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。

CAN BUSってなに？

CAN BUSとは…ボツシュが開発した車両用のネットワークであり、これにつなげられると車速や燃料噴射量などを取得できる。

車両にはOBD2端子というものがダッシュボード下に出ていて、自動車工場にある自動診断装置を接続すると、車両の情報を読んで、故障を診断する。厳密にはコマンドのハンドシェイクによってプロトコル名が違うのだが、基本はCAN BUSからデータを読んでいる。

我々素人がCANを読むにはOBD2アダプタというものを買えば、基本的にはＯＫ。安いし、スマホのアプリにBluetoothで飛ばして電子メーターとか可能になる。

だから、わざわざハードウェアを作る理由は、実はあんまりない。でも、昔からスマホでドラレコとかやっていた身から言わせてもらえれば、スマホは「設置」するのも「接続」するのもけっこう大変だ。正直言ってだるい。

車両機器は、できればダッシュボードにがっちり固定しておきたい。Raspberry Piの場合はHDMI出力があるから、CANが読めれば電子メーターや累積燃費系みたいなものをリッチにつくることができるだろう。

どうしてもCAN BUSが動かなかった

これまで作ってきたボードは、大した周辺チップが載っておらず特に問題なかったのだ。でもCANは動かなかった。動かない原因がわからない。

机の上の惨状

リフローオーブンの温度ミスで部品が焼けたのか、CANコントローラMCP2515とトランシーバMCP2551の回路の結線ミスなのか、Raspberry PiのOS側の設定ミスなのか、ヤフオクで落としたプリウスのヨーレートセンサーの中古が壊れているのか、もう皆目見当がつかないわけである。

手元にある測定機器といえば、10年前に買ったフルークのテスター1個・・・・・ロジアナもオシロもなしに、表面実装部品のボードを開発すること自体が、あまりに無謀で常軌を逸していたのは否めない。しかしもはや測定機器を買うお金がない。これまで投入してきた金額は5万円以上。到底趣味の範囲で買えるものではなかった。

ふと・・・初心にかえって

実物を目の前にして、なお調べようもないので、ボード設計時のデータを見直すことにした。

図面上はつながっていると思われたが・・・

電源にパスコンはいってない素人丸出しの回路図はおいておくとして、一応MCP2515の電源に3.3Vはつながっているように思えた・・・・

ああ、なんということでしょう

しかし・・・基板の方は未配線だったのだ！（図中の黄色い線）

どうしてこんなことがおきたかというと、せっかくEagle CADが出してくれていた警告を1度無視する操作をしてしまった。Eagleの仕様上、未配線を無視すると図面からも消滅するのであった。ワーニングには必ず意味がある。ブラインドでポチポチしてはいけなかった。

手配線で3.3Vを20番ピンに投入したら、めでたく動き出した・・・ここまで2週間。本当に疲れた。

初めてフル搭載した基板を焼いた

おまえなんかレンジでチンだ！

できあがった基板はCARMOD1、と呼びます。

CARMOD1

自動車のOBD2端子からCANデータをひっぱってきて、Raspberry Piに渡すだけです。バッテリー直結を見越して、電圧監視とRaspberry Pi本体への電源供給を管理します。ついでに、ソフトではいまいちうまく動いていないウォッチドックタイマーを外部に持ち、Raspberry Piがおかしくなったらリセットできます。

・・・・・できるはずでした！！次回以降に続きます。

スイッチサイエンスのリフローキットのプログラム

Papanda_SSR_Solder_Toaster_Controller_Platform (GitHub)

これ以上持っていても仕方がないのでとりあえず公開しておきます。実は純正プログラムも、最初はPID制御をしていたけど後に辞めた、ということを知ったのはPIDライブラリで書きなおしたあとでした(^^;

TSSOP-8パッケージのリフロー成功

まだ、1608パッドの周辺はダマになってるけど、狭ピッチのICもリフローできるようになってきたよ。

秘訣は….

