Ｍｅｍｏｒａｎｄｕｍの小部屋

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まるごとＮＭＥＡ　Ａｒｄｕｉｎｏ編

　このＷｅｂページはＡｒｄｕｉｎｏを用いてＧＮＳＳロガーを試作した経緯を記録として残した個人的なメモです。 　なお、このＷｅｂページ作成以降、特定の測位システムを意味する「ＧＰＳ」は必要時以外は使用せず、ローバル軌道衛星群を意味する「ＧＮＳＳ」を使用することにしました。

　文中の一部の用語は下記を意味します。

• ＧＮＳＳモジュール
  　ＧＭ−３１８Ｂ・ＧＲ−Ａ０１３Ｕ（ＧＭ−Ａ０１３Ｒ）・ＧＭ−５１５７Ａ・ＧＳＵ−１４０型ＧＮＳＳ評価キットなどのＧＮＳＳ受信機 （受信器）もしくはＧＮＳＳモジュール。
  　

• ＧＮＳＳロガー
  　ＧＮＳＳモジュールから送信されたＮＭＥＡセンテンスＳＤカードに記録する本Ｗｅｂページで紹介する試作品（プロトタイプ）。

−　目次　−

１．はじめに

２．プロトタイプ１の製作

３．プロトタイプ２の製作

４．ＧＮＳＳロガー「まるごとＮＭＥＡ」の製作

５．サンプルスケッチＨＥＸファイル書き込み方法

　５．１　「ＡＴＭＥＬ　ＡＶＲＩＳＰシステム・プログラマー　ＡＶＲＩＳＰｍｋ�U」の利用

　５．２　Ａｒｄｕｉｎｏ　ＵＮＯ　Ｒ３（互換機）の利用

　５．３　Ｐｉｃｋｉｔ４の利用

６．ＳＤカード書込みの影響

７．結論

１．はじめに

　「ＧＳＵ−１４０型ＧＮＳＳ評価キット」の動作確認ではノートパソコンを利用していましたが、パソコンを用いるため可搬性は決してよくありませんでした。　また、起動時にロギング開始に関わるコマンド指示も必要でした。　 、一般的に入手できるＧＮＳＳロガーのように通電即ロギング開始というわけではなく、多少扱い辛い製品でした。　このため、そのうち「ＧＳＵ−１４０型ＧＮＳＳ評価キット」専用のＧＮＳＳロガーを製作しようと思っていました が、約３年経過してやっと着手しました。

　「ＧＳＵ−１４０型ＧＮＳＳ評価キット」の動作確認ではＮＭＥＡセンテンスを全て保存して、ロギング終了後に細かい受信状態分析をしました。　ＮＭＥＡセンテンスデータをロギング後に扱うことで、今までの位置情報だけでは無く受信状態も含めて分析でき結構使い物になるとの印象を持ちました。　また、従来のＧＮＳＳロガーでは測位データを抽出するプログラムに汎用性が無く、新たなＧＮＳＳモジュールを扱う度に測位データ抽出用プログラムを改造して、とても見通しの悪いアルゴリズムになりつつありました。　これらの背景から、次回ＧＮＳＳロガーを製作する際には測位データ抽出用にプログラム改造の可能性が少ないと思われるＮＭＥＡセンテンスを全て記録するプログラムにすることにしました。

　ＮＭＥＡセンテンスを全て記録するとなるとデータ量がすぐにＭＢｙｔｅｓオーダとなります。　この対応として記録媒体はＳＤカードにすることにしました。　ＳＤカードを用いるとロギング後のデータ分析に用いるパソコンとの親和性もよいとの思いもあります。

