PSoC Creator のバックアップ(No.29) - VLSI Course Guide : Akio Kitagawa

Visitor No. 40558

Cypress Semiconductor社PSoC Creator 関連のメモです。ここでは、PSoC4を使用しますが、PSoC3, PSoC5でも同じです。

目次 †

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メモ

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メモ †

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PSoC4ファミリー(ARM Cortex-M0版PSoC)の選択 †

ADCがSAR 1個だけであることを除くと低消費電力で使いやすい。BluetoothLE搭載版もある。

CY8C4000ファミリ：クロック16MHz, フラッシュ16kB, シリアルポートはI2Cのみ（送信用ソフトウエアUARTはあり）
CY8C4100ファミリ：クロック24MHz, フラッシュ32kB, I2C/SPI/UART2個, LCD, 12bit-ADC
CY8C4200ファミリ：クロック48MHz, フラッシュ32kB, DMA, I2C/SPI/UART4個, CAN2個, LCD, 12bit-ADC, プログラマブルロジック

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電源構成 †

VDDD, VDDA, VDDR, VCCDなどいろいろあって忘れそうなのでデータシートを要約。

電源電圧は、1.8-5.5V
- Bluetoth LE搭載ファミリは、1.9-5.5V（1.9V以下でも動作するが、BLEは停止）
内部LDOはデフォルトで有効
- 無効にした場合は、VDD1.71-1.89V、VCCDとVDDDをショートする

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低消費電力モード †

近年のMCUには、電力モードを切り替えるコマンドが用意されている。PSoCでは、チップ全体の電力モードの他に、各回路モジュール毎の電源ON/OFFをプログラムで個別に切り替えることができる。全体の電源モードは、5段階用意されているが、定期的に動作させてデータを取得する場合は、スリープまたはディープスリープが使用できる。外部からの何らかのイベントで動作させる場合には、ハイバネートかストップが有用。ここでは、PSoC 4 の電力モードについて、データシートをまとめておく。

モード	消費電力	アクティブへの復帰方法
アクティブ	1.3mA - 14mA	-
スリープ	1.0mA - 3mA	任意の割り込み
ディープスリープ	1.3uA - 15uA	GPIO, WDTタイマー, I2C, コンパレータ, 外部リセットピン
ハイバネート	150nA - 1uA	GPIO, コンパレータ, 外部リセットピン
ストップ	20nA - 80nA	Wakeupピン, 外部リセットピン

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MiniProg3の接続 †

純正の書き込み器MiniProg3によるPSoC生チップのプログラムに関する覚え書き。もっとも、MiniProg3は値段が高いので、マニアには敬遠されているらしい。PSoC Programmerを起動して、Utilitiesタブからファームウエアをアップデートしておく（古いファームウエアだと、Power Cycleモードが使用できないと聞いている）。

プログラムとデバッグにSWD(ARM Serial Wire Debug)を利用する
どのポートがSWDかは、データシートでSWDを検索する
SWDポートは汎用IOと共有なので、プログラム専用にするとSWD_IO, SWD_CLKを割り当てた2ポート分の汎用IOが使えなくなることに注意

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スイッチとLED（開発の流れ） †

学部生、卒研生向け、プログラムとデバックの手順解説。ここでは、CY8CKIT-142 PSoC4 BLEモジュール（CY8C4247LQI-BL483搭載、技適認証済み）を使用しましたが、BLEを使わないなら PSoC4 CY8C4245あたりでも。

PSoC外部の回路製作
- 下図のようなタクトスイッチを押すとLEDが点灯する回路例を考える。電源VDDDは、MiniProg3から供給(VTARG)する。

PSoC内部の回路設計
- PSoC Creatorを起動
- File - New - Project...
  - Taget device = PSoC4, PSoC4200BLE (使用するデバイスに合わせて) - Nextボタン
- Empty schematic - Nextボタン
  - Workspace name, Location, Peoject nameを適当に設定 - Finishボタン
- 右欄のComponent Catalog - Cypressタブ - Ports and Pins - Digital Input Pin と Digital Output Pin をドラッグして各1個づつ回路図シート(TopDesign?.cysch)に配置
  - Componentを選んでComponent Catalog下のOpen datasheetの文字をクリックまたは配置した部品を右クリックして、ポップアップメニューから Open Datasheet... を選ぶと、選んだComponentのデータシートが表示され、Find Code Example...を選ぶとプログラム例のリストが表示される
- ここでは内部回路を作成しないので配線を行う必要はないが、回路の配線が必要な場合は、回路図欄左端のツールボックスで

回路図に配置したPinのシンボルをダブルクリックして、下記のように設定 - OKボタン
- HW connection: プログラム制御の場合チェック無し、回路制御の場合☑有り
- Drive mode: 出力回路の設定。スイッチ入力の場合はResistive pull up (押さないときHighとする)、LED点灯の場合はStrong
- Initial drive state（初期状態のHigh, Lowに合わせる）

