INDEX(各項目ごとの目次)

[HOME]  [Processing関係]  [Arduino関係]  [マテリアル関係]  [秋葉原工作マップ]

2008年用ですが、部分的に内容を更新しています(2010/06/14)。
また、[建築農業工作ゼミ2009-2010]とも連動していますので、そちらにも幾つかサンプルがあります。
:

8/30/2008

Arduino タッチパネル(4線式)4-wire touch panel

*Some are written in English at the moment(sorry not all of them...)
This example shows how to use a touch panel/screen with an Arduino board plus a serial communication to a Processing program, which draws where to touch on the touch panel.
This is not about a multi-touch function, only single point on the touch panel can be detected.

今回は、4線式のタッチパネルをArduino基盤に接続し操作実験してみたいと思います。
タッチパネルには、4線式や5線式という比較的簡単な構造になっているものがあります。今回使うタッチパネルは、指先やペン先で触れた一点の位置(X座標値とY座標値)を検出可能にするものです(複数の点を同時検出可能なマルチタッチではありません)。
基本的には、X座標に2線、Y座標に2線あり、合計4線あります。手順としては、まずX座標を検出、そしてY座標を検出というように別々(交互)に行います。タッチパネル自体がX座標用とY座標用に対応した2層の抵抗になっており、X座標(横方向)だけで考えれば、タッチパネルの左端に0V、右端に5Vを接続しておいて、指先で触れた箇所で分圧される仕組みになっています。つまり、X座標の左に行くほど0Vに近く、中心に触れれば約2.5V、右に行くほど5Vに近い電圧が読み取れることになります。X座標を読み取る際には、使用していないY座標の2線のうちの1本を使います。X座標を検出したら、検出対象をY座標に切り替えて同様の方法で検出を続けます。下の図では、タッチパネルの2層あるうちのX座標用の層を押せば、下にあるY座標用の層と接触し、その地点での分圧された電圧の値をY座標用の層から読み込むことができます。
There are two layers of conductive films on a 4-wire touch panel, the one for x-coordinate and the other for y-coordinate. Each layer is connected to GND and 5V on the egdes. Pressing the x-coordinate layer with your finger, then the x-coordinate layer will contact to the other layer(y-coordinate layer) underneath. At this moment the voltage is devided at the point where the two layers are touching, and the devided valtage can be read from the edge of the y-coordinate layer(the y-coordinate layer is working as a conductive film for the x-coordinate film at this time).



Arduino基盤との接続は、以下のようにアナログ入力の0〜3番ピンに接続することにします(X座標用に0番ピンと1番ピン、Y座標用に2番ピンと3番ピンを使用)。通常タッチパネルなどの薄型の機器にはFPC(フレキシブルプリント基板)/FFC(フレキシブルフラットケーブル)の端子がついています。Arduino基盤からのワイヤーと接続するためにはFFC用コネクタを介して接続します(直接ハンダ付けできないので)。
X座標を計測中にはyLowの端子からX座標の分圧された電圧を読み取るので(Y座標を計測中にはxLowの端子で読み取る)、タッチパネル上に何も触れていない時は、xLow端子に0Vが接続されるようにするため、プルダウン抵抗を接続しておきます(xLowやxHighとyHighにもプルダウン抵抗をつけておきます)。


Needs a pull-down resistor for each wire from the touch panel.

処理の手順は、まずX座標(横方向)の検出を行う際には、アナログ入力の「0番ピンと1番ピン」を「14番ピンと15番ピン」としてデジタル出力に切り替え、14番ピンを0V(LOW)、15番ピンを5V(HIGH)で出力しておきます。そして、Y座標用のアナログ入力2番ピンを通してanalogRead()で値を読み込みます。読み込まれた値は、X座標の値になります。このとき、Y座標用のアナログ入力「2番ピン」がデジタル出力にならないように「16番ピン」として予めデジタル入力にしておきます。「3番ピン」も同様に「17番ピン」としてデジタル入力にしておきます。
Y座標(縦方向)の検出の際には、アナログ入力の「2番ピンと3番ピン」を「16番ピンと17番ピン」としてデジタル出力に切り替え、16番ピンを0V(LOW)、17番ピンを5V(HIGH)で出力しておきます。X座標用であった「14番ピンと15番ピン」をデジタル入力に切り替えておいてから、アナログ入力「0番ピン」を通してY座標の値をanalogRead()で読み込みます。このように1ループのなかで、X座標とY座標の検出処理を順番に行い、それぞれの座標値を得ます。
Basically using the analog pins 0,1,2,3 on an Arduino board, those pins can be both analogRead pins and digitalWrite pins(in this case:pin numbers are 14,15,16,17) depending on setting.
First, to read an x-coordinate value, set the pin14 as 0V(LOW) and the pin15 as 5V(HIGH), then the rest of the pins(either of 16 and 17) can be analogRead pins. Next, to read a y-coordinate value, set the pin16 as 0V(LOW) and the pin16 as 5V(HIGH), then read the value from either of the pin14 and the pin15. Reading the both value one after another then send them through a serial communication to Processing.