　ＧＮＳＳロガーのプラットフォームとしては、ＰＩＣマイコンでも対応できそうでしたが処理能力が高く入手性の良い小型マイコンボードを利用することにしました。　小型マイコンボードのなかでも、初心者にとって開発ツールが使いやすく、開発ツールの情報量の多い（ 年配者にとって最も壁の低そうな）Ａｒｄｕｉｎｏ　ＩＤＥを用いることにしました。　ということで、取りかかりの小型マイコンボードとしてＡｒｕｄｕｉｎｏ　ＵＮＯ　Ｒ３を使うことにしました。　具体的にはＡｒｄｕｉｎｏ　ＵＮＯ　Ｒ３互換機として「びんぼうでいいの (U3R)」もしくは必要最小限ハードウエア「あちゃんでいいの」を利用することにしました。

　さあ、ＧＮＳＳロガーの製作開始です。

２．プロトタイプ１の製作

　ＧＮＳＳロガーの機能として必要となる「ＳＤカードへの書き込み」、「シリアルポートを用いたデータ送受信」や「開発環境Ａｒｄｕｉｎｏ　ＩＤＥとの接続」 の練習・習得を目的にＧＮＳＳロガープロトタイプ１を試作しました。

　試作目標として、「ＧＳＵ−１４０型ＧＮＳＳ評価キット」との「シリアルポートを用いたデータ送受信」を行いＮＭＥＡセンテンスを受信して、「ＳＤカードへの書き込み」ができることを確認できることとしました。

　ハードウエアは、Ａｒｄｕｉｎｏ　ＵＮＯ　Ｒ３互換機として必要最小限のハードウエアである「あちゃんでいいの」、ＳＤカードは広く出回っている「Ｍｉｃｒｏ　ＳＤ　ＴＦカードメモリシールドモジュール （ＭｉｃｒｏＳＤ　Ｃａｒｄ　Ａｄａｐｔｅｒ）」」用いました。　シリアルポートはＡｒｄｕｉｎｏ　ＩＤＥ用のＰＣ＿ＳｅｒｉａｌとＧＮＳＳ用のＧＮＳＳ＿ＳｅｒｉａｌをスイッチＳＷ２で切り替えています。　ソフトウエアシリアルポート（ＰＤ１：ＰＩＮ３・ＰＤ２：ＰＩＮ４）は、デバッグ用にプログラム 実行状態を表示するモニタ用シリアルポートとして利用しています。（回路図には未記載です。）　また、「ＧＳＵ−１４０型ＧＮＳＳ評価キット」用の３．３Ｖｄｃ電源回路も設けました。

　プロトタイプ１の回路図、外観を下記に掲載します。

上記回路図をクリックすると原寸大の回路図をダウンロードできます。

【　プロトタイプ１　回路図　】

【　プロトタイプ１　動作確認状態（全体外観）　】

【　プロトタイプ１　動作確認状態（ブレッドボード部外観１）　】

【　プロトタイプ１　動作確認状態（ブレッドボード部外観２）　】

　プロトタイプ１のハードウエアを用いてＡｒｄｕｉｎｏ　ＩＤＥによるＳＤカードのアクセスプログラムと、「ＧＳＵ−１４０型ＧＮＳＳ評価キット」電源投入時の初期設定用コマンド実行プログラムの作成と動作確認をしました。

　「ＧＳＵ−１４０型ＧＮＳＳ評価キット」電源投入時のシリアルポートの通信速度は１１５２００ｂｐｓとなります。　「ＧＳＵ−１４０型ＧＮＳＳ評価キット」電源投入時の初期設定用コマンド実行プログラムでは、受信方法設定やロギング時のシリアルポート通信速度（今回は９６００ｂｐｓ）への変更コマンドを実行するプログラムを作成しました。　このプログラムを用いて「ＧＳＵ−１４０型ＧＮＳＳ評価キット」が出力するＮＭＥＡセンテンスをＳＤカードに書き込むプログラムの作成・動作確認をしました。

３．プロトタイプ２の製作

　プロトタイプ１でＧＮＳＳロガーとしての基本的な機能確認がきましたので、次にＧＮＳＳロガーとしての操作を含めた機能全般を確認するプロトタイプ２の試作を行いました。　基本的な操作・機能は「電池ボックス電子工作（その２１）　一体型いつどこＧＰＳロガー９（電池内蔵タイプ）」をベースにしました。　 実際にはプロトタイプ２を製作しながら機能仕様を決めていき、機能（概要）を下記のように決めました。　なお、具体的な仕様は次の節に記載します。

