X,Y,Z3軸傾斜角をはじめから求めようとするとかなり複雑のため、この記事では1軸分(Y軸)まわりの傾斜角を加速度センサおよびジャイロセンサから算出する方法を解説します。

MPU-6050では下図の向きにX、Y、Z軸を設定しています。

加速度センサでY軸まわりにθ_y傾斜する場合はZ軸方向およびX軸方向の重力比率より傾斜角θ_yは逆三角関数を使用すると算出できます。

加速度センサアプリでも説明しましたが、加速度センサの重力(1G)成分による各軸の値a_x,a_y,a_zは重力に対する抗力の向きとなりますので、下図のようにY軸中心に座標を正方向θ_Y傾斜したとき、重力Z軸成分(1G_Z)の抗力a_zは正値で、X軸成分(1G_X)の抗力a_xは負値となります。

ここでは動作による加速度は考えていませんので算出データは地上に対して傾斜させて静止した角度(絶対角度)となります。

算出した絶対角度にオフセットθ_offset分を差し引くと、任意の角度で基準0°にプリセットできるので基準からの相対角度とすることができます。逆三角関数を使用した場合の角度は単位がradのため、必要に応じて°に変換します。

ジャイロセンサの場合、データg_yはY軸まわりの回転時の角速度のため、角度を得るにはプログラム内で積分して算出する必要があります。

まず得られた16ビットデータをスケールに応じた角速度（°/s）に変換します。それからオフセットがある場合は予め差し引いておいてから積分して角度を算出します。

プログラム内での積分は離散化した近似です。最もシンプルな積分は下図のアルゴリズムです。サンプリングタイムTsが十分小さい場合はこれでも問題はありません。

MPU-6050をNucleo-F103RBに接続して使用する場合の配線例を下図に示します。

センサボードGY-521の電源にはLDOレギュレータを内蔵していますので5Vを接続します。

データ出力インターフェースはI²C通信のため、STM32側ではI²C2に接続します。I²CのI/Oはオープンドレインに設定しますので通常ではプルアップ抵抗が必要ですが、センサボードGY-521には予め含まれています。

まず、はじめの関門はI²C通信の設定およびデータ読み書きを正常に実現することです。データを任意に安定して読み込めることができればあとはこれまでに解説した方法でデータを演算して角度を算出するだけです。

I²C通信デバイスを使用するために、I2C2_Configuration()でまず初期設定をします。これは他のI²Cデバイスと同様です。詳細はシリアル通信I2C【STM32のI2C詳細】を参照してください。

I2C2の初期設定のあとはMPU-6050の設定をします。設定はレジスタに値を書き込みます。すべてデフォルトで使用する場合は必要ありませんが、デバイスに内蔵のデジタルフィルタを使用したり、データのフルスケールを変更設定する場合には必要です。

I²C通信では1バイト単位でデータを読み書きするのですが、データ読み込みでは個々のバイトデータを単独で読み込むのではなく、一度に複数バイトを読み込む方が効率的です。

そうなると読み込みデータアドレスは加速度センサのX軸のデータアドレス3Bから14バイト分を読み込んでデータを配列に格納するだけでよいのです。

話は前後しますが、所望のレジスタに1バイトデータを書き込むための関数は自作します。

ここでのポイントはスレーブアドレスで、I²Cのアドレス送信関数I2C_Send7bitAddress()ではアドレスは1バイト枠で左詰め7ビット分です。これに最下位ビットに送信か受信フラグを付加した１バイトデータとして扱います。

ライブラリ関数の中身を確認して動作をたどると理解できると思います。

例えばI²Cデバイスのスレーブアドレスが0x68の場合は1ビット分左シフトした0xD0を送信関数I2C_Send7bitAddress()に与えるアドレスとします。

データ読み込みは書き込みの延長のようなものですが、複数バイトデータも連続して読み込むことができます。

これも自作の複数バイト読み込み関数ですが、データが複数ある場合は最後のバイトデータ受信直前でACKを返さないNACKとすることがポイントです。

MPU-6050 は初期設定としてレジスタへセンサへのクロック源を設定したり、加速度センサ、ジャイロセンサのフルスケールや出力へのフィルタを設定します。

加速度センサおよびジャイロセンサにより角度を取得するだけならばデフォルト設定でも使えますが取扱うレジスタはせいぜい下記の程度です。

クロック源を指定することで MPU-6050は機能始めます。クロック源はレジスタアドレス6Bの下位3ビット分に設定します。電源投入時のデフォルトでは内部発振8MHzとなっています。

