ＰＩＣを使ってＳＤカードを操作

ＰＩＣはＲＡＭが比較的大きく試作のしやすいＤＩＰパッケージの、ＰＩＣ１８Ｆ２５５０を使います。このＰＩＣはＵＳＢポートもありますが、ＵＳＢは使いません。
ＰＩＣ１８Ｆ２５５０基板と、ＲＳ２３２Ｃコネクタ
割り込み処理でソフトウエアＵＳＡＲＴを実現する
簡単なモニタ機能でＳＤカードの操作をしてみる
ＳＤカードへのコマンドとレスポンスのタイミング
ＳＤＨＣにも対応できるＳＤカードの初期化
ＣＣＳを使って、Ｃ言語で開発　( CCS PCH C Compiler, Version 4.076 ) ２０１２．３．１９ 更新
ＰＩＣを正規の５Ｖで動作させるため、新たに基板を作成 ２０１２．３．２４ 更新
新たに作成した基板で、ニッケル水素電池の充電中の電圧をＳＤカードに記録２０１２．４．８ 更新
押しボタンスイッチによる操作で、スタンドアロンで動作させる ２０１２．４．８ 更新
ＰＩＣ２４ＦＪｘｘを、無償版のＣコンパイラ、Ｃ３０で開発、ＳＤカードの基本操作機能追加 ２０１２．４．２８ 更新
ＰＩＣ２４ＦＪｘｘで、６４ＧＢのＳＤカード、ＳＤＸＣを操作してみた ２０１２．５．２０ 更
PIC32MX vs LPC11U35(Coretex-M0), etc.　ＰＩＣ３２ＭＸを使ってみる。 ドライストーンで評価。２０１６．５．８　追加　

フラッシュメモリでのみ動作するＰＩＣは、たいていＲＯＭデバッグ
ＰＩＣのプログラムを開発する場合、その処理がＩ／Ｏ操作を伴わない内部メモリの操作部分は、開発環境のＭＰＬＡＢにある、シミュレーションでたいていのデバッグが可能ですが、Ｉ／Ｏ操作を含み、そのＩ／Ｏに接続されている外部の回路の振る舞いがよく判らない場合は、フラッシュにプログラムを書いて確認する、いわゆる”ＲＯＭデバッグ”となり、動くか否かは、一発勝負になってしまいます。そこで、外部Ｉ／Ｏの操作を、ＰＩＣとターミナルで通信しながら、任意のポートを読んだり、書いたりできると、かなりデバッグ効率が上がります。

ＰＩＣ１８Ｆ２５５０のモニタを作る

ＰＩＣ１８Ｆ２５５０には、ＵＳＡＲＴポートは１個しかありません。このため、パソコンをターミナルにしたモニタの操作用にこのＵＳＡＲＴを使ってしまうと、シリアルポートを使ったアプリケーションのテストができなくなります。そこで、プログラムで直接ポートを操作して、パソコンと通信できるようにし、空いたＵＳＡＲＴを、他の用途に使えるようにして、簡単なデバッグができるようにします。特に、ＵＳＡＲＴのＳＰＩを使ってＳＤカードの操作をする場合は、このデバッグ機能が役に立ちます。モニタを使ったＳＤカードの操作はこちら　モニタでＳＤカードの操作をしてみる
とは言うものの、ＰＩＣのプログラムは、内臓ＲＡＭにロードしてそこでテストランすることができないので、モニタの機能としては、ポートの読み書き、ＲＡＭの表示や変更という機能に限定されます。モニタの操作による任意番地からの実行もできません。
ソフトウエアでシリアルの送受信をするには、ボーレートに合わせて１ビット単位でシフトしながらポートに出すのと、ボーレート時間単位にポートを読んでＭＳＢに書いて右シフトして受信データを作るのが必要です。ここで、送信の場合は比較的簡単ですが、受信はスタートビットがいつ来るかわからないので、常にポートを読んでいないといけません。そこで、受信ポートの立下りで割り込みを発生してスタートビットを知るという方法にすると、ＣＰＵは他のことができますが、シリアルデータの立下りでも割り込みが発生するので、１文字の受信が完了するまで、立下りでの割り込みは禁止しないといけません。

以下は、適当なＩ／Ｏポートにデジトラ（ベース、エミッタの抵抗は１０ｋΩのもの。RN1102、DTC114EKA、FA1A4M など）と抵抗を接続して擬似ＲＳ２３２Ｃ信号に変換して、十分実用になるＲＳ２３２Ｃ変換回路です。この回路では、３Ｖ以下の電源電圧でもパソコン側で受信できるように、送信の電圧を上げるため、ＲＳ２３２Ｃのホストからの信号の、ＲＴＳに相当するピン（約１０Ｖになっているはず）から電源をいただき、抵抗でプルアップしてＰＩＣ側の送信データラインとしています。５７６００ボーぐらいまで問題ありません。


ポートのソフト操作による完全非同期のシリアル送受信は可能か？
もうひとつ、送信中に受信が始まったらどうするかという問題は、そう簡単に解決できそうもありません。送信と受信は、完全に非同期に動作するので、送信タイミングの時に１ビット受信のサンプリングと言うわけにいきません。ボーレートが低いならタイミングを計算するのに余裕が出てきて、双方向の同時操作もできそうですが、ＰＩＣ１８Ｆで１６ＭＨｚ前後で動かす場合、３００ボーとか、６００ボーぐらいが限度ではないかと思います。

そこで、比較的短い間隔で、（理想的にはボーレートの１６倍の周波数）一定時間の割り込みを常に発生させ、これで送受信タイミングを制御するという方法にすると、この非同期問題をスマートに解決できます。ボーレートの１６倍はちょっと早すぎるので、８倍とか、４倍に落として高いボーレートでも動作できるようにします。ここで、インターバル割り込みを、ボーレートの４倍にした場合、どれくらいの誤差になるか、図で示します。

この図から判るように、ボーレートの４倍の周波数でサンプリングすると、最良でほぼデータビットの中央となり、最悪では、中央より２５％早い位置となって、双方のボーレートが正確なら、実用上問題なく動作します。

ＰＩＣ１８Ｆ２５５０で、一定間隔の割り込みを発生させる

一定間隔の割り込みには、タイマー１を使い、コンペアマッチで割り込みが発生するようにします。このモードは、CCP1M3--CCP1M0 の４ビットを、１０１１に設定します。コンペアマッチの対象となるカウント値は、CCPR1H と CCPR1L に、１６ビットで設定し、ボーレートの４倍の周波数　−１となるような数値にします。この例では、９６００ボーの４倍、３８４００Ｈｚで、４ＭＨｚを割った値　−１で、１０３を設定しています。 
;	１秒間に約３８４００回のインターバル割り込みを発生させる設定
	clrf	T1CON		; タイマー１停止
 	movlw	0x67		; 0xCF=19200/4 ==> 4800bps, 0x67=38400/4 ==> 9600bps
	movwf	CCPR1L		; タイマー１コンペアマッチの値
 	movlw	0x00
	movwf	CCPR1H		; 上位ビットは０
	clrf	CCP1CON		; 最初にクリア
	bsf	CCP1CON,CCP1M3	; タイマー１コンペアマッチ
	bsf	CCP1CON,CCP1M1	; タイマー１コンペアマッチ
	bsf	CCP1CON,CCP1M0	; タイマー１コンペアマッチ
	bsf	RCON,IPEN	; 優先割り込みを設定
	bsf	IPR1,CCP1IP	; Timer1 を優先割り込みに設定
	bcf	PIR1,CCP1IF	; Timer1 の割り込みフラグをクリア
	bsf	PIE1,CCP1IE	; Timer1 の割り込み許可
	bsf	INTCON,GIEH	; グローバル割り込み許可
	bsf	INTCON,GIEL	; グローバル割り込み許可
	clrf	TMR1H		; Timer1 クリア
	clrf	TMR1L		; Timer1 クリア
	bsf	T1CON,TMR1ON	; Timer1 カウントスタート、以後約２６μ秒間隔で割り込みが発生。

