前回のエントリーに書いた、パワー系の制御に関連して面白い論文を見つけました。
この論文では、プッシュプル型ドライバに接続されたチョークコイルを通して負荷に電流を供給する際に、電流値が許容される誤差の範囲を超えているかどうかによって、ドライバのハイサイドもしくはローサイドのスイッチング素子をON/OFFさせるというもので、参考文献にはまだ当たっていないのですが数学的に有限時間内に収束することが証明できるそうです。
この制御自体は、最近のマイコンであれば十分に実装可能な方式ですので、前回取り上げた8ピンのMSP430でコンパレータを内蔵したものを使って、出力電流固定の定電流制御の実験をしてみたいと思います。
MSP430のバリューラインに8ピンのものが2品種あるのですが、電源で2本、デバッグ用のSpy-Bi-Wireで2本の合計4本は用途が限定されていて、自由になるピンは4本しかありません。
SPIやI2Cのインタフェースを備えているので、8ピンのMSP430を何らかのセンサとして使って、シリアルインタフェースバスのスレーブとして動作させるというのが典型的な用途なのかなとも思います。
ただし、SPIの場合はチップセレクトのためにピンを一本使ってしまいますので、空きピン全てがSPIバスインタフェースのために使われてしまいます。I2Cの場合は割り込みリクエストを一本出しても残り一本がアナログ入力に使えそうなので、センサとして使えそうです。
とはいえ、バリューラインの安いチップといっても、MCUですのでソフト開発が必要になり何かのセンサモジュールとして大量に生産するのでなければ、コスト面で有利とはいえません。
8ピンのMSP430で制御系が完結するようなシステムの候補としては、パワー制御関係のものが考えられそうなのでそういうネタで何か作ってみようと考えています。
最新の投稿が今年の2月となっておりまして、少々驚きました。
つい最近、秋葉原の千石電商に行ったところ、MSP430 Launchpadが\1,050(税込み)に値上がりしており、円安の影響の大きさを感じました。
さて、ここで円高の時に仕入れた、MSP430 Launchpad関連アイテムの頒布のお知らせをさせていただきたいと思います。
以上、宣伝でした。
ちなみに、8ピンのMSP430を使ったネタを現在検討中です。
先に実験を行っていた、MSP430 LaunchPadからSpy-Bi-Wireの信号線を引き出して、LaunchPadの3.6Vとは異なる電圧電源のシステムに搭載されたMSP430マイコンのSpy-Bi-Wire端子と接続するためのアダプタのキット化を行いまして、コミックマーケット84にて頒布しましたが、その回路方式と機械的な実装方式について紹介します。
安価なMSP430 LaunchPadを、ターゲットシステムの電源電圧がMSP430の動作電圧範囲(1.8V～3.6V)全域にわたって対応可能なICEとして使用できるようにするための、レベル変換アダプタを検討していました。
LaunchPadから引き出すことができるデバッグ用の信号であるSpy-Bi-Wireは、2本の信号線で構成されており、その構成は単方向の信号であるSBWTCKと、双方向の信号であるSBWTDIOの2本です。SBWTDIOの方向制御を行う信号は出力されないため、高圧→低圧と低圧→高圧の双方向レベル変換を制御信号なしで行う必要があります。
当初は、双方向レベル変換専用ICのTXS0104Eを使用していましたが、I2Cの仕様書に掲載されていたMOSFETとその寄生ダイオードを使う方式を基にした回路方式の実験がうまく行きましたので、その方式を元に基板を製作してキット化しました。
基板については、TIから発売されているLaunchPad用の容量性接触センサのモジュールの実装方式を参考に、LaunchPadの基板両端にある10ピンピンヘッダ取り付け用の穴と同一位置に10ピンのソケットもしくはピンヘッダを取り付けることで、基板をスタッキングできるようにしています。
また、ターゲットシステムへの接続は10芯のフラットケーブルを使用してSpy-Bi-Wireの2本の信号とターゲット側の電源及びグランドの接続を行う仕組みとしています。フラットケーブルと接続するコネクタのピン割り当ては5ピン×2列の構成に対して隣り合う列のピンに同一の線を接続し、ケーブルには極性キーのないコネクタを両端に圧接することでコネクタの接続方向の自由度を高める工夫を加えています。
回路構成は回路図の通り、ごく単純なものです。
低圧(ターゲットシステム)側は低圧(ターゲットシステム)側の信号にMOSFETのソースを接続するとともに低圧側のVCCでプルアップし、ゲートは単純に低圧側のVCCに接続しています。また、低圧側から高圧側に電流を流せるように寄生ダイオードと並列にVFの小さなショットキーダイオードを接続しています。
動作としては、ターゲット側から信号がLowにドライブされてVGS>VthとなったときにMOSFETがONになりMOSFETによって高圧(LaunchPad)側の信号線がLowにドライブされることを利用した低圧→高圧レベル変換と、高圧側から信号がLowにドライブされたときダイオードを通じて低圧側の信号線がLowにドライブされることを利用した高圧→低圧レベル変換の機能を、一本の信号線上に付加した形になります。
