脈拍をカウントして心拍数を表示するアプリケーションの解説をします。心拍数アプリを実現するためのアプリにはアナログ電子回路の知識、STM32マイコンのGPIO、割り込みおよびシリアル通信など学習に必要な要素がバランス良く盛り込まれています。

脈拍を検知するセンサーには電子工作でも一般的によく使われているフォトリフレクタと呼ばれる部品を使用します。
このフォトリフレクタは赤外線を発光するLEDと反射して返ってきた光を検出するトランジスタで構成されています。 電子工作では色による反射光量の違いで黒いラインのあるなしを判別することを利用したライントレースなどにも用いられます。

指先をフォトリフレクタに当てると指先にある毛細血管のヘモグロビン濃度変化を反射率の変化として検知できるのですが、この変化はとても微小でそのまま電気信号としてマイコンに入力してもカウント困難なのでまずオペアンプという部品を使って安定した脈拍パルスに増幅します。この増幅回路はさまざまなタイプがあり、採用しているのはその一例ですがインターネットでも十分な情報がありますのでいろいろ試してみるとよいと思います。

オペアンプは1段でも機能するかもしれませんがここでは2段使用しています。フォトリフレクタ信号の変化分だけパルスとしてとりだしたいので直流分をカットするコンデンサCと抵抗Rを組み合わせたRCハイパスフィルタ(カットオフ周波数：約1kHz)を入り口にいれています。

LTSpice®と呼ばれる回路シミュレーションを使用して上記回路の特性を調べてみます。入力信号には振幅1mV、オフセット2.5V、周期1sの矩形波としています。妥当な波形が出力にあらわれているのでこれで回路を構成することにします。

回路シミュレーションを利用するとおおまかな部品の選定や抵抗値、コンデンサ容量などのパラメータを実際の回路を制作する前に確認することができますので試作のかわりに強力なツールとして利用することをおすすめします。

製品として完成された脈拍センサーを使うと確実で簡単なのですが、ここではあえて学習用にフォトリフレクタという素子を使って電子工作を兼ねて心拍モニターを実現することにしています。

オペアンプ出力のVINを直接マイコンに入力として接続するので入力最大電圧がマイコン電源電圧を超えないようにオペアンプの電源をマイコン電源と共通のものにしています。（STM32では端子により５V入力が可能なものもありますが、すべてではありません。STM32F103RBの仕様書で確認してください。）

オペアンプにより増幅した脈拍センサ信号は電圧パルス信号としてPA8に入力します。心拍モニターとして入力パルスに同調したLED点灯するためにPB6を汎用プッシュプル出力に設定をします。

PA8は外部割り込み信号として使うために割り込み設定をします。割り込み入力はパルスの立ち上がり時を条件としています。

RTOSを使って役割毎にタスクに分類します。脈拍パルス間隔を計測するためのタスクprvTask_pulse（10ms毎に実行）、LED点灯用のタスクprvTask_led（100ms毎に実行） 、そして演算して得た心拍数をPCに送るタスクprvTask_monitor（1000ms毎に実行） です。

脈拍パルス数計測のタイムチャートです。PA8の割り込み入力パルス立ち上がりで割り込みが発生して割り込みハンドラEXTI9_5_IRQHandlerが呼び出されます。ここでフラグtriger_flag=1として、割り込みが発生したことを通知します。

10msごとに実行している 脈拍パルス間隔を計測するためのタスクprvTask_pulseがtrigger_flag=1で割り込み発生の通知を受けると 10msごとに加算カウント (10msクロックのカウント) した値（count_interval_cycle)を取得して心拍数(pulse_count)を演算します。演算処理後、割り込み通知用フラグtrigger_flagとカウント値count_interval_cycleをリセットします。 心拍数は割り込み入力の1分間における回数がわかればよく10msごとの クロックカウント値count_interval_cycle の場合は6000を count_interval_cycle で割ったものになります。

