレギュレーションとは過渡特性のことを指すが、それ以前の静的な負荷特性は余り問題にしない。しかし過渡特性は、この静的な負荷特性が基本になるもので、これが低いようでは問題にならないはずなのだが、余り話題にならないのはなぜだろう。調べてみよう。

　こういうときのために、セメント抵抗を何種類かそろえてある。スライダックのような本格的なものはないが、物理の実験よろしく直列並列を駆使すれば、5Vなら0.1Aきざみで数Aくらいまで測れるくらいの種類は持っている（50、20、10、2Ω）。

　ブレッドボードにこのあいだ買ったUSBコネクター電流計や、ACアダプタージャックを取り付け、少しづつ測り始めた。データが揃ってくると驚くべき事実が明らかになってきた。おおげさな話かもしれないが、こうしたACアダプターは全然定電圧電源ではないのである。

結構、ケーブルの損失があるのだ(6/5/2017)
　どのACアダプターでも、1A少々の電流でもかなりの電圧降下がある。負荷によって出力電圧が変わらないのが定電圧だと思うのだが、サイトのいう定電圧回路の一般的なロードレギュレーションの上限±0.2%どころではない。平気で数％も落ちてしまう。

　4A容量のアダプターといえども1A流して(正確には0.9A)、0.3Vも下がり4.7Vになってしまうのはどうみてもおかしい。これで定電圧アダプターと称するのはいかがなものか。

　確かに、5Vフルスケールでグラフを描いてみれば、0.3Vの低下というのははごくわずかだが、0.5Vフルスケールにしてみると直線的に電圧が低下していく。

　汎用的なアダプターと違い、無線ルーター、USBハブなどの付属のアダプターは無負荷のときはあきらかに5V以上で、使われる範囲で5Vを維持するようになっている。これなんか一種の詐欺だ。

　グラフを描きながら、悪態をついていたが、少し冷静になって考えてみると、わけがわかってきた。流れる電流が１A近くなるとケーブルの長さが効いてきて負荷端では電圧降下が避けられないのだ。　

サイトで調べてみると、銅線の直流抵抗は意外に大きい。＃24（アダプターで使われる一般的な太さ）の撚り銅線（錫メッキ）で1mあたり、0.09Ω（1kmで89Ω）。ということは、1A流せば、たった1ｍのケーブルで、0.1V近く下がってしまうのだ（往復換算）。

　大抵のアダプターのDC側のケーブルは2m近い。一生懸命、アダプターを取り替え、セメント抵抗をつけたりはずしたりしてグラフを作ったが、あまり意味がないことがわかった。手持ちの沢山のACアダプターの記録を詳しく公開するつもりだったが、誤解を招きそうなのでやめておく。

　この測定結果は、これまでのRaspiでのテストの状況と良く符合する。アダプターではなく、DC側のケーブルの長さや太さが大きく影響している。一番成績の良かったのは、例の秋月での長さ10cmの電源ケーブルが一番トラブルが少なかった。

　負荷端での電圧降下を少なくするのは、太いケーブルにするか短くするかが一番で、ケーブルの長さにかかわらず一定にするには、負荷端から電圧測定線（リモートセンシング）を引き出すような大掛かりな装置が必要だということも分かった。今回は良い勉強をさせてもらった。