公開日：2024/03/23

29th Season

#29-7　小さなソフトウェアシリアル

　最近入手した、8ピンDIP形状の小さなマイコンATtiny85(下図)は、電源、GND、リセット端子を確保すると、残りたったの5端子と言う、とても小さなMCUです。



　残り5本のI/Oポートから、Arduino IDEで使用可能なシリアルモニタ(UART)を使おうとすると、双方向の通信線(TXD，RXD)が2本も占有されてしまって、残り3本……。実質「使えない」、なんてことになりかねません。

　今回は、そんなATtiny85と、非同期シリアル(UART)通信がテーマです。

シリアルモニタ

　シリアルモニタはArduino IDEに備わっていて、USB経由で非同期シリアル(UART)通信して、Arduino UNO等のマイコンボードと通信することができる機能です。
　プログラムやシステム全体のデバッグをする際に処理の途中経過をPCへ送信し、結果を確認しながらデバッグしたり、こちらからコマンドを投げて処理タイミングを制御したり、デバッグの強い見方であります。

　マイコンのUART通信としてみると、デバッグ以外にも何かと使い道はあります。

• 周辺に構築した、他のシステム上のマイコンと通信する。
• 計測したデータをPC等に送信する。
• 等。

　UART通信は、送信のみ／受信のみの単方向通信としても、送受信可能な双方向通信としても使える上に、通信信号線は1方向当たり1本で済むので、コストの小さな通信仕様でもあります。

ATtiny85のI/Oポート

　まず、こちらを参照してATtiny85の仕様を復習してみてください。ATtiny85には、UART通信可能なハードウェアUARTユニットは非搭載です。
　正確には、UART通信を実行可能なUSIユニットを搭載しているのですが、このユニットは基本的に、I2C通信やSPI通信を実行するためのユニットなので、UART通信として使おうとすると「半二重」通信あるいは「単方向(一重)」通信としてしか使用できません。
　当然、I2C通信やSPI通信とリソース競合するため、これらの通信と同時に使う事もできないわけです。

　次に、こちらを参照して、ATtiny85のピン配置を確認して見てください。
　ATtiny85の各I/Oポートには、内蔵しているI/Oユニットの機能が割り当てられています。8ピンDIP形状のATtiny85では、I/Oポート数が極端に少ないため、使い方が限定されます。
　例えば、以下の様な感じです。

• １）I2C通信を使う場合
• I2Cの通信線(SCL，SDA)が占有される。
• Arduino IDEの端子番号では、D0，D2。
• ２）SPI通信を使う場合
• SPIの通信線(SCK，MOSI，MISO)が占有される。
• Arduino IDEの端子番号では、D0〜D2。
• ３）PWM×3本を使う場合
• タイマユニットのPWM出力端子(OC0A，OC0B，OC1B)が占有される。
• Arduino IDEの端子番号では、D0，D1，D4。
• ４）AD変換器×3本を使う場合
• AD変換器ユニットのアナログ入力端子(ADC1，ADC2，ADC3)が占有される。
• Arduino IDEの端子番号では、D2〜D4(アナログ端子番号ではA1〜A3)。

　周辺に構築する回路に従い、何か使いたい機能がある場合、１）〜４）に例示したI/Oポートが、その機能によって占有されてしまうため、追加してUART通信に割り当て可能な端子は、その都度変化する事となります。
　「UARTを使う場合は、このI/Oポート」、と固定されてしまうと、そのI/Oポートに割り当てられた固有機能を使いたくなった場合にUARTとの同時使用が不可能となってしまうのです。

ATtiny85のメモリ容量

　ATtiny85のメモリ容量も、プログラム格納用Flashメモリが8Kバイト、データ格納用RAMが512バイトと、決して大きくありません。使用するライブラリなどのメモリ容量にも注意しなければならないのです。

　Arduino IDEに導入したATTinyCore環境には、ソフトウェアシリアルライブラリが備わっています。

　　#include　"TinySoftwareSerial.h"

