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マルチプロセッサ構成
FPGAにプロセッサを入れ、１チップ内にBrain、Leg、Eyeを
入れてきましたが、VHDLでデジタル回路を記述できるスキル
が必要でした。
Arduino、PICを利用したマルチプロセッサで、Brain、Leg、Eye
の３ブロックを別々に作成し、デバッグしやすくします。
はじめにブロック図を作成します。
センサーは別に用意するとして、Brain、Leg、Eyeのインタフェース
を想定しておきます。
ブロック図から回路図を作成。
回路図から半田付けした基板。
左からセンサーインタフェース（Eye）、Brain（Arduino）、DUTY比格納
レジスタ、パルス生成（PIC）、モータ駆動FETと並べてあります。
センサーとは、インタフェースケーブルで接続。
センサーは、密着タイプとGameBoyCameraを接続できます。
密着タイプセンサー
GameBoyCamera
GameBoyCameraは、Arduino互換器で１ライン分だけを
出力するユニットを作成して対応。
DCモータにパルスを出力するPIC12F1501のファームウエアは、以下。
#define OFF 0
#define ON OFF+1
#define MASKFF 0xff
#define MMAX 63035
#define PMAX 100
typedef unsigned char UBYTE ;
#define MONC PORTA.F4
#define MPWM PORTA.F1
#define POUT PORTA.F0
volatile UBYTE pflag ;
volatile UBYTE eflag ;
volatile UBYTE pcnt ;
volatile UBYTE scnt ;
volatile UBYTE tcnt ;
volatile UBYTE mcnt ;
volatile UBYTE xcnt ;
volatile UBYTE ycnt ;
volatile UBYTE zcnt ;
/* function prototype */
void init_usr(void);
/* interrupt handler */
void interrupt(void)
{
/* generate 2ms */
if ( INTCON.TMR0IF == ON ) {
/* clear flag */
INTCON.TMR0IF = OFF ;
/* 256 - 250 = 6 */
TMR0 = 6 ;
/* set flag */
pflag = ON ;
/* update */
tcnt++ ;
/* monitor */
if ( (tcnt & ON) == ON ) { MPWM = ON ; }
else { MPWM = OFF ; }
}
/* LTRG PORTA.F2 rising edge interrupt */
if ( INTCON.IOCIF == ON ) {
/* clear flag */
IOCAF.IOCAF2 = OFF ;
/* set event flag */
eflag = ON ;
}
}
void main(void)
{
/* initialize */
init_usr();
/* endless loop */
while ( ON ) {
/* PWM wave */
if ( pflag == ON ) {
/* clear flag */
pflag = OFF ;
/* impress */
if ( pcnt < zcnt ) { POUT = ON ; }
else { POUT = OFF ; }
/* update */
pcnt++ ;
/* judge */
if ( pcnt == PMAX ) {
/* clear */
pcnt = 0 ;
/* update */
zcnt = ycnt ;
}
}
/* wait trigger */
if ( eflag == ON ) {
/* clear flag */
eflag = OFF ;
/* get data */
for ( scnt = 0 ; scnt < 8 ; scnt++ ) {
/* shift */
xcnt <<= 1 ;
/* add LSB */
if ( PORTA.F5 == ON ) { xcnt |= ON ; }
/* shift clock */
MONC = ON ;
MONC = OFF ;
}
/* update */
ycnt = xcnt ;
}
}
}
/* define function body */
void init_usr(void)
{
/* select 16MHz */
OSCCON = (0xf << 3) | 0x03 ;
/* disable A/D converter */
ADCON0.ADON = OFF ;
ADCON2 = 0 ;
ANSELA = 0 ;
/* disable D/A converter */
DACCON0 = 0 ;
DACCON1 = 0 ;
/* disable compare module */
CM1CON0.C1ON = OFF ;
CM1CON0.C1OE = OFF ;
/* I/O state */
PORTA = 0x00 ;
/* I/O directions */
TRISA = 0x2C ; /* bit0,1,4 as output , others as input */
/* PIN change interrupt */
{
/* PORTA.2 rising edge */
IOCAP.IOCAP2 = ON ;
/* enable compare match interrupt */
INTCON.IOCIE = ON ;
}
/* initialize timer 0 */
{
/*
16MHz/4 = 4MHz (Fosc)
Fosc/4 = 1MHz
1MHz/4 = 250kHz prescaler = 1:4
*/
