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Aliexpressにて USBTinyISPの小型のものが出回っているようで、入手しました。
USBTinyISP Programmer Module For Arduino
私が購入した時は、送料は無料だったのですが、現時点では若干値上がり＆送料がかかります。
到着した製品（左）と所有していた従来のUSBTinyISP（右）
かなり小型です。Windows 10パソコンに接続したところ、問題なくUSBTinyISPと
認識してくれました。
ATtiny13Aの書込みには、今後これを使っていく予定です。
別途、6ピンのコネクタ付きのフラットケーブルがあると重宝します。
6 Pins 2.54mm Pitch JTAG AVR Download Cable
電子工作で、8ビットシフトレジスタ74HC595をよく使います。
しかし、仕様を完全に理解していないで、他ブログや自分の過去の利用を流用し、
その場しのぎで利用していました。
「これじゃぁ、アカン、ちゃんと仕様と機能をちゃんと理解しよう」と思い、
調査しまとめることにしました。
まずは仕様の再確認
ピンレイアウト
メーカー毎に微妙にピン名称が異なります。
MC74HC595Aが分かり易い名称なので、データシートからピンレイアウトを
拝借し、修正しました。
ブロック図
内部的には、シフトレジスタとストレージレジスタの構成になっています。
変化するシフトレジスタの8ビットパラレル出力を、ストレージレレジスタが
LATCH CLOCKのラッチのタイミングで取り込んで、パラレル出力の状態を保持＆出力します。
ストレージレジスタのQA～QHは3ステート(HIGH、LOW、ハイインピーダンス）です。
（SQHは2ステート(HIGH、LOW）であるに注意）
Arduino Unoを使った実験
ブレッドボード上の8個のLEDを74HC595を使って制御します。
接続は、74HC595のパラレル出力QA～QH、SQHにLEDを接続します。
各LEDには電流調整用に330Ωの抵抗を入れてGNDに接続しています。
各LEDはQA～QH、SQHの出力がHIGHの場合点灯し、LOWの場合に消灯します。
OUTPUT ENABLE、SERIAL DATA INPUT、RESET、SHIFT CLOCK, LATCH CLOCKの
制御用の入力端子は、ArduinoのD10、D11、D2、D13、D3に接続します。
LEDの簡単な点灯制御
つぎの動画のように、８つLEDをチカチカさせる制御です。
スケッチ
// 利用ピンの定義 #define OUT_ENABLE 10 #define SERIAL_OUT 11 #define HC595_RESET 2 #define SHIFT_CLK 13 #define LATCH_CLK 3 // シフトレジスタへの8ビットデータのセット void shift_dataOut(uint8_t data) { for (uint8_t i=0; i < 8; i++) { digitalWrite(SHIFT_CLK,LOW); digitalWrite(SERIAL_OUT, (data & (0x80>>i))); digitalWrite(SHIFT_CLK,HIGH); } } // シフトレジスタのデータリセット void shift_reset() { digitalWrite(HC595_RESET,LOW); digitalWrite(HC595_RESET,HIGH); } // シフトレジスタからストレージレジスタへのデータセット void strage_update() { digitalWrite(LATCH_CLK,LOW); digitalWrite(LATCH_CLK,HIGH); } // ストレージレジスタの出力有効 void strage_enable() { digitalWrite(OUT_ENABLE, LOW); } // ストレージレジスタの出力無効 void strage_disable() { digitalWrite(OUT_ENABLE, HIGH); } void setup() { // 利用ピンの初期化 pinMode(OUT_ENABLE, OUTPUT); pinMode(SERIAL_OUT, OUTPUT); pinMode(HC595_RESET,OUTPUT); pinMode(SHIFT_CLK, OUTPUT); pinMode(LATCH_CLK, OUTPUT); // SHIFT CLOCK、LATCH CLOCKの設定 digitalWrite(SHIFT_CLK,LOW); digitalWrite(LATCH_CLK,LOW); shift_reset(); // シフトレジスタの値リセット strage_update(); // シフトレジスタからストレージレジスタへの値セット strage_enable(); // ストレージレジスタの出力有効 delay(2000); } void loop() { shift_dataOut(0b10101010); strage_update(); delay(500); shift_dataOut(0b01010101); strage_update(); delay(500); }