入力ピン

出力ピン

左欄のWorkspace Explorer - Sourceタブ - Design Wide Resource - Pins をダブルクリック
右欄のPin_1, Pin_2 をピンアサイン図(Design01.cydwr)のポートP2[2], P2[3]にそれぞれドラッグするか、右欄のPort列のドロップダウンリストから、割り当て先のポートP2[2], P2[3]を選択する

プログラムの作成
- 左欄のWorkspace Explorer - Sourceタブ - Source Files - main.c をダブルクリック
- 下図のようにmain.cのプログラムを入力
  - 通常、無限ループ for(;;) の上には、電源投入時の初期化処理のコードを入力し、for(;;)ループの中に通常のプログラムを入力する
  - CyGlobalIntEnable?;　では、CPUへの割り込みを許可している（このプログラムでは割り込みを使用しないので、無くてもよい）
  - Pin_2_Write(!Pin_1_Read());　では、Pin_1の状態(H or L)を読み取り、Pin_1の否定をPin_2に出力している
- ツールバーの Build ボタンをクリックして、プログラムをビルドする

プログラムの書き込み
- MiniProg3を回路基板のピンヘッダに挿す
- メニューより、Debug - Select target and program...
- MiniProg3を選択
  - Port Settingボタンをクリックし下図のように設定して、OKボタンをクリック
- PSoC 4200 BLE CY8C4247LQ*-BL483（ターゲットのデバイス）を選択して、OK/Connectボタンをクリック
  - しばらく待つと書き込みが始まる

MiniProg3から電源供給されているので、MiniProg3を挿したままで動作確認を行う

デバッグ

PSoC Creatorのデバッグ機能は、非常に便利で、プログラム、動作確認、

ツールバーの Debugボタンをクリックすると、プログラムの書き込みが行われ、続いてデバッグモードになる

プログラムコードが表示されているウインドウ左側のグレーの列をクリック
- プログラムの行に赤丸が付いて、ブレークポイント（プログラムを一旦停止させる場所）が設定される
Step Overボタンをクリックして、関数毎にプログラムを実行して動作を確認する
- Step Into で、関数内部に入り、Step Out で関数の実行前に戻る
- タクトスイッチを押しながら Step OverボタンをクリックするとLEDが点灯する

Stop Debuggingボタンで、デバッグモードを一旦終了し、上図のようにプログラムを追加（例として変数の内容を確認してみる）
再度、Debugボタンをクリックし、動作を確認する
下の方の Localsタブをクリックすると、変数 x の値が表示される
- Step Overボタンをクリックすると、xの値がインクリメントされることが確認できる
- Registersタブをクリックすると、各種レジスタの内容が表示される
- 注意：変数に値を代入しても、値がプログラム中で使用されない場合は、Localsに変数が表示されない

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I2C LCDと電源制御 †

小型キャラクタ液晶ディスプレイの使用例。3.3V動作、I2C接続の Xiamen Zettler Electronics社 AQM0802A-RN-GBW を使用。秋月でピッチ変換キット(AE-AQM0802)が販売されている。また、電源制御例を示す。LCDは低消費電力だが、1mA程度消費するので、小容量バッテリーや環境エネルギー駆動の場合、スイッチを押したときだけ表示し、しばらく表示したら電源を切る。電源は、PSoCのGNDとは分離されたCGNDラインに接続し、CGNDをPSoCのIO（オープンドレイン）でON/OFFする。VDDはON/OFFせず、パスコンに充電した状態を保つ。

I2C (SCB mode), Character LCD with I2C interface, Digital Bidirectional Pin 2個, Digital Input Pin, Digital Output Pin を配置する。I2Cの設定を Show I2C terminals に設定してからI2CモジュールとDigital Bidirectional Pin の配線を行う。

I2Cの設定
- PSoCをマスター、LCDをスレーブとする。

I2C_LCDの設定
- LCDのスレーブアドレスは、0x7C（データシートで要確認）
- 基本コマンドはデフォルトで設定されているので、カスタムコマンドを追加する。
  - ContrastSet?のCMD byte 2 = 0x70 の1桁目(0)を変更すると、コントラストが変えられる。

Digital Bidirectional Pinの設定（I2C_SCL, I2C_SDA）
- 外付けプルアップ抵抗を使用しない場合は、PSoCのピン設定を Resistive pull up にする。外付けプルアップ抵抗（LCDモジュール変換基板に搭載）を使用する場合は、Open drain, drives low にする。

