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ここでは、LM4F120 LaunchPadを使っていろいろな実験をして、lbedの使い方を説明します。
LM4F120 LaunchPadには、2個のLM4F120が搭載されており、1つはデバッガ兼シリアル通信用、 もう一つがターゲットのLM4F120と豪勢な構成となっています。
このようにデバッグと通信に専用にCPUが割り当てられているとUSBケーブルに接続しただけで パソコンの通信ソフトに接続できるので、CDCのようにシリアルの通信のテスト毎に接続が切れ てしまうようなことがなく、とても自然に通信とデバッグができます。
LM4F120 LaunchPadのStellarisWareライブラリとサンプルプログラムを使うことで、簡単にSerialクラスを 実装することができます。
Serial.cppは次のようになっています。
#include "Serial.h"
#include "PinNames.h"
#include "inc/hw_memmap.h"
#include "inc/hw_types.h"
#include "driverlib/sysctl.h"
#include "driverlib/uart.h"
#include "driverlib/gpio.h"
Serial::Serial()
: _tx(-1)
, _rx(-1)
{
setup(PA_1, PA_0, "default");
}
Serial::Serial(PinName tx, PinName rx, const char *name)
: _tx(-1)
, _rx(-1)
{
setup(tx, rx, name);
}
void Serial::setup(PinName tx, PinName rx, const char *name)
{
_tx = tx;
_rx = rx;
_available = false;
SysCtlPeripheralEnable(SYSCTL_PERIPH_UART0);
SysCtlPeripheralEnable(SYSCTL_PERIPH_GPIOA);
GPIOPinConfigure(GPIO_PA0_U0RX);
GPIOPinConfigure(GPIO_PA1_U0TX);
GPIOPinTypeUART(GPIO_PORTA_BASE, GPIO_PIN_0 | GPIO_PIN_1);
}
void Serial::baud(unsigned int baudrate) {
unsigned long sysclock = SysCtlClockGet();
UARTConfigSetExpClk(UART0_BASE, sysclock, baudrate,
(UART_CONFIG_WLEN_8 | UART_CONFIG_STOP_ONE |
UART_CONFIG_PAR_NONE));
_available = true; }
void Serial::begin(unsigned int baudrate) {
baud(baudrate);
}
int Serial::write(const char c) {
UARTCharPut(UART0_BASE, c);
return 1;
}
int Serial::read() {
return UARTCharGet(UART0_BASE);
}
int Serial::available() {
return _available ? 1 : 0;
}
実際にSerialクラスを使ってシリアル通信を行ってみます。
テストプログラムは、以下の様になります。
#include"lbed.h"
DigitalOut myled(LEDG);
int main(void) {
Serial pc(PA_1, PA_0);
pc.baud(19200);
pc.println("Hello");
while (1) {
char c = pc.read();
pc.write(c + 1);
myled = !myled;
}
return 0;
}
シリアル通信には、やはりArduinoのシリアルモニターを使いました。 これなら、どんなPCでも同じように使えるので、便利です。
最初にHelloと出力して入力を待ちます。 ここで、abcと入力すると一つ後の文字bcdを出力します。
DegialInのクラスを使ってSW1を押したときに、LEDBが点灯するプログラムを作ってみましょう。
ポイントは以下の２つです。
プログラムは、とても簡単です。
#include "lbed.h"
int main(void) {
DigitalIn sw1(SW1);
sw1.mode(PullUp);
DigitalOut myled(LEDG);
while(1) {
myled = !sw1; // SW1を押すとLow=0になるので、押したときにLEDを付けるために!を付ける。
wait_ms(200);
}
}
デバッガを起動して、プログラムをLM4F120 LaunchPadに書き込み、Resumeメニューを選択、または三角の青いアイコンをクリックするとmain関数の先頭で停まります。
ここで、もう一度Resumeを実行して、SW1を押したり、離したりしてみて下さい。
I2Cインターフェースを持った温度センサーLM73B*2を使って、温度を測ってみましょう。
LM73は、白の三角がついたところが、1番ピンで反時計回りにピン番号が割り振られています。
