組み込み入門

SUGAR SWEET ROBOTICS CO., LTD.
組み込みプログラミング入門
菅　佑樹
(株式会社SUGAR SWEET ROBOTICS代表取締役)
(早稲田大学ヒューマノイド研究所招聘研究員)
(芝浦工業大学SIT研究所客員研究員)
(東京大学情報理工学系研究科大学発新産業創出拠点
プロジェクト特任研究員)
1

目標
• 組み込み開発工程の流れを知る
• マイコンの選び方を知る
• 組み込み機器を併用した現在のロボットシ
ステムのトレンドを知る
• 組み込みにおける通信を知る
2

組み込みとは何か
3

組み込みシステム
• 特定の機能を実現するために製品に組み込
まれるコンピュータシステム
• 小型　ー　マイクロコントローラ
• 省資源
• 電力
• 処理速度
• 機能
4

マイコンとは何か
プログラムメモリ：CPUの命令
を格納するメモリ
5
CPU
I/O
コントローラ
プログラム
メモリ
ワーキング
メモリ
演算装置：プログラムメモリ
から命令を読み出して，I/Oコ
ントローラ等を制御する
入出力制御：ピンの状態や，
シリアル通信，PWMやタイ
マーなどを制御
作業メモリ：CPUの計算結果な
どを格納する作業メモリ

組み込みプログラミング
• 組み込みマイコンで実行できるソフトウエア
をプログラミングする
• C言語などのプログラミング言語で作成
したものをマイコン向けにコンパイル
して書き込む
• コンパイラ・・・C言語をマイコン用のマシ
ン語命令に変換
• ライター・・・マイコン用のマシン語命令を
マイコンのプログラムメモリに書き込む
• IDE・・・Integrated Development
Environment (統合開発環境) コンパイラやラ
イター，エディタなどがセットになっている
6
C言語のソースコード
コンパイル
コンパイラ
機械語ファイル
書き込み
ライター

組み込みデバッグ
• Debug (バグを取り除く)
• マイコンのプログラムの
悪い箇所を見つける作業
• C言語のプログラムを一
行ずつ実行しながら，変
数の値などを確認できる
• ICD (In circuit Debug) ・・・
回路にマイコンを搭載した
形でデバッグする方法
7

マイコンの選び方
8

マイコンの選択肢
• PICーMicrochip
• 国内でホビーユーザーが多い
• 種類が豊富で、DSPを積んだものなどもある
• AVRーAtmel
• 小型で使いやすい。Arduinoで採用されている
• PSoCーCypress
• デジタル、アナログ機能モジュールを柔軟に組み合わせて使える
• H8, SHなどールネサス
• カーエレではまだ根強いか
• ARMマイコンーTI, Motorola, STmicro, NXP, Atmelなど
• 世界で最も使われているマイコン9

マイコンの選び方
• 機能モジュールの種類と数
• 開発環境
• 価格
10

機能モジュール
• デジタルI/Oピン
• 数、電圧
• A/Dコンバータ
• 数、分解能、速度
• タイマー、カウンター
• 数、機能
• 通信モジュール
• UART, I2C, SSP, CAN, EtherNet
• その他
• D/Aコンバータ、アナログコンパレータ、DSP
11

なぜARMマイコンか
• ARMアーキテクチャは多数の会社にライセ
ンスされており、選択肢が豊富で、一社に
依存しない
• フリーのGCCコンパイラがメンテナンスさ
れており、安価なJTAGデバッガが使える
ので、安価に開発ができる
• 開発者が多く、情報が豊富
12

NXP LPCマイコンシリーズ
• NXP社のARMマイコン
• NXPの用意する統合開発環境が便利
• LPC Expresso
• mbedでも使われているマイコンで入手性
が高くラインナップも多い
• 安価なデバッガが付いている
13

入門者向け組み込み機器のトレンド
14

組み込みボードのトレンド
• ソフトウエア環境の充実化
• 開発者コミュニティのサポート
• 異なる業界のユーザを取り込む動き
• デザイナー
• 技術系学生
• 非組み込み技術者
15

小型組み込みボード
• Arduino
• マイコンはAVR
• Processingなどのデザイナ向けのシンプルなプログラミングが可能
• mbed
• マイコンはNXP製のARMマイコン
• ブラウザ上で動作する開発環境
• インストール不要
• netduino
• マイコンはARMマイコン
• Microsoft .NET Microframeworkで動作
• Visual Studioで開発・デバッグができる
16

