Arduinoの基礎

概要

Arduinoのスケッチには、setup()関数とloop()関数が存在する。
setup()関数はスケッチの実行開始時(電源を投入した直後)、またはボードのリセット後に1度だけ呼ばれる。
変数の初期化や、ピンモードの設定、ライブラリの初期化などを行うのに適している。
loop()関数は、setup()関数が呼ばれた後に繰り返し呼び出される。

仕様一覧

Arduino UNO R3

下表に、Arduino UNO R3の仕様を示す。

Arduino UNO R3の仕様

項目	仕様
マイコン	ATmega 328P
動作電圧	5[V]
入力電圧 DCジャック または Vin端子	推奨値 : 7～12[V] 限界値 : 6～20[V]
アナログ入力ピン	6本
デジタルI/Oピン	14本
DC出力電流 I/O	20[mA] / IOピン(1つのI/Oピン当たり) 合計 Max : 100[mA] ※注意 : 1ピンあたり40[mA]以上で損傷
DC出力電流 3.3[V]出力ピン	50[mA]
ADC	10bit
DAC	無し
Flashメモリ	32[KB]
SRAM	2[KB]
EEPROM	1[KB]
クロック	16[MHz]

Arduino UNO R4

Arduino UNO R3との主な違いはマイコン、メモリ容量、クロック周波数等である。
また、Arduino UNO R4では、ペリフェラルにDAC機能、Wi-Fi機能、Bluetooth機能が追加されている。

項目	仕様
マイコン	RA4M1 (Renesas)
動作電圧	5[V]
入力電圧 DCジャック または Vin端子	推奨値：7～12[V] 限界値：6～24[V]
アナログ入力ピン	6本
デジタルI/Oピン	14本
DC出力電流 I/O	8[mA] / IOピン(1つのI/Oピン当たり) 合計 Max：100[mA] ※注意 仕様を超える電流で損傷の可能性あり
DC出力電流 3.3[V]出力ピン	50[mA]
ADC	14bit
DAC	12bit
Wi-Fi	Arduino UNO R4 WiFiのみ
Bluetooth	Arduino UNO R4 WiFiのみ
Flashメモリ	256[KB]
SRAM	32[KB]
データメモリ	8[KB]
クロック	48[MHz]

Arduinoの電源供給

Arduinoの電源供給は、USB端子と外部電源の2通りの給電方式がある。
USB端子と外部電源は以下に示す供給能力が推奨される。

Arduino UNO R3の電源仕様

	電圧[V]	電流[A]
USB電源	5[V]	約0.5〜0.9[A]
外部電源(DCジャック)	7〜12[V] ※注意	約1[A]
外部電源(VIN)	7〜12[V] ※注意	約1[A]

Arduino UNO R4の基本的な電源仕様はR3と同様である。
USB電源は5V、最大900[mA]、外部電源 (DCジャック、VIN) は推奨7〜12[V]、約1[A]までとなる。

外部電源の電圧は、推奨値7～12[V]、絶対最大定格は6～24[V]を守る必要がある。

Arduino UNO R4の電源仕様

項目	電圧[V]	電流[A]
USB電源	5[V]	約0.5～0.9[A]
外部電源(DCジャック)	7～12[V] ※注意	約1[A]
外部電源(VIN)	7～12[V] ※注意	約1[A]

※注意
Arduinoの開発元では、入力電圧の限界値を6〜20[V] (R4では、6〜24[V]) と表示している。
ただし、実装部品が耐圧20[V]以下の部品が実装されている場合があるため、7〜12[V]の推奨値の範囲で使用することを推奨する。

スケッチのダウンロード

まず、スケッチをコンパイルする。
次に、Arduino IDEの[ツール]メニューバー - [ボード]メニューでArduinoボードを選択する。
更に、Arduino IDEの[ツール]メニューバー - [ポート]メニューでCOMポートを選択する。
最後に、[マイコンボードに書き込む]ボタンを押下して、コンパイルしたスケッチをダウンロードする。

LEDの点滅(ArduinoのHello World)のサンプルコード

次に示すのは、LEDを点滅させるサンプルコードである。

 const int LED_PIN = 13;
 
 void setup()
 {
    pinMode(LED_PIN, OUTPUT);
 }
 
 void loop()
 {
    digitalWrite(LED_PIN, HIGH);
    delay(1000);
    digitalWrite(LED_PIN, LOW);
    delay( 1000 );
 }

Arduinoで電圧を測定する(アナログ入力を読み取る)

Arduinoボードは、A0 - A5までの6チャネルの10ビットのADCを持っている。
Arduino Uno等の動作電圧が5[V]のボードでは、0[V] - 5[V]までの電圧は、0 - 1023までの整数に対応付けられる。

Arduino IDEでは、analogRead関数を用いることで、指定したアナログピンから値を読むことができる。
analogRead関数は読み取った値を、0 - 1023までの整数値で返す。

${\mbox{analogRead 関 数 の 戻 り 値 }}={\frac {\mbox{ セ ン サ 電 圧 [V]}}{\mbox{ 参 照 電 圧 [V]}}}\times (2^{N}-1)\qquad \therefore {\mbox{ N は 、 N ビ ッ ト の AD コ ン バ ー タ }}$

