ARM LPC810 と、MLPS331 で高度計を作成( トランジスタ技術２０１４年２月号付録 )

トランジスタ技術２０１４年２月号付録基板と、８ピンのＤＩＰパッケージのＡＲＭに、気圧センサーとＬＣＤなどの部品を追加して高度計を作成するページです。


この写真はトランジスタ技術２０１４年２月号付録のデモプログラム、LPC810_DEMO.hex を動作させたもの。後で使うため、押しボタンを追加しています。写真の場所は、標高約８０ｍで、撮ったときの付近の気圧は、気象庁のデータから、１０２１ｈＰａだったので、約１０ｈＰａ低く、標高８０ｍとすると、かなり正確に測定されているのがわかります。
  1. まず、デモソフトのソースを再コンパイルして、同じものができるか、開発環境のテストを行います。
  2. 気温の表示のところに、高度を表示するテスト。高度への換算は、近似計算とします。
  3. 現在の場所を、押しボタンを押すと、０メートルとする改造。
  4. ＥＥＰＲＯＭに、現在の場所の高度を記憶させ、電源を切ってもその補正値で０メートルとする改造
  5. 押しボタンを２個にして、現在の場所の高度を＋と−操作で設定でき、且つ記憶する
  6. たったこれだけの処理に、４ｋバイト必要なのか！！
  7. ＬＰＣ８１０にモニタを移植してみる
  8. ソフトウエアでポートをＨｉｇｈ、Ｌｏｗ出力してＩ２Ｃを動かす
追加部品は、マルツパーツからセットを購入しています。
mbed LPC1768 など、他のＡＲＭ基板の使用例ＰＩＣ３２ＭＸと速度比較（１ＭＨｚ換算）


同じものができるか、開発環境のテスト

付属ＣＤには onodera フォルダに、onodera.zip という名の、温度と気圧を液晶に表示するプロジェクトファイル（ zip Archive ）があります。この中にコンパイル済みの実行ファイル、LPC810_DEMO.hex があるので、これを、FlashMagic で　LPC810 に書くと、温度と気圧を表示してくれますが、高度計に改造するには、ソースを変更して再コンパイルする必要があるので、まず、LPCXpresso の使い方を習得するため、ソースをそのまま再コンパイルしてみます。
付属ＣＤに収納されている温度と気圧を液晶に表示するデモソフトのソースを再コンパイルするため、LPCXpresso　で、新しいプロジェクトフォルダを指定します。ここでは、E:\nxp\kiatsu


ＯＫを押すと、ブランクプロジェクトのウインドウになります。


プロジェクトフォルダ、E:\nxp\kiatsu に、付属ＣＤに収納されている、onodera.zip をコピーしておき、 左下の、Start here にある、Inport project(s) を左クリックすると、以下のようなダイアログが開くので、Archive 欄に、onodera.zip　を指定して、Next を押すと、


以下のように、LPC810_DEMO にチェックが入ったプロジェクトの選択がでるので、そのまま、Finish を押します。


以下のような、LPC810_DEMO のプロジェクト画面になります。


ここで、以下の図のように、LPC810_DEMO　を選択しておいて、メインメニューの、project のプルダウンメニューの、Build All を選択すると、プロジェクトに設定されているソース群のコンパイル、リンクを行いますが、


以下のように、エラーになってしまいます。

ＩＤＥの右下の、Build Console [LPC810_DEMO]には、以下のようなエラーメッセージが出て、どうやら、ヘッダーファイルの、lpc8xx_i2c.h が見つからなくて、コンパイルすらできないということみたいです。

LPCXpresso の使い方をよく理解していないので、おそらくインクルードファイルに、lpc8xx_i2c.h　が無いか、パスをしていしていないと推定し、とりあえず lpc8xx_i2c.h がどこにあるか検索すると、onodera.zip には無く、LPCXpresso 開発環境をインストールした、C:\nxp\LPCXpresso_6.1.0_164\lpcxpresso\Examples\NXP\LPC800\ フォルダに、LPC8xx_Libraries.zip があって、圧縮されたファイルの中に見つかりました。検索結果からでは場所がわからないので、


lpc800_driver_lib を検索すると、以下のように所在がわかりました。


つまり、必要なヘッダーファイルは、圧縮されたままなので、LPCXpresso でインクルードパスを追加しても読めないということみたいです。

では　LPC8xx_Libraries.zip を解凍して LPC810_DEMO プロジェクトに追加すればいいのではないか、と思って解凍すると、たくさんのファイルがあって、どれも必要なように見え、なにをどこにコピーするのかさえ判りません。解凍したファイルを、適当に　LPC810_DEMO プロジェクトに追加して何度か Build All を試しましたが、「何々が無い」ばかり出てきて、先に進めません。

