BeMicro MAX10のPMOD

A, B, C, DのAだから端についているだろと思ったら、甘かったｗ　写真手前から二段目です。

奥から順にPMOD_C, PMOD_D, PMOD_A, PMOD_Bの順番で並んでいます。

PMODとしてのピン番号は右から1-6、一番左の6番が3v3, 5番がGndなのは共通です。

BeMicroの端子とピンの配置については、bemicrom10_getting_started.pdfって資料に出てます。

PMODはこんな感じ。毎回さがすの面倒くさいから貼っておきます。

デジタルマイクが動かない（ESPとFPGAでクロック生成 ）◀アナログ出てました

秋月のディジタルシリコンマイクモジュール（細ピンヘッダ版）を試してみました。

秋月のサイトより

このモジュールは1-3.25MHzのクロックを入れればPDMフォーマットでデジタルデータが取り出せます。PDMなのでローパスフィルタを通せばそのままアナログ信号として使えます。しかも300円。素晴らしい。

…しかし使えなければ意味がありません。結果として動作させることができませんでした。

今週は何をやっても動かないなorz

■追記6/6■

電子工作部の方から「LPFの出力をアンプに繋いでみたら何か信号出てるんじゃない？」というアドバイスをいただき、FPGAで作った1.25Mhzのクロックを入れて、LPF出力をカップリングコンデンサ経由で27dBのアンプにつないでみました。

そしたら！

小さいですが確かに音が出ています！！　いえええええ！！！　アドバイスありがとうございました。うれしー。小さすぎてオシロでは見えなかったけど、信号出てたのね。

というわけで、今週末はデジタルでの処理に再挑戦します。

それまでは以下のマイコンでの試行錯誤からFPGAでのクロック発生回路でアナログとしての取得に成功、最終的にデジタル信号として取り込みDACから音が出るまでのドタバタ劇をお楽しみいただければ幸いですｗ

■SPIでデジタル入力（失敗）■

今度はSPIです。SPIのクロックを1Mhzに設定し、SPI modeをいろいろ変えたりしてみたのですが、結果は似たようなもので値が123-127の間をパラパラ上下するだけでした。

#include <SPI.h>
const uint8_t BITS_COUNT_TABLE[256] = {
    0, 1, 1, 2, 1, 2, 2, 3, 1, 2, 2, 3, 2, 3, 3, 4,
    1, 2, 2, 3, 2, 3, 3, 4, 2, 3, 3, 4, 3, 4, 4, 5,
    1, 2, 2, 3, 2, 3, 3, 4, 2, 3, 3, 4, 3, 4, 4, 5,
    2, 3, 3, 4, 3, 4, 4, 5, 3, 4, 4, 5, 4, 5, 5, 6,
    1, 2, 2, 3, 2, 3, 3, 4, 2, 3, 3, 4, 3, 4, 4, 5,
    2, 3, 3, 4, 3, 4, 4, 5, 3, 4, 4, 5, 4, 5, 5, 6,
    2, 3, 3, 4, 3, 4, 4, 5, 3, 4, 4, 5, 4, 5, 5, 6,
    3, 4, 4, 5, 4, 5, 5, 6, 4, 5, 5, 6, 5, 6, 6, 7,
    1, 2, 2, 3, 2, 3, 3, 4, 2, 3, 3, 4, 3, 4, 4, 5,
    2, 3, 3, 4, 3, 4, 4, 5, 3, 4, 4, 5, 4, 5, 5, 6,
    2, 3, 3, 4, 3, 4, 4, 5, 3, 4, 4, 5, 4, 5, 5, 6,
    3, 4, 4, 5, 4, 5, 5, 6, 4, 5, 5, 6, 5, 6, 6, 7,
    2, 3, 3, 4, 3, 4, 4, 5, 3, 4, 4, 5, 4, 5, 5, 6,
    3, 4, 4, 5, 4, 5, 5, 6, 4, 5, 5, 6, 5, 6, 6, 7,
    3, 4, 4, 5, 4, 5, 5, 6, 4, 5, 5, 6, 5, 6, 6, 7,
    4, 5, 5, 6, 5, 6, 6, 7, 5, 6, 6, 7, 6, 7, 7, 8,
};
int numofbits2(uint16_t bits)
{
    return BITS_COUNT_TABLE[((unsigned char*)&bits)[0]]
         + BITS_COUNT_TABLE[((unsigned char*)&bits)[1]];
}
void setup() {
  // put your setup code here, to run once:
  Serial.begin(115200);
  SPI.begin();
  SPI.setFrequency(1000000);
  SPI.setDataMode(SPI_MODE0);
  noInterrupts();
}
static int mabiki = 0;
void loop() {
  // put your main code here, to run repeatedly:
  int num = 0;
  for (int i = 0; i < 16; i++) {
    num += numofbits2(SPI.transfer16(0xffff));
  }
  char buf[6];
  sprintf(buf, "%4d", num);
  if (mabiki == 20) {
    Serial.println(buf);
    mabiki = 0;
  } else {
    Serial.print(buf);  
  }
  mabiki++;
}

