モータの鳴らし方byHanDen

今回はマイコンを使ってマイコン内蔵のLEDであるWS2812Bを制御します。今回紹介するLED WS2812Bの特徴はマイコンなどから信号を与えることで各LEDを個別で制御できかつ安価である（AliExpressで1つ当たり10円を切る価格）で売られているという所です。数珠接続で個別制御できるため安価なLEDテープを大進化させたLEDともいえると思います。

　一見最強そうに見えるこのLED実はマイコンから制御するのが一筋縄にはできないという問題があります。（本来は専用のコントローラを使います）今回はこのWS2812B搭載のLEDテープをAVRマイコンとSTM32マイコンで制御する方法を考えていきます。

制御信号の形

　まずはWS2812Bのデータシートを見てみます。

http://www.world-semi.com/DownLoadFile/108

こちらが製造元の新しいバージョンとみられるデータシート

https://cdn-shop.adafruit.com/datasheets/WS2812B.pdf

そしてこちらがadafruitとか秋月に掲載されているデータシートです。

ややこしいことに、信号生成に関わる箇所のパラメータがこの2者で違うことを覚えておいてください。
　データシートを見ていくとUARTでもSPIでもI2Cでも無い、専用のデータ形式であることがわかります。具体的な信号の形(1bit)は下図のような感じです。

そしてこのbitが以下のように連続して送られることで1つのLEDの制御信号になります。
　

各bitを緑、赤、青の順に連続的に並べたのみでスタートビットやストップビットといったものは無いのが特徴と言えます。

　そして複数のLEDの制御はこの24bitのデータを連続的に並べることで行います。LEDの接続と信号の順番を図で表すと以下のようになります。

　Amazonとかの販売ページにはアドレス指定可能とか書かれていますが、実際にはアドレスを指定して制御するわけではなく、手前のLEDから順番にデータを送る形式となっています。

　このLEDの制御における注意点としてはLEDの点灯状態を変える際にはLOWが一定時間以上(50us ot 280us)続くリセット信号を送らないといけないことです。逆に言い換えるとリセットされない時間であればLOWが続いても大丈夫ということです。実はこの仕様のおかげでAVRマイコンでも制御することができます。

制御信号の作り方

　続いてどうやってこの信号を作り出すかを考えていきます。制御信号の形上UARTとかI2CとかSPIをそのまま使うことはもちろんできません。また、信号速度的にArduinoのdigitalWriteとかは使えないのはもちろん、レジスタを叩いてもdelayとか割り込みでの処理も困難です。アセンブラを使えばクロック単位で処理できるので信号生成できますが、難しいし処理も重い、でもクロック単位レベルの高速な信号生成が必要。調べてみるとSPIの複数bitを使って信号生成してる例があったので、今回はSPIを使ってAVRとSTM32で信号生成をしてみることにします。

　まずはSPI通信の仕様を軽く説明します。

SPI通信はUARTと違って4つのピンを使って制御します。そのピンの内訳はクロック(SCK) マスターアウトプットスレーブインプット(MOSI) マスターインプットスレーブアウトプット(MISO) スレーブセレクト(SS(ーー))です。通信を行うときはSSーーピンをLOWにして、SCKピンにクロックを掛けてクロックと同期した信号を送信します。タイミングチャートを下に示してみます。

　ここで、ややこしいことが起きてしまいます。それはMOSI(マスター送信ピン)がアイドル時に状態が不定になるということです。その他SCKピンのアイドル時のLOW,HIGHの差や先行端、後行端を採るかの差はマイコン間などでSPI通信を行うときは合わさないといけませんが、今回のLED制御には本質的には関わりません。 

　今回WS2812Bを制御するにあたって使うピンはMOSIピンのみです。他のピンは使いません。送信するデータの工夫でWS2812Bの制御信号を作り出します。

今回はSPIのデータの4bitをWS2812Bの1bitとして使います。送り出すパケット形状より下図のようにHIGHになるbitの数を調整することで0のパケットと1のパケットを作り出します。

この形状の出力を作り出すデータは0パケットの場合0b1000(0x80) 1パケットの場合0b1110(0xE)になります。ですが、そう単純ではありません。SPIのアイドル時の状態が不定であるためです。ここで、今回使用するマイコンのデータシートを見てみます。

AVRマイコン(ATmega328P) ：https://avr.jp/user/DS/PDF/mega328P.pdf

STM32マイコン(STM32F446)：https://www.st.com/content/ccc/resource/technical/document/reference_manual/4d/ed/bc/89/b5/70/40/dc/DM00135183.pdf/files/DM00135183.pdf/jcr:content/translations/en.DM00135183.pdf

　まずはAVRマイコンで制御信号を作り出す方法を考えるため、データシートのSPIのタイミングチャートが書かれている121ページを見てみます。一応こちらにも引用しておきます。

　このデータシートを見るとAVRマイコンではMOSIのアイドル時の状態はHIGHになってるように見えます。確認のために実際にオシロスコープで出力波形を確認してみたいと思います。(ロジックアナライザー持ってないのでオシロを使います。)

　送ってるデータは0xEE(0x11101110)です。そして、信号が始まる前と後はHIGHになってることがわかります。これより、データシート通りアイドル時がHIGHになっていることがわかりました。

しかし、WS2812Bはアイドル時がLOWです。そのため、そのままではWS2812Bは動かせません。そこで、AVRマイコンでWS2812Bを制御する場合信号を反転(つまりNOTをかける)してアイドル時がLOWの信号を作りだします。

また、信号を反転させるので送るbitも反転します。つまり最終的に送る形が0b1000(WS2812Bの0)の場合0b0111 、0b1110(WS2812Bの1)の場合0b0001となり16進数で表すとそれぞれ「0パケットは0b0111 0x7」「1パケットは 0x0001 0x1」となります。最終的に出力した波形はこんな感じです。

これによりAVRマイコンでWS2812Bを制御する信号が生成できました。また、これら図では少々わかりにくいですが、AVRの性能上8bit単位で信号に間隔が空いてしまい(LOWが長く続いてる)ます。ただし、WS2812Bの仕様上50usまでは許容されているので問題ありません。

　続いてSTM32マイコン(STM32F446)で制御信号を作り出すために、データシートのSPIのタイミングチャートが書かれている856ページを見てみます。こちらにも引用します。

　このタイミングチャートを見るとMOSIのアイドル時の状態がHIGHもLOWも両方書かれていてどちらかがわかりません。つまり、データシート上は不定というわけです。ですが、タイミングチャートのMISO(スレーブ側は出力になる)を見ると後行端採取(CPHA=1)の時はLSBが少し伸びるとみられる表記が見られるので、この条件で実験してみました。結果は下図のようにLSBの状態が次のデータの先頭まで続いていました。(他の条件での実験結果は別記事で紹介します)

