Ｍｅｍｏｒａｎｄｕｍの小部屋

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まるごとＮＭＥＡもどき　ＳＰＲＥＳＥＮＳＥ（メインボード）編

　このＷｅｂページは「ＳＯＮＹ　ＳＰＲＥＳＥＮＳＥ　メインボード　ＣＸＤ５６０２ＰＷＢＭＡＩＮ１ (M-14584)」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。

　本Ｗｅｂ中で記載している用語の説明を下記します。

• 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センテンス相当のデータをＳＤカードに記録する本Ｗｅｂページで紹介する試作品。

−　目次　−

１．はじめに

２．プロトタイプの製作

３．まるごとＮＭＥＡもどき　ＳＰＲＥＳＥＮＳＥ（メインボード）編（初版）のハードウエア製作

４．まるごとＮＭＥＡもどき　ＳＰＲＥＳＥＮＳＥ（メインボード）編（改良版）のハードウエア製作

５．まるごとＮＭＥＡもどき　ＳＰＲＥＳＥＮＳＥ（メインボード）編の仕様

６．記録データおよび公開スケッチ（ｓｐｋファイル）

７．動作確認

８．「まるごとＮＭＥＡもどき　ＳＰＲＥＳＥＮＳＥ（メインボード）編」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」、「電池ボックス電子工作（その２３） まるごとＮＭＥＡボックス版」、「まるごとＮＭＥＡもどき　ＳＰＲＥＳＥＮＳＥ（メインボード＋拡張ボード）編」に続く製作記録です。　 「まるごとＮＭＥＡもどき　ＳＰＲＥＳＥＮＳＥ（メインボード＋拡張ボード）編」では「ＳＯＮＹ　ＳＰＲＥＳＥＮＳＥ　拡張ボード　ＣＸＤ５６０２ＰＷＢＥＸＴ１ (M-14585)」を用いることで容易にＧＮＳＳロガーを製作できました。　一方、大きくなる、コストが増すなどのデメリットもあります。　それではと、「ＳＯＮＹ　ＳＰＲＥＳＥＮＳＥ　メインボード」 のみを用いてＧＮＳＳロガーの製作を試みました。

　「ＳＯＮＹ　ＳＰＲＥＳＥＮＳＥ　メインボード」 のみを用いたＧＮＳＳロガーの製作で最も重要な課題は、「ＳＯＮＹ　ＳＰＲＥＳＥＮＳＥ　メインボード」 に自作追加のＳＤカードを接続して利用できるかでした。　「ＳＯＮＹ　ＳＰＲＥＳＥＮＳＥ　メインボード」 からＳＰＩポートを取り出せるのでハードウエア的には壁は低いようでした。　問題は追加のＳＤカード用のスケッチ（プログラム）を利用できるかでしたが、ＳＯＮＹが提供しているスケッチ例は利用できないことがわかり製作を一時は諦めていました。

　その後、下記の製作事例を参考にすることで追加のＳＤカードを利用することができました。　また、下記製作事例に記載の「SPRESENSE用のSDカードライブラリ（YoshinoTaro/SPISD）」も利用させていただきました。　SPISDは”C:\Users\（ユーザー名）\AppData\Local\Arduino15\packages\SPRESENSE\hardware\spresense\2.6.0\libraries\SPISD”に格納しました。　この場を借りて、素晴らしい スケッチ、ライブラリ、情報を公開されている「息子と一緒にMakers」のys_taro様に感謝申し上げます。

　今回の製作ではほぼ期待どおりの製作ができましたが、実装計画の大切さ、スケッチ作成力量の無さを改めて感じさせられた製作となりました。

２．プロトタイプの製作

　ＧＮＳＳロガー操作・機能は「まるごとＮＭＥＡもどき　ＳＰＲＥＳＥＮＳＥ（メインボード＋拡張ボード）編」をベースにしてプロトタイプを試作しました。　ただし、「ＳＯＮＹ　ＳＰＲＥＳＥＮＳＥ　メインボード」 のＩＯ信号の電圧レベルは１．８Ｖのため、シリアル通信用信号、ＳＤカード用信号対応のために３．３Ｖレベル信号とのレベル変換が必要です。　レベル変換は入力／出力混在、最低でも７ つの信号のレベル変換が必要のため、今回は「８ビット双方向ロジックレベル変換ブレークアウトモジュールキット (K-17062)」を追加で利用することにしました。　（「８ビット双方向ロジックレベル変換ブレークアウトモジュールキット (K-17062)」は使用目的がないにも関わらず、ストック目的でついでに購入していました。　これだから「ついでに買っちゃえ」は止められません。）