割り込み処理でソフトウエアＵＳＡＲＴを実現する

割り込み処理の仕様を以下のようにします。割り込み処理は、言わばマルチタスクの基本型ですから、このタスクに対してコマンドとステータスフラグを設けて、メインプログラムからはフラグのＯＮ、ＯＦＦ、ステータスの判定で操作します。割り込みタスクは、メインからのフラグ操作に応答する形でシリアル送受信を受け持ちます。
  1. 送信コマンドは、送信データの設定と、スタートフラグへの１の設定とします。
  2. 割り込み側では、スタートフラグが１だと、送信要求があると判断し、スタートビット送信後、送信中フラグを立てます。
  3. 割り込み側で、送信中なら、データを順に１ビット単位にシフトして、ＬＳＢからポートに出します。
  4. ８ビットの送信が終わると、ストップビットを送信します。
  5. ストップビットの送信が終わると、スタートフラグ、送信中フラグ共にクリアします。このクリアで、メイン側は送信終了を判断します。
  6. 受信は、割り込みタイミングでスタートビットの立下りを検出して、スタートビット検出フラグを立てます。
  7. スタートビットが終わると、受信中フラグを立て、以後４回の割り込み毎に、受信ポートを読んで、シフトレジスタをシフトしてＭＳＢに書きます。
  8. ８ビット受信すると、とりあえずシフトレジスタを、受信データバッファーにコピーし、ストップビットの判定をして、受信完了フラグを立てます。
  9. ストップビットがＬｏｗの場合は、フレーミングエラーフラグを立てますが、この場合でも受信完了フラグを立てておきます。エラーの場合、厳密にどうすべきかは、メイン側の処理にゆだねます。
  10. 受信完了フラグをメイン側で検出して、１文字受信したことを知り、受信データを読んだ後、受信完了フラグをクリアします。
以上のような仕様だと、メイン側はあたかもＵＳＡＲＴが存在するかのような使い方で、タイミングを気にすることなくシリアル送受信ができます。この仕様は、ごく基本の送受信タスクなので、特に受信の場合は、次の１文字の受信の時間内に受信データを読んで受信完了フラグをクリアしないといけません。ＰＩＣでは、間接アドレスレジスタが少ししかないので、受信データをリングバッファーに貯めるという手法は安易には使えません。割り込みで直接使ってしまうと、他で使えないからです。無論、間接アドレスレジスタ、ＦＳＲｘＨ、ＦＳＲｘＬを割り込み内で退避、復帰で使えますが、テスト用のモニタではそこまで必要ないでしょう。

以下は、割り込み処理の全体です。メイン側での使い方の例として、１文字送信、受信、受信チェックが、終わりの方にあります。


上記の getcon putcon を使うと、パソコンから何か文字を送ると、そのまま返信するエコーバックで、動作確認ができます。
さて、パソコンとＲＳ２３２Ｃで接続できると、パソコンからの操作で、ＰＩＣのＩ／Ｏや、メモリを操作するモニタの機能を入れます。モニタは簡単なものなら、メモリ（Ｉ／Ｏを含む）の読み書きだけでいいのですが、ＰＩＣ１８Ｆ２５５０のフラッシュメモリは３２ｋＢもあるので、メモリ間のコピーとか比較、コマンド入力中の１文字修正機能などを入れます。これだけ入れても、プログラムは１．２ｋＢぐらいです。

モニタの仕様とコマンド書式

コマンドの内容 書式 引数の説明
メモリの表示 d コマンド dx,y x は表示したいメモリの先頭アドレス、y は終わりのアドレス
メモリの変更 s コマンド sx(,y) x は変更したいメモリの先頭アドレス、y を追加すると、x のアドレスに y を書いて終わり
メモリのコピー m コマンド mx,y,z x は元の先頭アドレス、y はコピー先のアドレス、z はバイト数
m コマンドのオプション mx,y,z,u 引数 u = 0x1 でコピー元だけアドレスを更新、u = 0x10 でコピー先だけアドレスを更新
メモリの比較 v コマンド vx,y,z x は元の先頭アドレス、y は比較先のアドレス、z はバイト数
コマンド入力中の修正 バックスペース 入力中の１ラインで１文字戻す
s コマンド実行中のオプション１ 'n' １文字入力 n コマンドでアドレスだけ次に進める
s コマンド実行中のオプション２ 'r' １文字入力 r コマンドでアドレスだけ前に戻す
d コマンド実行中のオプション 任意１文字入力 メモリダンプを止めてその場で待機。何か入力で再開。ctrl C では中断、終了
v コマンド実行中のオプション 任意１文字入力 メモリ比較を止めてその場で待機。何か入力で再開。ctrl C では中断、終了

以上の機能を入れたモニタプログラムのアセンブラソースです。
上記のバイナリーコード（ＨＥＸ）
このプログラムでは、水晶は、ＯＳＣタイプを使っており、１６ＭＨｚが出力されていますので、コンフィグレーションは、ＥＣに設定しています。

簡単なモニタ機能でＳＤカードの操作をしてみる
いきなりＳＤカードの操作プログラムを作ってデバッグをする・・・という開発アプローチは、ＰＩＣでは感心しません。モニタを使うと、Ｉ／Ｏポートの入出力、内部レジスタの設定ができるので、これらを組み合わせてＳＤカードを操作することができます。ＰＩＣ１８Ｆ２５５０と、ＳＤカードとの接続は以下のようになります。また、ＰＩＣの電源は、３Ｖ付近にします。
ＰＩＣ１８Ｆ２５５０ポート ＰＩＣピン番号 ＳＤカードピン番号 ＳＤカードの信号の意味 プルアップ
ＧＮＤ １９ ３と６ ＧＮＤ -
ＶＤＤ ２０ ４ ＶＤＤ -
ＳＤＯ　出力（ＲＣ７） １８ ７ ＣＭＤ（ＤＩ）入力 ２２ｋでプルアップ
ＳＤＩ　入力（ＲＢ０） ２１ ２ ＤＡＴ０（ＤＯ）出力 ２２ｋでプルアップ
ＳＣＫ　出力（ＲＢ１） ２２ ５ ＣＬＫ　入力 -
ＲＢ２　出力（ＲＢ２） ２３ １ ＣＳ　入力 -

ＰＩＣ１８Ｆ２５５０基板と、ＳＤカードソケット。サンハヤト SK-29
ＰＩＣ基板上部はＰＩＣｋｉｔ２用６ピンコネクタ

ＰＩＣでＳＰＩを使うには、ポートが決められており、上記のようになります。モニタを使ってこれらのポートの入出力を設定し、ＳＰＩモードの設定すると、あとはＳＰＩの送受信レジスタ、ＳＳＰＢＵＦ（０ｘＦＣ９番地）に書くことで、ＳＤカードにコマンドを送れます。

ポートの初期設定

ポートＣの、ＲＣ２，ＲＣ１，ＲＣ０は、すでにシリアルで使っているので、同じ設定にします（ビット列で、００１）
ＰＩＣ１８Ｆ２５５０ポート レジスタ名 アドレス 設定データ
ポートＣ、ＲＣ７　出力 ＴＲＩＳＣ ０ｘＦ９４ ０ｘ７９
ポートＢ、ＲＢ０　入力 ＴＲＩＳＢ ０ｘＦ９３ ０ｘＦ９
ポートＢ、ＲＢ１　出力 ＴＲＩＳＢ ０ｘＦ９３ ０ｘＦ９
ポートＢ、ＲＢ２　出力 ＴＲＩＳＢ ０ｘＦ９３ ０ｘＦ９
ＰＩＣの内臓周辺回路、ＭＳＳＰを、ＳＰＩに設定します。
レジスタ名 アドレス 設定データ 設定の意味
ＳＳＰＳＴＡＴ ０ｘＦＣ７ ０ｘ００ 送信データは、クロックの立下りで更新
ＳＳＰＣＯＮ１ ０ｘＦＣ６ ０ｘ３２ ＳＰＩをマスターモードに設定。クロックは、Ｆｏｓｃの１／６４
ＳＳＰＳＴＡＴの、Ｂｉｔ７＝０で、Input data sampled at middle of data output time　になるので、これらの設定では、クロックの立ち上がりで受信データがサンプルされます。また、Ｂｉｔ６＝０で、クロックのアイドル状態はＨｉｇｈになります。
これらの設定をモニタのコマンドで操作すると、以下のようになります。 
PIC-Mon>sf94,79 (enter)
PIC-Mon>sf93,f9 (enter)
PIC-Mon>sfc7,0 (enter)
PIC-Mon>sfc6,32 (enter)
これで、ＳＰＩモードの初期化が完了