となっています。SCL, SDAは、プルアップ抵抗が必要で、ここでは手持ちの4.7KΩを使用しました。
LM4F120 LaunchPadの接続は、以下の4本を使用します。
テストプログラムTestLM73.cppは、以下の様になります。 *3
どうもDegitalOutは、シリアルクラスの影響を受けるみたいで、pcの後に型宣言しています。
#include"lbed.h"
#include "LM73.h"
int main(void) {
LM73 lm73(PB_3, PB_2);
Serial pc(PA_1, PA_0);
pc.baud(19200);
// 注意）Serialの影響を受けるので、最後にLEDを生成した
DigitalOut myled(LEDG);
while (1) {
float t = lm73.read();
pc.printf("temp=%d.%02d\n", int(t), (int(t*100)%100));
myled = !myled;
wait_ms(1000);
}
}
実際に動かしてシリアルモニターに出力させてみました。
StellarisWareライブラリで、I2Cを利用する例題はいくつか見つかりましたが、2バイト以上を送る例が少なく、
LM4F120 LaunchPad特有のI2C初期設定が分からず、動作するまでかなり時間が掛かりました。 *4
I2Cクラスは、以下の様に作成しました。
#include "platform.h"
#include "PinNames.h"
#include "I2C.h"
#include "inc/hw_memmap.h"
#include "inc/hw_types.h"
#include "inc/hw_i2c.h"
#include "driverlib/i2c.h"
#include "driverlib/sysctl.h"
#include "driverlib/gpio.h"
I2C::I2C(PinName sda, PinName scl, const char *name) {
_name = (char *) name;
// The I2C0 peripheral must be enabled before use.
SysCtlPeripheralEnable(SYSCTL_PERIPH_I2C0);
// For this example I2C0 is used with PortB[3:2].
SysCtlPeripheralEnable(SYSCTL_PERIPH_GPIOB);
// Select the I2C function for these pins.
GPIOPinTypeI2CSCL(GPIO_PORTB_BASE, GPIO_PIN_2); // I2CSCL
GPIOPinTypeI2C(GPIO_PORTB_BASE, GPIO_PIN_3); // I2CSDA
// Enable and initialize the I2C0 master module. True=400Kbps, False=100Kbps
I2CMasterInitExpClk(I2C0_MASTER_BASE, SysCtlClockGet(), false);
}
int I2C::read(int address, char *data, int length, bool repeated) {
unsigned char addr = (unsigned char)address>>1;
I2CMasterSlaveAddrSet( I2C0_MASTER_BASE, addr, true); // false = write, true = read
if (length == 1) {
I2CMasterControl( I2C0_MASTER_BASE, I2C_MASTER_CMD_SINGLE_RECEIVE);
// Wait until done transmitting
while( I2CMasterBusy(I2C0_MASTER_BASE));
*data = I2CMasterDataGet(I2C0_MASTER_BASE);
}
else {
for (int i = 0; i < length; i++) {
if (i == 0)
I2CMasterControl( I2C0_MASTER_BASE, I2C_MASTER_CMD_BURST_RECEIVE_START);
else if (i == length-1)
I2CMasterControl( I2C0_MASTER_BASE, I2C_MASTER_CMD_BURST_RECEIVE_FINISH);
else
I2CMasterControl( I2C0_MASTER_BASE, I2C_MASTER_CMD_BURST_RECEIVE_CONT);
// Wait until done transmitting
while( I2CMasterBusy(I2C0_MASTER_BASE));
*data++ = I2CMasterDataGet(I2C0_MASTER_BASE);
}
}
return length;
}
int I2C::write(int address, const char *data, int length, bool repeated) {
unsigned char addr = (unsigned char)address>>1;