//デジタル出力用ピン番号の定義:the digital output pins
#define xLow  14
#define xHigh 15
#define yLow  16
#define yHigh 17

void setup(){
  //シリアル通信開始:start serial communication
  Serial.begin(9600);
}

void loop(){
  //X座標用端子をデジタル出力に設定し、それぞれをLOWとHIGHで出力しておく
  //set the both x-coordinate pins as digital output:one is Low the other is HIGH  
  pinMode(xLow,OUTPUT);
  pinMode(xHigh,OUTPUT);
  digitalWrite(xLow,LOW);
  digitalWrite(xHigh,HIGH);

  //Y座標用端子をLOWにしておく:the both y-coordinate pins are set to be LOW
  digitalWrite(yLow,LOW);
  digitalWrite(yHigh,LOW);

  //Y座標用端子をデジタル入力に設定:change the y-coordinate pins as digital input
  pinMode(yLow,INPUT);
  pinMode(yHigh,INPUT);
  delay(10);

  //アナログ入力2番ピン(yLowピン)で読み込み
  //read analog pin2(yLow pin) to get an x-coordinate value
  int x=analogRead(2);
  
  //Y座標用端子をデジタル出力に設定し、それぞれをLOWとHIGHで出力しておく
  //set the both y-coordinate pins as digital output:one is Low the other is HIGH 
  pinMode(yLow,OUTPUT);
  pinMode(yHigh,OUTPUT);
  digitalWrite(yLow,LOW);
  digitalWrite(yHigh,HIGH);

  //X座標用端子をLOWにしておく:the both x-coordinate pins are set to be LOW
  digitalWrite(xLow,LOW);
  digitalWrite(xHigh,LOW);

  //X座標用端子をデジタル入力に設定:change the x-coordinate pins as digital input
  pinMode(xLow,INPUT);
  pinMode(xHigh,INPUT);
  delay(10);

  //アナログ入力0番ピン(xLowピン)で読み込み
  //read analog pin0(xLow pin) to get an y-coordinate value
  int y=analogRead(0);

  if(Serial.available()>0){
    //文字列でシリアル通信:send the values as a DEC format with a delimiter
    Serial.print(x,DEC);   //X座標:x-coordinate
    Serial.print(",");     //デリミタ:delimiter
    Serial.println(y,DEC); //Y座標:y-coordinate

    //合図用信号読み込みでバッファを空にする
    //read a handshake signal from Processing and clear the buffer
    Serial.read();
  }
}

今回実験で用いたタッチパネルは、12.1インチのサイズ(横:縦=4:3)であり、指先で触れた位置が
パネル左端: 70 :a minimum value when touching the left edge of the touch panel
パネル右端:781 :a maxmum value when touching the right edge of the touch panel
パネル上端: 81 :a minimum value when touching the upper edge of the touch panel
パネル下端:822 :a maxmum value when touching the lower edge of the touch panel
の値として検出されました。パネルに触れないときには、プルダウン抵抗により0が出力されます(以下Processingのプログラムでは、XとYの読み取り値が10以上のときタッチしていることとして判別しています)。
In this example, I used a 12.1-inch(width:height=4:3) touch panel.
When touching each edge of the touch panel, the values are like the above.
When not touching the touch panel, you can read zero value from the analog pins because of the pull-down resistors.

それでは、座標値をProcessingへシリアル通信し、Processingの画面上に描画することにします。Processingへは、座標値を文字列として送信することにします(文字列のシリアル通信については「Arduino-Processing シリアル通信5」を参照して下さい。Processing側では、タッチパネル上の指先の動きに合わせて円が動くようにします。タッチパネルに触れている時といない時では円の色が変化するようにします。「s」キーを押してシリアル通信開始です。
The below Processing code is that:
a circle on the screen moves and follows where to touch on the touch panel,
the color of the circle changes depending on touching or not touching.
*Press 's' key to start the serial communication with the Arduino.

//シリアルライブラリを取り込む
import processing.serial.*;
//シリアル通信用インスタンスportを用意
Serial port;

//読み込み値の変数を用意:variables for data from the Arduino
int x,y;
//座標用変数を用意:variables for xy-coordinates to draw a circle on the screen
float xPos,yPos;

void setup(){
  //画面サイズ設定
  size(800,600);
  smooth();
  //シリアルポート設定
  port = new Serial(this,"/dev/tty.usbserial-A4001Kjl",9600);
  //「10」(ラインフィード)が来る度に
  //serialEvent()を作動させる
  port.bufferUntil(10);
  background(0);
  stroke(255); 
}

void draw(){
  //背景描画(黒)
  background(0);

  if(x>10 && y>10){//タッチしている時:when touching
    //塗り色を白にする
    fill(255);
    //読み取り値を座標にマッピングする
    xPos=map(x,70,781,0,width);
    yPos=map(y,81,822,0,height);
  }else{//タッチしていない時:when not touching
    //塗り色を黒にする
    fill(0);
  }