Arduino
• Atmel社の8ビットAVRマイコンを使ったオープンソースハードウ
エアの小型基板
• オープンなので，標準コネクタ配置に対応する増設基板
（シールド）がサードパーティから多数販売されている
（モーター回転・mp3再生・LED点灯・リレースイッチ・
液晶・Ethernet・無線通信・ロボット）
• いろいろな形状がある
• 標準型
• I/Oやメモリが大きい (Mega)
• 小型組み込み用 (Pro mini)
• 導電糸を使った電子手芸工作用 (Lilypad)
• XBeeに対応した無線通信用 (FIO)
• シンプルなIDE
• Processingという入門者向けのプログラミング言語に対応
（簡易版C++）
• オープンソースなので，様々な工作例とプログラムのソー
スコードがネット上で見つかる
• オーソドックスなarduinoは2,835円，オープンソースなのでサー
ドパーティ製の互換ボードがより安く売っている17

mbed
• NXP社の32bit ARMマイコンであるLXPマイコンを
使った小型基板
• ブレッドボードに装着しやすいI/Oピン配置
• Ethernetコントローラを備えている
• ブラウザ上で動作する開発環境
• ブラウザの操作でコンパイルができる
• mbedはPCにつなぐとUSBメモリのように見え
るので，コンパイルしたバイトコードを保存す
ると書き込まれる
• インターネット上で自分の開発したコードを公
開し，他の開発者のコードを読み込む機能をサ
ポートしている
• Cortex-M3を積んだ通常のmbedが5,400円，Cortex-
M0版は4,200円
18

組み込みLinuxボード
• Raspberry-Pi
• 一枚5,000円の安価なLinuxボード
• Intel Edison
• 名刺サイズの超小型Linuxボード
• Android端末
• スマートフォンのプログラミングをフリーで
19

Raspberry-Pi
• 教育用小型Linuxボード
• USBコネクタにキーボード
とマウス，HDMIモニタを繋
げば，Linuxが入ったパソコ
ンとして動作
• Ethernet, USB, 汎用I/Oを備
えて，組み込み用途にも合う
• 安価．旧型タイプAは2800円．
最新のタイプB+は3940円！
20

Intel Edison
• SDカードと同じサイ
ズながらLinux搭載
• 裏面にフィルムケーブ
ルを挿すコネクタ
• 無線LAN搭載
• 6,800円
21

Android端末
• オープンソースのOS「Android」を搭載し
た携帯端末
• 多くの端末が，カメラ，加速度センサ，ジャ
イロ，地磁気センサ，GPSなどを搭載
• 上述のArduinoと接続してデジタルI/Oを使
う事も出来る
• 開発環境を無料で揃えることができる
22

組み込みとロボットシステム
23

組み込みで作るロボットシステム
• 組み込み機器のみでロボットシステムを作るのは，も
はやあり得ない
• OSが無いと開発しにくい
• アップデートしにくい
• リソースが限られる
• 用途が固定される部分や，リアルタイム性が問われる部
分を組み込み
• ユーザインターフェースやインターネット通信などを上
位のコンピュータで構成
24

ロボット機器
25
頭部
RS485等サーバPC
コントローラ
（マイコン）
センサ等モータ
クライアント
• Aldebaran Robotics NAO
• 頭部でLinuxサーバープログラムが自動実行される
ウェブサーバ
IE等ブラウザ

ロボット機器
頭部
(Linux)
26
モータ
コントローラ
（マイコン）
• PID制御など，リアルタイムでの処
理が必要な部分をマイコンに任せる
• 上位のアプリケーションから目標位
置のみ送る制御
センサ等
RS485等
サーバ
コントローラ
（マイコン）
コントローラ
（マイコン）
歩行制御や画像処理，
音声合成など
モモーータタ
モモーータタ
モモーータタ
センサ等
セセンンササ等等
コントローラ
（マイコン）
コントローラ
（マイコン）
モモーータタ
電源管理やセンサなど
の情報収集
モータの位置速度制御
やLEDの点灯制御など

組み込みとロボットシステム
• 組み込みに於いても通信が鍵
• RS232C, RS485, SSP, I2C, CAN, USB,
ZigBee
• 近年ではEtherNet や無線LANに直接接続し
て、TCP/IPソケット通信が可能なマイコン
も多い
• 小型なマイコンにフルセットのLinuxも乗
るようになってきた27

