おっと。map関数の計算桁に注意

Arduinoのmap関数に関して恨みを持っている
がごとくウダウダ言っております。
　・2020年5月17日:Arduino　なんとかして誤用を正したい：A/Dの1/1023とmap関数

トラ技にも載りました。
　・トランジスタ技術2024年3月号『実はワナだらけ…確実に動かすArduino Uno R3』

で、今回の
　・2024年10月5日：DDS方式の2相パルス発生回路、周波数スキャン機能を付ける

ここで、「おっと危ない」だったのが「map」関数の数値範囲。

周波数sweepでは、
　　周波数の値は0.01Hz単位で9999.99Hzが最大。
　　BCDで8桁。999999=0xF423F　20bit。

　　経過時間が10ms単位で600.00秒が最大。
　　BCDで5桁。60000=0xEA60　16bit。

sweep処理では、こんな値を使います。
　　Lo側周波数　1～9999Hz　　　f1
　　Hi側周波数　1～9999Hz　　　f2
　　Rise,fall時間　0.0～600.0秒　t1

sweep周波数の設定は1Hz単位ですが、内部では0.01Hz
単位に直します。
sweep時間も0.1秒を0.01秒にして60000が最大。

そして、「map関数」はこのように定義されています。

long map(long x,　　 　　　　　　入力
　　long in_min,　long in_max,　　X1,X2 変換元
　　long out_min,　long out_max)　Y1,Y2 変換先
{
　return (x - in_min) * (out_max - out_min) ★1
　　 / 　(in_max - in_min)
　　 + out_min;
}

sweep処理で経過時間tmからsweep周波数fmを計算するとき、
map関数をこのように使いました。

　　fm = map (tm , 0, t1, f1, f2);

このとき、周波数と経過時間が設定の最大値に近づくと、
★1の乗算に失敗するのです。

周波数(20bit)と時間(16bit)を掛け算すると、
値によっては「36bit」の数字が出てきます。

map関数の入力と出力、単独で見るとそれぞれは
32bitの数値範囲に入っていますが、内部計算を考えると
32bitではアウトなのです。

内部は「int64_t」で計算しなくちゃなりません。

　return ((int64_t)(x - in_min) *
　　　　　(int64_t)(out_max - out_min))
　　　　 / ((int64_t)(in_max - in_min))
　　　　 + out_min;

乗算部、除算部をint64_tにキャストして64bitで
計算するようにしました。

LOG sweepではfloatにしたmapも使っています。

float mapf(float x,
　　float in_min,　float in_max,
　　float out_min, float out_max)

2022年11月6日：Arduino　map関数をfloatに

もうひとつ。
t1がゼロだとゼロ除算してしまうので、mapに
食わす前に判定して除外しておかなくちゃなりません。
t1がゼロなら fm=f1でリターンてな処理です。

DDS方式の2相パルス発生回路、周波数スキャン機能を付ける

あれこれ悩みながらこしらえてきたDDS方式の2パルス発生回路。
ざっと完成形に持ち込めました。
割り込み処理の時間はギリギリで動いていますが、
メインループはヒマ。
ということで、周波数スキャン(sweep)機能を付加しました。
設定するのは、
　　Lo側周波数　1～9999Hz　　　f1
　　Hi側周波数　1～9999Hz　　　f2
　　Rise時間　　0.0～600.0秒　　t1
　　Fall時間　　0.0～600.0秒　　t2
　　Hi待ち時間　0.0～600.0秒　　w1
　　Lo待ち時間　0.0～600.0秒　　w2

スイープは
　(1) f1周波数で2相パルス出力
　(2) t1時間をかけてf2までパルス周波数を上昇
　(3) f2周波数をw1時間保持
　(4) f2周波数からf1まで周波数を下降
　(5) f1周波数をw2時間保持
　(6) (1)に戻る
を繰り返します。

「100Hz～400Hz」をスイープすると、こんな波形が出てきます。

　　　変化点を拡大


一番下の波形は「F-Vコンバータ」 で見た、
A相パルスの周波数変化。

まだ「main loopはヒマ」だからと、LOG SWEEPの処理も
書き加えてみました。
A相周波数がこんな具合に変化します。


Arduino UNO R3のATmega328P(16MHzクロック)、
8bitマイコンなのに、意外と浮動小数点処理を頑張って
くれます。
10msごとに経過時間から周波数を計算しています。

※関連
・2024年9月24日：秋月のI2C接続液晶 AQM1602XAを基板に直付け
・2024年9月27日：1クロックでも速くしたい　DDS方式の2相パルス発生器
・2024年9月30日：1クロックでも速くしたい　割込を「ISR_NAKED」で

※回路図


元のでは無しにしていたSW4にsweepの操作を割り当てています。

1クロックでも速くしたい 割込を「ISR_NAKED」で

・2024年9月27日：1クロックでも速くしたい　DDS方式の2パルス発生器

この続き。　タイマー1のコンペアマッチA割り込みを
インライン・アセンブラで書いてみました。

/***************************/
/*    DDSでパルス出力       */
/***************************/
//  A相B相出力データ COM1A,COM1Bで出力
volatile uint8_t  com1_ab;  // 3bitでCW,CCW判断
                            // tbl_ab[]をアクセス
volatile uint8_t tbl_ab[]={
    0b11110000,    // 000  H H CW
    0b10110000,    // 001  L H
    0b10100000,    // 010  L L
    0b11100000,    // 011  H L
    0b11100000,    // 100  H L CCW
    0b10100000,    // 101  L L
    0b10110000,    // 110  L H
    0b11110000,    // 111  H H
}; // ||||  ++---- CTC OCR1A ﾓｰﾄﾞ
   // ||++-------- COM1B PB2 (00:off,01トグル,10:L,11:H)
   // ++---------- COM1A PB1