WS2812Bの場合は必要な信号が「0パケットで0b1000 」「1パケットで0b1110」となっておりLSBが必ず0となります。そしてLSBのステートがアイドル時のステートとなるためアイドル時も必ず0となります。そのため、STM32マイコンで制御する場合はAVRと異なり信号の反転は不要です。また反転していないので、送り出すデータも出力波形と同様に「0パケットで0b1000 0x8」「1パケットで0x1110 0xE」となります。また、STM32マイコンではDMAが使えることもあり、8bitの間での信号の伸びが無く連続した信号が生成できています。（DMAを使わない場合でも伸びはほぼ見られませんでした）

最後にSPIの通信速度の設定です。

　AVRマイコンにおいてもSTM32マイコンにおいてもSPIの 通信速度(クロック)はマイコンのクロックに依存します。SPIのクロックはマイコンのクロックの1/2ⁿ(2 <= n <= 7(AVR),8(STM32)) となります。WS2812Bの場合1パケット(4bit)の長さが大体900nsから1400ns程度となっており、これから逆算するとSPIの通信速度は4.44Mbpsから2.86Mbps程度となります。筆者の環境では16MHzで駆動しているATmega328Pの場合SPIのクロックはマイコンのクロックの1/4(分周1/4)で4MHz(4Mbps) で正常に作動しています。また、ペリフェラルクロック42MHzのSTM32マイコンの場合はペリフェラルクロックの1/16(分周1/16)で2.625MHz(2.625bps)と新版のデータシート範囲から少々ずれがありますが正常に動作しています。(ただし、個体により動かない可能性はあるので注意必要だと思います)

最後にWS2812BをAVRマイコンとSTM32マイコンで使う場合のまとめです。

AVR(ATmega328P)

　アイドル時がHIGHのため信号にロジックICなどでNOTを掛ける必要がある。

　送信データ

0パケットで0x7 0b0111

1パケットで0x1 0b0001

　パケット間(SPIの8bitと8bitの間)に間隔が空く(LOWが長く続く)　

STM32(F446)

　後行端採取CPHA=1(CubeMXのClockPhase : 2Edge)に設定

　アイドル時はLSBのstate維持のため反転不要

　送信データ

0パケットで0x8 0b1000

1パケットで0xE 0b1110

　パケット間に間隔が空かずきれいな波形が出力される

共通

　SPIクロック(通信速度) 2.86Mbps~4.44Mbps程度

　　多少の誤差は許容されるが、分周で合わせない場合マイコンのクロック調整も要検討

　SPIはMSB First 　SPIはMaterモード

　SCKのアイドル時の状態はどちらでもOK

MOSIをWS2812BのDIN(通信ピン)に接続

データ順は緑8bit 赤8bit青8bitの順の24bit　

複数LEDの場合は手前側のLEDのデータ(24bit)から送る

50us~280us以上のLOWが連続するとデータ転送終了

例：STM32マイコンで6個のLEDを赤緑青　赤緑青の順にフル点灯させる場合以下のような配列のデータをDMAで流します。

uint8_t data[72] = {0xEE, 0xEE, 0xEE, 0xEE, 0x88, 0x88, 0x88, 0x88, 0xEE, 0xEE, 0xEE, 0xEE,

                    0x88, 0x88, 0x88, 0x88, 0xEE, 0xEE, 0xEE, 0xEE, 0xEE, 0xEE, 0xEE, 0xEE,

                    0xEE, 0xEE, 0xEE, 0xEE, 0xEE, 0xEE, 0xEE, 0xEE, 0x88, 0x88, 0x88, 0x88,

                    0xEE, 0xEE, 0xEE, 0xEE, 0x88, 0x88, 0x88, 0x88, 0xEE, 0xEE, 0xEE, 0xEE,

                    0x88, 0x88, 0x88, 0x88, 0xEE, 0xEE, 0xEE, 0xEE, 0xEE, 0xEE, 0xEE, 0xEE,

                    0xEE, 0xEE, 0xEE, 0xEE, 0xEE, 0xEE, 0xEE, 0xEE, 0x88, 0x88, 0x88, 0x88, 

};

　2つのマイコンで比較すると多くのLEDを正確に制御する場合はDMAが使えるSTM32マイコンを使う方が良く、少ないLEDを簡単に制御する程度であればAVRマイコンでもできるといったところだと思います。必要な用途に応じて使い分けると良いでしょう。

本ブログの記事のWORD版のデータです。こちらの方が見やすい記事も結構あると思います。

回路編第1～10回

https://www.dropbox.com/s/cj1y904u3lue8uh/%E5%9B%9E%E8%B7%AF1.docx?dl=0

回路編第11~13回

https://www.dropbox.com/s/m9rkc8nasnip4j3/%E5%9B%9E%E8%B7%AF2.docx?dl=0

KiCad編

https://www.dropbox.com/s/46siyvylqkjqvsd/kicad%E3%83%9E%E3%83%8B%E3%83%A5%E3%82%A2%E3%83%AB.docx?dl=0

マイコン編

https://www.dropbox.com/s/nvd7f7o4a08r5rr/%E3%83%9E%E3%82%A4%E3%82%B3%E3%83%B3.docx?dl=0

本データは趣味で電子工作を行う人向けの記事です。そのため、業務や研究、競技会などでの使用はご遠慮ください。また、記事の内容は自己責任の下で使用をお願いいたします。本記事を参考にして損害が発生した場合でも管理人は責任を負いません。