OPTION_REG = 0x01 ;
/* 256 - 250 = 6 */
TMR0 = 6 ;
/* enable timer0 overflow interrupt */
INTCON.TMR0IE = ON ;
}
/* enable general interrupt */
INTCON.GIE = ON ;
/* clear flags */
eflag = OFF ;
pflag = OFF ;
/* initialize variables */
xcnt = 0 ;
ycnt = 0 ;
zcnt = 0 ;
mcnt = 0 ;
tcnt = 0 ;
scnt = 0 ;
pcnt = 0 ;
}
Arduinoが、DCモータのDUTY比を８ビットシフトレジスタに
書き込んで、その後にシフトレジスタの値を回転させながら
PICがDUTY比を取り込みます。
DUTY比は非同期に書き込まれるので、PIC側では更新されたのか
判定できません。そこで、Arduinoから値を取り込むようにと
PICにトリガーを送信します。
PIC側では、74HC165に保存されている値を１ビットずつ８回
入力して８ビットに仕立てます。
PWM波形は、周波数40Hzで出力されます。
DUTY比は、0.5%ほど変動しますが、DCモータを使う限り
問題はないと判断しました。
ハードウエアのテスト用スケッチは、以下。
#include <MsTimer2.h>
#define OFF 0
#define ON OFF+1
#define MASK0F 0x0f
#define MASKF0 0xf0
#define MASKFF 0xff
#define MASK7F 0x7f
#define LED_BIT 5
#define SEL_BIT 4
#define CLK_BIT 5
#define LEFT_BIT 3
#define RIGHT_BIT 2
/* variables */
boolean uflag ;
boolean oflag ;
byte cmd ;
byte sindex ;
byte sbuf[8] ;
byte xcnt ;
byte sdat ;
byte lsensor ;
byte dleft ;
byte dright ;
char msg[4] ;
boolean tflag ;
byte tmp ;
/* function prototype */
void update_trigger();
void show_help();
void set_data(byte x);
byte get_duty(byte *ptr);
void set_duty(byte lx,byte rx);
void show_duty(byte rx);
byte get_hex(byte x);
char get_asc(byte x);
void rs_putchar(char x);
void rs_puts(char *ptr);
void crlf();
void binary_display(byte x);
byte get_sensor();
void send_trigger();
void send_shift_clk();
void setup()
{
/* initialize serial */
Serial.begin(9600);
sindex = 0 ;
/* clear flags */
uflag = OFF ;
tflag = OFF ;
oflag = ON ;
/* initialize port values */
PORTB = 0x00 ;
PORTC = 0x0f ; /* pull up */
PORTD = 0x0d ;
/* initialize port direction */
DDRB = 0xff ;
DDRC = 0xf0 ; /* lower nibble inputs */
DDRD = 0xfe ;
/* clear */
xcnt = 0 ;
dleft = 0 ;
dright = 0 ;
/* 250ms period */
MsTimer2::set(250,update_trigger);
/* enable */
MsTimer2::start();
}
void loop()
{
/* opening message */
if ( oflag == ON ) {
/* new line */
crlf();
/* clear flag */
oflag = OFF ;
/* message */
rs_puts("Hello , Darling !");
/* new line */
crlf();
}
/* serial handling */
if ( uflag == ON ) {
/* clear flag */
uflag = OFF ;
/* new line */
crlf();
/* get command */
cmd = *(sbuf+0) ;
/* help */
if ( cmd == '?' ) { show_help() ; }
/* set motor duty ratio */
if ( cmd == 'D' ) {
/* LEFT */
dleft = get_duty( sbuf+1 );
/* RIGHT */
dright = get_duty( sbuf+3 );
/* impress */
set_duty(dleft,dright);
}
/* show motor duty ratio */
if ( cmd == 'd' ) {
/* LEFT */
rs_puts("LEFT = "); show_duty( dleft ); crlf();
/* RIGHT */
rs_puts("RIGHT = "); show_duty( dright ); crlf();
}
/* show sensor state */
if ( cmd == 'S' ) {
/* get line sensor data */
tmp = lsensor ;
/* binary display */
binary_display( tmp );
