Ｍｅｍｏｒａｎｄｕｍの小部屋

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電池ボックス電子工作（その２３）

まるごとＮＭＥＡボックス版

　このＷｅｂページは電池ボックスに収納した「ＲＰ２０４０−Ｚｅｒｏ」ＧＮＳＳロガーを製作した経緯を記録として残した個人的なメモです。

　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・ＧＭ−８０１３Ｔ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センテンスを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．「まるごとＮＭＥＡボックス版」の製作

３．「まるごとＮＭＥＡボックス版」動作確認

４．「まるごとＮＭＥＡボックス・シリアル版」の製作

５．「まるごとＮＭＥＡボックス・シリアル版」の動作確認（ＧＮＳＳロガー、充放電機能）

６．「まるごとＮＭＥＡボックス・シリアル版」用スケッチ

７．結論・今後の予定

８．「まるごとＮＭＥＡボックス版」・「まるごとＮＭＥＡボックス・シリアル版」で使用した部品

１．はじめに

　「まるごとＮＭＥＡ　Ａｒｄｕｉｎｏ編」、 「まるごとＮＭＥＡ　Ｒａｓｐｂｅｒｒｙ　Ｐｉ　Ｐｉｃｏ編」 、「まるごとＮＭＥＡ　ＲＰ２０４０　Ｚｅｒｏ編」に続く製作記録です。　「ＲＰ２０４０−Ｚｅｒｏ」を用いたＧＮＳＳロガー 「まるごとＮＭＥＡ　ＲＰ２０４０　Ｚｅｒｏ編」を持ち運び用に回路変更して電池ボックスに実装しました。　スケッチは「まるごとＮＭＥＡ　Ｒａｓｐｂｅｒｒｙ　Ｐｉ　Ｐｉｃｏ編」の「６．公開用スケッチ（ｕｆ２ファイル）」をそのまま利用 、および 、スケッチ追加しています。

　「まるごとＮＭＥＡ　ＲＰ２０４０　Ｚｅｒｏ編」で用いた「ＲＰ２０４０−Ｚｅｒｏ」は「Ｒａｓｐｂｅｒｒｙ　Ｐｉ　Ｐｉｃｏ 」相当の機能をとても小さなサイズに小型化したモジュールです。　このサイズでもＲＥＳＥＴスイッチとＢＯＯＴスイッチも備えているため、電源オフ→電源オンすることなく （ＵＳＢコネクタの脱着無しに）容易にリブート可能です。　特にRESETスイッチの実装はサイズの大きな「Ｒａｓｐｂｅｒｒｙ　Ｐｉ　Ｐｉｃｏ 」には無いともて便利な機能（スイッチ）だと思っています。　このような「ＲＰ２０４０−Ｚｅｒｏ」を電池ボックス電子工作に利用しない手はありません。　今回、「まるごとＮＭＥＡ　ＲＰ２０４０　Ｚｅｒｏ編」のＧＮＳＳロガーを電池ボックス電子工作として製作した記録を下記に紹介します。

　実際に製作して使い勝手に改善の余地が多々ありました。　使い勝手、製作のし易さを考慮した実装で製作し直すのが望ましい結果となりました。　製作当初の構想設計の大切さを痛切に感じています。

２．「まるごとＮＭＥＡボックス版」の製作

　ＧＮＳＳロガーの操作・機能は基本的に「まるごとＮＭＥＡ　ＲＰ２０４０　Ｚｅｒｏ編」を踏襲しました。　

• 　リチウムイオンポリマー電池 を利用できるように電源回りの回路を変更しました。　リチウムイオンポリマー電池の充電回路を追加しました。　また、リチウムイオンポリマー電池の過充電・過放電などの保護回路基板を 電池内に確認できましたのでそのまま利用することにしました。　今回の製作例はリチウムイオンポリマー電池 の保護回路を設けていないため、保護回路を内蔵していないリチウムイオンポリマー電池を今回の製作例には利用してはいけません。
  　