両サイドの10ピンコネクタ(ソケットまたはピンヘッダ)は、LaunchPadの表側または裏側に取り付けられるように配置しています。
中央のフラットケーブル接続用10ピン(5×2)コネクタは、LaunchPadとは反対側の面に取り付けるようにしていますが、このときLaunchPadに接続される側の信号線のプルアップ抵抗R1の配置が不適切であったために、コネクタのシュラウドと干渉してしまいます。
LaunchPadに接続される側の信号線についてはLaunchPad上にプルアップ抵抗が実装されていますので、このアダプタでは必ずしも取り付けなくても構いません。
基板は鉛フリーハンダによるハンダメッキ仕上げになっていますので、鉛フリーハンダを使用する工具が使用可能です。
最初にMOSFET、ショットキーダイオード、抵抗の各面実装部品を基板に取り付けます。このとき、このアダプタをLaunchPadの裏に取り付けるようにする場合はR1を取り付けないようにします。
基板両サイドに1列×10ピンのコネクタ(ソケットまたはピンヘッダ)を取り付けますが、このときLaunchPadの1列×10ピンのピンヘッダ(またはソケット)に取り付けてからアダプタの基板をかぶせるようにして取り付けるとハンダ付けが簡単に出来ます。
LaunchPadに直接搭載することが可能な、I2Cのレベル変換回路を基にしたSpy-Bi-Wire用レベル変換アダプタの紹介をいたしました。
再度の頒布については追って公表する予定です。
秋月電子では、オリジナルのユニバーサル基板の取り扱いが行われていますが、そのような中に面実装部品用のユニバーサル基板というものがあるので、使ってみたことがあります。
サイズをきちんと測ったわけではないのですが、SOT-23-3の部品と1608(メトリック)サイズの部品はうまく実装できました。
ところが、1.27mmピッチの14ピンICを実装しようとすると、ショートしてしまう箇所があることが分かりました。
そいういうわけで、長方形のランドのサイズを測ってみると、短辺が0.8mm、長辺が2.2mm、短辺側のピッチが0.95mm、長辺側のピッチが2.35mmでした。
ピン間隔が広くてピン数が少ないディスクリート半導体や受動部品を付けるには十分なようですが、ピン数が多いICやピン間隔が狭い部品の場合は注意が必要なようです。
先日のディスクリート構成のSpy-Bi-Wireの電圧変換用アダプタにエントリで、MOS-FETのソース-ドレイン間にショットキーダイオードを入れない状態で、きちんと認識されるかどうかテストするのが今後の課題という旨の内容を書きましたが、DesignSpark-PCBで設計した基板が出来上がりましたので、それを使ってテストしました。
結果から言うと、ショットキーダイオード抜きでは正常に動作しませんでした。
考えられる原因は使用しているMOS-FET(BSS138)の寄生ダイオードでの電圧降下が大きすぎるということです。
MOS-FETの寄生ダイオードの詳細な特性は、データシートにも記載されていないので、折をみてきちんと測定したいと思います。
ちなみに、MOS-FETの寄生ダイオードがこの用途に不向きで、別途ダイオードをつけるのであれば、FETにこだわらなくてもバイポーラトランジスタでもこの機能を実現可能です。バイポーラトランジスタの場合はベース抵抗が必要なので、プロトタイプを作成して実験してみたいと思います。
RSコンポーネンツという電子部品の販売会社が配布している、DesignSparkという回路図と基板用のCADソフトを使って、先日作成したディスクリート部品によるSpy-Bi-Wireのアダプタ基板を設計してみました。
接続方法としては、LaunchPADのRev1.5以降で基板に実装されているピンヘッダに、基板のはんだ面に実装したソケットを使って主回路の部分をLaunchPADに固定し、ボードインコネクタに取り付けたフラットケーブルと、フラットケーブルの末端に取り付けた圧接コネクタを用いてターゲット基板に接続するというものです。
回路図は図のような感じで、10ピン1列のソケットとMOSFETのBSS138、ショットキーダイオードのBAS40がライブラリに入っていなかったので、ライブラリを作成しましたが、既存のシンボルとPCBフットプリントを使えると至極簡単に作成できます、もっとも一から作ろうとすると習熟は必要なようです。
PCBについては、比較的簡単に裏面への配置も出来ますし、配線後の部品の移動やビアの移動が簡単に行えますが、Eagleのように簡単には寸法を測った記録を残しておけないようです。
PCBに関しては3Dでも見られるので、裏面に配置すべき部品と表面に配置すべき部品が正しく配置されたかどうかを容易に確認できますが、問題点としてはライブラリエディタで作成した部品の高さ方向の情報が正しく設定できない点くらいですね。
ちなみに、回路にLEDを挿入した目的は、ターゲット側のコネクタを反対向きに接続したときには赤、正しく接続したときには緑の光を出すことで、誤接続を容易に確認できるようにすることです。
