ＰＩＣ１８ ＵＳＢ通信の実験



　　ＰＩＣ１８シリーズの ＵＳＢ機能を用いるために、その複雑なプログラムを自分で作る代わりに、マイクロチップテクノロジー社が無償で提供している、ＵＳＢ関係の各種デモ・プログラム集 ＭＣＨＰＦＳＵＳＢ（マイクロチップ・フルスピード・ＵＳＢ）をダウンロードし、これを雛形として多少改造して利用する方法をとることにする。 メイン関数、割込み関数などは自分で作らなければならないが、そのほかのファイルは修正なし、あるいは、一部を改造してヘッダーファイルとして用いる。
　　また、マイコンとの通信に関連する パソコン用ソフトの中に含まれるファイルのバージョンが古いので、マイクロソフト社が提供している Ｖｉｓｕａｌ Ｃ＃、Ｖｉｓｕａｌ BASIC などを用いてリビルド（再ビルド）してから利用する。　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　・・・・・・・　他人の”ふんどし”で相撲をとる？ 相撲＝”ｓｙｕ-ｍｏ”（ヘブライ語）

　　　　　　（参考文献）　「ＰＩＣで動かすＵＳＢ」、鈴木哲哉著、ラトルズ



　　１．　ＭＣＨＰＦＳＵＳＢ のダウンロード：


　　　・　http://www.microchip.com/　→　USB　→　Software & Tools　→　MCHPFSUSB Framework　　を開き、　Microchip Application libraries ・・・・　をダウンロードする。

　　インストールした Microchip Application libraries は、Ｃ：ドライブの Microchip Solutions フォルダに入るので、いつも使うプロジェクトが収められているフォルダに移動しておくと使いやすい。　ファイルには各機種のＵＳＢ関係のファイルがたくさん含まれているが、ＰＩＣ１８Ｆ１４Ｋ５０、 ＰＩＣ１８Ｆ２５５０に応用可能な雛形には、次のようなフォルダがある。

　　　　　USB Device - Audio - Microphone（仮想マイク音声）、　USB Device - Audio - MIDI（仮想ＭＩＤＩ音階出力）、 USB Device - Bootloaders（自己書き込み・ブートローダー）、　USB Device - CDC - Basic Demo（仮想シリアルで文字を送受信）、　USB Device - HID - Custom Demo（評価装置の制御）、　USB Device - HID - Digitizers（仮想タッチデバイス）、　USB Device - HID - Joystick（仮想ジョイスティック）、　USB Device - Keyboard（仮想キーボード）、　USB Device - HID - Mouse（仮想マウス）、　USB Device - HID - Uninterruptible Power Supply（仮想バッテリーで残量表示）、　USB Device - LibUSB - Generic Driver Demo（汎用ドライバＬｉｂＵＳＢ）、　USB Device - WinUSB - Generic Driver Demo（汎用ドライバＷｉｎＵＳＢ）、　USB Device - WinUSB - High Bandwidth Demo（汎用ドライバＷｉｎＵＳＢ広帯域転送）



　　２．　ＰＩＣ１８Ｆ１４Ｋ５０のＵＳＢ評価装置の作製：


　　評価装置と言っても、５Ｖ電源を Ｂコネクタを通じてパソコンからもらってＰＩＣ１個を動かすだけの、最もシンプルな回路である。外部発振には １２ＭＨｚのレゾネータを用い、ＰＬＬ回路によって１２×４ ＝ ４８ＭＨｚのフルスピード（ＵＳＢ２．０、１２Ｍビット/秒）で、ＣＰＵ、ＵＳＢ共に動作する。（＊ 内部発振では８ＭＨｚまで。 ＰＩＣ１８Ｆ２５５０ の場合は ２０ＭＨｚの振動子で４８ＭＨｚになる）　17pinのコンデンサーはＤ＋、Ｄ−のプルアップ電源（３．３Ｖ）を平滑するために入れる。
　　（ 注意） 外部の電源は、つなぐとパソコンを壊す恐れがあるので 決してつなげてはならない。セルフ電源を常時使用して、ＵＳＢにつなげたときに自動的にパソコンからのバス電源に切り替えるためには、専用の切替回路を使用しなければならない。→ 前項の２．の回路参照 ）　因みに、ラトルズの付録の基板では、１．５Ｖ電池による５Ｖ電源との切り替え回路が付いている。


　