なお、ビットカウントはこちらの記事から使わせていただきました。

ビットを数える・探すアルゴリズム

テーブルを使う方法は思いついたのですが、そのあとに記載されているアルゴリズムは本当にびっくりです。1960年代のコンピュータサイエンスは凄まじいですね。

■GPIOでデジタル入力（失敗）■

GPIOでクロックを生成し、ポートを読み込んで積算する方法を試してみました。帰ってきた値は見事にデタラメでグラフ化しても波形になりませんでした。

#include <Arduino.h>
void setup() {
  // put your setup code here, to run once:
  Serial.begin(230400);

  pinMode(14, OUTPUT);
  pinMode(12, INPUT);
}
void loop() {
  // put your main code here, to run repeatedly:
  int count = 0;
  for (long l = 0; l < 1000; l++) {
    digitalWrite(14, HIGH);
    if (digitalRead(12) == HIGH) {
      count ++;
    }
//    else {
//      count --;
//    }
    digitalWrite(14, LOW);
  }
  Serial.println(count);
}

なお、コメントアウトの部分はLOWならデクリメント、というサンプルを見たので試してみたのですが…結果がマイナスに振れただけで同じでしたたたたた。

■マイコン発振 / アナログ出力（失敗）■

1MHz強のクロックを入れ、出力に約20khzのローパスフィルタ（R=1kΩ,1=10nF）を通してマイク前から信号を入れてみました。ローパスフィルタは出力端子＞抵抗＞コンデンサ＞Gndとつないで、抵抗とコンデンサがつながっているところから出力取ります。1MHz強のクロックはESPを160MHzクロックで動かして、以下のプログラムで生成します。デューティー比50%にならないけど、気にしない。デューティー比を考えれば少しでも演算の早いshortの方が良いのですが、shortだと約32mSecごとにシステム？に戻ってしまうのでオシロで波形見るときに邪魔かなと。

#include <Arduino.h>
void setup() {
  // put your setup code here, to run once:
  pinMode(14, OUTPUT);
}
void loop() {
  // put your main code here, to run repeatedly:
  int count = 0;
  for (long l = 0; l < 1000000; l++) {
    digitalWrite(14, HIGH);
    digitalWrite(14, LOW);
  }
}

さて出力は…見事に直流です。本当にありがとうございましたorz

■FPGA発振 + アナログ出力■

最後にFPGAでちゃんとした1.25 / 2.5MHzのクロックを作って試してみます。でもまだちゃんと作る自信がないので、「FPGA電子工作スーパーキット」のp112ページからの手順やソースをまず動かして見て、そこにクロック生成を追加します（弱気

なお、同誌附属の基板はまだ組み立てていないので、BeMicro MAX10を使います。

1. Quartus起動
2. New Project Wizardでディレクトリ,プロジェクト名ClockGenを入力し、BeMicro搭載デバイスの10M08DAF484C8GESを選び、Finish。
3. Fileメニュー＞New...からVerilog HDL Fileを選びOK
4. Velilogソースを打ち込む
5. TasksのAnalysis & Synthesisを右クリックしてStartを選ぶ。エラーが出たら直してもう一度
6. Assignmentsメニュー＞Pin Plannerを選び、ピンを割り当てる（下図1）
7. TasksのCompile Designを右クリックしてStartを選び、コンパイルし、「…Quartus Prime Full Compilation was successful」が出たらOK
8. Toolsメニュー＞Programmerで、Programmerを起動
9. USB-Blasterが選択されていることを確認（表示されていなかったらHardware Setup...ボタンから選択ダイアログへ）
10. Add Fileボタンをクリックし、output_filesの中のClockGen.sofを選ぶ。デバイスと書き込みファイルが表示される（下図2）
11. Startボタンをクリック、瞬時に書き込みが終わり、LEDがチカチカ。

