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とりあえず完成なので、今まで書いたやつのまとめで整理。

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3. ボタン電池で動く小型・低消費電力 AVR エレキー (50円 ワンチップマイコン ATTiny13A)

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3. ボタン電池で動く小型・低消費電力 AVR エレキー (50円 ワンチップマイコン ATTiny13A)

前書いたのの続き

さらにもっと消費電力を減らせないだろうか？ と考えた。パワーダウンモードの消費が計測不可能なので、支配的なのは特にキーイング中と、アイドル中の消費になっている。

特にキーイング中の消費が比較的多い (200uA近く) ので、どうにかできないかと考えた。キーを押しているとき、内蔵プルアップを通して GND に電流が流れるので、そこの消費が結構多い。

今まで何も考えず AVR 組込みのプルアップ抵抗を使っていたけど、ここでちょっと考えてみることにした。

void delay_ms(uint16_t t) {
	uint16_t end;
	cli();
	timer = 0; TCNT0 = 0;
	end = NOW + DURATION(t);
	sei();
	while (NOW <= end) { nop; }
}

void delay_ms(uint16_t t) {
	uint16_t end;
	uint16_t end0;
	cli();
	timer = 0; TCNT0 = 0;
	end = NOW + DURATION(t);
	end0 = end - 0x100;
	sei();
	while (NOW <= end0) {
		set_sleep_mode(SLEEP_MODE_IDLE);
		sleep_mode();
	}
	while (NOW <= end) { }
}

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前に書いたのの続き。

• Code: https://github.com/cho45/AVR-TinyElekey

せっかくメインのICが小さいので、できるだけ小さく作るならどうするのがいいだろう？と考えてる。

まず、乾電池1本で動いたらいいなと思ったので、1.4Vを3.3Vに昇圧する回路を組んで駆動させてみたら、昇圧回路がどうもうまくいかなくて、やたら電気食う感じだった。昇圧回路の調整を別途やれば乾電池1本でもいい感じになるかもしれないけど、実際ブレッドボードで組んでみたら結構体積も食う感じになってしまったので、そもそもこの方法を諦めた。

じゃあリチウムコイン電池を使うことを考えよう、と思った。リチウムコイン電池なら1個で3V出せる。ただ、あまり電流を流すことができなくて、標準で 0.2mA 程度に抑える必要がある。消費電力を減らす工夫はしてるつもりだけど、スピード調節をADCにしたのでボリュームに常に電流が流れるとか (10kΩなのでこれだけで0.3mA流れる)、もうちょっと頑張る必要がありそうだった。

まず、ADC は1秒ごとに行うようにコードを変えて、そもそも頻度を減らした。また、ボリュームに電圧をかけるのも、ADCが行われるときだけにした。これはピン1個を出力にして、VCC の代わりにそこに繋いでる。VCC とピンの出力電圧は厳密には違うので、ADCの精度は落ちるけど、そもそも安定してない電池駆動だし、相対値だけがとれればいいのでまぁいいかな、という気がする。

それでだいたいアイドル時に0.3mA程度まで下がった。しかしこれ以上思いつかないので、とりあえずクロックを下げてみて挙動に問題がないか試すことにした。ATTiny13A の場合、内蔵クロックは 9.6MHz, 4.8MHz, 128kHz とそれらを8分周したものが選べる。なので 4.8MHz を8分周した600kHzで動かしてみると、思ったより変なことにならなかった。これでアイドル中はほぼ0.2mA未満に。

じゃあ 128kHz だとどうだろう、ということでやってみたら、

 bad AVRISPmkII connection status: Unknown status 0x00

とかでるように…… たぶんクロックを下げすぎたせいで ISP の書きこみのクロックを読めてないのかな……

うーん困ったと思っていたら avrdude に転送スピードを下げるオプション (-B) があったので、-B 100 ぐらいにしてやったらいけた。しかし書きこみ速度がだいぶ遅い。

コードを全体的に書きなおさないと 128kHz でバグってて動かない感じだけど、軽く試した感じだと、アイドル中で0.09mAぐらい。キーイング中で0.19mA。パワーダウンは変わらず0.6uA程度。コーディングが面倒になった割にはそんなに減らない。ベースの消費が無視できないほどクロックの支配率が低くなってるせいかな。

仕様から

• VCC=3V, f=128kHz
  • idle: 0.01mA
  • active: 0.04mA
  • power down: 0.00015mA
  • ADC: 0.225mA
  • Timer0: 0.002mA
  • pull-up: 0.08mA

• キーイング中は pull-up + active + timer0 + FET GS接地抵抗(440k)電流 = 0.122mA が最低でも必ずかかる
• アイドル中は idle + timer0 = 0.012mA
• ADC中は active + ADC + timer0 = ボリューム電流 = 0.567mA
• パワーダウン中はクロックに関係なく固定で 0.15uA
  • 比較すると実測値が結構高いけどなんでだろう

• 瞬間最大電流
• キー同時押し pull-up * 2 + active + timer0 + FET GS接地抵抗(440k)電流 + ADC
  • 0.7338mA

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マイコンプログラミングとか、黙って Arduino やっとけハゲという感じではあるんだけど、Arduino の言語がどうも好きになれなくて使ってない。CっぽいけどCじゃない、でもC、みたいなのがなんとなく嫌だなと感じてる。それは置いておいても Arduino は素晴しいと思います。

Arduino も AVR を使っているし、結局 Arduino 頑張ろうとすると AVR のスペックを理解する必要があるので、じゃあ AVR でいいか、という感じになる (安いし)。

