【コラム】

セカンド・オピニオン

370 MCUで遊ぼう(18)

大原雄介  [2011/03/22]

370/421

このたびの震災にあわれた皆様にはお見舞い申し上げます。余りたいしたことも出来ませんが、募金や節電の形での貢献はさせていただきたいと存じます。

*****

ということで、今回からはソフトウェア編である。まずはArduinoのSketchの紹介である。List 1が初期化ルーチン、List 2がメインルーチンとなる。いきなり複雑になるので、順を追って説明する。

まずこのSketchが何を行っているか、である。図1は、ソフトウェアから見た今回のシステム全体である。PC側は立ち上がると、Windowsのサービスとして用意されているPerformance CounterからCPU #0~#3の利用率を取得し、これを文字列(たとえば56%なら、"56"という文字列)に変換する。変換した文字列を画面に表示も行ったりしつつ、一定間隔毎にこの数字を仮想RS232Cポート経由でArduinoに送り出す。こう書くとえらく単純であるが、実際はちょっと面倒な話があったりするが、それはArudinoの後でゆっくり解説することにする。

図1

一方Arduinoであるが、まずRS232Cポートからテキストを受け取ることになる。ただArduinoの場合、一度に受け取れる文字は1回につき1Byte(=1文字)となる。だから、たとえば4つのCPUの負荷を表示する場合、最低でも4Bytes(このあたりは後述)の文字を受け取ることになる。なので、1回分(全CPU分)のデータを全部受け取り終わるまで何回かループして受信を繰り返すことになる。これを取得し終わったら、初めてバッファの内容をLEDの表示On/Offのパラメータに変換し、その後はループさせながら80個のLEDを順に表示する、ということになる。

さて、以下もう少し細かく。まずRS232Cポート経由での通信である。今回の場合、1CPUあたり20個のLEDを割り当てる形になるので、一応四捨五入ということで、

CPU負荷 点灯個数
0%~2.5% 0
2.5%~7.5% 1
7.5%~12.5% 2
12.5%~17.5% 3
17.5%~22.5% 4
22.5%~27.5% 5
27.5%~32.5% 6
: :
92.5%~97.5% 19
97.5%~100% 20

となるようにWindows側のプログラムで設定し、この点灯個数である0~20という数字をRS232C経由で送ることにしている。問題はこれをどう送るか、だ。プログラムというかデバッグで見やすい方法は、全部2桁の数字にしてしまうことだ。つまり0ならば"00"、1ならば"01"という調子で"00"~"20"までを送ればよい。が、これでは無駄に通信データ量が増えてしまう。もともと通信はASCIIコードで行っており、1Byteで0~255までを表現できるわけで、これを使わないのは無駄である。そんなわけで実際の転送では、

点灯個数 送信コード
0 '0'(0x30)
1 '1'(0x31)
2 '2'(0x32)
3 '3'(0x33)
4 '4'(0x34)
5 '5'(0x35)
6 '6'(0x36)
7 '7'(0x37)
8 '8'(0x38)
9 '9'(0x39)
10 ':'(0x3A)
11 ';'(0x3B)
12 '<'(0x3C)
13 '='(0x3D)
14 '>'(0x3E)
15 '?'(0x3F)
16 '@'(0x40)
17 'A'(0x41)
18 'B'(0x42)
19 'C'(0x43)
20 'D'(0x44)

を送るようにした。0~9はASCIIテキストそのままである。で、10以降は(「ASCIIコード表」を検索してみて頂ければわかるが)'9'の後に続く文字をそのままずーっと並べただけである。こうすることにより、受信した値から0x30(10進数の48:要するに'0'のASCIIコードの値)を引くと、その結果が点灯個数として計算できるわけだ。

これ以外に、実はもう一つスペシャルコードが仕込んである。それは小文字の'z'(ASCIIコードでは0x7A=十進数で122)である。これは何か? という話は受信速度と処理性能に関係してくる。今回の場合、9600bpsでの転送をデフォルトとしており、これは毎秒1200文字に相当する。つまり文字はおおむね1ms弱の間隔で1文字づつ送られる計算になる。この1ms、という時間はArduinoにとってはかなり長い時間間隔であり、1文字受け取ってから次の文字を受け取るまでの間に、LEDの表示を数十回行うのも容易である。この結果として、たとえばPC側が"20% 15% 20% 30%"というCPU負荷だったとして、これを表示するために"4346"という文字列を送った場合を考える。直前が全部消灯状態だとすると、Arduinoは、

(1) 初期状態は0/0/0/0で、全部消灯状態
(2) まず先頭の"4"を取得し、4/0/0/0と点灯する
(3) 2つ目の"3"を取得し、3/4/0/0と点灯する
(4) 3つ目の"4"を取得し、4/3/4/0と点灯する
(5) 4つ目の"6"を取得し、6/4/3/4と点灯する

ことになり、無駄にちらつくことになる。これを避けるため、4つのCPUの負荷を示す文字の後に小文字の'z'を負荷し、実際には"4346z"という5バイトの文字列を送るようにした。Arduinoはこの'z'を受信するまで、LEDの表示を更新しないようにする。これにより

(1) 初期状態は0/0/0/0で、全部消灯状態
(2) まず先頭の"4"を取得するが、LEDは0/0/0/0の消灯状態
(3) 2つ目の"3"を取得するが、LEDは0/0/0/0の消灯状態
(4) 3つ目の"4"を取得するが、LEDは0/0/0/0の消灯状態
(5) 4つ目の"6"を取得するが、LEDは0/0/0/0の消灯状態
(6) 最後の"z"を取得し、LEDは6/4/3/4と点灯する

