また脱線。今度は電波時計リピーターでさらに迷走

　記事の間隔が今回も一か月を越えた。このあいだ電子工作をやっていなかったわけではない。毎日、PCルームにこもって、ごそごそやっているのだが、何しろやることが発散し、次々に興味が他に移るので記事にまとめるところまでいかない。

　赤外線リモコンウェブサーバーのプロジェクトはソースコードの公開で一段落し、そのあと、表面実装基板にするためkiCADの基板設計に取り組んでいた。しかしこれが、ひょんなことで別のテーマに興味が移った。電波時計のリピーターである。

　さらに、そのリピーターも部品の動作テストをやっただけで、関心は電波時計の制作の方に移り、それも、さらに別の枝葉の分野に手を伸ばして収拾がつかなくなってしまった。このあたりで戦線をまとめ直さないと、いつまでたっても記事が書けなくなる。

久しぶりのkiCADは進みが遅い(6/25/2018)
  ミニブレッドボードに作ったリチウム電池駆動の携帯型赤外線リモコンウェブサーバーは、とりあえず目的の機能を満足し(2階のエアコン、温風ヒーターの制御)、実用化の目途が立った。ただハードはまだ実験用のブレッドボード上だし、ソフト面でも残された課題が多い。

　まずは、覚えたリモコン命令を記録していくEEPROMエリアの拡張である。まともにやるなら、例のSPIFFSのファイルシステムにすれば良いのだけれど、そこまで大がかりにする気にはなれない。そう、ニーズがはっきりしていないので運用シナリオが描けないである。

　具体的な仕様が決まらない。今のところ考えているのが寝室の冷暖房の精密温度制御だが、どうしてもやりたいわけでもない（時限タイマーを使えばそれなりに間に合う）。もうひとつが洗面所の温風ヒーターだが、これは防水仕様（湯舟から動かしたい）をまとめる方が先で、ソフト面でこれ以上つけたすところはない。

　あらゆる機器開発でうまくいかない原因の最大級は、この「仕様が明確でない」ということである。実際の使い方が決まらなければ、結局、どれくらいの大きさのEEPROMが必要なのかも定まらない。困ったものだ。

　というので、赤外線サーバーのソフト開発はこのあたりにし、ハードの実装基板を作ることにした。もともとの制作動機は、この基板を表面実装で自前のCNCマシンで作ることだったのだ。何のことはない、本道に戻ったことになる。

　久しぶりにkiCADを立ち上げて表面実装基板の設計に入る。回路図エディターで、ミニブレッドボードに作ったESP8266のウェブサーバーの回路図を改めて書き下ろす。情けないことにkiCADの使い方をあらかたみな忘れている。　

　ESP8266のフットプリントデータをネットで探す。これが意外と見つからない。みんなブレークアウト基板で済ませているようだ。あちこち探し回ってやっと見つかった。しかし、これが回路図エディターに取り出すことができない。

　原因はフットプリントデータと、ESP8266の回路図データは別物であることに暫く気が付かずに迷走していただけだった。やれやれ、年は取りたくないものである。見つけたフットプリントは、新しいバージョンのkiCADが必要だというので、kiCADのインストールをしなおす。殆ど泥縄状態である。

　ところが新バージョン(4.0.7)のkiCADは、変な所でループが始まって先に進まない。部品の諸元を変更するたびに、フリーズする。全く止まるわけではなく暫くすると復帰するが、ちょっとした定数の変更のたびに長時間待たされるのはたまらない。

　バージョンを元にもどそうかと考え始めたころ、解決法が見つかった。アノテーションと言ってパーツの番号付けをするルーチンがおかしくなっているようだ。強制的なアノテーションを部品の諸元を替えるたびに行うと、短時間で処理が終わることが分かった。なんやかんやで、回路図をつくるところでなかなか先に進まない。

電波時計リピーターは市販化されていて結構良い値段がする(7/8/2018)
　そんなころ、ESP8266の予備品を見つけるため部品箱を整理していたら、LCT1799というチップが目に入った。これは、去年の4月に面白がって買ったオシレーターチップで、これでNTP（Network Time Protocol）から得た正確な時刻を元に自前のJJYの標準電波(40kHz)を出して、電波時計を動かそうというものである。

　ウェブを検索してみて驚いた。NTPを使った電波時計リピーターは、最近は事務所などで沢山の掛け時計の時刻合わせに使われるらしく、市販品が多数出ており、しかも結構な価格で売り出されている。安いものでも2万円はする。