いままでに書いた、モータ演奏を行うための基礎事項の記事の目次です。

1.回路編

第1回　電子部品の概要

http://vvvf.blog.jp/archives/2366464.html

第2回　抵抗器

http://vvvf.blog.jp/archives/2369140.html

第3回　コンデンサ・コイル

http://vvvf.blog.jp/archives/2385100.html

第4回　ダイオード

http://vvvf.blog.jp/archives/2498755.html

第５回　半導体スイッチ

http://vvvf.blog.jp/archives/2571354.html

第６回　半導体スイッチの回路

http://vvvf.blog.jp/archives/2677434.html

第7回　MOSFETとIGBTの駆動回路

http://vvvf.blog.jp/archives/2677434.html

第8回　ゲートドライバ

http://vvvf.blog.jp/archives/3313214.html

第9回　トランジスタ

http://vvvf.blog.jp/archives/3466503.html

第10回　整流回路

http://vvvf.blog.jp/archives/3881339.html

第11回　ゲートドライバIC(L6384E)の使い方ver2 その1

http://vvvf.blog.jp/archives/6572197.html

第12回　ゲートドライバICの使い方ver2 その2

http://vvvf.blog.jp/archives/6620551.html

第13回　ゲート抵抗の選び方

http://vvvf.blog.jp/archives/6770493.html

2.KiCadの使い方

第1回　KiCadの初期設定

http://vvvf.blog.jp/archives/4052091.html

第2回　回路図エディタEeschemaの使い方　その1　回路図を描くチュートリアル

http://vvvf.blog.jp/archives/4283557.html

第3回　回路図エディタEeschemaの使い方　その2 PCB Parts Library の使い方

http://vvvf.blog.jp/archives/4305504.html

第4回　回路図エディタEeschemaの使い方　その3　ピン設定の変更

http://vvvf.blog.jp/archives/4380666.html

第5回　プリント基板エディタPcbnewの使い方　その1　

http://vvvf.blog.jp/archives/4644669.html

第6回　プリント基板エディタPcbnewの使い方　その2

http://vvvf.blog.jp/archives/4724854.html

第7回　プリント基板エディタPcbnewの使い方　その3

http://vvvf.blog.jp/archives/4803088.html

第8回　プリント基板エディタPcbnewの使い方　その4

http://vvvf.blog.jp/archives/5087007.html

第9回　フットプリントエディタの使い方

http://vvvf.blog.jp/archives/5188288.html

第10回　ユニバーサル基板や切削基板でのKiCadの設定

http://vvvf.blog.jp/archives/5190101.html

3.制御編

第１回　　マイコンのハードウェア

http://vvvf.blog.jp/archives/6080429.html

第2回　マイコンで使うビット演算

http://vvvf.blog.jp/archives/6216594.html

第3回　ビットシフト

http://vvvf.blog.jp/archives/6240219.html

第4回　AVRマイコンの環境づくり1　ライターのドライバとAtmel Studioのインストール

http://vvvf.blog.jp/archives/6261293.html

第5回　AVRマイコンの環境づくり2　AtmelStudioの日本語化とAtmel Studioの初期設定

http://vvvf.blog.jp/archives/6262931.html

第6回　Atmel Studioでのファイル作成とFuse設定

http://vvvf.blog.jp/archives/6402405.html

第7回　AVRマイコンのデジタル入出力

http://vvvf.blog.jp/archives/7126511.html

第8回　マイコンのPWM出力　その1　可変周波数PWMの理論とパラメータ決定

http://vvvf.blog.jp/archives/7483091.html

第9回　マイコンのPWM出力　その2

http://vvvf.blog.jp/archives/7662206.html

第10回　マイコンのタイマー割り込み　その1

http://vvvf.blog.jp/archives/7860243.html

第11回　マイコンのタイマー割り込み　その2

http://vvvf.blog.jp/archives/7860414.html

第12回　AVRマイコンの割り込みのまとめ

http://vvvf.blog.jp/archives/8031672.html

第13回　AVRマイコンのシリアル通信

http://vvvf.blog.jp/archives/8456549.html

　前回までは何回かに分けて割り込み処理のお話をしてきましたが、今回は内容がガラッと変わってシリアル通信のお話を行います。ちなみに、Atmega328Pには一般的にシリアル通信と言われる「USART」のほかにも、「I2C」や「SPI」もありますが、今回紹介するには「USART」です。初めに、この3つの通信方式を筆者の偏見で軽くまとめてみます。

　筆者の感覚的にまとめるとざっとこんな感じです。「USART」と「I2C」「SPI」通信の最大の差は、1対複数のバス通信が規格としてサポートされているかいないかと言えるでしょう。しかし、引き換えに「I2C」と「SPI」は通信可能な距離が短く、距離が延びると安定性が非常に低くなります。筆者の経験上、I2Cは数十センチの距離でもモータなどのノイズでエラーが発生し正しく通信できません。（SPIはArduinoのシールド程度の距離でしか使用していないので不明です）Arduino系の分野では「I2C」はセンサなどとの通信、「SPI」はシールドとの通信に使われることが多いです。また、SPI通信はAVRマイコンのシリアル書き込みにも使われていますね。

　そして、今回紹介する「USART」は基本的には1対1の通信ですが、工夫をすることにより、1対複数の通信も実装することは可能です。これにより比較的長い距離でも高い安定性で複数の子に対して通信を行うことも可能というわけです。なので、筆者はこの方法でモータ演奏基板の通信を行っています。（I2CとSPIは好みの問題で自分が実装する箇所には使っていません）

　前置きはこの程度にしておいて、実際にAVRマイコンでのシリアル通信の使い方の紹介をしていきたいと思います。とはいえ、基本的にシリアル通信は理論的な個所はほぼなく、条件次第で通信速度設定時に計算を行う程度となっているので、今回はレジスタの設定をメインに紹介を行いたいと思います。

　シリアル通信のレジスタの設定はatmega328Pのデータシート(https://avr.jp/user/DS/PDF/mega328P.pdf )のP138~P141に書かれています。このうちシリアル通信の動作の設定を行うレジスタは「UCSR0A」「UCSR0B」「UCSR0C」の3つ、通信速度の設定を行うレジスタは「UBRR0」(12bit必要なのでデータシートではUBRR0LとUBRR0Hと分かれているが、プログラム上は一括で書ける)となっており、通信データが入るレジスタが「UDR0」となっています。

　初めに設定のレジスタを見ていきましょう。

UCSR0A

UCSR0B

UCSR0C

※ビット2,1は主装置SPI動作の時は設定項目自体が変わります。設定項目名がビット2:UDORD(データ順選択)、ビット1:UCPHA:クロック位相選択に変わります。詳細はここでは省略します。

以上がシリアル通信（USART）の設定レジスタです。続いて、通信速度の設定レジスタの紹介をします。通信速度の設定レジスタは「UBRR0」です。このレジスタに値を設定することで通信速度が決定されます。このレジスタに入力する値はデータシートP136~P137のボートレート設定例の表から検索するか、データシートP126の数式を変換した以下の式で求めます。

この検索、計算した値を「UBRR0」レジスタに入力することで通信速度が設定できます。

最後にデータの送受信の方法ですが、やり方として2種類あり割り込みを使う方法と使わない方法に分けられます。

前者の割り込みを使う方法の場合は、設定レジスタで割り込みを使う設定（割り込み許可と完了フラグを1）にし、割り込みの関数内で受信時は「UDR0レジスタから読み取り」送信時は「UDR0レジスタに書き込み」を行います。

割り込みを使わない場合は、main関数の無限ループ内で各完了フラグが1に設定されているときに受信時は「UDR0レジスタから読み取り」送信時は「UDR0レジスタに書き込み」を行います。

サンプルプログラム

今回は割り込みを使った場合で、Arduinoからデータを受信するようにした場合のプログラムとなります。なお、ここでの設定した内容は、上の設定レジスタの表の設定値の太線の値となっています。

#include <avr/io.h>

#define F_CPU 16000000 //CPUクロック16Mhz

#define SPEED 38400//シリアル通信の速度

int main(void)