  //マッピングした座標を代入し円を描写:draw a circle
  ellipse(xPos,yPos,20,20);
}

//シリアル通信:serial communication
void serialEvent(Serial p){
  //文字列の変数stringDataを用意し「10」(ラインフィード)が来るまで読み込む
  String stringData=port.readStringUntil(10);

  //文字列データが空ではないとき
  if(stringData!=null){
    //文字列データに含まれる改行記号を取り除く
    stringData=trim(stringData);

    //整数型の配列data[]を用意し、
    //コンマ記号をもとに文字列データを区切って
    //配列data[]に整数化して入れておく
    int data[]=int(split(stringData,','));

    //配列data[]内のデータが2つなら、
    if(data.length==2){
      //最初のデータをxに代入
      x=data[0];
      //次のデータをyに代入
      y=data[1];

      //合図用データ送信:send a handshake signal
      port.write(65);
    }
  }  
}

//キー「s」が押されたら通信開始
void keyPressed(){
  if(key=='s'){
    //開始用データ送信:send a first handshake signal
    port.write(65);
  }
}

Arduinoから送られてくるXY座標値をmap()をつかってProcessingの画面上のXY座標値に対応させます。今回の場合、読み取りの最小値(70,81)を画面上の(0,0)に、読み取りの最大値(781,822)を(width=800,height=600)に対応させます。

通常タッチパネルはモニターと一体型になっていますが、タッチパネルだけを用いて透明で平面的な入力デバイスとして利用することも考えられます。仕組みはそれほど複雑ではないので、中古やジャンクのタッチスクリーンなどを分解して手に入れてもいいかもしれません。

以下のサイトでは、タッチパネルの構造や仕組みについて説明してあります。Other sites explaining about touch panels/touch screens.
グンゼ/タッチパネル製造
DMC/タッチパネル製造

また、以下のようなタッチパネル製品/部品などもあります。Shops selling touchpanel parts.
aitendo/タッチパネル部品販売
ストロベリーリナックス/PSP用タッチパネル
スイッチサイエンス/NintendoDSタッチスクリーン
Liquidware/Arduino TouchShield
Sparkfun/OLED+Touchscreen
iPodパーツショップ/iPhone 3G タッチスクリーン(部品)



Logitec USB対応15型タッチパネル LTP-15U
ロジテック (2004-10-31)
売り上げランキング: 13452

8/23/2008

Arduino 距離センサ/超音波レンジファインダー

今回は、Parallax社の超音波レンジファインダー「PING)))」で距離の計測実験を行います。距離センサとして、以前に赤外線で検出する「GP2Y0A21YK」を扱いましたが、「PING)))」は超音波を使って検出するタイプです。測定距離は3cm〜3.35mとなっているので、「GP2Y0A21YK」(測定距離10cm〜80cm)より測定範囲の幅はあります。「GP2Y0A21YK」は、信号端子をPWM端子に接続しanalogRead()によって簡単に読み込みが可能ですが、「PING)))」では1本の信号端子(SIG)に対してパルスを用いて測定します。まず「PING)))」から超音波を発します(5マイクロ秒間)。その超音波が物体に当たれば反射して戻ってくるので、戻ってくるまでの時間を計測し、音速と時間の関係から距離を導き出します。
サンプルソースがArduinoサイトのPlaygroundLearning>Examples>Complex Sensorsの中にあります。前者はpulseIn()を使って反射波の時間を計測しており、後者は変数を用いて時間をカウントしています。今回は前者のpulseIn()を用いた方法を参考にします。pulseIn()の場合は、unsigned long(正の整数値:0〜4,294,967,295までの値)の変数タイプを用います。尚、接続方法は以下の通りです。




//反射波の変数を用意
unsigned long echo = 0;
//信号ピンを9番ピンに設定
int signalPin = 9;

void setup(){
//出力用にシリアル通信開始
Serial.begin(9600);
}

void loop(){
//まず信号ピンを出力に設定(発信用)
pinMode(signalPin, OUTPUT);
//2マイクロ秒間LOWで出力
digitalWrite(signalPin, LOW);
delayMicroseconds(2);
//5マイクロ秒間HIGHで出力
digitalWrite(signalPin, HIGH);
delayMicroseconds(5);//超音波発信
//信号ピンをLOWに戻す
digitalWrite(signalPin, LOW);

//信号ピンを入力に設定(受信用)
pinMode(signalPin, INPUT);
//信号ピンをHIGHに設定
digitalWrite(signalPin, HIGH);
//反射波が戻ってくるまでの時間を計測し
//片道の時間(半分の値)にする
echo = pulseIn(signalPin, HIGH)/2;
//ミリメートル単位に変換
int distance = echo*0.34442;