/* new line */
crlf();
/* start gate */
if ( tflag == ON ) { rs_puts("Opened"); }
else { rs_puts("Closed"); }
/* new line */
crlf();
}
/* command */
if ( cmd == 'C' ) { send_trigger(); }
}
}
void update_trigger()
{
/* get sensor state */
sdat = get_sensor() ;
sdat ^= MASKFF ;
/* start trigger */
tflag = OFF ;
if ( !(sdat & 16) ) { tflag = ON ; }
/* line sensor */
lsensor = ((sdat >> 1) & MASKF0) | (sdat & MASK0F) ;
/* impress */
if ( xcnt & 1 ) { PORTB |= (1 << LED_BIT); }
else { PORTB &= ~(1 << LED_BIT); }
/* increment */
xcnt++ ;
}
void show_help()
{
rs_puts("? help"); crlf();
rs_puts("D set motor duty ratio"); crlf();
rs_puts("d show motor duty ratio"); crlf();
rs_puts("S show sensor state"); crlf();
rs_puts("C send command"); crlf();
}
void set_data(byte x)
{
byte dh ;
byte dl ;
/* separate */
dh = x & MASKF0 ;
dl = x & MASK0F ;
/* upper */
PORTD &= MASK0F ;
PORTD |= dh ;
/* lower */
PORTB &= MASKF0 ;
PORTB |= dl ;
}
byte get_duty(byte *ptr)
{
byte result ;
/* upper */
result = get_hex( *ptr );
/* shift */
result *= 10 ;
/* lower */
result += get_hex( *(ptr+1) );
/* range check */
if ( result > 99 ) { result = 99 ; }
return result ;
}
void set_duty(byte lx,byte rx)
{
/* left */
set_data(lx) ;
PORTD &= ~(1 << LEFT_BIT);
PORTD |= (1 << LEFT_BIT);
/* right */
set_data(rx) ;
PORTD &= ~(1 << RIGHT_BIT);
PORTD |= (1 << RIGHT_BIT);
}
void show_duty(byte x)
{
/* delimiter */
*(msg+2) = '\0' ;
/* separate */
*(msg+1) = get_asc( x % 10 );
*(msg+0) = get_asc( x / 10 );
/* show */
rs_puts( msg );
}
byte get_hex(byte x)
{
byte result ;
/* default */
result = 0 ;
/* judge */
if ( '0' <= x && x <= '9' ) { result = x - '0' ; }
if ( 'A' <= x && x <= 'F' ) { result = x - 'A' + 10 ; }
if ( 'a' <= x && x <= 'f' ) { result = x - 'a' + 10 ; }
return result ;
}
void rs_putchar(char x)
{
Serial.write(x);
}
void rs_puts(char *ptr)
{
while ( *ptr ) {
rs_putchar( *ptr );
ptr++;
}
}
void crlf()
{
rs_putchar('\r');
rs_putchar('\n');
}
char get_asc(byte x)
{
char result ;
/* default */
result = '0' ;
/* convert */
if ( x < 10 ) { result = x + '0' ; }
if ( 9 < x && x < 16 ) { result = x - 10 + 'A' ; }
return result ;
}
void binary_display(byte x)
{
int i ;
for ( i = 7 ; i > -1 ; i-- ) {
rs_putchar('0'+((x >> i) & 1));
}
}
byte get_sensor()
{
byte dh ;
byte dl ;
byte xtmp ;
/* upper */
PORTC |= (1 << SEL_BIT);
dh = PINC & MASK0F ;
dh <<= 4 ;
dh &= MASKF0 ;
/* lower */
PORTC &= ~(1 << SEL_BIT);
dl = PINC & MASK0F ;
/* concatenate */
xtmp = dh | dl ;
/* inverse */
xtmp = ( xtmp & 0x55 ) << 1 | ( xtmp & 0xAA ) >> 1;
xtmp = ( xtmp & 0x33 ) << 2 | ( xtmp & 0xCC ) >> 2;
xtmp = ( xtmp & 0x0F ) << 4 | ( xtmp & 0xF0 ) >> 4;
return xtmp ;
}
void send_trigger()