MPU-6050には出力にノイズ対策のローパスフィルタを設定することができます。必要に応じてレジスタアドレス1Aの下位3ビットに0から6までの値を設定します。

レジスタアドレス1Bではジャイロセンサフルスケールを0から3までの値で設定します。デフォルトでは±250°/sです。

レジスタアドレス1Cでは加速度センサフルスケールを0から3までの値で設定します。デフォルトでは±2gです。

加速度センサの各軸データは16ビットですが、データ格納アドレスは8ビットですので上位8ビット、下位8ビットで構成されます。X軸、Y軸、Z軸のデータはレジスタアドレス3BよりX軸上位、下位...と順に格納されます。

データについては例えばフルスケールが±2gの場合は、+2g時に32768となるので1g当たり16384となります。

ジャイロセンサの各軸データも加速度センサと同様にX軸、Y軸、Z軸のデータはレジスタアドレス43よりX軸上位、下位...と順に格納されます。

データについては例えばフルスケールが±250°/sの場合は、+250°/s 時に32768となるので1°/s当たり131となります。

加速度およびジャイロセンサからのデータが取得できるようになるといよいよそれぞれのデータから角度を算出できるようになります。

I2C_Read_multibyte()関数による複数バイト読み込みで格納したデータにより加速度およびジャイロセンサ各軸の16ビット値が取得できます。

取得できた値により加速度センサによる角度およびジャイロセンサによる角度が算出できます。

ジャイロセンサからの角速度データを積分して角度を算出するためのサンプリングタイムを正確に5msとするためにRTOSの機能を利用しています。詳細はFreeRTOSタスク管理の基本を参照してください。

加速度センサおよびジャイロセンサから単独で算出された角度はそれぞれ一長一短あり安定しません。そこで、両センサの長所である部分をいいとこ取りするための手段に相補フィルタというものを使います。

加速度センサでは重力変化による傾斜角度が得られるので特に静止状態の場合の絶対的な角度変化は信頼性がありますが、情報にノイズが含まれていたり、動作が伴うと重力以外の成分も加わることにもなります。

対して、ジャイロセンサでは回転を検知した角速度が得られるので動作の伴う角度の変化には信頼性がありますが、プログラム内で積分をしているので誤差も同時に累積しドリフトを発生してしまうことになります。

そこで相補フィルタを使用して、加速度センサ出力にはローパルフィルタ(LPF)により低周波部分だけをとりだし、ジャイロセンサ出力にはハイパスフィルタ(HPF)により、ドリフト分をキャンセルすることができます。

相補フィルタの式だけをみると、至ってシンプルなのですが、奥が深いので別途、相補フィルタのしくみを解明してみる【加速度・ジャイロセンサ】で詳細を解説しています。

下図は加速度センサ、ジャイロセンサおよび相補フィルタを通した出力による角度変化の様子をグラフ化したものです。横軸は経過時間(s)、縦軸は角度(°)です。

加速度センサによる角度は細かなノイズが含まれていますが絶対的な角度を示すのでドリフトは発生していません。

ジャイロセンサによる角度はプログラム内で積分したものなのでノイズもなく滑らかですが、累積誤差によるドリフトが発生しています。

相補フィルタを通した出力では加速度センサによる出力とジャイロセンサによる出力の長所のみを引き継いだものになっていて安定して信頼性があります。相補フィルタのカットオフ周波数は2Hzに設定したものです。

相補フィルタのカットオフ周波数によりどのような違いがあるのかを確認するために4Hzと2Hzで比べてみました。

カットオフ周波数を4Hzに設定した場合はジャイロセンサによるドリフトの影響はないのですが、加速度センサの敏感なノイズ成分が多少含まれています。加速度センサ寄りの影響を受けた出力になっています。

カットオフ周波数を2Hzに設定した場合は加速度センサのノイズ成分はほぼキャンセルされ、ジャイロセンサ寄りの影響を受けた出力になっています。ジャイロセンサ出力からドリフト分だけをキャンセルした出力となっています。

