ElecrowでV-CUTした基板が届いた

• 4/26 受付
• 4/27 PCBプロセシング
• 4/28 プロダクション（製造開始)
• 5/12 発送(EMS)
• 5/16 到着

製造・・・時間かかったナア・・・やはり、面付けは向こうのエンジニアにとっても面倒のようだ。付けられたV-CUT(溝)は、シュリンクパッケージの上からはイマイチわからないくらい薄いものだった。本当に切れてるの？？

おー？！確かに切れてる。

しかし・・・・基板の真ん中を通るラインは軽く力をかけただけでも折れそうなのだが、端っこの6mmのテクノロジーエッジの部分は文字通りテコでも割れない（＾＾；

応力がかかる部分には相応の面積がないと力が伝わらないようだ、かといってラジオペンチなどで部分的に加圧すると、ガラスエポキシ基板に捻じれの力が加わって良くなさそう。

うーん、やはり素人には面付けはオーバーテクノロジだったか・・・テクノロジーエッジは10mm以上とりましょう。ぱんだとの約束だ！

両面PCBステンシル

ついでなので、両面用ステンジルも公開。

単純に両面分並べてあるだけだけれども・・・こんなの自作するのは100%不可能だねご家庭カッティングマシンで作る方法があることはわかるけど、金属ステンシル1700円ちょっとで作ってくれるなら作ってもらったほうがいいよ絶対。

地味に良かったこと

面付けすると、テクノロジーエッジという「余白」を作ることになるが、ふと思い立って、そのエッジに直径3mmのホールを四隅にあけておいたら、なんとPCBステンシルにも同じ穴をあけてくれており、位置合わせがすごぶるし易かった。普通の基板のときは、そんなことしてくれたことはないので、多分業界では当たり前のことなんだろうと思う。

これだけ普及しているESP8266EX(W-ROOM-02)について、素人がつまらないこと２点だけ言いたいので書きます。

RSTのプルアップ抵抗について

そこらの掲示板を読むと、10kオームでは動かない、3kオームでないといけないとか、色々書いてありますよね。きちんとプルアップ抵抗つけないとリセットできないとかブートしないとか。

でも、ESP8266EX Hardware Design Guideを見るとですね・・・

・・・・・・・

・・・

プルアップ抵抗5.1k入ってるよね？

いらないよね？外付けのプルアップ抵抗。もしかしたら3kは意味あるかもしれないけど、5.1kオーム以上のものはすべて無効だよね？

チップ単体で測定すると、だいたい4.8kオームくらいなので辻褄はあっている感じですがどうでしょうか？

CHIP_EN信号について

これも巷の掲示板読むと「仕様が途中で変更されて3kじゃなく1kオームじゃないと動かない！」とか書いてあります。あと、電源が1A以上の余裕のあるものじゃないと動かないとか、ひどいのになると1000μFのデカップリングコンデンサがあれば大丈夫とか書いてありますが・・・

件のガイドにはこう書いてあるんですよ。しかもデカデカとNOTICEに。

要するに安定するまでEN信号は遅延させよう、ということなのです。模式的な回路にするとこんな感じ。

さらにENは元々プルアップされているわけだから、実際は抵抗も必要なく、コンデンサ１つ足すだけなのですね。ご丁寧に容量例まで書いてあるのだから従うべきでは？

ところが、この世界ではデファクトに近いスイッチサイエンスのW-ROOM-02開発ボードでさえ省略されちゃってるのよね。不思議ですね～（※決して煽っているわけではなく）

まあ、強引な理由を考えると、ESP8266EXの低消費電力通信機能ESP NOWを使おうとしたとき、遅延するだけ消費電力が延びることを憂慮して・・・とか考えたのですが、ぶっちゃけ仕様書読んでないだけでしょう。他人の作った回路図パチってるだけだといずれは手酷いやけどをすることになると思いますよ。

