Arduino PB5(デジタル入出力D13)に注意を

2019年3月22日：Arduinoのアナログ基準電圧入力の絡みで、Arduinoのブートローダーを眺めていて注意というか覚え書きをちょいとまとめておきます。

●PB5ポート
ATmega328の19番ピン。
Arduinoでいうところのデジタル入出力「D13」ポート。
SPI(Serial Peripheral Interface)での「SCK」。

●タイマー１
16bitタイマー

この2点、Arduinoのブートローダーで使われていますので、競合に注意が必要です。
タイマー1に関しては、オーバーフローをチェックしているだけで割り込みなどは使っていませんし、ユーザープログラムはリセット起動しますので問題は発生しません。
ブートローダー内でRUNしているという認識だけで良いかと。

※この他にも、TXD、RXDの通信ポート、ウォッチドッグタイマーが使われます。

ここで問題なのがPB5ポート。
Arduinoのサンプルプログラムで基板に乗ったLEDを点滅させるのがこのポートです。

PB5ポート、ブートローダー起動で出力ポートに設定されます。
そして、起動確認のためにパルスを出力してLEDを点滅します。
つまり、ユーザープログラムが走る前に「出力ポート」に設定されて、なおかつ「H/L」のパルスが出力されるのです。
その後、ユーザープログラムに切り替わるといったんリセットされ、入力ポートになってからsetupが実行されます。
この起動待ちのおよそ1.5秒、「PB5は出力ポートになる」ということを記憶にとどめておいてください。
　　※これ、ネットを探しても注意書きが見つかりません。

具体的にどんなかオシロで見てみました。
入力と出力、そして内蔵プルアップ状態を見るため、PB5に47kΩの抵抗を２本つなぎ、それぞれ+5VとGNDにつなぎます。
すると・・・
　　・出力ポートなら0Vあるいは5Vに張り付く。
　　・入力ポートなら0V・5Vの中間レベル、2.5Vに。
　　・入力で内蔵プルアップ有りならHレベルが
　　　少し持ち上がり3Vくらいに。
これでPB5の状態を確認できます。

こんなスケッチを書き込みます。

void setup() { // デジタル13番ピン=PB5を
 pinMode(13, INPUT_PULLUP); // pullup有りの入力に
}

void loop() { // なにもしない
}

結果、こんな波形が観測されます。



リセットスイッチ押し下げで、
(1)リセット状態なので中間レベル。
(2)ブートローダー開始で出力ポートになり
　　H/Lのパルスを出力(LED点滅)。
　　　　※単発でHになるArduino UNOもありました
(3)LレベルのままPCからの通信待ち。
(4)通信無しが続くとリセットしてユーザー
　　プログラム起動。
　　いったん入力モードに。　中間レベルの2.5V。
(5)ユーザープログラムのsetupが走り始めて内蔵
　　プルアップ有効で3Vほどに。

この(2)と(3)区間が問題なのです。
(a)PB5を出力として使った場合
　　ブートローダー起動中に不要なパルスがユーザー回路
　　に加わる。
　　これが問題なければ気にする必要はないが、何かの
　　出力を直接制御していると具合が悪いことがある。
　　　　(リレーを駆動しているとか)

(b)PB5を入力として使った場合
　　入力信号とPB5が衝突する。
　　ユーザープログラムが走り始めれば問題ないが、
　　ブートローダー起動中、PB5は出力になるのでこの期間、
　　信号衝突の危険性がある。

(c)PB5=入力で、GNDに引っ張るスイッチやオープンコレクタ信号
　　この場合も、Hパルスが出る区間(2)があるのでだめ。
　　PB5がHの時、スイッチがオンしていたりOC信号が
　　L駆動だったら短絡発生の可能性。

・対策方法：
<１> PB5は入出力として使わない。
　　　　逃げの一手で！

<２>出力として使いたい時は、不要パルスが加わっても
　　大丈夫な出力で使う。
　　　例：LED表示用出力やLCDのデータ線、7seg LEDの駆動出力
　　　　ピピちゃん温度計　　　　　LCDのD7ライン
　　　　バレーボール用得点表示器 　7seg LED駆動出力

<３> どうしても入力として使いたいときは、衝突による
　　大電流を避けるため1kΩ程度の抵抗を直列に挿入し
　　ておく。
　　すると、5V-0V間の衝突でも5mA程度の電流に押さえられる。
　　内蔵プルアップを有効にした場合でも、十分ローレベル
　　に引っ張れる。
　　　　（内蔵プルアップ抵抗は20～50kΩ）

具体的には、
・ナダ電子製「プリンタシールド」応用例　Arduino UNOでチャートレコーダを実現

ここで紹介している回路の「PB5」を見てください。
スイッチにつないでいるんで、起動時にオンしている(GNDに落ちる)とPB5が短絡してしまいます。
それを防ぐため1kΩの抵抗を直列に入れています。

※ブートローダーに関連するファイル

■pin_defs.h
/* Onboard LED is connected to pin PB5 in Arduino NG, Diecimila, and Duemilanove */
#define LED_DDR DDRB
#define LED_PORT PORTB
#define LED_PIN PINB
#define LED PINB5

■optiboot.c
#if LED_START_FLASHES > 0
// Set up Timer 1 for timeout counter
TCCR1B = _BV(CS12) | _BV(CS10); // div 1024　　←タイマー1起動
#endif

/* Set LED pin as output */
LED_DDR |= _BV(LED);　　←PB5を出力ポートに

#if LED_START_FLASHES > 0
void flash_led(uint8_t count) {　　←LED点滅処理
do {
TCNT1 = -(F_CPU/(1024*16));
TIFR1 = _BV(TOV1);
while(!(TIFR1 & _BV(TOV1)));
#ifdef __AVR_ATmega8__
LED_PORT ^= _BV(LED);
#else
LED_PIN |= _BV(LED);
#endif
watchdogReset();
} while (--count);
}
#endif

※ブートローダーからユーザープログラムの実行
ユーザープログラムの実行はウオッチドッグタイマーでリセットさせているようです。
MCUSRを見て、「通常リセットならブートローダーの処理へ」、「通常リセット以外はユーザープログラムを実行」という処理が入っています。
だもんで、ユーザープログラムはリセット状態からの実行になり、マイコン内のレジスタはリセット状態に初期化されます。
ブートローダーで使っているタイマー１は無視できますが、PB5は外に現れる現象ですんで無視できません。