　下記にプロトタイプの回路図、ブレッドボードを用いたプロトタイプ外観を掲載します。 　このプロトタイプを用いて基本的なスケッチの確認を行いました。

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　回路図　】

【　プロトタイプ　試作品全体外観１　】

【　プロトタイプ　試作品全体外観２　】

　当初のプロトタイプでは発光ダイオードＤＭ１の赤色（Ａｍｂｅｒ）は直接「ＳＯＮＹ　ＳＰＲＥＳＥＮＳＥ　メインボード」 のＤ２２端子に接続していました。　しかし、消灯時にもアノードコモンライン電圧３．３ＶとＬＥＤオフ信号レベル１・８Ｖの電位差約１．５Ｖで薄く赤色に点灯していることが確認されました。　この対応としてレベル変換ＩＣ１未使用のＡ７／Ｂ７ラインを追加することで、赤色消灯設定時に薄く点灯する現象は無くなりました。

３．まるごとＮＭＥＡもどき　ＳＰＲＥＳＥＮＳＥ（メインボード）編（初版）のハードウエア製作

　プロトタイプでスケッチの概略作成と動作確認した後に「まるごとＮＭＥＡもどき　ＳＰＲＥＳＥＮＳＥ（メインボード）編」の基板製作にとりかかりました。 　回路図は前記回路図のままで、実装方法としてユニバーサル基板を用いて追加基板を実装する構造としました。　この追加基板は一般的な取付け方法よして、「ＳＯＮＹ　ＳＰＲＥＳＥＮＳＥ　メインボード」 の上に追加基板を実装しました。　なお、「ＳＯＮＹ　ＳＰＲＥＳＥＮＳＥ　メインボード」 に実装されているＧＮＳＳアンテナの邪魔にならないように追加基板の形状を凹状に加工しました。　製作例を下記に掲載します。

【　「８ビット双方向ロジックレベル変換ブレークアウトモジュールキット」加工外観１　】

【　「８ビット双方向ロジックレベル変換ブレークアウトモジュールキット」加工外観２　】

【　「ｍｉｃｒｏＳＤカードスロットＤＩＰ化キット」基板加工外観１　】

【　パーツ・追加基板　外観１　】

【　パーツ・追加基板　外観２　】

【　追加基板（表側）　完成外観１　】

【　追加基板（裏側）　完成外観２　】

【　追加基板上側取付け版　完成外観１　】

【　追加基板上側取付け版　完成外観２　】

【　追加基板上側取付け版　完成外観３　】

【　追加基板上側取付け版　動作時外観　】

　動作確認を実施している際に、衛星補足しづらい印象がありました。　製作中にも気になってはいましたが、追加基板を上側に取付けたため、追加基板がＧＮＳＳアンテナの視界を大きく遮っていように感じました。　特に「ｍｉｃｒｏＳＤカードスロットＤＩＰ化キット」基板が邪魔しているようでした。　「ロープロファイルピンヘッダ（低オス）」・「シングルピンソケット（低メス）」のストック欠品が響きました。

　それではと、「ＳＯＮＹ　ＳＰＲＥＳＥＮＳＥ　メインボード」上から追加基板を離し、それぞれを延長電線で接続してみました。

【　延長電線　】

【　延長電線で接続した追加基板　】

【　延長電線で接続した追加基板（ＧＮＳＳアンテナ付近）　】

　延長電線の作り方も適切ではなかったようで、ＧＮＳＳアンテナ上部に延長電線が位置するような実装になりました。　衛星補足状況の改善をはっきりとは感じられませんでした。　もしかすれば「まるごとＮＭＥＡもどき　ＳＰＲＥＳＥＮＳＥ（メインボード＋拡張ボード）編」との個体差なのかもしれません。　いずれにしても「ＳＯＮＹ　ＳＰＲＥＳＥＮＳＥ　メインボード」の上側に 追加基板が配置されないように根本的に実装を見直すことにしました。　また、「ＳＯＮＹ　ＳＰＲＥＳＥＮＳＥ　拡張ボード」における「ＳＯＮＹ　ＳＰＲＥＳＥＮＳＥ　メインボード」の配置はとてもよく配慮されていると感じました。

４．まるごとＮＭＥＡもどき　ＳＰＲＥＳＥＮＳＥ（メインボード）編（改良版）のハードウエア製作

　改良版追加基板が「ＳＯＮＹ　ＳＰＲＥＳＥＮＳＥ　メインボード」の下側に位置するように実装計画をしました。　最初に 「まるごとＮＭＥＡもどき　ＳＰＲＥＳＥＮＳＥ（メインボード）編（改良版）」の完成外観を下記に掲載します。

