ＰＩＣ１８ ＵＳＢ温度計



　　Ｍｉｃｒｏｃｈｉｐ社から無償で配布されている ＭＣＨＰＦＳＵＳＢ（マイクロチップ・フルスピード・ＵＳＢ）から、文字通信（ＣＤＣ）クラスの雛形ソフト　USB Device - CDC - Basic Demo　を改造して、目的のプログラムを作成することにする。これらのプログラムは 多くの機種に対応できるよう汎用性を持たせて作られているので、特定の用途には無駄な部分が多いので できるだけ削除して、フラッシュメモリ（ＲＯＭ）の容量を軽減する。削除に手間がかかるが、最初から新しくプログラムを作るよりは効率的なので、このようにした。 ただし、自前で作ったプログラムに比べ、プログラムのサイズがかなり大きくなる問題がある。


　　（１）　USB Device - CDC - Basic Demo の整備： （ 注） MCHPFSUSB ２０１０_０２_０９ 版の ｒ１４Ｋ５０ｅｂ から CDC-BASIC-DEMO を使用、最新バージョンではプログラムの変更要）


　　電源をパソコンのＵＳＢから取る、コンパクトな ＵＳＢ温度計を作製する。
　　この ＵＳＢ通信で用いているのは、パソコンからの受信（キーボード入力により制御）、パソコンへの送信（温度データ出力表示）であり、それぞれ 関数 ｇｅｔｓＵＳＢＵＳＡＲＴ、 ｐｕｔＵＳＢＵＳＡＲＴ などを用いた。 特に、ＵＳＢ通信は、個別にデータを送・受信するのではなく、６４バイト（あるいはそれ以上）以内のバイトサイズのデータをまとめて扱う。 そのため、シリアル通信やＬＣＤの表示のように 個別の関数を続けて使用することはできず、あらかじめ 送・受信バッファにすべてのデータを組み込む必要がある。 また、パソコン側から見て、ＵＳＢ接続しているこれらのデータはシリアルとして扱われる。（仮想シリアルＣＯＭ３ポートが作られている（前節参照））

　　まず、下図の手順により、（無駄な部分もあるが、）プロジェクトのフォルダ、ディレクトリ、＃ｉｎｃｌｕｄｅ などの整備を行なう。 無事、ビルドができたら、次に、USB Device - CDC - Basic の説明文や、他の機種の記述の部分、また、機能と関係の無い ＬＥＤを光らせる関数やボタンの関数などの削除を行なう。（ベクトル・割込み設定の部分は残す） 削除毎にビルドし、エラーが出ないことを確認する。

　　


　　（２）　温度計ハードの作製：


　　今回は、リファレンスＩＣによる外部参照電圧を作り 精度を上げるようにした。また、温度センサの後にオペアンプを入れ、増幅と共に 入力電圧を調整できるようにした。

　　ＬＭ３５ＤＺは 価格の割りに良くできたＩＣで、０−１００℃の範囲で、高精度（±１℃）の 摂氏温度に比例する電圧を、しかも直示できるようにｍＶ単位で出力する。（ ｅｘ）５０℃： ５００ｍＶ） この出力電圧を、入力段のオペアンプと ＰＩＣ内の演算により トータル ３０倍に増幅し、ＡＤコンバーターの参照電圧を ３．０７２Ｖとすると、出力結果を演算して５桁の作業領域のバッファに入れた値 buf[ i ] （ i = 0〜4） のうち、 buf[1] 〜 buf[3] の数字を並べて ○○．○（℃）として表示することができる。 ９９．９℃まで表示できるように、オペアンプのゲインは 約３倍、ＰＩＣ内の倍率は １０倍 （ｖ ＝ ｖ＊１０）とした。
　　そのために、可変リファレンスＩＣ（ＴＬ４３１）から出力される参照電圧が、　３０ × １０２４ ＝ ３０７２０　（１０ビットＡＤコンバーターなので ２10 ＝ １０２４個に参照電圧を分割する） すなわち、 ＶＲＥＦ＋ ＝ ３．０７２Ｖ となるように １０ｋΩＶＲ（多回転）で調整する。

　　オペアンプのゲイン（５０ｋΩＶＲ（多回転））は、実際に温度を測定しながら最後に調整する。（＊　もっと直線性の良い回路で作製し、また、さらに精度の高いリファレンスＩＣも必要に応じて用いていきたい。）

　


　　（３）　プログラムの作成：


　　プログラムで特に作製する部分は、ｍａｉｎ と ｐｒｏｃｅｓｓＩＯ と 初期化の部分である。

　　１２ＭＨｚ外部振動子（レゾネータ）による発振を用いる。 ＣＰＵデバイダの値は１/１（NOCLKDIV、　CLKDIV２では １/２、４では１/４）とし、４８ＭＨｚ → １２ＭＨｚの動作クロックとなる。Delay はこれにあわせて設定。 ＵＳＢは ４８ＭＨｚ発振でパソコンと通信できる。 （↓１列目）

