LiDARを使った距離計（その３）

 実際にソフトを組むにあたって最初に問題となったのは通信速度だ。当初データシートの記述を頼りに 460800bps と考えていたが、本当にそうなのか？Copilotは違う値（115200bps）を第一候補として答えてくるが・・・？

TSD-10に電源を入れると基板面で微小なLEDが点滅を繰り返していた。どうも電源ONと同時に連続測定をスタートしているようだ。こういったセンサーはスタートコマンドを送るまで測定を始めないかと思っていたが違ったようだ。それなら測定データをUARTで連続送信しているだろうから、その信号で通信速度を確認すればよい。

オシロスコープでTSD-10のUARTの波形を観測すると1ビットが約2μsに相当するようで、デフォルトの通信速度は 460800bps で間違いないようだ（計算上は1ビットが2.17μsになる）。

そこでPIC16F15325の内蔵UARTを使って近い速度の信号を作ってみたが上手く行かない。内蔵の16MHzや32MHzのクロックを分周して合わせてみても速度誤差が8.5%出てしまう。UARTは多少の誤差は許容できるはずだが、ここまで違うと無理のようだ。そこで内蔵UARTを使わず、ソフトで直接ポートを駆動してUART信号を作る事にした。送信するデータの1ビットずつを取出し、それに従ってポートをON/OFFるする。この方法で作った実際の波形を観測すると、オーバーヘッドが大きく1ビットに最低3μsほどかかり2.17μs迄は下がらなかった。そこで最後の手段として、プログラム中にビット出力命令を直接並べて（ハンドエンコードして）実行する事とした。試しに1/0を交互に出力させて観測するとビット出力命令の実行時間は0.124μs程度（Fosc/4に相当）なので2μs程度の遅延を挟めば丁度良い信号を生成できる。そうやって出来上がったプログラムの1バイト送信分が次のようなものである。

     // 1 - 0x5A
    LATAbits.LATA4  = 0;   _delay3(5);  // Start bit 
        LATAbits.LATA4  = 0;   _delay3(5);  // b0        
        LATAbits.LATA4  = 1;   _delay3(5);  // b1      
        LATAbits.LATA4  = 0;   _delay3(5);  // b2      
        LATAbits.LATA4  = 1;   _delay3(5);  // b3      
        LATAbits.LATA4  = 1;   _delay3(5);  // b4      
        LATAbits.LATA4  = 0;   _delay3(5);  // b5      
        LATAbits.LATA4  = 1;   _delay3(5);  // b6      
        LATAbits.LATA4  = 0;   _delay3(5);  // b7      
    LATAbits.LATA4  = 1;   _delay3(10);  // Stop bit     
 

Stop bitを長めにとっているのは次のバイトのStart bitまでの時間に余裕を持たせ多少の同期ずれを回復できるようにするためである。 このプログラムは上手く機能した。これで測定の停止(Stop)とボーレートの変更は出来るようになった。ビットレートを一旦9600bpsまで落とせば後はPIC内蔵UARTでも余裕をもってコマンドを送信できる。

もう1つ問題になったのはTSD10からのデータが全く受信出来なかった事である。色々テストした結果判明した原因は、受信に使ったPICのA5ポートが全く機能しなかった事である。以前同様なトラブルが別のPICであり、解決策も以前書いたが今回はそれでも上手く行かなかった。色々試したが結局諦めて代わりに基板を改造してC5ポートを受信に使う事で解決した。 

TSD10の仕様によると測定データは毎秒50回（20ms毎に）送られてきて、精度は±5cm、ブラインドゾーン（無感距離）が5cmある。また分解能（測定結果）がmm単位なので使いづらい。そこで複数回（とりあえず10回）の測定の平均をとり、最下桁を丸めてcm単位を結果とするようにした。

実際に周囲の対象物の距離を測定してみるとブラインドゾーンはほとんど無く、測定値には10cm位のオフセットがあった。

オフセットについてはTDS10の個体毎に異なると推察されるのでコマンドで設定できるようにした。またデータシートによると反射の無い状態（測定範囲外）では65535mmが送られてくるよう記載されているが、実際にTSD10を空に向けてみると最大探知距離である10000mmが送られてきてデータシートと異なる。

超音波センサーとLiDARを比べてみると、 超音波センサーは測定値に少しのふらつきが見られることもあるがLiDARは比較的安定しているようだ。これは統計処理の違いに起因するかも知れなく、これが問題になる場合は更なる検証が必要だろう。