I2CMasterSlaveAddrSet( I2C0_MASTER_BASE, addr, false); // false = write, true = read
if (length == 1) {
I2CMasterDataPut( I2C0_MASTER_BASE, *data);
I2CMasterControl( I2C0_MASTER_BASE, I2C_MASTER_CMD_SINGLE_SEND);
// Wait until done transmitting
while( I2CMasterBusy(I2C0_MASTER_BASE));
}
else {
for (int i = 0; i < length; i++) {
I2CMasterDataPut( I2C0_MASTER_BASE, *data++);
if (i == 0)
I2CMasterControl( I2C0_MASTER_BASE, I2C_MASTER_CMD_BURST_SEND_START);
else if (i == length-1)
I2CMasterControl( I2C0_MASTER_BASE, I2C_MASTER_CMD_BURST_SEND_FINISH);
else
I2CMasterControl( I2C0_MASTER_BASE, I2C_MASTER_CMD_BURST_SEND_CONT);
// Wait until done transmitting
while( I2CMasterBusy(I2C0_MASTER_BASE));
}
}
return length;
}
// これらの関数の使い方がよく分からないので、ダミー関数
int I2C::read(int ack) {
return -1;
}
int I2C::write(int ack) {
return -1;
}
これまで自分が作ってきたユーザライブラリを使っていましたが、mbedの既存のユーザ ライブラリをlbedに移植した場合の変更点と問題点を整理します。
勝純一さんが公開されているI2cLCDを例にlbedへの移植をしてみます。
wait関数の変更は、wait_msとwait_usを使って置き換えます。
wait_ms(1); wait_us(640); //wait(0.00164f); // This command takes 1.64 ms
I2cLCD.hとI2cLCD.cppのメンバー変数の順序を以下の様に変更します。
// DigitalOut, I2Cの順で宣言されているのをI2C, DigitalOutに変更
// DigitalOut _rs;
// I2C _i2c;
I2C _i2c;
DigitalOut _rs;
// _rs, _i2cの順に初期化しているのを_i2c, _rsに変更
// I2cLCD::I2cLCD(PinName sda, PinName scl, PinName rp) : _rs( rp ), _i2c( sda , scl ) {
I2cLCD::I2cLCD(PinName sda, PinName scl, PinName rp) : _i2c( sda , scl ), _rs( rp ) {
staticな配列icon_dataの初期化をauto変数に変更します。
static unsigned char icon_data[]=
{
0x00, 0x10,
途中省略
0x0F, 0x10,
};
をputiconメンバ関数のなかで設定するように変更 *6
void I2cLCD::puticon(int flg)
{
unsigned char icon_data[] = {
0x00, 0x10,
途中省略
0x0F, 0x10,
};
このように手順が分かれば、ある程度スムーズに移植できると思います。 *7
アナログ入力は、StellarisWareのライブラリを使用するため、 StellarisLaunchPadWorkbook を参考にAnalogInクラスを作成してみます。
LM4F120には、12bit 1MサンプリングのADCモジュール*8が2個内蔵され、12個のアナログ入力チャネルで共有されています。*9
LM4F120 LaunchPad UserManual Table 2-5によると、12個のアナログ入力チャネルは、以下の様にピン配置されています。
アナログ入力クラスAnalogInを使って可変抵抗の電圧を測ってみます。
可変抵抗の両端を3.3VとGNDに接続し、真ん中のピンをJ3の9番目のピンPE_3に接続します。
テストプログラムTestAnalogIn.cppは、以下の様にします。
#include"lbed.h"
int main(void) {
Serial pc(PA_1, PA_0);
AnalogIn in(PE_3);
DigitalOut myled(LEDG);
pc.baud(19200);
pc.println("Hello");
while (1) {
unsigned short val = in.read_u16();
pc.printf("Sensor = %d\n", (int)val);
myled = !myled;
wait_ms(1000);
}
return 0;
}
いつものようにArudino IDEのシリアルモニターを起動して実行すると、以下のように可変抵抗を回すと 1から4095の範囲の値が表示されます。
AnalogInのsetupをPE_3に対してのみ表すと以下の様になります。