下の図はカットオフ周波数を2Hzの場合で、少し速い動作をさせてみた出力結果です。

加速度センサでは速い動きほどノイズ成分が顕著に現れ、ジャイロセンサではドリフト成分によるオフセットが突然大きくなったりでこのままでは使用できません。

対して、相補フィルタを通した出力ではこのような動作でも遅れは見られずしっかりと追従し、ドリフトの影響もなくほぼ理想の状態となっていてフィルタ効果が確認できます。

相補フィルタをブロック線図で表すと下図のようになります。

加速度センサではノイズ成分を除去した低周波領域の情報がほしいためにローパスフィルタ(LPF)を通します。

ジャイロセンサでは累積するドリフト成分を除去するためにハイパスフィルタ（HPF)を通すと情報のドリフトによるオフセット分をキャンセルできます。

加速度センサあるいはジャイロセンサ単独にそれぞれフィルタを通すだけでなく、組み合わせることでいわゆる互いにいいとこ取りしあうところから相補フィルタと呼ばれます。

相補フィルタに使用するLPFとHPFには条件があり、任意の周波数でフィルタゲインの和が1であることです。

相補フィルタのLPFとHPFでカットオフ周波数を2Hzとした場合の特性を周波数領域のボード線図で表すと下図のようになります。縦軸はゲインを表していて単位はdB(デシベル）ですが、この条件ではLPFとHPFのゲインは足すと全領域で1となります。

LPFはカットオフ周波数fc以上の高周波成分を除去しますので加速度センサからの情報は低周波部分のみが残ります。

HPFはカットオフ周波数fc以下の低周波成分を除去しますのでジャイロセンサからの情報はゆっくりしたドリフトによるオフセット分が除去されます。

カットオフ周波数fcが2Hzとした場合はほぼジャイロセンサによる情報が優勢になります。最終的には出力を見ながらfcを微調整をすればよいと思います。

相補フィルタは結果の式だけ知っていれば使用はできるのですが、式の意味を知らなければなんとなくの当てずっぽうで係数等のパラメータ値を決めることになります。

相補フィルタを使用するのであればやはりある程度式の内容は理解しておきたいものです。

以下の算出過程には難解な理論は使用していないのですが理解するには最低限の古典制御理論の基礎知識が必要ですので、当サイトのフィードバック制御のための基礎知識【準備編】【解析編】を参照してください。

ここでは1次遅れフィルタ、ラプラス変換などの概念がわかっていれば理解できます。

ようやくよく目にする相補フィルタの式を導きました。これは１次フィルタの場合です。これで重み係数Kの意味もわかると思います。

係数Kはカットオフ周波数fcとサンプリングタイムT_S で決まるものです。

一般的に出回っている相補フィルタ情報の中には加速度センサとジャイロセンサの出力に係数Kを重みとしてかけた解釈のものもありますが、これでは意味をなしません。

これまで シリアル通信などでマイコンに取り込んだセンサデータなどはターミナルアプリを使って、PCなどのモニターに出力して表示してきました。これらのデータはリアルタイムで確認できるのですが、数値の表示ですのでデータ変化の様子はつかみにくいです。

特に、動きのあるもの、例えばモータの回転速度や位置など経時変化するデータは数値だけでなく変化の様子などをグラフ表示などで視覚できれば開発途中の解析や、性能のチェック評価などができるようになります。

センサなどから 電気信号を取り込んで、計測・収集したデジタルデータをモニター表示したり、記録したりする装置はデータロガーと呼ばれていて、さまざまなメーカーが製品として提供しています。ここでは簡易的なデータロガーとして、シリアル通信による送信データをリアルタイムでグラフ表示させて、同時にマイクロソフトExcelファイル(csvフォーマット）に保存できるフリーソフトを使うことにします。

私自身も、以前はVB(Visual Basic)やC#などでWindowsアプリとしてシリアル通信で受信したデータをグラフ表示したりする特化したものをプログラミングして自作したものですが、都度特化したもの作成するのも煩わしく、計測目的だけの場合は汎用的なアプリがフリーソフトとして利用できればそれを利用しない手はないです。

直感的に簡単に操作できるデータロガーアプリを探したところ、 データテクノ社のリアルタイムグラフソフト CPLT（ダウンロード先ホームページ）がお勧めです。

初期設定として通信および、縦軸、横軸のスケーリングだけをすれば、すぐに使用できるとてもシンプルで実用的なアプリでフリーで提供いただけることに感謝します。

アプリ CPLT Version xxx の圧縮ファイルをダウンロードしてから解凍し、実行ファイルをダブルクリックするとアプリは起動します。

実際にセンサからデータを取り込んでモニターさせるアプリケーションとしてSTM32マイコン Nucleoボードを使った温度計 を使用し、温度およびサーミスタ抵抗値をモニターすることにします。