　当方では未確認なので詳細は不明ですが、Streamクラスなどが継承されたクラスライブラリとなっていて、そこそこ物量が大きいと考えられます。
　つまり、使用する事はできるけど、メモリ容量が圧迫されると予想されます。

小さなソフトウェアシリアル

　つまるところ、ATtiny85でUART通信を使おうとすると、I/Oポートとメモリ容量の両面で厳しいことになる訳です。解決策は、自前で小さなソフトウェアシリアルを作る事、それが当方の結論です。
　以下に目標仕様をまとめてみます。

　　小さなソフトウェアシリアル目標仕様：

• ATtiny85の内蔵RC発振器8MHzで動作可能な事。
• 主に最高通信速度に影響。
• 送受信(双方向通信)として使う場合、半二重通信とする。
• ……ソフトウェアシリアルの宿命。
• 通信端子は、任意のI/Oポートに設定可能な事。
• I/Oポートの指定は、#defineマクロによるコンパイルオプションとする。
• 送信側(TXD)だけ、受信側(RXD)だけ、でも使用可能とする。
• 最低、1本の空き端子が残っていれば、単方向(一重)通信が可能。
• 送信端末と受信端末が対称なUART通信の利点。
• 送信端子(TXD)、受信端子(RXD)共、任意のI/Oポートに設定可能とする。
• 空き端子さえ残っていれば、UART端子として設定可能。
• コードサイズ(Flash／RAM共)が小さい事。
• 最小限の関数だけを備える。
• 受信バッファサイズ(RAM使用量に関係する)は、#defineマクロでコンパイル時に指定可能とする。
• 通信フォーマット：
• 8N1(8ビットデータ、LSBファースト、パリティなし、1ストップビット)に固定する。
• 通信速度：
• 通信速度は、実行時に設定可能とする。
• 2,400〜9,600[baud]を目標とする。
• 通信速度の上限／下限値は「CPUの処理能力次第」として、目標仕様を設定しない。
• ※試してみないと判らないけど、F_CPU＝8MHzだと、パフォーマンス不足で9,600baudは厳しいかも？？後ほど実験で確認。
• ヘッダライブラリ：
• クラスライブラリには、しない。Streamクラスも継承しない。
• 初期化と送受信に必要な最低限の関数だけを備え、#includeで取り込むだけで使える、ヘッダライブラリとする。
• 関数仕様：
• int　tsws_init (long　spd_baud);
• 初期化関数。
• 通信速度を<spd_baud>[baud]に設定する。
• 正常に初期化できるとtswsErrNo(＝0)、初期化できなかった場合にはtswsErrInit(＝−1)を返す。
• void　tsws_write (char　dat);
• 1バイトの文字コード<dat>を送信する。
• void　tsws_write (const　char　*str);
• NIL('\0')終端のC言語文字列<str>を送信する。
• int　tsws_read (void);
• 1バイトの文字コードを受信する。
• 受信データが空の場合、tsws_EOF(＝−1)を返す。
• コンパイルオプション：
• #define　TINY_SWSERIAL_TXD　<pin#>
• ソフトウェアシリアルの送信機能を有効化する。
• 送信端子TXDをArduino IDEの端子番号D<pin#>に設定する。
• #define　TINY_SWSERIAL_RXD　<pin#>
• ソフトウェアシリアルの受信機能を有効化する。
• 受信端子RXDをArduino IDEの端子番号D<pin#>に設定する。
• #define　TINY_SWSERIAL_MAX　<size>
• 受信機能有効時、受信バッファサイズを<size>バイトに設定する。
• 省略した場合、<size>＝8と見なす。
• 占有資源：
• 受信(RXD)機能を有効化した場合、データの受信を待ち受けるため、端子変化割り込み(PINT0)を占有使用する。