「H/W設計するなら仕様書くらい読みましょうよ！」言いたいことは以上です。

620円で8chロジアナが買えた話

仮にも基板を開発しようというのに、測定機器が20年前のFluke社のテスターのみというのは流石に無理がありました。どうしようもなくて、会社のデジタルオシロを借りたこともありますが、職場で趣味のことをやるのは休み時間であっても肩身の狭いものです。

そこで、またAliexpressネタで恐縮ですが・・・１ヶ月くらい前にUSBロジックアナライザを注文していました。

$5.74(620円)で！

安すぎぃ！気が狂っている。まあ、どうみても高周波は測れそうにない外観ですし、プローブも付いていないです。でもデジタル回路設計では「信号が正しく出力されているか」ということがわかるだけでも大変助かります。テスターじゃ1Hz以上は絶対にわからないからね！

ソフトのインストールは簡単でした。Debianの場合リポジトリにpulseviewというGUIソフトが含まれているため、

# apt-get install pulseview

で必要なものは全て入りました。pulseviewを起動し、メニューFile→Connect to Device→Driver:fx2lafwと選択して、出てきたデバイス名「Saleae Logic with 8 channels」を選択するとすぐ使える状態になります。

ここまで5分かかるかかからないか。

種明かし「海賊版」だから安い

設定画面のデバイス名を見て、勘の良い人はピンと来たと思いますが、これは海賊版です。Saleae社が昔売っていたロジックアナライザのハードウェアをコピーしたものです。

どういうことか？二昔前にUSB周辺機器を作る際には定番となっていた、Cypress社のCY7C63001A(EZ-USBシリーズ)というチップがありました。昔は、周辺機器に内蔵するマイコンは非常にプアで、USB2.0の400Mbpsという速度は神々の扱うスループットでした。そのためプログラマブルでマルチコア（複数のデジタル信号を並列処理できる）なEZ-USBチップが作られたという経緯があります。

Saleae社は、この高速USBのためのチップを、デジタル信号のキャプチャ装置に流用するという「発明」をした訳です。これは極めてソフト的な発明です。ハード自体はCypress社のリファレンスそのままでした。今回の海賊版も、Saleae社の基板をコピーした訳ではないようです。このため、オープンソースのpulseview(sigrokとlibusb)で使うのであれば違法性は全くありません。

しかし・・・そこは流石中華クォリティというべきか。今回買ったUSBロジアナにはSaleae社のベンダーID, プロダクトIDが、ご丁寧に書き込まれているのですよ。鬼かよ。なので、Saleae社純正のWindowsソフトでもきっちり認識し・・・・

実際に信号も取り込めました・・・

噂では、Saleae社は、この海賊行為を非常に怒っていて、ハードウェアチェックをして最新のソフトでは起動しないようになっているはずなのですが。１日前にダウンロードした試用版では何事もなく認識しました。

いや、もちろんWindowsで使う気は毛頭ないですけどね！

そりゃね、ぼくもまともなロジックアナライザ、デジタルオシロがほしいですよ！！寄付はいつでも受け付けております！！

ESP8266で有機ELディスプレイ

本来、ESP8266をセンサーハードウェアと考えると、ディスプレイなど必要ないのですが、試作やデバック時には動作状態を表示できるデバイスがあると心強いです。シリアルコンソールだと別途PCが必要ですし、Webサーバとしてスマホからアクセス・・・でもいいですが、最初の１歩目をどうするか（WiFiのSSIDの設定とか！）という問題が残ります。

そこでAliexpressでi2c接続の0.96インチ有機ELディスプレイを買いました。中華クォリティよろしく、写真と全く異なる物理形状ピンアサインのものが届いたけど、一応問題なく動作したので文句は言わないことにします。

esp8266-oled-ssd1306ドライバ

Arduino用のドライバは、squix78/esp8266-oled-ssd1306を使いました。非常に高機能のようですが、単純に使うこともできます。

初期化

SSD1306 display(oled_addr, I2C_SDA_PIN, I2C_SCL_PIN);


 display.init();
 display.flipScreenVertically();
 display.displayOn();