実際に構成した回路で脈拍センサー検知部のフォトリフレクタ-に指先をあてると脈拍を検知して信号がオペアンプで適度に増幅されている様子がわかります。シミュレーション結果と実際の回路による結果が同じようなものであることがわかります。

この心拍数計測のプログラムでは脈拍センサーによるアナログ信号をパルス入力として割り込みでカウントします。

脈拍パルスに同調したLED発光はprvTask_ledで行っています。実行頻度は100ms程度で十分です。

演算して得られた心拍数をシリアルUSART通信で心拍数をモニターするためのタスクがprvTask_monitorです。演算値を文字列に変換して1000msごとにPCモニターに表示させます。PC側のターミナルソフトで値が確認できます。

フォトリフレクタは指の押さえ方により敏感に反応してしまいますが安定するように押さえてやると妥当な心拍数が表示されていることがわかります。出力モニター用LEDは脈拍に同調して発光しています。

以上が 基本的な心拍数モニターのプログラム構成です。LEDの点滅をPWM出力の調光にしてみたり、シリアル通信をWiFiで実現してみたり、いろいろと組み合わせて発展していくとよいでしょう。

STM32マイコンの外部割り込みEXTIのアプリケーションです。押ボタンスイッチを割り込み入力として、出力LEDのON/OFFを切り替える応用例です。割り込み入力は敏感なので使用時にはチャタリング防止などの注意が必要です。

サンプルプログラム Exti.cでは押しボタンSW入力による割り込みが入るたびにフラグinterrupt_flag状態を切り替え、その状態に応じて出力LEDを点灯させたり、消灯させたりするプログラムです。

割り込みを使用するためのNVIC設定を行い、優先度や使用する割り込みチャネルを指定します。PC13からの入力による割り込みの場合はEXTI5_10_IRQn(EXTIライン[I5:10]割り込み)を割り込みチャネルに指定します。

割り込み入力は敏感で押しボタンSWではチャタリングが発生するので割り込み入力後の1000ms間は次の割り込みを受け付けないようにしています。プログラム無限ループのサイクルタイムをdelay_ms関数で1msとして1000msをカウントしています。

割り込みハンドル内で、発生した外部割り込みがEXTI_GetITStatus(EXTI_Line13)でピン13によるものであることの判別しています。

Systick割り込みをつかったLED点滅プログラムです。
Systickタイマで割り込みを1秒毎に発生させてLEDのON/OFFを切り替えています。

システムクロック72MHzを8分周したクロックをsystickタイマとして割り込みを発生させて処理させるプログラムです。

割り込みハンドラSysTick_Handler内ではトグルフラグを切り替えるだけのシンプルなプログラムです。メインプログラム内でトグルフラグの状態に応じて出力LEDを切り替えます。

「Project」- 「Properties」-「C/C++ General」-「Paths and Symbols」の順で「Source Location」タブを選択します。…\Sourceフォルダのパスを一時的に外してFreeRTOSを無効にしておきます。アプリプログラム内にFreeRTOS関連のヘッダファイルを含んでいなくても、このパスが通っているとどうもSysTickはFreeRTOSと干渉して動作しないようです。

あるいは、「Source」フォルダにあるFreeRTOSConfig.h内でシステム割り込みハンドラ名をFreeRTOS用(SVC_Handler/PendSV_Handler/SysTic_Handlerの3行）に書き替えているものをコメントアウトしてください。

システムクロックタイマの章でも割り込みが登場しましたが、この章ではSTM32マイコンで扱う割り込みを解説します。割り込みとは実行中のプログラムを一時中断して、特定の処理を行うことです。

割り込み機能はタイマをはじめ、ADコンバータ、UARTシリアル通信などのペリフェラルにもそれぞれ備わっていますので組み合わせて使用すれば、CPUの負担を減らし、効率のよいシステムを構築できます。

