液晶付きデータロガー マニュアル
1:このデータロガーについて
液晶付きデータロガーは、TTL ディジタル入力 8 チャンネル、アナログ 3 チャンネル、シリアル 1 チャンネルなどからの入力データを、マイクロ SD カードに記録し、同 時にリアルタイムに液晶に表示します。データサンプリング速度は最大10kHz と低速ですが、長時間に渡っての連続的なデータ取得が可能です。このような特徴により、 本機は発生頻度の低いイベントの記録などに向いています。 本機はFAT フォーマットされた MicroSD カードに最大 4 ギガバイトまでのログデータファイルを記録可能です。ファイルは電源投入毎に新規に作成され、そこに入力 を記録していきます。入力はアナログ、ディジタル共に0V から 3.3V の範囲の電圧を、設定したサンプリング周期で記録します。 更に詳細なドキュメントが以下のサイトにありますのでご参照下さい。http://www.wikihouse.com/madnoda/
2:必要な部品
以下の部品が必要です。 部品名 説明 購入先 (参考)価格U1 STM32F405RGT6 MPUARM Cortex-M4 64Pin Digi-key 1184 円 U2 DM3AT-SF-PEJ MicroSD カードソケット 千石 230 円 X1 MUSB-5B-NE-S175 USBminiB 基板実装コネクタ 秋月 2 個 100 円 U$1 FH12-10S-0.5SH 液晶接続コネクタ 液晶に付属(225 円) LS027B4DH01 モノクロ2.7 インチ液晶 秋月 3000 円 U$3 TAR5SB33 3.3V レギュレータ 秋月 10 個 280 円 Q1 8MHz 水晶発振子HC49/S 型 秋月 10 個 400 円 Q2 32.768kHz 水晶発振子TC26H 型 秋月 4 個 100 円 D1 SS2040FL ショットキーバリアダイオード 秋月 20 個 300 円 IC1,IC2 NJM2732 OP アンプ 秋月 100 円 L1,L2,L3,L8 BLM21PG331SN チップEMI フィルタ 秋月 25 個 100 円 R5,R6,R7,R8,R9,R10 22Ω 抵抗 0603 千石 10 個 50 円 R2,R3 27Ω 抵抗 0603 鈴商 10 個 100 円 R16,R18,R22,R23,R24,R25,R26,R27,R28,R29,R30,R31,R32,R33,R34,R35,R36,R37R38,R39,R42,R43,R45 100Ω 抵抗 0603 千石 10 個 50 円 R1 220Ω 抵抗 0603 千石 10 個 50 円 R21 510Ω 抵抗 0603 千石 10 個 50 円 R4 1.5kΩ 抵抗 0603 千石 10 個 50 円 R40,R41,R44 2.7kΩ 抵抗 0603 千石 10 個 50 円 R19 5.1kΩ 抵抗 0603 千石 10 個 50 円 R20 10kΩ 抵抗 0603 千石 10 個 50 円 R11,R12,R13,R14,R15,R17 51kΩ 抵抗 0603 千石 10 個 50 円 C1,C2 22pF 積層セラミックコンデンサ 0603 千石 10 個 50 円 C3,C4 7pF 積層セラミックコンデンサ 0603 鈴商 10 個 100 円 C9,C20,C23,C25,C26,C27,C28 0.01uF 積層セラミックコンデンサ 0603 千石 10 個 50 円 C5,C10,C11,C29 0.1uF 積層セラミックコンデンサ 0603 千石 10 個 50 円 C8 1uF 積層セラミックコンデンサ 0608 秋月 100 個 200 円 C13 1uF 積層セラミックコンデンサ 2012 鈴商 10 個 100 円 C6,C7,C15 2.2uF 積層セラミックコンデンサ 0805 鈴商 10 個 100 円 C14 4.7uF 積層セラミックコンデンサ 2012 秋月 40 個 200 円 C30 10uF 積層セラミックコンデンサ 3216 秋月 8 個 100 円 C12 47uF 積層セラミックコンデンサ 3225 秋月 5 個 200 円 S1,S2,S3,S4,S5,S6,S7,S8 タクトスイッチ 秋月 10 円 JP2,JP4 超小型双極両投スイッチ 千石/秋月 70 円 JP15,JP16 CR1220 用電池ホルダ 秋月 40 円 JP4 は電源スイッチ(正確にはバッテリ/USB 電源切り替えスイッチ)、JP2 はプログラム書き換えの際に操作するものです。 USBminiB コネクタは表面実装用なら大抵のものが使用可能です。しかし例えば秋月で売っている UX60SC-MB-5ST はパターンが合わないので注意が必要です。 JP3 には 3.5V 以上の電圧を供給してください。 コンデンサC1,C2,C3,C4 は多少値が違っても問題なく動作します。例えば 7.5pF、18pF でも問題ありません。