　　３．　ＵＳＢ各クラスの実験：


　　Ｗｉｎｄｏｗｓ ＸＰ 以降のパソコンの標準ドライバには次のようなものがあり、これらのドライバは ディスクリプタに記述したクラス番号で特定される。

　　（１）　文字通信クラス（ＣＤＣ）の動作確認：

　　ＣＤＣは、文字を通信するＵＳＢクラスで、装置がＵＳＢで接続されているにもかかわらず、パソコン側から見て シリアルで接続されているように動作する。

　　文字通信クラスの雛形　USB Device - CDC - Basic Demo　を ＭＰＬＡＢ ＩＤＥ で開き 再ビルドすることができる。 ｈｅｘ．ファイルを ＰＩＣｋｉｔ で書き込み、ＵＳＢコネクタをつなげると、パソコンが自動的にこの装置を認識して、”新しいハードウェアの検出ウィザード”が起動するが、一度、インストールに失敗する。
　　その後、 コントロールパネル　→　システム　→　ハードウェア　から　デバイスマネージャー　を開くと、ポートのところに ＣＤＣ ＲＳ−２３２ Ｅｍｕｌａｔｉｏｎ Ｄｅｍｏ が入っているので、これを右クリックして ”ドライバーソフトウェアの更新”を選択する。 ”コンピューターを参照”で、ＩＮＦファイルが入っている ｉｎｆ フォルダ（＜ＣＤＣ Ｂａｓｉｃ＜ＵＳＢ）を選択してインストールする。

　　装置を接続している間は、パソコンに 仮想シリアルポート（ＣＯＭ３）が現われ、Ｔｅｒａ Ｔｅｒｍ（フリーの仮想ターミナル）などのシリアル入出力ソフトで 設定（シリアルポート：ＣＯＭ３、通信速度・通信形式は任意）して動作確認することができる。 この仮想ポートを一度作っておくと、同様のＣＤＣ処理をする機器はそのままパソコンに接続できる。

　


　　（２）　ＵＳＢ−シリアル変換ＩＣ としての利用：

　　ＵＳＢ端子からシリアル通信装置を接続する ＵＳＢ−シリアル変換ＩＣ としては、ＦＴ２３２ＲＬ が代表的でよく用いられるが、ＰＩＣ１８Ｆ１４Ｋ５０はパッケージがＤＩＰであり ピッチ変換基板が不要なので、作りやすく、コンパクトに収まる。（ＦＴ２３２ＲＬの価格も 単品で１４Ｋ５０の倍くらい、変換モジュール（ミニＢコネクタ付き）は１０００円程度もする）　通信速度は、ＦＴ２３２ＲＬが３Ｍビット/秒 に対し ＰＩＣ１８Ｆ１４Ｋ５０は５６ｋビット/秒が上限で劣るが、通常の用途（データロガなど）には充分使える。
　　他の ＵＳＢ機能を持たないＰＩＣマイコンの ＴＸ端子につなげて ＵＳＢ通信する場合や、ＵＳＢ ＰＩＣマイコンのソフトを改造するのが面倒な場合は、この変換装置を用いるのが便利である。（シリアル通信のレベルコンバーター ＡＤＭ３２０２ のように ＰＩＣ１８Ｆ１４Ｋ５０ を用いる）
　　ＭＣＨＰＦＳＵＳＢには USB Device - CDC - Serial Emulator　が含まれているが、そのままではレベルコンバーター無しには使えないので、これを雛形として ＵＳＢ−シリアル変換ＩＣ のプログラムに改造する。

　　USB Device - CDC - Serial Emulator の ｍａｉｎ．ｃ のみを書き換え、ビルドする。
　　シリアルの初期化関数 ＵｓｅｒＩｎｉｔ が呼び出している 関数 ＩｎｉｔｉａｌｉｚｅＵＳＡＲＴ で、シリアル受信の割り込み（低優先割込みとして）を有効とし（下記プログラムの 左）、割込み関数では 割り込みで受信したデータをバッファの書き込み位置に保存する（中）。（その後は、関数 ＰｒｏｃｅｓｓＩＯ と 関数 ｇｅｔｃＵＳＡＲＴ が、データの受信と配列への書き込みを行なう。）
　　また、主な処理を行なう 関数 ＰｒｏｃｅｓｓＩＯ では、割り込みを作った分、シリアル割込みを無効にしてから パソコンへＵＳＢで文字列を送信（関数 putUSBUSARAT）する必要がある。（右）

