シリアルモニタを使うときの留意点

組み込みプログラムのデバッグには欠かせないシリアルモニタですが、使う上で注意しておくことがあります。

printf関数はdelay関数を挿入したのと同じ効果

シリアルポートからデータを出力する場合、一つのデータの出力を終えてから次のデータをシリアルポートに書き込むことの繰り返しになるため、
Arduinoのprintやprintf関数の実行には、出力する文字数に比例した待ち時間が必要となります。

待ち時間 = 1 / 通信レート(bps) * 10 * (文字数―1)

関数呼び出しに必要なオーバーヘッドは上の時間に比して短いので、通常はこの待ち時間が支配的となります。

通信速度が遅いほど、文字数が多いほど長く時間がかかると覚えておいてください。

例えば9600bpsで20文字のデータを出力するとprintf文の実行に

1/9600 * 10 * (20-1) ≒ 19.8ミリ秒

の時間が必要です。
これは忙しいプログラムとっては大きな影響を与える待ち時間かも知れませんし、10ミリ秒周期の割り込み関数の中にこのprintf文を書くと、プログラムがハングアップしてしまいます。

通信速度115200bpsなら、

1/115200 * 10 * (20-1) ≒ 1.6ミリ秒

と、10ミリ秒周期の割り込み関数の中でも使えるようになります。

さらに、クロック64MHzに設定したPIC18F45K22 にエラー率0%で設定できる2,000,000bpsを使うと待ち時間は

1/2000000 * 10 * (20-1) ≒ 0.095ミリ秒

となり、1ミリ秒周期の割り込み関数の中でも余裕で使えるようになります。

高速の通信レートで、少ない文字数で情報を出力する

以上のことから、シリアルモニタを使う場合は出来るだけ速い通信レートに設定して、最小限の文字数で必要な情報を出力するように留意して下さい。

printf文をデバッグが終わったら削除する必要があるか

デバッグに使ったprintf文は、デバッグ完了時に#ifdefでマスクしたり、コメントアウトしてプログラムから除くのが常識と思われていますが、ものづくりコンテストの課題を解いている場合はそのまま残しておいても構いません。

何故ならば、PCでシリアルモニタを使っている場合も、USBコネクタからケーブルを外してボード単独で動かす場合も、printf文がプログラムの動作に与える影響に変わりは無いからです。

むしろ、printf文のdelayが無くなることによりプログラムの動作が変わる可能性を考えればprintf文はそのまま残しておいた方がベターです。

PIC18F45K22ボードでシリアルモニタを使う

MPLAB-XのMCCを使って、PIC18F45K22 CPUボードでシリアルモニタを使うための設定方法を紹介します。

シリアルモニタについて

シリアルモニタはArduino IDEの用語で、基板上のプログラムでprint文を使ってUSBコネクタ経由でPCにデータを送って表示する機能です。

組み込みプログラミングで機器を制御する場合、短いプログラムを繰り返し使うことが多く、プログラム構造は簡単ですがCPUに接続された機器の特性を知ることが重要になります。

ものづくりコンテストの課題で使われるスイッチのチャタリング

「スイッチをONにしたらLEDを点灯、OFFにしたら消灯しなさい。」という初歩的な設問なら、条件文や単なる代入文を使って論理的に考えたプログラムで問題なく動作しますが、

「スイッチを一度ON-OFFしたらLEDを点灯、もう一度ON-OFFしたら消灯しなさい。」という設問に対して、スイッチのチャタリングを知らずに論理的に考えただけのプログラムを書くと、ON-OFFを繰り返す度に動作したりしなかったりするという不思議な現象に悩まされることになります。

チャタリングというのは、スイッチをON-OFFした直後のごく短い時間に信号が0と1の振動を繰り返すというもので、スイッチの種類によってチャタリングの時間が違ったり、チャタリングがあったりなかったりします。