{
PORTC |= (1 << CLK_BIT);
delayMicroseconds(5);
PORTC &= ~(1 << CLK_BIT);
delayMicroseconds(5);
}
/* receive interrupt */
void serialEvent()
{
char ch;
if ( Serial.available() > 0 ) {
/* get 1 character */
ch = Serial.read();
/* store */
*(sbuf+sindex) = ch ;
/* increment */
sindex++ ;
/* judge */
if ( ch == '\r' ) {
sindex = 0 ;
uflag = ON ;
}
}
}
Arduinoに対してDUTY比を与え、PICに転送する操作は
端末ソフトでチェックしました。
74HC165+PIC12F1501ではなく、Arduinoに標準で用意された
PWMモジュールを使う場合、次のスケッチで確認できます。
#include <MsTimer2.h>
#define OFF 0
#define ON OFF+1
#define MASK0F 0x0f
#define MASKF0 0xf0
#define MASKFF 0xff
#define MASK7F 0x7f
#define LED_BIT 5
#define SEL_BIT 4
#define LEFT_BIT 6
#define RIGHT_BIT 5
#define MOVE_NONE 0
#define MOVE_NORMAL NONE+1
#define MOVE_CRANK NONE+2
#define MOVE_ROTATE NONE+3
#define MOVE_LANE NONE+4
#define MOVE_CHANGE NONE+5
#define MOVE_BLIND NONE+6
/* variables */
boolean uflag ;
boolean oflag ;
byte cmd ;
byte sindex ;
byte sbuf[8] ;
byte xcnt ;
byte sdat ;
byte lsensor ;
byte dleft ;
byte dright ;
char msg[4] ;
boolean tflag ;
byte tmp ;
/* function prototype */
void update_trigger();
void show_help();
byte get_duty(byte *ptr);
void set_duty(byte lx,byte rx);
void show_duty(byte rx);
byte get_hex(byte x);
char get_asc(byte x);
void rs_putchar(char x);
void rs_puts(char *ptr);
void crlf();
void binary_display(byte x);
byte get_sensor();
void setup()
{
/* initialize serial */
Serial.begin(9600);
sindex = 0 ;
/* clear flags */
uflag = OFF ;
tflag = OFF ;
oflag = ON ;
/* initialize port values */
PORTB = 0x00 ;
PORTC = 0x0f ; /* pull up */
PORTD = 0x0d ;
/* initialize port direction */
DDRB = 0xff ;
DDRC = 0xf0 ; /* lower nibble inputs */
DDRD = 0xfe ;
/* clear */
xcnt = 0 ;
dleft = 0 ;
dright = 0 ;
/* 250ms period */
MsTimer2::set(250,update_trigger);
/* enable */
MsTimer2::start();
}
void loop()
{
/* opening message */
if ( oflag == ON ) {
/* new line */
crlf();
/* clear flag */
oflag = OFF ;
/* message */
rs_puts("Hello , Darling !");
/* new line */
crlf();
}
/* serial handling */
if ( uflag == ON ) {
/* clear flag */
uflag = OFF ;
/* new line */
crlf();
/* get command */
cmd = *(sbuf+0) ;
/* help */
if ( cmd == '?' ) { show_help() ; }
/* set motor duty ratio */
if ( cmd == 'D' ) {
/* LEFT */
dleft = get_duty( sbuf+1 );
/* RIGHT */
dright = get_duty( sbuf+3 );
/* impress */
set_duty(dleft,dright);
}
/* show motor duty ratio */
if ( cmd == 'd' ) {
/* LEFT */
rs_puts("LEFT = "); show_duty( dleft ); crlf();
/* RIGHT */
rs_puts("RIGHT = "); show_duty( dright ); crlf();
}
/* show sensor state */
if ( cmd == 'S' ) {
/* get line sensor data */
tmp = lsensor ;
/* binary display */
binary_display( tmp );
/* new line */
crlf();