• 　「ＲＰ２０４０−Ｚｅｒｏ」基板のＵＳＢコネクタ からリチウムイオンポリマー電池の充電はできません。　このＵＳＢコネクタはスケッチの書込み用とします。　なお、ＵＳＢコネクタから「まるごとＮＭＥＡボックス版 」の通電・起動はできます。
  　

• 　下記回路図のＴＢ１の５Ｖ−ＧＮＤ間に５Ｖｄｃを供給することで電源供給します。
    　

• 　ログデータの取出しは「まるごとＮＭＥＡボックス版 」からＳＤカードを取り外して、パソコンなどでＳＤカードから読み出しすることにしました。　（この構想をしっかり守って部品実装計画をしなければいけなかったのですが。。。。。　この段階ではＭｏｎｉｔｏｒ−ＴＸ、Ｍｏｎｉｔｏｒ−ＲＸの信号の取出しは考えていませんでした。）
  　

• 　製作後の「ＲＰ２０４０−Ｚｅｒｏ」のＢＯＯＴ／ＲＥＳＥＴスイッチの操作性は考慮しないことにしました。　 そのため、製作前（組み込み前）に「ＲＰ２０４０−Ｚｅｒｏ」にスケッチを書込まなければいけません。 　スケッチは「まるごとＮＭＥＡ　Ｒａｓｐｂｅｒｒｙ　Ｐｉ　Ｐｉｃｏ編」の「６．公開用スケッチ（ｕｆ２ファイル）」をそのまま利用できます。
  　

• 　ＧＮＳＳモジュールは電源・シリアル通信信号レベルが３．３Ｖで、通信速度９６００ｐｓであればスイッチ操作無く電源オンのみで利用できます。　今回はこれに該当して電池ボックス内に収納可能な「ＧＭ−８０１３Ｔ」を利用しました。
  　

