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2017年6月25日 - 2017年7月1日の1件の記事

2017年6月29日 (木)

超音波方式の人感センサーI2C化と新しいオシロ

 PCの横で超音波距離センサーHC-SR04がブレッドボード上に残されたままになっている。他の電子部品に比べると特徴的な形をしているので何かと目立つ。ブログを調べてみたら、このセンサーにはまっていたのはもう2年も前のことで(2015/7/28)、そのあいだ放置したままということになる。Dsc01163

 ブログによると、このあとこの距離計測センサーをI2Cでつなごうとして、AVRの8ピンプロセッサーTiny85を使ってソフトのI2Cスレーブライブラリーを苦労して開発した。ソースコードをブログに上げたのは良かったのだが、そのあとは力が抜けてそのままになっている。

 このセンサーはアナログで動作電圧は5V、距離をパルス時間幅で返してくる。Edisonやesp8266などの3.3Vベースの32ビットプロセッサーとは電圧が違うし、それよりもプロセッサーにOSが入っていたりWiFiなどの割り込みが起きると、こうしたアナログのパルス幅の正確な時間は測れない。 

 そういうことでI2C化を始めたのだが、工作は全然別の方向に迷走したままになっている。そういえば、秋月で異電圧間のI2CをつなぐICも買ってあったのに部品箱の不良在庫になっている。Raspi3の電源問題も一段落したので、このあたりを次のテーマにすることにした。

 HC-SR04のブレークアウト基板(Vccは3V)をつくる。I2CスレーブのTiny85と3.3->5Vコンバーターをつけ、外部へは3.3V入力とGND、それにI2CのSDA、SCLの4本のケーブルをつけて、32ビット機器に簡単に接続できるようにする。

 親機はEdisonはもはや重いので、esp8266あたりを想定する。アプリケーションは、人が近づいたら反応する人感センサーにしようと思う。現在の階段のセンサーは焦電型で結構、反応が微妙で調整が難しい。距離測定の超音波なら、扉を開けるだけで反応するはずだ。

これまでの工作の再現だけで2日を要した(6/19/2017)
 裸になっていたSR04とTiny85を取り出して、ミニブレッドボードに移し替え、ブレークアウト基板のテストベンチをつくる。これまでのブログ記事を参考に(もうこれなしでは生きていけない)、もういちど配線をし直す。Tiny861の親機の方はまだブレッドボード上に生き残っていた。Dsc01157

 UARTを2つつないで意気揚々とテストに入った。しかし動かない。親機は動いたようだが、子機のTiny85は UARTにWelcomeメッセージは出るが、反応が全くない。親機からコマンドを送っても「そんな機械はない」と門前払いだ。

 接続を確かめる。プルアップ抵抗が隣のピンに入っているのを見つけた。最近は目が悪くなって良く間違える。さあ、どうだ。駄目だ。依然として動かない。しようがない。オシロを取り出す。なにー、ちゃんとI2Cの波形が見えるではないか。それでも動かないとはどういうことだ。

 暫く大騒ぎしていたが、落ち着いて配線を見直し、間違いを見つけた。要するにジャンパーコードの接続ミスだった。SDAとSCLが逆さまになっている。Tiny85と親機のTiny861の間のピンが揃っているかだけに気をとられ、ピンそのものが逆だったというお粗末である。情けない。Ws000022

 つまらない配線ミスで時間をとられたが、完動した。次はこのSR04のブレークアウト基板のソフト仕様である。どの程度の独立性を持たせるかで、基板ハードの仕様に影響が出る。何から何まで、例えば、音速の補正をコマンドで修正できるようにしておけば、ファーム書き換えのISPピンソケットはいらないかもしれない。しかしそれも面倒だ。

 実装するDC-DCコンバーターを何にするかも迷うところだ。部品箱を久しぶりに整理すると、5コ以上のDC-DCコンバーター基板が出てきた。1V以下でLEDをつけるやつ(これは今回は使えない)やら、表面実装にこだわったFP6291のもの(2つもある)、昔のHT7750など、自作品だけで沢山ある。

急にオシロが欲しくなって衝動的に発注(6/21/2017)
  そのうち、オシロで半分つぶれかかったI2Cの波形(これで良くデータが通ると感心)を見ていて、突然、これまで我慢していたオシロに対する物欲が沸き起こった。 波形がお粗末なのはオシロのせいではないが、この物欲というやつは、「ときめき」と同じでどうも理由が明確ではない。Dsc01155