Arduino は、開発環境も含めたエコシステムが魅力で、そこがすごくいいと思うけど、自分みたいに CUI で vim で書いて Makefile でコンパイルして書きこんで gdb でデバッグするみたいのが好きな人間だと、少し魅力が薄れてしまうように思う。

IDE はあればあるで便利で良いんだけど、Makefile と gdb を使ってやっていれば、マイコンプログラミング以外のときにもその知識が生かせて嬉しいと思う (IDEの操作の知識はほかに生かせない)

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浮動小数点演算を使ったとき、-lm を付けないとバイナリサイズが巨大化する問題がある。-lm をつけない場合、デフォルトの (libgccの?) 浮動小数点関数がリンクされるけど、avr 用には高効率なものが libm に実装されている。libgcc だと 3k -> libm だと 1k ぐらいのインパクトがあるので必ず libm を使うようにしたい。

とはいえ、ちゃんと理解してないと libm にリンクされない……

結論からいうと以下じゃないとだめだった。

$(COMPILE) -o main.elf $(OBJECTS) -lm

以下のようだとうまくいかない。

$(COMPILE) -lm -o main.elf $(OBJECTS)
$(COMPILE) -o main.elf -lm $(OBJECTS)

というのも、リンカは、引数を順番に読みこんで、読み込み中のファイルに今までで未定義のシンボルがあったとき、それを解決する、という挙動をするらしい (なんとなく逆に、先に定義して解決していくもんだと思ってた)。

なので、先に -lm を指定しても、その時点では未定義のシンボルが何もないので何の意味もない。

gcc のオプションに -v (verbose) を渡すと、最終的に ld (collect2) に渡される引数がわかる。

うまくいく場合は main.o -lm -lgcc -lc -lgcc というふうになってる。main.o で使ってるシンボルが -lm で解決されて、あとまだ足りないのは -lgcc とかで解決される。-lgcc が2回出てくるのは、-lc が -lgcc を使ってるからかな。よくわかんない。

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3. AVR 浮動小数点 (float) 演算

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割込みかけるように設定しているにも関わらず、それに対する処理を書いていないと、sei() を呼んだあと、割込みが発生するときに落ちてリセットがかかる。

sei() が呼ばれるまでは問題ないので、コメントアウトでデバッグしていると超ハマる。

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3. AVR、なぜかリセットされまくるとき

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USB-シリアルポートアダプタ (RS-232C) は前に買っていたけど、RS-232C は正負 -12~+12 で1/0を表現うるので、マイコンのロジックレベル(0 or VCC)とは違っていて、そのままではマイコンと接続できない。

調べてみると、RS232トランシーバー (ドライバ) ICというのがあって、それを使えば簡単にレベル変換できることがわかった。有名なのは MAX232 というやつみたいだけど、ほぼ同じインターフェイス(ピンアサイン)でビットレートや電源電圧が違うやつがいろいろとあるみたいだ。

今回は ICL3232CPZ という 3.3V〜5V で動いて、なおかつ外付け部品が 0.1uF 5個だけというのを選んで作った。

繋いで以下のような、ボーレート 19200 で吐き出すコードを書いてみた (チップは ATTiny2313、レジスタ名がチップによって違うので、チップ変えるとそのままでは動かない)

#include <avr/io.h>
#include <string.h>
#include <util/delay.h>

#define clear_bit(v, bit) v &= ~(1 << bit)
#define set_bit(v, bit)   v |=  (1 << bit)

static inline void uart_putchar(char c) {
	loop_until_bit_is_set(UCSRA, UDRE);
	UDR = c;
}

static inline void uart_puts(char* string) {
	unsigned int len = strlen(string);
	unsigned int i;

	for (i = 0; i < len; i++) {
		uart_putchar(string[i]);
	}

	uart_putchar('\r');
	uart_putchar('\n');
}

void usart_init(unsigned short baudrate) {
	unsigned int d = ((F_CPU + (baudrate * 8L)) / (baudrate * 16L) - 1);
	UBRRL = d;
	UBRRH = d >> 8;

	UCSRB =
		(1<<RXCIE) | // RX Complete Interrupt Enable
		(1<<TXCIE) | // TX Complete Interrupt Enable
		(0<<UDRIE) | // USART Data Register Empty Interrupt Enable
		(1<<RXEN)  | // Receiver Enable
		(1<<TXEN)  | // Transmitter Enable
		(0<<UCSZ2) | // Character Size
		(0<<RXB8)  | // Receive Data Bit 8
		(0<<TXB8)  ; // Transmit Data Bit 8

	UCSRC =
		(0<<UMSEL)            | // USART Mode Select: 0=Asynchronous Operation, 1=Synchronous Operation
		(0<<UPM1)|(0<<UPM0)   | // Parity Mode
		(0<<USBS)             | // Stop Bit Select
		(1<<UCSZ1)|(1<<UCSZ0) | // Character Size (with UCSRB)
		(0<<UCPOL)            ; // Clock Polarity
}


static inline void setup_io () {
	usart_init(19200);
}

int main(void) {
	setup_io();


	for (;;) {
		uart_puts("Hello, World");
		_delay_ms(1000);
	}
}

PC 側では、この USB シリアルポートアダプタの場合、/dev/tty.usbserial-FTB3L9UG というようなファイルができるので、これを指定して GNU screen の window を1つ作ってる。変なことしてないのでボーレートを指定するだけでいける。

screen /dev/tty.usbserial-FTB3L9UG 19200

これで RX/TX があるチップならかなりデバッグが捗りそう。

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3. AVR シリアルでPCと接続してデバッグ

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