【　改良版まるごとＮＭＥＡもどき　ＳＰＲＥＳＥＮＳＥ（メインボード）　全体外観１　】

【　改良版まるごとＮＭＥＡもどき　ＳＰＲＥＳＥＮＳＥ（メインボード）　全体外観２　】

【　改良版まるごとＮＭＥＡもどき　ＳＰＲＥＳＥＮＳＥ（メインボード）　全体外観３　】

【　改良版まるごとＮＭＥＡもどき　ＳＰＲＥＳＥＮＳＥ（メインボード）　全体外観４　】

【　改良版まるごとＮＭＥＡもどき　ＳＰＲＥＳＥＮＳＥ（メインボード）　全体外観５　】

【　改良版まるごとＮＭＥＡもどき　ＳＰＲＥＳＥＮＳＥ（メインボード）　全体外観６　】

【　改良版まるごとＮＭＥＡもどき　ＳＰＲＥＳＥＮＳＥ（メインボード）　全体外観７　】

【　改良版まるごとＮＭＥＡもどき　ＳＰＲＥＳＥＮＳＥ（メインボード）　全体外観８　】

【　改良版まるごとＮＭＥＡもどき　ＳＰＲＥＳＥＮＳＥ（メインボード）　全体外観９　】

　改良版拡張基板の製作過程を以下に説明します。

　まず、「ＳＯＮＹ　ＳＰＲＥＳＥＮＳＥ　メインボード」の信号を引出しす信号中継部を製作しました。　接続は配線部をしっかりと固定した状態にするためピンヘッダのピンを利用することにしました。　下側に信号を引き出 し延長するためピンの長い連結ピンヘッダを利用しました。　構成品は下記３点です。

• ロープロファイルピンヘッダ（低オス）　１×４０（４０Ｐ）　９．５４ｍｍ　［２２１１Ｓ−４０Ｇ−９５４　／　ＰＨ−１ｘ４０ＳＧ／９．５４］　通販コード　Ｃ−００１７１
  　

• 連結ピンヘッダ　１×４０　（４０Ｐ）　６／９／３　［ＳＨ−１ｘ４０ＳＧ（１８）　６／９／３］　通販コード　Ｃ−０２９５９　（ピン全長実測約１８ｍｍ品）
  上記品はピン全長が少し短かったため「連結ピンヘッダ　１×４０　（４０Ｐ）　６／１１／３　［ＳＨ−１ｘ４０ＳＧ（２０）　６／１１／３］　通販コード　Ｃ−０２９６０（ピン全長実測約２０ｍｍ品）」がよさそうです。
  　

• １００⇔３００ｍｉｌ変換基板　両面ガラス・スルーホール基板　４０Ｐ　分割タイプ［ＡＥ−４ｘ４０］　通販コード　Ｐ−１０９７４

　この３点を利用して製作した信号中継部を下記に掲載します。　１００⇔３００ｍｉｌ変換基板両面ガラス・スルーホール基板は中央部で切断して利用しています。

【　信号中継部　外観１　】

【　信号中継部　外観２　】

【　「ＳＯＮＹ　ＳＰＲＥＳＥＮＳＥ　メインボード」側外観１　】

【　「ＳＯＮＹ　ＳＰＲＥＳＥＮＳＥ　メインボード」側外観２　】

【　「ＳＯＮＹ　ＳＰＲＥＳＥＮＳＥ　メインボード」信号取付け時外観１　】

【　「ＳＯＮＹ　ＳＰＲＥＳＥＮＳＥ　メインボード」信号取付け時外観２　】

　改良版追加基板でも「ｍｉｃｒｏＳＤカードスロットＤＩＰ化キット」と「８ビット双方向ロジックレベル変換ブレークアウトモジュールキット (K-17062)」を利用します。
　「ｍｉｃｒｏＳＤカードスロットＤＩＰ化キット」は両サイドをカットして「ＳＯＮＹ　ＳＰＲＥＳＥＮＳＥ　メインボード」信号引出し ヘッダーピン用のソケット間に実装できるように改造しましした。　カット部分にもＳＤカードから引き出されている端子がありますが幸いにも未使用でした。
　また、各キット基板にも「ロープロファイルピンヘッダ（低オス）」・「シングルピンソケット（低メス）」を利用したかったのですが、前記同様に手持ちの 「シングルピンソケット（低メス）」ストック品が無くなりましたので「１．２７ｍｍピッチピンヘッダ　１×４０　（４０Ｐ） [2199SA-40G-3015-23] 通販コード　C-03865」と「１．２７ｍｍピッチピンソケット　１×２０　（２０Ｐ） [2200SA-20G-34] 通販コード　C-03866」を利用することにしました。　ここでも高さを低くするためにピンヘッダはピンのみを利用することにしました。　ピンソケットは必要なピン数にカットして利用しました。