void AnalogIn::setup(PinName pin, const char* name)
{
SysCtlPeripheralEnable(SYSCTL_PERIPH_ADC0);
SysCtlADCSpeedSet(SAMPLE_SPS);
ADCSequenceDisable(ADC0_BASE, SEQUENCE_NUM);
if (pin >= PE_0 && pin <= PE_5) {
_gpio = GPIO_PORTE_BASE;
SysCtlPeripheralEnable(SYSCTL_PERIPH_GPIOE);
switch (pin) {
case PE_3:
_channel = ADC_CTL_CH0;
_pin = 3;
break;
// 他のピンも同様に設定
}
AnalogIn::_e_mask |= 1 << _pin;
// ピンタイプをADCにセット
GPIOPinTypeADC(_gpio, AnalogIn::_e_mask);
}
// PB, PDは省略
// ADC0をシーケンス3を割り込み不可にする
ADCSequenceDisable(ADC0_BASE, SEQUENCE_NUM);
// ADC0のシーケンスを最大優先にセット
ADCSequenceConfigure(ADC0_BASE, SEQUENCE_NUM, ADC_TRIGGER_PROCESSOR, 0);
// 1ステップで1サンプリングにセット
ADCSequenceStepConfigure(ADC0_BASE, SEQUENCE_NUM, 0, _channel | ADC_CTL_IE | ADC_CTL_END);
// ADC0をシーケンス3を割り込み可能にする
ADCSequenceEnable(ADC0_BASE, SEQUENCE_NUM);
// ADC0をシーケンス3の割り込みフラグをクリア
ADCIntClear(ADC0_BASE, SEQUENCE_NUM);
}
アナログ値の読み込みは、以下の様にしました。
unsigned short AnalogIn::read_u16()
{
if (_gpio) {
ADCIntClear(ADC0_BASE, SEQUENCE_NUM);
ADCProcessorTrigger(ADC0_BASE, SEQUENCE_NUM);
while(!ADCIntStatus(ADC0_BASE, SEQUENCE_NUM, false)) {
}
ADCSequenceDataGet(ADC0_BASE, SEQUENCE_NUM, &_value);
return ((short)(_value&0x0FFF));
}
else
return 0;
}
LM4F120には、ドライバーで使われているPWMモジュールが付属していない *10 ため、StellarisライブラリーのPWMは使えず、タイマー機能を使って代用する必要があります。
PWMのピン割り当ては、以下の様になっています。 *11
PWMピンの一つJ3_10（LEDRと兼用）をLEDのアノード（線の長い方）と直列につないだ470Ωの抵抗に接続し、 カソードをGND（J3_2）に接続します。
動作を確認するテストプログラムは、PwmOutのインスタンスledを生成し、80m秒毎に0.02ずつ値を大きくするもので、これを4秒間隔で繰り返します。
#include "lbed.h"
int main(void) {
PwmOut led(LEDR);
led = 0.5;
while(1) {
led = led + 0.02;
if(led >= 1.0) {
led = 0.0;
}
wait_ms(80);
}
}
PwmOutのsetupをLEDRに対してのみ表すと以下の様になります。
void PwmOut::setup(float period) {
_period = period;
unsigned long p = (uint32_t)(SystemCoreClock*_period);
// 16bitの範囲内で制御できるようにprescaleを変更する
if (p > (unsigned long)0xFFFF)
_scale = p/0x10000 + 1;
else
_scale = 1;
unsigned long matchTime = (unsigned long)((_period - _pulsewidth)*SystemCoreClock/_scale)-1;
switch (_pin) {
case LEDR: // T0CCP1
SysCtlPeripheralEnable(SYSCTL_PERIPH_GPIOF);
GPIOPinConfigure(GPIO_PF1_T0CCP1);
GPIOPinTypeTimer(GPIO_PORTF_BASE, GPIO_PIN_1);
SysCtlPeripheralEnable(SYSCTL_PERIPH_TIMER0);
_base = TIMER0_BASE;
_timer = TIMER_B;
TimerConfigure(_base, TIMER_CFG_SPLIT_PAIR|TIMER_CFG_B_PWM);
break;
// 他のピンは、省略
}
TimerPrescaleSet(_base, _timer, _scale -1); // prescaleをセット
TimerPrescaleMatchSet(_base, _timer, _scale -1);