//距離を出力
Serial.println(distance);
delay(250);
}


PING)))」では、ひとつの信号端子(SIG)だけで超音波の発信と受信を切り替えて制御する必要があります。まず最初に信号端子をLOWに設定(2マイクロ秒程度)しておき、その後5マイクロ秒間HIGHにすると、超音波が発信します。その後、物体に反射して戻ってくる超音波を感知させるために、信号端子を「デジタル出力」から「デジタル入力」に切り替えます。「デジタル入力」に切り替えられた信号端子は、反射波を受信するとHIGHになります。反射波がなくなればLOWになるので、それまでの継続時間をpulseIn()でカウントします。pulseIn()の括弧内には、ピン番号とHIGHかLOWの値を入れます。HIGHを入れれば、そのピンがHIGHになるまで待機し、HIGHになったときに時間(マイクロ秒単位)の計測を開始し、次にLOWになるときに時間の計測を終了します。今回の場合は、発信した超音波が反射して戻ってくるまでの時間を計測してくれることになります。計測した時間は超音波が往復して戻ってくるまでの時間なので、計測時間の半分が実際の距離に要した時間となります。音速は344.42m/secなので、1マイクロ秒で0.34442mmの距離を進むことになります。従って、pulseIn()で求めた時間(往復)を片道分の時間にするため2で割り、0.34442をかければミリメートル単位で出力することになります。

8/20/2008

Arduino モータドライバ+モータ

以前「Arduino 小型DCモータ/TA7291P」で、モータドライバICのTA7291Pを用いてDCモータの制御を行いました。TA7291Pは、許容電流は1.0A(最大2.0A)なので小型のDCモータ向きでした。より大きなモータを制御するには、以下のようなモータドライバあるいはモータコントローラなどがあります。Arduino基盤に対して、電圧、電流ともに許容値を超えるため、モータ駆動用外部電源が必要になります。


東芝 TA7291P


東芝 TA8440HQ:PWM端子付きブリッジドライバIC


NEC UPD16805:モータドライブ用IC


東芝 TA8429HQ


STマイクロエレクトロニクス L6203


「モータドライバIC」
TA7291P :連続1.0A(最大2.0A):モータ用電源 0~20V
TA7279P :連続1.0A(最大3.0A):モータ用電源 0~16V(PWM端子なし)
TA8440HQ:連続1.5A(最大3.0A):モータ用電源 0~50V
UPD16805:連続1.0A(最大4.2A):モータ用電源 0.5~8.0V
TA8429HQ:連続3.0A(最大4.5A):モータ用電源 7~27V
L6203 :連続4.0A(最大5.0A):モータ用電源 12~48V
TB62300F:連続2.5A(最大8.0A):モータ用電源 18~40V

「モータドライバボード」
Poloru VNH3SP30:連続9A(最大30A) :モータ用電源最大30V
Poloru VNH2SP30:連続14A(最大30A):モータ用電源最大19V

「モータコントローラ」
SyRen10 :連続10A(最大15A) :モータ用電源 6~24V
SyRen25 :連続25A(最大45A) :モータ用電源 6~24V
Pololu SMC04 :最大30A  :モータ用電源 6~18V
KONDO UMD-540S:50A以下:モータ用電源 4.8~12V

「デュアルモータコントローラ(モータ2個制御)」
Sabertooth2x5 :連続5A(最大10A) :モータ用電源 6~18V
Sabertooth2x10 :連続10A(最大15A):モータ用電源 6~24V
Sabertooth2x25 :連続25A(最大50A):モータ用電源 6~24V

「ラジコンカー用スピードコントローラ/アンプ」
FUTABA MC230CR 連続45A(最大90A) :モータ用電源7.2V〜8.4V
FUTABA MC330CR 連続100A(最大200A):モータ用電源7.2V〜8.4V
KONDO VFS-FR 連続240A(最大960A):モータ用電源7.2V〜8.4V


連続アンペア数は、PWM制御など使わず直接連続運転したときの許容値になります。ArduinoのanalogWrite()やパルスを生成してPWM制御するならば、最大アンペア数近くまで出力可能になります。ただし、ドライバによって性質が異なるので、ゆとりを見ておいたほうがいいでしょう。あまりにも発熱しすぎる場合は、放熱器をドライバ本体に取付ける必要があります。

大抵のモータドライバやモータコントローラなどには、
・回路用電源端子(5V/Arduino基盤5V端子へ)
・モータ用端子(2端子/モータへ接続)
・外部電源端子(モータ駆動用電源/GNDは他と共有)
・GND共有端子(Arduino基盤GND端子と共有)
・正転/逆転/停止など切替用信号端子(2端子/Arduino基盤へ)
・PWM用端子(Arduino基盤PWM端子へ)
がついているはずなので、接続方法はほぼ共通しています。


ラジコン用アンプについて
ラジコンカー用スピードコントローラ(アンプ)の場合、レース用のものは「バックなし(前進のみ)」が多いため、「バック付き(前進/後進)」かどうかを確認する必要があります。