画面の削除と更新

display.clear();
display.display();

文字列描画

display.setFont(ArialMT_Plain_10);
display.setTextAlignment(TEXT_ALIGN_LEFT);
display.drawString(99, 54, string);

ビットマップ表示

display.drawXbm(72, -8, clouds_width, clouds_height, 
(const char*)clouds_bits);

これだけでも十分過ぎるくらい便利です。

使用感など

このライブラリ、標準フォントもとても綺麗で128×64しかないディスプレイでもかなりの情報を表示することができました。マジお勧めです。

あとわずか$5の有機ELモジュールも、反射液晶などとは見え方が全然違って、画面自体は小さくても、かなり遠くからでも視認できます。いつまで持つか（安い有機ELはシーリングが甘く寿命が短い）は未知数ですが、工作用としては十分以上です。

なお、ESP8266との接続はSDAをIO5, SCLをIO4に割り当てることでスムーズに接続できました。たぶんESP8266 SDKのWireクラスのデフォルト値でもあるでしょうから、他のデバイスとの共存も容易にできることでしょう。

とりあえず、今は天気予報時計を作っています。

EAGLE CADで面付けをする

そろそろ旬を過ぎるであろうESP8266(WiFi SoC)を使ったボードを急いで設計しています。今までの反省を元に、必要な機能だけをコンパクトにまとめることを目標に作業を進めています。

ボードサイズは43mm x 28mmに抑えました。28mmは、電子工作の世界では一般的なフリスクケース（内寸 60mm x 28.5mm x 8.5mm)を流用することを考えて決定しました。

でも、この小さな基板１枚１枚に、クリームはんだを塗って、チップ部品を乗せ、リフロー炉で焼く・・・という作業を繰り返す想像をすると、かなり憂鬱になります。できれば作業はある程度まとめてやりたいですね。

そこで面付けという作業を行います。面付けとは、同一設計データを、１枚の基板上に、タイル状に並べることです。合体してたら困るじゃん！と思うのですが、V-CUTという溝を掘ってもらうようにすることで、後で切り離せるようにします。

くっつけて、ある程度大きい基板にしておくと、一度に何枚分かの基板をリフローできるので作業効率が激しくアップします。

今まではSingle PCB with millingという発注の仕方でした。millingは一般にフライス盤のことですが、どうも基板の世界ではドリルミリングカッターを指すようです。曲線などの複雑なカットができる半面、少々割高でした。一般に、試作ならこれでもいいんですけどね。面付けは基板の自由度が減る半面、少しだけコスト削減にもなります。

面付けの条件

Eagle-7.xでは、メニューのToolsにもろに「Panelize」というツールがあるので、これを使いましょう。EAGLEでは、単純に回路データをコピペすると、部品につけられた連番名(抵抗だとR1,R2…,みたいなもの）がインクリメントされてしまいます。先ほどのツールは、コピー元のtNames, bNamesレイヤーに書かれた連番名を、_tNames(125番), _bNames(126番)などに写像してくれるだけのツールです。

もう少し・・・融通が利かせられればいいだけなのにねえ・・・

手順としては以下のようになります。

1. 元のボードデータから基板外形含めた全てをコピーする
2. 新しいボードデータファイルを開いてペーストする
3. 「Panelize」を実行する
4. 改めて新しいボードデータをコピペして増やす
5. 元データから来たDimensionレイヤーの線をすべて消す
6. ドリル穴などが重複した箇所は個別に消す
7. _bsilk(122番)にlongdot線でV-CUTラインを描く
8. 新しい外形をDimensionレイヤーに描く
9. 新しいボードデータをセーブする
10. CAM Processerを起動して、silk bottomのbNamesのチェックを外し_bsilk, _bNamesをチェック、silk topのtNamesのチェックを外し_tsilk, _tNamesをチェックしてProcessing