3:実装に関しての注意
4:プログラムの入手と書き込み
このプレーヤにはプログラムを書き込む必要があります。その為にはまずプログラムを書き込む環境を整えなければいけません。4.1 ではそれを説明します。 プログラムは用意されたものを書き込む方法と、自分でプログラムのソースコードとコンパイル環境を整え、自作する方法の2 つがあります。まずは前者を 試してください。これも4.1 で説明しています。後者は 4.2、4.3 で説明します。自作することによって自由に機能を追加、改変することができるようになります。
4.1:プログラムの書き込み
Windows ユーザは以下の URL より書き込み用のツール DfuSe をダウンロード、インストールしてください。 STSW-STM32080:DfuSe USB device firmware upgrade STMicroelectronics extension
http://www.st.com/web/jp/catalog/tools/PF257916 書き込みに使うツールはDfuSe Demonstration です。
プレーヤ基板をUSB ケーブルで PC と接続し、電源スイッチと Program スイッチを入れてください。ドライバのインストールが始めれば、マイコンとその周辺回路の半田 づけはうまくいっています。ドライバのインストールが終わったら、DfuSe を起動します。
プレーヤ基板はOS から、STM Device in DFU mode として認識されます。DfuSe のウィンドゥ左上にも同様の表示がある筈です。次いで下部中央の Choose..ボタンを 押して、書き込むファイルを選択します。 書き込むファイルは、以下のURL よりダウンロードしてください。 選択したら、DfuSe の画面、さっきのボタンのすぐ右、Upgrade のボタンを押してください。書き込みと、正しく書けたかを検査するベリファイが行われます。正常終了で、 書き込みは成功、終了です。電源スイッチを落とし、Program スイッチを動作側にしてください。 Unix(linux,Mac)ユーザは、dfu-util を使います。 http://dfu-util.gnumonks.org/ サイトの指示に従って環境を構築してください。書き込むファイルは同じです。
4.2:プログラムソースの入手とコンパイル
プログラムのコンパイルにはGCC コンパイラを使用します。Windows ユーザはまず Cygwin 開発環境を整えてください。Windows ユーザも Cygwin 環境を使うことで、 以下の説明もUnix ユーザと同様に実行できます。
4.2.1:Cygwin の導入
Cygwin 導入には、 http://cygwin.com/ でSetup.exe をダウンロードし、実行することで好きなモジュールごとに選んでインストールすることになります。また Setup.exe を使うことで最新版へのアップデートも可 能となります。Setup.exe を実行し、[install from internet]を選択すると、インストールするディレクトルを聞かれます。ここはできるだけデフォルトの[C:\cygwin]のままで。 Install For は[All Users],Default Text file Type は[Unix]に。
インストールは、まず選択したパッケージファイルを指定したテンポラリディレクトリに展開してから行われます。Local Packege Directory はその指定です。 Select Your Internet Connection は[Direct connection]で。
Choose A Downloads site で、ダウンロード先を選択します。
Select Packages で、好きなパッケージを選んでインストールします。 Bin?は実行可能なバイナリ、Src?はソースコードを意味します。 この時点で、Cygwin システムとして必要最小限のパッケージが選択されています。 開発環境としてあと必要なのは、 +All +Base <= Bin?全てを選択する +Devel <= 以下のものの Bin?,Src?双方を選択する
gcc binutils flex bison libgmp3-dev libmpc-dev libmpfr-dev libncurses5-dev +InterPreters <= gawk,m4,perl の Bin?を選択
あとは好きなものを。CVS,Subversion,git は選択べきです。 +Devel で選択する GCC は 4.*系列を選びましょう。ソースも忘れずに。
インストールが終了すると、デスクトップにCygwin のアイコンが出来るのでダブルクリックして起動します。 見かけはDOS コマンドプロンプトに似ていますが、Unix 環境です。ためしに ls や cat を実行してみてください。
4.2.2:Newlib の導入