　　　　（関数ＰｒｏｃｅｓｓＩＯで使われている関数）

　　　　・　USBUSART1sTxTrfReady　・・・　ＵＳＢで送信可能ならば１を返す
　　　　・　putUSBUSART　・・・　バッファの文字列をＵＳＢで送信する
　　　　・　getsUSBUSART　・・・　ＵＳＢで受信した文字列をバッファに保存し、文字数を返す
　　　　・　mDataRdyUSART　・・・　シリアルに着信したデータがあるなら１を返す
　　　　・　getsUSART　・・・　シリアルで１文字を受信する
　　　　・　mTxRdyUSART　・・・　シリアルが送信可能なら１を返す
　　　　・　putcUSART　・・・　シリアルで１文字を送信する

　　　●　ソース（ｍａｉｎ．ｃ のみ）：

　　ＵＳＢ−シリアル変換器として、データロガ温湿度計（ＰＩＣの応用回路（３）参照）の ＴＸ を 変換器の ＲＸ につないでみた結果は、ＣＯＭポートのボーレート（４８００）を合わせるだけで 問題なく動作した。５Ｖ電源は絶対につないではならない。 通信速度は この変換器につなげる機器の通信速度による。（たとえば、ラトルズの温湿度計基板のボーレートは１２００）
　　　



　　（３）　ヒューマンインターフェース（ＨＩＤ）クラスの実験：

　　ＵＳＢ Ｄｅｖｉｃｅ−ＨＩＤ−Ｋｅｙｂｏａｄ の動作確認をする。 装置が出力するデータは、文字ではなく、キー操作であり、このソフトを書き込んだ装置は、パソコンがキーボードと認識し、タクトスイッチのボタン操作でメモ帳等に文字列を記入することができる。文字は ボタンを押すたびに ａ〜ｚ、１〜９、０ に変化する。実物のキーボードはこれと共存して働き、[Num Lock]キーを押すと 装置のＬＥＤを点滅させる。
　　・　キーボードが出力するデータ列（８バイト）：　Modifier（ビット０〜７）がそれぞれ 左Ｃｔｒｌ、左Ｓｈｉｆｔ、・・など）、Reserved(0)、 残り６バイトは Keycode（0x04-0x1d: a-z、0x1e-0x27: 1-0、0x27-0x2c: Enter,Esc,Back,Space,Tab,Space、0x2d-0x39: _, =, [, ], \, #, ;, ", ~, ,, ., /, CapsLock、0x3a-0x45: F1-F12、0x46-0x48: PrtScr,Scroll Lock,Pause、0x49-0x4b: Insert,Home,PageUp、0x4c-0x4e: Del,End,PageDown）

　　ＵＳＢ Ｄｅｖｉｃｅ−ＨＩＤ−Ｍｏｕｓｅ は、パソコンがマウスと認識し、マウスポインタが回転し、ボタンを押すと 停止/再開する。 Ｘ、Ｙ方向の移動量はともに −４、０、４ を出力。
　　・　マウスが出力するデータ列：　Device Specific、Buttons（ビット０：ボタン１、ビット１：ボタン２、ビット２：ボタン３）、X displacement（Ｘ方向の移動量 -127〜127）、Y displacement（Ｙ方向の移動量 -127〜127）

　　ＵＳＢ Ｄｅｖｉｃｅ−ＨＩＤ−Ｊｏｙｓｔｉｃｋ は、標準ドライバが ＨＩＤ準拠ゲームコントローラと認識し、アプリケーションに対しゲームパッドとして働く。プロジェクトのフォルダに含まれているアプリケーション joytester.exe は、ジョイスティックの情報と状態を表示し、装置のボタンを押すと、Buttons の２が点滅し四角（Ｘ−Ｙ）の左上へ、丸（ハットスイッチ）の右端に移動する。
　　・　装置が出力するデータ列：　Buttons1（ bit0: □、bit1: ×、bit2: ○ｂ、bit3: △、bit4: L1、bit5: R1、bit6: L2、bit7: R2）、Buttons２（ bit0: Select、bit1: Start、bit2: 左スティック、bit3: 右スティック、bit4: Home、bit5-7: 無効）、 Hat Switch（bit0-3: 方向、bit4-7: 無効）、 （次の４バイト）Analog X、Y、Z、RZ： ４次元のアナログ値

