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マルチプロセッサ化

　前章までのシステムで一応走行できるようになりましたが、
　何か心に引っかかるものがあり、釈然としない日々が続きました。

　電車での帰宅途中に、釈然としないモヤモヤの原因がわかりました。
　「既存の技術だけで仕上げて、新しいことへの挑戦がない。」と頭の
　どこかにあるのです。

　高校生や大学生であれば、既存技術の習得に意味はあります。
　しかし、自分は何のために、時間を割いてMCRに挑戦しているのかを自問
　すると、新しい挑戦をしたいからです。

　ひとつとして、新しいことへの挑戦がないため、大会へ参加する
　マシン用ファームウエアを作っても、達成感が得られないのです。

　そこで、自分にできる挑戦には、どんなことがあるかを考え、紙に
　書き出してみました。

H8ではないプロセッサを利用してMCRマシンを仕上げる
H8ボード１枚の値段より、安価なプロセッサを採用する
カメラに専用プロセッサを割り当てる
駆動系に専用プロセッサを割り当てる
USBだけでデバッガを構成する
プロセッサを３Ｖ程度で動かす
テスト、デバッグが単純になる構成をとる

　上記の５項目程度を満足するために、３個のプロセッサを
　利用したマルチプロセッサ化が有効と判断。

　マルチプロセッサ化するとしても、漠然としているので３ブロック
　に分割してみます。

BRAIN
SENSOR
ACTUATOR




　３ブロックに分けたのは、カメラ処理とその他に分けるよりも
　役割がより明確になるように思えたからです。

　マルチプロセッサ化するにあたり、各ブロックのプロセッサを
　選定しなければなりません。ACTUATOR→SENSOR→BRAINの順で
　検討します。


ACTUATOR
　ACTUATORは、BRAINからの指示で、ＤＣモータの回転、サーボモータ
　の角度、ＬＥＤの点灯を制御すれば充分です。

　PWMの波形生成を担当すればよいので、ATTiny2313を採用します。

　ATTiny2313は、１個\100ですし、PWMの波形生成に必要なタイマー
　割込み、シリアルあるいはSPIのインタフェースをもっています。

　BRAINからの指示で、PWMのDUTY比を変えられるようにします。

　BRAINからの指示は、シリアル、SPIを利用できますが、今回は
　シリアルとします。

　BRAINの代わりにPCを使い、ACTUATORのハードウエア、ファームウエア
　のテスト、デバッグができます。

　回路図は、以下となります。




　ATTiny2313は、内蔵でクロックをもつので、外付けの発振子をなくせます。
　ユニバーサル基板に部品を実装する場合、部品点数を減らせます。

　ファームウエアを考えます。

　BRAINからの指示を、シリアルで受取り、指定されたチャネルのDUTY比を
　変更します。

　通信が必要になるので、プロトコルを以下にしました。

データ転送速度　9600bps
データ長　　　　８ビット
ストップビット　１ビット
パリティ　　　　なし
フロー制御　　　なし

　物理レベルを決めたので、コマンドを規定します。

コマンド'D'　DUTY比とチャネルを設定
コマンド'S'　全チャネルのDUTY比表示
コマンド'?'　ヘルプ

　コマンドの最後は、改行とします。

　DUTY比は、１０進数２けたで指定し、チャネルは０～３の整数
　とします。
　（例）　左DCモータのDUTY比を４５％にする場合
　　　　　　D451'\r''\n'

　サーボモータのDUTY比だけは、１０～２０の整数とします。

　DUTY比は、サーボモータの仕様に合わせ、タイマー割込みで20ms
　毎に変更します。タイマー割込みは、100μｓごとに発生させます。

　ファームウエアの大まかな処理は、以下です。



　ファームウエアの詳細は、次の章で説明します。


SENSOR
　SENSORは、BRAINからの指示で、カメラ(c328)からコース状態を取得し
　センサーデータに変換します。

　変換したセンサーデータは、BRAINからの指示でポートに出力します。

　SENSOR自体のシステム構成は、以下です。



　SENSORに利用するプロセッサに要求される性能は、カメラとシリアルで
　通信でき、内蔵SRAMが２０４８バイトほどです。

　この条件を満たすプロセッサで、手持ちのものは、ATmega328だったので
　採用しました。

　ATmega328の値段は、１個￥２５０（2010年８月現在）です。

　内蔵SRAMを利用して、４８００バイトの画像データを４８００ビットに
　２値化し、さらに６０バイトのセンサーデータに変換します。これまで
　に説明した画像処理のアルゴリズムを利用すると、２０４８バイトで充分
　でした。

　BRAINからの指示は、SPIインタフェースを利用します。

　SENSORの動作状態がわかるように、LCDを接続します。
　実際の走行では、このLCDは接続しません。
　テスト、デバッグで利用します。

　BRAINに８ビットのセンサーデータを渡します。
　28ピンのATmega328ではピン数が不足になったので、８ビットの
　センサーデータラッチを付加し、BRAINにデータを渡します。