• 　ブザーの音量調整の可変抵抗を無くしました。

　下記に「まるごとＮＭＥＡボックス版」の回路図、製作時の画像を掲載します。

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。

【　「まるごとＮＭＥＡボックス版」　回路図　】

【　「まるごとＮＭＥＡボックス版」　構成基板外観１　】

この ３枚の基板を積み重ねます。

【　「まるごとＮＭＥＡボックス版」　構成基板外観２　】

【　「まるごとＮＭＥＡボックス版」　周辺回路基板外観　】

【　「まるごとＮＭＥＡボックス版」　３色ＲＧＢチップＬＥＤ基板外観　】

【　「まるごとＮＭＥＡボックス版」　基板組立て外観１　】

【　「まるごとＮＭＥＡボックス版」　基板組立て外観２（周辺回路基板）　】

【　「まるごとＮＭＥＡボックス版」　基板組立て外観３　】

【　「まるごとＮＭＥＡボックス版」　基板組立て外観４（「ＲＰ２０４０−Ｚｅｒｏ」）　】

【　「まるごとＮＭＥＡボックス版」　基板組立て外観５　】

【　「まるごとＮＭＥＡボックス版」　基板組立て外観６　】

【　「まるごとＮＭＥＡボックス版」　基板組立て外観７　】

【　「まるごとＮＭＥＡボックス版」　基板組立て外観８　】

【　「まるごとＮＭＥＡボックス版」　「ＧＭ−８０１３Ｔ」外観１　】

【　「まるごとＮＭＥＡボックス版」　「ＧＭ−８０１３Ｔ」外観２　】

中央の仕切り板は左右両端に切れ込みを入れると簡単に折り切りできます。

【　「まるごとＮＭＥＡボックス版」　電池ボックス改造１　】

【　「まるごとＮＭＥＡボックス版」　電池ボックス改造２　】

【　「まるごとＮＭＥＡボックス版」　電池ボックス改造３　】

【　「まるごとＮＭＥＡボックス版」　電池ボックス改造４（ポリウレタン電線引き込み状態）　】

【　「まるごとＮＭＥＡボックス版」　基板・電池収納時外観　】

基板が斜めになり、見た目がとても悪くなりました。

【　「まるごとＮＭＥＡボックス版」　「ＧＭ−８０１３Ｔ」収納時　】

【　「まるごとＮＭＥＡボックス版」　電源スイッチ押さえ取付け時（内部収納完了）　】

【　「まるごとＮＭＥＡボックス版」　外観１　】

【　「まるごとＮＭＥＡボックス版」　外観２　】

【　「まるごとＮＭＥＡボックス版」　外観３　】

【　「まるごとＮＭＥＡボックス版」　外観４　】

【　「まるごとＮＭＥＡボックス版」　外観５　】

３．「まるごとＮＭＥＡボックス版」動作確認

　組立完了後、通電確認をして期待通りの動作を確認できました。　

【　ＧＮＳＳロガー３次元測位時（緑色ＬＥＤ点灯）　】

右上の茶色・赤色電線が充電用＋５Vdc供給ラインです。

【　リチウムイオンポリマー電池充電時（赤色ＬＥＤ点灯）　】

【　リチウムイオンポリマー電池充電完了時（緑色ＬＥＤ点灯）　】

　「ＲＰ２０４０−Ｚｅｒｏ」やＳＤカードを正常に動作させるためには「ＲＰ２０４０−Ｚｅｒｏ」の３Ｖ３端子電圧を ３．３Ｖｄｃに維持することが必要です。　この確認のため、可変電源をリチウムイオンポリマー電池のかわりに接続して可変電源電圧と３Ｖ３端子電圧の関係を測定しました。　可変電源出力をショットキーダイオードＤ１（ＣＭＳ０１）を介して「ＲＰ２０４０−Ｚｅｒｏ」の５V端子に接続して、可変電源出力電圧と３Ｖ３端子の電圧を測定しました。

【　電池電圧　ｖ．ｓ．　３Ｖ３端子電圧　測定結果　】

　上記の結果より、電池電圧３．５Ｖ程度まで３Ｖ３端子電圧を３．３Ｖに維持できることが確認できました。　これより、リチウムイオンポリマー電池の定格電圧（３．７Ｖｄｃ）での利用が可能だと判断しました。

　次にリチウムイオンポリマー電池の充放電を確認しました。　まず、今回の回路構成（Ｒ３＝２．２ｋΩ）におけるリチウムイオンポリマー電池の充電時の電圧変化を観測しました。　この測定時は電源スイッチＳＷ１はオフ状態で電源電圧５Ｖｄｃを供給しています。

【　リチウムイオンポリマー電池の充電時電池電圧　】

　次にＧＮＳＳロガー「ＧＭ−８０１３Ｔ」）利用時のリチウムイオンポリマー電池によるバッテリ運用時の連続動作確認をしました。　　測定に際してリチウムイオンポリマー電池をフル充電し、ＧＮＳＳロガー「ＧＭ−８０１３Ｔ」のＴＸ信号とＭｏｎｉｔｏｒ　ＴＸ信号（この測定時のみ有効にしました。）も同時に測定し てＧＮＳＳロガー「ＧＭ−８０１３Ｔ」と「ＲＰ２０４０−Ｚｅｒｏ」の動作状態を同時に記録しました。　測定結果として波形変化全体像と終了時前後付近拡大の２通りを掲載します。　

【　バッテリ運用時の動作確認（全体）　】

【　バッテリ運用時の動作確認（終了前後拡大）　】

　上記結果より、リチウムイオンポリマー電池の保護回路により過放電防止回路が動作するまで「ＧＭ−８０１３Ｔ」と「ＲＰ２０４０−Ｚｅｒｏ」が動作している と推測できる結果となりました。　予想を超える電源電圧範囲（約２．５Ｖｄｃ）まで動作して、約３時間程度連続使用できました。　なお、定格電圧時３．３Ｖｄｃ時の消費電流は８０〜１２０ｍＡと変動している結果を得ています。　事前確認では消費電流６０ｍＡ程度で連続動作５〜６時間を期待していましたが、事前確認方法に問題（スケッチ未書き込み？）があったようです。