　　割込み関数部はＤＥＭＯプログラムに設定済みで、ＵＳＢの ポーリングモード設定（USBDeviceTasks();）がすでに高優先割り込みの中に入っている。そのため、なぜか、タイマーなどの割込みが 低優先割込みにさえも 一切使えず（使うとＵＳＢ通信に変調をきたして、パソコンが受け付けない）、やむなく 時間設定は Ｄｅｌａｙ で行うしかなかった。 （↓ ２列目）

　　ＯｐｅｎＡＤＣの２項目の設定（ＡＤコンバーターの参照電圧）で、ＶＲＥＦ＋（外部参照電圧・＋・ポジ）と ＧＮＤとの間の電圧をとった。 また、動作周波数にあわせて、ＡＤＣ_ＦＯＳＣを１６に変更した。 （ｍａｉｎ関数、↓３列目）


　　ｍａｉｎ関数から飛ぶ 関数ＰｒｏｃｅｓｓＩＯで、ＣＤＣクラスの送受信を行なう。 （↓４列目）

　　・　getsUSBUSART（受信バッファ名（USB_OUT_Buffer）、文字数（６４））　・・・　（６４バイトの）文字データをパソコンから受信し、受信バッファ（USB_OUT_Buffer）に格納し、含まれているバイト数を読み込む

　　・　mUSBUSARTIsTxTrfReady()　・・・　これが１ならば ＵＳＢ送信可能、送信のとき必ず ｉｆ 文でチェックする（ポーリング処理なので Ｗｈｉｌｅ文は不可）

　　・　putUSBUSART（送信バッファ名（USB_IN_Buffer）、文字数（５））　・・・　送信バッファ（USB_IN_Buffer）に格納されている （５バイトの）文字データを 送信にセットする（＊ 書き込むバイト数が６４バイトを超えている場合、６４バイト単位で複数回に分けて送信する）　また、
　　　　　　　　・　putrsUSBUSART（”文字列”）　・・・　プログラム（ＲＯＭ）に書かれている文字列データをそのまま送る
　　　　　　　　・　putsUSBUSART（”文字列”）　・・・　ユーザーデータ（ＲＡＭ）にある文字列データをそのまま送る

　　・　CDCTxService()　・・・　実際に送信を行なう

　　送信のときの使い方は、いずれも、
　　　　　　if(mUSBUSARTIsTxTrfReady()){
　　　　　　putUSBUSART(buffer, WriteSize);
　　　　　　}
　　　　　　CDCTxService();
のように前後で挟む書式になる。送る文字数を間違えると バッファのゴミが表示されるので注意。

　　バッファに入る文字データの書き方は、0x××、の他に、 '（数字・ｱﾙﾌｧﾍﾞﾄ）' でも良い。（ ｅｘ） switch文の　case '1': ）　switch文は、　switch - case: （〜の場合）-break, case: - break, ・・・ default:（その他の場合） - break の形で、いくつもあるジョブを場合分けする分岐命令に用いられる。





　　　●　ソース（main.cのみ）：　　　　　　●　lib_adc.h　


　　（４）　動作チェック と 問題点：


　　このプログラムで動かしてみたところ、ＵＳＢケーブルを差し込むと、ＬＣＤに温度表示が現われる。 ＵＳＢケーブルが差し込まれている状態で、ＴｅｒａＴｅｒｍ などのシリアル受信ソフトを起動すると、パソコンのキーボードの Ｅｎｔｅｒキー （パソコンから受信したキーコード： 0x0A）を押すたびに、１０秒間隔で 温度が縦１列に表示され続け、また、表示の更新が停止する。
　　消費電流は１０ｍＡ前後で、ＵＳＢからの＋５Ｖ電源容量は最大１００ｍＡ（パソコンによっては５００ｍＡ）なので、充分余裕がある。（電源系統のショートには要注意）




　　USB Device - CDC - Basic Demo を改造して用いる際の問題点は、２つあり、

　　１つ目は、リンクが複雑なままのプログラム使用で プログラムのサイズが大きくなることである。 ｈｅｘ ファイルのファイルサイズを確認したところ、２５ｋバイトにもなり、さらに２個以上のＡＤコンバーターを動かすと、ＲＯＭへの書き込みはできても、ＲＡＭの容量がオーバーして動作が止まってしまうことがあった。（ｈｅｘ ファイルは、ＬＣＤのみ使用の別プログラムで ６−８ｋバイト、ＬＣＤ無しのＵＳＢ使用で ２０ｋバイト）　ＵＳＢ内蔵マイコンとして改造プログラムで使うには、同様に使えて 容量が大きい、もう１ランク上の ＰＩＣ１８Ｆ２５５０ 等を用いるべきと思われる。 因みに、使用したMPLAB C１８は、最適化の期限が過ぎている。

