回路図

殆ど前のと変わってない。ESD 保護ダイオードと、プルアップを変更しただけ

基板図

ファームウェア

• https://github.com/cho45/AVR-Elekey/blob/master/firmware/main.c

ピンの配置の関係でアサインだけ変えてある。

ケース

秋月で売ってる電池ボックス　単3×4本用（フタ付プラスチック・スイッチ付）というのを使ってる。

単3は2本分の領域をエネループ用に使って、残り半分のスペースに回路を入れてる。もとからあるでっぱりとかはニッパーとかカッターで切った。電池の金具は加工する必要はなくて、ハメこまれてる位置を変えてあげるだけでよかった。元からあるスイッチはとってしまっている。

結構狭いので、圧電ブザーを削ったり基板をやすりで削ったりしてギリギリで入れてる。今回は部品配置の検討をするのに EAGLE が大変役に立った。ISP 部分以外はほぼジャンパなしでいけてる。IC ソケットをつけなければもっと高さに余裕があったんだけど、一応つけた。

スイッチがあった部分は少し広げて、タクトスイッチを入れてる。固定する方法で困るけど、グルーガンでタクトスイッチを固めてしまった。グルーガンでも結構固めになるので、力を入れても大丈夫なくらいにはなるっぽい。

ref.

• AVR でエレキーをつくってる | tech | avr | arduino - 氾濫原
• AVR エレキー、リグの接続を判定して内蔵ブザーを切り替え | tech | avr | arduino - 氾濫原
• AVR 消費電力を減らす | tech | avr | arduino - 氾濫原

Watch Dog Timer

ワッチドッグタイマー。基本はプログラムが意図しない挙動をしたときにリセットをかけるためのタイマー。

例えば、「常に1秒後にリセットをかけるワッチドッグタイマー」をセットして、ワッチドッグタイマーによってリセットされる前にメインプログラム側からワッチドッグタイマーをリセットする。もしプログラムが暴走してタイマーが初期化されなくなると、ワッチドッグタイマーがリセットをかけてくれる。

用途上、メインのクロックとは別のクロックで動いている。

Brown Out Detection

電源電圧を監視して、一定より下がったらリセットをかけてくれる。

もちろん瞬間的な電源電圧変動では反応しないようにヒステリシスな感じになってる。

要求

• 外に持ちだせるように小型で電池駆動できること
• 電池交換をあまり気にしなくてもいいこと
• 実用的であること

仕様

• 短点・長点それぞれ1点のメモリー
• スクイーズ
• インヒビット
• 無段階スピードコントロール (10wpm〜30wpmまで想定)

回路図

前回とピンの使いかたが変わっているけど、あまり変更はない。

パドル入力には静電気サージ (ESD) 用にツェナーダイオードを入れた。AVR の仕様上「All I/O pins have protection diodes to both VCC and Ground」となっていてクランプダイオードが入っているみたいだけど、クランプされたのを消費する部分がどこにもないので前段で入れたほうがよさそう。

FET のゲートについてる 150Ω は電流制限用だけど、一応なくても動く。AVR のポートの絶対定格が 40mA なので 3V/20mA=150Ω。流れるとしても瞬間だけなんだけど、絶対定格を守るなら必要そう。

FET の GS 間の抵抗は入力オープン時に GS を確実に 0V にするためで、普通入れるみたい。AVR の出力ポートってローのときは吸い込み動作するしいらないんじゃ？ と思ったけど、電源 OFF->ON からのタイミングとかいろいろなタイミングで入力オープンのとき不意にONになるとそのままになってしまうらしい。一応入れたほうがよさそう。

2.2MΩ の抵抗はパドルのプルアップ抵抗で、省電力のため外部に大きなのをつけてる。ただ、人体アースの電圧降下でもキーイングとみなされる（接点を触れるとキーイングされてしまう）ようになるので、善し悪しがある。

いろいろ突き詰めると部品点数が減らせない。

基板図

ステレオミニジャックでパドルと繋ぐようにしてるけど、別に直結でもいいと思う。その場合ジャック部分はいらない。

ボリュームは半固定として書いてあるけど、普通のやつのほうがいいと思う。基板取り付けの小型ボリュームだとお手軽だけどあまり手に入らないみたい。なんでもいいけど場所をとる。