ＳＤカードへのコマンドとレスポンスのタイミング

ＳＰＩモードを使って、ＳＤカードの初期化で行う最初のコマンド、ＣＭＤ０の送信と、そのレスポンスのイメージです。ＣＭＤ０のコマンドビットはＬＳＢ６ビットで、ＭＳＢ２ビットが０１となって、ホストからのコマンドであることをカードに知らせます。コマンドの最初の２ビットは必ず０１となっています。それに続く３２ビットの引数、０ｘ００００００００は、ＳＰＩモードでは４バイトの０ｘ００の送信となります。これらに続いてＣＲＣ７が７ビット送られ、最後の１ＳＴＯＰビットで、０ｘ９５となります。ＳＰＩモードでも、最初のＣＭＤ０のＣＲＣ７は正しくないといけません。７ビットで　１００１０１０　ですが、ＳＴＯＰビットを追加して　１００１０１０１　となり、ＳＰＩの送信データとしては、０ｘ９５になります。
ＣＭＤ０を送った後、データを０ｘＦＦにして送信し、１バイトあたり８クロックを送ると、２〜３バイト目に、レスポンスが返ります。ＣＭＤ０の場合、レスポンスは０ｘ０１となります。ＳＰＩモードの最初は、４００ｋＨｚ以下でクロックを送るので、たいてい２バイト目にレスポンスが返ります。
ここで、ＣＲＣ７の計算ですが、暗算ではとても無理なので、コマンドラインのプログラムとして作ったソースがこちらです。使い方は、Ｃ：￥＞calccrc 7 40 0 0 0 0 (enter)　で、CRC7 = 95 という答えを出します。
ＳＤカードのレスポンスですが、Ｒ１と呼ばれる１バイトのレスポンスの意味は以下のようになっています。詳しい資料は、ＳＤカードアソシエーションのSimplified Version of PHYSICAL LAYER SPEC に書かれています。
ＣＭＤ０のレスポンスは、正常なら０ｘ０１になります。

ＳＤカードの初期化で、一番簡単な方法は、ＣＭＤ０、ＣＭＤ１を使うもので、次の手順になります。

  1. ＣＳをＨｉｇｈにして、クロックを７４個以上出します。これは、ＳＰＩに０ｘＦＦを１０回出すことで行えます。
  2. ＣＳをＬｏｗにして、ＣＭＤ０を出します。（ＳＰＩに、０ｘ４０、０、０、０、０、０ｘ９５を出します。）
  3. ＳＰＩで０ｘＦＦを出して、受信データを読み、０ｘ０１の返答があるまで０ｘＦＦを出し、あれば次に進みます。
  4. ＣＳをＨｉｇｈにして、ＳＰＩに０ｘＦＦを出します。これはダミークロックを出す方法です。
  5. ＣＳをＬｏｗにして、ＣＭＤ１を出します。（ＳＰＩに、０ｘ４１、０、０、０、０、０ｘ１を出します。）
  6. ＳＰＩで０ｘＦＦを出して、受信データを読み、０ｘ００の返答を待ちます。
  7. 返答が０ｘ００でないなら、４に戻って返答が０ｘ００になるまで繰り返します。
  8. ０ｘ００の返答があると、ＳＤカードの初期化は終了し、次からセクタのリード、ライトが行えます。
さて、これだけ操作が増えるとモニタのコマンドを手動で行うのはかなり時間がかかるので、パソコンのターミナルソフトに付属する、マクロ機能を使って操作すると、タイプミスによる操作間違いもなくなります。ターミナルソフトのマクロとしては、組み込みでは定番と思われるテラタームのマクロ機能を使います。
ＳＤカードの初期化のマクロはこちら。 sdctl.ttl
初期化の後、先頭セクタ０を読み出し、ヘキサでファイルに残すのがこちら sdctlread.ttl
初期化の後、セクタ番号１に、ヘキサで書かれたファイルをバイナリーで書くのがこちら。 writedata.ttl

４ＧＢ以上のＳＤＨＣ規格のＳＤカードの場合、ＣＭＤ０　と　ＣＭＤ１では初期化できません。ＣＭＤ８、ＣＭＤ５８、ＣＭＤ５５、ＡＣＭＤ４１、ＣＭＤ９などを使います。
ＳＤＨＣにも対応できるＳＤカードの初期化は、次の手順になります。
  1. ＣＳをＨｉｇｈにして、クロックを７４個以上出します。これは、ＳＰＩに０ｘＦＦを１０回出すことで行えます。
  2. ＣＳをＬｏｗにして、ＣＭＤ０を出します。（ＳＰＩに、０ｘ４０、０、０、０、０、０ｘ９５を出します。）
  3. ＳＰＩで０ｘＦＦを出して、受信データを読み、０ｘ０１の返答があるまで０ｘＦＦを出し、あれば次に進みます。
  4. ＣＳをＨｉｇｈにして、ＳＰＩに０ｘＦＦを出します。これはダミークロックを出す方法です。
  5. ＣＳをＬｏｗにして、ＣＭＤ８を出します。（ＳＰＩに、０ｘ４８、０、０、０ｘ１、０ｘＡＡ、０ｘ８７を出します。）
  6. ＳＰＩで０ｘＦＦを出して、受信データを読み、０ｘ０１か、０ｘ０５の返答を待ちます。
  7. 返答が０ｘ０１か０ｘ０５でないなら、このカードは使えないか、他になんらかの問題があります。
  8. ＣＭＤ８にたいして、０ｘ０１か０ｘ０５の返答がある場合。
  9. ＣＳをＨｉｇｈにして０ｘＦＦを送ります。
  10. ＣＳをＬｏｗにして、ＣＭＤ５８（０ｘ７Ａ、０、０、０、０、０ｘＦＤ）を出します。
  11. ０ｘ０１の返答が無ければ、９に戻って繰り返します。
  12. ０ｘ０１の返答があると、続く４バイトを受信します。４バイトは、０ｘ００、０ｘＦＦ、０ｘ８０、０ｘ００　のはずです。
  13. ＣＳをＨｉｇｈにして０ｘＦＦを送ります。
  14. ここから、ＣＭＤ５５、ＡＣＭＤ４１のコマンドペアを開始します。
  15. ＣＳをＬｏｗにして、ＣＭＤ５５を出します。（０ｘ７７、０ｘ０、０ｘ０、０ｘ０、０ｘ０、０ｘ６５）
  16. ０ｘ０１の返答があると、次に進みます。必ずあるはずです。
  17. ＡＣＭＤ４１を送ります。（０ｘ６９、０ｘ４０、０ｘＦＦ、０ｘ８０、０ｘ０、０ｘ１７）
  18. ０ｘ０１か０ｘ００の返答があり、０ｘ０１なら、ＣＳをＨｉｇｈにして０ｘＦＦを送り、１４から繰り返します。
  19. ０ｘ００の返答の場合、初期化はほぼ成功ですが、ＣＳをＨｉｇｈにして０ｘＦＦを送ります。
  20. ＣＳをＬｏｗにして、ＣＭＤ５８（０ｘ７Ａ、０、０、０、０、０ｘＦＤ）を出します。
  21. ０ｘ００の返答があるはずで、続いて４バイト受信します。
  22. ＳＤＨＣの場合、４バイトは、０ｘＣ０、０ｘＦＦ、０ｘ８０、０ｘ００となるはずです。そうでない場合は、０ｘ８０、０ｘＦＦ、０ｘ８０、０ｘ００です。
以上で、ＳＤＨＣにも対応した初期化が終了します。これら一連の操作を、テラタームのマクロで操作するのがこちらです。sdhcinit.ttl
このマクロを使って操作したテラタームのスクリーンショットです。ＳＤカードはＳＤＨＣの８ＧＢのものを初期化しています。こちらは、操作の全体のログです。sdhcinitlog.txt