ああ、面倒くさ。

Elecrowの場合、面付けの制約条件は以下のようなもののようです。

1. ボードの大きさが 80mm x 80mm以上
2. 前期サイズを満たすようにテクノロジーエッジを追加
3. V-CUTラインが外形から6mm以上離れている
4. V-CUTラインはシルク面に描く
5. 設計データは全く同一でなければならない（異形データ混合は×）
6. ボードの向きは同一方向でなければならない（互い違いなどは×）

1,2,3の条件は簡単で、6mm幅の余白を四方に追加すれば満たします。しかし、5,6の条件はEAGLE Lightが80mm x 100mmまでしか設計できないんで割と厳しいですね。自由に貼れるものだとばかり思っていました。せめてLightのサイズが正方形だったら良かったのに（縦横を交換することもできない、あくまで縦が80mm)・・・・

結局4枚しか配置できませんでした。果たしてきちんと出来上がってくるでしょうか・・・

PCBステンシルと面付け

余談ですが、ここまで踏み込んで書いている人は（少なくともWebでは）いなさそうなので書いておきます。Elecrowの場合、割と安くステンシルを作ってくれますが、今回設計したボードのように、表裏双方に表面実装部品がある場合、以下の２種類から選べます。

• 基板の倍面積のステンシルに、表面、裏面を並べる
• 表面、裏面、２枚のステンシルを作成

前者の場合は、Elecrowの場合150mm x 150mmのステンシルと200mm x 200mmのステンシルは値段が変わりませんから、100mm x 100mmまでの基板であれば収まりますのでお得です。しかし、自分で部品実装をしてみればわかりますが、ステンシルの取り回しは作業効率に大きく影響しますから、あまりお勧めできません。

後者の場合は、大変素直ですが、お金は倍かかります。標準料金より増えた分のお金は、Premium PCB Serviceというページで$1単位で追加で払います。

あと、面付けすると、あたりまえですが面付けした分のすべての穴があいたステンシルが来るようです。１個１個ずらしてスキージーでなめなくてもいいんだ！

来たらまたご報告します。

ESP8266からWS2812Bを光らす

マイコンに表示機器が一切ないとデバッグ用にシリアルラインでもつながないと状態が全くわかりません。そこでフルカラーLEDでもつければ、遠くからでも様子がわかるなーと思って、電子工作界隈では有名なWS2812Bをつけてみようと思ったわけです。

こいつの特徴は、マイコンが内蔵されており、わずか1本のデータ線でRGBすべての制御ができ、かつデイジーチェインが可能で数十個数珠繋ぎになったLEDテープを一挙に制御可能ということ。使えれば工作の幅が広がりそうです。

VDDが3.5～5.3VでかつHysteresis voltageが0.35Vだから、ちょっと3.3Vオンリーで動作させるのは厳しい…ESP8266は5Vトレラントではないから信号線の3.3V→5Vレベルシフト回路が必要です。

世間の作例だと、3.3Vのまま動かしていたり3.7VのLiPOバッテリーを電源に使ったりしてレベル変換もせず動かしているものが多いのですが、点滅が不安定とかデイジーチェインの１個めだけ光らないとか、不具合も多いよう。

普通に正攻法でBSS138 MOSFETを使ってレベル変換回路かけばいいんちゃうか？と思って、以下のような回路を作って基板を起こしました。

まー普通に動くでしょ？こんなの・・・と思ってたら見事に動かず。かなり苦労しました。
ライブラリは世間一般に使われているAdafruit NeoPixelでは動かなくて、Makuna NeoPixelBusのBitbangモードでだけ動き、しかも特定の組み合わせの色が白になってしまう。