• 　測位未確定時、３Ｄ測位時、みちびき補足時の３通りの測位状態をブザー音で識別できるようにしました。　ブザー音は可変抵抗器で音量調整できるようにしました。　音量調整は深夜のデバッグ作業でとても役立ちましたが、実際の運用で必要な機能なのかちょっと疑問です。
  　　

• 　ＲＧＢ−ＬＥＤの点滅状態でＧＮＳＳロガーの状態や測位状態を表示するようにしました。
  　　

• 　ＲＧＢ−ＬＥＤ点灯とブザー音をオンオフ切替えできるようにしました。
  　

• 　ＳＤカードへの記録中に電源オフすることを防止できるように、ＳＤカード記録終了スイッチを設けることにしました。　これはプロトタイプ２試作中に ＦＡＴが破損してＳＤカードが読めなくなる現象が何度か発生しました。　これを電子回路的に防止することはできますが部品点数が増えてしまいます。　今回はＳＤカード記録終了スイッチを押すことで、単純にＳＤカードへのアクセスをしない電源オフ可能な状態で待ち状態に移行するようにしました。
  　

• 　「ＡＴＭＥＬ　ＡＶＲＩＳＰシステム・プログラマー　ＡＶＲＩＳＰｍｋ�U」を接続できるようにＩＣＰＳコネクタを設けました。　なお、ＳＤカードとＩＣＳＰはマイコンチップの同じピンを利用しますので、排他利用できるようにジャンパーピンで切り替えるようにしました。　

上記回路図をクリックすると原寸大の回路図をダウンロードできます。

【　プロトタイプ２　回路図　】

【　プロトタイプ２　動作確認状態（全体外観１）　】

【　プロトタイプ２　動作確認状態（全体外観２）　】

【　プロトタイプ２　動作確認状態　（操作部ユニバーサル基板外観）　】

【　プロトタイプ２　「ＡＴＭＥＬ　ＡＶＲＩＳＰシステム・プログラマー　ＡＶＲＩＳＰｍｋ�U」接続時　】

４．ＧＮＳＳロガー「まるごとＮＭＥＡ」の製作

　プロトタイプ２をベースにしてＧＮＳＳロガー「まるごとＮＭＥＡ」の製作に着手しました。

• 　ブレッドボードからユニバーサル基板化をしました、　このため、実装変更、および、「あちゃんでいいの」を個別部品に置き換え ました。
  　

• 　ＳＤカードとＩＣＳＰコネクタの排他利用機能は残しました。
  　　

• 　Ａｒｄｕｉｎｏ　ＩＤＥ用のＰＣ＿ＳｅｒｉａｌとＧＮＳＳ用のＧＮＳＳ＿Ｓｅｒｉａｌを切替えるスイッチ は設けず、別途シリアルポートスイッチ基板を設けて、この基板に切替えスイッチを設けました。