Digital Output Pin, Digital Input Pinの設定（CGND_1, SW_IN_1）
- CGND_1は、Open drain, drives low（出力がLowでない時は、オープンとなり電流が流れない）。
- SW-IN_1は、Resistive pull up（スイッチを押さないときはHigh、スイッチを押すとLow）。

main.cの記述
- SW_IN_1_Read()でスイッチを読み取り、LowだったらCGND_1をLowにしてLCDの電源を入れる。
- LCDの初期化、カーソル位置設定、文字の出力を行い、一定時間待ってから、CGND_1をHighにしてLCDの電源を切る。

#include "project.h"

void I2C_LCD_Init(void) {
  CyDelay(40u);     //40ms waiting
  I2C_LCD_1_FunctionSet_Nor();
  I2C_LCD_1_ReturnHome();
  I2C_LCD_1_FunctionSet_Ext();
  I2C_LCD_1_InternalOscFrq();
  I2C_LCD_1_ContrastSet();
  I2C_LCD_1_PwrIconContrast();
  I2C_LCD_1_FollowerCtrl();
  CyDelay(200u);     //200ms waiting
  I2C_LCD_1_FunctionSet_Nor();
  I2C_LCD_1_DisplayOn();
  I2C_LCD_1_Clear();
  I2C_LCD_1_EntryModeSet();
  //I2C_LCD_1_WriteControl(0x0fu); //Disp:On Cursor:On Position:On
}

void I2C_LCD_Location(uint8 row, uint8 column) {

  if(row == 0){
    I2C_LCD_1_SetDDRAM(0x80u + column);
  }else{
    I2C_LCD_1_SetDDRAM(0xC0u + column);
  }
}

int main(void)
{
    CyGlobalIntEnable; /* Enable global interrupts. */

    // LCD CGND = Low
    CGND_1_Write(0);
    
    // Initiallization of I2C and LCD
    I2C_1_Start();
    I2C_LCD_1_Start();
    
    for(;;)
    {
        // LCD CGND = Low
        if(!SW_IN_1_Read()) {
            CGND_1_Write(0);
            I2C_LCD_Init();
            CyDelay(100u);
        
            // LCD output
            I2C_LCD_Location(0u,0u);
            I2C_LCD_1_PrintString("Enjoy,");
            CyDelay(1000u);
            I2C_LCD_Location(1u,0u);
            I2C_LCD_1_PrintString("PSoC4!");
            CyDelay(1000u);
            I2C_LCD_1_Clear();
            
            // Software delay loop (ms)
            CyDelay(1000u);
            
            // LCD CGND = High
            CGND_1_Write(1);
        }
    }
}

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UART †

PCや無線モジュールとの標準的な接続方法の例。TXとRXは互いにクロスさせることに注意。プルアップ抵抗は、PSoCの入出力ピンで設定することもできるが、外部抵抗の使用が推奨されている。複数トークンを含む場合の受信処理は、ADCとIDACの項を参照。写真は、PCとの接続テストに使用した USB-Serial変換モジュール（スイッチサイエンス FTDI USBシリアル変換アダプター Rev.2）。

UART(SCB mode)を配置し、rx_inにDigital Input Pin, tx_outにDigital Output Pin を配線接続する
- UARTには下記の3種類がある。UART (SCB mode)は、ハードウエアリソースを消費しないが、ピン配置に制約がある。
  - Software Transmit UART: CPUを使って実行する。送信専用。
  - UART (SCB mode): SCB（シリアル通信用ハードウエア）で実装する。
  - UART:UDB（汎用ディジタルブロック）を使って実装する。

UART(SCB mode)の設定
- ここでは、Baud rate = 115200bps, Oversampling = 8 に設定。クロック周波数との関係により、実際の通信速度には、誤差が発生するので、誤差が 2.5% より小さくなるように、適当なOversamplingを設定する。実際の通信速度は、Applyボタンをクリックすると、Baud rateの右側に表示される。

入出力ピンの設定
- 外付けのプルアップ抵抗を想定し、ここではプルアップしない。

main.cの記述
- UARTポートから文字列を受信し、Received Data = に続けてエコーさせる例。
- ここでは、受信デリミタとして、CR (0x0d)を使用し、送信には、CR+LF (0x0d, 0x0a)を使用している。
- UartGetChar?()は、バッファにデータが無いときに、NULL (0x00)を返すので、CRを検出するまで、NULLは読み飛ばしている。
  - ヒント：1回のRXバッファ読み出しまでに、全データを受信しているとは限らないため、CRを検出するまでNULLデータは読み飛ばす必要がある。また、読み出し用文字配列は、前回のデータを消すためNULLで初期化する必要がある。
- FTDT USB-Serial変換器を接続した状態では、PSoCの書き込み時にエラーが発生することがあるので、変換器を外してから書き込む。