{

         //シリアル通信設定

        UBRR0 =  ((long)F_CPU/((long)SPEED * 16)) - 1;

        UCSR0A = 0x80;

        UCSR0B = 0x98;

        UCSR0C = 0x06;

        sei();

    /* Replace with your application code */

    while (1)

    {

    }

}

ISR(USART_RX_vect){//シリアル受信完了時

        uint8_t data = 0; //受信データ

        data = UDR0;

}

以上がサンプルプログラムとなります。今回はArduinoからのデータ受信を目的にプログラミングを行いました。今回まででモータを鳴らすための回路、プログラム設計に必要な基礎のお話はほぼ紹介したので、次回からは全体的な設計のお話を少ししたいと思います。そのあとまた気分次第でモータを鳴らすことにはつかない基礎的なお話もするかもしれないです。

前回まででタイマー割り込みの使い方について紹介してきました。今回は割り込みの種類とそれぞれに使うISR関数の引数（マクロ）を紹介したいと思います。

　Atmega系のマイコンのISR関数の引数は「C:\Program Files (x86)\Atmel\Studio\7.0\packs\atmel\ATmega_DFP\1.2.150\include\avr」のフォルダ内の「iom****.h」（****にはマイコンの型番の数字が入る）のヘッダーファイルの下部に書かれています。それぞれ、「*****_vect」(*****は割り込みごとに異なる)の形で表します。（それ以外の形で書かれているのは別物です）Atmega328Pの場合は「C:\Program Files (x86)\Atmel\Studio\7.0\packs\atmel\ATmega_DFP\1.2.150\include\avr\iom328p.h」になります。（Atmega以外のマイコンの場合、上記のパスの「atmel」フォルダに戻り、それぞれのマイコンの種類を選択して同じように進んでください。(attiny2313の場合「C:\Program Files (x86)\Atmel\Studio\7.0\packs\atmel\ATtiny_DFP\1.3.147\include\avr\ iotn2313.h」です。)）今回は例として「atmega328P」の割り込みの種類とマクロ名を紹介します。

タイマー割り込み

外部割込み

以上の2種類（タイマー、外部）の割り込みがマイコンの割り込みの代名詞ともいえるよく使われる割り込みとなっています。外部割込みの設定はatmega328Pの場合データシート(https://avr.jp/user/DS/PDF/mega328P.pdf )のP50~53にかけて書かれています。軽くまとめておくと以下のようになります。

外部割込み

EICRAレジスタ：割り込みの条件（ピンの状態がどのように変化した時に割り込みを行うか）の設定

EIMSKレジスタ：外部割込みを許可するレジスタ

外部割込みは以上の2つのレジスタを設定して使います。EIFRレジスタは通常使いません。

ピン変化割り込み

PCICRレジスタ：ピン変化割り込みを許可するレジスタ

PCMSK0レジスタ：ピン変化割り込み0群のうち、変化を読み取るピンを選択するレジスタ

PCMSK1レジスタ：ピン変化割り込み1群のうち、変化を読み取るピンを選択するレジスタ

PCMSK2レジスタ：ピン変化割り込み2群のうち、変化を読み取るピンを選択するレジスタ

ピン変化割り込みは以上の4つのレジスタを設定して使います。PCIFRレジスタは通常使いません。

続いて、通信系の割り込みを紹介します。

通信系割り込み

以上が通信系の割り込みとなります。「データレジスタ空割り込み」を除いて、通信の動作が完了し次のデータを送受信できる状態になった時がトリガーとなります。この割り込みを使うことでデータを受信したら、そのデータを読み込むといった動作が可能になります。なお、次回の記事でシリアル通信の使い方について紹介します。

その他割り込み

最後のその他の割り込みは使う機会はあまりないと思います。使うとしてもA/D変換完了割り込みぐらいだと思います。

以上がatmega328Pにおける割り込みの種類とそれに対応するマクロです。マイコンの種類が変わっても、同様に考えれば割り込み処理は使えると思います。次回はatmega328Pにおけるシリアル通信の使い方を紹介します。

サンプルプログラム

　今回のサンプルプログラムは、「frequency」変数に入力した周波数（パルス）数でステッピングモータを回転させるプログラムです。回転数に応じてduty比を変化させており、2相励磁となっています。

#include <avr/io.h>

#include <avr/interrupt.h>//割り込みのライブラリ

void setSquareWave(int freq); //矩形波の周波数設定

volatile uint8_t vect = 0;//角度

volatile uint8_t duty_h = 0;//duty125以上

volatile int frequency = 500;

volatile double duty = 0;

uint8_t PD[5] = {0x08, 0x20, 0x00, 0x40, 0x08};//ステッピングモータ励磁状態の配列

uint8_t PB[5] = {0x00, 0x00, 0x08, 0x00, 0x00};//この値をPORTに入れる

int main(void)

{

         DDRD = 0x68;//PWMピンを出力設定

         DDRB = 0x0F;

         //矩形波生成タイマー設定

         TCCR1A = 0x03; //PWM出力なし位相/周波数基準 OCR1A max

         TCCR1B = 0x1B; // 64分周

         TIMSK1 = 0x00; //割り込み停止

         setSquareWave(frequency);//周波数セット

         sei();//割り込み開始

    while (1)

    {

    }

}

void setSquareWave(int freq) {

  if (freq < 500) duty = 80; //duty比設定//90

  else if (freq < 1000) duty = 120;//120

  else if (freq < 1500) duty = 190;//150

  else duty = 230;//200

  if (freq != 0) { //動作

    TIMSK1 = 0x00;  //割り込み禁止

    //TCCR1B = 0x1B;//64分周 /2 →250,000回カウント

    OCR1A = (unsigned int)(250000 / freq) ; //割り込み周波数

        if(duty <= 125){ //duty比が低い時（実質1相励磁）

                OCR1B = OCR1A * (duty / 125.0);

                duty_h = 0;//低duty

        }else {//duty比が高い時（2相励磁）

                OCR1B = OCR1A * ((duty -125.0) / 125.0);

                duty_h = 1;//高duty

        }

    TIMSK1 = 0x05;//OVFと比較Bの割り込み許可

    DDRC = 0x00;//出力オフ（Hi-Z)

  } else  { //停止

    TIMSK1 = 0x00;  //割り込みなし

    PORTD &= ~0x68;

    PORTB &= ~0x08;//出力L

    DDRC = 0x0F;//出力ダウン

  }

}

ISR(TIMER1_OVF_vect) { //オーバーフロー割り込み

        vect++; //進める

        if (vect > 4) vect = 1; //OVF

        PORTD |= PD[vect];