回路は上図のとおりで、設定(S)でCOMポート はUSBで認識したもの、 通信条件は プログラム内で設定したもの(9800,8bit,パリティなし,ストップビット1)に合わせます。

チャネル数は２とし、１つ目はサーミスタ抵抗値で2つ目は温度に指定します。各チャネルの属性でそれぞれ名前、単位および目盛りあたりのデータ値（スケール）を指定します。横軸には１目盛りあたりのデータ数を指定します。例えば、1プロットを0.5s間隔で送信している場合は1目盛りあたりのデータ数を10とすると1目盛りが5sに相当します。

温度計アプリプログラム(temp monitor.c)のシリアル送信部のみデータロガー用に修正します。

複数のチャネルを指定するときの注意点として、複数データはカンマ区切りでひとまとめしたものを送ります。数値でも文字列でもアプリで判別するようです。C言語標準関数spirntfを使用する場合はstdio.hをインクルードしておいてください。

これまでのとおり、まずターミナルアプリで送信データを確認してみてください。下図のようにカンマ区切りであればデータ順にCH1、CH2...と認識されます。これで準備は整いましたのでさっそくデータロガーアプリでリアルタイムのグラフ表示を開始してみましょう。

アプリCPLTを起動してからデータモニターは「ファイル」-「ロギング」でデータ収集用ファイル名を指定すると開始します。問題なければCH1,CH2のデータのグラフ表示が始まります。

データプロットの間隔は横軸の設定で調整できますので適当なものに調整してください。グラフ表示されたデータは同時にチャネルごとにExcelファイル(csvフォーマット）に収集されていますので、解析、評価用データとして利用できます。

データロガーが使えるようになると実際のデータがリアルタイムでグラフ化できますのでデータ変化を解析することができるようになります。特に、モーションコントロールでのモータ速度や位置制御のアプリケーションでは実際の動作を確認することが不可欠です。

ホビー用途でも、動作の妥当性を評価するのにデータロガーがあれば電気のアナログ信号をオシロスコープで確認するような感覚でマイコンに取り込んだり処理したデジタル値をモニターに視覚化でき、アプリケーション開発の強力なツールになることでしょう。

サーミスタは温度により抵抗値が変化する特性をもった素子で温度計に適しているのはNTC特性をもったものです。 NTC特性のものは温度上昇につれ、抵抗値がゆるやかに減少するタイプですが、直線的な変化でなく非線形な特性となっています。

今回使用するサーミスタは103AT-2でB定数は3435K,　基準温度T₂₅(25℃)でのサーミスタの抵抗値R₂₅は10kΩです。サーミスタ抵抗値Rと温度Tの関係式は下記のものですが、この関係式の温度は絶対温度(K)です。

温度と抵抗値は自然対数の関数となっており、グラフを対数表で表すと温度上昇につれなだらかに抵抗値が減少しているのがわかります。データシートにある抵抗値と上記の計算式による値はほぼ一致しているのが確認できます。

温度をマイコンで計測するにはサーミスタの抵抗値を知る必要があります。抵抗値を知るには電圧に変換したアナログ値をマイコンで読み取り、マイコンプログラム内で抵抗値に変換します。

このサンプルでは上限電圧としてのマイコン電圧Vdd(3.3V)とGND間にサーミスタRと抵抗器Ro（サーミスタのR₂₅と同じ程度の値のもの 10kΩ ）を直列に接続しています。中間の電圧Vが温度変化に応じて変化しますのでこの電圧をAD変換で読み取り、下記の式で抵抗値に変換します。

サーミスタの抵抗値がわかればあとは温度に変換する式に入力して演算すればよいわけですが、この式では自然対数を使った算術演算をしなければなりません。非線形な演算のため、通常の整数での演算ではなく浮動小数点型変数を使用したものとなります。

この演算を実現するには、まず自然対数log関数を使用するために"math.h"をインクルードしておく必要があります。次に温度を浮動小数点型変数で演算してください。得られた演算値をシリアル通信でモニターに送り 小数点表示させるのですが、あとはマイコン特有の注意点はなく、プログラミングの問題です。 サーミスタ抵抗-温度関係式 では絶対温度ですので、273.15を引いて摂氏（セルシウス温度）に換算します。

抵抗値に相当する電圧(ADCValue_IN0)をAD変換で取り込むのですがこのサンプルプログラムでは連続変換に指定していますので任意のタイミングで取得でき、141行で抵抗値に変換しています。3.3V入力時にデジタル値4096となるようにしています。142行は表示数字桁数を設定するものです。