実習
28

開発環境の整備
29

LPCXpressoのダウンロード
• 公式ウェブ
• http://www.lpcware.com/lpcxpresso
30

31
2. toolを選ぶ
1. LPCXpressoを選ぶ
3. Filterボタンを押す
4. Toolsをクリック
5. LPCXpresso Windows
Installerを選択

32
LPCXpresso v7.4.0を選択

LPCXpresso_*.exeを実行
• インストールする
• すべてのドライバをイ
ンストールすること
33

Activate
• 起動するとworkspaceの
場所を問われるが，デフォ
ルトのままで良い
• メニューから，Help >
Activate > Create serial
number and register
(Free Edition)…を選択
• シリアル番号が表示され
るのでOKを押す
34

ユーザ登録
• LPC Xpressoがウェ
ブブラウザを開く
• 画面右側からログ
インする
• （未登録の場合は
Create new accout
を選択）
35

ユーザ登録
• Create New Accoutを選択したのち・・・
• 赤い＊印がついた項目を選択して登録
• Username
• E-mail address
• Fullname
• CAPTCHA (画像認証)
• Create New Accoutボタンを押す
• NXPからメールが届く
36

ユーザ登録
• NXPから届いたメールのリンクを開
• http://www.lpcware.com/user/reset/＊＊
• Log inボタンを押す
• 次の画面でpasswordを設定してsaveを押す
• 再度，LPC Xpressoからシリアル番号登録
を行う
37

Activation
• Register LPC Xpressoを押す
• 続く画面にActivation Keyが表じ
されるのでコピーする
• メニューからHelp > Activate
>Activate (Free Edition) を選択
• キーを入力して終了
• LPC XpressoをRestartする
38

サンプルを動作させる
39

Import Project(s)
• 左下のQuick Start
Panelからimport
project(s)を選択する
• Archiveの「Browse」
ボタンをクリックする
40

Import Project(s)
• LPCOpenフォルダを選
択し，
「lpcopen_**_1347.zip」
を選択する
• Nextボタンを選択
41

• インポートするプロジェ
クトをzipファイルの中
から選択できる．今回
はすべて選択してFinish
する
• 画面左上のProject panel
にたくさんのプロジェ
クトが追加されている
42
Import Project(s)

LEDチカチカ
• periph_systickプロジェ
クトを使う
• periph_systickプロジェ
クトを右クリックする
• 「Build Project」を選
択する
43

実行
• マイコンをつなぐ
• NXPの文字が左下になるよ
うにして左側がデバッガ
• デバッガをPCにつなぐ（デ
バッガがライターになる）
• デバッガをUSBでPC等につ
なぐと，バスパワーからマ
イコンに必要な電源を作成
してマイコンに供給できる
• USBケーブル一本で開発で
きる44

デバッグを開始
• periph_systickプロジェクト
を右クリックする
• Debug As > C/C++ (NXP
Semiconductors) MCU
Applicationを選択
• リストにLPC-Linkが選択され
ているをの確認してOK
• デバッグが開始され，プログ
ラムがメモリに書き込まれる
45

デバッグが開始されると
• main関数の１行目に右向き矢印が
表示される
• マイコンのプログラムがこの行
で止まっている印
• 開始ボタンを押してプログラムを
開始する
• LEDが点滅しますよね？
• すでにプログラムメモリに命令が
書き込まれているので，次からは
電源を入れればマイコンは普通に
命令を実行できます．
46

systick.c
• periph_systickサンプルのmain関
数はsystick.cにある
• 非常にシンプル
• TICKRATE_HZ1で定義される周
期でSysTick_Handler関数が呼ば
れる
• 10HzでToggleが呼ばれるの
で，5Hzで点滅する
• TICKRATE_HZ1の値を変更して
実行してみましょう
47

デバッグする
48

In circuit デバッグ
• 開発ボードを使うと，C言語のソースコード
を一行ずつ実行させることができる
• 実行中の状態を監視しながら開発できる
• マイコンを回路につないだままで，振る舞
いを確認しながら実行できる
• 通常は高価なツールが必要だが，LPC-Link
があれば安価にIn circuitデバッグができる
49

Break Pointの設定
• SysTick_Handler関数の
Board_LED_Toggle(0)の行
の行番号の左横をダブルク
リックする
• 青いまるい印がつく
• これをBreak Pointという
• プログラムがBreak Point
がある行に達すると止まる
50