        PORTB |= PB[vect]; //出力

}

ISR(TIMER1_COMPB_vect) { //矩形波割り込み

        if(duty_h){

                PORTD &= ~PD[vect - 1];//1つ前の出力OFF

                PORTB &= ~PB[vect - 1];//1相励磁

        }else{

                PORTD &= ~PD[vect];//出力OFF

                PORTB &= ~PB[vect];//1相励磁

        }

}

　基本的なレジスタ設定はPWM出力に準じています。また、ステッピングモータのduty比の設定は溢れ割り込みと比較一致割り込みを組み合わせることで実現しています。ステッピングモータの励磁状態は配列に入れた値を使うことで処理の簡略化を実現しています。

そして、割り込みを使用するにあたって注意しなければならないのが、割り込み用のライブラリである<avr/interrupt.h>を読み込まなければならないことと、割り込み処理は「ISR(*****)」の関数を使う必要があるということです。また、ISR関数の引数(*****)（マクロともいう）は割り込みの種類ごとに異なるので注意しなければなりません。Atmega328Pにおけるタイマー割り込みの場合はISR関数の引数は以下の表のようになります。

割り込み処理の内容はISR関数に上の表の引数を入れること（サンプルプログラム参照）で実行ができます。ここで引数を間違うと割り込み処理ができないので注意が必要です。（コンパイルが通る場合もあるので注意）

以上でタイマー割り込みの設定は終わりです。次回は割り込み処理の引数（マクロ名）の探し方を紹介したいと思います。

前回はマイコンからPWMを出力するお話をしましたが、今回はタイマー割り込みのお話です。前回のPWMはマイコンのタイマー機能を利用していましたが、今回のタイマー割り込みもタイマーを使っています。とはいえ「割り込みってなんやねん」って思う方もいると思うので最初に軽く割り込みについて紹介します。

割り込みとは

　割り込みは、設定したトリガが発生した時に強制的に特定の処理をさせることを意味しています。トリガが発生した時にたとえ他の処理を行っていたとしても、割り込みに指定された処理を強制的に実行するため、トリガ発生時に確実な処理が可能になるというわけです。これを図示すると下の図のようになります。

　図からも、通常の処理を行っているときにトリガが入ると強制的に割り込み処理を開始し、割り込み処理が終了するまでは他の処理が中断されることがわかりますね。（Atmega328Pなどの1スレッドのマイコンの場合）

タイマー割り込みとは

タイマー割り込みでは、このトリガが「タイマー」によって発生します。つまり、一定の時間ごとに割り込み処理を行えるということです。ステッピングモータを回すパルスを発生させるときなど正確な時間間隔で似た処理を行いたいときなどに非常に使い勝手の良い処理と言えますね。それでは、続いてAtmega328Pにおけるタイマー割り込みの原理を紹介していきます。

タイマー割り込みは前回紹介したPWMと同様にマイコンのタイマー機能を使っており、マイコンのタイマーのカウンタがある状態になった時に、トリガを発生させるという仕組みです。ここでの、ある状態とは、タイマーがカウントの数がオーバーフロー（溢れ）した時や比較値（PWM生成の時の閾値 OCR0Bなど）と一致した時などを指します。つまり、タイマーのカウントが特定の値に達した時に、割り込み処理が実行されるというわけです。このタイミングを図示してみます。

　上の図がタイマーのカウンタがオーバーフローしたときの割り込み（マイコンではこれを溢れ割り込みと言います）を示しており、タイマーのカウンタがオーバーフローする↓で示したタイミングで割り込み処理が行われます。ただし、この溢れ割り込みのタイミングはタイマーの動作種別によりタイミングが変わります。（詳細は次の節）また、同様に下の図はタイマーのカウンタが比較Aに達した時の割り込み（比較A割り込み）を示しており、↓で示したタイミングで割り込み処理が実行されます。

タイマー割り込みの注意点

　先ほどの節でタイマー割り込みの原理を紹介しましたが実際にタイマー割り込みを使用するにあたって注意しなければならない点が複数あります。1つ目は溢れ割り込みのタイミングで2つ目は比較・捕獲割り込みのタイミング、3つ目はTOP値と比較・捕獲値の関係です。

溢れ割り込みのタイミング

　溢れ割り込みは定義上はカウンタの値がオーバーフローした時の割り込みです。しかし、溢れ割り込みでオーバーフローした時に割り込みが入るのはデータシート上「標準動作」と「比較一致ﾀｲﾏ/ｶｳﾝﾀ解除(CTC)動作」のみであるということに注意しなければなりません。すなわちよく使われる、「高速PWM動作」や「位相基準PWM動作」、「位相/周波数基準PWM動作」においてはタイマーのカウンタがオーバーフローした時に割り込みが実行されないというわけです。Atmega328pのデータシート(https://avr.jp/user/DS/PDF/mega328P.pdf )のP.99（タイマー1）を確認すると、このことの記載がされており、タイマーの動作種別によりタイミングが異なると書かれています。そのタイミングはタイマー動作種別の表（以下に引用）に書かれています。

上が8ビットタイマーで下が16ビットタイマーの場合です。それぞれの表の右端の赤で囲んだ「TOV1設定時」の項目に溢れ割り込みが入るタイミングが書かれています。これより「高速PWM動作」ではタイマーのカウンタが「TOP値」に達した時、「位相基準PWM動作」「位相/周波数基準PWM動作」ではタイマーのカウンタが「BOTTOM値(0)」に達した時に割り込みが動作することがわかります。これを図示してみます。

　図を見れば「高速PWM動作」はTOP値で割り込みが入っていますが、TOP値は同時にBOTTOM値でもあるのでどちらかというと溢れ割り込みは、タイマーのカウンタが0になったタイミングで入ると考えても問題はないでしょう。以上が溢れ割り込みの動作のタイミングの注意点です。

比較・捕獲割り込みのタイミング

　比較A,B割り込みや捕獲割り込みはタイマーのカウンタの値が比較A,B値(OCR*A,B)や捕獲値(ICR1)と一致した時をトリガとして割り込みが入ります。原理上はこれだけなのですが、タイマーの動作種別により割り込みが入るタイミングや回数が変わることに注意しなければなりません。割り込みが入るタイミングを図示してみます。

　この図を見れば、高速PWM動作ではカウンタ1周期の間に割り込みが1回で等間隔に割り込みが入るのに対して、位相(/周波数)基準PWM動作ではカウンタ1周期の間に2回割り込みが入り割り込みが入るタイミングが等間隔でないことがわかります。割り込み動作の時はカウンタが上昇時と下降時の区別がされずに単に値が一致した時がトリガとなるためこのような動作となります。