　その後、大きな問題が発覚しました。　ログデータを記録したＳＤカードを取り出すために「３枚重ねの基板」を電池ボックスから少し浮かす必要があり、そのうえ、配線をかき分けなければＳＤカードを取り出させないことが発覚しました。　ＳＤカードの脱着を完璧に忘れていました。　この状態では何回かＳＤカードを脱着すると配線を断線させてしまいます。　これでは使い物になりません。　 とにかく電線が太くて邪魔です。　（このような事態となることを予想だにしていなかったため、ＳＤカード付近の状況撮影すら忘れていました。）　

　作り直さなければ。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。　がっかりです。

４．「まるごとＮＭＥＡボックス・シリアル版」の製作

　「３枚重ねの基板」をそのまま利用してデータを取り出す方法として、ＳＤカードのデータをシリアル通信で取り出す方法を検討しました。　サンプルデータとしてファイルサイズ２，９７７，８３７バイトのログデータ（ テキスト約５１，０００行、約６５分間データ）をシリアル通信（Ｍｏｎｉｔｏｒ　ＴＸ信号）で読み出した所要時間を確認しました。

　当然ですが、ＳＤカードのデータを直接アクセスする時間に比べて何倍もの時間を要します。　また、通信速度を早くすると受信側パソコンの処理能力を超えてデータ欠落を起こすようです。　当方のＰＣでは４６０８００ｂｐｓまでが使用可能上限のようでした。　４６０８００ｂｐｓにおいては６時間程度のデータ約２０ＭＢでも所要時間１０分程度でダウンロードできそうです。　この結果よりシリアル通信でデータを取り出す仕様に変更して「まるごとＮＭＥＡボックス・シリアル版」として製作し直すことにしました。

　シリアル通信のポートとしては「ＲＰ２０４０−Ｚｅｒｏ」のＵＳＢポートとＭｏｎｉｔｏｒ用ポートがあります。　現在の「３枚重ねの基板」の流用ではＲＰ２０４０−Ｚｅｒｏ」のＵＳＢポートへのアクセス性は良くないため、また、当方のＡｒｄｕｉｎｏ　ＩＤＥ環境において時たまＲＰ２０４０−Ｚｅｒｏ」のＵＳＢポートを利用した仮想ＣＯＭポートの認識ができなくなることがあるため（どちらかというと後者の方が深刻な問題）、Ｍｏｎｉｔｏｒ用ポートを利用することにしました。

　「まるごとＮＭＥＡボックス・シリアル版」の再製作に際して以下の検討・対策を行いました。

• 　ＳＤカードの取出しを行わないこと（いや、諦めたこと）を前提としました。
  　

• 　「３枚重ねの基板」まわりの配線をできる限り細い電線（耐熱電線　ＳＨＷ（より線））に置き換えました。
  　

• 　「３枚重ねの基板」を位置決めする支柱（２ｍｍボルト）を追加しました。
  　

• 　スイッチＳＷ１・ＳＷ２、状態表示ＬＥＤ用ＤＭ１の配線を固定するために、これらへの配線をコネクタ中継することにしました。　
  　

• 　ＧＮＳＳロガー動作時にＭｏｎｉｔｏｒ用信号を有効にできるようにＧＰ２８ライン（ＳＷ３相当）を短絡できるようにジャンパーピン・ソケット（ＪＰ１）を追設しました。
  　