したがって、analogRead関数の戻り値をセンサ電圧に対応する場合は、以下の計算式を使用することにより、センサ電圧が分かる。

${\mbox{ セ ン サ 電 圧 [V]}}={\frac {\mbox{analogRead 関 数 の 戻 り 値 }}{(2^{N}-1)}}\times {\mbox{ 参 照 電 圧 [V]}}\qquad \therefore {\mbox{ N は 、 N ビ ッ ト の AD コ ン バ ー タ }}$

なお、標準では、analogRead関数の戻り値である0 - 1023が、0[V] - 5[V] (Arduino Gemmaのような3.3[V]の動作電圧の場合は0[V] - 3.3[V]) に対応付けられているが、
analogReference関数を使用してこの範囲を変更することは可能である。
ただし、設定可能な値は、各ボードに依存するため注意が必要である。

図.1 電圧を測定する回路図

次に記述するのは、電圧を読み取った結果をシリアルモニタに出力するサンプルコードである。
これによって 1秒毎にシリアルモニタに電圧が表示される。

図.2 電圧を測定してシリアルモニタに表示

 const int PIN_ANALOG_INPUT = 5;
 
 void setup()
 {
    Serial.begin(9600);
 }
 
 void loop()
 {
    int iVoltage = analogRead(PIN_ANALOG_INPUT);
    float fVoltage = iVoltage * 5.0 / 1023.0;
    Serial.println(fVoltage);
    delay(1000); 
 }

割り込みとISR

Arduinoのスケッチでのハードウェア割込み(hardware interrupt)の利用方法について記載する。

Arduino Unoでは、2個のピン(D2, D3)が割込みに利用できる。D2は割込み番号が0、D3は割り込み番号が1である。
Arduino Mega2560では、6個(D2, D3, D18, D19, D20, D21)が使用できる。割込み番号は順に0, 1, 5, 4, 3, 2が設定されている。

割込みサービスルーチン(ISR, interrupt service routine)は、引数および戻り値が無いvoidの関数が割り当てられる。
attachInterrupt(割込み番号, 関数名, モード)でISRをセットする。
また、attachInterruptの引数にはピンの番号ではなく、割込み番号を指定することに注意すること。
ピン番号から割込み番号の解決には、digitalPinToInterruptを使用する。
attachInterruptで指定した関数には幾つかの制約があるので、次の点に注意する。

• delay関数は機能しない。
• millis関数の戻り値が増加しない。
• シリアル通信により受信したデータは、失われる可能性がある。
• 割り当てた関数のなかで値が変化する変数にはvolatileをつけて宣言する必要がある。

次のサンプルコードでは、toggle_ledという名前のISRを、D2ピンでの割込み処理に指定している。
モードのFALLINGはHIGHからLOWの状態へ遷移したことで割込みを発生させることを意味する。
ISRでLEDが接続されたピンの状態を表す変数をLOWまたはHIGHに変化させている。
そして、loop()関数でその変数をdigitalWrite()関数に渡している。

 const byte PIN_LED       = 10;
 const byte PIN_INTERRUPT = 2;
 volatile byte state      = LOW;
 
 void setup()
 {
    pinMode(PIN_LED, OUTPUT);
    digitalWrite(PIN_LED, state);
 
    attachInterrupt(digitalPinToInterrupt(PIN_INTERRUPT), toggle_led, FALLING);
 }
 
 void loop()
 {
    digitalWrite(PIN_LED, state);
 }
 
 void toggle_led()
 {
    state != state;
 }

ArduinoでPWM制御

Arduinoでは、PWMによるアナログ出力(任意の出力値)をサポートしている。
デジタル信号としてHIGH(3.3[V]または5[V])とLOW(0[V])だけでなく、2[V]等の中間の値も出力できる。
これにより、LEDの調光制御を行うことができる。

PWMとは

PWM(Pulse Width Modulation)とは、電圧を制御する方法の1つである。
出力のオンとオフを行うことで、 パルス幅に比例した電圧を得ることができる。

例えば、下図のように信号の基本周期の間で、25[%]の時間だけ出力をオンにすることにより、
平均で電圧の25[%]の電圧(5[V] * 25[%] = 1.25[V])を得ることができる。
尚、この場合はオン時間をデューティーサイクル (Duty Cycle) といい、最大電圧に対する出力電圧の割合になる。

ArduinoのPWM出力

Arduino Unoでは、デジタル出力ピンの3, 5, 6, 9, 10, 11番の6個のピンがPWM制御に利用できる。
ピン番号の前に ~記号が付記されており、PWM制御が利用可能であることがわかる。

基本的に、ArduinoのPWMの周波数は約490[Hz]だが、Arduino Unoでは5番と6番ピンは980[Hz]である。
周波数が2倍ということは、波長が半分ということである。しかしながら、デューティーサイクルが同じであれば出力電圧は同じである。

analogWrite関数の使い方

Arduinoでは、PWM出力にはanalogWrite関数を使用する。
analogWrite関数の引数は、第1引数にピン番号、第2引数にデューティーサイクルを渡す。