２時間ほど試しても、らちが明かないので、LPC8xx_Libraries.zip　を解凍したフォルダを調べていると、３個のフォルダがあって、各フォルダには、.poject なるものがあって、どうやら、プロジェクトファイル一式だと判るようになりました。　.project ファイルは、onodera.zip にもあったので、zip ファイルがそもそも、プロジェクトの設定のすべてを含んでいるらしく、適当にファイルを追加しただけではだめだということが判りました。手順にのっとって　LPCXpresso で、Build しないとだめだということみたいです。
そこで、LPCXpresso_6.1.0_164\lpcxpresso\Examples\NXP\LPC800\LPC8xx_Libraries.zip　を、onodera.zip を置いたフォルダ、E:\nxp\kiatsu にコピーして、Import project(s) で追加してみると、

LPC8xx_Libraries.zip　を、onodera.zip　を置いた同じフォルダにコピーして、LPCXpresso　で開くと、


以下のようになるので、チェックが入った状態で、Finish を押します。

以下のように、４個のプロジェクトが対象となっているＩＤＥ画面になります。

これで、Build All すると、４個のプロジェクトに対してコンパイルが進み、最後に　CMSIS_CORE_LPC8xx　のコンパイルで終わるみたいですが、ＩＤＥ画面を見ると、以下のように、LPC810_DEMO の部分には、赤色のＸ印が付いたままです。


LPC810_DEMO\Release フォルダを見ると、LPC810_DEMO.hex　の日付が、付録のＣＤに収納されている元のままで、今回のコンパイル操作で作成されていないのが判ります。


LPC810_DEMO.map　ファイルは更新されていましたが、中身が途中で切れていて、なんらかの理由で中断したみたいです。Console にはその結果は残っていなかったので、（　どうも、４個のプロジェクト単位に、Console のアウトプットはリセットされて、先にコンパイルされたものは残らないようです　） 今度は、個別に Build してみると、



CMSIS_DSPLIB_CM0 は、build できないようなので、次のlpc800_driver_lib に移ります






どうやらコンパイルできたようで、LPC810_DEMO.hex　の日付が更新されています。中身も、付属ＣＤの　onodera.zip　にあるものとまったく同じになっていました。


これで、やっと、ＬＰＣ８１０のソフトの変更ができる環境が整いました。
後で、トランジスタ技術の記事を詳しく読んで見ると、LPC8xx_Libraries.zip　をコンパイルし、後で、onodera.zip をコンパイルすると書いてあった。（ P.97 -- P.98 ）＿|￣|○


気温の表示のところに、高度を表示するテスト。


温度センサと、ＥＥＰＲＯＭを外し、簡易に高度を表示したもの。単位メートルが２個出てますが、これはｍｍではなく、バグ。気圧センサは光が当たると、数値が増加し、直射日光では、１０％ほど増加して、１１００ｈＰａにもなるので、黒く塗った厚紙で覆っています。１０１３．２ｈＰａを０メートルとし、−８．８ｈＰａで１０ｍ高くなるような計算をしています。この例では、１０１７．７ｈＰａなので、４．５＊（−８．８）＝＝＞　−３９．６ｍで、計算は合ってます。