【　ＧＮＳＳロガー「まるごとＮＭＥＡ」回路図　】

【　ＧＮＳＳロガー「まるごとＮＭＥＡ」　全体外観１　】

【　ＧＮＳＳロガー「まるごとＮＭＥＡ」　全体外観２　】

【　ＧＮＳＳロガー「まるごとＮＭＥＡ」　基板外観１　】

【　ＧＮＳＳロガー「まるごとＮＭＥＡ」　基板外観２　】

【　ＧＮＳＳロガー「まるごとＮＭＥＡ」　基板外観３　】

【　ＧＮＳＳロガー「まるごとＮＭＥＡ」　基板外観４　】

【　ＧＮＳＳロガー「まるごとＮＭＥＡ」　基板外観５　】

【　ＧＮＳＳロガー「まるごとＮＭＥＡ」　基板外観６　】

【　ＧＮＳＳロガー「まるごとＮＭＥＡ」　基板外観７　】

【　ＧＮＳＳロガー「まるごとＮＭＥＡ」用　ＳＤカード基板外観１　】

【　ＧＮＳＳロガー「まるごとＮＭＥＡ」用　ＳＤカード基板外観２　】

５．サンプルスケッチＨＥＸファイル書き込み方法

　今回もスケッチ（プログラム）のソースを公開していませが、コンパイルしたｈｅｘファイル を公開しています。　Ａｒｄｕｉｎｏ　ＵＮＯ　Ｒ３（互換機）にｈｅｘファイルを書込む方法はＷｅｂで沢山公開されていますので、それらを参照していただければと思います。　本ＷｅｂページではＧＮＳＳロガー「まるごとＮＭＥＡ」のＣＮ１コネクタを介したｈｅｘファイル書込み例を掲載します。　

５．１　「ＡＴＭＥＬ　ＡＶＲＩＳＰシステム・プログラマー　ＡＶＲＩＳＰｍｋ�U」の利用

　ｈｅｘファイルの書込みは専用のプログラマを利用するのが最も簡単な方法です。　ＩＣＳＰ接続できるプログラマは「ＡＴＭＥＬ　ＡＶＲＩＳＰシステム・プログラマー　ＡＶＲＩＳＰｍｋ�U」の他に比較的安価な（１，０００円以下）プログラマも多く販売 されているようです。（純正品・メーカ品以外のプログラマは使用できるかどうか不明です。）

　 ｈｅｘファイルはプログラマをＩＣＳＰ用コネクタ（ＳＤカード接続コネクタと兼用：排他利用）に接続して書き込みます。　プログラマとしては「ＡＴＭＥＬ　ＡＶＲＩＳＰシステム・プログラマー　ＡＶＲＩＳＰｍｋ�U (M-02582)」を利用するのが最も簡単です。　（参照 「にわとりたまご！　Arduino用ブートローダの巻」）
　書込みツールとしてはＭｉｃｒｏｃｈｉｐ　Ｓｔｕｄｉｏを利用しました。　参考となる書込み手順はＭｅｍｏｒａｎｄｕｍの小部屋の「にわとりたまご！　Arduino用ブートローダの巻」を参照願います。

上記回路図をクリックすると原寸大の回路図をダウンロードできます。

【　「ＡＴＭＥＬ　ＡＶＲＩＳＰシステム・プログラマー　ＡＶＲＩＳＰｍｋ�U」〜まるごとＮＭＥＡ　接続回路　】

【　ＡＶＲＩＳＰｍｋ�U接続時外観　】

【　Ｍｉｃｒｏｃｈｉｐ　Ｓｔｕｄｉｏ　Ｄｅｖｉｃｅ　Ｐｒｏｇｒａｍｍｉｎｇ　設定画面　】

５．２　Ａｒｄｕｉｎｏ　ＵＮＯ　Ｒ３（互換機）の利用

　ＡＶＲＩＳＰｍｋ�Uの代わりとして、Ａｒｄｕｉｎｏ　ＵＮＯ　Ｒ３（互換機「びんぼうでいいの (U3R)」）をプログラマとして利用できます。　「びんぼうでいいの (U3R)」をＡｒｄｕｉｎｏ　ＩＤＥに接続して、メニューバー「ファイル」→「スケッチ例」→「１１．ＡｒｄｕｉｎｏＩＳＰ」を ロードして書き込みをします。　参考となる書込み手順はＭｅｍｏｒａｎｄｕｍの小部屋の「にわとりたまご！　Arduino用ブートローダの巻」を参照願います。　