不安定すぎんだろ！！

データシートを見る限り、1ビットのH信号を出すために、850nsのHを出した後450nsのLを出力、誤差は150ns以内ということですから、いくらARMコアが速くてもソフトだけでこのタイミングを生成するのは相当荷が重いでしょう。Bitbangモードは、使えるIOピンを選ばない利点がありますが、この微小なタイミング生成をソフトでやるので、ESP8266が忙しくなりすぎてWiFi通信が不安定になったり勝手にリセットがかかったりするそうです。やはりSPIやUARTのようなハード的なバッファを持ったモードで動作させたくなりますね。

うーん。いわゆるハッキング、マッシュアップのレベルでは「簡単にできた」と表現されるWS2812Bですが、実物はかなりの難物との印象です（少なくとも私のような素人には）

結局どうしたの？

結論だけ聞くと簡単そうに聞こえるでしょうが、「BSS138のプルアップ抵抗を100kΩ→1kΩにしただけ」で動きました（≧▽≦；）

参考になった記事はTesting level shifters for running Adafruit NeoPixel strips from a 3.3 Volt Teensyでした。どうもBSS138をはさむことで信号が鈍るようなんです。

私みたいにソフト・サーバ屋から電子回路に入ってきた人間には想像もつかないことですが、本来コンデンサではないはずの部品や回路配線自体に寄生容量というものが存在するそうです。これがコンデンサとして働いてしまう。この寄生容量(C)とプルアップ抵抗(R)で、RC遅延回路が形成されてしまう。すると信号の立ち上がりに遅れが生じて、方形が山形状の波形に鈍ってしまうと。

Bitbangモードだけで動いた、その理由は具体的にはわからないのですが、オシロで確認した限りでは生成された波形にかなり違いがありました。ちなみに出している信号はR=128, G=0, B=0です。Rの上位1ビットだけがHということですね。

int PixelPin = 5;
NeoPixelBus<NeoGrbFeature, NeoEsp8266BitBang800KbpsMethod> 
strip(PixelCount, PixelPin);

int PixelPin = 2;
NeoPixelBus<NeoGrbFeature, NeoEsp8266Uart800KbpsMethod> 
strip(PixelCount, PixelPin);

この違い、わかります？全体の長さも違いますが、Bitbangモードの方がH信号の山部分が平坦かつ長いんですね。つまりBitbangの方が正確なんですよ。UARTバッファモードは、元々シリアル通信の生成に使うハードウェア機能を流用して作られたものですから、本来の信号のためのクロックをだましだまし使うということになります。そりゃそうだ、WS2812B専用の回路を持つマイコンなんて存在しないから。

これが影響しているんじゃないかなー・・・・と個人的には思っているのですが、宮仕え先のオシロは仕事の都合で返してしまったので、結局調べられていません。

オシロほしいですね・・・・・まともなものは１０万くらいしますから到底買えませんけども・・・お金ほしいですね・・・お金ください！！！（血涙

ESP8266に手を出したワケ

今まで作ってきたボードはRaspberry Pi前提で、車両からCANデータを取得するものでした。ちょっと回路の間違いはあったけど一応動いている。でも、ボード単体でCANデータを送信できるようにしたり、ちょっとした解析ができれば、便利ではないかと思った。それには通信機能がついているマイコンが必要だ。

ここ１年くらいで急速に盛り上がってきたESP8266というWiFiチップがある。WiFiチップと言っても、Arduino IDEで開発できる単体マイコンでもあるから、他にマイコンは要らないわけだ。チップ単体だと500円を切っており、ヘタにArduinoボードを買うより安いというのも痺れる。

前回まで作っていたCANボードの搭載チップMCP2515はSPI接続だから、ESP8266のSPI APIを使おうとしたのです。

動かない・・・

ところが動かないんだなこれが。Arduino用のMCP2515ライブラリをESP8266で動くように移植していたのだが、テコでも動かない。レジスタも読めない。

ESP8266にはSPIとHSPIという2種類があるようなのだが・・・世間様の情報を見ても、なぜ２つあるのか全くわからなかったのだ。また、SPIにはArduino SDKでサポートされているArduino互換のSPI APIと、MetalPhreak: ESP8266_SPI_Driverの2種類あるのもなぞだった。
たまらず先人に質問したりしたのだが、接続等も間違っていないようだし。これはソフト的な問題なのか、それともチップ内部で使っているSPI接続（フラッシュメモリ）との競合なのか、などとと謎は増すばかり。

