Nゲージ鉄道模型のATS・ATC案③-LEDモジュール

この記事は過去に作ったNゲージ鉄道模型のATCシステムについて記述しています．
システム全体については下の過去記事を参照してください．

sosoru.hatenablog.jp

LEDモジュール

LEDの制御もユーザーの端末で出来るようにしていました．ATCの動作に直接の関係はありません．当時は駅ホームの照明に使っていました．（本当は信号に使うべきかもしれない）

ハードウェアについて

Dフリップフロップ（D-FF）とバッファを組み合わせた（恐らく）ポピュラーな回路構成です．D-FFはクロック入力CLKが立ち上がった時，入力Dの状態が出力Qに保存され，次にCLKに変化あるまで，出力Qは状態を保持し続けます．幾つかのD-FFを組み合わせ，それぞれの入力を共有しておき，各D-FFことにCLKを制御することで，マイコンが扱えるIOピンが増えます．このモジュールでは8入出力D-FFを4つ使っています．

DフリップフロップICの出力ピンに流せる電流が心許ないので，バッファを入れて大電流に備えています．

ちらつかない程度な低周波の128段階PWM波形を生成し，一つのモジュール当たり，32個のLEDを駆動することが出来ます．実際には出力を30個に切っています．これは，出力コネクタにパラレルATAケーブルを流用している都合です．

マイコン	ATmega1284P
D-FF	TC74VHC574F
バッファ	TD62783APG

ソフトウェアについて

マイコンは20MHzで駆動しており，通信基板とSPIで会話しつつ，ソフトPWMをこなします．下にコードを貼ります．（いま見ると命名がひどいなぁ）

#include "avr_base.hpp"
#include <avr/io.h>
#include <avr/delay.h>
#include <avr/interrupt.h>
#include <Timer.h>
#include <string.h>
#include <tus.h>
#include <led_packet.h>
using namespace AVRCpp::Timer;

#define PORT_DATA			PORTA
#define PORT_CLK			PORTD
#define PORT_ENABLE			PORTC
#define PORT_ENABLE_NUM		0

#define LED_COUNT			30

LedState g_States[LED_COUNT];
DeviceID g_myDevID;

uint8_t led_count_remains[LED_COUNT];
uint8_t led_count_init[LED_COUNT];

#define APPLY_TO_LED(clk,ind) \
if(led_count_remains[(clk+1)*8-ind-1] >0){ \
	sbi(led_signal_buffer, ind); \
	led_count_remains[(clk+1)*8-ind-1]--; \
}else{ \
	cbi(led_signal_buffer, ind);} 
				
ISR(TIMER1_COMPA_vect)
{
	tus_spi_process_packets();
}

void device_init()
{
	DDRA = 0xFF;
	DDRD = 0xFF;
	DDRC = 0xFF;
	
	cbi(PORT_ENABLE, PORT_ENABLE_NUM); // enable D-flipflops
		
	memset(led_count_init, 0, sizeof(led_count_init));
	memset(led_count_remains, 0x00, sizeof(led_count_remains));
}

void init_led_status()
{
	uint8_t cache = SREG;
	cli();
	memcpy(led_count_remains, led_count_init, sizeof(led_count_init));
	SREG = cache;
}

void apply_led_status()
{
	uint8_t led_signal_buffer;
	
	APPLY_TO_LED(0,0);
	APPLY_TO_LED(0,1);
	APPLY_TO_LED(0,2);
	APPLY_TO_LED(0,3);
	APPLY_TO_LED(0,4);
	APPLY_TO_LED(0,5);
	APPLY_TO_LED(0,6);
	APPLY_TO_LED(0,7);
	PORT_DATA = led_signal_buffer;
	PORT_CLK = 1<<0;
	
	APPLY_TO_LED(1,0);
	APPLY_TO_LED(1,1);
	APPLY_TO_LED(1,2);
	APPLY_TO_LED(1,3);
	APPLY_TO_LED(1,4);
	APPLY_TO_LED(1,5);
	APPLY_TO_LED(1,6);
	APPLY_TO_LED(1,7);
	PORT_DATA = led_signal_buffer;
	PORT_CLK = 1<<1;
	
	APPLY_TO_LED(2,0);
	APPLY_TO_LED(2,1);
	APPLY_TO_LED(2,2);
	APPLY_TO_LED(2,3);
	APPLY_TO_LED(2,4);
	APPLY_TO_LED(2,5);
	APPLY_TO_LED(2,6);
	APPLY_TO_LED(2,7);
	PORT_DATA = led_signal_buffer;
	PORT_CLK = 1<<2;
	
	//APPLY_TO_LED(3,0);
	//APPLY_TO_LED(3,1);
	APPLY_TO_LED(3,2);
	APPLY_TO_LED(3,3);
	APPLY_TO_LED(3,4);
	APPLY_TO_LED(3,5);
	APPLY_TO_LED(3,6);
	APPLY_TO_LED(3,7);
	PORT_DATA = led_signal_buffer;
	PORT_CLK = 1<<3;
	PORT_CLK = 0;
}

bool ProcessLedPacket(LedState *pstate)
{
	if(pstate->Base.ModuleType != MODULETYPE_LED
		&& pstate->Base.InternalAddr > LED_COUNT
		&& pstate->Base.InternalAddr == 0)
		return false;
	
	led_count_init[pstate->Base.InternalAddr-1] = pstate->DutyValue;
	
	return true;
}

void spi_received(args_received *e)
{
	g_myDevID.raw  = e->pdstId->raw;

	ProcessLedPacket((LedState*)e->ppack);
}

int main(void)
{	
	uint8_t i;
	MCUCR = 0b01100000; //todo: turn off bods
	MCUSR = 0; // Do not omit to clear this resistor, otherwise suffer a terrible reseting cause.
	
	tus_spi_init();
	tus_spi_set_handler(spi_received);
	
	device_init();
	TimerCounter1::SetUp(NoPrescaleB, Normal16, NormalPortOperationA, NormalPortOperationB, Off, Fall);
	TimerCounter1::CompareMatchAInterrupt::Enable();

    while(1)
    {	
		init_led_status();
		for(i=0; i<128; ++i)
		{
			apply_led_status();
			_delay_us(100);
		}
	}
}

通信基板との会話

別ファイルにSPI割り込みの関数が定義されていて，データの送受信を行っています．
タイマ割り込みでtus_spi_process_packets()が呼び出されており，定期的に受信したデータの処理を行っています．この関数は，事前にtus_spi_handler()で指定された関数を間接的に呼び出し，具体的な処理を委ねています．このモジュールではspi_received()が設定されています．spi_received()は受信したデータを実際に反映していて，LEDのDuty比設定を更新しています．

ソフトPWM

led_count_initに設定するDuty比を書いておいて，周期の最初，led_count_remainsにled_count_initをコピーします．
ループ毎にled_count_remainsをデクリメントし，0になるまでオンにしておきます．この処理に相当するのがapply_led_status()です．
これが最も時間的な制約を受けそうですが，コンパイル時に-O3で最適化を書けた場合で，最悪でも大体200クロックで抜けるようです．これは，クロック周波数が20MHzだとすると，10usec程度で処理か終わる見込みです．
直後の100usecのdelayを考えると，1周期は約14msecぐらいで回り，PWM周波数は71Hz程度と予測できます．SPIの割り込み等を考えると，もう少し遅くなっているでしょう．

おわり

あとで写真を撮って貼っておきたい
本当はポイントモジュールが先だったけど，設計がちょっと疑問なので実測してから載せる予定