モニタにＳＤカードの操作プログラムを追加
簡単なモニタの機能と、ターミナルのマクロ機能を使って、ＳＤカードの基本的な操作ができることが判ったので、これらの結果を元に、モニタにＳＤカードの操作コマンドを追加します。ＳＤカードの振る舞いが判明しているので、デバッグは主にＰＩＣのソフトになります。
ＳＤカードの操作コマンドとして、以下の基本的なものとしておきます。
  1. ＣＭＤを指定するコマンド、c
  2. ＳＰＩで０ｘＦＦを出力して、レスポンスを得るコマンド、r　１回だけの場合と、連続複数回の場合の区別。複数回ではＲＡＭに読む。
  3. ＳＰＩで、データを送るコマンド、w　１回だけと、複数回。データは、ＰＩＣの内部ＲＡＭにあらかじめ用意しておく。
  4. カード挿入直後に、ＣＳをＨｉｇｈにして、７４（８０）回のクロックを出すコマンド、i
  5. ＣＭＤ送信と、レスポンス受信後にＣＳをＨｉｇｈにして０ｘＦＦをＳＰＩで送信、u
それぞれのコマンドの使い方は、 
PIC-Mon>c40,0,95 (enter) で、ＣＭＤ０を、パラメータ０ｘ００００００００で、ＣＲＣ７が０ｘ９５で出す。
PIC-Mon>r (enter)　で、０ｘＦＦをＳＰＩに出し、受信データをヘキサで表示する。
PIC-Mon>r200 (enter)　で、０ｘＦＦを０ｘ２００回出し、受信データを、ＲＡＭの０ｘ２００番地以後に書く
PIC-Mon>w4d (enter)　で、ＳＰＩで、０ｘ４Ｄを出す。
PIC-Mon>w200 (enter)　で、ＲＡＭの０ｘ４００番地のデータを、順番に０ｘ２００バイトＳＰＩに出力する。
PIC-Mon>i (enter)　で、ＣＳをＨｉｇｈにして、０ｘＦＦを１０回ＳＰＩで出力する。
PIC-Mon>u (enter)　で、ＣＳをＨｉｇｈにして、０ｘＦＦを１回ＳＰＩで出力する。

以上の機能を追加したアセンブラのソースは　こちらです。　pic18fsdt1.asm
約１．８ｋＢほどのコードサイズです。pic18fsdt1.hex

２ＧＢのＳＤカードを、WindowsＸＰでＦＡＴ１６でフォーマットし、その先頭セクタを読み出してみます。
使うコマンドは、初期化が完了しているとして、次のようになります。
  1. c51,0,1 (enter) で、先頭セクタを読み出すコマンドを出します。
  2. r (enter) を数回実行して、レスポンスが０ｘＦＥになると、次に進みます。
  3. r200 (enter) で、データを５１２バイト、ＲＡＭの０ｘ２００番地以降に読み出します。
  4. r (enter) を２回実行して、ＣＲＣ１６を読んでおきます。
  5. u (enter) コマンドでダミークロックを出しておきます
  6. d200,3ff (enter) で、読み出したデータを表示します。
以下が表示された先頭セクタの内容です。

読み出した先頭セクタの、
M03C0 3B 00 06 3C FC DC F7 00 00 00 09 D7 3C 00 00 00
に注目し、中央近くに F7 00 00 00 という数値がありますが、これは、ＦＡＴ１６のＤＰＢ（ディスクパラメータブロック）が存在するセクタ番号を示しています。０ｘＦ７セクタは、０ｘ１ＥＥ００番地になりますから、このＳＤカードのこのアドレスを読み出します。この数値の右に、09 D7 3C 00 という並びがありますが、これは右からＭＳＢとして読んで、0x003CD709 という値になり、このＳＤカードの容量を、セクタ数で表しています。0x3CD709 = 3,987,209 セクタで、約２ＧＢとなります。
  1. c51,1ee00,1 (enter) で、0x1EE00 番地を読み出すコマンドを出します。
  2. r (enter) を数回実行して、レスポンスが０ｘＦＥになると、次に進みます。
  3. r200 (enter) で、データを５１２バイト、ＲＡＭの０ｘ２００番地以降に読み出します。
  4. r (enter) を２回実行して、ＣＲＣ１６を読んでおきます。
  5. u (enter) コマンドでダミークロックを出しておきます
  6. d200,3ff (enter) で、読み出したデータを表示します。
以下が表示された０ｘＦ７セクタの内容です。

このデータには、ＦＡＴ１６で管理する基本情報が含まれていますが、詳しい内容は、ブートの仕組み に解説されているので、ここでは省略します。

パソコンから送信したデータをＲＡＭに書く機能をモニタに入れる
ＳＤカードのデータをＲＡＭに読み出し、メモリダンプで内容を見ることができても、パソコン側にあるデータをＳＤカードに書くには、w コマンドで書くときのバッファーＲＡＭ（０ｘ４００番地から０ｘ２００バイト）に、そのデータを書いておく必要があります。これはマクロを使って可能かも知れませんが、時間がかかります。そこで、メモリダンプでヘキサ表示したものをターミナル操作で保存しておき、それを逆にＰＩＣに送信することで、ＲＡＭに書き戻せるような機能を追加します。メモリダンプのフォーマットは、
M0400 01 02 03 04 05 06 07 08 09 0A 0B 0C 0D 0E 0F
などとなっていますから、これを受信して、０ｘ４００番地から、０ｘ０１、０ｘ０２、０ｘ０３・・・・を書くと、パソコン内のヘキサダンプファイルをＲＡＭに書き戻せます。そこで、次のような仕様で、受信できるようにします。
  1. 受信単位は、１行で０ｘ１０バイトのみ。
  2. M のあと、４桁のアドレスが続き、スペースで区切られながら０ｘ１０バイトのデータが続くものとする。
  3. データ部分は、例として、”８Ｆ　”と、２桁のヘキサ ＋ １スペース で表現されているものとする。
  4. ０ｘ１０バイトのデータの後、”−７Ｄ”などと、０ｘ１０バイトデータのチェックサムを付けられるようにする。
    例：M0260 11 04 90 10 22 24 C8 80 9D 47 E1 12 98 40 02 21 -15
  5. M で始まるアドレス値は、受信後０ｘ１ＦＦでマスクして、常に０ｘ４００〜０ｘ５ＦＦ以内に収まるように制限する。
  6. 総受信単位は、５１２バイトまでとする。０ｘ２０行まで。
  7. 受信機能追加に合わせて、メモリダンプにチェックサムを付加して表示できるようにする。
  8. 受信時、チェックサムを無視する場合も設け、またチェックサムが１行でも間違ってると、結果をフラグに残す。
  9. チェックサムは行の最後に行うだけで、途中受信したデータが誤っていたとしても、そのままＲＡＭに書く。
  10. コマンドは、l (enter) または lv (enter)　で、コントロールＣでいつでも中断できる。lv では、チェックサムを確認する。
  11. 受信コマンドの終了は、パソコンがデータの送信を終わったのを確認して、コントロールＣで終了する。
以上のような仕様をモニタに追加したものがこちらです。pic18fsdt2.asm

以下は、機能追加したモニタで、ＲＡＭの０ｘ２００〜０ｘ４００のメモリダンプを行い、そのデータをファイルにして、ＲＡＭの０ｘ４００番地からロードする操作です。lv でロードして、メモリの比較がＯＫになった後、ファイルの一部を変更して、再び lv でロードし、メモリの比較で違ってる箇所を表示した例です。

ＣＭＤ１７に対して、０ｘ００の後、いつまでも０ｘＦＥを返さないカードがある？？
さて、ＳＰＩモードでのＳＤカードの制御ですが、読み出しコマンド、ＣＭＤ１７に対して、０ｘ００のレスポンスはあるものの、データの始まりを示す０ｘＦＥのレスポンスが無く、いつまで待ってもデータが出てこないカードがあります。このような場合、もう一度ＣＭＤ１７を出すと、０ｘ００のレスポンスは無いですが、０ｘＦＦが数回有った後、０ｘＦＥがあり、続いてデータが始まるものがあります。無論これはＳＰＩモードのプロトコルに違反していますが、１回目のＣＭＤ１７に対して０ｘＦＥが無いＳＤカードでは共通した現象のようです。

このような現象が起こるＳＤカードの、ＣＳＤと、ＣＩＤを調べると、ＣＩＤの、Manufacturer ID　が一致しており、同じメーカーか、あるいはＯＥＭ元が同じということが判りました。 また、いづれのカードも、ＣＳＤのＴＡＡＣ（asynchronous part of the data access time.）が０ｘ７Ｆで、ＮＡＳＣが、０ｘＦＦとなっていました。これらはリード時のアクセスタイムを示す値で、ＮＡＳＣが０ｘＦＦだと、最悪２５．５ｋクロックかかるという意味のようですが、２５．５ｋクロック与えても０ｘＦＥのレスポンスがありませんでした。今のところ、このようなＳＤカードは２枚まで見つけていますが、同じメーカーの同じ容量のカードでも起こらないものばかりでした。同じメーカーの同じ容量のＳＤカードで正常に読めるＣＳＤのＴＡＡＣは、０ｘ７Ｆではなく、ＮＡＳＣも０ｘＦＦではありませんでした。