TimerLoadSet(_base, _timer, p/_scale -1); // periodをセット
TimerMatchSet(_base, _timer, matchTime);
TimerEnable(_base, _timer);
}
PWMを使ってArduinoのToneクラスを作ってみます。
圧電スピーカは、直接PWDの出力ピント接続します。 今回は、PB5をPWDの出力ピンに使用します。
LaunchPadとの接続は、J1_2（PB5）とJ3_2（GND）を圧電スピーカに接続するだけです。
テストプログラムTestTone.cppは、PCから入力された1から5に応じてそれぞれ、 ド、レ、ミ、ソ、ラを出力します。
TestTone.cppは、以下の通りです。
#include "lbed.h"
#include "Tone.h"
int main(void) {
int tones[]={262,294,330,392,440}; // C, D, E, G, A
int toneDuration = 500;
Serial pc(PA_1, PA_0);
Tone tone(PB_5); // T1CCP1
DigitalOut myled(LEDR);
pc.baud(19200);
tone.noTone();
pc.println("Input number");
while (1) {
char c = pc.read();
myled = !myled;
if (c >= '1' && c <= '5') {
int index = c - '1';
tone.tone(tones[index], toneDuration);
}
}
return 0;
}
Toneクラスは、PwmOutクラスを使ってとても簡単に作成できます。
Tone.cppは、以下の通りです。
#include "Tone.h"
#include "lbed.h"
Tone::Tone(PinName pin) : _out(pin)
{
}
void Tone::tone(unsigned int frequency)
{
float period = 1.0/frequency;
noTone();
_out.period(period);
_out.write(0.5);
}
void Tone::tone(unsigned int frequency, unsigned long duration)
{
noTone();
tone(frequency);
wait_ms(duration);
noTone();
}
void Tone::noTone(void)
{
_out.disable();
}
が動作したので、SPIクラスを作りました。
| 機能 | レジスター | ピン番号 |
| ssi0Rx | PA_4 | J2_8 |
| ssi0Tx | PA_5 | J1_8 |
| ssi0clk | PA_2 | J2_10 |
| ssi1Rx | PD_2 | J3_5 |
| ssi1Tx | PD_3 | J3_6 |
| ssi1clk | PD_0 | J3_3 |
| ssi2Rx | PB_6 | J2_7 |
| ssi2Tx | PB_7 | J2_6 |
| ssi2clk | PB_4 | J1_7 |
Arduinoとの接続は、SPIのテストプログラムと同じで以下の様にしました。
LaunchPadのピンは、以下のピンを使用します。
Arduinoのピンは、以下のピンを使用します。
AdruinoとLaunchPadの結線は、以下の様になっています。
SPIをクラスを使うと、Hello Worldのテストプログラムの以下の様に簡単になります。
#include "lbed.h"
int main(void) {
SPI spi(PD_3, PD_2, PD_0);
char *pcChars = "Hello World!\n";
char c;
while((c = *pcChars++)) {
spi.write(c);
}
}
シリアルモニターに以下の様に出力されます。
SPIの動作が確認できましたので、最大の目標であるMARMEX_OBの液晶モジュールに接続してみましょう。 今回使用するのは、 MARY-OB基板（OLED Board） です。
今回も、mbedのサイトから MARMEX_OB基板OLEDライブラリ (MARMEX_OB_oled) を使わせてもらいました。
MARY-OB基板（OLED Board）のコネクターとピンの定義は以下の通りです。
LaunchPadとの接続は、以下のようにします。
テストプログラムTestOLED.cppは以下の様にします。
#include <math.h>
#include "lbed.h"
#include "MARMEX_OB_oled.h"
int main(void) {
MARMEX_OB_oled oled(PD_3, PD_0, J1_8, J1_9, J1_10); // mosi, sclk, cs, rst, power_control
oled.background( 0x000000 );
oled.cls();
int colorbar_width = MARMEX_OB_oled::WIDTH / 8;
for ( int i = 0; i < 8; i++ )
oled.fill( colorbar_width * i, 0, colorbar_width, MARMEX_OB_oled::HEIGHT,