newlib は組み込み用の C/C++ライブラリです。
newlib はさっきの Cygwin のサイトからジャンプしたサイトからダウンロードできます。サイト左端のリンクリスト一番下の[sources.redhat.com] http://sources.redhat.com/
再び左端の[Prejects]
http://sources.redhat.com/projects.html 下のほうの[newlib]
http://sources.redhat.com/newlib/ <=最初からここへ行くも良し
左端の[Download]から Source snapshot をとって来ます。一番下の文章中の[newlib ftp directory]というリンクの先から、一番新しいものをダウンロードしてきます。 *もちろん、CVS で落とすのも OK
ダウンロードしたファイルは C:/Cygwin/usr/src にコピーします。
解凍はCygwin 環境で行います。まず cd /usr/src で、ダウンロードしたファイルの位置に飛びます。Cygwin の中では、C:\Cygwin が / つまりルートディレクトリとなり ます。
tar -zxvf newlib-1.14.0.tar.gz これで解凍されます。
4.2.3:binutils の準備
/usr/src には、ソースコードのダウンロードを選択したパッケージが、既に展開されていると思います。 その中にcd し、次のようなコマンドを実行します
./configure --target=arm-m4-eabi --prefix=/opt/stm32-tools/ --enable-interwork --enable-multilib --disable-nls --disable-libssp
configure コマンドは環境に応じてコンパイルの下準備をします。
-target オプションは ARM アーキテクチャの elf バイナリ版を作るということを意味しています。elf についてはここでは触れません。
-prefix オプションは、クロスコンパイル環境をどこに構築するかを示します。ここでは/usr/cross を推奨します。先にディレクトリを作っておきましょう。 mkdir /usr/cross -disable-nls は多言語対応オプションを外すことを意味しています。 次に、 make を実行します。無事終了したら(しばらくかかります)、 make install を実行します。
4.2.4:GCC の準備
/usr/src/gcc-4.*.* へ cd します。 まず、newlib へのシンボリックリンクを張ります。まぁ、ショートカットみたいなもんです。 ln -s ../newlib-1.19.0/newlib . コンパイル先ディレクトリを掘ります。 mkdir dist cd dist コンフィギュレーションを行います。../configure --target=arm-m4-eabi --prefix=/opt/stm32-tools/ --enable-interwork --enable-multilib -with-gmp=/usr/local -with-mpfr=/usr/local -with-mpc=/uar/local --enable-languages="c" --with-newlib --with-headers=../../newlib-1.19.0/newlib/libc/include/ --disable-libssp --disable-nls --with-system-zlib
……長いです。うまくいったら、 dist/Makefile の program_transform_name = -e s,^,arm-m4-eabi-, を、 program_transform_name = -e s,^,/usr/cross/bin/arm-m4-eabi-, と書き換えます。そして、 make make install 次いでnewlib をコンパイルします。 cd ../.. cd newlib-1.19.0/
./configure --target=arm-m4-eabi --prefix=/opt/stm32-tools/ --enable-interwork --enable-multilib --disable-libssp --disable-nls -with-gmp=/usr/local -with-mpfr=/usr/local -with-mpc=/uar/local
make -j`getconf _NPROCESSORS_ONLN` CFLAGS_FOR_TARGET="-mcpu=cortex-m4 -mthumb -mfloat-abi=softfp -mfpu=fpv4-sp-d16" all make install
make に長いオプションが付きます。 cd ..