ＣＣＳを使って、Ｃ言語で開発　( CCS PCH C Compiler, Version 4.076 )

　ＣＣＳ のＰＩＣ用Ｃコンパイラの開発環境が使えるようになったので、これでＳＤカードを操作するプログラムを作ってみました。ＰＩＣ１８Ｆシリーズではメモリも多く、リニアアドレスのものは、さらに使いやすくなって、Ｃコンパイラでの開発も現実味を帯びてきます。ここで使ってるＰＩＣ１８Ｆ２５５０では、１６ｋワード（３２ｋＢ）のフラッシュがあるので、かなりのプログラムを書けます。ＦａｔＦｓの移植は、いささか無理っぽいですが、ＣＣＳの driver に、fat.c というのが同梱されていて、FAT16 or FAT32 を使えるみたいです。（両方同時使用は不可）

　そこで、fat.c (FAT Filesystem)で操作する解説となると、ＣＣＳのライセンスに引っかかるので、ここでは、もっと簡易なものを目指します。つまり、ＳＤカードにあらかじめファイル領域を確保しておき、長さも変更せず、ファイルの中身だけを書き換えるという方法です。こうすると、ＦＡＴ管理部分や、ディレクトリの書き換えとかが、一切関係なくなるので、かなり小さくできます。その代わり、ファイルの中身で、どこまでどこに書いたか、その情報を自前で管理する必要があります。無論、パソコンで読むときも、特別なソフトが必要になる場合があります。さらにこの方法だと、ＳＤカードに書く回数が激減し、途中で突然電源ＯＦＦになっても、ＦＡＴの管理部分が壊れることはありません。最後のデータが書けないぐらいです。
　また、ファイル情報はあるが、ファイルには何も書いてない状態を作っておく必要があります。ディレクトリと、ＦＡＴ情報だけをあらかじめ書いておき、ファイルの実体部分は、ＳＤカードのセクタの並びが連続するようにしておきます。このようなファイルシステムの状態のＳＤカードを作り出すには、Ｗｉｎｄｏｗｓでも特別なソフトが必要になります。物理セクタ番号を直接指定してデータを書くので、ドライブ番号を間違えると、Ｗｉｎｄｏｗｓでは致命傷的に危険なソフトになってしまう為、ＰＩＣでできるようにします。

ＣＣＳで開発するにあたって、いままで説明してきた回路では使いにくいので、
  1. ＳＤカードの操作を、ＰＩＣ内臓のＳＰＩポートを使うのではなく、ソフト制御のＳＰＩに変更します。
  2. ＵＡＲＴを、ソフト制御ではなく、ＰＩＣ内臓のＥＳＵＡＲＴを使えるように変更します。
ＳＤカードとの接続 桃色は、変更したところ。
ＰＩＣ１８Ｆ２５５０ポート ＰＩＣピン番号 ＳＤカードピン番号 ＳＤカードの信号の意味 プルアップ
ＧＮＤ １９ ３と６ ＧＮＤ -
ＶＤＤ ２０ ４ ＶＤＤ -
出力（ＲＣ０） １１ ７ ＣＭＤ（ＤＩ）入力 ２２ｋでプルアップ
入力（ＲＢ０） ２１ ２ ＤＡＴ０（ＤＯ）出力 ２２ｋでプルアップ
ＳＣＫ　出力（ＲＢ１） ２２ ５ ＣＬＫ　入力 -
ＲＢ２　出力（ＲＢ２） ２３ １ ＣＳ　入力 -

ＵＡＲＴの接続 桃色は、変更したところ。
ＰＩＣ１８Ｆ２５５０ポート ＰＩＣピン番号 ＦＡ１Ａ４Ｍ ＦＡ１Ａ４Ｍ ＤＳＵＢ９、クロス
ＰＣ６　ＴＸＤ １７　→ ベース コレクタ、プルアップ１ｋ ３番ピン、ＲＸＤ
ＰＣ７　ＲＸＤ １８　← コレクタ、プルアップ４．７ｋ ベース ２番ピン、ＴＸＤ


ＣＣＳを使って、Ｃ言語でＳＤカード操作モニタをまず作ってみる Version 4.076

ＣＣＳは、ＰＩＣ専用のＣコンパイラで、そこそこの機能があり、int1, int8, int16, int32 など、専用のインテジャーで指定します。long は、３２ビットではなく、１６ビットの int16 とみなされるので、注意が必要です。また、複雑な演算付きの引数だと、コンパイルできないことがあります。（　最新の、Version 4.130 では、かなり修正されているようです　）

以下は、モニタのコマンドと、使用例
ＳＤカードの初期化コマンド
PIC18F_MON>Si ここで Enter キーを押します
PIC18F_MON>Si
CMD0: 01
CMD8: 01
CMD58: 00FF8000
ACMD41: 0500
CMD58: C0FF8000
PIC18F_MON>

ＳＤカードのファイルシステム情報を表示する
PIC18F_MON>Sm ここで Enter キーを押します 
PIC18F_MON>Sm
MBR_start = 0x00002000, MBR_volsects = 0x00F05800
MBR partiton type = 0x0B
FAT0_start = 0x00002022, FAT_size = 0x00000783 sectors
DIR_start  = 0x00002F28, Sectors per cluster = 0x00000040
file start = 0x00002F68, FAT type   = FAT32   

ここで、MBR_volsects は、このＳＤカードで使えるセクタ数、
DIR_start は、このＳＤカードのファイルシステムの、ルートディレクトリの
物理セクタ番号を示しています。この値のセクタを読むと、次の表になります。
その他、ＦＡＴ３２の情報を表示しています。

ＳＤカードの指定セクタを１セクタ読む
PIC18F_MON>Sr2f28,0 ここで Enter キーを押すと、0x2F28 セクタ
をバッファー０に読みます。バッファーの先頭の物理アドレスは０ｘ２２です。
PIC18F_MON> と表示した後、
PIC18F_MON>d0,80 ここで Enter キーを押します
これは、バッファーの論理アドレス（物理は０ｘ２２）から、０ｘ８０バイトのメモリの表示です。 
0022 44 30 30 30 30 20 20 20 54 58 54 20 00 00 0A 4C [D0000   TXT ...L]
0032 6A 40 00 00 00 00 0A 4C 6A 40 03 00 00 00 00 02 [j@.....Lj@......]
0042 44 30 30 30 31 20 20 20 54 58 54 20 00 00 0A 4C [D0001   TXT ...L]
0052 6A 40 00 00 00 00 0A 4C 6A 40 03 04 00 00 00 02 [j@.....Lj@......]
0062 44 30 30 30 32 20 20 20 54 58 54 20 00 00 0A 4C [D0002   TXT ...L]
0072 6A 40 00 00 00 00 0A 4C 6A 40 03 08 00 00 00 02 [j@.....Lj@......]
0082 44 30 30 30 33 20 20 20 54 58 54 20 00 00 0A 4C [D0003   TXT ...L]
0092 6A 40 00 00 00 00 0A 4C 6A 40 03 0C 00 00 00 02 [j@.....Lj@......]