上記回路図をクリックすると原寸大の回路図をダウンロードできます。

【　Ａｒｄｕｉｎｏ　ＵＮＯ　Ｒ３（互換機）〜まるごとＮＭＥＡ　接続回路　】

【　「びんぼうでいいの (U3R)」接続時外観１　】

【　「びんぼうでいいの (U3R)」接続時外観２　】

【　「びんぼうでいいの (U3R)」接続時外観３　】

　書込みツールとして、コマンドプロンプトもしくはＰｏｗｅｒＳｈｅｌｌ上からａｖｒｄｕｄｅ．ｅｘｅを利用します。　一例としてドライブＥ：￥ａｖｒｄｕｄｅフォルダー下にａｖｒｄｕｄｅ．ｅｘｅ、ａｖｒｄｕｄｅ．ｃｏｎｆおよびｈｅｘファイルを格納したときの書込み例を示します。

【　関連ファイル格納例　】

５．３　Ｐｉｃｋｉｔ４の利用

　Ａｒｄｕｉｎｏ関連の資料を調べている最中に、ＡＴｍｅｇａ３２８Ｐを「ＰＩＣｋｉｔ４」で書込みできるとの記載を見つけました。　早速、ｈｅｘファイル関連の操作時に利用しているMPLAB　ＩＰＥ　Ｖ６．０５を立ち上げると「ｄｅｖａｉｃｅ」選択中に「ＡＴｍｅｇａ３２８Ｐ」を見つけました。　 今までこれには気付きませんでした。　早速試したところ、書込みができることを確認できました。　なお、ツールとしてはｈｅｘファイルなどの操作を直感的に操作し易いＭＰＬＡＢ　ＩＰＥ　ｖ６．０５を利用しました。

【　「ＰＩＣｋｉｔ４」　接続回路　】

【　「ＰＩＣｋｉｔ４」　接続時外観１　】

【　「ＰＩＣｋｉｔ４」　接続時外観１　】

【　MPLAB　ＩＰＥ　Ｖ６．０５　書込み完了時画面　】

　MPLAB　ＩＰＥ　Ｖ６．０５で「Ｐｒｏｇｒａｍ」を正常終了した後に「Ｖｅｒｉｆｙ」を実行すると「Verify failed, in [Cfg] at offset 0x820000: expected 0x00000062 was 0x000000ff」のエラーメッセージが表示されることがありました。　この原因はＣｏｎｆｉｇｕｒａｔｉｏｎ　ＢｉｔｓのＦＵＳＥ　ＬＯＷ　Ｂｙｔｅのデフォルト値０ｘ６２とデバイスの値が異なるのが原因のようです。　MPLAB　ＩＰＥ　Ｖ６．０５ではＣｏｎｆｉｇｕｒａｔｉｏｎ　Ｂｉｔｓの編集はできませんので、このエラーメッセージは無視することとしました。　Ｃｏｎｆｉｇｕｒａｔｉｏｎ　Ｂｉｔｓの編集は「ＡＴＭＥＬ　ＡＶＲＩＳＰシステム・プログラマー　ＡＶＲＩＳＰｍｋ�U」もしくはａａｖｒｄｕｄｅ．ｅｘｅを用いることで可能です。

【　デフォルト時　Ｃｏｎｆｉｇｕｒａｔｉｏｎ　Ｂｉｔｓ　】

【　デバイスＲｅａｄ時　Ｃｏｎｆｉｇｕｒａｔｉｏｎ　Ｂｉｔｓ　】

６．ＳＤカード書込みの影響

　前記のｈｅｘファイルでは、ＳＤカードへの書込みタイミングはＧＮＳＳロガー受信データが１２８バイトを超えた時点です。　この数値は適切な値とは限りません。　スケッチ作成当初の スケッチサイズが小さい頃は２５６バイトでもＳＤカードへの書込みができていましたが、スケッチサイズが増えるにしたがってこの数値を小さくしないとＳＤカードへの書込みができなくなり、 本Ｗｅｂページ公開時点では１２８バイトにせざるを得なくなりました。（ＲＡＭ空きスペースの問題のようです。）