スケッチの説明
①初期化 setup()
(1)利用ピンの初期化
74HC595の制御を行う５つのピンの出力設定を行っています。
(2)SHIFT CLOCK、LATCH CLOCKの設定
初期値としてLOWの設定を行います。
(3)シフトレジスタの値リセット
shift_reset()関数を呼び出してシフトレジスタの値のリセットを行います。
shift_reset()関数は次のように定義しています。
// シフトレジスタのデータリセット void shift_reset() { digitalWrite(HC595_RESET,LOW); digitalWrite(HC595_RESET,HIGH); }
74HC595のリセットピンのLOWを設定してリセットを行った後、HIGHに戻しています。
(4)ストレージレジスタへの値設定
strage_update()関数を呼び出して、シフトレジスタの値をストレージレジスタに設定
しています。
strage_update()関数は次のように定義しています。
// シフトレジスタからストレージレジスタへのデータセット void strage_update() { digitalWrite(LATCH_CLK,LOW); digitalWrite(LATCH_CLK,HIGH); }
74HC595のLATCH CLOCKに対して、LOW→HIGHを行うことで、
シフトレジスタの値をラッチしてストレージレジスタに取り込みます。
(5)ストレージレジスタの出力有効
strage_enable()関数を呼び出して、ストレージレジスタのパラレル出力QA～QH、SQH
を有効にします。
strage_enable()関数は次のように定義しています。
// ストレージレジスタの出力有効 void strage_enable() { digitalWrite(OUT_ENABLE, LOW); }
74HC595のOUTPUT ENABLEをLOWに設定することにより、
出力を有効にしています。
delay(2000)は、LEDの出力がリセットされていることを確認するために入れています。
Arduinoのリセットボタンを押した直後、２秒間8個のLEDが消灯していることが確認できます。
②LEDの点灯ループ loop()
８個のLEDに対して、２つのパターンの出力を0.5秒間隔で繰り返しています。
shift_dataOut（）関数は8個のLEDの点灯パターンを設定しています。
shift_dataOut（）関数は、シフトレジスタへの値の設定のみを行います。
この関数を実行しても、LEDの表示には影響しません。
shift_dataOut（）関数は次のように定義しています。
// シフトレジスタへの8ビットデータのセット void shift_dataOut(uint8_t data) { for (uint8_t i=0; i < 8; i++) { digitalWrite(SHIFT_CLK,LOW); digitalWrite(SERIAL_OUT, (data & (0x80>>i))); digitalWrite(SHIFT_CLK,HIGH); } }
8ビットの値をシフトレジスタにセットするために8回繰り返し処理を行っています。
1回毎の処理で1ビットの値をシフトレジスタにセットしています。
(1)74HC595のSHIFT CLOCKをLOWにした状態にする
(2)74HC595のSERIAL OUTにセットしたい値をセットする
(3)74HC595のSHIFT CLOCKをHIGHにして、SERIAL OUTの状態をラッチして
1ビットをシフトレジスタにシフトインして取り込む。
次にstrage_update()関数にてシフトレジスタの値をストレージレジスタにセットします。
このタイミングでLEDの表示が更新されます。
LEDのPWMを使った明るさの制御
74HC595のOUTPUT ENABLEをPWMで制御することでLEDの明るさを制御することが出来ます。
スケッチのloop()のdeley(500)を次のように修正して、PWMにて徐々に暗くなるように
修正してみます。
実行すると、「ぽわー、ぽわー」と暗くなってからパターンが切り替わります。
void loop() { shift_dataOut(0b10101010); strage_update(); for (int16_t i=0; i<256; i++) { analogWrite(OUT_ENABLE,i); delay(5); } shift_dataOut(0b01010101); strage_update(); for (int16_t i=0; i<256; i++) { analogWrite(OUT_ENABLE,i); delay(5); } }
ちょっとした疑問
74HC595は連結(SQHを連結先の74HC595のSERIAL DATA INPUTに接続）して
8ビット、16ビット、24ビットと桁数を増やすことが出来る仕様なのですが、
QHとSQHが同じ値なので、