　電波時計のJJY信号は、もう6年も前、Aitendoで実際に受信モジュールを買ってきてテストしたことがある。値段を聞いて俄然、制作意欲が盛り上がった。赤外線サーバーそっちのけで、受信モジュールの実験の準備を始める。リピーターの実験には、こういう受信モジュールが必須だからだ。

　電波時計リピーターの方は、参考にさせて貰ったサイトではRaspberryPiでPythonを使ったソースコードが公開されている。電波時計は処理単位が一秒ごと、つまり1 bpsなので、NTPさえ動けば何もRaspiまで担ぎ出すことはない。ESP8266で十分動くはずだ。　

　NTPではなく、既存のJJYからのリピーターなら、当研究所の名前になっている8ビットのAVRでも十分可能だ。電子工作では著名なChaNさんは、10年以上も前にTiny2313クラスで電波時計を作られている。

　少し迷ったが、現在一番環境が揃っていて開発に慣れているESP8266で作ることにした。まずは正しい電波をデコードできる時計を完成させ、次に電波発生装置に行くことにする。アンテナが課題だ。

6年ぶりの電波時計モジュールは動いた(7/11/2018)
　部品箱から取り出したAitendoの受信モジュールは、ミニブレッドボードに刺さったままで、モニターのときPCなどからのノイズを避けるフォトカップラーもついていた。早速、通電して動作を確認する。電源を入れてすぐは動かないが、暫く(十数秒)すると、福島からの電波を受信し、LEDが点滅し始めた。

　うむ、動いているようだ。新しいオシロをつないでパルスを見る。前のオシロはじかに接続すると、ノイズが出て受信不能になったのだが、どうだろう。まずは直接つないでみる。おお、今度のオシロは直結でも全く問題なくJJYのパルスが表示された。

　ちゃんとした高周波ノイズ漏れ対策が出来ているのだろう。たいしたものだ。ただ、地下室の奥にあるPCのそばではやはりノイズが多い。オシロと受信モジュールをひとまとめにして、PCのそばから、地下室のオープンスペース（保安上の吹き抜け）へ持ち込むとJJY時報パルスは完全になる。

　蛍光灯の近くは全然だめだが、PC電源の影響は殆どないようだ。受信機はオシロがなくても、電波を受けるとLEDが点くようになっているので、部屋のあちこちに移動して受信状況を調べる。以前はPCの横でも正常に受信できたのだが、長波は季節的なものがあるのかもしれない。

　とはいえ、オシロで見ているとパルスが全くでたらめになることは少なく、パルスの立ち上がりと立下りでチャタリングが起きている程度である。頑張れば、ここでもデコードすることが出来るかもしれない。このあたりの受信強度でも時刻を得られることを今回の開発目標とする。

　ESP8266でのJJYデコードのソースコードはウェブにいくつかころがっていた。Arduino IDEを使ったそのうちの一つが簡単そうなので、これを利用させてもらうことにする。参考にさせて貰ったソースのブログは以下の通り。    
https://ameblo.jp/amano-jacky-nochio/entry-11824498383.html

　ソースが見つかったので安心して、その前に、まだやっていない40kHzの発振機能を確かめておくことにした。

電波送信は昔の真空管のC級増幅を真似る(7/14/2018)
　ブレッドボードにLTC1799モジュールを差し込み、ウェブで紹介された通りの回路を組み立てる。このサイトの記事は外見だけでアンテナの諸元の詳しい説明がない。これは電波法のからみで具体的な情報を避けておられると勝手に判断し、自分なりのアンテナを用意して長波の電波発振のテストを始めることにした。

　動作そのものは、モジュールなので電源を入れると簡単に動いた。オシロで波形を確かめる。矩形波の綺麗なパルスが出ているのを確認した。既に組み上げたJJY受信モジュールを近づけてみる。アンテナは適当なリード線（電話ケーブル4～5m）である。

　JJYのデコードは出来ていないが、受信だけならLEDの点滅でわかる。ブレッドボードの近くに受信モジュールを近づけると、LEDが点いたままになり、受信していることは明らかだ。少し離すと切れる。1m程度が限界だ。リード線はつないでも離しても変わらない。ほっておくとJJYからの電波を受信し始める。

　サイトの記事の外見はフェライトコアにUEW線を巻き付けたいわゆるバーアンテナである。長波なんて波長は何キロメートルもあるので、どんなアンテナで送信するのが良いか全くわからない。