しかし、基板まで作っておいて手元にはテスター以外の計測器がなく・・・「わからないときはモノに聞け！」とばかりに宮仕え先のオシロをひっぱりだしてしまった。

ESP8266のSPI通信周りをオシロで確認した

まず、疑ったのはSPIのモード。SPI通信には4種類のモードがある。mbedのSPIマスターのWikiがまとまっている。Arduino ESP8266 SDKの標準SPIだとMODE0しかサポートしていないそうなので、MetalPhreak: ESP8266_SPI_Driverを使ってテストした。

ヘッダファイルのコメントには、

///////////////////////////////////////////////////////////////////
//
// Function Name: spi_mode
// Description: Configures SPI mode parameters for clock edge and
 clock polarity.
// Parameters: spi_no - SPI (0) or HSPI (1)
// spi_cpha - (0) Data is valid on clock leading edge
// (1) Data is valid on clock trailing edge
// spi_cpol - (0) Clock is low when inactive
// (1) Clock is high when inactive
//
///////////////////////////////////////////////////////////////////
void spi_mode(uint8 spi_no, uint8 spi_cpha,uint8 spi_cpol)

こう書いてあるので自然と、

spi_mode(HSPI, 0, 0);

と書いてしまっていた。この状態でオシロでクロック出力を観察しようとすると・・・

信号！出てねえ！！

マジかよ。ちなみに緑がクロック、水色がスレーブ信号出力（MISO）です。SPI通信の場合、クロック供給はホスト側（マイコン）がやるのでクロックが出ていないのは明らかに異常・・・・だと思うのですがどうでしょう？

spi_mode(HSPI, 1, 0);

あ、これがArduino一般で言うところのMODE0じゃないのか？

spi_mode(HSPI, 0, 1);

んークロックが負論理になっててラッチ先行だからMODE2ですよね。

spi_mode(HSPI, 1, 1);

クロックが負論理で、シフト先行だから、MODE3ですよね。

おい！MODE1どこいった！！とにかくspi_mode(HSPI, 0, 0)だと動きそうにないことはわかった。ちなみにこの初期化をしない（デフォルト）で波形を観察すると、デフォルトはspi_mode(HSPI, 1, 0)のようです。なんかモヤモヤするけど、とりあえずの観察結果は以上です。MCP2515はMODE0とMODE3をサポートしているから、デフォルトでOKなのかしら（確認していない）

たぶん、何か勘違いしていると思いますが、現場からは以上です。

SPIとHSPIの違い

もうひとつの疑問。HSPIとSPIの違いは・・・実はよくわかりませんでした。速度差なのかな？と思って速度を調べてみました。

SPIのほうはArduino標準APIに沿っているので最大ホストクロックの2分周(DIV2)のようです。この場合の波形は以下のようになります。

1クロック（立ち上がり立下り）でだいたい150nsだから、周波数に直すと約6.6MHzですかね。まあ大半の用途では十分でしょう。

一方でMetalPhreak: ESP8266_SPI_Driverのspi_clock(HSPI, 1, 2);の場合は以下のような波形になりました。

60nsに2クロック入っているように見えます。だから周波数に直すと33MHzも出ているということになります。この設定では信号がかなり鈍ってしまってますので、実際に基板パターンをひきまわしてペリフェラルと33Mbpsで通信ができるとは限りませんが・・・確かに速いですね。

MCP2515の場合10MbpsまでサポートしていますからHSPIの方がよさそうです。デバイスにもよりますが画像取り込みもできる速度だと思います。意外とポテンシャル高いねESP8266。