143行でlog関数による浮動小数点演算を実施して温度を求めています。144行は表示数字桁数の設定です。

0.5秒周期でサーミスタ抵抗値と温度を表示しています。サーミスタ温度-抵抗値特性表の値とほぼ一致していることが確認できます。指でサーミスタをつまむと温度が体温近くまで上昇するのがわかります。

このサンプルプログラムは簡易的なものですが、STM32F103RB搭載Cortex-M3コアで浮動小数点演算を使った例を扱いました。他に、非線形演算のSIN関数、COS関数などをつかったアプリにも応用できます。

加速度センサKXTC9-2050 は±2Gの範囲内で加速度を検出できます。仕様表1の出力から、例えば、X,Y軸を水平面とし、Z軸に重力方向にセンサを設置すると、X,Y出力は重力成分はゼロなので1.65V, Z軸出力は1G分を含むので2.32(=1.65+0.66)Vとなるはずです。

加速度センサは加速度を検知するものですが信号には重力加速度成分をオフセット分（DC成分）として含んでいます。重力Gは9.8[m/sec²]で地面の向きに一定にかかっている加速度です。

通常、加速度は動作に伴って発生するものなのですが、この重力加速度成分はセンサを静止させても発生しています。どういうことでしょうか。

加速度センサでは実際の動作から 重力加速度成分を直接検出しているのではなく、重力に対する垂直抗力を検出しているのです。したがって、机上など水平面に静止させると重力加速度Gと釣り合っている垂直抗力が重力Gとして検出されます。

このため、加速度センサ出力に含まれる重力加速度成分の向きは実際の重力とは逆向きとなりますので、実際の動作の加速度にオフセット分（DC分）として含まれます。例えばZ軸の実際の重力方向（マイナス方向）に自由落下させると加速度センサ出力のZ軸成分は垂直抗力による重力オフセット分がキャンセルされてゼロ、つまり1.65Vになります。

加速度センサを扱ったアプリケーションで、傾きを検知するには各軸のオフセット分である重力成分だけを検出して計測すればよく、動作の中の加速度を検知するには各軸のオフセット分を除いた加速度成分を検出して計測すればよいわけです。また、衝撃は瞬時に発生した減速時の加速度成分で計測します。

加速度センサはアイディアしだいでさまざまな用途に発展できる面白いセンサです。今回はその前準備として加速度センサの出力がどのようなものであるかを確認するために加速度3軸分の加速度出力をモニターするアプリを作成します。

今回は仕様書どおりの加速度出力を確認するためのアプリプログラムを作成していきます。

加速度はアナログ入力信号としてSTM32のAD変換を使用します。ペリフェラルAD変換はADコンバータ【STM32のADコンバータ詳細】で解説しています。

STM32のAD変換ではアナログ信号入力のパラメータとして、センサの出力インピーダンスを指定する必要があります。メーカーの仕様表3(データシート)より出力インピーダンスは平均32kΩとなっています。

加速度センサの信号をモニターするアプリにはアナログ入力3点およびPCへのシリアル通信を使用します。今回の AD変換 はアナログ信号が3点ありますのでDMA(Direct Memorry Access)と組み合わせると効率がよいです。

実際のプログラムではX,Y,Z軸3点アナログ信号入力用にそれぞれポートPA0,PA1,PA4をアナログ入力AD1_CH0,AD1_CH1,AD1_CH4に設定し、AD変換を連続変換モードとして複数チャネルデータをDMAによりメモリに自動転送しています。

取得したアナログデータは電圧値（整数）に変換してからさらに文字列に変換してシリアル通信で送信しています。

AD変換の初期設定では使用するチャネルの指定と加速度センサの出力インピーダンスに合わせて指定します。

このアプリでは1秒毎に加速度成分のX軸,Y軸,Z軸の電圧値（整数）をシリアル送信してPCターミナルでモニターしています。加速度センサーをX,Y軸平面上に静止させているのでZ軸に重力加速度成分がオフセット分として追加していることが確認できます。

静止しているため、重力の影響を受ける成分（垂直抗力分）だけ 基準値約1.65Vに対して出力に変化が現れます。

X軸、Y軸についても重力の影響をうける向きに傾けると出力が変化するのがわかります。

圧電ブザーは発振回路を内蔵しており仕様に応じた電圧をかけると共鳴して音が発生する部品です。これとよく似た部品に圧電スピーカー（サウンダー）がありますが、こちらは発振回路を内蔵しておらず任意の周波数パルスを与えて音を発生させます。