フタバ MC231CR アンプ【送料無料】


フタバ MC331CR アンプ【送料無料】


【ラジコン RCパーツ】KO PROPO【ESC(アンプ)】VFS-FRバック付きVFS

アンプ本体には、
・モータ用端子(2端子/モータへ接続)
・外部電源端子(モータ駆動用電源/ラジコン用7.2Vバッテリーなどへ接続)
・3本線
  回路用電源:赤(Arduino基盤5V端子へ)
  GND:黒(Arduino基盤GNDと共有)
  信号線:白(Arduino基盤PWM端子へ)
がついています。ArduinoのanalogWrite()で、PWMピンと信号線(白)を接続して(サーボをPWM制御するような方法)、スピード調整/正転/反転/停止できます。analogWrite()の括弧内の値(0〜255)を中点(127前後)にすると停止状態になるはずです。
あるいは、Arduinoのサーボライブラリのservo.write()を使って0~180の範囲(90が中点)で制御することができるはずです。

上記以外に、MOS-FETを用いてモータドライバを自作する方法もあります。


一般的な模型用モータ
モータについては、一般的なラジコンや模型用(マブチモータ)のものであれば、以下のようなものが挙げられます。

FA-130RA:1.5V時/最大効率時電流0.66A/瞬間最大電流2.20A
RE-140RA:1.5V時/最大効率時電流0.66A/瞬間最大電流2.10A
RE-260RA:3.0V時/最大効率時電流0.64A/瞬間最大電流2.70A
RE-280RA:3.0V時/最大効率時電流0.87A/瞬間最大電流4.70A
RS-380PH:7.2V時/最大効率時電流3.23A/瞬間最大電流14.9A
RS-540SH:7.2V時/最大効率時電流4.57A/瞬間最大電流22.2A

最大効率時電流は、通常時の電流とみなしてもいいでしょう。瞬間最大電流は、急停止や逆転時など様々な負荷がかかった時(負荷をかけて停止した時)の電流値です。一定の速度で回転しているようなものであればいいのですが、回転方向や速度を変化させるような場合は、瞬間最大電流を考慮にいれる必要があります。その場合は瞬間最大電流を許容できるモータドライバが必要になります。

上記のモータにギヤヘッドが取付けてある「タミヤ・ギヤードモータ」シリーズは、比較的高トルクが得られます。380モータであれば、7.2V電源で瞬間最大電流が14.9Aなので、上記モータドライバICでは許容アンペア数が低すぎるため、最低でも15Aまで耐えられる「SyRen10」などが必要になるでしょう。540モータであれば、7.2V電源使用時なら22.2A以上、12V電源使用時なら37A以上耐えられるモータコントローラ「SyRen25」などが必要になるでしょう。
小型のモータであれば、「タミヤ・テクニクラフト」シリーズのギヤボックスなどがあります。

尚、モータのデータシートには「性能線図」と呼ばれる表が掲載されている場合があります。この表を用いて、モータの特性を調べることができます。マブチモータのサイトには性能線図の分かりやすい説明があります。


大型のモータ(その他モータの種類についてはこちら
人を動かすことができる大型のモータであれば、以下のようなものがあり、専用のモータドライバユニットにArduinoを接続しPWM制御可能です。
オリエンタルモータ BLHシリーズ/100W/DC24V(このモータを使った説明
また、以下のようなロボット用/精密機械用のモータであれば、小型なものから大型のものまであります。
マクソンモータ(スイス製)
光進電気工業(ファールハーバー/ドイツ製)
ツカサ電工


松下電器産業 ギアーヘッド

8/18/2008

Arduino デジタルコンパス/HMC6352

デジタルコンパス(方位センサ)によって、物体の方位を磁気的に調べることができます。Arduinoで制御可能あるいは入手しやすいデジタルコンパスとして幾つか以下に挙げておきます。

デジタルコンパスの種類:
・「RDCM-802」(秋月電子:¥3400
・「HMC1052L」(Sparkfun:$24.95ストロベリーリナックス:¥3480
・「HMC6352」(Sparkfun:$59.95ストロベリーリナックス:¥7350スイッチサイエンス:¥6980
・「HM55B(日立製)」(Parallax:$29.99日本マイクロボット教育社:¥4450
・「CMPS03」(RoboticsConnection:$55)

それぞれの性能など:
「RDCM-802」は、3ビットの信号で8方位の解像度しかないので、大体の向きを調べるくらいしかできません。
「HMC1052L」は、ArduinoのanalogRead()で入力すれば10ビット(1024段階)の解像度が得られます。
「HMC6352」は、I2C通信で0.0〜359.9度(0.1度ずつ)の分解能があります。
「HM55B」は、シリアル通信で11ビット(2048段階)の解像度が得られます。
「CMPS03」は、I2C通信で3600の分解能。

サンプルソースについて:
「HMC6352」については、WiringのExamplesのサイトにサンプルソース(Standbyモード)があり、I2C通信のライブラリを用いればArduinoでも使用可能になります。ArduinoのPlaygroundにもサンプルがあります。
「HM55B」については、ArduinoのPlaygroundのサイトにサンプルソースがあります。
「CMPS03」については、Arduino用のライブラリがあります。