TOP値と比較値との関係

　この関係はタイマーのカウンタのTOP値と比較値が一定の関係にならないと割り込みが入らないことを示しています。割り込みが正しく入る条件はこのような関係です。

比較値≦TOP値

この関係も原理から考えると非常にやさしいものですが2つの値の関係よってどのようになるかを図示してみます。

比較値とTOP値の関係を「比較値＞TOP値」「比較値＝TOP値」「比較値＜TOP値」の3つの場合を図示してみました。この図を見れば、「比較値＞TOP値」の時に割り込みが一切入らなくなることは明らかですね。また、「比較値＝TOP値」はカウンタがTOP値に達した時に割り込みが入るため、カウンタ1周期につき1回しか割り込みが入らないこともわかると思います。

以上の3つが割り込みを使うときの大きな注意点となります。続いて、各種レジスタの設定方法ですが、波の形と最大高さ関連の設定は前回のPWMの記事（http://vvvf.blog.jp/archives/7662206.html）を参考に行ってください。ここではタイマー割り込みにおいてPWM出力時と異なるレジスタ設定の項目を紹介します。

割り込みのレジスタ設定

初めに、各出力ポートの設定です。今回はPWM出力を利用しないので、すべて「標準ポート動作」(COM*x: 0 0)を選択します。TCCR0A,B、TCCR1A,B、TCCR2A,Bのその他の設定はPWMの時と同じようにしてください。

続いて、割り込み動作の許可の設定です。

この割り込み許可レジスタで、各種割り込みを許可する設定を行っています。利用する割り込みのビットを立てることで、割り込みが使用できるようになります。なお、捕獲割り込みは「ICR1」と一致時、比較一致割り込みは「OCR*A」「OCR*B」と一致した時に割り込みが入ります。

以上でレジスタの設定は終了ですが、割り込みを使用するにはプログラムですこし変わった書き方が必要となります。各レジスタの実際の設定値と合わせて、次のサンプルプログラムのところで紹介します。

文字数の関係でサンプルプログラムはその2に続きます

前回はデジタル入出力のお話をしましたが、今回は疑似アナログ出力ともいわれるPWMの出力を紹介します。PWMと言ってもなにかわからないかもしれないので、まずは、PWMがどんなものであるかをお見せしましょう。

この図の波形は電圧の波形を示しています。PWMというのはこのようにONとOFFを高速で繰り返して、疑似的にアナログ出力を行おうとするものです。出力電圧は以下の式で表せます。

Vin:入力電圧[V]

Vout:出力電圧[V]

T:PWM周期[s]

t:ON時間[s]

Vout=Vin×(t/T)

つまり、ONの時間とOFFの時間の割合を調整して、0Vから入力電圧の範囲でいろいろな電圧を作り出せるというわけです。そして、PWM周期とON時間の比をデューティー比と言います。

そして、モータを演奏するうえでは非常に有用なのがPWM周期です。PWM周期が短くなると高い音（周波数が高い音）が出て、PWM周期が短くなると低い音（周波数が低い音）なります。ちなみに、周期から周波数は以下の式で変換できます。

f:PWM周波数[Hz]

f = 1/T

この式より、PWM周期が大きいとPWM周波数が低くなり低い音が、PWM周期が小さいとPWM周波数が高くなり高い音が出ることがよくわかると思います。つまり、モータ演奏はこのPWM周波数を調整して音色を演奏するというわけです。この章では、PWMの出力方法はもちろん、PWMの周波数の変更方法も紹介していきます。

マイコンのタイマーの動作

マイコンのPWM出力はArudinoでいうdelay()のようなものを使って、手動でONとOFFを繰り返して出力するものではありません。マイコンのPWMはマイコン内部に搭載されているタイマーと呼ばれる機能を使って、波形を生成しています。

今回使用している「atmega328P」の場合はタイマーが3つ搭載されており、内部の最大カウントが8ビット（255）の8ビットタイマーが2つ、最大カウントが16ビット(65535)の16ビットタイマーが1つ搭載されています。それぞれのタイマーで出せる周波数やデューティー比の精度が大幅に変わってきます。（もちろん16ビットタイマーの方が精度を出しやすい）

話ばかりでは、分からないと思うので、実際にマイコンのタイマーがどのようなものであるかをデータシート(https://avr.jp/user/DS/PDF/mega328P.pdf )から見てみましょう。データシートの89ページからタイマーについて書かれているページがあります。

はじめにタイマー全体の概要を紹介するために例として、高速PWM動作を使ってみます。

マイコンのタイマーは、内部的に図の→で示したようなのこぎり波を描くカウンタがあります。時間（CPUのクロック数）に応じてこのカウンタの値が変化し、こののこぎり波と閾値を比較してPWMの波形を生成しています。CPUのクロック数に応じてPWMの波形を生成しているため、一定で正確なPWM周波数とデューティー比を出力できるというわけです。PWMは図で示したように、のこぎり波の値が閾値より小さい時にON状態になっていて、閾値より大きい時にOFF状態となってことがわかります。

マイコンでは、この上下する波形の形や、最大高さ、傾きを変更することができます。これらの変化させることで、生成するPWMの周波数を変更することができます。ここからは、波形の形、最大高さ、傾きによりPWM周波数が変えれることを紹介していきます。

波形の形

波形の形は2種類あり、先ほど示したようなカウンタが最大値となると0に戻るのこぎり波を描くタイプと、カウンタが最大値になると値が降下し始める三角波を描くタイプの2種類があります。この2種類の波形は動作種別により設定ができます。前者のタイプの波形は「高速PWM動作」を選んだ場合に生成され、後者のタイプの波形は「位相基準PWM動作」または「位相/周波数基準PWM」を選んだ場合に生成されます。

傾きと最大高さが同じ場合に、PWMの出力波形がどのようになるかを図示してみます。

この波形の図からもわかるように、のこぎり波を生成する「高速PWM動作」で生成されるPWM周波数は、三角波を生成する「位相基準動作」「位相/周波数基準動作」（位相/周波数基準動作はタイマー1のみ）で生成されるPWM周波数の約2倍の周波数になっていることがわかります。（約とつけたのは、完全な2倍ではないため）これによって、PWM周波数を2倍に変化させることはできますが、これだけでは音色を奏でることはできません。　そのため、ほかのテクニックを組み合わせる必要があります。

また、データシートの「位相基準動作」のページを確認すると、「位相/周波数基準動作」が使えるタイマー1の場合はTOP値(波の最大高さ)を変更する場合は、「位相/周波数基準動作の使用を推奨する」と書かれています。そのため、今回使用する動作種別は「高速PWM動作」と、「位相/周波数基準動作」（タイマー1）or「位相基準動作」（タイマー0,1）をタイマーに応じて使い分け、各波形ごとに1種類の種別を使うことにします。

波の最大高さ

先ほどは、波の形を変えて周波数を変化させようとしましたが、今度は波の最大値（高さ）を変化させてPWM周波数を変化させる方法を紹介します。

傾きが同じ場合に最大値を変化させると生成される周波数が変化するというわけですが、言葉ではわかりにくいと思うので、どのようになるのかを図示してみます。

この図から、傾きが同じでも波の高さを高くすればPWM周波数は低くなり、高さを低くすればPWM周波数が高くなることがわかります。これより、PWMの周波数は波の高さに反比例することがわかると思います。