 数年前こちらに良くコメントを寄せてくれる、ばんとさんにオシロを勧めたとき、自分も新しいオシロが欲しくなったことがある。このときは、使う機会が少なかったので、やっとのことで我慢した。

 当研究所がオシロを買ったのは、もう9年も前の話である。帯域60MhzのOWON製(PDS6062T)で、当時は10万円近くした(¥79,800)。買ったときは、清水の舞台から飛び降りる気分だとブログにはある。

 オシロの効果は抜群で、PCMプレーヤーのバッファーアンダーランを一発で発見したり大活躍をしたこともあるが、単純なトリガーしか選べないことや、蓄積データ量が少ないので大したことは調べられず次第に使われることが少なくなった。

 まあアナログ工作は殆どやらないので、それほど大きな不満はない。ちょっと複雑になればロジアナを引っ張り出せば良い。 オシロは今度の工作のように、動きを確認するだけに使われていた。必要性を強く感じることはなかったのである。

 このあと、低価格帯のオシロは、さらに安くなって中華のオシロは帯域100Mhzが3万円台になった(ばんとさんに勧めたころ)。中華製も評判は悪くなさそうだったが、強いニーズがなかったことがあって、オシロ熱はそれほど高くならず、その後は余り調査していない。

 あらためて調べてみると驚いた。さらに低価格化が進んでいる。少し前までは高級オシロにしかなかったフォスファー機能(アナログオシロのように繰り返し波形を色分けしてくれる)のついたものが、10万以下で手に入る。

 調べている間に、狙いをつけたのが、SiglentというシンセンのメーカーのSDS1202X-Eというオシロである。帯域が200MHz、メモリが14 Megaポイント。フォスファー付きで、この-EというサフィックスはUART、I2C、SPIなどのレコードの解析もできるシリアルデコーダーが付いている最新バージョンである。Ws000023

 ひところなら確実に100万以上はした商品ランクである。価格が悩ましい。日本で買えば(アマゾンとか楽天)10万近くするのだが、Alibabaなどの中華サイトでは、$380、何と4万円そこそこで売っている。にわかには信じられない安さだ。

 今これがないと進めないようなプロジェクトはないが、欲しいという欲望に勝てなくなった。しかも5万円以下で、これまで想像もしていなかった高性能のオシロが手に入るのだ。ここ数年は、余り電子工作に金をかけていない。少しくらいは良いだろう。

 中華サイトの買い物はリスクが大きいが、日本のサイトの半額以下というのは強烈な魅力だ。何しろ所長は「破格の安値」というのに弱いのである。ウェブサイトの珍妙な日本語の広告画面を何度も見ては迷っていたが、抵抗できず、ついポチってしまった。相手は、AliExpressである。

DCDCコンバーターの電源でSR04が動かない(6/24/2017)
 注文はしたけれど、到着まで10日はかかりそうなので、SR04のブレークアウト基板制作を続けた。次の課題はDC-DCコンバーターのテストである。

 久しぶりに秋葉原で買い物をした。自作のDC-DCコンバーターは、殆どが9 V以上の昇圧コンバーターで、5Vに上げるコンバーターにするため、秋月電子で面実装の半固定抵抗を入手するためである。

 面実装の基板の修正はとても難しい。例の低温ハンダで部品をはずすのは簡単だが、この自作のDC-DCコンバーター基板(FP6291)は、最初のバージョンではんだ付けに大苦労した版だ(ブログ参照)。半固定の抵抗器を取り替えるだけに数時間かかった。

 何とかして取り換えた。電源を入れる。おやあ、無負荷では5Vになるが、LEDだけつけても3V近くまで下がる。オシロで見るとパルスだらけの出力で明らかにおかしい。実体顕微鏡で配線を子細にチェックする。Dsc01162

 すると、分圧抵抗のグランド側のハンダブリッジでつないだところが見事に切れているのを発見した。やれやれ、以前もこの現象に悩まされたことを思い出す。他のところで熱を加えているときにブリッジが解消されてしまうのである。