「１個目の8ビット目と2個目の1ビット目が同じ値になってしまうのでは？」
と非常に疑問を感じます。
シフトレジスタ部の内部ロジック構造を見てみることにします。
シフトレジスタ部はDフリップ・フロップの連結構造です。
（ロジック図はMC74HC595Aからの引用です）
74HC595内部の個々のDフリップ・フロップの連結と
1個目の最後のDフリップ・フロップと2個目の74HC595のDフリップ・フロップへの
連結(SRH ⇒ SRA）は、差異が無いはずです。
下記の図は１個目の74HC595のシフトレジスタ部内のSRHと、2個目の74HC595の
シフトレジスタ部内のSRAを接続したイメージです。
下図のタイミングチャートにおいて、
SERIAL CLOCKの立上り(太い線)でSERIAL DATA INPUTから読み込むデータを
D0、D1、D2．．．とすると、SQHとSQAの状態は次のような感じにまります。
（時間軸は左が過去）
SQHがD5をラッチするタイミングでSQAのDにはD4が入力されているため、取り込むデータの
値は当然D4になります。
うぁ、良く考えたら当たり前で、こんな図を描いて考える必要もなかった。
「Dフリップ・フロップ の連結で受け取るデータは前段のDフリップ・フロップの
１クロック遅れたデータを受け取る」
ってことです。
まあ、これで疑問が解けたので良しとします。
以前、挑戦ていた「ATtiny13AでI2C接続キャラクタLCDを利用する」を
Arduino 1.8.5 + MicroCore環境にてやってみました。
キャラクタLCDは、秋月電子で購入したACM1602NI-FLW-FBW-M01を利用しています。
・I2C接続キャラクタＬＣＤ 16x2行白色バックライト付(ACM1602NI-FLW-FBW-M01)
以前コメントで頂いた、問題点の対応とRaulさんオリジナル版の
Coding Laboratory - I2C on an AVR using bit banging
スケッチサイズは、MicroCoreのcore_settings.hにて利用しない機能を無効化することで
660バイトに抑えることが出来ました。
I2Cが使えると、電子工作の幅が広がりますね。
このスケッチは下記からダウンロードできます。
ダウンロード ATtiny13_I2CLCD.zip (4.7K)
以前、「ATtiny13Aで赤外線リモコン受信センサーを使う」で行ったことを、
Arduino IDEのATtiny13A用MicroCoreパッケージの環境で動作確認しました。
実行結果
ただしデフォルトでは、micros()は利用出来ないので、
core_settings.hの中のENABLE_MICROS の定義を有効にする修正が必要です。
スケッチ
// // ATtiny13Aで赤外線リモコン受信 // // ATMEL ATTINY13 / ARDUINO // 利用パッケージ：https://github.com/MCUdude/MicroCore // 注意： core_settings.h の#ENABLE_MICROS を有効にする必要あり // // +-Ｖ-+ // Reset PB5 1| |8 Vcc // Tx PB3 2| |7 PB2 IR(IN) // Rx PB4 3| |6 PB1 // GND 4| |5 PB0 // +----+ // // シリアル通信定義 #define BAUD_RATE 38400 #include "BasicSerial3.h" #define Tx PB3 // (変更する場合、BasicSerial3.S修正が必要) #define Rx PB4 // (変更する場合、BasicSerial3.S修正が必要) //IR受信定義 #define IR PB2 #define IR_DDR DDRB #define IR_PORT PORTB #define IR_PININ PINB #define IRbitRead() (IR_PININ&_BV(IR)) #define RC_RDH_TS 9000 // リーダコードOFF間隔 9ms判定用 #define RC_RDL_TS 3800 // リーダコードON間隔 4.5ms判定用 #define RC_BITLOW_TS 1000 // ビットデータON間隔 1.69ms判定用 #define RC_TMOVER 8000 // タイムオバー // // 赤外線リモコンコード取得 // 4バイトのデータを返す // CCCCDDdd // CCCC カスタムコード // DD データコード // dd データコードのビット反転(データチェック用) // ただし、 // リピートコードの場合 0 // エラーの場合 0xFFFFFFFF // を返す. // uint32_t Read_IR() { uint8_t repeat = 0; // リピートコード検出フラグ uint32_t dt = 0; // 赤外線リモコン読み取りデータ unsigned long t ; // 信号長計測用 // リード部の取得 // 受信データはH/L反転で読まれる while(1) { while(IRbitRead()); // OFF検出受信待ち t = micros(); // OFF検出時刻取得 while(!IRbitRead()); // ON受信検出待ち t = micros() -t; // OFF->ONの時間間隔取得 if (t > RC_RDH_TS) { // 9ms以上ならリーダコードとみなす t = micros(); // ON検出時刻取得 while(IRbitRead());// OFF検出待ち t = micros() -t; // ON->OFF時間間隔取得 break; } } // データ部取得 if (t < RC_RDL_TS) { // 0N->OFF がリピートコードの場合、データ取得はスキップ repeat = 1; } else { // 0N->OFF がリダーコードの場合、データを取得 for (uint8_t i = 0; i <32; i++) { //32ビット分取得ループ // ビット開始待ち while(!IRbitRead()); // ON待ち t = micros(); while(IRbitRead()); // OFF待ち t = micros() -t; if (t>RC_TMOVER) return 0xFFFFFFFF; // エラー dt<<=1; dt |= (t>RC_BITLOW_TS) ? 1:0; } } // ストップビットの待ち while(IRbitRead()); // OFF待ち if (repeat) return 0; return dt; } // 文字列出力 void serOut(const char* str) { while (*str) TxByte (*str++); } // 整数を16進数で出力 void serOutHex(uint16_t h) { uint8_t c; for (int8_t i=12; i>=0; i-=4) { c = h>>i & 0xf; c = c >9 ? c+'A'-10: c+'0'; TxByte ((uint8_t)c); } } void setup() { IR_DDR &= ~_BV(IR); // IRピンのみ入力設定する } void loop() { uint32_t rc = Read_IR(); // IR受信 if (rc) { if (rc != 0xFFFFFFFF) { serOut("custom="); serOutHex(rc>>16);serOut(" "); serOut("data=");serOutHex(rc>>8&0xff);serOut("\n\r"); } } else { //serOut("Repeat\n\r"); } }
Arduino IDE 1.8.5の環境で、ATtiny13Aの開発が出来るようになったので、
試しに、HC-SR04を使った距離計測を実装してみました。
スケッチは、アルゴリズム雑記さんの下記の記事を参考にさせていただきました。
・【Arduino】超音波距離センサ(HC-SR04)の測定精度を向上（気温考慮）
https://algorithm.joho.info/arduino/ultrasonic-distance-sensor-hcsr04-temp/
実装
実行結果
測定結果は、シリアルコンソールに出力します。
とりあえず、それらしく動いています。
スケッチサイズは、ジャスト1024バイト、ぎりぎり書き込めました。
スケッチ
(修正) 2018/04/14 ライブラリBasicSerial3をlibraliesに配置するように修正しました。
// // 超音波距離センサHC-SR04を使った距離計測 // // ATMEL ATTINY13 / ARDUINO // 利用パッケージ：https://github.com/MCUdude/MicroCore // // +-Ｖ-+ // Reset PB5 1| |8 Vcc // Tx PB3 2| |7 PB2 // Rx PB4 3| |6 PB1 ECHO // GND 4| |5 PB0 TRIG // +----+ // // シリアル通信ライブラリ // AVR half-duplex software UART supporting single pin operation // http://nerdralph.blogspot.jp/2014/01/avr-half-duplex-software-uart.html // #define BAUD_RATE 38400 #include "BasicSerial3.h" #define Tx PB3 // (変更する場合、BasicSerial3.S修正が必要) #define Rx PB4 // (変更する場合、BasicSerial3.S修正が必要) // HC-SR04 #define TRIG PB0 // 出力ピン #define ECHO PB1 // 入力ピン #define TEMP 180 // 温度補正 気温(℃)*10 // 整数を10進数で出力 void OutDEC(uint16_t d) { int8_t n =-1; uint16_t v = 10000; for (uint8_t i=0; i<5; i++) { if (d >= v) { TxByte(d/v + '0'); d %= v; n=i; } else { if (n!