　波の最大高さの設定は、PWMの出力の設定によって可否が変わります。周波数を可変するPWMを生成する場合は、最大値が固定ではなくレジスタで設定できるものを選びます。（可変しない場合はTOP値0xFF(255)のものを選ぶ）8ビットタイマーである「タイマー0」と「タイマー2」の場合は波の最大高さは「OCR0A」、「OCR2A」のレジスタで設定できます。また、16ビットタイマーである「タイマー1」の場合は波の最大高さを「ICR1」か「OCR1A」で設定できますが、PWM周波数を頻繁に変える場合「ICR1」を使うと正しく動作しません。（データシートによると「ICR1」を変更する際に2重緩衝がされないため、条件によって正しく動作なると書かれており、波の高さを変更する場合は「OCR1A」の利用を推奨すると書かれています。筆者の環境で「ICR1」で周波数可変を試しましたが、正しく音が出ないときが発生しました。）そのため、波の高さを変える（周波数を変える）場合に使える波の最大値（TOP値）の設定レジスタは「OCR*A」となります。

　次に、各タイマーで使える波の高さの最大値について紹介します。設定できる波の高さの最大値は8ビットタイマー（タイマー0,2）と16ビットタイマー(タイマー1)で大きく違うことに注意しなければなりません。　

8ビットタイマーはその名の通り、内部処理を8ビットで行っています。そのため、設定できる波の高さの最大値も８ビットで表せる数に限られます。つまり、最大値は255(2^8-1)というわけです。また、PWMを生成するにあたって波の高さが最低2は必要（最大高さ1以下だと、閾値との比較ができずPWMとして成立しない）です。そのため、原理上設定できる波の高さは2～255というわけです。しかし、波の高さが低いとduty比の変更が困難になってくるので、実質的に使用できる波の高さの最低値は20~30程度として、実使用においての波の高さの範囲は30～255となります。

16ビットタイマーの場合は内部処理が16ビットで行われているので波の最大高さは65,535となり、実質的に波の高さとして設定できるのは20～65,535となります。そのため、周波数の設定の自由度は圧倒的に16ビットタイマーの方が高いというわけです。

波の傾き

　波の形や高さを変えて周波数を変化させる方法以外にも波の傾きを変更して周波数を変更する方法を紹介しましたが、次は波の傾きを変えて周波数を変更する方法を紹介します。先ほどまでの方法に比べると直感的にもわかりやすいとは思いますが、今回も図示してみます。

　この図から、傾きを小さくするとPWM周波数が低くなり、傾きを大きくするとPWM周波数が高くなることがわかります。これより、PWMの周波数は波の傾きからも変更できることが明らかですね。

　AVRマイコンではタイマーの波の傾きは、マイコンに接続されている水晶発振子の周波数をもとに決められています。ですが、プログラム上からは水晶発振子の周波数を変更することは基本的にできません。そのため、タイマーには分周器という水晶が一定の回数発振したら、カウントを1つ進めるという機能が搭載されています。この分周器の設定を変更することによりタイマーのカウンタの傾きを変更できるというわけです。それでは分周器を使った場合のタイマーの波形のイメージを実際に図示してみましょう。

分周のイメージとしては、このような感じのイメージになっています。（実際の動作とはちょっと違うかもしれないけど）つまり、分周をした分だけ傾きが小さくなります。図で示した8分周の場合は傾きが1/8になり、結果として出力される周波数も1/8となります。

分周器で設定できる分周はタイマーごとに決められており、Atmega328Pの場合設定できる分周は以下の通りです。

このようにいくつかの決められた分周の中から選択をすることで大まかな、周波数を決めることができます。また、外部からクロックを与えることでPWMを生成することも可能です。（ここでは紹介しません）

出力周波数の設計

先ほどまでは、PWMの理論と周波数を変える理論の紹介を行いましたが、次は実際に周波数を変えるためのパラメータの決定を行っていきたいと思います。設計の手順としては

波の形→波の傾き→波の高さ

で設計を行います。

初めに、波の形を決めます。のこぎり波の高速PWM動作か三角波の位相基準動作（タイマー0,2）位相/周波数基準操作(タイマー1)のどちらかから選びます。特に理由がなければ三角波を選んでおけばよいでしょう。なお、ここで選ぶ波形によって使用する数式が変わるので注意が必要です。波の形を決めたら、周波数とパラメータの関係の数式からパラメータ選定を行います。データシートから出力周波数は以下の式で表せることがわかります。

初めに、この式に変形して以下のようにします。

そして、この式に、出力したいPWM周波数とシステムクロック(水晶の周波数)、そして適当な分周の値（８ビットタイマーで可聴周波数の場合は64分周程度を推奨）を代入して、TOP値を計算します。TOP値の計算結果が255(8ビットタイマーであるタイマー0,2),65535(16ビットタイマーであるタイマー1)を超えた場合分周の値を大きくします。逆にTOP値の計算結果が30を下回った場合分周の値を小さくします。分周の値を決めて、この式で計算したTOP値を波の高さとして設定すれば、出力したい周波数のPWMを出力することができます。

PS. 16ビットタイマーの場合でもTOP値が大きくなると扱いにくい場合は、必要に応じて分周の値を大きくしてください。

以上で任意の周波数のPWMを生成するための設定のパラメータは求まりました。次回は実際にプログラムに入力する方法を紹介します。

今回からは、実際にマイコンを使って特定の動作を行うプログラミングのお話を行っていきたいと思います。ここでは、レジスタの設定情報はもちろん、サンプルのプログラムも合わせて紹介していきたいと思います。

今回はマイコンの基本中の基本であるデジタル入出力のお話を行いたいと思います。

入出力設定

マイコンを使うときには初めにマイコンにピンを入力として使うか、出力として使うかを設定しなければなりません。

ピンを入力モードとして設定すると、インピーダンスは高くなります。逆に出力モードとして設定を行うと、ピンのインピーダンスは低くなります。そのため、回路上入力になる端子を出力設定すると、場合によっては過電流が流れマイコンが破損する場合があります。逆に回路上出力の個所を入力設定にすると出力先をドライブできなくなりますが、マイコンが破損する心配はほぼありません。（出力の条件次第（出力先の入力部をプルダウンやプルアップしていないなど）で出力先の回路が壊れる危険性はありますが…）この理由からAVRマイコンでは初期設定では、ピンは入力モードになっています。

レジスタ設定

入出力の設定を行うレジスタはAtmega328のデータシート(https://avr.jp/user/DS/PDF/mega328P.pdf )の65ページから67ページにかけて書かれています。これより、PORTB,C,Dそれぞれの入出力を設定するレジスタはDDRB,C,Dであることがわかります。