今回のアプリでは圧電ブザー、圧電スピーカー両方で使用できるものに挑戦したいと思います。

このタイプは極性があり、プラス側(ピン足の長い方）に直流電圧、マイナス側にGNDを接続すると規定の音(2,300Hz)が発生します。

ブザーに与える電圧はマイコン電圧と同じ3.3VDCを与えることにします。固定電圧の場合は連続音、3.3VDCのパルスにすると断続音になります。

圧電スピーカーの場合は発振回路がないので直流電圧を与えるだけでは音は発生せず、外部から音に応じた周波数のパルスを与える必要があります。断続音にしたい場合はこの発生パルスを断続的にブロック状態で発生させます。

今回のアプリでは圧電ブザー/圧電スピーカ ーのどちらでも使用できるものとして、任意の周波数をブロック状態で発生させたものを圧電ブザーに与えて音を発生させることにします。

部品によっては保護抵抗として1k程度のものを直列に接続する必要がありますが、今回のものは抵抗があると機能しませんでしたので使用していません。保護抵抗の有無は仕様書等で確認してください。

タイマTIM3で一定幅のパルスを任意の間隔で発生させます。PWM出力機能を使用すると簡単です。任意の間隔（発生音の頻度）はTIM3タイマのサイクルを設定する 自動リロードレジスタ（ARR） の設定値を調整します。出力パルスの幅（発生音の長さ）はPWM設定の一つで キャプチャコンペアレジスタ(CCR) の設定値を調整します。タイムチャートで検討しながら設定すればよいです。

圧電ブザーの場合はこのTIM3の出力（PA6）を与えるだけでよいのですが、圧電スピーカーの場合は各パルスが更に細かい音源の周波数で構成されたものでなければいけません。そこで、もう1段タイマTIM4を追加します。

タイマTIM4には音源周波数のパルスを出力するように設定して、タイマTIM3のパルス出力時にのみタイマTIM4の細かい音源パルスが出力されるようにすればよいのです。デジタル論理回路のAND回路のような感じです。

この場合は、タイマTIM3の出力に同期した割り込みを使います。カウントサイクル毎に発生する更新イベント割り込みとPWM出力のキャプチャコンペア割り込みを利用してタイマTIM4のパルスを発生させたり、停止させたりします。

プログラムのアウトラインです。今回は割り込みだけで処理しています。

使用するペリフェラルはTIM3とTIM4およびそれぞれGPIOのAポートとBポートです。

TIM3_CH1の設定です。TIM3_CH1へのカウンタクロックを10kHzに設定してサイクルを自動リロードレジスタARR_TIM3で設定しています。ARR_TIM3が10000の場合はPWMモード時の周期は1秒です。

カウント中に自動リロードレジスタARR値を任意に変更したい場合はカウンタモードをダウンカウンタに設定しておきます。

カウンタモードはPWMモード1か2に指定します。PWMモードのキャプチャコンペアレジスタCCRはメンバTIM_Pulseに設定します。この値でパルス幅を調整できます。

タイマTIM3_CH1のサイクル更新毎に発生する更新イベント割り込みTIM_IT_UpdateとPWMのキャプチャコンペア時に発生するキャプチャコンペア割り込みTIM_CC1を有効にしてからカウンタを開始します。

次にTIM4_CH1の設定です。圧電スピーカーで発生する音源パルスを設定します。このタイマもPWMモードを指定します。メンバTIM_Periodeの自動リロードレジスタ(ARR)でパルス周期を、 圧電スピーカーの場合はARRに音源に対応した周波数になるように設定します。メンバTIM_Pulseのキャプチャコンペアレジスタ(CCR)で パルス幅を設定します。これは通常ON/OFF比率50%のduty比でよいのではないでしょうか。

PWMモードで2.5kHzのパルス（duty比50％）が出力する設定になっています。

発振回路を内蔵している圧電ブザーにはTIM4のパルス設定は必要はないので、PWMモードキャプチャコンペアレジスタでパルス幅（duty比）を大きめに設定しておく方が本来の音に近づきます。

最後に割り込みの設定です。TIM3_CH1のPWM出力キャプチャコンペア割り込み でTIM4_CH1をPWMモードでカウントを開始させます。 TIM3_CH1の カウントサイクル毎に発生する更新イベント割り込みでTIM4 _CH1を強制的に出力ゼロにしています。ここでは適当なファームウェア関数の代わりにレジスタを直接操作しています。