PIC18F_MON>

これはちょうど、このＳＤカードのルートディレクトリのセクタを読んだことになります。
コマンドとして、 d0,80 と、０番地から指定しているにもかかわらず、0x0022 番地から
表示されているのは、d0 では、メモリの０番地からではなく、ＳＤカード用のバッファーの
先頭番地の指定になっているからです。
ＲＡＭの０番地から表示したい場合は、dm0,80 と、'm' を付加すると、ＲＡＭの絶対番地になります。

ＳＤカードのディレクトリを表示する
PIC18F_MON>Sd ここで Enter キーを押します 
PIC18F_MON>Sd
0033554432 00002F68 D0000.TXT
0033554432 00012F68 D0001.TXT
0033554432 00022F68 D0002.TXT
0033554432 00032F68 D0003.TXT
0033554432 00042F68 D0004.TXT
0033554432 00052F68 D0005.TXT
0033554432 00062F68 D0006.TXT
0033554432 00072F68 D0007.TXT
0033554432 00082F68 D0008.TXT
0033554432 00092F68 D0009.TXT
0033554432 000A2F68 D0010.TXT
0033554432 000B2F68 D0011.TXT
0033554432 000C2F68 D0012.TXT
0033554432 000D2F68 D0013.TXT
0033554432 000E2F68 D0014.TXT
0033554432 000F2F68 D0015.TXT

PIC18F_MON>

ここで、左から、ファイルのサイズ（１０進）、
ファイルの先頭の物理セクタ番号、ファイル名となっています。
表示できるのは、ルートディレクトリのみです。
この例では、すべて３２ＭＢのファイルで、中身は不定です。
つまり、何も書いていないのです。
PIC18F_MON>F10 ( enter ) で作成したものです。
約２分ほどかかります。

このＳＤカードを、パソコンのコンソールで表示すると、以下のようになります。

その他、モニタの機能として、ＲＡＭの表示、変更ができます。(　バイト、ワード単位 ) ＰＩＣ１８Ｆ２５５０では、内部レジスタがＲＡＭの後ろの方にマッピングされているので、レジスタの表示、変更も可能です。

上記のＣＣＳ用ソース f25mon_120317.cと、ヘッダファイルです。ＣＣＳは、Version 4.076
コンパイル済みの PIC18F2550 用のＨＥＸファイル。f25mon_120317.hex
これらいづれもバグが見つかれば修正し、旧バージョンと置き換えています。最初のもの（ 2012.3.11 ) では、Sundisk の８ＧＢの初期化ができませんでした。
旧バージョンf25mon_120314.c f25mon_120314.hex ←こちらでは、BUFFALO の３２ＧＢでリードエラーとなりました。また、Sundisk の８ＧＢで時々エラーとなりました。いづれも、リードコマンド、CMD17 の後の返答( 0x00 と、0xFE ) 待ち回数が不足していたようです。


ファイル情報だけ書いておいた、中身を書いてないＳＤカードのファイルに、データを書く

これを行うには、ディレクトリを読んで先頭クラスタから物理セクタ番号を計算し・・・・、という手順は、実は必要がありません。というのは、ＰＩＣでファイル情報を書くコマンド、PIC18F_MON>F10 ( enter ) は、３２ＭＢ単位にファイル名を付けて、先頭クラスタ番号をディレクトリに書いていますが、複数のファイルは実際は連続した領域に並んでおり、file start = 0x00002F68　で表示されたセクタ番号から始まっているからです。ですから、ファイルにデータを書くには、０ｘ２Ｆ６８セクタから順に書いていけばいいことになります。ディレクトリにファイル名を書いたのは、パソコンからファイル名を指定して、読めるようにするためだけです。

小型の装置でＳＤカードにデータを書き、あとでパソコンで読み出すとき、たいてい専用ソフトを用意するので、ここでもそのような使い方ができるようにデータを書きます。もし、もっと長い名前のファイル名にしたい場合は、ファイルの先頭にその領域を決めておいて、そこに書いておけばいいことです。もちろんパソコンのエクスプローラでは読めませんが、先頭から名前を書けば、テキストエディタで簡単に確認することができます。

さてここで、今までＳＤカードの操作で使ってきた、１セクタのライトコマンド ( CMD24 ) では、ＳＤカードへの書き込み回数が、FatFs での操作よりは減るものの、ＳＤカード自体にとってはあまり関心しない書き方です。と言うのは、ＳＤカード内部では、１６ｋＢ〜１２８ｋＢぐらいの単位で消去とライトをセットにして書き換えているので、書き換えと関係ない部分が、何回も同じデータで上書きされるからです。ＳＤＨＣタイプでは、同じ場所を書き換えられる回数は、１万回程度とされています。ここで同じ場所というのは、ＳＤカードへのコマンドで指定する物理セクタのことではなく、ＳＤカード内部のマイコンが管理している同じフラッシュメモリの場所のことで、外部からは知る方法がありません。ＳＤカード内部のマイコンは、できるだけライト回数がフラッシュメモリ全体にまんべんなく行われるように管理しています。ＳＳＤでは、このことを、ウエアレベリングといって、その方法はＳＳＤの性能を左右するので機密情報のようです。ＳＤカードでも、内部の管理にときどき時間がかかることがあり、ライト後にビジーが解除されるのに２００〜３００ｍｓほどかかります。（　ＳＤカードのメーカー、スピード、容量によってかなり差が有ります　）

ＣＭＤ２５　連続ライトコマンド
ライトだけを連続で行う場合、ＣＭＤ２５でまとめて行うと、内部で定めたサイズになったときに書き換えが発生し、ＳＤカード内部での書き換え回数も減り、総合的に消費電力も少なくなります。ボタン電池で運用する場合など、電池寿命をのばせます。 ←実際に消費電流を測定してみると、ＣＭＤ２５では、ＣＭＤ２４には無かった振る舞いをして、総合的には、消費電流の時間積は増加しました。ＣＭＤ２５では、０ｘＦＣで開始するライトデータの転送が済んだあと、ＣＳをＨｉｇｈにしても、消費電流が減らず、１２ｍＡほど流れ続けてしまう結果になり、電池駆動で使う方法としては不向きだと判明しました。2012.4.8
ＣＭＤ２５では、ＳＤカードは以下のような応答をするようです。
  1. ＣＭＤ２５の送信の後、レスポンス０ｘ００を返すと次のコマンドへ。レスポンスを返すまで、内部でイレーズが発生することがあり、時間がかかることがあります。
  2. ０ｘＦＣ　を送信した後、ライトする５１２バイトを送信します。
  3. ０ｘＦＦを送信して、受信したデータのＬＳＢを０ｘ１ＦでＡＮＤした値が０ｘ０５なら次へ
  4. ０ｘＦＦを送信してレスポンスを読み、０ｘＦＦになれば次へ。これは内部での処理が済むと次のデータを送ってもよいという意味です。ここで、内部で、書くべき領域のイレーズが行われることがあります。実際にライトが行われることがあります。
  5. 次に書くべきデータが用意されていない場合、次に進みますが、まだまだデータがある場合は、今まで送ったライトデータが１６ｋｂ〜１２８ｋｂになっていれば、次に進み、そうでない場合は、データが用意できた段階で、２に戻ります。この間、このまま放置してもいいようですが、ライト終了の０ｘＦＤを送らない限り、ここで電源を切ると、今まで送ったデータは見ることができない領域に書かれているので、破棄されたのと同じです。ですから、ときどき０ｘＦＤで終了する必要があります。
  6. ０ｘＦＤを送信し、レスポンスが、０ｘＦＦになると、ライト完了です。次のライトデータがあれば、１に戻ります。この０ｘＦＤを送ると、１６ｋｂ〜１２８ｋｂ（ＳＤカードによって異なります。）に達していない場合でも、ここで内部でライトを行うようです。
ＳＤカードのコマンドの、ＡＣＭＤ１３（　ＣＭＤ５５＋ＣＭＤ１３）で、内部でイレーズされるブロックサイズ（ＡＵｓ、アロケーションユニットサイズ）を確認できますが、８ＧＢのＳＤでは、４ＭＢを示す値が（コードは０ｘ９）書かれており、４ＭＢ単位で書き換えが起こると期待しましたが、それには４ＭＢのＲＡＭが必要になり、現実的ではないので、もっと小さい単位のようです。


ＰＩＣを正規の５Ｖで動作させるため、基板を新しく作成。　↑　ここまでの解説では、ＰＩＣも３．３Ｖで動作させていた

このために、以下のような変更をしています。ＳＤカードへのＰＩＣの出力は、オープンドレインとして、信号線は４．７ｋで３．３Ｖでプルアップしています。また、ＬＣＤで文字を表示させるため、１６文字２行のＬＣＤモジュールを追加しています。（ Strawberry Linux 製 ）ＬＣＤとは、IIC 接続で、ＰＩＣからの出力はオープンドレインとし、５Ｖにならないようにしています。ＬＣＤのインターフェイスも３．３Ｖとなっているからです。