=-1||i==4) TxByte ('0'); } v/=10; } } void setup() { pinMode(TRIG, OUTPUT); pinMode(ECHO, INPUT); } void loop() { // 超音波の出力終了 digitalWrite(TRIG,LOW); delayMicroseconds(1); // 超音波を出力 digitalWrite(TRIG,HIGH); delayMicroseconds(11); // 超音波を出力終了 digitalWrite(TRIG, LOW); // 出力した超音波が返って来る時間を計測 uint16_t d = (uint16_t)pulseIn(ECHO, HIGH, 200000); // 計測した時間と音速(気温を考慮)から反射物までの距離を計算 uint16_t k=(3315+TEMP*6)/20; // 係数 uint16_t v=d/100*k; uint16_t h=v/100; uint16_t l=v%100; // 計算結果をシリアル通信で出力 OutDEC(h); TxByte('.'); OutDEC(l); TxByte('\n'); delay(250); }
シリアル出力はNerd Ralphさんが公開しているライブラリ、BasicSerial3 を利用しています。
・Nerd Ralph - AVR half-duplex software UART supporting single pin operation
http://nerdralph.blogspot.jp/2014/01/avr-half-duplex-software-uart.html
ライブラリをダウンロードし、BasicSerial3を\librariesに配置する必要があります。
さらに、BasicSerial3.Sのピン指定を修正しています。
#define UART_Tx 3
#define UART_Rx 4
スケッチの全ソースは、下記のサイトに置いています。
https://github.com/Tamakichi/Arduino_ATtiny13_HC_SR04
50円マイコン、容量の制約が厳しいですが、それなりに実装でき、十分楽しめますね。
Arduino IDEのATtiny13A用MicroCoreパッケージを久しぶりにチェックしたところ、
いい感じになっているので、最新版1.03を利用してみました。
パッケージ公開サイト
ボーマネージャにて、最新版をインストールします。
スケッチ
void setup() { pinMode(PB3, OUTPUT); } void loop() { digitalWrite(PB3, HIGH); delay(500); digitalWrite(PB3, LOW); delay(500); }
ピン指定は、ピン名称のPB0～PB5がそのまま利用出来るようです。
ボード指定と書き込み装置を設定し、スケッチをコンパイル＆書き込み実施。
とりあえず、上記の設定では問題なくLチカ出来ました。
ヒューズビットの設定も同時に行われているようです。
128kHzでのLチカで問題発生
次にクロックを落としての利用。
低速書込みでは過去の経験から色々と問題が発生するのですが、やはり問題発生。
スケッチの書込みは出来るのですが、ヒューズビットの設定が出来ていないようです。
本来ならスケッチの書込みと同時に、ヒューズビットの設定もおこなわれるはずです。
公式サイトを見ると、書込み装置として「USBtinyISP(slow)」を設定しないといけないようです。
試して見ると、書込み時に下記のエラーが発生しました。
avrdude: Can't find programmer id "{upload.protocol}"
これのエラーは、"upload.protocol"が未定義ということです。
MicroCoreの設定ファイル
C:\Users\ユーザー\AppData\Local\Arduino15\packages\MicroCore\hardware\avr\1.0.3\
を調べてみるとプロトコルの設定をprogrammers.txtでは"protocol"のidを使っているのに
platform.txtの定義では"upload.protocol"のidを参照しています。
idがミスマッチのようです。
このエラーの対応として、
platform.txt内の"upload.protocol"を"protocol"に変換
でidのエラーは解決できました。
しかし、新たなエラーが発生
このエラーはSCKのクロックタイミングがマズイようです。
USBtinyISPのSCKのクロックパルス速度ではATtiny13が応答出来ないようです。
対応としてprogrammers.txtの-B32をところを-B64 -Fに修正
usbtinyisp.name=USBtinyISP (slow) usbtinyisp.protocol=usbtiny usbtinyisp.program.tool=avrdude #usbtinyisp.program.extra_params=-B32 usbtinyisp.program.extra_params=-B64 -F