HMC6352の使い方:
今回は、「HMC6352」デジタルコンパスモジュールの実験をしてみます。
「HMC6352」は、I2C通信で方位データを得るので、I2C通信のライブラリを用います。ライブラリを取り入れるには、メニューバーのSketch>Import Library>Wireを選択することで「#include <Wire.h>」の一文が自動的にプログラムを書く欄に挿入されます。ArduinoでのI2C通信は、SDA端子(データ用端子)はアナログ入力の4番ピン、SCK端子(クロック用端子)はアナログ入力の5番ピンに限定されます。「HMC6352」は、5V電源でも許容範囲ですが今回は3.3Vを使用することにします。接続方法は以下の様になります。



アドレスについて:
I2C通信では、マスターデバイスとスレーブデバイスという関係性があります。マスターデバイスには複数のスレーブデバイスが接続できるメリットがあり、複数のスレーブデバイスはマスターデバイスから制御されることになります。今回の場合は、Arduino基盤がマスターデバイス、HMC6325がスレーブデバイスになります。複数のスレーブデバイスが接続可能であるため、スレーブデバイス側にはどのデバイスであるかを識別するためのアドレスが必要となります。データシートによれば、HMC6325のデフォルトのアドレスは16進数の「0x42」であり、今回はこのアドレスを使うことにします。ただし、識別されるアドレスは8ビット中の上位7ビットであり、「0x42」を1ビット右にシフト「>>」した値になります(16進数の「0x42」は、二進数の「01000010」であり、1ビット右にシフトするということは、二進数の「01000010」の桁を右に一桁ずらすことになるので、「00100001」(=0x21)になるということです/ビットシフトに関しては「Arduino-Processing シリアル通信3」を参照)。

モード切替について:
HMC6325には、マスターデバイスから「A」を送信することで方位を計測開始しデータを読み取る「Standbyモード」と、一旦「A」を送信後データを読み取るごとに自動的に計測/出力する「Queryモード」、そして設定した周期(1Hz、5Hz、10Hz、20Hz、)で連続的に計測/出力した結果を読み取る「Continuousモード」があります。
今回は「Continuousモード(20Hz)」を使うことにします。この設定をするためには、RAM書き込み用コマンド「G」、書き込み先(レジスタ)の「0x74」、そして設定内容の8ビット「0111010」あるいは16進数の「0x72」を送信します。ちなみに、設定内容については、

0x50:Standbyモード(デフォルト)
0x51:Queryモード
0x52:Continuousモード(10Hz,Periodic Set/Reset=ON)
0x72:Continuousモード(20Hz,Periodic Set/Reset=ON)

となります(詳細はデータシートを参照して下さい)。
シリアルモニターを使って読み取り値を出力することにします。


//I2C通信ライブラリを取り込む
#include <Wire.h>

//デジタルコンパスモジュールのアドレス設定
int compassAddress = 0x42 >> 1; //=0x21
//読み込み値(角度)の変数を用意
int reading = 0;

void setup() {
//I2C通信開始
Wire.begin();
//角度表示のためのシリアル通信開始
//Serial.begin(9600);

//Continuous Modeに設定する
Wire.beginTransmission(compassAddress);
//RAM書き込み用コマンド
Wire.send('G');
//書き込み先指定
Wire.send(0x74);
//モード設定
Wire.send(0x72);
//通信終了
Wire.endTransmission();
//処理時間
delayMicroseconds(70);
}

void loop() {
//デバイスに2バイト分のデータを要求する
Wire.requestFrom(compassAddress, 2);
//要求したデータが2バイト分来たら
if(Wire.available()>1){
//1バイト分のデータの読み込み
reading = Wire.receive();
//読み込んだデータを8ビット左シフトしておく
reading = reading << 8;
//次の1バイト分のデータを読み込み
//一つ目のデータと合成(2バイト)
reading += Wire.receive();
//2バイト分のデータを10で割る
reading /= 10;
Serial.println(reading);
}
//処理のために少し待つ(20Hz)
delay(50);
}


まずは、Wire.begin()でI2C通信を開始します。「HMC6325」の初期設定では、「Standbyモード」になっているため、setup(){...}内で「Continuousモード」に切り替えます。設定内容を「HMC6325」のRAMに書き込むために「G」というコマンド、書き込み先となる専用レジスタの「0x74」、設定内容となる8ビットの「0x72」をWire.send()を使って送信します。
方位角度の読み込みは、Wire.requestFrom()でアドレスと何バイト分のデータかを指定して要求します。計測結果は0〜3599までの値(360度を10倍した値)を2バイト(16ビット)で返してきます。Wire.available()によって2バイト分読み込み可能なデータをカウントしたら、Wire.receive()によって、2バイトの値を2回に分けて読み込みます。一度に読み込むことができる値は1バイト(8ビット、0〜255)までなので、最初の1バイトを読み込んだら、その値を8ビット左にビットシフト(8桁左にビットシフトするということは、256倍することと等しくなります)、その値に次の1バイト分のデータを加算します。値は10倍されているので、最終的に10で割って0〜359度の角度として取り込みます(float型を使えば0.0〜359.9で出力します)。20Hzごとに計測する「Continuousモード」に設定したので、delay(50)を挿入してループの周波数も20Hzにしておきました。

