AT90S1200による増設出力モジュール

AT90S1200による増設出力モジュール【どんなもの】　AVRに限らず、ワンチップマイコンで応用回路を設計していると、出力ポートが足りなくなることがあります。こういう時は、シフトレジスタにラッチの付いたIC（ 4094とか74HC595）を外付けすることが多いようです。これらのICは、3本の通信線で8ビットの出力が得られます。より多くの出力が欲しい時はこれらのICを数珠繋ぎにします。　こういうICの代わりに、内蔵RC発振器で動くAT90S1200が使えないかと考えました。　まずホストとの通信は非同期シリアル通信にします。こうすれば1本の通信線でOKです。AT90S1200は15ビットのI/Oポートがありますから、そのうちの1本を通信に使うとすると残り14ビットを出力ポートとして使えます。　AT90S1200の内蔵RC発振器はそれほど安定に発振するわけではありませんし、またホスト側もそうである可能性があります。どうせAT90S1200にはシリアル通信のためのハードウェアはありませんし、柔軟にいろいろなボーレートに対応するために、最初の通信で、ボーレートを決定する方法を取りました。

非同期シリアル通信のフォーマットは、上記のようになっています。（８ビット長、パリティ無し）　通信していない時はＨレベル　スタートビットは　Ｌレベル　以下、LSBからMSBまで出力して　ストップビットは　Ｈレベル LSBを必ずＨレベルとすれば、Ｌレベルの時間を測定すればストップビットの長さ（＝ボーレート）がわかります。 4800bps、9600bps、19200bpsのいずれでも通信できました。もちろん、この間の中途半端なボーレートでもかまいません。またこの増設出力モジュールは複数接続できるようにもしましょう。（下図）最大８台としておけば、まず足りないことはないはずです。

回路図です。↓

ソフトウェア　この回路は複数繋がることから、自分に対する送信データであることを識別するために、回路毎にID（3ビット）を持つことにします。つまり最大で８個の回路を繋ぐことができることになります。自分宛ではない送信データは無視します。そのために、送信するデータのバイト数も最初に知らせることにします。具体的には↓をご覧下さい。

フォーマット１では、14ビットのポート全部を直接Ｈ/Ｌできます。フォーマット２では、14ビットのうちのどれか１ビットをＨまたはＬにできます。（0=PD0、13=PB7）では、テストしてみます。

14ビットの出力にはそれぞれLEDを繋ぎ、通信ポート（PD2）には簡易なEIA-232インターフェースを入れて、PCと接続しました。

うまく動いています。 19200bpsで、3バイト送信するのに、1.5msかかります。2バイト送信なら1msです。この程度の頻度でしか出力を変化できませんが、リレーのON/OFF程度でしたら充分でしょう。単純にポートをON/OFFするのではなく、7セグLEDを繋いで、ローカル側でスキャンすれば、ダイナミック点灯もできるでしょう。それはこれからです。デコーダを使わないとすれば、７セグ×７桁、もしくは８セグ×６桁の制御ができますね。
	4800bpsで$55を受信させました。サンプリングするところで、ポートを Low/Highして、受信しているシリアルデータのどこをサンプリングしているか観測しました。黄色がサンプリング位置空色がシリアルデータちょっとズレもありますが、だいたいほぼ中央部でサンプリングしていて問題ないようです。
	これは9600bps。サンプリング位置がよくわかるように重ねてみました。問題ありませんね。
	これは19200bps。問題ありません。
	ここでソフトを変えました。割込処理の入口でLow、割込処理の出口でHighにしてみました。 Lowの期間が割込処理していることになります。（黄色の方） 19200bpsです。３バイト連続受信したところ。
	上記の時間軸を拡大しました。割込処理の時間に問題ないようです。（シリアルデータの1ビットが約50μ秒、割込処理の時間は、最後が一番長くかかっていて30μ秒弱です。最後が長くなるのは、今まで受信したデータをポートに出力する処理があるからです。もし38400bpsになるともう処理が追いつかないことになります。）
以上より、19200bpsには充分追従することがわかりました。おそらくあと2～3割早くても大丈夫でしょう。 AT90S1200のクロックは1MHz（＝周期1μ秒）ですので、 1命令実行するのに1～2μ秒かかります。割込処理に30μ秒ということは20命令分ぐらいでしょうか。クロックに比例して処理速度は上がりますから、素直にセラロックか何かを外付けすれば、もっと早いボーレートにも対応できます。（早い方の限界はAT90S1200の処理速度に起因しています。）遅い方の限界は、タイマ割込を使う関係で、タイマのカウンタが8ビットだということに起因しています。現状で、4800bpsが遅い方の限界です。これは、なるべく処理速度を早くするために、１回のタイマオーバーフロー割込を使っているからで、ソフト次第で遅い方にはいくらでも対応できるのは言うまでもないことです。 AT90S1200は最高で12MHzクロックで動作しますから、スピード狂の方はやってみて下さい。今の12倍、maxで300kbpsぐらいまで追従するはずです。遅い方は今のソフトのままで60kbpsぐらいまで追従しますから、 Windows PCの一般的なボーレートの最大である115.2kbpsにぴったりです。8台まで繋げますので、あまり高速に書き換えることはできませんが（115.2kbpsですと、１台分の書き換えに200～300μ秒ぐらい）、PCのCOM ポートに繋ぐ汎用出力ポートとしても用途がありそうです。ソフトはこちら。
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AT90S1200による増設出力モジュール【どんなもの】　AVRに限らず、ワンチップマイコンで応用回路を設計していると、出力ポートが足りなくなることがあります。こういう時は、シフトレジスタにラッチの付いたIC（ 4094とか74HC595）を外付けすることが多いようです。これらのICは、3本の通信線で8ビットの出力が得られます。より多くの出力が欲しい時はこれらのICを数珠繋ぎにします。　こういうICの代わりに、内蔵RC発振器で動くAT90S1200が使えないかと考えました。　まずホストとの通信は非同期シリアル通信にします。こうすれば1本の通信線でOKです。AT90S1200は15ビットのI/Oポートがありますから、そのうちの1本を通信に使うとすると残り14ビットを出力ポートとして使えます。　AT90S1200の内蔵RC発振器はそれほど安定に発振するわけではありませんし、またホスト側もそうである可能性があります。どうせAT90S1200にはシリアル通信のためのハードウェアはありませんし、柔軟にいろいろなボーレートに対応するために、最初の通信で、ボーレートを決定する方法を取りました。