図1

図2

基本動作が確認できたので、2.5Mhzとその1/2, 1/4, 1/8のクロックをPMOD端子から出力するように書きなおします。

1. QuartusのEntity欄でClockGenをダブルクリックしてVerilogソースを開きます。
2. ソースを修正して保存します。
3. 青の「▶」をクリックすると「変更するか？」と聞いてきますのでYES
4. Full Compilation was successfulが出たらToolsメニューからProgrammer
5. Startボタンをクリックしてコンフィグ（書き込み）

と、いうわけで、（少し）きれいな1.25Mhzと2.5Mhzが出ました。で、本題のデジタルマイクですが。同じです。ローパスフィルタを通しても何も出ません。

はい終了。

■FPGAのソース■

■最後に■

デジタルマイクは製品として販売されているからには、動くはず。でも何が悪いのかわかりません。もう涙も枯れ果てました…でもFPGAでクロック出すのはうまく行ったから良しとしよう（問題をすり替えてはいけません）。

続きはこちらをどうぞ。

• デジタルマイクが動かない（SPI DAC出力編）◀ノイズしか出ない
• デジタルマイクSPM0405HD4Hがデジタルで動いた！

BeMicro MAX10にNios IIを入れてLチカ（part 2：完結編）

はい、続きです。せいぜい2時間もあれば終わるだろうと思っていたNios II Lチカで4時間かかってしまいました。初心者ってしんどいわぁ。

■STEP3' コンフィグ書き込み■

前回、これだけ終わってませんでした。ここで初めてBeMicroをの電源を入れると、赤い電源LEDが点灯し、緑のLEDが2進カウンタとして動き始めます。懐かしなー。

と、TK-80時代を振り返るのは止めて、まずVirtualBoxでDevicesメニュー＞USB＞　Altera USB-Blaster [1000] を選びます。次にQuartusのToolsメニューからProgrammerを選びます。もしHardware Setup...のとなりが「No Hardware」になっていたら、Hardware Setup...をクリックし、USB-Blasterを選びます（Currently selected hardware）。私は最初ここのところにUSB-Blasterが現れない→Device＞USBのところにもない→もしかしてUbuntu対象外？？と焦ったのですが、単にハブが落ちてたようでMacを再起動したら治りました。MacOS X El Capitainにしてからこういうことが多くてホント不便。本社新築する前にちゃんとしてくださいよお＞Apple

…と余談はさておき、あとは記事通りです。

記事通り、書き込みが100%（）Successfulになっても何も起こらなければ正常です。前回も書いたように、まだソフトウェアを書いてませんので。

■STEP4 Cプログラムを書き込む■

1. Quartus IIからNios II EDSを起動
2. ソフトウェア・テンプレートを利用する
   原因はわかりませんがうちのUbuntだとメニューバーがありませんｗ　左から二番目の下向きの三角にカーソルを合わせると「New」だと言ってますので、ここから「Nios II Application and BSP from Template」を選びます。
   SOPC Information File name:の「...」をクリックしてプロジェクトフォルダ下のmaxlab.sopcinfoを選びます。あとは記事通りでFinishまで。テンプレートはHelloWorldの下にあるHello World Smallなのでお間違えなく。
3. C言語ソースの中身を加速度センサ制御用に書き換える
   雑誌にはソース掲載されていないので、ダウンロードしたものからのコピーです。
4. 作成したソフトウェアをFPGAで実行する
   やっと　こ　こ　ま　で　来　た　か　って感じ。まぁreset_reset_nが無ければ大変なことは何一つなかったのですがｗ　ここはまったく記事通り。
   …なのですが、私の場合、ここで一晩経過して電源を引っこ抜いているので、上のSTEP3'に戻ってコンフィグ書き込みを行い、それからソフトウェア書き込みを行いました。
   するとLEDがたくさん点灯するはずです（なんだよ「たくさん」ってのはよ）。BeMicroの向きを傾けていくと、真横にした辺りでパッと消え、背面になるにつれてピコピコとLEDが増えていくはずです。
   
   うごいた！

と、いうわけで、Nios IIが動きました。ソフト屋な私はつい「やった！　これで何でもできる！！」という方向に安易に走りがちなのですが、旨いこと使いこなして行きたいと思います。はい。

とはいえ、なんにもフィードバックがないと辛いので、とりあえずは液晶でもつないでみますかね。

…そのうちに。

…マイコン駆動で。

BeMicro MAX10にNios IIを入れてLチカ（part 1：構成編）

トランジスタ技術2015年11月号 p61からの「第三章 [STEP2] コピペであっさり！ 32ビット・コンピュータを作りこんで動かす」を試してみます。

前回マクニカさんの記事を参考にしたら、これが見事に「わかっている人向けの記事」だったので大いに悩んだのですが、今度は我が心の師匠・岩田利王氏の記事、きっと大丈夫です。でも、もしQurtusの操作についてわからないことがあれば、「FPGA電子工作スーパーキット」が参考になります。