/*****  タイマー1 : コンペアマッチＡ割り込み *****/
//  DDS処理
//  CW/CCW出力  A:PB1(OC1A) B:PB2(OC1B)
//  COM1(A,B)  00:off,01トグル,10:L,11:H
//    PB4_H;                      // (!!!)
//    dds_cnt += dds_step;        // DDSカウンタをカウントアップ
//    if(pls_on){                 // パルス出力中
//      com1_ab = ([dds_cnt.cnt1+3] / 4) & 0x03;   // 1/(65536*4096)
//      com1_ab |= pls_dir;       // bit2でCW,CCWを区分
//    }
//    TCCR1A = tbl_ab[com1_ab];   // COM1A,COM1B制御 offなら前のb値で
//    PB4_L;                      // (!!!)
ISR(TIMER1_COMPA_vect, ISR_NAKED)
{
  __asm__ volatile(
        "    sbi    %0, 4               \n" // PB4 H
        "    push   r0                  \n"
        "    in     r0, __SREG__        \n"
        "    push   r28                 \n"
        "    push   r29                 \n"
        "    push   r30                 \n"
        "    push   r31                 \n"
//  dds_cnt += dds_step;
        "    lds    r28, (dds_step)     \n" // LSB
        "    lds    r30, (dds_cnt)      \n"
        "    add    r30, r28            \n"
        "    sts    (dds_cnt), r30      \n"
        "    lds    r28, (dds_step+1)   \n" // +1
        "    lds    r30, (dds_cnt+1)    \n"
        "    adc    r30, r28            \n"
        "    sts    (dds_cnt+1), r30    \n"
        "    lds    r28, (dds_step+2)   \n" // +2
        "    lds    r30, (dds_cnt+2)    \n"
        "    adc    r30, r28            \n"
        "    sts    (dds_cnt+2), r30    \n"
        "    lds    r28, (dds_step+3)   \n" // +3
        "    lds    r30, (dds_cnt+3)    \n"
        "    adc    r30, r28            \n"
        "    sts    (dds_cnt+3), r30    \n"
//  if(pls_on){
        "    lds    r28, (pls_on)       \n"
        "    and    r28, r28            \n"
        "    breq   j1                  \n"
//  com1_ab = ([dds_cnt+3] / 4) & 0x03;
        "    lsr    r30                 \n" // 1/2
        "    lsr    r30                 \n" // 1/4
        "    andi   r30, 0x03           \n" // & 0x03
//  com1_ab |= pls_dir;   // bit2でCW,CCWを区分
        "    lds    r28, (pls_dir)      \n"
        "    or     r30, r28            \n"
        "    sts    (com1_ab), r30      \n"
        " j1:                           \n"
//  TCCR1A = tbl_ab[com1_ab];
        "    lds    r30, (com1_ab)      \n" // 0～7
        "    ldi    r31, 0              \n"
        "    ldi    r28, lo8(tbl_ab)    \n" // tbl_ab[]
        "    ldi    r29, hi8(tbl_ab)    \n"
        "    add    r30, r28            \n"
        "    adc    r31, r29            \n"
        "    ld     r28, z              \n"
        "    sts    %1,  r28            \n" // TCCR1A
//  pop reg
        "    pop    r31                 \n"
        "    pop    r30                 \n"
        "    pop    r29                 \n"
        "    pop    r28                 \n"
        "    out    __SREG__, r0        \n"
        "    pop    r0                  \n"
        "    cbi    %0, 4               \n"  // PB4 L
        "    reti                       \n"
        :
        : "n"  (_SFR_IO_ADDR(PORTB)),   // %0
          "n"  (_SFR_MEM_ADDR(TCCR1A))  // %1
        :
    );
}

「ISR_NAKED」で、使うレジスタを我が手に。
その結果、
　　・pushとpopするレジスタの数を吟味して減らせる
　　・タイミングを見るためのポート出力を先頭と最後に
　　　持ってこれるので、正確に見える。
問題はインライン・アセンブラの書式。
AVRマイコン特有の問題がまだ解決できていません。

「Z」レジスタにA相B相出力テーブルの先頭を持ってきているところ、
「ｃ」だと「マイナスの値を引いて足し算」する処理が行われています。

   820:	e0 91 62 01   lds    r30, 0x0162
   824:	f0 e0         ldi    r31, 0x00
   826:	ed 5f         subi  r30, 0xFD
   828:	fe 4f         sbci  r31, 0xFE
   82a:	80 81         ld     r24, Z 　テーブル値を読み出し

これ、AVRマイコンの命令体系で、即値加算の命令が無いのです。
　　即値加算：addiとかadci
そこで、即値減算命令 subi、sbci命令を使い、
　　マイナスの値を引いて足し算に
ということで対処するのです。
　　AVRマイコン・アセンブラの定石