　以降、目標仕様に基づいて詳細設計を進めて行きます。

実時間の計測

　ソフトウェアシリアルを作成する場合、通信速度に従ってデータを送受信するため、実時間の計測が必須です。
　また、通信速度に応じて、決まった時間にデータ通信を実行しなくてはならないので、送信または受信中に割り込みが発生してしまうと、通信を失敗します。少なくとも、1フレーム(10ビット、8N1)の送受信中は、割り込みを禁止しなくては、ならないのです。

※このため、送信処理と受信処理は同時に実行できず、双方向通信は半二重通信となります。

　割り込みを禁止した状態だと、millis()関数やmicros()関数等の実時間計測関数の実行に制限が生じます。これらの関数がタイマ割り込みを使って時間を計測しているためです。つまり、ソフトウェアシリアルの送受信関数内では、これらの実時間計測関数を使うことができません。

　millis()関数が使うタイマは8ビットタイマ(TC0)なので、今回は、TC0のカウンタレジスタTCNT0を直接アクセスして、実時間を計測します。
　例えば、送信関数は以下の通りとなります。

　　// transmit frame data
　　sreg_bak=SREG;
　　noInterrupts ();
　　cnt_next=TCNT0;
　　for (idx=0; idx<n_frm; idx++)
　　{
　　　　cnt_next += tsws_cnt_1b;
　　　　digitalWrite (TINY_SWSERIAL_TXD, (frm & 0x01)? HIGH: LOW);
　　　　frm >>= 1;
　　　　// wait 1 bit period
　　　　while (TCNT0!=cnt_next)
　　　　　　;
　　}
　　SREG=sreg_bak;

　TC0は、millis()関数等の実装にも使われていますが、analogWrite()関数のPWM出力にも使用されています。このためコアライブラリでは、UNOのanalogWrite()関数と互換動作となる様、TC0のオーバフロウ周期は2,048μsに設定されています。
　カウンタTCNT0は、0 → 255までカウントして0に戻るので、1カウント当たりの時間は、2,048μs÷256カウント＝8μsだと計算できます。このカウンタTCNT0を使って実時間を計測しながら、設定された通信速度(9,600baud等)で送受信するプログラムを作成しました。

※その後、ATtiny85のクロックを「Clock："16 MHz (PLL)"」に設定すると、TC0の周期が半分の1,024μsになることが判りました。F_CPU＝16MHzの場合には、1カウント当たり4μsで実時間を計測する様に対応してありますので、16MHzでも正しい速度で通信できます。

　なお、カウンタTCNT0で最大計測可能な時間は最長2,048μsなので、通信速度の下限値は1÷2,048μs≒489baud辺り＋マージンです。UARTの通信速度を遅くして使いたいケースは、あんまり無いでしょうから問題無いと思われますが、頭の隅っこに入れておきましょう。
　通信速度の上限値はCPUの処理能力次第ですが、特に受信側が厳しいはずで、9,600baud(@F_CPU＝8MHz)辺りが上限だと思われます。

受信に使う割り込み要因

　受信データは、いつ届くか判らないため、ATtiny85の端子変化割り込み(PCINT0)を使って待ち受けます。

　　ISR (PCINT0_vect)
　　{
　　　　// PCINT0 interrupt service routine
　　　　：
　　　　：　(省略)
　　　　：
　　}

　従って、受信機能を使う場合、ユーザがPCINT0割り込みを使用できなくなるのは仕様制限です。

　なお、端子変化割り込みはATtiny85の全汎用I/Oポートに割り当たっていて、PCINT0端子〜PCINT5端子まで6本が使用可能です(ピン配置はこちら)。どのI/Oポートの端子変化を割り込み対象とするか、PCMSKレジスタの対応するビット0〜5に"1"を設定することで選択可能です。
　そして、全ての端子変化割り込みは、唯一PCINT0割り込みとして発生します。このため、複数端子の端子変化割り込みを有効化すると、割り込みサービスルーチン(ISR)では、どの端子で割り込みが発生したのかを知る術がないので注意してください。
　今回の受信端子(RXD)は、PCINT0〜PCINT5の何れか1本だけなので、問題ありません。