例としてPORTBの入出力の設定レジスタであるDDRBのリストを引用します。

「DDRB」レジスタの0ビット目から７ビット目までそれぞれPB0~PB7までの入出力の設定を行うレジスタビットになっています。それぞれのピンに対応するビットを0にすると入力、１にすると出力になります。初期設定は上の図の「リセット値」になるのですべて0、つまりすべて入力モードになっています。

また、PORTBの場合以下のようにPB6,7(下図赤□)が水晶端子と重なっていることがわかります。

このように特定の機能を持ったピンがある場合は、そのピンの持つ機能に合わせて入出力を設定します。今回のPB6,7は水晶入力なので、入力の設定にしておきます。（ピンの特殊機能を使う場合は基本的にここでの入出力設定は無視されて、正しい設定になるはずですが、一応保険のためにこのように設定しておきます。）

また、青で囲った部分は通常のピンとして利用できるピンです。このピンの中から使用するピンの入出力の設定を行います。（この中にはSPI通信の機能を持ったピンもあるので必要に応じて使い分けてください）

例として、PB1,3を出力、PB0,2,4,5を入力とする場合のレジスタ設定を紹介します。

上位の2ビットは使用不可なので0(入力)とし、ほかは出力ピンを1、入力ピンを0としてビットを並べて2進数としたものを、16進数に変換を行い桁数の削減を行います。

デジタル出力（出力状態設定）/内部プルアップ設定

入出力の設定が終われば次は、マイコンのデジタル出力の設定を行います。これは、マイコンのピンからHレベルの信号を出力するかLレベルの信号を出力するかの設定です。また、ピンを入力モードとしたときに、ピンをマイコン内部でプルアップするかしないかの設定も同じレジスタで行います。

レジスタ設定

ピンの出力状態の設定を行うレジスタはデータシートの65～67ページより、PORTB,C,Dそれぞれ、PORTB,C,Dであることがわかります。また、データシートの55ページの以下の情報から、プルアップが可能なことがわかります。

図の青で囲った、「PUD(MCUR第4bit)」(プルアップ禁止)レジスタは初期設定で0、つまりプルアップ許可（禁止でない）となっています。そのため、入力状態(DDRB,C,Dの対応ビットが0)である時に、PORTB,C,Dの対応ビットを1にすると、そのピンがプルアップされた入力になるというわけです。

次に例としてPORTBを紹介します。今回もリストを引用します。

入出力の設定と同じく、「PORTB」レジスタの0ビット目から7ビット目までそれぞれ、PB0からPB7までのピンの出力状態の設定を行うレジスタとなっております。それぞれのピンに対応するビットを0にするとLが出力され、1にするとHが出力されるようになっています。また、初期時(リセット時)はすべてLが出力されます。

例として、PB2,3をH出力、PB4,5をL出力、PB1をプルアップ入力、PB0をハイインピーダンス入力とした場合のレジスタ設定を紹介します。

まずは入出力の設定

DDRB ＝ 0b00111100

↓

DDRB = 0x3C

次に出力状態設定

入出力設定は、上位2ビットが使用不可、下位2ビットが入力で、ほかは出力なので、その通りにビットを並べ、入出力の設定を行います。そして、出力状態の設定はPB2,3がH出力、つまり第2,3ビットが1、またPB1がプルアップなので第1ビットが1になり、ほかはLまたはHZ（ハイインピーダンス）なので0となります。こちらも、最終的には桁数削減のために16進数表記にしています。

デジタル入力（ピン状態読み込み）

先ほどの設定でピンの出力状態の設定はできました。ですが、出力のレジスタでは入力モードの時にピンの状態を読み込むことができません。そのため、入力状態を取得するときには「入力レジスタ」と言われる別のレジスタを使用します。

レジスタ設定

ピンの入力状態を読み込むレジスタは、先ほどと同じくデータシートの65~67ページより、PORTB,C,Dのそれぞれに対して、PINB,C,Dであることがわかります。例として、PORTBの入力レジスタである、PINBについて紹介します。

このレジスタも、0ビット目から7ビット目までそれぞれPB0~PB7に対応しており、1を読み込んだ時はピンの状態がHレベル、0を読み込んだ時はピンの状態がLレベルとなっております。

また、このレジスタは種別としては読み書きの両対応のレジスタになっていますが、基本的には読み込みとして使用します。（PINBに書き込みを行うと、対応するPORTBの状態がトグルしますが、使うことはないと思います）

例として、PB3の状態を読み込む方法を紹介します。

特定のピンのみの状態を読み込む場合はAND演算を使って、読み込みたいビットのみを取り出します。（ほかのピンの状態は無視する必要があるため）また、必要に応じてビットシフトを行って、ビットをずらします。

以上で今回の（デジタル）入出力のお話は終了です。

サンプルプログラム

今回紹介したデジタル入出力を使った、サンプルプログラムの紹介を行いたいと思います。今回は、PD7にアクティブLOWのスイッチを接続し、内部プルアップを設定します。また、PB5端子にアクティブHIGHのLEDを接続し、スイッチが押されている間点灯するプログラムとします。

List1 DigitalInOut

#include <avr/io.h>

int main(void)

{

　　DDRB = 0x20;//PBを出力

　　DDRD = 0x00;//PD7は入力

　　PORTD = 0x80;//PD7をプルアップ

    /* Replace with your application code */

    while (1)

    {

　　　　if(PIND & 0x80){//H状態＝ボタンが押されていないとき

　　　　　　PORTB &= ~0x20;//PB5をL出力

　　　　}else{//L状態＝ボタンが押されているとき

　　　　　　PORTB |= 0x20;　　//PB5をH出力

　　　　}

　　}

}

プログラムの構成としては、初めに初期設定として、入出力の設定とプルアップの設定を行います。その後の無限ループ内で、PD7の状態を読み込み、Hの場合はPB5をL状態、Lの場合はPB5をH状態にしています。また、if文は0か非0かの判定であるので、状態判別時のビットシフトは省略できます。

また、今回の条件の場合は別の書き方として、while(1)の中を下のようにもすることができます。

while (1)

{

　　PORTB = ~((PIND & 0x80) >> 2);

}

こちらの書き方の考え方は、入力信号をANDとビットシフト、反転を行い、if文などを使わずに、そのまま出力しています。

この2つの書き方は場合により使い分ければよいと思いますが、後者は比較的使う場面は少ないと思います。（マイコン的な考え方ではありますが…）まあ、考え方として知っておけば損はしないと思います。

今回はマイコンの入出力の方法を紹介しました。次回はマイコンで音楽を奏でるミソであるPWMの出力のお話をしていきたいと思います。