ところが、インライン・アセンブラの書式で、テーブルの先頭アドレスを
マイナスにする方法が分からないのです。
　　(- tbl_ab)とか(0 - tbl_ab)とかあれこれ
　　試しましたが、エラーが出ちゃいます。
そこで仕方なく、レジスタ同士の加算命令を使って、アドレスを
得ています。
　　これで、2命令を損

　" lds r30, (com1_ab) \n" // 0～7
　" ldi r31, 0         \n"
　" ldi r28, lo8(tbl_ab) \n" // tbl_ab[]
　" ldi r29, hi8(tbl_ab) \n"
　" add r30, r28   \n"
　" adc r31, r29   \n"
　" ld r28, z        \n" 　テーブル値の読み出し

これ、なんとかできれば良いのですが。

push、popするレジスタを5つまで減らせました。
　　　元のは13個。
これでダイブとスピードアップ。

「union」を使った32bit値と8bit値のまぜこぜ処理も
無くなったし、ある意味、すっきりと。

※実行時間　割り込み処理およそ5μ秒に。

　　前は8μ秒ほど

1クロックでも速くしたい DDS方式の2相パルス発生器

DDS方式の2相パルス発生回路、現在は80kHz(12.5μs)の
タイマー割り込み内で処理しています。
こんな感じ。

/******************************/
/*      DDS制御               */
/******************************/
//  DDS制御データ
//  dsiz(1024,2048,4096)の上位2bitでA,B相出力を決定
//  タイマー1割り込みで処理 80kHz=12.5us(=TM1_FRQ)
int32_t  dds_frq;           // 0.01Hz単位の周波数設定値　★1
                            // 0.10Hz～9999.99Hz
volatile uint32_t dds_step; // frqから計算したdds制御1step　★2
                            // frq * dsiz * 65536 / TM1_FRQ
//  DDS設定カウンタ (uint32_t dds_cnt)
// タイマー割り込みでdds_stepを加算  上位ビットで波形出力
union u_dc{
    volatile uint32_t cnt4;     // 4byte DDS設定カウンタ　★3
    volatile uint8_t  cnt1[4];  // 1byt  DDS設定カウンタ　★4
};
u_dc udds_cnt;                  // カウントデータ共用体
                                // cnt4に加算 cnt1で読み出し
//  --- 3--- --- 2--- --- 1--- --- 0--- 4バイト
//  10987654 32109876 54321098 76543210
//  xxxxHHbb bbbbbbbb aaaaaaaa aaaaaaaa 
//      ||    下位26bitのところにstepを加算
//      ++--- CW,CCW判定bit これを読み出したい
//  xxxx----- 上位は無視してok

/***************************/
/*    DDSでパルス出力       */
/***************************/
/*****  タイマー1 : コンペアA割り込み *****/
//  DDS処理
//  CW/CCW出力  A:PB1(OC1A) B:PB2(OC1B)
//  COM1(A,B)  00:off,01トグル,10:L,11:H
ISR(TIMER1_COMPA_vect)
{
static uint8_t  b;         // 3bitでCW,CCW判断
static uint8_t com1ab[]={
    0b11110000,    // 000  H H CW
    0b10110000,    // 001  L H
    0b10100000,    // 010  L L
    0b11100000,    // 011  H L
    0b11100000,    // 100  H L CCW
    0b10100000,    // 101  L L
    0b10110000,    // 110  L H
    0b11110000,    // 111  H H
}; // ||||  ++---- CTC OCR1A ﾓｰﾄﾞ
   // ||++-------- COM1B PB2 (00:off,01トグル,10:L,11:H)
   // ++---------- COM1A PB1
    PB4_H;                      // (!!!)
    udds_cnt.cnt4 += dds_step;  // DDSカウンタをカウントアップ　★3+★2
    if(pls_on){                 // パルス出力中
      b = (udds_cnt.cnt1[3] >> 2) & 0x03;  // 1/(65536*4096)
      b |= pls_dir;             // bit2でCW,CCWを区分
    }
    TCCR1A = com1ab[b];         // COM1A,COM1B制御 offなら前のb値で
    PB4_L;                      // (!!!)
}