以下は、デモソフトに簡易高度表示を入れたもの。


現在の場所を、押しボタンを押すと、高度０メートルとする改造。

高度の計算ができたところで、標準気圧１０１３．２ｈＰａ（高度０メートル、１５℃）のみを基準とすると、気圧は刻々変化するので、今いる場所以外の高度を知るには、表示された高度の差を計算しないと実際の高度が出ません。また、高度の判っている場所での表示を覚えていないと計算すらできません。
そこで、LPC810 の余っているピンに、タクトスイッチを付けて、ＧＮＤ側に落とすように配線し、このスイッチを押すと、現在表示されている高度をレジスタに記憶しておき、次に高度を表示するときは、測定した高度から、レジスタの値を引いて表示するようにします。こうすると、現在の場所が０メートルとなり、以降の別の場所の計測では、ボタンを押した場所からの、相対高度を表示できるようになります。
なお、タクトスイッチはもう一個つけて、機能アップできるようにしておきます。（付録基板のＬＰＣ８１０では、スタンドアローン動作する場合では、２本余る。）以下が付録基板のＬＰＣ８１０付近にタクトスイッチ、ＳＷ２，ＳＷ３を追加した回路図


押しボタンスイッチを押したとき、現在の場所を０メートルとするには、補正値を記憶するレジスタに、読み取った高度を書き、次に新しく読んだ高度を計算した後、その補正値を引いてから表示すればよいのですが、押しボタンの読み取りとその後の判定をやりやすくするため、内部にカウンタをいくつか設けます。
  1. 気圧の読み取りは、１秒間隔で行っていますが、そのための時間待ち、WaitN(1000);　をもっと短くして、ループ回数が２０になったら気圧を読んで表示するという時間制御にします。このため、loopc というカウンタを設けます。カウンタが２０になったら気圧を読んで計算して表示します。
  2. WaitN(1000); を、WaitN(50); として、５０ｍｓに一回、押しボタンの状態を読んで、Ｌｏｗならカウンタを＋１し、２になったら、補正値を変更するようにします。このために、押しボタンがＬｏｗの状態が続くとカウントする、setcount と、２回以上になったら１にするフラグ、writef を設けます。
押しボタンの状態を、５０ｍｓの時間間隔で読んで、（　約５０ｍｓ〜１００ｍｓで　writef フラグがセットされる）フラグが１なら、気圧を読んで表示する前に補正値を書き換え、直ちに高度計算に反映させます。これらの処理のソースが以下です。main.c



ＥＥＰＲＯＭに、現在の場所の補正値を記憶させる。

この機能を入れると、高度が判っている場所を０メートとして記憶しておくと、電源を切っても再現できるので、測りたい場所まで電源を切っておくことができます。幸い、トランジスタ技術のデモソフトには、基板につけるＥＥＰＲＯＭのリード、ライトのルーチンがコメントアウトされて残っているので、このＥＥＰＲＯＭ制御ソフトを復活させて、上記の機能を入れます。電源を入れたとき、補正値をレジスタに読みますが、特定のアドレスに補正値が書かれているとして、まずそれを読み出します。番地は、０ｘ１Ｆ００としています。ここにデータが有効である意味のフラグ、１が書いてあると、続く２バイトが補正値として、変数、bias に設定します。

これで、電源を切る前に設定した、bias 値が復旧するので、基準となる場所を０として、気圧から、高度を計算できます。無論、この基準値は、時間経過で付近の気圧が変化しないという条件の高度になります。

次に、押しボタンをおしたとき、現在の補正値を、ＥＥＰＲＯＭに書く処理を追加します。ここで、long 変数、l が追加されてますが、これは後で機能追加する準備です。

これらを追加した、main.c はこちら → main.txt テキストファイルですが、main.c に変換して使ってください。

現在の場所の高度を＋と−操作で設定できるようにし、記憶する

少ない押しボタンで、いろいろな設定をできるようにするには、押し方（押す順番、押してる時間、放す順番、押していた時間）を区別して行いますが、２個のボタンでは、それほどバリエーションを持たすことはできません。そこで、以下のような機能を追加する方法を考えます。
  1. 現在の高度を０ｍとし、それをＳＲＯＭに記憶する。電源ＯＮで、高度が、０ｍになる。
  2. 現在の高度を設定できるようにする。＋１ｍ、−１ｍ単位。
  3. 現在の高度になるような、補正値をＳＲＯＭに書いて、電源ＯＮで、現在の高度が出るようにする。
ここで、２番は、２個の押しボタンに対応すればすぐにでも実現しますが、１番と３番は、２個のボタンの押し方で区別するしかありません。そこで以下のような押し方の区別で判定します。２個のボタンを、それぞれ、ＳＷ２，ＳＷ３とします。
  1. ＳＷ２が短い時間押され、放された。放されたとき、ＳＷ３は押されていない。高度−１ｍ　−−＞高度
  2. ＳＷ３が短い時間押され、放された。放されたとき、ＳＷ２は押されていない。高度＋１ｍ　−−＞高度
  3. ＳＷ２を、２秒以上押してる状態から、ＳＷ３を押す。ＳＷ３は１００ｍｓ押されているとする。この場合、ＳＷ３が押されなければ、この機能は無効にする。−−＞　現在の高度を０ｍとして、ＳＲＯＭに書く。
  4. ＳＷ３を、２秒以上押してる状態から、ＳＷ２を押す。ＳＷ２は１００ｍｓ押されているとする。この場合、ＳＷ３が押されなければ、この機能は無効にする。−−＞　現在表示されている高度を記憶してＳＲＯＭに書く。
上記の改造をした　 main.c です。テキストファイルなので、main.c と名前を変更して、プロジェクトのソースに上書きして、再コンパイルすると、 LPC810_DEMO.hex になります。