　　その他、 ＵＳＢ Ｄｅｖｉｃｅ−ＨＩＤ−Ｄｉｇｉｔｉｚｅｒｓ（Ｗｉｎｄｏｗ７対応の仮想タッチデバイス。ＸＰには使えない）、 ＵＳＢ Ｄｅｖｉｃｅ−ＨＩＤ−Ｕｎｉｎｔｅｒｒｕｐｔｉｂｌｅ Ｐｏｗｅｒ Ｓｕｐｐｌｙ（仮想バッテリーでタスクトレイに残量表示）、 ＵＳＢ Ｄｅｖｉｃｅ−ＨＩＤ−Ｃｕｓｔｏｍ Ｄｅｍｏｓ（評価ボードの制御） がある。



　　（４）　ＨＩＤ キーボードによるゲームコントローラの実験：

　　ＵＳＢ Ｄｅｖｉｃｅ−ＨＩＤ−Ｋｅｙｂｏａｄ を修正して、Windows ＸＰに付属する”３Ｄピンボール”（キーボード操作だけで行なうゲーム）のコントローラーを作成する。
　　（＊　ＯＳがWindowsＸＰでないならば、http://download.cnet.com/Full-Tilt-Pinball-Windows-95-demo/3000-2099_4-10001045.html　より　Full Tilt! Pinball の配布ファイルをダウンロードし、インストールせず、FULLDEMO フォルダの DEMO.EXE を実行する。）

　　ゲームに必要なボタンは４個で、基板のタクトスイッチ： ゲーム開始（キーボードでは [F2]）、 および、外付けタクトスイッチ（３個）： プランジャ（ボールを飛ばす）（Space）、左右フリッパ（押すと跳ね上がる）（z、/）　で操作する。
　　外付けボタンは、ＲＣ３、６、４ を定義（上記 キーボードの keycode 参照）する。（左）　外付けボタンのポートの初期化を追加する。（中）　ＵＳＢが転送可能なときに、ボタンの操作に応じて 配列 hid_report_in [ ] にデータが入力され、パソコンから見て入力側のエンドポイントにコピーされる。（右、左下の図）

　　ＵＳＢの処理に ポーリングが選択されているので、関数 ＰｒｏｃｅｓｓＩＯと、ここから呼び出す 関数 Ｋｅｙｂｏａｄ は 繰り返し呼び出され、これらの プランジャ、フリッパボタンは、押し続けると毎回その状態を出力する。ゲーム開始に使う ｓｗ３ は押したとき１回のみ出力。

　

　　●　ソース（ｍａｉｎ．ｃ）：　　　HardwareProfile-LowPinCountUSB Development Kit.h ：

　　　


　　（５）　オーディオクラスの実験：

　　USB Device - Audio - Microphone（仮想マイクで音声を出力）を書き込んだ装置は、パソコンがマイクと認識し、ボタンを押すと音声（”ポン”という音）を出力する。 （アクセサリー → エンターテイメント → ）サウンドレコーダーで、動作確認をすることができる。音の形式は、ＰＣＭ、８．０００ｋＨｚ、１６ビット、モノラル、１５ｋバイト/秒。 オーディオクラスの決まりごとのため、音声の制御データは、エンドポイント 0 でコントロール転送（アイクロナス転送）され、１６バイト/１ｍＳ ずつ転送される。これは ＵＳＢ１．１に定義されている。（１ｍＳのフレームを １２５μＳに区切った転送はできない。）

　　USB Device - Audio - MIDI（仮想ＭＩＤＩデバイスで音階を出力）は、ボタンを押すたびに半音階上がり １４回目に元に戻る。音階のデータは、ピッチベンドを上げながら 0x3c-0x49 の範囲を繰り返す。 Windowsでは メディアプレーヤーがＭＩＤＩファイルを再生するが、ＭＩＤＩデバイスからの入力を直接再生するには ＭＩＤＩシーケンサーなどのアプリケーションが必要になる。一例として、フリー配布の Ｃｈｅｒｒｙ （http://www.vector.co.jp/authors/VA010012/ ）をダウンロードし、その中の ｃｈｅｒｒｙ．ｅｘｅ を実行する。（設定→環境設定、ＭＩＤＩ ＩＮの[Ｐｏｒｔ]で条件を選択） ＭＩＤＩデータはエンドポイント 0 でバルク転送される。 （・ パソコンから出力されるＭＩＤＩデータについては、ｍａｉｎ．ｃ の ProcessIO に処理の記述位置がコメントされている。）