アセンブル結果がこれ。

000007a6 <__vector_11>:
     7a6:	1f 92       	push	r1
     7a8:	0f 92       	push	r0
     7aa:	0f b6       	in	r0, 0x3f	; 63
     7ac:	0f 92       	push	r0
     7ae:	11 24       	eor	r1, r1
     7b0:	4f 93       	push	r20
     7b2:	5f 93       	push	r21
     7b4:	6f 93       	push	r22
     7b6:	7f 93       	push	r23
     7b8:	8f 93       	push	r24
     7ba:	9f 93       	push	r25
     7bc:	af 93       	push	r26
     7be:	bf 93       	push	r27
     7c0:	ef 93       	push	r30
     7c2:	ff 93       	push	r31
     7c4:	2c 9a       	sbi	0x05, 4	; 5
     7c6:	40 91 74 01 	lds	r20, 0x0174
     7ca:	50 91 75 01 	lds	r21, 0x0175
     7ce:	60 91 76 01 	lds	r22, 0x0176
     7d2:	70 91 77 01 	lds	r23, 0x0177
     7d6:	80 91 63 01 	lds	r24, 0x0163
     7da:	90 91 64 01 	lds	r25, 0x0164
     7de:	a0 91 65 01 	lds	r26, 0x0165
     7e2:	b0 91 66 01 	lds	r27, 0x0166
     7e6:	84 0f       	add	r24, r20
     7e8:	95 1f       	adc	r25, r21
     7ea:	a6 1f       	adc	r26, r22
     7ec:	b7 1f       	adc	r27, r23
     7ee:	80 93 63 01 	sts	0x0163, r24
     7f2:	90 93 64 01 	sts	0x0164, r25
     7f6:	a0 93 65 01 	sts	0x0165, r26
     7fa:	b0 93 66 01 	sts	0x0166, r27
     7fe:	80 91 7e 01 	lds	r24, 0x017E
     802:	88 23       	and	r24, r24
     804:	69 f0       	breq	.+26     	; 0x820 <__vector_11+0x7a>
     806:	80 91 66 01 	lds	r24, 0x0166　　　★A
     80a:	90 e0       	ldi	r25, 0x00	;★B
     80c:	95 95       	asr	r25　　★B
     80e:	87 95       	ror	r24　　★A
     810:	95 95       	asr	r25　　★B
     812:	87 95       	ror	r24　　★A
     814:	83 70       	andi	r24, 0x03	; 3
     816:	90 91 7c 01 	lds	r25, 0x017C
     81a:	89 2b       	or	r24, r25
     81c:	80 93 62 01 	sts	0x0162, r24
     820:	e0 91 62 01 	lds	r30, 0x0162
     824:	f0 e0       	ldi	r31, 0x00	; 0
     826:	ed 5f       	subi	r30, 0xFD	; 253
     828:	fe 4f       	sbci	r31, 0xFE	; 254
     82a:	80 81       	ld	r24, Z
     82c:	80 93 80 00 	sts	0x0080, r24
     830:	2c 98       	cbi	0x05, 4	; 5
     832:	ff 91       	pop	r31
     834:	ef 91       	pop	r30
     836:	bf 91       	pop	r27
     838:	af 91       	pop	r26
     83a:	9f 91       	pop	r25
     83c:	8f 91       	pop	r24
     83e:	7f 91       	pop	r23
     840:	6f 91       	pop	r22
     842:	5f 91       	pop	r21
     844:	4f 91       	pop	r20
     846:	0f 90       	pop	r0
     848:	0f be       	out	0x3f, r0	; 63
     84a:	0f 90       	pop	r0
     84c:	1f 90       	pop	r1
     84e:	18 95       	reti

アセンブラのソースになった「C」のコードを見ると、
　　ここ、どうにかでけへんのか？
というところが見えてきます。

32bitのDDSカウンタ、その上位バイトを取り出して
A相B相出力をアウトプット・コンペアレジスタにセット
するためのテーブルを読み出しているところ、
　　1バイトでのシフトで良いのに2バイトで処理してる
　　★Aだけでエエのに。　★Bはイラんねん。
アセンブラだと、好きに書けるんですが・・・
Cコンパイラの内部処理まで手が出せません。

dds_cntにdds_stepを加算しているところも、使用レジスタを
ケチれば、push/popも減らせます。

dds_cntにunionを使い、32bitのところを8ビットでアクセス
できるようにしたのも高速化のため。
32bitのまま 「dds_cnt >> 26」としたら、えらく時間
がかかってしまいます。

現在の処理時間。


パルスだけを見ると「3.5μs」使って処理して
いるように見えますが、ch4のトグルパルスを
見ると、「8μs」ほどかかっています。
割り込みサイクルが12.5μsなので割り込みの
処理時間は65％ほど。
push/popの数を減らせればだいぶと時間稼ぎ
できるんですが。


※追記　：　試してみるものです。

2ビット右シフトのところ、
　　　b = (udds_cnt.cnt1[3] >> 2) & 0x03; 
「 >> 2」を「 /4 」にしたら、
　　　b = (udds_cnt.cnt1[3] / 4) & 0x03; 
1バイトで処理してくれました。

     806:	80 91 66 01 	lds	r24, 0x0166
     80a:	86 95       	lsr	r24
     80c:	86 95       	lsr	r24
     80e:	83 70       	andi	r24, 0x03	; 3
     810:	90 91 7c 01 	lds	r25, 0x017C
     814:	89 2b       	or	r24, r25
     816:	80 93 62 01 	sts	0x0162, r24

3命令=3クロックだけですが、Cのままで高速化成功！

※補足　今回のDDS処理

・目標周波数　fo (Hz)
・基準周波数　fr = 80kHz
・DDSカウンタ 上位12bit + 下位16bitの28bit
　　　　　　　4096 × 65536
・DDSステップカウンタ step 26bit(max)

step = (fo × (4096×65536)) ÷ fr

1.00Hz出力だと
　step　= (1 * (4096×65536)) ÷ 80000
　　　　= 3355
この値を80kHzでDDSカウンタに加算する。

1秒後には80000回加算されて0.999868…Hzの
パルスが出る。

目標周波数が最大の9999.99Hzだと
　step　= (9999.99 * (4096×65536)) ÷ 80000
　　　　= 33554398 = 0x01FF FFDE : 25bit
実周波数は、9999.9899…Hzとなる。