たったこれだけの処理に、４ｋバイト必要なのか！！

さて、できあがった実行ファイルのサイズは、ほとんど４ｋバイトになっています。
たったこれだけの処理に、４ｋバイト必要なのか！！と驚いてしまいます。
４ｋバイトあれば、もっといろいろなことができるはずなのでは？・・・・・と言うのが率直な感想です。
そこで、ソースを追跡すると、気圧を表示するだけなのに、標準的な３２ビットのＡＲＭチップを動作させるＢＩＯＳ処理などが、そのままになっており、不必要なベクタテーブルや、使わない割り込み処理関数もそのままなので、これらを削っていこうと思います。

とはいうものの、汎用ＡＲＭ向けのソース構成で作成されているので、LPCXpresso の開発環境を崩さないと小さくできそうもありません。コンパイラはＧＣＣなので、ＧＣＣを使って必要な部分のみを使うようにすれば、もっと小さくなるはず・・・・・・。これだけの簡単な処理しかできないのであれば、わざわざ８ピンのＡＲＭを使う意味がありません。ＰＩＣや、ＡＶＲのほうがずっと存在価値があります。

そこで、ＧＣＣでＬＰＣ８１０を使う例を検索してみると、 ELM ChaN のNXPの小ピンARMの試食に、トランジスタ技術のサンプルソースを使わない、Ｌチカと、ＵＡＲＴサンプルが見つかりました。
特に、Ｌチカは、非常に短く、公開されているソースをコンパイルしてみると、３７３バイト（　０ｘ１７５　）しかありません。 無論、ＰＩＣならもっと短くなりますが。

以降は、 ELM ChaN 氏 の、NXPの小ピンARMの試食で公開されているソースを参考に、サイズの短いコードで、気圧計として機能するものを作成していこうと思います。とは言うものの、多機能なＬＰＣ８１０の初期設定やＢＩＯＳ設定は、ＬＰＣ８１０の膨大なマニュアルを確認しながらなので、紆余曲折があったとしても、そのまま記録したいと思います。

ＬＰＣ８１０にモニタを移植してみる

上記のELM ChaN 氏 の、NXPの小ピンARMの試食で公開されているソースを見ると、簡単なモニタが走り、任意番地からのメモリの、ダンプや、変更などができるようになっていますが、当サイトの他のＣＰＵで使ってきたモニタを移植します。ELM ChaN 氏 のソースを見ると、ＵＡＲＴの受信が割り込み処理になっているので、これをポーリング受信に変えます。当サイトでしばしば使っているモニタは、受信をポーリングで行うというのを一貫してきているので、ＬＰＣ８１０でもそうします。ＵＡＲＴの受信は、割り込み処理にすると、いつシリアルで送られてきても、受信を取りこぼすことがないというメリットがある反面、モニタの移植段階で、割り込み関連も移植する必要があり、手間がかかるからです。またＲＡＭも使ってしまいます。

「組み込みＣＰＵの道具箱」の主旨としては、ＵＡＲＴの送信、受信が出来た段階でモニタを移植し、ＣＰＵ内臓周辺デバイスのレジスタを直接設定して、「プログラムのソースの変更、コンパイル、実行で結果を見る」という手順を省きます。幸い、ＡＲＭ ( Cortex ) の周辺回路のレジスタ群は、比較的よく整理されており、マニュアルの説明も判りやすいので、ＵＡＲＴが動作した段階で、Ｉ２Ｃとかの設定レジスタをモニタで操作して、動作を確認していきます。ある程度動作の確認ができると、モニタのソースに追加し、自動設定して、モニタを起動し、次のＩ／Ｏの動作チェックに移ります。