ＳＤカードとの接続 桃色は、変更したところ。
ＰＩＣ１８Ｆ２５５０ポート ＰＩＣピン番号 ＳＤカードピン番号 ＳＤカードの信号の意味 プルアップ
ＧＮＤ １９ ３と６ ＧＮＤ -
ＶＤＤ ５Ｖ ２０ ４ ＶＤＤ　３．３Ｖ -
出力（ＲＣ０） １１ ７ ＣＭＤ（ＤＩ）入力 ４．７ｋでプルアップ
入力（ＲＢ０） ２１ ２ ＤＡＴ０（ＤＯ）出力 ４．７ｋでプルアップ
ＳＣＫ　出力（ＲＢ１） ２２ ５ ＣＬＫ　入力 ４．７ｋでプルアップ
ＲＢ２　出力（ＲＢ２） ２３ １ ＣＳ　入力 ４．７ｋでプルアップ

全体の回路図は以下です。Ａ／Ｄコンバーターに接続するコネクタも追加しています。これで、充電中のニッケル水素電池、ｅｎｅｌｏｏｐ の電圧を１０ｍｓ毎にサンプルして記録を取ろうという計画です。こちらは 2012.4.1 まで表示していた誤りがあった回路図


ＬＣＤに文字を表示し、ＳＤカードを右に接続したところ。


新たに作成した基板で、ニッケル水素電池の充電中の電圧をＳＤカードに記録

記録を取ったニッケル水素電池の充電器は、ＳＡＮＹＯ製の、ＮＣ−ＭＤＲ０２という充電器です。３年ほど前に買ったものですが、現在でもほとんど同じものが売られています。ｅｎｅｌｏｏｐ　を使い出すと、他のニッケル水素電池はほとんど使わなくなりました。自己放電が少ないので、たまにしか使わないデジカメでも、しっかりと電池が残ってるので、頼もしい限りです。１００Ｖのプラグのところの特殊ねじ（ＨＤＤなどで使われているもの）を外すと、比較的簡単に開けられました。


この充電器は、マイコン制御になっていて、中には小さなスイッチング電源が入ってました。充電器の内部の電極の部分を引っ張り出します。

リード線で引っ張りだして、ＰＩＣのＡ／Ｄコンバーターのコネクタ、１番（計測電圧側　ＡＮ０）と６番（ＧＮＤ）に接続します。充電器を１００Ｖに入れて、なくなった電池を装着します。すぐに、ＰＩＣに接続したターミナルからコマンドを送ります。ＳＤカードは、あらかじめPIC18F_MON>F10 コマンドでファイル情報を初期化しておき、１６個のファイル情報を作っておきます。
ＳＤカードの初期化コマンド
PIC18F_MON>Si ここで Enter キーを押します
PIC18F_MON>Si
CMD0: 01
CMD8: 01
CMD58: 00FF8000
ACMD41: 0500
CMD58: C0FF8000
PIC18F_MON>

ＳＤの初期化をした後、ＦＡＴ３２のファイルシステム情報を読みます。
ＳＤカードのファイルシステム情報を表示する
PIC18F_MON>Sm ここで Enter キーを押します 
PIC18F_MON>Sm
MBR_start = 0x00002000, MBR_volsects = 0x00F05800
MBR partiton type = 0x0B
FAT0_start = 0x00002022, FAT_size = 0x00000783 sectors
DIR_start  = 0x00002F28, Sectors per cluster = 0x00000040
file start = 0x00002F68, FAT type   = FAT32

ここまで操作して、電圧記録タスクを起動します。
電圧記録タスクを起動します
PIC18F_MON>l3,1 ここで Enter キーを押します 
PIC18F_MON>l3,1

PIC18F_MON>
ここで、
l3.1 は、ロガーを３モード（Ａ／Ｄ読み取り、且つＳＤカードに記録）で開始し、
D0001.TXT ファイルの先頭から記録するという指示です。
タスクを起動するという呼び方は、タイマー割り込みでＡ／Ｄを読み取り、バッファーに記録し、
モニタのキー入力待ちの空き時間で、５１２バイト溜まったか否かをチェックして、
モニタ機能は残したまま、ＳＤカードに記録するからです。
もっとも、モニタで操作できるのは、その処理はメモリ操作のみが対象で、１秒以内に終わる
ものだけです。Ａ／Ｄコンバーター、ＳＤカードなどの操作はできません。

ログの終了は、
PIC18F_MON>l0 ( enter ) で、モード０を指示するだけです。この指示で、
マルチライト中のＣＭＤ２５を終了させ、書き残しデータをＳＤカードにフラッシュします。
突然電源を切ると、書き込み中の最大０ｘ２０セクタ（１６ｋＢ）が書けないことになります。


以下の写真は、充電器が充電完了になった時点を少し過ぎてから、PIC18F_MON>l0 ( enter ) でログを停止したときのもの。最終セクタが、0x130AD 最終電圧が、1494mV で止めています。sect 05 の０５は、ＣＭＤ２５コマンドで、５セクタのデータをＳＤカードに送ったという意味で、ＣＭＤ２５の終了コード、０ｘＦＤで締めくくっています。

これらのＣＣＳ用ソース f25mon_120325.cと、ヘッダファイルです。ＣＣＳは、Version 4.076
コンパイル済みの PIC18F2550 用のＨＥＸファイル。f25mon_120325.hex

実際にデータを記録すると、次のようになりました。生データではわかりにくいので、パソコンでデータ部分を実電圧に換算して、ＣＳＶに変換したものを Excel のグラフで表示させたものです。sanyocharger.pdf


押しボタンスイッチによる操作で、スタンドアロンで動作させる
ＲＳ２３２Ｃ経由でパソコンで操作できたところで、次は、パソコン無しでロガーの機能を操作できるようにします。記録したデータの解析はパソコンが無いとできませんが、記録そのものは、パソコン無し、且つ電池（単３、４個を想定）で動くと何かと便利です。電池駆動にするには、もう少し改造が必要ですが、（ニッケル水素４個で、４．８Ｖから４．２Ｖを作る回路が必要）そのまえにタクトスイッチで操作できるようにします。また、ＳＤカードの消費電流測定のため、２Ωの抵抗をＧＮＤ側に追加して、精度は低いですが、２Ω両端の電圧を測って、記録を取ってみます。ＳＤカードは、どの操作のとき電流が増えるのかを調べます。２ＧまでのＳＤカードでは、ＣＳＤのビットを見ると、最大２００ｍＡらしいのですが、ＳＤＨＣでは、ＣＳＤを読んでもその規定がありません。ＳＤカードの消費電流は、電池で運用するには見逃せないほど大きいので、実際のところを調査してみます。
以下は、タクトスイッチ４個と、１Ωの抵抗２個を付けた状態です。

データロガーでは、時間の管理精度が要求されるので、「だいたい１０ｍｓ」というこれまでの制御から、水晶の精度にまで高めるため、タイマーの扱いを変更します。タイマーのプリスケーラは、２のｎ乗倍しかできないので、次のような設定に変えます。
  1. プリスケーラを６４分周にして、16000000/4/64 --> 62500 Hz でカウンタを駆動。
  2. カウンタを１２５カウントでオーバーフローさせるため、プリセットを、256 - 125 = 131　にします。
  3. 62500/125 --> 500 Hz となって、２ｍｓで割り込みが発生します。
  4. ２ｍｓの割り込みインターバルから、最短２ｍｓから、４ｍｓ、１０ｍｓ、２０ｍｓ、５０ｍｓ、１００ｍｓ、・・・・などの選択を可能にします。
    ＳＤカードにライトするインターバルの制約を、１秒以上にするため、２ｍｓの場合は、８ビットデータになります。ＳＤカードの電流測定の場合、２Ωの抵抗の両端電圧が低いので、ＬＳＢ８ビットの記録でフルスケール０ｘＦＦを超えることはありません。
とりあえず、２ｍｓのサンプリングで、ＳＤカードの電流記録を６時間ほど取ってみると、ＫＩＮＧＭＡＸ製８ＧＢのＳＤカードでは、以下のようになりました。２ｍｓで１バイトの記録で、６時間ですから、３６００＊６＊５００−−＞１０．８Ｍバイトになりました。

記録に使ったソース。インターバルは２ｍｓ固定、８ビット記録　f25mon_120407.c　 押しボタン操作は途中
ヘッダファイル　ＨＥＸファイル。f25mon_120407.hex
２ｍｓでＳＤカードの消費電流を記録
測定の項目 測定結果
最大ピーク電流 ８７ｍＡ
通常ライト中の電流。約２ｍ秒間 約５０ｍＡ
最大ライトビジー時間／１セクタ １７０ｍｓｅｃ
データ転送中の電流 SPI 転送 約１２ｍＡ
データ転送中の時間 SPI 転送 約３２ ｍ秒／１セクタ（１秒に１回）
６時間の総合ｍＡｈ ３．１ｍＡｈ　（１１２５６ｍＡ＊秒）