　　２つ目は、USB Device - CDC - Basic Demo には、ＵＳＢのポーリングやタスク命令が ソースプログラムの高優先割り込みに初めから組み込まれているため、このままでは タイマー機能も、割り込み機能もほとんど使えないことである。 （特に、タイマー１との相性が悪い。ベクタを 0x08、0x18 以外に設定しても同じ）　同じようなプログラムで タイマー０（１６ビット）の割込みを低優先で入れている成功例もあるので、タイマを全く使用しないか、あるいは、リンクしている ＵＳＢ関数群の通信処理部分の前後に割り込みを禁止・再開する記述を追加する必要があると思われる。



　　　§　　デジタルからアナログへ　　　　　・・・　アナログ放送は終了したけれど。。


　　マイコンの分野で”アナログ”といえば、ＡＤコンバーター入力や コンパレータ入力のことを言いますが、電子工学一般では、オーディオ、高周波、オペアンプなどを アナログ回路と呼びます。
　　マイコンでは、細かく変化する多くの信号でサイン波を表現したり、ＡＤコンバータで電圧レベルを細かく区切るなど、デジタルで”擬似的なアナログ信号”を作るのが一般的です。

　　さて、論理学・数学的には、デジタル、アナログとはどういうことを意味するのでしょう？　まずは、振動方向が １ か ０ （あるいは、＋１ か −１）しかない、デジタルの世界を考えましょう。
　　ゲーデルの不完全性定理は、自然数論を含む公理系において、「その公理系が無矛盾ならば、その公理系で 証明も反証もできない命題が存在する」、というものです。それは、自然数を扱い、しかも、代入可能な論理系であれば、論理学、数学に限らず、（階層構造を持つ）言語や、デジタル回路、コンピューターのプログラム（関数）にも成り立ちます。

　　デジタル回路では、たとえば ＮＯＴゲートを奇数個つなげて 最後のゲート出力を初めのゲート入力に帰還すれば、全体が”矛盾”に陥って、発振します。これは 回路が 「負帰還」の状態になっているからです。（ＴＴＬ ＩＣの ＮＯＴｇａｔｅ（７４ＬＳ０４）で実験したところ、１１個つなげて １０数ＭＨｚで発振）

　　プログラムでは、「無限ループ」がよく知られています。 Ｃ言語では、 メインプログラムで ｗｈｉｌｅ（１） を１箇所だけ入れて、ほとんどすべてのプログラムに用いられますが、これは、マイコンの設定や初期化の後、 ”電源を切るまで、ｗｈｉｌｅ（１）｛　｝ の内容を 無限に繰り返す”、という論理構造です。 プログラムのどこかで、これとは別の無限ループに陥ると すべての動作が止まってしまい大変困りますが、電源を切るまで 装置としてある一定の動作を繰り返し行なうためには、通常、一つのプログラムに１個だけ用いられます。 割込み関数や 他の関数、ヘッダファイルへ飛ぶことがあっても 再びそこに戻るので、基本構造は同じです。

　　　　　　言語　　　　 　　　　　　　　　　数学　　 　　プログラム　　 　　　デジタル回路　　　
　担体　 　　階層構造をもつ言語　 　　　自然数を含む帰納的な関数 　　アルゴリズム 　ＮＡＮＤ回路の組合せ　
　方法 自己・相互を否定的に言及 それ自身のゲーデル数をもとの式に代入 　ジャンプ・ループ　 　　　負帰還回路
　結果 　　　パラドックス（矛盾） 　　不完全性（証明も反証もできない） 　　無限ループ 　　不定状態・発振

　　では、アナログ回路では、この「矛盾」とは どのような形態を持っているのでしょうか？


　　デジタルでは、＋１ と −１ の２つの状態のみが許されましたが、アナログでは その中間の値　ｅｉθ　が存在します。（＋１ と −１ の中間の値は ０ ではない！） 矛盾して、発振した状態が、きれいな正弦波のような形態になります。 デジタルは、このアナログの 特殊な状態（θ ＝ π＋２ｎπ、または、 −π＋２ｎπ、　ｎ ＝ ０、±１、±２、・・・）の一つです。
　　電磁気学では、虚数単位 ｉ の導入は便宜的なものですが、量子力学では 本質的に、物理量が複素数となっています。 驚くべきことに、自然の本質は 「複素数」です。

　　この ｅｉθ　の特殊な場合、オイラーの恒等式として知られる　ｅｉπ　＝　−１　は、数学上 最もエレガントな式といわれています。 それは、全く独立して成立した 幾何学、代数学、解析学 という 数学の３大分野における、それぞれの 数学定数　π、 ｉ 、 ｅ　が、この式において １つに合体しているからです。

　　このように、思索（＝数学）においても、自然（＝量子力学）においても、 ３つの最も根本的な要素が １つに合体、すなわち、「三位一体」になっています。



　　思索も 自然も、 天地万物を創造した神 が、「三位一体の神」、すなわち、「キリスト」であることを あかししています。


　　　　（参考）　　→　　コンピューターと 神、　　　　　　不完全性定理の証明、　　　　神の愛の奥義


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