ま、人の作ったもんだから何とかなるでしょ。

■と思ったら■

いきなり「前章で作成したmaxlabプロジェクトを開いて」と来ましたorz　ということで、トラ技のダウンロードページから2015年11月号STEP1のプロジェクトをダウンロードして、Velilog下にあるmaxlabを適当な場所にコピーします。

Quartusを起動します。私のはQuartus Prime Lite 15.1.2です。

FileメニューのOpen Project...からmaxlabフォルダの中にあるmaxlab.pdfを開きます。ToolsメニューからQsysを選びます。

…と記事のまま書いてもブログにする意味がないので、以下は記事のわかりにくいところだけ説明します。

1. Nios II プロセッサをシステムに追加する
2. オンチップ・メモリをシステムに追加
3. オンチップ・メモリのサイズを調整
4. オンチップ・メモリの配線設定
   ちょっと悩みました。本には「マウスでクリックして繋ぐ」とありますが、どこをクリックしてもドラッグしても反応しません。クリックするのは「◯」のところです。例えば、 -<clk　と ->clk1　を繋ぐ場合には、nios2_gen2_0のところにある ->clk の左にある「◯」と　->clk1　のところにある「◯」をクリックすると線が太くなって配線！となります。どうでもいいですが「はいせん！」とか書きたいですな（何がだ）。
5. Nios IIがオンチップ・メモリから起動するように設定
   記事では「画面を閉じます」と書いてありますが、閉じるとこの後の辻褄があわなくなってしまうので閉じません。閉じるときにファイル名をnios2e.qsysにしていれば問題無いです。もし閉じてしまったら、またQuartusのToolsメニューからQsysを選びます。で、メモリベースアドレスの設定をするのですが、「図9のように」という本文の説明は大変わかりにくいです。配線図のところのonchip_memoryの下にあるs1の行の右に「BASE」という欄がありますので、ここをダブルクリックして記事にあるように「0x0001_0000」にしてみます。記事には0xついてないですが、付けます。

なお、記事はこれで「エラーが消えます」とあるのですが、「clk_0, clk_in_reset must be connected to a reset source」というエラーが残ってます。記事の図を見ても接続されていないですが、マクニカの記事だとつながっているのでつないで見たのですが、それだと最後の最後でコンパイルエラーがでます。

調査の結果わかったのは、Qsysでclk_0のckl_in_resetがexportされていないのが原因でした。clk_in_resetの行のExport欄をダブルクリックして表示が「reset」になるのを確認してください。こんな形になればOKです。雑誌の図だと「export」が隠れてて見えないんですよね…困ったもんだ。

■STEP2-2 Nios IIにI/Oを追加■

1. 加速度センサとSPI通信するためのPIOを追加
   Qsysは開いたままです。1bitのoutputを3つと1bitのinputを1つ追加します。
2. LED制御用PIOを追加
   width 8のoutputを1つ追加します。
3. PIOの設定とそれぞれの接続設定をします。記事通りです。

■STEP3 FPGAに書き込む■

1. Quartus IIで使うためのファイルを生成する
2. Qsysで生成したファイルをQuartus IIに追加する
3. MAX 10でNios II/eを使うための設定をする
4. HDLソースとピン・アサインのファイルを更新
   QuartusのProject Navigator（右上の一覧）からmaxlabをダブルクリックするとmaxlab.vが表示されます。で、リスト1を打ち込みます。すぐお気づきかと思いますが、赤い文字だけが変更箇所ではないのでご注意を。あと「それらをアサインしましょう」はFileメニューからOpen Fileを選び、Files of typeをAll Filesにするとmaxlab.qsfが見えますので、開きます。もっと簡単な開き方ご存知の方、教えてくらさい。開くと雑誌リスト2の中身と大幅に違うものが出てくるのですが、set_global_assignmentは放置しておいて、set_location_assignmentを雑誌のリストと同じにしてみました。結果的にはそれでよかったみたい。
5. コンパイルの後、FPGAにプログラムする
   ProcessingメニューからStart Compileを選びます。順調にいけば、0:errors, 22 warningsって感じで終わるはずです。

さて、あとはNios IIの上で走らせるソースをコンパイルしたりFPGAをコンフィグ（書き込みのこと）しなきゃいけないんですが、もう眠いっす。

続きは明日…無事動作しました。