((i & 0x4) ? 0xFF0000 : 0x000000) | ((i & 0x2) ? 0x00FF00 : 0x000000) | ((i & 0x1) ? 0x0000FF : 0x000000) );
oled.fill( 50, 50, 64, 64, 0xCCCCCC );;
oled.locate(0, 3);
oled.print("Hello World!");
for (int i = 0; i < MARMEX_OB_oled::WIDTH; i++ ) {
oled.pixel( i, 80 + sinf( (float)i / 5.0 ) * 10, 0x000000 );
}
while(1) {
}
}
無事動いて、MARY-OB基板（OLED Board）に以下の様に表示されました。
テンキーは入力デバイスとして便利です。そこでArduinoのKeypadクラスをlbedに移植してみることにしました。
ポイントは以下の2点です
今回は、スイッチサイエンスの ３ｘ４のマトリックス式ボタンパッド を使用しました。
マトリックス式ボタンパッドのコネクタは、左から1番とし、以下の様に接続します。
| キーパッドのピン | LaunchPadのピン |
| 1:1行目 | J1_9 |
| 2:2行目 | J1_8 |
| 3:3行目 | J1_7 |
| 4:4行目 | J1_6 |
| 5:1列目 | J1_5 |
| 6:2列目 | J1_4 |
| 7:3列目 | J1_3 |
テストプログラムは、以下の様になります。
#include "lbed.h"
#include "Keypad.h"
int main(void) {
const byte rows = 4; //four rows
const byte cols = 3; //three columns
char keys[rows][cols] = {
{'1','2','3'},
{'4','5','6'},
{'7','8','9'},
{'*','0','#'}
};
byte rowPins[rows] = {J1_9, J1_8, J1_7, J1_6}; //connect to the row pinouts of the keypad
byte colPins[cols] = {J1_5, J1_4, J1_3}; //connect to the column pinouts of the keypad
Serial pc(PA_1, PA_0);
Keypad keypad = Keypad( makeKeymap(keys), rowPins, colPins, rows, cols );
pc.baud(19200);
pc.println("Input number");
wait_ms(500);
while (1) {
char c = keypad.getKey();
if (c)
pc.write(c);
}
}
Arduinoのライブラリをlbedに移植するときのポイントは、できるだけソース変更しないことです。
lbedに存在しない関数の内、
pinModeは、DigitalOut.hに以下の様に追加しました。
// Arduinoのライブラリコンバートのため、pinModeを追加
void pinMode(int mode) {
switch (mode) {
case Arduino_INPUT:
_gpio->DIR &= ~_mask;
DigitalIn::mode(PullNone);
break;
case Arduino_OUTPUT:
DigitalIn::mode(PullNone);
_gpio->DIR |= _mask;
break;
case Arduino_INPUT_PULLUP:
_gpio->DIR &= ~_mask;
DigitalIn::mode(PullUp);
break;
}
}
Keypad内部で保持している行（rowPins）と列（columPins）をbyteポインタからDigitalOutの配列に変更しました。 *13
//byte *rowPins;
//byte *columnPins;
DigitalOut rowPins[4];
DigitalOut columnPins[4];
そしてこれからが、今回の移植のメインイベントで、以下のdefine文で不足している関数を入れ替えました。
#define pin_mode(pinNum, mode) (pinNum).pinMode(mode) #define pin_write(pinNum, level) (pinNum) = level ? 1 : 0 #define pin_read(pinNum) (pinNum) #define bitWrite(b, c, bit) b = bit ? (b | 1<<c) : (b & ~(1<<c)) #define bitRead(b, c) ((b & (1<<c)) >>c)
最後に、Keypadのコンストラクターでピン番号からDigitalOutをセットします。
// rowPins = row;
// columnPins = col;
for (int i = 0; i < numRows; i++) {
rowPins[i].setup(row[i], NULL);
}
for (int j = 0; j < numCols; j++) {
columnPins[j].setup(col[j], NULL);
}
皆様のご意見、ご希望をお待ちしております。