【　１．２７ｍｍピン・ソケット部品取付け１　（ピン部分ハンダ付け取付け時）　】

【　１．２７ｍｍピン・ソケット部品取付け２　（基板ソケット接続状態）　】

【　１．２７ｍｍピン・ソケット部品取付け３　（基板ソケット接続状態）　】

　１．２７ｍｍピンソケット改造した「ｍｉｃｒｏＳＤカードスロットＤＩＰ化キット」と「８ビット双方向ロジックレベル変換ブレークアウトモジュールキット (K-17062)」を改良版追加基板に取付けて完成となります。

【　改良版追加基板　外観１　】

【　改良版追加基板　外観２　】

【　改良版追加基板　外観３（ハンダ面）　】

　「８ビット双方向ロジックレベル変換ブレークアウトモジュールキット (K-17062)」の替わりに「８ビット双方向ロジックレベル変換モジュール (M-04522)」を利用することもできます。

【　８ビット双方向ロジックレベル変換モジュール (M-04522)利用時外観　】

５．まるごとＮＭＥＡもどき　ＳＰＲＥＳＥＮＳＥ（メインボード）編の仕様

　「まるごとＮＭＥＡもどき　ＳＰＲＥＳＥＮＳＥ（メインボード＋拡張ボード）編」をベースにしたスケッチを流用していますが、ライブラリの都合（当方の力量不足）のため、 ファイルマネージャー機能未対応、ＳＤカードタイムスタンプ更新未対応となりました。　
　

６．記録データおよび公開スケッチ（ｓｐｋファイル）

　 「まるごとＮＭＥＡもどき　ＳＰＲＥＳＥＮＳＥ（メインボード）」で記録するデータはＮＭＥＡフォーマットではなく、取得したＧＮＳＳ関連の個別データをＣＶＳ様式で記録するようにしました。　データ構造を下記に掲載します。　 （「まるごとＮＭＥＡもどき　ＳＰＲＥＳＥＮＳＥ（メインボード＋拡張ボード）編」と同じです。）

　公開スケッチは下記ｓｐｋファイルとさせていただきます。　ｓｐｋファイルの書込みはＳＰＲＥＳＥＮＳＥ　ＳＤＫ上で行うようですが、ＳＰＲＥＳＥＮＳＥ　ＳＤＫのインストールに失敗していますので下記ファイルで書き込めるか、正常に動作するのか確認できていません。

７．動作確認

　動作確認時の状態を下記に掲載します。

【　動作確認時外観１　】

【　動作確認時外観２　】

　下記に実際にロギングしてＳＤカードに記録されたファイルの一部を掲載します。

クリックすると拡大できます。

【　ＳＤファイル　衛星補足時データ　（衛星タイプ　GPS+BeiDou+QZSS_L1C/A）　】

クリックすると拡大できます。

【　ＳＤファイル　衛星補足時データ　（GPS+Galileo+QZSS_L1CA）　】

　取得したログファイル（約６時間弱）のデータをもとにＱＺＳＳ衛星補足状態、補足した衛星の受信状態の時間変化をグラフ化しました。　グラフの一例を下記に掲載します。

QCA　：　L1C/A信号　　Q1S　：　L1S信号

【　ＧＮＳＳ補足衛星数　】

【　ＧＮＳＳ補足　有効衛星数　】

【　Ｌ１Ｃ／Ａ信号を受信できた衛星の信号強度変化　】

【　Ｌ１Ｓ信号を受信できた衛星の信号強度変化　】

　BeiDouを有効にして取得したログファイル（９時間弱）のデータをもとに衛星補足状態、の時間変化をグラフ化しました。　グラフの一例を下記に掲載します。

QCA　：　QZSS L1C/A信号　　BDS　：　BeiDou

【　ＧＮＳＳ補足衛星数　】

【　ＧＮＳＳ補足　有効衛星数　】

　Galileoを有効にして取得したログファイル（９時間弱）のデータをもとに衛星補足状態の時間変化をグラフ化しました。　グラフの一例を下記に掲載します。

QCA　：　QZSS L1C/A信号　　GAL　：　Galileo

【　ＧＮＳＳ補足衛星数　】

【　ＧＮＳＳ補足　有効衛星数　】

８．「 まるごとＮＭＥＡもどき　ＳＰＲＥＳＥＮＳＥ（メインボード）編」で使用した部品

　「まるごとＮＭＥＡもどき　ＳＰＲＥＳＥＮＳＥ（メインボード）編」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。　なお、下記掲載部品が現在も販売されているかは未確認です。

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