#include "project.h"

int main(void)
{
    CyGlobalIntEnable; /* Enable global interrupts. */

    // Initiallization of UART module
    UART_1_Start();
    UART_1_UartPutString("UART with PSoC \r\n");
    uint32 rxData;
    uint8  ptr;
    char   strData[] = "";
    
    for(;;)
    {
        // Checking ASCII char in RX buffer
        // If you need to check non-ASCII code, use UartGetByte()
        rxData = UART_1_UartGetChar();
        if(rxData) {
            memset(strData, '\0', strlen(strData));
            ptr = 0;
            
            // Read until CR delimiter
            while(rxData != 0x0d) {
                if(rxData != 0x00) {
                    strData[ptr] = rxData;
                    ptr++;
                }
                rxData = UART_1_UartGetChar();
            }

            // NULL termination
            strData[strlen(strData)] = '\0';

            // Clear RX buffer and RX FIFO
            UART_1_SpiUartClearRxBuffer();

            // Echo of RX data
            UART_1_UartPutString("Received Data = ");
            UART_1_UartPutString(strData);
            UART_1_UartPutString("\r\n");
        }
    }
}

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ADCとIDAC †

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GPIO割り込みとディープスリープ †

GPIOピンにつないだスイッチによる、ディープスリープモード（または他の低消費電力モード）からの復帰の例。

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WDT割り込みとディープスリープ †

WDT (Watchdog Timer)による、ディープスリープモード（またはスリープモード）からの復帰の例。回路は、GPIO割り込みの例と同じ。

Component Catalogより、System - Global Signal Reference を選んで、回路図に配置。勝手に、isr_1（Interruptモジュール）が付いてくる。
LEDの点灯で動作を確認するため、Ports and Pins - Digital Output Pin も配置。

Global Signal Reference, isr_1, Digital Output Pinを下記のように設定。

#ref(): File not found: "wdt_05.png" at page "PSoC Creator"

Workspace Explorer の Interrupts をダブルクリックし、Priority を設定。
- これにより、割り込みの優先度が決まる（小さい値が優先）。ここでは、割り込み要因が1個しかないので、0 - 3 のどれでもよい。

Workspace Explorer の Clocks をダブルクリックし、クロックソースの設定リストから、ILO (Internal Low Speed Oscillator) の行をダブルクリック。
Configure System Clocks ウインドウが開くので、Timer(WDT) ISR欄で、User Provided を選択。こちらを選択しないと、ISR（割り込みサービスルーチン）が作成できない。

#include "project.h"

#define WDT_INTERVAL 1000 // (ms)
#define ILO_FREQ 32       // (kHz)
#define SLEEP_INTERVAL 5  // (s) for long interval over 2000ms

// WDT interrupt service routine
CY_ISR(wdt_isr_led){
    // Clear interrupt flag to enable next interrupt
    CySysWdtClearInterrupt(CY_SYS_WDT_COUNTER0_INT); 
}

int main(void)
{
    int16 sleep_time = 0; // Counter for the sleep interval
    
    // Initiallization of WDT
    // Counter 0 of Watchdog time generates peridically interrupt to wakeup system
    CySysWdtWriteMode(CY_SYS_WDT_COUNTER0, CY_SYS_WDT_MODE_INT);
    // Set interval as desired value
	CySysWdtWriteMatch(CY_SYS_WDT_COUNTER0, ((uint32)(WDT_INTERVAL * ILO_FREQ)));
    // clear counter on match event
	CySysWdtWriteClearOnMatch(CY_SYS_WDT_COUNTER0, 1u);
    
    // Enable watchdog
    // enable the counter 0
    CySysWdtEnable(CY_SYS_WDT_COUNTER0_MASK);
    // check if counter 0 is enabled, otherwise keep looping here
    while(!CySysWdtReadEnabledStatus(CY_SYS_WDT_COUNTER0));
    
    // Assign the interrupt vector
    isr_1_StartEx(wdt_isr_led);
    
    CyGlobalIntEnable; /* Enable global interrupts. */

    for(;;)
    {
        // Clear watchdog counter before deep sleep
        CySysWdtResetCounters(CY_SYS_WDT_COUNTER0_RESET);
        // reset watchdog counter requires several LFCLK cycles to take effect
        CyDelayUs(150u);
        
        // Transition to deep sleep mode or sleep mode
        CySysPmSleep();
        
        if (sleep_time < SLEEP_INTERVAL) sleep_time++;
        else {
            // Wakeup components
            // _Start(); _Wakeup();

            // Main process
            LED_Pin_Write(1);
            CyDelay(100u);
            LED_Pin_Write(0);
        
            // Sleep components (store the state before sleep)
            // _Stop(); _Sleep();
            
            sleep_time = 0; // Reset counter
        }
    }
}