デューティーサイクルは、パーセント表示ではなく、0(0%)から255(100%)の値をとる。
したがって、5[V]の動作電圧の時には、255 / 5 = 51より電圧 * 51として、更に整数に丸めた値をanalogWrite関数の第2引数に渡す。

analogWrite関数を1度呼ぶと、同じピンに対してanalogWrite関数、digitalWrite関数、digitalRead関数を呼ぶまで、一定のPWM波を出力する。
analogWrite関数を呼ぶためにpinModeを事前に呼ぶ必要は無い。

PWM出力のサンプルコード

次に、analogWrite関数によるPWM出力のサンプルコードを記述する。
Arduinoの3番ピンにて2[V]を出力している。

 const int PIN_PWM = 3;
 const float V_OUT = 2;
 
 void setup()
 {
    int i = (int)V_OUT * 51;
    analogWrite(PIN_PWM, i); 
 }
 
 void loop()
 {
 
 }

ファームウェアの復元

Arudino UNO R4 WiFi

Arduino UNO R4 WiFiにはUSB-シリアル通信を処理するESP32-S3チップが搭載されている。
このチップのファームウェアは、Arduino IDEまたはArduino Cloudを使用してアップグレードできるが、アップグレード後のファームウェアが正常に動作しない場合がある。

この時、espflashツールを使用してファームウェアを復元することができる。

これは、以下に示すような症状が起きている場合に有効である。

• Arudino UNO R4 WiFiが、Arduino IDEまたはArduino Cloudの[ボード情報の取得]を選択すると、汎用のESP32ボード (例: ESP32-S3-Box) として検出される。

  

• Arudino UNO R4 WiFiが、Arduino IDEまたはArduino Cloudの[ボード情報の取得]を選択すると、データUSBケーブルでコンピュータに接続されているにもかかわらず、どのボードとしても検出されない。

1. まず、下図のように、Arduino UNO R4 WiFiにある6ピンヘッダのGNDピンとDownloadピンを短絡 (ショート) させる必要がある。
   

   

2. Arduino UNO R4 WiFiと不要なUSBデバイスをPCから外す。
3. Arduino UNO R4 WiFi上で、USB type Cコネクタの隣にある6ピンヘッダのGNDピンとDownloadピンを探す。

   
   

4. GNDピンとDownloadピンを短絡させる。
   これは、2つのピンの間にメス-メス ジャンパワイヤを使用して接続することを推奨する。
5. メス-メス ジャンパワイヤが持っていない場合は、先の尖った導電性の物体 (オス-オス ジャンパワイヤの一端等) を使用して、両方のピンに接触するように配置することもできる。
6. 短絡させた状態で、Arduino UNO R4 WiFiをPCに接続する。
7. 新しいデバイスが接続されたというメッセージが表示される場合は、接続を許可する。

次に、espflashツールのGithubにアクセスして、espflashツールをダウンロードする。
ダウンロードしたファイルを解凍する。

unzip unor4wifi-update-linux.zip
cd unor4wifi-update-linux

espflashツールを実行してファームウェアを復元する。

./bin/espflash write-bin -b 115200 0x0 firmware/UNOR4-WIFI-S3-*.bin

復元前において、以下に示すようなプロンプトが表示される。
この時、キーボードの[N]キーを押下する。

? Remember this serial port for future use? (y/n) >

訳: 今後の使用のために、このシリアルポートを記憶しておきますか？ (y/n)

ファームウェアの復元に成功した後、Arudino UNO R4 WiFiをPCから外す。
次に、GNDピンとDownloadピンのジャンパワイヤ (短絡用) を外す。

Arudino UNO R4 WiFiをPCに再度接続する。
Arduino IDE等から[ボード情報の取得]を選択して、"Arudino UNO R4 WiFi"と表示されているかどうかを確認する。

※注意
Linux上でespflashツールを実行する時、以下に示すようなエラーが出力される場合がある。
これは、システムにインストールされているGLIBCのバージョンが古いためである。

./bin/espflash: /lib64/libc.so.6: version `GLIBC_2.33' not found (required by ./bin/espflash)
./bin/espflash: /lib64/libc.so.6: version `GLIBC_2.32' not found (required by ./bin/espflash)
./bin/espflash: /lib64/libc.so.6: version `GLIBC_2.34' not found (required by ./bin/espflash)

この時、インストール - GLIBCのページを参照して、エラーで出力されているバージョン以降のGLIBCを別途インストールする。
インストールしたGLIBCをラッピングして、espflashツールを実行する。

# 別途インストールしたGLIBCをラッピングして、espflashツールを実行する場合
export GLIBC_DIR="<GLIBCのインストールディレクトリ>"

$GLIBC_DIR/lib/ld-linux-x86-64.so.2 \
   --library-path $GLIBC_DIR/lib64:$GLIBC_DIR/lib:/usr/lib64:/usr/lib:/lib64:/lib \
   ./bin/espflash write-bin -b 115200 0x0 firmware/UNOR4-WIFI-S3-*.bin