A相・B相パルスを4バイトあるDDSカウンタの
上位バイトのbit3とbit2を使って発生させている。
　　28bitの上位2ビット

「fr ÷ fo」が「2のn乗」になると、(4096×65536)が
割り切れて加算時の端数が出なくなる。
　　例えば 5kHz → 16
　　　　　2.5kHz → 32
　　　　　1250Hz → 64
　　　　　625Hz → 128
　　　　　312.5Hz → 256
　　　　　156.25Hz → 512
これ以外の時は、特定の周期で出力パルスに
ジッターが生じる。

※ジッターの例

0.1秒間とか1秒間の平均なら一定周波数が
カウントされるが、瞬間を見ると主クロック
(今回は80kHz)とのズレが生じている。

上に記した「fr ÷ foが2のn乗」の時だけ、
このズレはなくなる。

※過去記事
　　割り込みの高速応答、こんな手法を使ってました。
・2020年8月18日：Arduino デューティー計測のためのインプットキャプチャータイミング
・2020年8月19日：Arduino インプットキャプチャー割り込みを「ISR_NAKED」で (デューティー比測定)

秋月のI2C接続液晶 AQM1602XAを基板に直付け

SDAとSCLの２線でつなげる液晶モージュールが
なかなか便利です。
先日来使っているのが16文字x2行のこれ。
　　AQM1602XA-RN-GBW
液晶の足は1.27mmピッチで一直線。
　　AE-AQM1602A(KIT)
これになると2.54mmピッチへの変換基板が付属しています。
内部昇圧回路のコンデンサが付いているので、
主回路への接続は、+電源・GND・SDA・SCLの４本だけ。

ところが、この基板を使うと、液晶を基板に貼り付けるのに
　　上に出っぱる
　　厚くなる(基板そのものは1.2mm厚)
と、使い勝手がよくありません。



そこで、こんなつなぎをしています。
足を曲げて外に膨らませ、2.54mmピッチの
ユニバーサル基板にハンダしちゃうのです。


ちょい拡大


コンデンサの取り付けは基板の裏(パターン側)で。


液晶板と基板の間にはスポンジタイプの両面テープ。
全面に貼ると剥がすとき大ごとになりそうなんで、
両端にちょっとだけ。

この液晶を使い、Arduino UNO R3(のチップで)こんなツールを
作っています。


二つともデジタルで周波数を設定できる2相パルス発生回路
です。
90度位相差のあるA相B相パルスを出力します。
CW/CCWとカウント方向を変えられます。

下のは 「fclk / n16」でATmega328の16bitタイマー、
アウトプットコンペアで分周する方式。
周波数を設定できる範囲は0.1Hz～9990.0Hz。
　　　1/nですんで周波数が高くなると
　　　ちょいと誤差が出ます。

割り込みの時間に余裕があったんで、パルス数を
指定して「何発出せ」をできるようにしてみました。
　　ロータリーエンコーダを回して周波数とパルス数を指定。
　　CWあるいはCCWスイッチを押すとパルスを出力。
　　設定数出したらSTOP。
2相パルスとして使わなくて、
　　「何発かのパルスが欲しい」
ときに便利。
　　お手軽ツールで、これってなかなか無いんじゃ
　　なかろうか。

上のはDDS方式で、0.01Hz単位で周波数を設定できます。
0.10Hz～9999.99Hz。
こっちは STOP・CW・CCWの操作だけ。

基準カウントクロックが80kHzで、16MHzクロックの
ATmega328にはなかなか重い仕事です。

80kHz=12.5μ秒で割り込みをかけてDDS処理。
タイマー1のコンペアマッチで2相パルスを出力します。
ポートを叩いてH/Lを出力するんじゃないので、ジッターは
ありません。　　(DDSに起因するジッタはある)
　　80kHzで割り込み。
　　DDSのための32bit加算
　　次のコンペマッチで出力するA相B相を決定。
これを繰り返します。

※関連記事
・2024年6月2日：秋月電子通商のI2C接続液晶表示器
・2021年7月2日：秋月の液晶表示器 ACM0802C-NLW-BBW-IIC、I2Cのプルアップ抵抗
・2022年7月18日：秋月電子16文字x2行のI2Cインターフェース液晶AQM1602Y
・2024年9月12日：液晶表示：CG-RAMの表示がちょいと違う

※重要　液晶へのI2CアクセスとTWI割り込みを切り離せたから
　　　　高速割り込みが安定してできるようになったのです。
・2024年4月3日：超低速2相パルス発生回路・ケース入れ
・2024年4月7日：I2C液晶のアクセス、割り込み処理で遅れる原因らしきもの
・2024年4月12日：I2C液晶のアクセス、割り込みで処理しないようにすると


※２相パルスあれこれ
・2024年4月26日：治具作りは面白い：2相パルスの発生
・2014年07月01日：高速2相パルス発生回路
・2018年5月25日：アナログ入力で2相パルスの周波数と正転逆転を制御する発振器

※2相パルス発生回路 回路図


・2022年8月24日：パルスジェネレータを作ってみた：箱に入れた
これの出力はデューティ可変できますが
「パルスを何発欲しい」には対応していません。
設定も「周期」で、「周波数」として合わせたい時は
ちょいと不便。
「全部入り」を作ろうとすると、Ardino UNO-R3ベースでは
だいぶとチカラ不足。