• 　下記回路図ＣＮ１の＋５Ｖ−ＧＮＤ間に５Ｖｄｃを供給することで電源供給します。

　下記に「まるごとＮＭＥＡボックス・シリアル版」の回路図、製作時の画像を掲載します。

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。

回路図中の色記載は製作時の配線識別用メモです。　無視願います。

【　「まるごとＮＭＥＡボックス・シリアル版」　回路図　】

【　「まるごとＮＭＥＡボックス・シリアル版」　電池ボックス追加改造１　】

【　「まるごとＮＭＥＡボックス・シリアル版」　電池ボックス追加改造２　】

【　「まるごとＮＭＥＡボックス・シリアル版」　電池ボックス追加改造３　】

【　「まるごとＮＭＥＡボックス・シリアル版」　電池ボックス追加改造４　】

組立時に干渉する部分をカットしました。

【　「まるごとＮＭＥＡボックス・シリアル版」　スイッチ部部品改造　】

ハーフピッチのピンソケットを用いてコネクタ（ＣＮ２）取り合いできるようにしました。

【　「まるごとＮＭＥＡボックス・シリアル版」　３色ＲＧＢチップＬＥＤ基板外観１　】

【　「まるごとＮＭＥＡボックス・シリアル版」　３色ＲＧＢチップＬＥＤ基板外観２　】

【　「まるごとＮＭＥＡボックス・シリアル版」　３色ＲＧＢチップＬＥＤ基板外観３　】

充電用電源、Monitor　ＴＸ／ＲＸ信号用中継コネクタＣＮ１です。

【　「まるごとＮＭＥＡボックス・シリアル版」　ＣＮ１外観　】

【　「まるごとＮＭＥＡボックス・シリアル版」　「３枚重ねの基板」外観１　】

【　「まるごとＮＭＥＡボックス・シリアル版」　「３枚重ねの基板」外観２　】

【　「まるごとＮＭＥＡボックス・シリアル版」　３色ＲＧＢチップＬＥＤ基板配線接続　】

３色ＲＧＢチップＬＥＤ基板・ＳＷ４・ＣＮ１・ＣＮ２を組み込みました。

【　「まるごとＮＭＥＡボックス・シリアル版」　周辺部品取付け外観（配線接続前）　】

【　「まるごとＮＭＥＡボックス・シリアル版」　「３枚重ねの基板」取付け時外観１　】

【　「まるごとＮＭＥＡボックス・シリアル版」　「３枚重ねの基板」取付け時外観２　】

電線引き回し時に障害となった部分（画像左側）を追加で削りました。

【　「まるごとＮＭＥＡボックス・シリアル版」　ＳＷ４押さえ部品追加加工　】

【　「まるごとＮＭＥＡボックス・シリアル版」　「３枚重ねの基板」組み込み時外観　】

【　「まるごとＮＭＥＡボックス・シリアル版」　リチウムイオンポリマー電池組み込み時外観　】

ＧＮＳＳモジュール「ＧＭ−８０１３Ｔ」を組み込んで完成です。

【　「まるごとＮＭＥＡボックス・シリアル版」　完成外観１　】

【　「まるごとＮＭＥＡボックス・シリアル版」　完成外観２　】

【　「まるごとＮＭＥＡボックス・シリアル版」　完成外観３　】

【　「まるごとＮＭＥＡボックス・シリアル版」　完成外観４　】

【　「まるごとＮＭＥＡボックス・シリアル版」　完成外観５　】

【　「まるごとＮＭＥＡボックス・シリアル版」　完成外観６　】

【　「まるごとＮＭＥＡボックス・シリアル版」　完成外観７　】

【　「まるごとＮＭＥＡボックス・シリアル版」　完成外観８　】

【　「まるごとＮＭＥＡボックス・シリアル版」　完成外観９　】

【　「まるごとＮＭＥＡボックス・シリアル版」　完成外観１０　】

５．「まるごとＮＭＥＡボックス・シリアル版」の動作確認（ＧＮＳＳロガー、充放電機能）