さて、モニタを移植すると言っても、機能を欲張るとどんどん膨れ上がってしまうので、最低限の機能にしぼり、メモリ（周辺回路設定レジスタ）の表示と変更（コピーを含む）が出来れはよしとします。
メモリの表示、変更、コピーができる、ＬＰＣ８１０用モニタ。 解凍して、uart2t フォルダに移動し、path1.bat を実行すると、LPCExpresso をインストールしている、ツールチェーンにパスを通します。（　LPCExpresso のバージョンによって、名称が異なることがあり、その場合は、path1.bat を編集してください）makefile は、ELM ChaN 氏 のオリジナルのものと、ほとんど同じです。

モニタを移植して動作テストするため、小さなユニバーサル基板を作成しました。写真の左の基板。基板の左は、ＵＳＢ−ＵＡＲＴ変換ケーブルで、３．３ＶのＵＡＲＴのＴＸ，ＲＸ、そして電源５Ｖを接続しています。３．３ＶはＬＤＯで作っています。右は、気圧表示に使ったトラ技の付属基板で LPC810 を外してあります。I2C 信号、３．３Ｖをユニバーサル基板と接続して、ユニバーサル基板から、圧力センサのデータを読めるようにしています。トラ技の付属基板には、外部から３．５Ｖ〜５Ｖを供給すると、ＬＤＯで３．３Ｖを作って、３．７ＶのＬｉｐｏ電池などで動作させることができるコネクタを、引き出しています。


ユニバーサル基板の回路です。右下のジャンパーピンは、左に入れて、リセットボタンを押すと、Flash Magic でプログラムを書き変えることができます。


簡単なモニタが動作する上記のソースを元に、ＡＲＭ　LPC810 が、リセット解除後、どのような処理をして、モニタが動作するようになるのか、順を追って見てみます。
  1. リセット解除後はどこから実行するのか？　→　内部のブートローダーが、０番地から始まる８個のベクター（３２ビット値を８個）を加算して結果の３２ビット（桁上がりは無視）が０ｘ００００００００になると、内臓フラッシュメモリの命令コードは正しいとして、０ｘ００００００００番地の３２ビット値をスタックポインタ、０ｘ０００００００４番地の３２ビット値をプログラムカウンタとして、フラッシュメモリの命令を実行します。
  2. もし、加算値が正しくなければ、ＵＳＡＲＴ０に、ホストＰＣから送られるプログラムを、フラッシュメモリに書くローダーが走ります。ここでは、１番の正しかったとして、３に移ります
  3. startup81x.c が、Ｃで書いた、ベクターテーブルですが、１３４行の、Reset_Handler　が最初に走るプログラムです。
  4. BODCTRL　というレジスタに０ｘ１５を設定していますが、これはブラウンアウトの設定です。
  5. 次に、クロックは何かを設定しますが、外部に何も付けていないので、内部のオシレータを使う設定となっています。約１２ＭＨｚのオシレータとなっています。#define 文で、CLK_SEL は、３としています。
  6. １４５行から、１６５行で、ＣＰＵのクロックを設定が終わります。
  7. １６９行から、１７０行で、初期化付きの変数を、フラッシュメモリからコピーしています。Ｃで書いたプログラムを、ＲＯＭ化するときの、常套手段です。
  8. これで、基本的な設定が終わったので、ユーザープログラム、main() に実行を移します。プログラムカウンタとスタックポインタ、ブラウンアウトと、クロック、そして初期化付き変数領域の設定以外の、マイコンの周辺モジュールの設定は、main() の先頭などで行います。
  9. main.c の、５２行、__disable_pin_function(SWCLK_EN | SWDIO_EN);　は、LPC81x.h　で宣言されたレジスタ設定で、関数みたいな記述ですが、レジスタに値を書いているだけです。（　ここで余談ですが、関数でもないのに、関数みたいな記述はあまり好きではありません。素直に、PINENABLE0 |= (SWCLK_EN | SWDIO_EN); と書けばいいのではないでしょうか？ 　）
  10. 同じく、５６行の、__enable_ahbclk(PCGPIO | PCIOCON);　は、SYSAHBCLKCTRL |= (PCGPIO | PCIOCON); です。
  11. 次に、uartclk_init();　は名前のごとく、ＵＡＲＴのボーレートの設定で、uart81x.c　の、１７行の関数を呼び出して行っています。
  12. 次に、ＵＡＲＴ０を、どのピンに割り振るかの設定ですが、__attach_function(U0_TXD_O, 4);　は、PINASSIGN[U0_TXD_O/4] = (PINASSIGN[U0_TXD_O/4] & ~(0xFF<<((U0_TXD_O%4)*8))) | (4<<((U0_TXD_O%4)*8)); となります。なにをやっているのか、これではすぐにはわかりません。マニュアル（ UM10601 ）を追って、ビット構成をたどっていくしかありません。
  13. 同じく、__attach_function(U0_RXD_I, 0);　は、__attach_function(U0_RXD_I, 4);　は、PINASSIGN[U0_RXD_I/4] = (PINASSIGN[U0_RXD_I/4] & ~(0xFF<<((U0_RXD_I%4)*8))) | (0<<((U0_RXD_I%4)*8)); となります。
  14. 次に、ＵＡＲＴ０の、ストップビットや、パリティーの設定関数、uart0_init();　を行って、モニタで使う周辺機器の初期化は終了です。