ここでは前章のながれでタイマに備わった割り込みの機能を使って解説していきます。

前章ではタイマを出力比較モードで入力クロックのカウント数をキャプチャコンペアレジスタ（CCR）で設定した値と比較してGPIO出力ポートを操作していました。ここではキャプチャコンペア割り込みを使った場合をみていきましょう。

割り込みを利用するためにはどのペリフェラルを使う場合も共通することですが、各ペリフェラルの設定の他に
① 割り込み初期化
② 割り込みの有効化
③ 処理内容を記述した割り込みハンドラ関数の作成
が必要です。

それではプログラムでの設定を解説していきましょう。

ペリフェラル（周辺機能）の割り込みはARMコアマイコンではNVIC（Nested Vectord Interrupt Contoller）が管理しています。NVICとはネスト型ベクタ割り込みコントローラのことで、ネスト型（多重）とは複数の割り込みが発生したときに優先順位の高いものから順次処理するタイプのことです。

ベクタは割り込みの要因を示す固有の番号のことで割り込みが発生した場合に割り込み要因に応じた処理項目を定めたベクタテーブルと呼ばれる対応表にまとめています。割り込みベクタによって、どのような割り込みが発生したかが分かるようになっています。

ARM Cortex-M3コアマイコンではNVICがペリフェラルの割り込みをすべて管理しているので割り込みの初期化はNVICの設定により行われます。NVICは各ペリフェラルで発生した割り込みをどの優先順位でどう処理するかの設定をする部分です。

NVICの設定はNVIC_Init関数で行います。指定するパラメータは構造体変数のメンバで4種類あります。

優先度は4ビット分の16通り(0 – 15)の割り当てができるのですが、STM32ではグループ優先度、サブ優先度の割り当ては組み合わせに指定があり、それぞれが0から15までの16通りで割り当てできるのではなく、グループ優先度とサブ優先度合わせて4ビット分つまり、16通りの割り当てをするようになっています。

この優先度の割り当て方法をNVIC_IRQChannelPreemptionPriority関数で指定します。

この関数で指定を行わない場合はNVIC_PriorityGroup_4を指定した時と同様、グループ優先度のみが有効となります。

割り込みの初期化でNVICを設定した後は、各ペリフェラルで割り込みを発生させてNVICに対してどんな割り込みが発生したかを通知するための設定を行います。タイマ割り込みの例ではTIM_ITConfig関数を使用します。

割り込みが発生すると対象の割り込みハンドラ関数が呼び出され、関数内の処理が実行されます。

ハンドラ関数名は決まった名称が定められておりこれもNVIC_IRQChannel一覧表に記載していますので参照してください。ここではTIM5_IRQHandler()関数を使用します。

TIM5の場合、割り込みが発生するたびに割込みハンドラ関数TIM5_IRQHandler()関数が呼び出されるのですが、割り込み内容は数種類あり、どの割り込みが発生したかはわかりません。

対象の割り込みが発生しているかどうかを割り込みステータスフラグをチェックしてから必要に応じて割り込み処理の実行に移ります。割り込み発生原因の確認にはTIM_GetITStatus関数を使用します。

上記例ではステータスフラグがRESETでないならばTIM5のCH4キャプチャコンペア割り込みが発生しているため、割り込み時の処理を実行する流れです。

割り込みステータスフラグは割り込み処理が完了したあとに自動的にはクリア（リセット）されません。そこで、次の割り込みに対応するためには強制的にクリアしておく必要があります。割り込みステータスフラグをクリアにするにはTIM_ClearITPendingBit関数を使用します。

割り込みステータスフラグクリア関数は割り込みハンドラが呼び出され、割り込み処理を実行する直前に実行してフラグをクリアしておくのが好ましいです。また、割り込みを有効化する直前にもリセットしておきましょう。

ここで割り込みを使用する準備が完了しましたのであとは割り込み時の処理を記述するだけです。通常、割り込みでは複雑な処理は実行させず、簡単な処理だけにしておくほうがよいです。割り込みである以上、ほかの処理を中断しているからです。