　組立完了後、通電をしてＧＮＳＳロガー機能と充放電機能が期待通り動作することを確認できました。　

【　ＧＮＳＳロガー３次元測位時（緑色ＬＥＤ点灯）　】

【　リチウムイオンポリマー電池充電時（赤色ＬＥＤ点灯）外観１　】

【　リチウムイオンポリマー電池充電時（赤色ＬＥＤ点灯）外観２　】

【　リチウムイオンポリマー電池充電完了時（緑色ＬＥＤ点灯）　】

６．「まるごとＮＭＥＡボックス・シリアル版」用スケッチ

（下記スケッチのアップデートは中止しています。　「まるごとＮＭＥＡ　ＡＥ−ＲＰ２０４０編」のスケッチを利用することを推奨します。）

　ＳＤカードのデータを取り出すためにファイルマネージャー相当の機能が必要となります。　シリアル通信を用いたオリジナルの機能となりますので、必要最小限の機能のみを作り込みました。　機能としてはファイルリスト取得、ファイルデータ読み出し、ファイル削除の３機能のみとしました。　また、通信速度のみを変えた４種類のスケッチ（ｕｆ２ファイル）を準備しました。　コマンドで通信速度を変更する機能を盛り込んでも大した作業量追加にはなりませんが、ちょっと力尽き果てて （深夜コーディング時眠くなって）今回のＶｅｒｓｉｏｎでは作り込みしませんでした。

　下記にファイルマネージャー用スケッチを掲載しています。　ＰＣで受信できる通信速度のファイルマネージャー用スケッチを利用してください。　このスケッチは「まるごとＮＭＥＡ　Ｒａｓｐｂｅｒｒｙ　Ｐｉ　Ｐｉｃｏ編」の「６．公開用スケッチ（ｕｆ２ファイル）」にファイルマネージャー機能を追加したものです。　電源投入時（ＳＷ４オフ→オン時）のＳＷ１・ＳＷ２の状態でＧＮＳＳロガー機能、ファイルマネージャー機能を切り替えています。

　ファイルマネージャー機能を有効にするためには電源投入時（ＳＷ４オフ→オン時）にＳＷ１とＳＷ２の両方を押しながら電源投入します。　パソコン側の通信ソフトはシリアル通信用プログラムを利用してください。　当方は”ｔｅｒａ　ｔｅｒｍ”を利用しています。　なお、正常に受信するためには通信速度の設定の他に送信・受信の改行コードとして”ＬＦ”（ＡＳＣＩＩコード：改行）を設定する必要があります。

７．結論・今後の予定

　 「まるごとＮＭＥＡボックス・シリアル版」で当初の機能をほぼ実現できましたが、やはりＳＤカードを取り出せるようにしたいものです。　そのためには部品実装の全面見直し （例えばスイッチやＬＥＤなどの外付け部品の基板実装化）、「ＲＰ２０４０−Ｚｅｒｏ」ＵＳＢコネクタのアクセス改善、「ＲＰ２０４０−Ｚｅｒｏ」ＵＳＢコネクタからのリチウムイオンポリマー電池の充電などの見直しが望まれます。　そのためには両面面実装プリント基板化が必要かと思われます。　ユニバーサル基板による製作を原則としていますので、実現は難しそうです。
　また、現状ではバッテリでの運用時間が約３時間と短いため、バッテリ容量の増加も必要です。　このためには単三乾電池２本用電池ボックスを００６P電池ボックスにするなど少し大きくする必要があ りそうです。　

８．「まるごとＮＭＥＡボックス版」・「まるごとＮＭＥＡボックス・シリアル版」で使用した部品

　「まるごとＮＭＥＡボックス版」・「まるごとＮＭＥＡボックス・シリアル版」の製作で利用した部品の一部を以下に紹介します。 　なお、パッケージに記載の価格は入手当時の価格であり、現在の価格ではありません。　また、既に販売されていない部品もあります。

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