以下は、モニタを動作させるのに必要なレジスタ設定です。レジスタは、モニタから確認しています。

レジスタの設定　すべて３２ビットレジスタ
レジスタ名
　アドレス　
　ビット位置　
　解説　
　設定値　
　意味　
BODCTRL
　4004 8150　
　D1-D0　
　リセットレベル　
　０１　
　2.1V でリセット、2.2V で解除　
BODCTRL
　4004 8150　
　D3-D2　
　割り込みレベル　
　０１　
　2.3V で割り込み、2.4V で解除　
BODCTRL
　4004 8150　
　D4　
　リセット有効　
　１　
　１でリセット有効　
PDRUNCFG
　4004 8238　
　D7 を０に設定　
　水晶発振、ＷＤＴ、ＰＬＬの電源　
　0x0000ED70　
　System PLL を使う　
SYSPLLCLKSEL
　4004 8040　
　D1-D0　
　クロック選択　
　００　
　内臓ＣＲ発振を使う　
MAINCLKSEL
　4004 8070　
　D1-D0　
　クロックソース選択　
　１１　
　ＰＬＬの出力を使う　
SYSPLLCTRL
　4004 8008　
　D4-D0　
　ＰＬＬ逓倍数ー１　
　００１００　
　５倍で、１２ｘ５＝６０ＭＨｚ　
SYSPLLCTRL
　4004 8008　
　D6-D5　
　ＰＬＬポスト分周　
　１０　
　４分の１　
SYSOSCCTRL
　4004 8020　
　D1-D0　
　バイパス無し　
　００　
　設定していない　
MAINCLKUEN
　4004 8074　
　D0　
　クロック更新　
　0x0 , 0x01　
　０を書いて、１を書く　
SYSAHBCLKDIV
　4004 8078　
　D7-D0　
　クロック分周　
　0x02　
　　
SYSAHBCLKCTRL
　4004 8080　
　D14を１に設定　
　ＵＡＲＴ０用クロック　
　0x000440DF　
　クロックを供給　
UARTCLKDIV
　4004 8094　
　D15-D0　
　ボーレートクロック分周　
　0x20　
　ボーレート設定　
BRG
　4006 4020　
　D15-D0　
　ボーレート分周　
　0x0　
　０で分周なし　
CFG
　4006 4000　
　D15-D0　
　ビット数など　
　0x00000005　
　8bit,1stop,none,no-flow,async　