ついでに、platform.txtの-B32設定の箇所を-B64に修正
下記はヒューズビットの書込みに関連する設定です。
tools.avrdude.erase.params.verbose=-v
tools.avrdude.erase.params.quiet=-q -q
tools.avrdude.erase.pattern="{cmd.path}" "-C{config.path}" -v -p{build.mcu} -c{protocol} -B64 {program.extra_params} -e -Ulock:w:{bootloader.unlock_bits}:m -Uhfuse:w:{bootloader.high_fuses}:m -Ulfuse:w:{bootloader.low_fuses}:m
tools.avrdude.bootloader.params.verbose=-v
tools.avrdude.bootloader.params.quiet=-q -q
tools.avrdude.bootloader.pattern="{cmd.path}" "-C{config.path}" {bootloader.verbose} -p{build.mcu} -c{protocol} -B64 -Ulock:w:{bootloader.lock_bits}:m
(備考）
programmers.txt、platform.txtはサクラエディタで開くとUTF-7と誤判断され、
上書き保存すると、Arduino IDEで正しく読めなくなりました。
明示的にUTF-8指定して保存する必要があります。
修正後、Arduino IDEを再起動して動作確認すると、問題無く書き込めるようになりました。
まとめ
・Arduino 1.8.5でMicroCoreパッケージを使うと、ATtiny13Aのアプリ開発が出来る
・書き込み装置は、USBtinyISPがおススメ
・9.6MHzのクロックを利用する場合は、デフォルトのままで利用しても問題ない
・クロックを変更して利用する場合、現段階では定義ファイルの修正が必要っぽい
問題はあるようですが、Arduino 1.8.5でATtiny13Aのアプリが開発できるのは有難いですね。
開発者さんに感謝です。
SNSにて、「Arduinoを電源を入れてからスケッチが実行するまでの時間を早くしたい」という
旨の話題があり、ブートローダーが無ければ早くなるのではと思い、調べてみました。
まずArduino Unoで採用しているブートローダー optibootのソースを見てみると、
（参考：Optiboot/optiboot https://github.com/Optiboot/optiboot）
ホストからのスケッチ書き込み要求のためのシリアル通信の監視を1.5秒間行った後、
書き込まれているスケッチの実行を行っていることが分かりました。
（この監視する待ち時間をタイムアウト時間と呼ぶことにします）
実際に、次のようなスケッチを実行してリセットからD2ピンにLOW・HIGHが出力されるまでの
時間を計測してみました。
void setup() { pinMode(2,OUTPUT); digitalWrite(2,0); digitalWrite(2,1); } void loop() { }
ブートローダーありの場合
ロジックアナライザでリセットピンとD2ピンの出力を調べてみると次のような感じになりました。
（クリックすると拡大表示します）
リセットボタンを押して、離した後からD2ピンがLOW・HIGHのエッジ間は1.579秒でした。
まあ、だいたい予想通りの時間でした。
ブートローダー無しの場合
次に、同じスケッチをプログラマを使って直接書き込み、測定していました。
スケッチをブートローダー経由ではなく、プログラマで直接書き込む場合は、
Arduino IDEのメニュー [スケッチ] - [書込み装置を使って書き込む]にて書き込みます。
この際、事前にメニュー [ツール] - [書込み装置]にて利用する書込み装置を指定しておきます。
リセットボタンを押して、離した後からD2ピンがLOW・HIGHのエッジ間は67ミリ秒でした。
ブートローダーのタイムアウト時間ない分、早く起動できていることがわかりました。
（クリックすると拡大表示します）
1.5秒が長いか、短いかは微妙ですがブートローダーを利用しない場合は、
リセット後のスケッチの起動がタイムアウト時間を待たない分、早く起動できます。
ただし、スケッチを直接書き込んだ場合、ブートローダーは無くなってしまうため、
Arduinoとしてのお手軽さが無くなってしまいます。
とりあえず、1.5秒の待ちは我慢して利用したほうが良いですね。
ちなみに、スケッチの直接書込みはこんな感じで行っています。
上が書込み装置（スケッチ Arduino ISPを書込み）のArduino Uno互換機です。
下が書き込み対象のArduino Uno互換機です。
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