いずれも、電源や表示器以外は、
　　ATmega328Pの中に入っている機能だけ
で実現していますんで、
「こんだけできるんやで」と褒めてやりたいところ
です。

※案
DDS方式の２相パルス発生器、割り込みの中では
処理時間の制限でもうなにもできませんが、
「外(main loop)」ではあれこれできそうです。
例えば、周波数を振らす。
　　何Hzから何Hzまで、何秒かけて周波数をup/down。
てな処理です。
DDS加算している値を変えると周波数が変わります。
　　割り込みでの処理時間は同じ。
設定メニューを出してあれこれでしょう。
　　SW4を付けとけば良かった。

液晶表示：CG-RAMの表示がちょいと違う

昔人間ですんで、「これで行こう」と決めたことは
いつまでも引きずっています。
今回のトラブルは液晶表示器の外字登録。

使ったのは秋月で買ったI2C液晶 AQM1602XA
　　I2Cで安定して使えるようになって、6本線で
　　つなぐ液晶表示器はちょいと縁遠くなりました。

キャラクタ表示の液晶表示器、8文字分のCG-RAMに
外字を登録できます。
文字コードとして0x00～0x07に対応するパターンを書き
込むと、登録した文字が出てくるという仕掛けです。

しかし、その先頭文字が「0x00」となり、C言語の
ヌル終端文字列：Wikipedia に引っかかってしまうので、
文字列の中に入れられません。
実質、７つの外字しか利用できないのです。
そこで、この表にあるよう、

CG-RAMの文字コード0x00～0x07を0x08～0x0Fと
して定義しておくという手法を使ってきました。
　　文字列の中に入れずに単独文字として書き込む
　　ぶんには0x00で問題なしなんですが

ところが今回のAQM1602XAでこれをすると、定義した
CG-RAMではなく、内蔵された文字が出てきちゃったのです。

16文字×2行の液晶、その下段に0x00～0x0Fの文字を
表示してみました。


左の8つがCG-RAMに入れた登録外字。
昔の液晶なら同じ字が右に8つ並ぶのですが、
この液晶だと、内蔵文字になってしまい、
今までの手法が使えません。

ということで、登録した8つのCG-RAM文字は
0x00～0x07で表示するという、まっとうな処理に
変更しなくちゃなりませんでした。

※関連
・ＰＩＣ　ＡＶＲ　工作室別館　arduinoの館－＞キャラクターＬＣＤ
・よく使うパラレル接続液晶(LCDモジュール)のコネクタ信号
・液晶表示モジュールを４ビットモードで使ったときの空きピン処理

ひさしぶりのバージョンアップ：チャートレコーダ

プリンタシールドでチャートレコーダ、このとっ
かかりが2014年1月 。
　　※これがしたかった を実現したのです。
そして、トランジスタ技術に載せてもらったのが
　　・2014年6月号のハンディ・チャート・レコーダ



その後、このブログ記事にもあれこれ登場していまして
オシロやテスターなみに重要なツールになっています。
入力電圧レンジを合わせ、紙送り速度を決めたら勝手に
記録してくれるお手軽さ。
停電しても、電源が復旧したら記録を続行という安心感。

で、かれこれ10年になるわけですが、ちょっとだけ
機能をアップしました。
これが旧回路。

そして新回路。


・ロータリDipSWで紙送り速度を設定していたのを
　Fast、Slow SWで設定。
　　　設定はEEPROMに記録

・10段階の紙送り速度設定だったのを13段階に。

・2つのイベント・マーカー入力を追加。

手直しの主目的がこのイベント・マーカー機能。
2chのアナログ波形とともに、デジタル入力の
on/offをチャートの上部に記録したいという
わけです。
このように記録。

外部に置いたセンサーからのon/off信号。
その状態でアナログ値がどう変化するのかを
同時に観察したかったのです。

スケッチをアップしておきます。
　　※「.ino」ではなく「.txt」にしています。
　　　　ダウンロード - prnsld03.txt

最適化処理のせいで悩んだぞ 呪文volatile再び

割り込みに絡む処理で、「C」が良かれと思って
やった最適化処理のせいで悩んでしまいました。

簡略化して説明するとこんな流れ。
　　intr_aは割り込み内で処理されるデータ。
　　2バイト値なんでメイン側では割込禁止で書き込む
　　必要がある。
　　hoge()という関数の中でそれを実行する。

～～～～～～～～～～～～～～～～～～～～～～～～～
//　割り込みで読み出し処理される2バイトデータ
volatile int intr_a;

//　aをあれこれ計算してintr_aを更新
void hoge(int a)
{
int d;　　　　　　★1　一時変数
　　d　= a * なんたら (1)
　　d += あれこれ　　 (2)　そこそこ時間のかかる計算
　　cli();　　　　　　　// 割込禁止にして
　　intr_a = d;　 (3)　 // intr_aに計算結果を書いて
　　sei();　　　　　　　// 割込有効に戻す
}　　　　　　　　　　　 // リターン
～～～～～～～～～～～～～～～～～～～～～～～～～

走らせてみると、思いのほか割り込みが禁止されて
いる時間が長いのです。
割り込み禁止期間は計算結果を書く(3)の一瞬だけ
のはず。
しかし、禁止時間から考えて計算途中も割り込み
禁止になっている様子でなのです。