　　　§　プログラムとＤＮＡ情報の類似性について：


　　プログラムによる機械の動作方式と、神様が創造された ＤＮＡによる生物体の仕組みとは、なんと似ていることでしょう。生物体は、精密機械の機構部分のようにガチガチに作られたのではなく、神様が、ソフトウェアを”知的に”生体マイコンに”書き込まれた”のです。

　　ソフトウェアを作ってシリコン系統の半導体による回路で機械を動かすのは、神様が、炭素の骨組みでできた生物を ＤＮＡにソフトウェアを書き込んで動かすのと同じです。ただ、半導体はケイ素という無機物で、一方、ＤＮＡは骨組みが炭素の有機物でできているのが、素材としては異なる部分です。炭素同士の結合は、ダイヤモンドと同じ結合なので、非常に丈夫に作られています。（ただし、水素結合部分は弱い）
　　また、ソフトウェアもＤＮＡもある程度自己修復機能を持ち、また、内部に入り込んで影響を与える”ウイルス”も存在します。
　　さらに、マイコンのソフトには、// で区切ったコメント文や、他の機種や他の用途にしか用いられない直接には動作しない部分が多く、ちょうど、ＤＮＡにおいて９５％も存在する 無効な配列の部分・・・がらくた遺伝子・・・の部分と同様になっています。


　　ところが、ＤＮＡの情報は、塩基が４種類もあるので、その組み合わせにより、０ と １ の２種類しかないデジタル信号よりもはるかに効率良くできています。 充分の個数のある ｎ種類の中から、 重複を許して ｒ個取って並べていくやり方の数は、 _ｎΠ_ｒ ＝ ｎ^ｒ　通り（重複順列）で、４種類の塩基（Ａ、Ｔ、Ｇ、Ｃ）の中から一つずつ選んで ヒトの塩基数 ３０億個まで順番に並べるやり方の総数は、４^3000000000 通りもあります。 同じ個数の素材分子があるとして比較すると、 ２^ｎ ＜ ４^ｎ　の差があって、ｎ の数が大きくなるほど急激にその組み合わせの数は増します。

　　コンピューターのプログラムが、なにか袋に多くの小石を詰め込んで攪拌してみても、決して自然発生的にはできないのと同様に、ＤＮＡという情報体高分子も到底 自然発生的にはできません。しかも、分子レベルのミクロな物体なので、人工的にも作ることはできません。 ＤＮＡがあまりにもミクロで技術的に困難な上、ミクロの領域では避けて通れない、量子論の、「不確定性原理」の壁があるからです。
　　コンピューターの既製のソフトが公開されている場合、それを注意深く分析して、一部を修正して用いることができます。ＤＮＡも、短いある特定の部分だけを取り出して、その機能を最大限引き出すことは可能です。
　　また、ソフトの全体、または、一部をコピーすることは容易にできますが、ＤＮＡも ＰＣＲ法によって断片を増幅していくことが可能となりました。
　　（ 参照） →　ＤＮＡ転写のメカニズム ）



　　さて、アダムとエバのときから 人類に入り込んでしまった「原罪」の性質は、ＤＮＡによって すべての人に遺伝しています。そして、神様との関係を断ち切られ、「寿命」が有限になり、ＤＮＡに起因する身体や脳・神経におけるいろいろな欠陥も発生して、多くの点で”のろわれた状態”になってしまいました。
　　しかしながら、バージョンの古いマイコン用ソフトは、新しいソフトによって ”リビルド（再構築）”すると、新しい用途に適合するように”再生”します。

　　ましてや、キリストは、（しるしとなっている）ＤＮＡも 何もかも造られた「天地万物の創造主」であり、「全能の神」、「王の王、主の主」、「万軍の主」、「永遠の命であり、道であり、真理である方」、そして、すべての源泉たる「常に新しい方」です。 この 「神のひとり子」が、実に、「神の子羊」となられて、わたしたちの罪の身代りに、自ら十字架にかかって死んでくださいました。 これが「神の愛」です。

　　キリストの十字架の血によって、古い性質を持っていたわたしたちも 新しく生まれ変わり、「新生」するのです。


　　　・・・・　　「だれでもキリストのうちにあるなら、その人は（永遠に）新しく造られた者です。 古きは過ぎ去り、すべてが新しくなった。」（コリント人への手紙第２、 ５章１７節）

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