 これを直して無事、負荷をかけてもちゃんと5Vが出るようになった。300mA以上流してもOK。勇躍、SR04の電源に組み込む。SR04は無事動いた。

不愉快にも市販のDCDCコンバーターは完動(6/25/2017)
 ところが、何故か、センサーの計測距離が不正確になってしまった。どれだけ遠くを指しても、出てくる距離が30cm以上にならないのである。電圧は5Vのままで、オシロで見る限り波形も正常だ。理由はわからない。DC-DCコンバーターのパルス周波数と、超音波センサーのパルス(40khz)とが近いからだろうか。

 スペックによるとFP6291のPWMパルス周波数は、1Mhzと高いのでその影響はないはずだが、おかしなことには間違いない。修正の手間を考えると、もうひとつの自作のDCDCコンバーター(同一のFP6291)をさらに試す気力はもう残っていない。

 昔作ったHT7750もだめだった。距離はもう少しFP6291のより伸びるが、1m以上にはいかない。だいたいこいつはオシロで見ても、脈流でこういう電源には向いていない。本来の工作と違う脇道でこういうトラブルは、気分が滅入る。折角I2Cのレベルシフターまで入れて不良在庫を少し消化したというのに。

 しかし、少々のことではへこたれない当研究所の所長である。手持ちの市販(ストロベリーリナックス)のDC-DCコンバーター基板(LM2735)の予備があるのを思い出し、これを部品箱から探し出して実験してみた。

 何と悔しいことに、このコンバーターでは全く問題なく超音波センサーが動くのである。えー、なぜだろう。何故、自作のコンバーターでは動かないのだろう。不愉快なことだがこれが現実だ。Lm2735

 そもそもDCDCコンバーターをつくるのが目的ではなかった。へそ曲がりでは負けない所長だが、さすがに今度は、これ以上、これにかかわるのはやめることにした。全くの時間の無駄だ。

 だいたいこのストロベリーのコンバーター基板も予備品でこれまで部品箱の肥やしになっていたパーツである。ここで役に立っただけでも良しとせねばなるまい。ブレークアウト基板を早く作って人感センサーを作ろう。

新しいオシロ来たー(6/27/2017)
 オシロを注文したあと、注文先からは「入金は確認しました」や、「商品を配送しました」という意外にこまめなメールが届いていたが、思ったより早く、注文していたオシロが届いた(Siglent SDS1202X-E)。Dsc01158

 カード入金して2日で出荷の知らせがあり、到着は5日後である。たいしたものだ。初めての中華サイトでの買い物でどきどきしていたのだが、とりあえず一安心である。メールが届いていたので大丈夫とは思っていたが、やはり数万円台の買い物では緊張する。

 噂では、大陸からの荷物はべこべこになっている(荷扱いが極端に悪い)はずなのだが、結構、荷姿は崩れていない。ただし、段ボールを開けると、正式の梱包の段ボール箱が現れた。やはり二重になっていた。しっかりした間仕切りの発泡スチロールで機械は中央に浮いている。Dsc01159

 取り出す。現状の8インチに比べれば今度のオシロは7インチでやはり心持ち小さい。心がはやるので前と同じように居間で梱包を解き、プローブの校正をする。画面はかなり高解像度だ。

 我慢が出来ず、早速地下の工作ルームに持ち込んで現在のI2Cなどの波形を観測する。沢山機能はあるが、まだ使いこなせないので、これまで計測したものだけの再現である。

 おおー、測定範囲が広い。これまでのオシロは少しでも長い間観測しようと思っても、すぐに切れてしまい、全体をつかめない(こういうときはすぐロジアナに切り替え)のだが、今度は違う。何しろ記録量がこれまでの2倍以上あるのだ。(6M->14Mpt/s)。Dsc01161

 距離センサーのテスト機で、I2cをスタートさせ実際のアナログの応答トリガーがかえってくるところまでが一目で見られる。これはありがたい。画面が小さくなったことを感じさせない性能向上である。以前より価格は半分で性能はざっと3倍(帯域60Mhz ->200Mhz)。時代の進歩を実感する。

 フォスファー機能とか、シリアルのデコーダーとか盛りだくさんの機能があるのだが、とりあえずは満足である。追い追い調べていくことにしよう。久しぶりに自作のシグナルジェネレーターなどを埃をはらって登場させ色々テストする予定だ。Dsc01160

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