その原因は最適化処理。
別行に書いている(1)と(2)の処理を、(3)のところに
コンパイラがまとめてしまっていたのです。

Cコンパイラの気持ち：
　　「一時変数なんか使わんでも処理できるぜい」と

そのため、計算が始まる直前に割込禁止にして
しまっていて、時間のかかる計算が割り込み
禁止状態で行われていたのです。

で、対策。
・その1
　　一時変数int dの前に「volatile」を前置。
　　これで(1)(2)(3)が記述どうりの順序で進む
　　ので、(3)だけが割り込み禁止になります。

・その2
　　hoge()を戻り値を持たせるようにして、
　　その値を割り込み禁止でintr_aに書く。
　　int hoge(int a)　とし、hoge()の中で
　　intr_aを書くのではなく、外の処理として
　　　　b = hoge(a);
　　　　cli();
　　　　intr_a = b；　(4)
　　　　sei();
　　とすると、(4)だけが割り込み禁止になって
　　思惑どうりに処理が流れます。
　　　　ひょっとしたらこのbにもvolatileが
　　　　必要かもしれない。

※過去記事
・2018年10月11日：魔法の言葉「volatile」

割り込みで直接操作されるintr_aはvolatileを付けなけりゃ
と注意します。
しかし、処理の流れが重要なら、計算途中で使う一時変数に
も付けておかないと、ということです。

「割り込み禁止時間が長いぞ」・・・この発見は
テストパルスをオシロで見てしかわかりません。
答えは合ってるし。


※スペルのミスを訂正 (恥ずかしいぞ)

数値をBCD出力(表示)するルーチン #3

あれこれ紹介してきましたBCD出力ルーチン。
　・2022年10月8日：数値をBCD出力(表示)するルーチン
　・2024年4月28日：数値をBCD出力(表示)するルーチン #2

除算・剰余方式ではどうしても「遅れ」が目立ちます。
そこで、float値を文字変換する「dtostrf()」と処理時間を
比べてみました。

まずこれが「strbcd02.ino」：除算・剰余方式の速度。
　ch1が自作ルーチンstrbcd()の速度
　ch2がdtostrf()の速度
　ch3はstrbcdの中で使っている除算の時間です。
　　　(商と剰余の両方を得ている時間）
　ch4は液晶表示のタイミング。

「0」を表示したところ。


上位はゼロサプレスされるんで、
7文字のスペース＋'0'という表示です。

「9999」の変換。


上位4文字がゼロサプレス。
4回の除算が実行されていて、除算に時間が
かかっていることが見えます。

さらに「99.99999」の変換。

　　※上の二つと時間軸が異なります。
ゼロサプレスはありません。
全桁で0～9に数字を得るために除算が7回実行
されています。
こうなるとdtostrf()が圧倒的に有利。

そこで、除算と剰余の計算でなく、上位桁から
10進数値を減算できるかどうかで、剰余を得る
方法を試してみました。

たとえば、「1234 = 0x04D2」を変換する手順。
・千桁 1234から1000=0x03E8 を何回引けるか → 1回 余り234
・百桁 234から100=0x0064 を何回引けるか → 2回 余り34
・十桁 34から10=0x000A を何回引けるか → 3回 余り4
・一桁　余り=4
これで「1234」とBCD値が得られます。
比較と加減算ですので除算より高速に処理できますが、
数値が「9」だと9回の比較・加減算が生じます。
ループ回数が増えると、これも時間がかかります。

・strbcd03.ino

/********************************/
/*      BCD文字出力処理         */
/********************************/
/*****  BCD出力用文字バッファ    *****/
char bcd_bff[16];   // 16文字 終端のnull含めて
                    // longは10桁 
//  BCD変換4bitデータ
byte bcd_4bit[10];      // 10桁の4bitバッファ
                        // 下位が10^0桁
                        // 先頭が10^9桁
//  減算データ
const int32_t bcd_chks[] PROGMEM ={  // 32bitは10桁
    1000000000,         // 0 10桁 元データからいくつ
     100000000,         // 1 9桁  引けるかを調べて
      10000000,         // 2 8桁  余りを次の桁へ
       1000000,         // 3 7桁
        100000,         // 4 6桁
         10000,         // 5 5桁
          1000,         // 6 4桁
           100,         // 7 3桁
            10,         // 8 2桁
};                      //   1の桁は引かない 最後の余り