　このように考え、回路は以下とします。



　８ビットのセンサーデータラッチとして、ATTiny2313を利用します。

　８ビットのデータラッチには、74HC175を２個利用するとよいのですが
　部品点数削減で、基板の実装面積を稼ぎます。

　ATTiny2313を利用すると、74HC175を２個よりコストは低くなります。

　２個のプロセッサを使うので、２つのファームウエアを作成します。

　ATTiny2313をmsendrvとします。
　このmsendrvでは、次のようにファームウエアを構成します。



　msendrvの上位であるATmega328のファームウエアは、次の構成とします。



　２つのファームウエアの詳細は、次の章で説明します。


BRAIN
　BRAINは、SENSORからセンサーデータを入力し、移動方法を決定します。
　確定した移動方法から、DRIVEに与えるパラメータを算出します。

　SENSOR、DRIVEのインタフェースでBRAINの動作を考えると以下の接続になります。



　MCRの画像処理部門では、プロセッサをH8に限定していないので
　好みのプロセッサを採用できます。

　今回は、STマイクロエレクトロニクスのSTM8S-Discoveryを採用します。
　１枚のボードが\750で販売されていたので、予備を含めて２枚購入して
　いたので、これを活用します。

　BRAIN、SENSOR、ACTUATORで４個のプロセッサを利用します。
　プロセッサの値段は、合計で\1200となり、H8ボード１枚の金額と
　比べ、１／４となりました。

　マルチプロセッサ化で、MCRマシンに掛ける金額が跳ね上がることも
　なく、消費電力を低減できます。

　H8のファームウエア開発環境はHEWですが、デバッガと連動しない
　ので、作成しては修正し、フラッシュROMの内容を更新する作業を
　延々と繰り返さなければなりません。

　STM8S-Discoveryは、USBインタフェースをもち、SWIMと呼ぶデバッガ
　インタフェースを利用できるので、リアルタイムでファームウエアの
　動作を確認できるため、開発が非常に楽になりました。

　電源電圧は、5Vあるいは3.3Vを選択できます。今回は、低消費電力を
　狙って3.3Vを採用します。

　MCRのレギュレーションでは、SUM3の電池を最大８本まで利用できます。
　３本をマルチプロセッサ＋カメラに、残りの５本をモータに振り向けると
　駆動系にはパワフルな動作を期待できます。

　STM8S-DiscoveryでBRAINを実現する場合、ファームウエアの概要は次の
　ようにします。



　BRAINとSENSOR、ACTUATORのインタフェース接続は、下記とします。

　チャネル１
　　CH1_1  NRST    
　　CH1_2  OSCIN   
　　CH1_3  OSCOUT  
　　CH1_4  Vssio_1 0V
　　CH1_5  Vss     0V
　　CH1_6  Vcap    
　　CH1_7  Vdd     3.3V
　　CH1_8  Vddio_1 3.3V
　　CH1_9  PA3     
　　CH1_10 PA4     
　　CH1_11 PA5     
　　CH1_12 PA6     

　チャネル１
　　CH2_1  PE5          nSS(SPI)
　　CH2_2  PC1/TS1      start-trigger(default usage)
　　CH2_3  PC2/TS1_load start-trigger(default usage)
　　CH2_4  PC3          start-trigger(default usage)
　　CH2_5  PC4          
　　CH2_6  PC5          SCLK(SPI)
　　CH2_7  Vssio_2      0V
　　CH2_8  Vddio_2      3.3V
　　CH2_9  PC6          MOSI(SPI)
　　CH2_10 PC7          MISO(SPI)
　　CH2_11 PG0          
　　CH2_12 PG1          

　チャネル３
　　CH3_1  Vdda 3.3V
　　CH3_2  Vssa 0V
　　CH3_3  PB7  sen7(sensor data bit7)
　　CH3_4  PB6  sen6(sensor data bit6)
　　CH3_5  PB5  sen5(sensor data bit5)
　　CH3_6  PB4  sen4(sensor data bit4)
　　CH3_7  PB3  sen3(sensor data bit3)
　　CH3_8  PB2  sen2(sensor data bit2)
　　CH3_9  PB1  sen1(sensor data bit1)
　　CH3_10 PB0  sen0(sensor data bit0)
　　CH3_11 PE7  FLAG(sensor data enable)
　　CH3_12 PE6  

　チャネル４
　　CH4_1  PE3      
　　CH4_2  PE2      
　　CH4_3  PE1      
　　CH4_4  PE0      
　　CH4_5  PD0/LED  mode_monitor(default usage)
　　CH4_6  PD1/SWIM debugger(default usage)
　　CH4_7  PD2      
　　CH4_8  PD3      
　　CH4_9  PD4      
　　CH4_10 PD5      TxD
　　CH4_11 PD6      RxD
　　CH4_12 PD7      


新規準備
　SENSOR、ACTUATORには、AVRマイコンを利用しているので、USBに接続
　できるライターとテストボードを用意しました。

　HIDインタフェースのAVRライター



　20ピンATTiny2313テストボード



　28ピンATMega328テストボード



　USB接続5V電源アダプタ



　これらのハードウエアがあれば、パーソナルコンピュータのUSBを
　２つ利用して、AVRライターとボードの電源を賄えます。
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