設定したTIM3とTIM4で発生するパルスは下記のようになります。TIM3のパルスに同期してTIM4が発生しています。今回のアプリ例ではTIM3のパルスは固定ですが、動作中に間隔(ARR)やパルス幅 (CCR) を変更するものに発展させてみてください。

実際の圧電ブザー音です。TIM4のPWM出力によるduty比が50%ではすこしかすれた感じの音なので90%程度に設定したら本来の音に近づきました。

発振回路の内蔵していない圧電スピーカーの場合は TIM4によるパルス周波数を変えると音色が変わりますので、TIM3のPWMによりパルス幅を調整して音長を変えたものと組み合わせるといろいろと面白いとおもいます。

プログラム構成の基本的なところは「ESP32を使ったSTM32のTCP通信(WiFi)受信編」 と似ていますが、ESP32をHTTPプロトコルで受信する場合に特有なクセに注意する必要があります。

通信条件がTCPからHTTPに変更になったことに応じてプログラムの基本構成はTCP通信の場合とほとんど同じままで、サーバーのポート番号とプロトコルフォーマットを変更しただけのものであると、ターミナルからでは正常に動作するのにブラウザから WEBサーバー化したESP32へのHTTP通信はうまくいきませんでした。

TCP通信プロトコルでPCやスマホのターミナルソフトからSTM32へコードを送るのと、HTTP通信プロトコルでウェブブラウザからSTM32へコードを送るのは一見ほぼ同じに思えますが、中間にあるESP32の挙動がかなり違うために動作を理解しないままではうまくいきません。

相違点をまとめると以下のようになります。

つまり、ブラウザから文字コードを送信すると、想定以上にESP32は応答を返すので予め想定しておかなければマイコン側では多くのものを予期せぬタイミングで受信することになります。これが時にフリーズの原因にもなりえます。

そういうものであることを分かってしまえば対処のしようもあるのですが、はじめは原因がわからなかったために問題解決に至り安定した通信を実現できるようになるまでかなり時間を要しました。

以下に、ESP32をHTTP通信プロトコルで安定して文字コードを送るコツを解説します。

受信構成はTCP通信の場合と同じでもよいのですが、サンプルアプリでは割り込み受信を使用しており、割り込みが入った時点が分かるようにLEDを点灯させています。

不定のタイミングで受信が発生する場合はポーリングによるものよりも割り込みにした方が確実です。ポーリング方式でも試してみましたが安定した動作を得ることはできませんでした。

このアプリの特徴は割り込みが発生して受信処理をする度に一旦USARTを初期化してレジスタをクリアにすることです。クリアにはいろいろな方法があるとは思いますが、ここでは最も初歩的で簡単なクリアを実現するために、リセット関数を下記のようにまとめて実行させています。

リセット処理を受信のたびにきっちり施すことで、通信エラーなどがクリアされ動作が安定しました。これで、ブラウザからコードにより処理を分岐させることができるようになりましたので、さまざまなリモートアプリに発展させることが可能になります。

種々のコードを含んだIPアドレスをリンクとしてHTMLページに貼り付けておけば、それをクリックするとコードがブラウザからマイコン側に転送されることになります。

ここで紹介するアプリはESP32でWiFi化しWEBサーバーを構成したNucleo(STM32) からクライアント側のPCやスマホのウェブブラウザへ文字列を送る基本的なものですが、ここでしっかり理解して使いこなせるようになると、いろいろ応用できるようになります。

基本的にはTCPサーバーの送信と同じです。配線も同じ構成です。

アプリプログラム構成も基本的にTCPサーバーの送信と同じです。

相違点はサーバー生成時にウェブサーバー用にポート番号を80に指定し、送信するときにHTTPプロトコルにしたがっているところです。ESP32からの応答でHTTPプロトコルの場合は冗長な文字列が返されるため、待ち時間を大きめに設定しています。

サンプルプログラムではウェブブラウザからWEBサーバーのIPアドレスを指定してからSTM32側をリセットで再起動させるとつながることが多いです。

TCPサーバーを構成してPC、スマホなどクライアントのターミナルアプリで接続するところまでは 「ESP32を使ったSTM32のTCP通信(WiFi)送信編」と 共通です。