チャタリングによるトラブルは、PCの画面でプログラムを穴が空くほど見つめて考えても解決できませんが、シリアルモニタを使ってスイッチの状態が変わった時に信号の状態を表示するようにすれば、
「あれっ?一度スイッチを操作しただけなのに、何度も信号が変化している。」と一発で気が付き、対策を考えることが出来ます。

また、シリアルモニタで信号の状態を観測することは、データシートには載っていないハードウェアの動作特性を知るために大変役に立ちます。

MALAB-Xでシリアルモニタを使うには

Arduino IDEのシリアルモニタは、シリアル通信を使ったprintfデバッグをIDEに組み込んだものです。
PICの開発環境MPLAB-Xにはシリアルモニタ機能が含まれていませんが、MCCを使ってprintfの出力をシリアルポートに出力するようにすれば 、Arduinoと同じ感覚でシリアルモニタが使えるようになります。

GUI画面で初期化設定が出来るMPLAB-XのMCC

PICの新しい開発環境MPLAB-Xの最大の特徴はMCC(MPLAB Code Configurator)が使えるようになったことです。
MCCを使うとGUI画面で設定項目を選んで値をセットするだけで、ハードウェアを初期化する関数を自動的に生成してくれます。
組み込みプログラムで難しいのは、データシートに記載された多くの情報を元にCPUのレジスタを設定しなければならない初期化プログラムです。

ものづくりコンテストに挑戦する場合、
Arduinoでは単純化した初期化関数をライブラリに用意することで初期化が簡単におこなえるようにしてあるため、初期化部分を覚えるのが簡単でした。
MCCが使えないMPLAB時代のPICのプログラム環境を使う場合は、覚えにくい初期化プログラムを丸暗記して書かなければならず、その部分に間違いがあればプログラムがまともに動作しなかったので、Arduinoに対して圧倒的に不利な条件で闘う必要がありました。

MCCを使うと、タイマーやPWMなどのPICに内蔵された高機能な機能を、課題に合わせて柔軟に設定できるので、Arduinoより高性能なCPU機能を使えるようになるため、高機能なプログラムを簡単に書けるようになります。

1.MCCでEUSART(シリアルポート)を有効にする

PIC18F45K22CPUのシリアルポートからデータを出力するにはプログラムの最初で初期化する必要があり、MCCを使えば自動的に初期化部分を含んだプログラムのテンプレートを作ってくれます。
MCCを起動し、左のDevice Resourcesで下図の赤丸で囲まれたEUSART2をダブルクリックして、上のProject Resourcesに追加します。

2.EUSARTのパラメータを設定する

次に、下の画面のとおりに設定をおこないます。
Mode asynchronaous → 非同期通信とはRS232C規格でも使われている標準的なシリアル通信プロトコルです。
Enable EUSART → このシリアルポートを有効にします
Enable Transmit → 送信を有効にします
Enable Receive → 受信を有効にします、シリアルモニタだけなら受信無効でもかまいません。
Baud Rate → とりあえず115200を選択します
Software Settings の Rediret STDIO to USART にチェックを入れます → これでprintf文の結果がEUSARTに出力されるようになります。

その他の項目は初期状態のままにしておいて下さい。

3.プログラムテンプレートを生成(再生成)する

設定が終わったらProject ResoucesタブでGenerateボタンをクリックすると初期化プログラムとmain.cが生成されます。
プログラムを書いている途中で設定を変更したい場合も再度MCCを開いて設定を変更した後にGenerateボタンをクリックします。
main.cにプログラムを書き込んでいる途中で、再度MCCのGenarateをおこなっても、編集した部分はそのまま保存されますので、デバッグ時にハードウェアの初期化を追加変更することも出来ます。

MCCが生成するプログラム

MCCで初期化プログラムを生成した後にProjectタブの内容を見るとmain.cとMCC Generated Filesが作られているのが確認できます。
生成されたファイルのmain.cを直接編集して課題のプログラムを書いていきます。
MCC Generated Filesフォルダにあるプログラムを編集することはありませんが、この中の関数を使う場合には関数名や使い方を確認するために開いてみることが出来ます。