　また、１時間程度の短時間 のロギングではほぼ欠落無くＧＮＳＳモジュールからの受信データを書込めていましたが、連続動作確認で２０時間程度を超えるほとんどまともに格納できない現象が生じました。　この原因を調べたところ、ファイルサイズに比例してＳＤカードへの書込み時間が長くなり、ＧＮＳＳモジュールからの受信データがバッファオーバーフローしているようでした。　一例として、「ＧＳＵ−１４０型ＧＮＳＳ評価キット」のＮＭＥＡセンテンスを約１００万行 （約３０時間）受信した付近の「まるごとＮＭＥＡ」で記録できた受信データのログを下記に掲載します。

【　約６５MB付近の格納データ　】

　受信データが欠落したため本来は複数行であるべきデータが１行として認識されたり、メッセージＩＤ（ＧＧＡ等）が破損しているなど明らかに異常なデータもあります 。　それ以外にも（また、データ採取初期でも）極一部のデータ欠落が生じていることも確認できました。　そのため、ＮＭＥＡセンテンスのサムチェック値を利用して正常に受信できたかをチェックしました。　その結果を 正常データ割合（＝正常データ行数／受信行数（１０００行）＊１００％）としてグラフ化しました。　このグラフは受信行数１０００行毎に割合を算出しています。　また、スケッチ作成経過中に採取していた何種類かの「ＳＤカードへの書込みタイミングの受信データバイト数」についてもグラフ化しました。　その結果を下記に掲載します。

【　正常データ割合（全体）　】

初期段階でも正常データ割合が１００％とはなりません。

【　正常データ割合（拡大）　】

　上記のような受信行数増加（＝ファイルサイズ増加）によりデータを正常に受信できない（＝ＳＤカードに正しく格納できない）現象をＳＤカードの書込みタイミング波形で確認してみました。　観測は、ＳＤカードの各端子波形（ＣＳ／ＭＯＩＳ／ＭＩＳＯ／ＳＣＫ）とＧＮＳＳモジュールシリアル送信信号ＧＮＳＳ＿ＴＸ、スケッチがＩＤメッセージＧＧＳとして認識している期間Ｈｉｇｈレベル信号となるＮＭＥＡ＿ＧＧＡ 信号の計６点を観測しました。　ＮＭＥＡ＿ＧＧＡ信号は、正常時は１秒間隔で観測されます。　観測の結果を下記に掲載します。　下記表中の「ファイルサイズ」はロギング開始時のファイルサイズ を意味します。　この観測に際しては、ＮＭＥＡ＿ＧＧＡ信号作成、および、ファイル名固定でデータ追記するスケッチを作成して、ファイルサイズの影響を短時間で観測できるようにしました。 　なお、実際の波形に対してサンプリング間隔が長いため、全ての状態を正確には表示できていない観測結果となっています。

７．結論

　上記観測結果より、ファイルサイズが大きくなるとＳＤカードへの書込み時間が長くなっていることを確認できました。　このような現象を無くすためにはＧＮＳＳモジュールの送信データを確実に受信する必要があります。　しかし、Ａｒｄｕｉｎｏ（Ａｔｍｅｇａ３２８Ｐ）の受信バッファサイズ がとても小さいため、当方のスキルでは根本対策はできそうにありません。

　今回の製作では当初予定していた性能を全て実現する（ＮＭＥＡセンテンスを全て正しく記録する）ことができませんでした。　とはいえ、多少のデータ欠落があってもたいした影響はありませんので、半日程度のロギングでは使い物にはなると思います。　ただし、受信したＮＭＥＡ センテンスデータのサムチェック確認は必須でしょう。

　また、ｈｅｘファイルの書込みに特化すれば「ＰＩＣｋｉｔ４」が手軽そうです。　しかし、Ｃｏｎｆｉｇｕｒａｔｉｏｎ　Ｂｉｔｓの編集が容易にできる「ＡＴＭＥＬ　ＡＶＲＩＳＰシステム・プログラマー　ＡＶＲＩＳＰｍｋ�U」 がベストと思っています。

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