　それでも、ふと思い出して部品箱を漁る。みつけたみつけた。以前Aitendoで買ったシングルバンド用の受信モジュールのアンテナ部分が見つかった。買ったころ断線していて苦労したやつである。

　これは受信用だが、送信アンテナの代わりになるはずだ。単にオシレーターの出力につなぐのではなく、サイトの記事通り、FET（2SJ377）をつけ、20Ω程度の抵抗負荷をつけてみた。

　少し電波は強くなったようだが、事務所内の電波掛け時計を一斉に同期させるほどの強さではない。よく考えてみたら、電源電圧が変わっていないのだから、FETで増幅してみても同じ負荷なら出力は増えない理屈だ。

　念のため、オシロで波形を見てみる。おやあ、鋭い下向けのパルス（数十V以上）が出ている。ふーむ。これはDC-DCコンバーターのスイッチング回路そのままだ。これをならせば正弦波になるのか。

　ここで閃いた。昔というより大昔、アマチュア無線の真似事でやった共振回路である。適当なコンデンサーをインダクタンス（バーアンテナ）に並列にして同調回路にする。真空管時代のC級増幅のタンク回路である。

　おお、正弦波まではいかないがそれらしい矩形波がでた。喜び勇んでJJY受信機の感度を確かめる。うん少しは良くなったようだ。LTC1799そのものよりは少し距離が伸びた。しかし、3mから4m少々までが受信限度である。

　バーアンテナの威力がわかったものの、すこし離れるとJJY電波の方が強くなる。福島からの電波に負けるのだから、LTC1799から発射されている電波強度は、いわゆる電波法に云う免許なしに出して良い微弱電波であることは間違いない。

　大きな部屋の多くの電波掛け時計を制御することは出来ないので実用品にはならないが、アマチュアで近くの電波時計を動かすには十分だろう。免許の必要もない（大体、許可されるはずもないが）

ESP8266によるNTPの受信は簡単に動いた(7/16/2018)
　JJY受信の目途はたったし（ソースを入手しただけだが）、電波の送信もOKになった。残りは、NTPの受信である。以前、RaspberryPiでNTPを受信したことがあるが、ESP8266では初めてである。またネットのお世話になる。

　調べると、簡単に、サンプルソースが見つかった。早速新規プロジェクトを立ち上げ、コピペ一発でソースをぶちこむ。幸いビルドはNO　ERRORである。動かしてみるとシリアルコンソール上に、正確な年月日時分秒が出た。

　同期をどうするかという問題は残るが、これで必要なリソースはすべて揃ったことになる。ただし正確さについては、NTPを使っている以上、余り厳密な追及は出来ない。

JJY受信機の表示に3.3V用のキャラクターLCDを使おうとして失敗(7/18/2018)
　JJYの受信デコードのプログラムのソフト開発に戻る。ネットから頂いたJJYデコードプログラムは、ESP8266ではなく、普通のAVRを使ったArduinoがベースで、表示装置はキャラクターLCDである。

　こちらのLCDの手持ちは、大分前に買ってあった定番中の定番、秋月の反転色の2行16文字のキャラクターLCD(SC1602BBWB-XA-LB-G)である。普通、こういうLCDは3.3Vでは動かない。ウェブを見ていても、ESP8266のLCDは最近はやりのI2Cインターフェースの3.3V版が殆どで、こうしたパラレルLCDの使用例は極めて少ない。　

　そのうち、5VのLCDを、LCDクロックのパルスを利用した負電圧発生回路を付加して使っているページを見つけて制作心が刺激され、これを入れてみることにした。久しぶりのハンダ付けを楽しむ。ところが、これが全く動かない。バックライトすらつかない。

　キャラクターLCDを使うのは、考えてみると久しぶりで、下手をするとガイガーカウンター以来で7年は経っている。色々調べるうち、お粗末な間違いというか勘違いをいくつも発見した。まず、このパラレルLCDはもともとが3.3V用で、負電圧回路は全く必要がなかった。お馬鹿な話である。

　さらに、バックライトの電源は別から供給しなければならないということにだいぶあとで気が付いた。いやいや、情けないの一言である。

　バックライトに電源を入れて、LCDはそれらしい表示が出てきたが、表示ドットはいわゆる豆腐状態で全く反応が見られない。オシロで制御信号を見ると、細かいパルスが出ているが、LCDのパルスにしては、細すぎる(数μs)。どうも、このソースはArduino用で、ESP8266では動かないようだ。