プログラム

　以上の通り設計して、作成したライブラリを使い、Arduino IDEのシリアルモニタと通信するアプリケーションとして、Lチカプログラムを作成してみました。以下にプログラムとライブラリをリンクしておきます。

　　プログラム：tiny_blink.ino
　　ヘッダライブラリ：tiny_swserial.h

　2ファイルをダウンロードしたら、同じディレクトリに配置して、ATtiny85へコンパイル＆書き込みを実行してください。

　ATtiny85へ書き込むと、シリアルモニタから以下のコマンドを受け付けています。

　　シリアルモニタコマンド仕様：

• who
• help

　あとは、ATtiny85のD1端子(LED_BUILTIN)に接続したLEDをチカチカさせる、ただのLチカプログラムです。


　今回作成した、肝心なヘッダライブラリは、tiny_swserial.hです。
　皆様のプログラムで使用する場合には、お手元のプログラム(*.ino)と同じディレクトリにコピーして、#includeすると使える様になります。

　　使用例）
　　　　#define　TINY_SWSERIAL_TXD　3
　　　　#define　TINY_SWSERIAL_RXD　4
　　　　#define　TINY_SWSERIAL_MAX　32
　　　　#include　"tiny_swserial.h"

　コンパイルオプションの指定が必要なので、#includeする前に、必要な#defineマクロを設定してください(上例の通り)。

小ぢんまりと実験

　それでは実験で動作を確認しておきましょう。以下表の通り、Arduino UNO、ATtiny85、USB⇔UART変換モジュール(FTDI等)、LEDを接続してください。

　UNOをISP(書き込み装置)として使い、ATtiny85へプログラムをコンパイル＆書き込みしてください。
　シリアルモニタまたは、Tera Term等を使って、USB⇔UART変換モジュール(5V定格であること。 FTDIを使う場合は電圧ジャンパを5V側に設定)から、ATtiny85のソフトウェアシリアルにアクセスします。

　以下、実験中の様子です。



　上写真の通り、UNOとATtiny85はプログラム書き込み(シリアルプログラミングモード)用のSPI接続を確立したままで実験しました。シリアルプログラミング(SPI通信)に必要なI/Oポートを除く、空き端子にUART端子(TXD，RXD)を割り当てているため、同時にシリアルモニタを接続できました。
　D1端子に接続したLEDが、約1秒周期でチカチカ光っているはずです。
　これで、全8ピンを使い切っています🈵（１＾＾；）。

　こちらに例示した使用方法次第で、どのI/Oポートが空いているか変化するので、任意の空きI/Oポートにソフトウェアシリアルライブラリの通信線(TXD，RXD)を割り当てられることは、特筆すべき特長なのです。


　実験を進めましょう。

　　実験サンプル：【 】内はATtiny85シリアルモニタからの送信データ
　　【who】
　　OK+ tiny_swserial.h library ver.1.00
　　OK+ F_CPU=8000000[Hz] 9600[baud]
　　OK: tiny_blink ver.1.00

　上に示した実験サンプルの通り、ソフトウェアシリアルを通してコマンドを実行し、その応答を確認しました。なお、ATtiny85はF_CPU＝8MHzで使用していて、通信速度9,600baudで問題なく送受信できました(Good)。

　書き込み(シリアルプログラミングモード)と、Lチカに使用する端子を避け、ソフトウェアシリアル端子を任意に設定でき、コードサイズも以下の通り、十分小さく仕上げることができました。

　作成したtinyソフトウェアシリアルライブラリの動作と効果が確認できたので、実験終了です。


　やはり、プログラムやシステムのデバッグにシリアルモニタくらい使えないと作業が捗らないので、いざと言う時、柔軟に使えて、メモリ容量も圧迫しない小さなソフトウェアシリアルがあると安心です。