ソフトウエアでポートをＨｉｇｈ、Ｌｏｗ出力してＩ２Ｃを動かす

Ｉ２Ｃで他のスレーブＩＣと接続する場合、たいてい内臓しているＩ２Ｃコントローラを使いますが、ソフトウエアのみでポートを制御してＩ２Ｃの信号を出し、ＩＣと通信してみます。いまどきのマイコンのポート（ＧＰＩＯ）は、オープンドレイン出力とか、プルアップ付き入力が可能なので、Ｉ２Ｃコントローラのポート割付けができない場合でも、Ｉ２Ｃ制御を行うことが出来ます。ＵＡＲＴと違ってクロック同期なので、処理中に割り込みが入って、タイミングがずれても、マスターなら、問題なく制御することが可能です。同じ理由で、完全ソフトウエアポート制御によるＳＰＩも可能です。（無論マスター側での話ですが）

Ｉ２Ｃは、ノイズに弱いなど、いろいろ問題のある通信方法ですが、２線式、簡便さがものを言って、衰える気配がありません。
ここで、Ｉ２Ｃの信号の基本的な仕様をまとめてみます
  1. クロックとデータラインで構成され、双方向通信にするため、オープンドレイン（オープンコレクタ）でドライブされ、外部にプルアップ抵抗を接続します。
  2. オープンドレインであるため、Ｌｏｗがアクティブ　（データが１という意味ではない）　信号となります。
  3. リード側は、クロックの立ち上がりで、データを読み、ライト側はクロックがたち下がった少し後、次のデータに変化させます。
  4. データはＭＳＢから先に出力されます。
  5. 通信が行われていない状態（アイドル状態）は、クロック、データともにＨｉｇｈ。つまり、どちらも非アクティブで、Ｌｏｗにドライブされていない状態。
  6. 通信開始は、クロックがＨｉｇｈの状態でデータが先にＬｏｗになり、その後（時間規定はあるが、通常１μ秒あれば十分）クロックがＬｏｗになることで開始します。旧フィリップスの仕様書を置いてるところ。→　http://ekousaku.web.fc2.com/doc/I2C.pdf
  7. 通信終了は、データがＬｏｗの状態で、クロックが先にＨｉｇｈになり、その後、データがＨｉｇｈになることで完了します。
  8. 上記２項目の重要な点は、クロックがＨｉｇｈのときに、データが変化することで特別な意味を持たせてあります。データの送受信を行うときは、クロックがＬｏｗのときのみデータを変化させます。
  9. 通信は、アイドル状態のとき、どれかのマスターが、通信相手のスレーブアドレス（７ビット）＋リードライトビットの１バイトを送信し、１ビットの返信を読んで開始します。返信の１ビットがＬｏｗだと、その通信相手が存在し、続けてデータ転送を行えると判断します。
  10. 上記のように、通信開始は、必ずスレーブアドレス＋リードライトビットから始まります。
  11. 通信データは１バイト単位ですが、その１バイトに続いて返信の１ビットが付加されています。返信の１ビットは、データ８ビットの通信方向とは必ず逆になっています。このため、８ビットの送受信の後、必ずデータラインのＬｏｗドライブ権が入れ替わります。
  12. リードライトビットが１のとき、続くデータ転送は、マスターがスレーブからのデータを読む通信になります。マスターは１バイト読むと、１ビットのＬｏｗの返信をドライブしますが、複数のデータを読む場合、最後のデータの後は、返信の１ビットをＨｉｇｈとします。
  13. リードライトビットが０のとき、続くデータ転送は、マスターがスレーブにデータを書く通信になります。１バイト送信後、スレーブからの１ビットの返信がＬｏｗなら書けたことになり、Ｈｉｇｈなら、データが書けたか否か不明で、通常転送エラーと判断して、通信を終了します。
  14. スレーブ側は、データの用意が間に合ってなかったり、受信したデータを処理中は、クロックをＬｏｗにドライブすることができ、その間マスターに待機させることができます。このためマスター側は、クロックをＨｉｇｈにするべくＬｏｗドライブをやめても、クロックがＨｉｇｈにならなければ先に進んではいけません。
以下は、スレーブの内部レジスタに１バイトのデータを書く例、赤：マスターがドライブ、青：スレーブがドライブ
ここでは、データアドレスは１バイトですが、メモリＩＣなどでは、２〜３バイトになることがあります。この場合、バイト列の順番は、ビッグエンディアンになっています。
　具体的には、圧力センサ、LPS3331 の、圧力、温度の変換インターバルを、両方とも１秒に設定するコマンドです。
スタート
　スレーブアドレス(7bit)　
　Ｒ／Ｗビット(1bit)　
　ＡＣＫ(1bit)　
　データアドレス(8bit)　
　ＡＣＫ(1bit)　
　ライトデータ(8bit)　
　ＡＣＫ(1bit)　
　ストップ　
　１０１１１００(7bit)　
　０(1bit)　
　０(1bit)　
　００１０００００(8bit)　
　０(1bit)　
　１００１０１００(8bit)　
　０(1bit)　
　　