という形になり、無駄にちらつかないようになった。

ということで今回はリストの説明まで行かなかったが、とりあえず通信プロトコル周りの説明は無事に済んだ。次回はもう少しリストを追いながら説明する。

List 1:

#define WAIT_LED  200
#define BAUDRATE  9600 /* 通信ボーレート */

int  ReceiveBuf[4]; /* USB経由で受信したデータのバッファ */
int  DisplayBuf[8]; /* データ表示用バッファ */
/* 出力ポートとLEDの位置関係を記述 */
char PosX[10] = { 2, 3, 4, 5, 6, 7, 9, 8,10,11 };
char PosY[8]  = { 12,13,14,15,16,17,18,19 };

void setup()
{
  int lpCnt;

  for( lpCnt = 2; lpCnt < 12; lpCnt++ )
  {
    pinMode(lpCnt, OUTPUT);  /* #2~#11までをDigital Outに設定 */
    digitalWrite(lpCnt, LOW); /* 全部Lowに設定=消灯 */
  }

  for( lpCnt = 12; lpCnt < 20; lpCnt++ )
  {
    pinMode(lpCnt, OUTPUT);  /* #12~#19までをDigital Outに設定 */
    digitalWrite(lpCnt, HIGH); /* 全部Highに設定=消灯 */
  }

  Serial.begin( BAUDRATE );  /* USB経由の通信初期化 */

  /* 表示用受信バッファの初期化 */
  for( lpCnt = 0; lpCnt < 4; lpCnt++ )
  {
    ReceiveBuf[lpCnt] = 0;  /* データ無し */
    DisplayBuf[lpCnt] = 0;  /* データ無し */
  }
}

List2:

void loop()
{
  int lpCnt, lpCnt2;
  int readBuf;         /* 受信データを一時的に受けるバッファ */

  while( Serial.available() > 0)  /* データ到着なら受信を行う */
  {
    readBuf = Serial.read();  /* まず1Byte読み込み */
    if (readBuf == 122)  /* 小文字の"z"が来た */
    {
      for ( lpCnt = 0; lpCnt < 4; lpCnt++ )
      {
        if(ReceiveBuf[lpCnt] < 11)
        {
          DisplayBuf[lpCnt*2] = ReceiveBuf[lpCnt];
          DisplayBuf[lpCnt*2+1] = 0;
        }
        else
        {
          DisplayBuf[lpCnt*2] = 10;
          DisplayBuf[lpCnt*2+1] = ReceiveBuf[lpCnt] -10;
        }
      }
    }
    else
    {
      /* 桁送り */
      ReceiveBuf[3] = ReceiveBuf[2];
      ReceiveBuf[2] = ReceiveBuf[1];
      ReceiveBuf[1] = ReceiveBuf[0];

      if ((readBuf > 47 ) && ( readBuf < 69 ))  /* 読み込んだのは0~'D'の範囲か? */
      {
        ReceiveBuf[0] = readBuf-48;  /* 数字ならその値を格納 : atoi()の代わり */
      }
      else
      {
        ReceiveBuf[0] = 0;  /* それ以外なら無条件で0 */
      }
    }
  }

  /* LED点灯 */
  for (lpCnt = 0; lpCnt < 8; lpCnt++)
  {
    digitalWrite( PosY[lpCnt], LOW );
    for (lpCnt2 = 0; lpCnt2 < DisplayBuf[lpCnt]; lpCnt2++)
    {
      digitalWrite( PosX[lpCnt2], HIGH );
    }
    delayMicroseconds( WAIT_LED ); 
    for (lpCnt2 = 0; lpCnt2 < DisplayBuf[lpCnt]; lpCnt2++)
    {
      digitalWrite( PosX[lpCnt2], LOW );
    }
    digitalWrite( PosY[lpCnt], HIGH );
  }
}

(続く)

370/421

インデックス

連載目次
第421回 MCUで遊ぼう Part2 (12)
第420回 MCUで遊ぼう Part2 (11)
第419回 MCUで遊ぼう Part2 (10)
第418回 MCUで遊ぼう Part2 (9)
第417回 MCUで遊ぼう Part2 (8)
第416回 MCUで遊ぼう Part2 (7)
第415回 MCUで遊ぼう Part2 (6)
第414回 MCUで遊ぼう Part2 (5)
第413回 MCUで遊ぼう Part2 (4)
第412回 MCUで遊ぼう Part2 (3)
第411回 MCUで遊ぼう Part2 (2)
第410回 MCUで遊ぼう Part2 (1)
第409回 MCUで遊ぼう(57)
第408回 MCUで遊ぼう(56)
第407回 MCUで遊ぼう(55)
第406回 MCUで遊ぼう(54)
第405回 MCUで遊ぼう(53)
第404回 MCUで遊ぼう(52)
第403回 MCUで遊ぼう(51)
第402回 MCUで遊ぼう(50)
第401回 MCUで遊ぼう(49)
第400回 MCUで遊ぼう(48)
第399回 MCUで遊ぼう(47)
第398回 MCUで遊ぼう(46)
第397回 MCUで遊ぼう(45)
第396回 MCUで遊ぼう(44)
第395回 MCUで遊ぼう(43)
第394回 MCUで遊ぼう(42)
第393回 MCUで遊ぼう(41)
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第391回 MCUで遊ぼう(39)
第390回 MCUで遊ぼう(38)
第389回 MCUで遊ぼう(37)
第388回 MCUで遊ぼう(36)
第387回 MCUで遊ぼう(35)
第386回 MCUで遊ぼう(34)
第385回 MCUで遊ぼう(33)
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第380回 MCUで遊ぼう(28)
第379回 MCUで遊ぼう(27)
第378回 MCUで遊ぼう(26)
第377回 MCUで遊ぼう(25)
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