記録を見ると、１セクタ書くのにＳＰＩで転送しますが、１７０ｋＨｚのソフトクロック転送で、これに約３２ｍ秒かかり、このとき１２ｍＡほど流れ、転送後に約５０ｍＡ（２ｍ秒間）流れています。その後、ＣＳがＨｉｇｈで、電流はほとんど０になります。ログでは０で詳細はわかりませんが、デジボルで測定すると約３００μＶになります。初期化後のＳＤカードのスタンバイ電流はわずかで、この例で１５０μＡです。
転送後、ライトビジーが発生しますが、この時間はほとんどが短く２ｍ〜４ｍ秒ですが、ごくたまに１７０ｍ秒かかる場合があり、このとき電流も大きくなり、平均で６０ｍＡ、最大で８７ｍＡとなります。このようなライトは、１０Ｍバイト中で、約６０回ほどありました。
以上のような結果になりましたが、ＳＤカードのメーカーによってかなりばらつきがあります。このＳＤカードでは、最大８７ｍＡでしたが、２００ｍＡ近くながれるものもあり、ボタン電池駆動の装置では対策が必要です（ＰＩＣ１８Ｆでは無理か）。それにしても、この程度のデータレート（５００バイト／秒）なら、６時間で３．１ｍＡｈぐらいだと判明しました。１６ＭＨｚで動作させるＰＩＣ１８Ｆ２５５０の消費電流よりかなり低いです。

３種類のＳＤカードで、電流を測定して、電流が増加する部分を抜き出したもの。




工事中


ＰＩＣ２４ＦＪｘｘを、無償版のＣコンパイラ、Ｃ３０で開発

ＰＩＣ２４Ｆは、マイクロチップのＭＰＬＡＢで使えるＣ３０（　オプティマイズレベルが低い、無償版のＣコンパイラでも　）で開発すると「　同等のマイコンの中でコード効率が良い　」というＷｅｂのサイトを見つけ、さっそく試してみることにしました。
以前買っておいた PIC24FJ64GB002 を使い、とりあえず簡単な基板を作成しました。 PIC24FJ64GB002 はＵＳＢのホスト機能があるのですが、とりあえずＵＳＢは使わないので、水晶は、７．３７２８ＭＨｚの発信器にしています。その他、簡易ＲＳ２３２Ｃポートを付けています。これでＣ３０を使って、簡単なプログラムのテストをしてみようと思います。なぜ７．３７２８ＭＨｚなのかは、次の説明する、ＭｉｃｒｏＣｈｉｐの評価基板と合わせるためです。それと、たまたま７．３７２８ＭＨｚの水晶発信器があったからです。この周波数だと、ボーレートがきっちり合い、タイマー割り込みもおよそではなく、きっちり合います。

マイクロチップから、２８ピンの PIC24F の スターターキットのデモソフト　から、 (16-bit 28-pin Starter development Board Software ) 16-bit 28-pin Starter Board Software v2.zip　をダウンロードしてきます。これを解凍すると、この中に、24F Project.zip　があって、これをさらに解凍すると、Eg1_BlinkLED.c　というＬＥＤ点滅と、ＲＳ２３２Ｃのテストができるソースがあります。これを改造します。

使っているのが、PIC24FJ64GB002　なので、ＰＩＣの機種をインクルードするところを変更してコンパイルするまではエラーなしでしたが、フラッシュに書こうとして、pickit2 の選択がグレーになっていて選択できない状態になっていました。サポートデバイスを確認すると、PIC24FJ64GA002 はありましたが、PIC24FJ64GB002 がありません (；´Д｀)
そこで、pickit3 に変更し、プロジェクトファイルも 変更すると、書き込みはできるようになしましたが、どうも様子がおかしいのです。動作周波数が指定通りにならず、ボーレートが合っていないのです。いろいろ試したところ、コンフィギュレーションの指定で、次の行を追加すると、やっとボーレートが合い、ＬＥＤの点滅スピードも合いました。
_CONFIG2(IESO_OFF & FNOSC_PRI & FCKSM_CSDCMD & OSCIOFNC_OFF & IOL1WAY_OFF & I2C1SEL_SEC & POSCMOD_XT);
この CONFIG2 で、FNOSC_PRI は、ＰＬＬを使わない指定です。以下は　Eg1_BlinkLED.c　を改造した、ＬＥＤ点滅と、ＵＡＲＴのテストができるソースです。水晶は７．３７２８ＭＨｚとなっています。


基板は、以下のようにＡＣアダプタの５Ｖから３．３Ｖを供給できるようにしています。４Ｈｚで割り込みが入り、ＬＥＤが点滅しています。ＵＡＲＴは、[a] をＰＩＣに送ると、["a" ] を送り返します。ＵＡＲＴの送信は、１７ピン（ＲＰ８）、受信は、１８ピン（ＲＰ９）で、評価基板に合わせています。クロックだけ、水晶振動子ではなく、発信器になっています。９ピンに入力しています。２０ピンには、１０μＦのコンデンサの＋を接続し、２０ピンをＧＮＤとしています。

この写真では、３．３Ｖ７．３７２８ＭＨｚの水晶発信器にしていますが、全体で、約９ｍＡほどです。この水晶発信器が約４．５ｍＡ（かなり古いＩＣ）は流れているので、ＣＰＵとしては、４．５ｍＡほどになります。４．９１５２ＭＨｚの振動子に変えると、約３．２ｍＡ。２．４５７６ＭＨｚで約１．７ｍＡほどの消費電流になりました。ボタン電池駆動も可能なレベルです。２Ｖ以上で動作するので、ＬＲ４４を２個か、空気電池２個で運用できそうです。

この基板に、ＳＤカード操作と、モニタを移植して操作したものが以下です。水晶は２．４５７６ＭＨｚとしています。ソースはこちら→ p24gbmon.c

最初に電源ＯＮの起動メッセージ、次が、ＳＤカード初期化 "Si" コマンド、２０００セクタを、メモリ０ｘ１０００番地にリード "Sr2000,1000,1"、メモリの０ｘ１０００番地から１２８バイトの表示 "d1000" と続きます。この操作例では KINGMAX の　microSD 8GB を使っています。０ｘ２０００セクタは、ＦＡＴ３２の情報を記録した場所になっています。


上記ＳＤカードモニタを走らせる回路図です。




６４ＧＢのＳＤカード、ＳＤＸＣを操作してみた

以前から、ＳＤＸＣ規格のＳＤカードが店頭にならべられているのを見かけましたが、何万円もするので手が出ませんでした。今日( 2012.5.20 )　KINGMAX の６４ＧＢのＳＤＸＣを見つけ、８千円台だったので、思わず衝動買いをしてしまいました。ＳＤＸＣのカードリーダーはすでにあったので、何か書けば読めるだろうと試しましたが、まず、開発に使用しているパソコンが、WindowsXP、且つＳＰ２と、骨董品みたいなので、EXFAT でフォーマットされたカードが読めず、「フォーマットしますか？」とたずねられてしまいました。写真参照。


そこで早速　MicroSoft から、EXFAT に対応したＢＩＯＳにアップグレードして、アクセスできるようになりました。ＰＩＣ２４Ｆでも試しましたが、初期化はできているようなのに、以下のように、ＣＳＤが正しく読めていない様子です。サイズがとんでもない大きさになっています。ＣＳＤ情報の、FE の右８バイト目から、01 E2 BD という数値がありますが、これがＳＤカードのサイズを示しており、0x1E2BD x 512kB がサイズのはずです。計算すると、６１ＧＢほどになります


ＰＩＣ２４Ｆのモニタを調べると、ＳＤＸＣのサイズになると、正しく計算されていないことがわかりました。修正後のモニタのソースはこちらです→ p24gbmon_sdxc.c
修正後のモニタで、操作した例が以下です。０セクタ、０ｘ８０００セクタを読んで表示させ、その後、0x78A7800 セクタの先頭から０，１，２，３と書いて、読めるかを確認しています。




工事中


ＲＸ６２Ｎ　こちらは随時追加→ＲＸ６２ＮのＳＰＩでＳＤカードを制御
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