/*****  桁指定BCD文字出力   *****/
//  d:変換データ long値
//  n:整数部文字数(-を含めて)
//  p:小数部文字数(.は含まない)
//  数値は整数を入力  浮動小数点ではない
//  小数部は整数の基数が0.01などの時に用いる
//  12345が123.56を意味する時 (d,3,2)と指定
//  -1234を-123.4と表示するときは(d,4,1)と-を含めた文字数に
//  bcd_bffに入った文字の先頭アドレスを持ってリターン
char *strbcd(int32_t d, byte n, byte p)
{
byte i, j;
byte sgn;           // 符号フラグ
byte mins = 0;      // マイナス符号処理済みフラグ
uint32_t e;         // 減算値
char *s;            // 0～9文字書込みバッファのアドレス
byte *t;            // bcd_4bit変換データアドレス
    if(d < 0){                  // マイナス?
        d   = -d;               // +の値にして
        sgn =  1;               // -フラグをオン
    }
    else{
        sgn = 0;
    }
//  引き算できるかどうかで余りを計算
    for(i = 0; i < DIMSIZ(bcd_chks); i++){  // 桁数loop
      e = pgm_read_dword(&bcd_chks[i]);     // 減算値
      j = 0;                        // 引ける数をカウント
      while(1){
        if((uint32_t)d < e)   break;   // 引けなければおわり
        j++;
        e += pgm_read_dword(&bcd_chks[i]);   // 比較値を加算
      }
      bcd_4bit[i] = j;              // 引けた数が余り
      d -= (e - pgm_read_dword(&bcd_chks[i]));  // 元値を減少
    }
    bcd_4bit[sizeof(bcd_4bit) - 1] = d;  // 最下位 1の桁
//  変換した桁数をチェック ゼロサプレスのため
    t = bcd_4bit;               // 変換データの先頭
    j = sizeof(bcd_4bit);       // 変換データ数
    while(j){
        if(*t++ != 0)   break;  // 0じゃない
        j--;                    // 0なら-1
    }                           // jは0以外の数字の数
    if(j == 0)      j = 1;      // 0なら1に
//  文字バッファ終端 nullをセット
    i = n + p;              // 全体の文字数
    if(p)       i++;
    s = bcd_bff + i;        // 文字バッファの最後尾
    *s = '\0';              // nullをセット
//  4bitの変換データを文字にしながらコピー
    t = bcd_4bit + sizeof(bcd_4bit);  // 変換データの最後
    if(p){                      // 小数部あり
      for(i = 0; i < p; i++){
        *--s = *--t + '0';      // 0～9を書込み
        if(j)       j--;
      }        
      *--s = '.';               // 小数点
    }
    for(i = 0; i < n; i++){     // 整数部
      if(j){                    // 0以外の数が残っている
        *--s = *--t + '0';      // 0～9を書込み
        j--;
      }
      else{                     // 必要数字を全部書き込んだ
        if((p != 0) &&          // 小数部あり
           (i == 0)){           // .の左隣に
          *--s = '0';           // ゼロを付加
        }
        else{
          if((sgn != 0) &&      // マイナス
             (mins == 0)){      // -符号処理まだ
              *--s = '-';       // マイナスを付加
              mins = 1;
          }
          else{                 // 2桁目以降でゼロ
            *--s = ' ';         // ゼロサプレス
          }
        }
      }
    }        
    return s;
}

さっきと同じようにdtostrf()との速度比較。
「1」を表示したところ。

「9999」の変換。

さらに「99.99999」の変換。

なんとかdtostrf()に追いついている感じです。

この方式で有利なのが、プログラムサイズ。
それぞれのルーチンを使ったときのROMサイズを
見てみましょう。

メモリ比較　(strbcd03.ino)

　strbcd()　dtostrf()　　ROM　RAM
－－－－－－－－－－－－－－－－－
(1)　　○　　　○　　　5900  359
(2)　　○　　　－　　　3738　335
(3)　　－　　　○　　　5348　333
　　　－－－－－－－－－－－－－－
 　　　 ROM (3)-(2) =　1610

(2)dtostrfなどfloatを使わないようにした。

dtostrf()やfloatを除いてstrbcd()だけで処理すると
1600バイトほどプログラムの必要ROM容量が減りました。

strbcd()ルーチンそのもの実行ルーチンROMバイト数は、
　　除算・剰余方式　　：２７８バイト
　　比較・加減算方式　：３７４バイト
でした。
比較・加減算方式でほ実行ルーチンの他に10桁～２桁の
加算データテーブルが３６バイト必要です。

遅くても良いのでプログラムを短くしておきたいなら
「除算・剰余方式」。
ちょっとでも速くというのなら「比較・加減算方式」という
ところでしょう。
「ルーチンをまとめるのが面倒」「ROMに余裕はあるので
既設の関数で」というのなら「float」で「dtostrf()」を。
あれこれ、探ってみましたがこんなところかと。

ダイソー SHOOTING LIGHT：撮影用ライト LEDの輝度変化を探る #2

スタートしたのが2024年1月24日。
  ・ダイソー SHOOTING LIGHTLED：撮影用ライト LEDの輝度変化を探る
9パラされたLEDのうち端っこの一つを取り外して点灯。
100日間点灯しっぱなしでした。
　　100日を経過しましたが、劣化のきざしがないので
　　（面白くないなぁ）これで、実験を終わります。

LEDの駆動電流は定電流回路で30mA。
輝度はローム照度センサーBH1603で検出。
Arduino UNO R3(のチップ)でA/D変換。
毎日1回、A/D値を内蔵EEPROMに記憶してきました。

結果、ほぼ変化無し。

8週目あたりに段差がありますが、置いていた場所が
資料棚の上で、ゴソゴソしてたときにセンサー部
(塩ビ管)を落っことしたのが原因。

100日間、点灯しっぱなしで劣化はなし、という評価かと。

「もっと電流を大きくしたらどうなるか？」、
興味はありますが、スペックの不明なLEDを
これ以上いじめても、面白くないでしょう。
回路資料などは↑のリンクを。

　　・LEDの劣化・・・まとめ