ファームウェア

• https://github.com/cho45/AVR-TinyElekey/blob/master/firmware/main.c

これだけしか書いてないけど、ATTiny13A だと 96.7% Full (990 bytes) なので、結構ギリギリです

CrossPack-AVR-20130212 の avr-gcc (GCC) 4.6.2 で開発

AVR ISP Mark II なら、Makefile 変更なしに make install で書きこみが走る。

ISP も回路を切断せずに一応動いて、書きこみもできるけど、キーイング出力にノイズが入るので注意が必要 (ブレークインを切っておくか、リグとは切断して書きこみする必要がある)。

電源と実測消費電流

• CR2032
• eneloop lite

あたりを想定

CR2032 (3V) は公称 3V、終止電圧 2〜2.5V 程度。約 225mAh 使い捨てだけど、よく売ってる。使い捨てなので限界まで動いて電池しぼりとって動かなくなるほうが効率的。

eneloop lite 2本だと公称は 2.4V (1.2*2)、終止電圧 2.0V (1.0 * 2) 程度で、単4で550mAh、コイン電池に比べると体積は大きい。lite 版のほうが用途的にはいいだろうと思う。エネループの場合普通のニッケル水素より自然放電が少ないのと、比較的高い電圧が長く続く。ただし過放電すると致命的なので、2.1V程度で動かなくなるのが理想。

まとめ

かなり単純なものをしっかり各所考えながら作ってみたけど、いろいろと発見があった。ソフトウェアの変更がダイレクトに消費電力減に繋がったりするのは新鮮で面白い。

また、この程度の回路だと全素子の動作を考えながら作れるので、基本的なことを理解するきっかけになった。

次はもうすこし複雑なものを作りたい。

ref.

• ATTiny13A | tech | avr - 氾濫原
• ATTiny13A を使った小型エレキー | avr | tech | arduino - 氾濫原
• ATTiny13A を使った低消費電力エレキー | avr | tech | arduino - 氾濫原

プルアップの調整

内部プルアップは、実測からすると3V/100uA=30kΩ になってるようだ (スペック上は 20k〜50k)。とりあえず AVR 内部のプルアップ抵抗をオフに。

プルアップ抵抗に許される電圧降下を考える。電源電圧3Vで、入力 H レベルは VCC * 0.6 (スペックから)、ノイズ回避用に 0.4V を足すと

• ピンの必要入力電圧 Vin = 3 * 0.6 + 0.4 = 2.2V
• プルアップでの電圧降下最大 V = 3 - Vin = 0.8V

となった。

マイコン側は十分大きい入力抵抗があると考えると、かなり大きな抵抗を入れても大丈夫そう？ なのかな。

試しに 2.2MΩでプルアップしてみると、ICの足にかかる電圧は2.5V程度になった。2.2MΩ で0.5V電圧降下しているので、0.23uA 程度流れてる。3V / 0.23uA でプルアップと内部抵抗の合成値は 13.2MΩ、つまり内部抵抗は11MΩぐらい……？ よく「入力抵抗は非常に大きい」といわれるのを見る割に、いまいちどの程度かわからなかったけど、こんなもんなのかな。

この状態で、消費電力をはかる

• before: 内蔵プルアップ: 198uA
• after: 2.2MΩプルアップ: 113uA

とりあえず減ったし、普通に動いてはいる。しかしこれであっているのかさっぱりわからない。

これで、毎日2時間使うケースだと (CR2032/225mAh, 1日2時間, パワーダウン中 0.15e-6mA, キーイング中 113e-3mA) 995日持つ計算になった。

delay_ms のさらなる見直し

128kHz で動かすにあたり delay_ms を以下のようにしていた。

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

timer は 2msec ごとのオーバーフロー割込みでインクリメントされているけど、これだとちょっと精度が悲しいような気がするので、カウンタそのもの (TCNT0) も見ている。オーバーフローでやっているので、単純に timer はカウンタの桁あがりとして扱える。NOW は ((timer<<8)|TCNT0) という定義

while の中を アイドルではなく nop; にしているのは、ここでアイドルに入ってしまうと、次に起きるのが 2msec 後とかになるので、せっかく TCNT0 を見ている意味がなくなるから。

ただ、まだここは精度を維持しつつも最適化の余地があって、以下のようにした。

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) { }
}

少なくとも、最後の TCNT0 分 (8bit) になるまでは、普通に 2msec ごとに寝ていても大丈夫なはずなので、それまではスリープを使い、最後のカウンタ分はビジーループにするようにした。nop; は別にいらなそうなのでとっただけ。

これでキーイング中でも 96uA まで消費電流を落とせた。上と同じように、毎日2時間使うケースだと (CR2032/225mAh, 1日2時間, パワーダウン中 0.15e-6mA, キーイング中 96e-3mA) 1171日持つ計算になった。1000日超え！ もうこれでいいかな。