　ライブラリーのLiquidCrystal.hのソースを見た限りでは、クロック依存のところはなさそうなのだが、ここにあまりかかずらっているのも意味がなさそうな感じがしてきた。時計を作ることが最終目的ではない。潔くLCDをあきらめてシリアルコンソールにすることにする。

LCDを諦めて、シリアルコンソールに出力を換える(7/20/2018)
　猛暑である。週2回行っているヨガとプールのアスレチックジムもお休みである。LCDは開発の必須条件ではない。本筋でないところであちこち道草を食ってきたので、何が何だかわからなくなってきた。とりあえずはソースコードのLCD表示部分をシリアルコンソールに切り替える作業に没頭する。

　これは手数がかかっただけで、何も問題はなかった。シリアルコンソールに、それらしいメッセージが次々に表示された。しかし、エラーが多い。いつまでたっても正しいJJY時刻を手に入れることは出来なさそうである。

　このソースは、チャタリングなどの抑止機能は全くついていない。パルスを単純に受け入れて、パルス幅、0.2sec(マーカーパルス)、0.5sec(論理1)、0.8sec(論理0)をスペックどおり（±5ms）調べて、範囲を超えるところはすべてエラーにしている。

　これでは、オシロでみたような立ち上がりや立下りでチャタリングを起こせば、全くデコードできなくなる。そこで、スイッチ制御でおなじみのチャタリング防止ロジックを入れる。立ち上がりと立下りの双方に数十msの待ち時間を入れ、安定したパルスになるようにする。

　しかし、PC横の受信モジュールではどうやっても安定した時刻を得ることができない。前と違って、まれに（10回に一回くらいか）、時刻が出る時もあるが、これでは実用性にかける。

　こうなると意地である。受信機を地上近くのオープンスペースの階段に置いて、PCのところまで電話ケーブル(10ｍ)で送電線のように引き回してテストを続ける。フォトカプラーを経由しているせいか、少々引き回しても結果が乱れることは全くなかった。

　地上近くでは、殆どエラーは起きない。この状態でやっとJJY電波のデコードに成功した。大体、JJY時計の開発が目的ではなく、リピーターが目的なのに全く無駄なことをやっていると思うが、やりだしてことを途中で止めることが出来ない性格である。自分でもあきれてしまう。

一分の遅れをどうするかでまた脱線(7/28/2018)
　実は、これも、NTPを使ったリピーターには関係のない話なのだが、ここでまた3日近く浪費した。それは、JJY標準電波の表示時間が、最初に正時パルスが来て、そのあとおよそ1分かけてその時刻（時分年月日）を伝えるパルスが送られてくるというロジックの問題である。

　つまり、パルスを受け取って、その時刻が何時何分の正時だったかがわかるのは、およそ1分後になるということだ。リピーターなら、NTPと同期させて正時パルスを伝え、その時刻データを送って行けばよい。しかし、時計の場合は、1分先の時刻を用意しないと、正確な時刻にならなくなる。

　これも、お馬鹿な話だが、リピーターでも、この1分先の時刻を用意しなければならないと思い、一生懸命ロジックを考えてテストしていた。たかが一分と侮ってはいけない。単に分を足すだけでは問題は解決しない。下手をすれば年をまたがるときは、すべての表示を変える必要がある。

　色々考えたが、UNIX経過時間を使うのが一番合理的だと判断した。UNIXは1970年1月1日午前0時から始めた秒数をタイマーとして持っている。これに関しては沢山の標準関数が用意されているのでこれを応用する。

　やりかたはこうだ。JJYから得られた時分年月日を一旦、この経過秒に変換し、これに60を足して、また時分年月日に戻せば良い理屈である。

　早速、先ほどのNTPプログラムにこのロジックを組み込んでテストする。ところがこれが一筋縄では行かなかったのである。

　悪戦苦闘、3日間。やっと解決した。しかし、この経過時間があちこちで違うので参った。つまり、JST(日本標準時)の扱い方が、サイトやNTPのオプションで違うのか、どうしても数が合わない。最終的な解決は、この前もやったと思うが、現場合わせである。つまり、NTPをJSTオプションで使ったタイマー値は、地道に計算した1970/1/1の経過秒より一日増やせば一致することがわかった。

　いかにも釈然としない解決だが、とりあえずは、一分遅らせることに成功である。やれやれ。このあたりでブログの原稿をまとめよう。