TSD10は指向性が鋭いうえに赤外線は目に見えないので、どの距離を測定しているか分かり辛い。レーザーポインタを併用すれば分かり易くなるが、逆にレーザーポインタが明るすぎて目に辛い。幸いレーザポインタの消費電流は多くないのでPICで直接駆動できる。レーザーポインタをソフト的にON/OFF出来るようにすればもっと使い易くなるだろう。

さて、これを何に使おうか？ 

（終り） 

 

LiDARを使った距離計（その２）

 

 修正した基板は次の通り。パスコンはSMD（表面実装部品）として基板の裏面へ移した。LiDARの赤外ペンシルビームはどこを指しているか分かりにくいので、J3としてレーザポインタを追加するための+5Vの分岐を追加した。

発注して1週間も経たずに修正版の基板が届いた。昨年まではSHENZHEN(深圳)から関空へ送られ国内配送されていたが、今年になって（理由は不明だが）SHENZHEN⇒香港⇒羽田という配送ルートに変わったようだ。到着が少し早くなったような気もする。

これを組み立てて、次の写真の様になった。左がLiDARインターフェイス、右が超音波測距センサーインターフェイスだ。超音波測距センサーの動作も確認できた。

ここからLiDARインターフェイスのソフトの制作について検討する。TSD-10のインターフェイスはRS-232Cだが交換するコードは文字ベースではなくバイナリーでNULL(0x00)を含む。転送速度がデフォルトの460,800bpsだと毎秒46,080バイト、22μs毎に1バイト転送され、これを処理する必要がある。結構シビアだ。転送速度の変更はコマンドで可能なので、初期化の段階で9600bpsまで速度を落としてみる事とした。

 ソフトの製作には時間がかかりそうなので、今回はとりあえずここまでで、次回へ続く。

（続く） 

 

LiDARを使った距離計（その１）

 超音波距離計は超音波センサーの前に膜など何らかの空気以外の物体があるとそこで音が反射されたり減衰したりして上手く計れない。そこでLiDAR距離計を試してみる事にした。LiDARは赤外線を使って反射物までの光の往復時間を測ることで距離を求める。1nsに光が進む距離は30cmだから往復で見ると15cm。1cmの分解能で距離を測るためには1/15nsの時間分解能が必要である。

秋月で売っているLiDAR距離計を見てみると、水平スキャンが出来るタイプと出来ないタイプの2種類あり、前者はロボット掃除機に使われているようなもので探知距離が1m程度と短い割に試すには高価である。そこで水平スキャン機能の無い単純なTSD-10というものを買った。これは最大10mまで計れるもので５ｍ以内の精度は±5cm、それより以遠は1%である。大雑把に言うと1/3ns単位で時間を測定しているという事か。

 

指向性については超音波距離計の半値幅が30度あるのに対しTSD-10は3度しかないので ペンシルビームみたいな特性で、ターゲットの方向に正確に向けないと正しく計れない。

 TSD-10を使う上でもう1つ検討を要するのはUARTインターフェイスの通信速度である。デフォルトで460,800bpsと高速だ（これは9600bpsの48倍）。UARTを動作をさせるためには通信速度の16倍の周期のクロックが必要になる。460,800bpsの場合を計算してみると、14.7MHzのクロックが必要だ。PICの内蔵発信器で得られる周波数で最も近い周波数は16MHzなので8%の誤差がある。秋月では外付けの水晶で14.31818MHzの物を売っていて、これを使うと誤差は2.6%となる。内蔵発信器で上手く行かない場合は外付け水晶を使ってみるか。

使うPICの種別であるが、TDS-10とHOSTの両方ともUARTインターフェイスを使うので2つのUARTを内蔵して手頃なPIC16F15325を使うこととし、回路を設計すると共に基板を発注した。

なお、回路・基板の設計に当たっては、この基板を超音波距離計にもそのまま流用できるようピン配置の共通化を図っている。つまり14ピンのPIC16F15325を8ピンのPIC16F18313に挿し替えることでそのまま超音波距離計にも使えるようにした。

発注後、2日で基板は出来上がったが、その後春節と重なったため配送業者のピックアップが1週間ほど遅れている。以前と同じだ。結局、発注から半月ほどかかって届いた。 

届いた基板を組み立てると、とんでもない間違いに気づいた。センサーと接続するコネクタを逆向きに設計していた。これでは超音波センサーが後向きになってしまう。 そこで修正して再発注した。送料込みで3.3ドル、この安さがチェックを疎かにしてミスを誘発する原因かもしれない。なお上の回路図は修正版に挿し替えている。