測定結果をProcessingへシリアル通信するのであれば、2回に分けて読み取った値(2バイト分)をそのまま1バイトずつ2回送信(合計2バイト)し、Processing側で受け取ってから二つの値を合成すればいいでしょう。値を合成するには、一個目の値を左に8ビットシフト(または256倍)してから二個目の値を足せば0〜3599の値として得ることができるはずです。BYTEフォーマットなら、そのまま2回で送信します。文字列でデリミタ(区切り記号)を挿入して送信する場合は、2回目の送信時にSerial.println()で改行記号を用いて送信します(Processing側での受信については、「Arduino-Processing シリアル通信3(複数の値を送信する場合)」あるいは「Arduino-Processing シリアル通信5(文字列で送信する場合)」を参照して下さい。

BYTEフォーマットで送信する場合:

void loop() {
Wire.requestFrom(compassAddress, 2);
if(Wire.available()>1){
//2回に分けて読み取った値を
//BYTEフォーマットで2個送信する
Serial.print(Wire.receive(),BYTE);//1個目
Serial.print(Wire.receive(),BYTE);//2個目
}
delay(50);
}

あるいは、文字列として送信する場合:

void loop() {
Wire.requestFrom(compassAddress, 2);
if(Wire.available()>1){
//2回に分けて読み取った値を
//DECフォーマットで2個送信する
Serial.print(Wire.receive(),DEC);
Serial.print(",");//デリミタを挿入送信
Serial.println(Wire.receive(),DEC);//改行記号つき
}
delay(50);
}


また、「C」を送信することでキャリブレーションモードに入り、周囲の磁気の影響によるモジュール内素子のゆがみをなくし正常な状態に調整することが出来ます。モジュールを平らな場所に置いてから6秒から3分以内に、ニ周程度回転させ、「E」を送信することで終了します。20秒以上かけて2回転させれば、正確なキャリブレーションになります。

//キャリブレーション開始コマンド送信
Wire.beginTransmission(compassAddress);
Wire.send('C');
Wire.endTransmission();

//30秒ほど待つ(6秒〜3分まで)
//この間に数回モジュールを回転させる
delay(30000);

//キャリブレーション終了コマンド送信
Wire.beginTransmission(compassAddress);
Wire.send('E');
Wire.endTransmission();


デジタルコンパスをモータなどの磁気を発するものの近くに設置すると磁気的影響を受けるので、少し離れた場所に設置したほうがいいでしょう。

8/11/2008

Arduino+Processing マトリクスLED+Webカメラ

今回は、Webカメラから取り込んだ映像をArduinoに接続した8×8マトリクスLEDに映す実験を行います。まず、ProcessingでWebカメラからの映像を8×8ピクセルで取り込み、合計64個のピクセルの明るさの値(0〜255)を調べてから、その個々の値をシリアル通信でArduinoに送ります。Arduino側では、受け取った64個分の値をマトリクスLEDの個々の明るさに反映させます。Arduino基盤とマトリクスLEDとは、ICを使わず直結することにします(接続方法は「Arduino マトリクスLED1」を参照)。
Processingの画面では、マトリクスLEDの表示シミュレーション(モニタリング)を同時に行うことにします(前回行ったモザイク処理のような方法で赤い円を64個映し出すことにします)。


「Processingの画面(モニタリング)」

Processingのプログラム:

//ビデオライブラリを取り込む
import processing.video.*;
//キャプチャ用オブジェクトを用意
Capture video;

//シリアル通信ライブラリを取り込む
import processing.serial.*;
//シリアル通信オブジェクトを用意
Serial port;

//64個分のピクセル色の配列を用意
int[] pixelValue=new int[64];

//シリアル通信開始用フラグ
boolean start=false;

void setup(){
//画面を160角に設定
size(160,160);
//描画を滑らかにする
smooth();

//映像キャプチャの設定(幅8,高さ8ピクセル,フレームレート30)
video = new Capture(this, 8, 8, 30);

//ポートの設定
port=new Serial(this,"/dev/tty.usbserial-A40014iU",9600);

//外形線なし
noStroke();
}

void draw(){
//背景を黒で塗る
background(0);

//64個分のピクセルの処理
for(int i=0;i<64;i++){
//映像の各ピクセルの色の値を
//明るさの値に変換する
pixelValue[i]=int(brightness(video.pixels[i]));

//円の塗色(赤の値)に代入
fill(pixelValue[i],0,0);
//円を描画
ellipse((i%8)*20+10,(i/8)*20+10,15,15);