例えば、シリアル通信の受信があったときに割り込みを発生させる場合には割り込み処理で受信処理すべてを実行するのではなく、受信通知フラグ（受信時に1、それ以外では0）をたてるだけで、フラグの状態に応じて処理自体はメインプログラムで行うようにすれば割り込み処理の負担はなくなります。

これまでは汎用タイマTIM5で割り込み動作の例を紹介してきました。次に外部入力による割り込みを紹介します。

PD10の入力を割り込みとするアプリでは入力ポートPD10に信号がはいると通常処理が中断して割り込みハンドラEXTxxxx_IRQHandler()関数に処理が移ります。

割り込み発生時に実行したい処理はこの関数内に記述します。割り込みを使用したプログラムの流れは各周辺機能-さまざまな割り込みの項で説明したとおりです。各ペリフェラルの割り込む機能を使用するかわりに外部入力信号を割り込みのトリガにするところが異なるだけです。

下例では省略していますが、割り込み信号ピンに使用するGPIOにもクロックを供給し、ピンを入力に設定しておきます。(PD_10)

EXTIを使用する場合はAFIOクロックを供給しておく必要があります。

まず、GPIO_EXTILineConfig関数を実行して指定のGPIOポートをEXTIラインに接続します。関数の第1引数にはポートx（AからG）まで（GPIO_PortSourceGPIOx）を指定、第2引数にはピン番号y(0から15)まで(GPIO_PinSourcey)を指定します。

初期化はEXT_Init関数を実行します。関数の引数は構造体メンバになっていて以下に示す設定パラメータを含んでいます。

EXTI_Lineメンバでは割り込みに使用する入力ポートを指定します。EXTIラインは20本あり、ピンx（0-15）までの16本はピン番号に相当したEXTI_Linexを指定します。他の4本EXTIライン16-19はイベントラインによるウェイクアップを行う場合に使用します。

EXTI_ModeメンバではEXTIを割り込みモードで使用するかイベントモードで使用するかを指定します。

EXTI_Triggerメンバでは割り込み・イベントを発生させるラインエッジを指定します。

EXTI_LineCmdメンバではEXTIラインの有効・無効を指定します。

外部入力割り込みの場合は、構造体変数のメンバのNVIC_IRQChannel に ピン番号に応じたIRQチャネルを指定します。ピン10の場合はEXTI15_10_IRQnです。その他の設定は他の割り込みと同様です。

割り込みにより呼び出された関数(割り込みハンドラ)に処理したい内容を記述します。

呼び出されるハンドラは割り込みラインにより特定のハンドラが呼び出されます。割り込みNVIC_IRQChannel一覧表に記載したとおりです。

ピン0 から 4まではそれぞれに対する割り込みハンドラEXTI0_IRQHandler()からEXTI4_IRQHandler()が独立して呼び出されるのですが、ピン5から9まではEXTI9_5_IRQHandler()が、ピン10から15まではEXTI15_10_IRQHander()が呼び出されます。したがって、ピン5から15までの場合は呼び出された割り込みハンドラ内でどのピンからの割り込みなのかの識別のために、EXTI_GetITStatus(EXTI_Linex)ピン番号x(5-15）で確認する必要があります。

割り込みごとにフラグをクリアする必要がありますので、EXTI_ClearITPendingBit関数を使用します。

この関数の引数もEXTI_GetITStatus関数と同じです。

システムタイマはSysTickタイマと呼ばれARM Cortex-M3シリーズにCPUコアの一部として備えているシンプルなタイマです。次章で解説するペリフェラルの汎用タイマはとても高機能ですが反面、設定も多岐項目にわたるため、設定も多岐項目にわたるため、ちょっとした用途にはSysTickタイマを使うと便利です。