以上のことを念頭におきながら、ポートを制御してＩ２Ｃ信号を生成し、圧力センサ（ＬＰＳ３３１）から、圧力と温度を読んでみます。


ＬＰＣ８１０のＧＰＩＯは、ビット単位の制御がやりやすい

ポート出力で特定のビットを書き換えるには、単純なＧＰＩＯでは、
  1. ポートを読む（もしくは、プログラム内で最終出力データを記憶しておく）
  2. 前の状態から特定のビットを変更する　
  3. そのデータをポートに書く
の手順になり、ポート操作のライブラリ関数などでは、ポート番号、ビット番号などを指定して呼び出すと、インライン展開されるか、サブルーチンを呼び出すかになります。
この点、ＬＰＣ８１ｘでは、（他のメーカーのＡＲＭでも同じなのだろうか？）上記の機能はもちろん使えますが、
  1. 指定のピットを１にするアドレスが割り付けられている。ビットは複数同時指定が可能
  2. 指定のピットを０にするアドレスが割り付けられている。ビットは複数同時指定が可能
  3. 指定のピットを反転するアドレスが割り付けられている。ビットは複数同時指定が可能
  4. 指定のピンだけリード、ライトできる。１ピンあたり１バイト用意されていて、０か１を書くとポートピンに反映され、また読むと、ピンの状態を、１バイトのＬＳＢに反映される。PIO0_2 ピンなら、０ｘＡ００００００２が、そのバイトアドレスである。
  5. 指定のピンだけリード、ライトできる。１ピンあたり１ロングワード用意されていて、０を書けばＬｏｗになり、０以外の値を書くとＨｉｇｈになる。ピンがＬｏｗなら、０を読み出せ、Ｈｉｇｈなら、０ｘＦＦＦＦＦＦＦＦが読み出せる。PIO0_2 ピンなら、０ｘＡ０００１００８が、そのロングワードアドレスである。
があって、変更しない他のビットデータを用意しておく必要がありません。（逆を言えば、今何が出力されているか、プログラム内で管理しておく必要がでてくることがある）このため、高速なポート出力制御が可能になります。


ポートの選択と、初期化

８ピンのＩＣなので、ＵＡＲＴを使ってしまうと、電源（２本）、リセット（１本）、ＵＡＲＴ（２本）で、残りは３本しかありません。残りのＰＩＯ０＿３をクロック（３pin），ＰＩＯ０＿２をデータ（４pin）として使います。あと１本ありますが、発信器から正確なクロックを入力できるように残してあります。
ＧＰＩＯとして使う場合は、ＧＰＩＯモジュールにクロックを供給する必要がありますが、モニタを移植するのに使ったもとのソースに、
__enable_ahbclk(PCGPIO | PCIOCON);
とあるので、追加は不必要ですが、ポートをどのように使うかを決めるには、ＩＯＣＯＮで、オープンドレインとか内部プルアップなどの設定し（０ｘ４００４４０００から、１ピン毎に３２ビットのレジスタ、ＰＩＯ０＿０〜ＰＩＯ０＿１７がある）、ＤＩＲ０、ＰＩＮ０、ＳＥＴ０、ＣＬＲ０、ＮＯＴ０、などで、Ｌｏｗ、Ｈｉｇｈ、ポートの入出力を決めます。これらは、NXP の、UM10601.pdf に解説されています。

ソフトのみでポートを制御して、Ｉ２Ｃ信号を作成し、気圧センサから、気圧と温度を読み出す機能を入れた、モニタ。
uart6t.lzh
上のプログラムを書いて、teraterm で操作した例。

1003.2 hp 28.3 ℃　と表示されていますが、その左のヘキサデータは、Ｉ２Ｃで読んだ生データです。
ここで、ii は、I2C の初期設定、ip は、気圧と温度を読むコマンドです。




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