クリームはんだを撹拌すること

でした….マジかよ。要するに上澄みの方は有機溶剤が飛んでいて、十分な濡れ性を確保できていなかったようだ。表面張力で引き寄せられない部分がダマになるってわけ。均一性が崩れるので撹拌しすぎるのも良くないらしいけど。

世間を見回せば、今回買ったような容器タイプじゃなくて、シリンジタイプのものがたくさんあるのね。これは有機溶剤が飛ばないようにするためのものだと思う。

正直、通販だと賞味期限とか保管時の温度とか信頼できないわけだけど、最低限撹拌はするというのが勘所かしら。

温度プロファイルの条件出し

最終的な温度プロファイルは以下に。

正直最初のころとあまり変わっていない。プリヒート工程を2段にしたことくらいかな。パラメータは以下に。

• ヒーター: 下段のみ
• TimeInterval: 2000 ms
• Kp: 107
• Ki: 0.65
• Kd: 18.5
• 工程: 80度/120度/230度

PID使っちゃったのが運のつきなんだけど、PID理論についてはモータのＰＩＤ制御法 というページが一番わかりやすかったです。今回のヒーターの場合はKdがあまり小さいと追従性がいまいちということがわかりました。

あと色々苦労した経験上、やっぱりプログラムや熱電対だけでは実際の基板の温度がわからないので、下記のような放射温度計がどーしても必要です。参照基板に熱電対をカプトンテープで固定しているのですが、隣接する実際の基板と20度以上違うことも珍しくありませんでした。

熱せないとクリームはんだ溶けませんけど、熱し過ぎるとチップが壊れるので測定重要です。

Eagleの設定し忘れ

余談ですが。

どうも以前から気になっていたのだが、PCBステンシルを使ってパッドに盛ったクリームはんだの量が多い。写真でも確認できるけど1608のパッドはてんこ盛りである。デザインルールはElecrowからダウンロードしたものをそのまま使っていたので再確認してみると…Masksの設定が全くされていない(オール0)であることに気づいた。いつからだ….

このうちのStopがストップマスクの設定で、Creamがクリームはんだを塗る領域を指定する指標らしいんだな。しかし、今これを気づいたところで、また基板とステンシルを再発注ということになってしまうのであった。

ほんと経験がないから金ばっかりかかってもう….ハード屋さんが身近にいれば色々助かるんだけどねえ。

まあ写真を見てくださいよ・・・・

パッド周辺に細かいダマのようなものができてるでしょ。LPC1114周辺はさらに怪しくて短絡している始末。正直手はんだの方が高クォリティですよ。

せっかく炉まで作ったのに。温度プロファイルをアレコレ変えても今のところ打開策なし。ソーク工程を短くすると少しマシにはなりますが力尽きた。

クリームはんだそのものの問題？

温度のせいだけじゃないと思うんですよ。フラックスがヘタってるとしか思えないんだよね。なぜならPCBステンシル経由で塗付する時点ですでにダマっぽいので。クリームはんだの品質は、温度管理等様々な劣化要因があることは知ってて、もっとも安心そうな東京デバイセズから買って、それで駄目ならどうすりゃええんや・・・・

ほんと、ハードウェア趣味は金がかかるなあ。

てなわけで、しばらく日記をお休みしていたのは、こんな初歩的なところで躓いていたからなのでした。

そんなところにあったのか！Eagle CADのフレーム

他人の書いた回路図をみていると、ちょうど地図みたいいに横がA,B,C,D…縦が1,2,3..という枠に囲まれて、右下に署名がはいっているものを良く目にします。それをEagleで実現したくて、ページ設定のようなものがないかなーとメニューを探して数ヶ月。どうしても見つからなくて半ば諦めていたのです。

現在、リフローオーブンをArduinoで作っているのですが、開発元のボードの回路を確認したくてスイッチサイエンスさんの書いた回路図を見たら、Eagleで書かれているのに枠がついてるじゃないですか！

まさか！と思って再調査したところ、あっさり見つかりました。部品ライブラリの中に・・・・

frames.lbrってずばりのファイルがあったよ。トランジスタなどと同じところにこんな枠が並んで入っているの酷くない？

わかっかっつーの！！！！（怒）