（続く） 

LT-R6のバグを修正しバージョン0.24として公開しました。

 LT-R6 バージョン0.23以前のバージョンでは「新規作成」メニューでICFデータを初期化した場合、BAND領域に誤った値を書き込むバグが存在しました。これを修正しバージョンを0.24として公開します。

バージョン0.24のjarファイルのダウンロードはこちらから。 

使い方は、ダウンロードした ltr6-0.24.jar ファイルを ltr6.jar とリネームしLT-R6のフォルダに入れてください。この時、フォルダ内の既存の ltr6.jar は名前を変更するか別の場所に移してください。

今回のバグにより「新規作成」メニューで初期化したICFデータを編集・アップロードしたとき、VFOモードでBANDを切り替えると各BANDとも最初は145.000NHzと表示されます。

 なお、ICFデータ中の BAND領域についてはこれまで解析されておらず、ユーザからの指摘を受けて初めてBAND領域である事を確認できたものの、この領域の各データの意味や役目は未解析です。従ってLT-R6はBANDデータの編集機能は実装していません。

 以上

超音波距離計（その５）

 基本的な機能は実現できたので、次に実際の利用に合うようプログラミングを行う。基本的なロジックは、

1. センサー部から200ms毎に送られてくる測距データを表示する。 
2. 7セグメントLEDは測距データを3桁の数字で表示する。但し超音波センサーの最大探知距離が 400cmなのでそれより大きな値が来たときはエラーとみなし3桁ともマイナス(-)を表示する（センサーがエコーを捉えられなかった場合を含む）。逆に0cm或いはそれ以下だった場合（センサーの取付位置のオフセットを設定すると負の値もあり得る）は下線(_)を表示する。
3. RGB-LEDは距離に応じた色を表示する。また距離が短い場合は点滅表示を行う。これは7セグメントLEDを瞬間的に見た場合に読み間違いの可能性がある為だ。
4. センサー部からのデータが途切れた場合は7セグメントLEDはドットを表示し、RGB-LEDは消灯する。

RGB-LEDは各色8ビットの諧調つまり24ビットの表示能力を持っている。 3,ではこれについて最初に距離に応じた連続的な色変化を試したが、そうすると逆に変化が認識しずらい。また輝度が高い場合の明るさの変化も認識しずらい。そこで距離に従って色を決める事にした。5つのLEDは同じ色を表示させる。具体的には100cm以上は青、100cm～40cmは緑、それより近い場合は赤を表示。各色の諧調は８程度で、距離が短いほど指数関数的に明るくなるようにした。さらに70cm以内では距離応じて点滅、距離が近いほど早く点滅するようにした。また緑は輝度が高いので値を約半分に抑えるようにしている。

4,ではタイマーを使って監視し、センサーからの信号が2秒以上来なかった場合に途切れたと判断している。

400cm以内にエコーが無い場合はマイナス(-)（距離が0cm以下の場合は下線(_)とする）。

 

センサー部からのデータが途切れた場合。

とりあえず当初の機能目標は達成したので、これらを格納する箱探しを行った。

一応百均で大きさの合いそうな物を探した。表示部はディスプレイケースを加工したが下部の長さが不十分でコネクタを挿すとはみ出すため更なる工夫が必要だ。センサー部はラップ用ボックスを逆さまにし21mmの穴を開けてセンサー用の窓とした。背面にマグネットが付いているのでそのまま金属に付けられる。中には吸音材を入れている。防水性が気になりスーパーで買った商品を包む薄い袋を被せてみたが、最大探知距離が1.5mくらいに低下した。

 （終り） 

 

超音波距離計（その４）

 

 RGB-LED（PL-9823）は次のような特殊なPWMパルスを作って駆動する必要がある。このデータは信号が0→1になる所からスタートし、全てのビットを送り終える最後のビットの最後は0→1で終了する。であるなら全てのデータを送った後のアイドルの状態は０なのか１なのか？　スタートの条件を考えれば0であるが図からは最後は１で終わるように見える。たぶん最後は０を延長したRETコードをアイドル状態として使うのだろうと推測する。

このパルスの厳密なタイミングには幾つかの情報があり曖昧であるが次の情報が確からしい。実際には動かして確かめる必要があるがHとLが概ね1:３あるいは３:1の比率であれば成立しそうだ。

またビットの並びはMSBファーストで、次の様にRGBの順だという資料もあるがGRBという資料もあり、これも実機で確かめる必要がある。

RGB-LEDはカスケード接続で複数を制御できる優れものである。今回はこれを5個を使う。

データの転送時間は上のタイミングから1ビット当たり1.25μsかかり（転送レート800Kbps相当）、1つのLEDに30us、5個のLEDを合わせると150μsかかる。