クライアント側からのコマンドコードによりマイコンをコントロールするには文字コードの受信処理およびコードに応じて処理させたい内容を追加すればよいのです。

ESP32 とターミナルアプリを接続して ”depfields”の9文字を入力してEnterキーを押すと、改行コードを含めて11文字を送信したことになります。 ターミナルをローカルエコーに設定していると入力した文字が現れます。

TCPサーバー側ではクライアント側からの文字を受信すると"+IPD,0,11:depfields"と表示されます。＋IPDは受信データであることを示し、コネクションIDが0に文字列と改行コードを含んだ合計11文字を受信したことを意味しています 。応答文字列には改行コードCR+LFが含まれています。

上述のPCのターミナルソフトからの操作を Nucleo(STM32) に置き換えたESP32とマイコン間での通信をする場合のアプリを紹介します。あらかじめ、登録しておいたコード"ABC"と受信コードが一致・不一致で処理を分けるアプリです。 受信コードを含む文字列は終端が分かるように入力コードには"＠"を最後に含めています。

PCやスマホなどのTCP通信ターミナルでESP32でWiFi化したNucleo(STM32)のTCPサーバー側に接続した状態で"ABC@"を入力します。ESP32では文字列を受信すると”+IPD,0,6:ABC@" をUART通信で文字列の応答として返すのでSTM32側でコード部分"ABC"を取り出せばよいのです。 

受信コードが取得できればあとはシリアル通信と同様にアプリ側で処理したい内容を作成すればよいわけです。
例えば、コードを"ON"や"OFF"などに登録しておき、これらと一致した場合にそれぞれ処理を分ければソフトウェアスイッチとしてリモートコントロールできるようになります。
 

ここで紹介するアプリはESP32でWiFi化しTCPサーバーを構成したNucleo(STM32) からクライアント側のPCやスマホのターミナルへ文字列を送る基本的なものですが、ここでしっかり理解して使いこなせるようになると、いろいろ応用できるようになります。

Nucleo(STM32)とESP32は シリアル通信ではよく使われる ATコマンドを UART通信 でやり取りしてデータの送受信を行います。

無線モジュールESP32のモードは一般的なSTA(ステーション)モードに設定して家庭や職場のWiFiルーターからIPアドレスを割り当てられるものにします。他のモードではESP32自体を親機にするAP(アクセスポイント)モードもありますので実施してみてください。

この例では親機でDHCPサーバーであるWiFiルーターアドレスが"192.168.3.1"でESP32に割り当てられたIPアドレスは"192.168.3.19"である環境を前提にしており、各々の環境では異なりますのでご注意ください。

では早速プログラムを見ていきましょう。FreeRTOSを使った構成としています。メインプログラムの流れは起動直後に各ペリフェラルの設定を行ってから、WiFiの設定をします。その後、処理内容ごとに2つのタスクにわけ、デモプログラム用データ作成のタスクprvTask_dataとデータモニター用タスクprvTask_monitorとしています。

WiFi設定はwifi_setting関数にまとめ、ポート番号50000のTCPサーバーを生成しています。

デモ用データ作成はタスクprvTask_dataで行い、20msごとにデータ(data)を加算していく処理にしています。dataは符号なし8ビットで255を超えると0に戻ることを繰り返しています。

データモニター用タスクprvTask_monitor は３桁の数字を送るために、改行コード２文字分を含んだ５文字の送信要求コマンド"AT+CIPSEND=0,5\r\n"を送信して適度の待ち時間を挿入します。数値データを３桁の数字に変換し(digit_conv関数)、文字列としてUSART送信しています。

送信要求コマンド"AT+CIPSEND=0,5\r\n"後に挿入する待ち時間はUART通信のボーレートによっても変わります。試してみたところ9600bps時には25ms以上、115200bps時には3ms以上に設定すれば正常に機能しました。参考プログラムは9600bpsでのものです。

WiFi化した文字列送信の基本構成は以上です。ひとたびTCPサーバーを構成してしまうと、あとはシリアル通信の感覚で送信が実現できてしまいますので簡単です。TCPサーバーを実現するための通信プロトコルはESP32のファームウェアに内蔵されていてはじめに設定用コードで指定するだけです。

Nucleo(STM32)のTCPサーバー側から送信された数字をクライアント側でモニターするにはターミナルアプリを使用します。ここではPCのターミナルソフトとしてTeraTermを使用しています。IPアドレスとポートを指定すると接続できるはずです。

Nucleo(STM32)側から送られた数字は0.5秒間隔で更新されています。数字が0から255までの1サイクルが約5秒であれば成功です。