非同期シリアル通信のフォーマットは、上記のようになっています。（８ビット長、パリティ無し）　通信していない時はＨレベル　スタートビットは　Ｌレベル　以下、LSBからMSBまで出力して　ストップビットは　Ｈレベル LSBを必ずＨレベルとすれば、Ｌレベルの時間を測定すればストップビットの長さ（＝ボーレート）がわかります。 4800bps、9600bps、19200bpsのいずれでも通信できました。もちろん、この間の中途半端なボーレートでもかまいません。またこの増設出力モジュールは複数接続できるようにもしましょう。（下図）最大８台としておけば、まず足りないことはないはずです。

回路図です。↓

ソフトウェア　この回路は複数繋がることから、自分に対する送信データであることを識別するために、回路毎にID（3ビット）を持つことにします。つまり最大で８個の回路を繋ぐことができることになります。自分宛ではない送信データは無視します。そのために、送信するデータのバイト数も最初に知らせることにします。具体的には↓をご覧下さい。

フォーマット１では、14ビットのポート全部を直接Ｈ/Ｌできます。フォーマット２では、14ビットのうちのどれか１ビットをＨまたはＬにできます。（0=PD0、13=PB7）では、テストしてみます。

14ビットの出力にはそれぞれLEDを繋ぎ、通信ポート（PD2）には簡易なEIA-232インターフェースを入れて、PCと接続しました。

うまく動いています。 19200bpsで、3バイト送信するのに、1.5msかかります。2バイト送信なら1msです。この程度の頻度でしか出力を変化できませんが、リレーのON/OFF程度でしたら充分でしょう。単純にポートをON/OFFするのではなく、7セグLEDを繋いで、ローカル側でスキャンすれば、ダイナミック点灯もできるでしょう。それはこれからです。デコーダを使わないとすれば、７セグ×７桁、もしくは８セグ×６桁の制御ができますね。
	4800bpsで$55を受信させました。サンプリングするところで、ポートを Low/Highして、受信しているシリアルデータのどこをサンプリングしているか観測しました。黄色がサンプリング位置空色がシリアルデータちょっとズレもありますが、だいたいほぼ中央部でサンプリングしていて問題ないようです。
	これは9600bps。サンプリング位置がよくわかるように重ねてみました。問題ありませんね。
	これは19200bps。問題ありません。
	ここでソフトを変えました。割込処理の入口でLow、割込処理の出口でHighにしてみました。 Lowの期間が割込処理していることになります。（黄色の方） 19200bpsです。３バイト連続受信したところ。
	上記の時間軸を拡大しました。割込処理の時間に問題ないようです。（シリアルデータの1ビットが約50μ秒、割込処理の時間は、最後が一番長くかかっていて30μ秒弱です。最後が長くなるのは、今まで受信したデータをポートに出力する処理があるからです。もし38400bpsになるともう処理が追いつかないことになります。）
以上より、19200bpsには充分追従することがわかりました。おそらくあと2～3割早くても大丈夫でしょう。 AT90S1200のクロックは1MHz（＝周期1μ秒）ですので、 1命令実行するのに1～2μ秒かかります。割込処理に30μ秒ということは20命令分ぐらいでしょうか。クロックに比例して処理速度は上がりますから、素直にセラロックか何かを外付けすれば、もっと早いボーレートにも対応できます。（早い方の限界はAT90S1200の処理速度に起因しています。）遅い方の限界は、タイマ割込を使う関係で、タイマのカウンタが8ビットだということに起因しています。現状で、4800bpsが遅い方の限界です。これは、なるべく処理速度を早くするために、１回のタイマオーバーフロー割込を使っているからで、ソフト次第で遅い方にはいくらでも対応できるのは言うまでもないことです。 AT90S1200は最高で12MHzクロックで動作しますから、スピード狂の方はやってみて下さい。今の12倍、maxで300kbpsぐらいまで追従するはずです。遅い方は今のソフトのままで60kbpsぐらいまで追従しますから、 Windows PCの一般的なボーレートの最大である115.2kbpsにぴったりです。8台まで繋げますので、あまり高速に書き換えることはできませんが（115.2kbpsですと、１台分の書き換えに200～300μ秒ぐらい）、PCのCOM ポートに繋ぐ汎用出力ポートとしても用途がありそうです。ソフトはこちら。
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