cd gcc-4.6.2/dist
make -j`getconf _NPROCESSORS_ONLN` CFLAGS_FOR_TARGET="-mcpu=cortex-m4 -mthumb -mfloat-abi=softfp -mfpu=fpv4-sp-d16" CXXFLAGS="-mcpu=cortex-m4 -mthumb -mfloat-abi=softfp -mfpu=fpv4-sp-d16" all
make install
もう一度GCC のディレクトリに戻ってコンパイルします。 これでGCC が使用可能となります。
4.2.2:プログラムソースの準備
バージョン管理ツールGit を使い、Github サイトから以下のようなコマンドでプログラムソースを取得してください。
git clone https://github.com/madnoda/stm32f4-GLCDLogger stm32f4-GLCDLogger
以後もデバッグ、アップデートの度にプログラムソースは更新されますので、最新版(や過去のバージョン)を Git を使って取得してください。
4.2.3:必要なライブラリソースの準備
以下のようなライブラリが必要になります。 STM32F4 のライブラリSTSW-STM32065 STM32F4 DSP and standard peripherals library を以下の URL より入手してください。 http://www.st-japan.co.jp/web/jp/catalog/tools/PF257901
ねむいさんのブログより以下のライブラリを入手してください。 TFT/OLED Control Sample with ChaN's FatFs(SDIO&MMC Driver) http://nemuisan.blog.bai.ne.jp/?cid=7947
4.2.4:プログラムのコンパイル
プログラムソースの位置ははgcc やライブラリにパスが通っている必要があります。パスが通っていなければ、makefile で直接指定してください。 例： TCHAIN = arm-m4-eabi ⇒TCHAIN = /usr/cross/bin/arm-m4-eabi
取得したライブラリのバージョンがmakefile に書かれているものと食い違っている場合があります。実際に取得したライブラリのバージョンにあわせて makefile は書き換 えて下さい。
コンパイルに成功すると様々なファイルが生成されますが、使用するのはmain.s19 です。これを DfuSe ツールの中の DFU File manager で拡張子 dfu のファイルに変 換し、5.1 で説明した手順でこれをボード上のマイコンに書き込みます。
5:動作について
入出力端子のピン定義は以下のようになっています。
JP1:TTL レベルシリアルポート JP10:DAC 出力 Pin1 USART1_TX Pin1 DAC1 Pin2 USART1_RX Pin2 DAC2
Pin3 GND Pin3 GND JP5:I2C ポート Pin1 VCC3.3V Pin2 I2C1_SCL Pin3 I2C1_SDA Pin4 GND JP6:ディジタル入力 Pin1 DIN1 Pin2 DIN2 Pin3 DIN3 Pin4 DIN4 Pin5 DIN5 Pin6 DIN6 Pin7 DIN7 Pin8 DIN8 Pin9 GND Pin10 GND JP7,8,9 アナログ入力 JP7 JP8 JP9
Pin1 ADC3 Pin1 ADC2 Pin1 ADC1 Pin2 GND Pin2 GND Pin2 GND
動作に当たってはJP1,JP47,JP8,JP9 などに入力する電圧は最大 3.3V まででお願いします。 カレンダーバックアップ電池を装着したら、内蔵カレンダーを合わせてください。操作は以下のようになります。 左上ボタンを数度押し、”Clock setting”と表示された画面にします。右上で項目変更、二段目右で数値増加、二段目左で数値減少、最下右で決定で上行カレン ダー表示が下行に同期します。 表示画面は以下の操作で切り替えることが出来ます。 左上ボタンを押し続けることで表示画面は遷移します。順に8ch ディジタル入力表示、2ch アナログ入力表示、シリアル入力表示、カレンダー設定と SD カードへの 保存データ切り替え表示となります。 サンプリング間隔は以下の操作で切り替えることができます。 8ch ディジタル表示、2ch アナログ表示の各画面で、二段目右で間隔増大、二段目左で間隔減少となります。
MicroSD カードはフォーマットとして FAT16 及び FAT32 に対応しており、買ったままのものが使用可能です。各ファイルシステムで許容されているファイル名なら使用 に問題はありません。現在カード容量は32GBytes まで対応しています。保存データはディジタル+アナログ入力とシリアル入力の排他切り替えになります。 ディジタル+アナログ入力の SD カードへの記録は 1/20 秒おきに 512 バイトづつおこないます。このフォーマットは以下のとおりです。 1 バイト目：西暦の下二桁 2 バイト目：月 3 バイト目：日 4 バイト目：時 5 バイト目：分 6 バイト目：秒 7～12 バイト目：ゼロ 13 バイト目：デジタルデータ 1 つ目 14 バイト目：アナログデータ 1ch 1 つ目 15 バイト目：アナログデータ 2ch 1 つ目 16 バイト目：アナログデータ 3ch 1 つ目 17 バイト目：デジタルデータ 2 つ目 18 バイト目：アナログデータ 1ch 2 つ目 19 バイト目：アナログデータ 2ch 2 つ目 20 バイト目：アナログデータ 3ch 2 つ目 以下512 バイト目まで繰り返し。