//値を送信
if(start){
port.write(pixelValue[i]);
}
}
}

//キャプチャ映像読み込み
void captureEvent(Capture video) {
video.read();
}

クリックでシリアル通信開始
void mousePressed(){
start=true;
}


Processingの方では、VideoライブラリSerialライブラリの二つを取り込む必要があります。マトリクスLEDが8×8の解像度なので、Webカメラから取り込む映像の解像度も8×8にしておきます(カメラ映像の横縦比は4:3なので、少し縦長の映像になってしまいます)。
*Windowsの場合、そのままの設定ではこのVideoライブラリを使用することができません。WinVDIG 1.0.1をインストールする必要があります。
「pixelValue[i]=int(brightness(video.pixels[i]))」では、まず映像の各ピクセルの色をpixels[]で読み込みます。pixels[]は、RGBの三色の値(三つの値)を含んでおり、brightness()で括ると明るさの値(一つの値)に変換されます(0〜255)。変換された値はfloat(小数)なのでint()で括って整数に変換しておきます。この値を、fill()の赤の値に代入し(緑と青は0)、LEDのような赤い円をellipse()を使って64個描画します。8×8を160×160の画面で表示しているので、20×20ピクセルのグリッド状に配置されます。ellipse()の直径はとりあえず15にしておきました。ellipse()のXとY座標は、「%」と「/」を使って計算します(X座標となる「(i%8)*20+10」は、iを8(横幅)で割った余りに20ピクセル掛けて、さらに10ピクセル足すことでellipse()が20×20のグリッドの中心に来るように位置調整しています)。最後に「port.write(pixelValue[i])」で、Arduinoへ各ピクセルの明るさの値を送信します。今回は画面をクリックしたらシリアル通信が開始されるようにしています。

次にArduinoの方に移ります。冒頭で書いたように、今回はマトリクスLEDを、ICを使わず直結します。個々のLEDはダイナミック点灯しているので、点灯時間の長さによって明るさを調整することになります。点灯時間が短ければ暗くなり、長くなれば明るくなります。つまり、Processingから送られて来た明るさの値(0〜255)を、個々のLEDの点灯時間に反映させるプログラムになるということです。マトリクスLEDとの接続方法や詳細については「Arduino マトリクスLED1」を参照してください。

Arduinoのプログラム:

//8x8の二次元配列を用意
byte matrix[8][8];

void setup(){
//出力ピンの設定、すべてオフにする
for(int i=2;i<=17;i++){
pinMode(i,OUTPUT);
digitalWrite(i,LOW);
}
//シリアル通信開始
Serial.begin(9600);
}

void loop(){
//シリアル通信(64個分のデータ)
if(Serial.available()>63){
for(int k=0;k<8;k++){
for(int l=0;l<8;l++){
//読み込んだ値を配列に代入
matrix[k][l]=Serial.read();
}
}
}

//各LEDの点灯制御
for(int i=2;i<=9;i++){
//列の点灯
digitalWrite(i,HIGH);

for(int j=10;j<=17;j++){
//行の点灯
digitalWrite(j,LOW);
//行の点灯継続時間
delayMicroseconds(1+matrix[i-2][j-10]);
//行の消灯
digitalWrite(j,HIGH);
//行の消灯継続時間
delayMicroseconds(256-matrix[i-2][j-10]);
}
//列の消灯
digitalWrite(i,LOW);
}
}


以前の「Arduino マトリクスLED1」とほぼプログラム内容は同じです。異なる部分は、シリアル通信と各LEDを点灯/消灯させる継続時間の部分です。用意する二次元配列は、boolean型ではなくbyte型(0~255の値なので)にしています。
シリアル通信上で干渉しないようにするため、Arduino基盤の0番ピンと1番ピンには何も接続しないことにしています(2〜17番ピンを使用)。シリアル通信では、Processingから送られてくる64個のデータをSerial.available()でカウントして、それぞれの値を予め用意しておいた二次元配列matrixに保存しておきます。送られてくるデータは0〜255(明るさの値)となります。そしてダイナミック点灯していく際に、明るさの値をdelayMicroseconds()に代入して、点灯継続時間と消灯継続時間に割り当てます。delayMicroseconds(0)としてしまうと、0マイクロ秒としては扱ってくれないので、delayMicroseconds()の括弧内に入れられる最小値は1にしてあります。最小1マイクロ秒の点灯時間かつ最大256マイクロ秒の消灯時間のときが最も暗くなるときです。その逆で、最大256マイクロ秒の点灯時間かつ最小1マイクロ秒の消灯時間のときが最も明るくなります。個々のLEDは257マイクロ秒ごとにダイナミック点灯していることになります。個々のLEDの点滅を300マイクロ秒程度にすると点滅しているようには見えないので、今回の257マイクロ秒周期で点滅させれば、ほぼ問題ないでしょう。

関連:
・「シリアル通信1〜5
・「Arduino マトリクスLED1
・「Processing Video(Webカメラ)

ロジクールストア(ウェブカメラカテゴリ)


[目次:Processing関係]  [HOMEへ戻る]  [目次:Arduino関係]