プログラムが止まったらどうするか
• 全Break Pointを停止
• プログラムをスタート (次のBreak Pointまで)
• 一時停止
• 停止
• デバッガと切断
• ステップイン（今の行の関数の中に入る)
• ステップオーバー (今の行の関数を実行して次の行へ)
• ステップアウト (今実行中の関数を最後まで実行して
呼び出し元の関数に戻る)
51

ではデバッグを始めましょう
• 最初にmain関数の1行目で止まります
• 次のブレークポイントまで実行します
• Board_LED_Toggle(0)の行で止まります
• ステップオーバーするとLEDの状態が変化して
止まります
• また実行します
52

USBで通信する
53

USB通信について
• USBは本来はかなり複雑なプロトコル
• ベンダIDとプロダクトID
• インターフェース・デスクリプタ
• バルク通信，コントロール通信…
• ドライバ開発・メンテナンスが非常に面倒
• CDCドライバを使いましょう
• オープンな規格
• ドライバは第３者がメンテナンスしている
• Virtual COM port driver (擬似COMポート)が使える
54

usbd_rom_cdc
• usbd_rom_cdcをビル
ドして実行
• 反対側のUSBコネク
タをPCに接続する
と，VCOMと認識さ
れる
55

VCOMドライバのインストール
• ドライバは
C:NXPLPCXpresso_***Driversの
中にあるので，デバイスマネージャ
からインストールする
• デバイスマネージャーからほか
のデバイス>VCOMを右クリック
• コンピュータを参照して・・・
を選択
• C:nxpLPCXpresso_7.4.0_229
Driversを選択してOK
• COM番号を覚えておく
56

Tera Termで確認
• Tera Termを起動する
• シリアルを選択
• COM** (LPC USB Vcom)を
選択
• Enterを押す
• Hello Worldと表示される
57

独自の命令を実装する
58

マイコンに命令を送る
• VCOMはCOMポートとして認識されるので，Tera
Termから文字列を送ることができる
• キャラクタベースプロトコル
• バイナリベースプロトコル
• マイコンはバイナリベース向き
• リアルタイム処理を行うマイコンにとって文字列か
らの数値読み取りの負荷が無駄
• 今回は簡単にキャラクタベースで通信しましょう
59

キャラクタプロトコル
• x*z
• *に入るのは数値
• 「１」ならばLED点灯して「OK」と返す
• 「０」ならばLED消灯して「OK」と返す
• それ以外ならば「FAIL」を返す
• ３文字目がzでない場合は「ERR」と返す
60

処理の流れ
• １文字読み込みxだったら処理開始
• ２文字読み込み，最後がzでないなら「ERR」と返
して最初に戻る
• ２文字目の文字が「１」ならLED点灯して「OK」し
て最初に戻る
• ２文字目の文字が「２」ならLED消灯して「OK」し
て最初に戻る
• 「FAIL」を返して最初に戻る
61

62
if(接続中)
{
char
c
=
1文字読む;
if
(c
!=
‘x’)
{
continue;
}
char
d
=
1文字読む;
char
e
=
1文字読む;
if
(e
!=
‘z’)
{
送信
(“ERR”);
continue;
}
switch(d)
{
case
‘1’:
LED点灯;
文字列送信
(“OK”);
break;
case
‘2’:
LED消灯;
文字列送信(“OK”);
break;
default:
文字列送信(“FAIL”);
break;
}
}

実際に実装
• usbd_cdcプロジェクトを選択
• Ctrl+Cでコピーして，Ctrl+Pを押す
• プロジェクト名入力ダイアログが開くので，
「my_usb01」とする
• my_usb01 > example > src > cdc_main.c
を選択して編集
63

編集
• 下の部分を編集する (178行目付近)
64
while
(1)
{
/*
Check
if
host
has
connected
and
opened
the
VCOM
port
*/
if
((vcom_connected()
!=
0)
&&
(prompt
==
0))
{
vcom_write("Hello
World!!rn",
15);
prompt
=
1;
}
/*
If
VCOM
port
is
opened
echo
whatever
we
receive
back
to
host.
*/
if
(prompt)
{
rdCnt
=
vcom_bread(&g_rxBuff[0],
256);
if
(rdCnt)
{
vcom_write(&g_rxBuff[0],
rdCnt);
}
}
/*
Sleep
until
next
IRQ
happens
*/
__WFI();
}
この部分は，接続が確認
された場合にHello
World
と送信する命令