この信号をどうやって生成するかであるが、NOP命令を挿入してタイミングを取るソフト的な方法と、ハードロジックで信号を作成する方法が考えられる。MicrochipのアプリケーションノートAN1606にはPIC16F1509のCCPを使ってWS2811を駆動する例が示されており、これが参考になりそうである。しかし何れも時間的にかなりシビアで先人の例でも涙ぐましい苦労の跡が見える。特に回路の遅延などに伴うヒゲの発生には十分注意する必要がある。開発にはロジックアナライザを活用する必要があろう。

 ソフト的にやるのは後回しとして、とりあえずハードロジックを検討してみる。PL-9823はAN1606で示されたWS2811とは必要とする波形が違うので、それに合わせる必要がある。

信号の基本はSPIの出力である。PL-9823ではSPIの1つの出力ビットを4つに分けて1:3（0 code）又は3:1(1 code)の比率のPWMパルスを生成すれば仕様に合う。SPI出力が800Kbpsなら800KHzと1.6MHzの方形波があれば合成できる。SPIを駆動するクロックはFosc/4を分周したものであるため、3.2MHzの2^n倍のFoscが必要であるが一方PIC単体で発生できるクロックは限られており最も近い値として12MHzを4分周してFosc=3MHzとして使うのが適当だろう。ということで転送レート 750Kbps（=3MHz/4）で検討したい。

 AN1606に準じて考えると、SPIの出力(SDO)、SPIのクロック（SCK)、それにSCKの元となるクロックFosc/2から合成できそうだ。Fosc/2はCLKRを使ってFoscを2分周して生成した。

0 code = /SDO & SCK & Fosc/2

1 code = /(/SDO + /SCK + /Fosc/2)  

 PWMパルス = 0 code + 1 code

 この式で & は論理積、+ は論理和、語頭の/ は否定を表す。

この式ならCLKRとCLC各1個で実現できそうである。ということでこれを実際やってみたところ、SPIで送信するバイトの最後のビット(lsb)がSDOではアイドル状態まで引きの伸ばされるためlsbが1だとアイドル状態でもFosc/2がPWMパルスとして出力されAN1606のように上手くは行かない。強制的にlsbを0として7ビットのデータとするなら上手く行きそうだが。そこで悩んだ末に何とか窓信号を作り論理積をとる事とした。

具体的にはもう一個のCLCを使ってSCKをFosc/2の立下りでサンプリングすることで25%遅らせたSCK2を作り、SCKとSCK2の論理和を窓信号とする。つまり、 

     1 code = SDO & ( SCK + SCK2 ) 

 とする。これで上手く行きそうだ。そして、次の通り上手く光ってくれた。

実際に出来た波形を観測すると、 SPIの出力は1バイト（8ビット）送出した後次のバイトを送出までに隙間が出来る。つまりSPIではバイトを跨ぐ連続送信は出来ずバイト間では T0L や T1L が長く引き延ばされている状態になる。この隙間の大きさの規程は無いがRETコード、つまり（確かめた訳ではないが）50usを超えなければ問題ないようである。

 ここまでで基本的な機能は実現できたので、あとは受信した測距データをもとに表示内容を決めていきたい。

参考までにPWMパルスを作成するためのCLKR、SPI1、CLC1、CLC2の初期設定部分は次の様にした。

    //
    // CLKR Fosc(3MHz) to 1.5MHz
    //
    CLKRCONbits.CLKRDC  = 2;        // Duty is 50%
    CLKRCONbits.CLKRDIV = 1;        // divide by 2
    CLKRCONbits.CLKREN  = 1;
    //
    // SPI1
    //
    SSP1CON1            = 0x0;      // clear SSPEN
    SSP1CON1bits.CKP    = 0;        // IDLE Clock is Low
    SSP1CON1bits.SSPM   = 0x0;      // SPI with Clock = Fosc/4
    SSP1STATbits.CKE    = 0;        // trans. at clk idl->actv 
    PIR1bits.SSP1IF     = 0;        //        
    SSP1CON1bits.SSPEN  = 1;
    //
    // CLC1
    //
    CLC1CONbits.LC1MODE = 0;        // AND-OR
    CLC1SEL0            = 0x13;     //1 SPI1 SDO
    CLC1SEL1            = 0x12;     //2 SPI1 SCK
    CLC1SEL2            = 0x0B;     //3 CLKR = Fosc/2
    CLC1SEL3            = 0x05;     //4 CLC2 = SCK2
    CLC1GLS0            = 0x16;     // 0 code = /SDO & Fosc/2
    CLC1GLS1            = 0;        // T
    CLC1GLS2            = 0x02;     // 1 code = SDO
    CLC1GLS3            = 0x88;     //          &  /(/CSK & /SCK2 )  
    CLC1POL             = 0x03;
    CLC1CONbits.EN      = 1;
    //
    // CLC2 - MAKE DELAYED SCK
    //
    CLC2CONbits.LC2MODE = 4;        // 1 input D-ff with S & R
    CLC2SEL0            = 0x12;     //1 SPI1 SCK
    CLC2SEL1            = 0x0B;     //2 CLKR = Fosc/2
    CLC2SEL2            = 0;
    CLC2SEL3            = 0;
    CLC2GLS0            = 0x4;      // CK: /SEL1 = /Fosc/2
    CLC2GLS1            = 0x2;      // D:  SEL0 = SCK
    CLC2GLS2            = 0;        // R: F
    CLC2GLS3            = 0;        // S: F
    CLC2POL             = 0x00;
    CLC2CONbits.EN      = 1;
 