/* start gate */
if ( tflag == ON ) { rs_puts("Opened"); }
else { rs_puts("Closed"); }
/* new line */
crlf();
}
}
}
void update_trigger()
{
/* get sensor state */
sdat = get_sensor() ;
sdat ^= MASKFF ;
/* start trigger */
tflag = OFF ;
if ( !(sdat & 16) ) { tflag = ON ; }
/* line sensor */
lsensor = ((sdat >> 1) & MASKF0) | (sdat & MASK0F) ;
/* impress */
if ( xcnt & 1 ) { PORTB |= (1 << LED_BIT); }
else { PORTB &= ~(1 << LED_BIT); }
/* increment */
xcnt++ ;
}
void show_help()
{
rs_puts("? help"); crlf();
rs_puts("D set motor duty ratio"); crlf();
rs_puts("d show motor duty ratio"); crlf();
rs_puts("S show sensor state"); crlf();
}
byte get_duty(byte *ptr)
{
byte result ;
/* upper */
result = get_hex( *ptr );
/* shift */
result *= 10 ;
/* lower */
result += get_hex( *(ptr+1) );
/* range check */
if ( result > 99 ) { result = 99 ; }
return result ;
}
void set_duty(byte lx,byte rx)
{
word ll ;
word rr ;
/* left */
ll = (byte)((256.0 * lx) / 100);
/* right */
rr = (byte)((256.0 * rx) / 100);
/* impress */
analogWrite(LEFT_BIT,ll);
analogWrite(RIGHT_BIT,rr);
}
void show_duty(byte x)
{
/* delimiter */
*(msg+2) = '\0' ;
/* separate */
*(msg+1) = get_asc( x % 10 );
*(msg+0) = get_asc( x / 10 );
/* show */
rs_puts( msg );
}
byte get_hex(byte x)
{
byte result ;
/* default */
result = 0 ;
/* judge */
if ( '0' <= x && x <= '9' ) { result = x - '0' ; }
if ( 'A' <= x && x <= 'F' ) { result = x - 'A' + 10 ; }
if ( 'a' <= x && x <= 'f' ) { result = x - 'a' + 10 ; }
return result ;
}
void rs_putchar(char x)
{
Serial.write(x);
}
void rs_puts(char *ptr)
{
while ( *ptr ) {
rs_putchar( *ptr );
ptr++;
}
}
void crlf()
{
rs_putchar('\r');
rs_putchar('\n');
}
char get_asc(byte x)
{
char result ;
/* default */
result = '0' ;
/* convert */
if ( x < 10 ) { result = x + '0' ; }
if ( 9 < x && x < 16 ) { result = x - 10 + 'A' ; }
return result ;
}
void binary_display(byte x)
{
int i ;
for ( i = 7 ; i > -1 ; i-- ) {
rs_putchar('0'+((x >> i) & 1));
}
}
byte get_sensor()
{
byte dh ;
byte dl ;
byte xtmp ;
/* upper */
PORTC |= (1 << SEL_BIT);
dh = PINC & MASK0F ;
dh <<= 4 ;
dh &= MASKF0 ;
/* lower */
PORTC &= ~(1 << SEL_BIT);
dl = PINC & MASK0F ;
/* concatenate */
xtmp = dh | dl ;
/* inverse */
xtmp = ( xtmp & 0x55 ) << 1 | ( xtmp & 0xAA ) >> 1;
xtmp = ( xtmp & 0x33 ) << 2 | ( xtmp & 0xCC ) >> 2;
xtmp = ( xtmp & 0x0F ) << 4 | ( xtmp & 0xF0 ) >> 4;
return xtmp ;
}
/* receive interrupt */
void serialEvent()
{
char ch;
if ( Serial.available() > 0 ) {
/* get 1 character */
ch = Serial.read();
/* store */
*(sbuf+sindex) = ch ;
/* increment */
sindex++ ;
/* judge */
if ( ch == '\r' ) {
sindex = 0 ;
uflag = ON ;
}
}
}
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