2020年11月21日の日記

NanoVNA のリモート化 (Wi-Fi 中継)

tech | 01:39 |

アンテナの調整をする場合、給電点 (測定点) と調整点は離れていることが多いなというコンテキストで、NanoVNA の Bluetooth シリアル化を試すというのを前にやりましたがイマイチで、実用に及びませんでした。なので別の方法を検討します。

「古いスマフォでUSBシリアルを中継したほうが」と前述のエントリで書いていましたが、ESP32 で Wi-Fi AP にする方法をやってみたかったので試してみました。

構成

USB Host (CDC デバイスをUARTにする)
無線インターフェイス (Wi-Fi)

NanoVNA とは USB 接続して、スマフォから Wi-Fi で繋ぐと計測結果が見れるようなイメージのものです。なので本体への改造はありません。

アーキテクチャ

既存の資産 (NanoVNA-WebApp) をそのまま生かしたいため、USBシリアル通信層を置き換えて Wi-Fi 経由にするイメージにします。双方向の小さなパケットのやりとりなので、自然と WebSocket を想定し、これにそのままシリアル通信を乗せます。こうするとクライアントの多重接続はできませんがとりあえず考えないことにします。

作成

USB ホスト CDC と UART の中継

https://github.com/cho45/stm32f401-usbserial-host

まずは USB CDC のホストになれるデバイスを作ります。ESP32 は直接的に USB Host になるような機能・実装はないため、別の MCU を使います。

STM32F4 系は USB Host になれるようになっており、WeAct MiniF4 という小さいボードが安価 (400円ほど) で Type-C コネクタ付きで販売されているので、これを利用します。

特に難しいことはせず、USB CDC と UART を中継する役目だけをさせます。面倒だったので CubeMX の生成コードを活用して実装しました。

この段階のデバッグはまた別途 USB Serial デバイスを使ってやりました。UART を中継するという役目だけなので、独立したコンポーネントになっておりデバッグは楽です。これが SPI 中継だとさらにややこしくなるので、UART で中継というのはスピードが出ない以外は良い選択だと思います。

UART のボーレートは 4M baud です。4M baud / (8 bit +1 stopbit) = 444444 bytes。444kbytes/sec です。これは CPU の HCLK が 64MHz で、PCLK1 (APB1 clock) が 32MHz であることからくる最大の制限です。PCLK1 はこのデバイスの UART2 のベースクロックで、UART2 を8倍のオーバーサンプリングにしているため、4M baud が最大クロックとなります。HCLK は実はもう少し早くできるのですが、デバッガの関係で 64MHz にしています。実用上は 4M baud で十分に感じます。

なお RTS/CTS によるハードウェアフローコントロールを有効にしています。これがないとデータ抜けが発生したりしてややこしいです。

Wi-Fi インターフェイス

https://github.com/cho45/NanoVNA-Remote

UART と WebSocket の中継

あとは ESP32 上でいろいろと実装を作ります。ESP32 はかなり高級なMCUなので、ゴリゴリ処理を書いてリソースを書きこんでいけます。

まずは WebSocket に UART を中継する実装を行いました。開発PC側ではさらにターミナルと WebSocket を中継するような実装を node.js で書き、まずこれで WebSocket 経由で NanoVNA のシェルを不自由なく使えるレベルにしました。

ちなみに、この段階では家庭内の Wi-Fi ルーターに接続するコードにしておき、いちいち AP を繋ぎなおすようなことはしていません。

シェルぐらいなら WebSocket・Wi-Fi 経由で問題なく動くぐらい安定して動くことが確認できたので次の段階を作りはじめました。

ウェブインターフェイスの実装

前述の通り、NanoVNA-WebApp を生かすように WebSocket でシリアル通信を行うような実装を追加しました。まだここでは、いちいち書きこんでデバッグするようなことはせず、コンテンツ配信のウェブサーバは手元で起動し、WebSocket のみを ESP32 で処理するようにしてデバッグしました。ウェブアプリのデバッグとプロトコルの中継をわけて実行できるので割と開発しやすいです。

手動で操作するシェルと違い、自動的にゴリゴリシリアル通信をしはじめるとタイミングの競合などが出てくるので、それらを潰していきました。