SPIは同時双方向通信という特徴があり、送信のみや受信のみという動作は無い。通常のシリアルインターフェイスの送信だと送信バッファーが空になるのを待って送信バッファーにデータを書き込むが、SPIでは送受のバッファーが共通になっており、送受信が完了したというフラグしかない。従ってSPI（マスターモード）でデータを送信する場には先ずバッファーに送信データを書き込み、送受信完了のフラグを待って次のデータを書き込むというプログラミングをする必要がある（受信の動作はダミーとなる）。このとき送受信完了のフラグは自動的にクリヤーされないのでソフトでクリヤーする必要がある。具体的に5個のLEDにデータを送るのは次の様にした。なお割込みが起きる事でタイミングが狂わないようこの部分は割り込み禁止としている。

void rgbSetLeds(byte *clr_r, byte *clr_g, byte *clr_b){
    byte GIEBitValue = INTCONbits.GIE;
    INTCONbits.GIE   = OFF;          // di()-----------------              for(byte i=0; i<5; i++){
        PIR1bits.SSP1IF = 0;
        SSP1BUF     = *clr_r++;     
        while(PIR1bits.SSP1IF==0){} PIR1bits.SSP1IF = 0;
        SSP1BUF     = *clr_g++;     
        while(PIR1bits.SSP1IF==0){} PIR1bits.SSP1IF = 0;
        SSP1BUF     = *clr_b++;     
        while(PIR1bits.SSP1IF==0){}
    }
    INTCONbits.GIE = GIEBitValue;    // ei()-----------------

}

これを誤って最初を、UARTの送信のように

        while(PIR1bits.SSP1IF==0){} 
        SSP1BUF     = *clr_r++;     
 

とするとSPIでは永久の待ちとなりデータは送信できない。

（続く） 

 

超音波距離計（その３）

1週間ほどで基板が届き、組み立てた。RGB-LEDのピンの間隔が狭くブリッジが出来て上手くハンダ付けができない。ブリッジの場所を探し出すのにパターンを切ったりして苦労したのでこれ以上ショートしないようUVレジンで固めた。その結果が次の写真である。ここではRGB-LEDのピンを左右に開くなどパターン作成に工夫が必要だ。

この 表示部はセンサー部から送られてきた測距データを表示する。

センサー部から送られる測距データは行が'='で始まり3文字目から測距結果を格納する。7セグLEDは実際に測定した距離を表示し、RGB-LEDは距離に応じて色を決めるようにする。

 7セグメントLEDは100回/秒くらいのレートでリフレッシュ出来れば十分なので10msに一回、つまり3桁で割って約3msくらいで割込み処理すれば充分だろう。という事で比較的簡単に実現できた。

表示用の割込み処理は次のようなものである。

static const byte swp_pos[3] = { 0x10, 0x20, 0x40 };
static byte dsp_dat[3] = { 0, 0, 0 };
static byte dsp_pos = 0;

void sevenSegLed_Isr(){
    LATC        = dsp_dat[dsp_pos];
    LATB        = swp_pos[dsp_pos++] | (LATB & 0x8f);
    if(dsp_pos >= 3)  dsp_pos = 0;
}

dsp_dat[]は7セグLEDに与えるビットパターンを格納している。

ちなみに数字を表すビットパターンは、

 static const byte SvnSegPtn[16] = {
        0x7e, 0x30, 0x6d, 0x79,  0x33, 0x5b, 0x5f, 0x70,    // 0..7
        0x7f, 0x7b, 0x77, 0x1f,  0x0d, 0x3d, 0x4f, 0x47     // 8..F
    };
を使っている。

（続く）