使う関数
• 接続中・・・ prompt == 1
• uint32_t vcom_bread (uint8_t *pBuf, uint32_t buf_len);
• pBufにbuf_lenの長さのデータを受信
• 返り値の数だけ受信成功
• uint32_t vcom_write (uint8_t *pBuf, uint32_t buf_len);
• pBufにあるデータをbuf_lenだけ送信
• 返り値の数だけ送信成功
• void Board_LED_Set(uint8_t LEDNumber, bool On)
• LEDNumberは0を指定
• Onがtrueならば点灯．falseならば消灯
65

機能モジュールの使いこなし
66

ARMアーキテクチャの機能モジュール
67

機能モジュールを使う手順
• 通常は，機能モジュールは
オフ
• 機能モジュールにクロッ
クを加える
• 機能モジュールの初期設
定を行う
• モジュールと外部とを接
続するピンを選択する
68
モジュールA
モジュール
B
モジュールC

lpc_chip_13xxプロジェクト
• LPC13xxの基本的な機能モジュールを利用
するためのライブラリが収められている
• 各機能モジュールの使い方はincフォルダ内
のヘッダファイルを見ればわかる
• **_Init関数が用意されているので初期化処
理が簡単
69

デジタル入出力
70

GPIO
• General Purpose Input / Output (汎用入出
力）
• ほとんどのピンが使用可能
• HIGH (3.3V) / LOW (0V) 入出力
• gpio_13xx_1.h, gpio_13xx_2.hを参照
71

A/D変換
72

A/D変換
• アナログ信号をデジタルデータに変換
• LPC1347には分解能12bitが搭載
• [0, 3.3V] を [0, 4095]のデータに
• 変換には数マイクロ秒かかる
• 変換終了までCPUが待たないといけない
• 変換終了時に割り込みをかけることもできる
• periph_adcプロジェクトを参照
73

タイマと割り込み
74

タイマ・割り込み
• タイマで一定周期を作る
• 割り込みによって，現在実行中の処理を
中断して，別の処理を実行できる
• タイマ割り込みで周期的処理を行う
• periph_timerプロジェクト
75

EEPROM
76

EEPROM
• マイコンに内蔵された記憶領域にデータを
保存する
• 電源が落ちてもデータは保存される
• 設定値などで使用
• periph_eepromプロジェクト
77

作成例
78

DCモータのPID制御
• DCモータの角度制御
• 角度をポテンショメータで取得
• USB経由で目標値（司令）を受ける
• USB経由で現在角度を出力
79

モータを回す
• マイコンには数[A]という大きな電流を流す機能は
ない
• トランジスタを使う
• 正逆回転させるためには複数のトランジスタが必要
• モータ駆動用のICがある
• 今回はDCモータの正逆回転が可能なTA8428を使う
• マイコンからは２つのデジタル出力で制御
• [1,0]で正回転，[0, 1]で逆回転
• 回転数の調節にはPWMを使う
• パルス幅を指定すると自動的に出力
• パルス幅が広ければ回転数が高くなる

PWM
• Pulse Width Modulation
• 右図のように規定周期内のHIGH時間を制
御 (Duty比)
• CPUでHIGHとLOWのタイミングを制
御・・・無駄
• PWM専用の機能モジュールがあり，Duty
比を設定するだけで自動的にPWM信号を
出し続けてくれる
• LPC OpenライブラリはPWM非対応
• 下記URLでPWMサポートを追加したバージョ
ンを配布中
• http://sugarsweetrobotics.com/組み込み
プログラミング入門/
81
81
3.3V
0V
3.3V
0V
3.3V
0V
duty
=
75
%
duty
=
50
%
duty
=
25
%

角度取得
• ポテンショメータは可変抵抗
• 0-3.3Vの電圧信号になる
• 角度と比例した電圧が得られる
• A/D変換
• マイコンはA/D変換で使えるピンは
決まっている
3.3V
82
1.65V
82

ソフトウエア
• USBのメッセージをmain関数内で処理
• PCから目標値，制御ゲインを受け取る
• PCから要求があれば，現在のA/D値を送信
• A/D変換は割り込みで使う
• 割り込みハンドラ内ではA/D変換の値を保存するだけ
• タイマで割り込みして，目標値とA/Dの値を比較しながら制御
• PID制御
• 下記URLで配布中
• http://sugarsweetrobotics.com/組み込みプログラミング入門/
83

まとめ
• 下記のウェブサイトでサポート
• http://sugarsweetrobotics.com/組み込み
プログラミング入門/
• Facebook (本講義の受講者とおっしゃって
いただければ・・・）
• Twitter — @ysuga
84

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