SysTickタイマはSTMマイコンのAHBクロックHCLKをカウントします。SysTickタイマはダウンカウンタで値を設定するとカウントダウンしていき、0に到達すると次のカウントで割り込みを発生しカウンタ値を設定値に戻すのを繰り返すタイマです。

SysTickタイマは設定した期間のサイクルで割り込みを発生させますのでちょっとした用途、例えばある処理を1秒ごと周期的に実行させるのにSysTickタイマを使うと簡単です。SysTickタイマの割込み機能を1秒ごと発生させてそのたびに割り込み処理を実行させるのです。例を示して解説します。

実際のプログラム内での設定を解説します。

72MHzのシステムクロックの場合はデフォルト設定値(SystemCoreClock)が72M(7200万)のため、そのままSystemCoreClockを設定値としてしまうと1秒間72M回のカウントを繰り返します。

実際問題としてSysTickタイマについているカウンタは24ビットなのでカウントできる上限は最大2²⁴の16,777,216でこの制限値を超えないように設定しなければいけません。STM32マイコンではシステムクロックをそのままの速度で使用するか、8分の1に分周したものを使用するか選択することができます。

システムクロックが72MHzの場合はカウンタ上限を超えていますので8分の1に分周したものを使用します。

SysTickタイマのカウンタ値を設定するにはSysTickConfig()関数を使用します。1秒サイクルの割込みを発生させるにはシステムクロックそのままの場合には関数の引数はカウンタ設定値SystemCoreClockとなりますが、8分周したクロックを使用する場合はSystemCoreClock/8とします。

プログラムでは実行例でSysTick_Config関数の戻り値（正常の場合は0、タイマのカウント上限を超えるなど不正なtickが与えられると1）をチェックして正常実行を確認してから次の処理に進んでいます。

システムクロック源を指定するのはSysTick_CLKSourceConfig()関数を使用します。

SysTickConfig()関数を実行したことで割り込みは有効となりました。SysTickクロックによる割り込みが発生した場合には専用割り込み処理関数SysTick_Handler()関数が実行されるように設定されています。

そこでこの関数にシステムタイマ割り込み時に実行させたい処理を記述しておけば割り込み発生時に希望の処理を行わせることができます。

この章では水晶振動子などの発振器で発生したクロック信号をもとにしてマイコンの動作周波数となるシステムクロックの作成の仕方、各ペリフェラルに供給するクロックの設定について解説します。

クロックとは組み込み技術の基本の章で説明しましたがマイコンのCPUを始めとし、すべての回路のタイミングとなるパルス信号のことです。組み込み機器でのクロック設定はマイコンの性能を発揮する動作速度を確保したうえで、できるだけ消費電力を押さえるために重要なものです。

STM32マイコンではクロック信号を供給するのに水晶振動子やセラミック振動子による外部の振動子による発振回路の他に、抵抗器RとコンデンサCで構成されるRC発振回路を内蔵しています。

内蔵発振回路を利用すれば外部に振動子を外付けしなくてもよいのでマイコンの周辺回路がシンプルになる利点がある一方、抵抗値やコンデンサ容量により周波数が決まるため製品ごとのばらつきや温度などの周辺環境により周波数が変動することも考えられます。

その点、水晶振動子など外部発振源は周波数が一定で正確です。UART通信など非同期で外部機器と接続する場合にはクロックが不安定であると通信速度が不安定となり通信障害が発生する可能性もあるため、クロックは正確であることが求められます。「マイコンの外部クロック」に詳細を記載しています。

クロック源を内部にするか外部から与えるかはアプリケーション用途にもよりますので最終的には設計者の判断で行います。

STMマイコンで利用できるクロック源は4種類あります。
ここでは外部発振源を使用したHSEクロックからシステムクロックを生成し、各ペリフェラルに供給するクロックを設定する方法を解説します。

STM32マイコンでも他のマイコンでも水晶振動子など外部発振源を使う場合に振動子の発振周波数そのままをシステムクロック（動作周波数）にするのではなく、数倍に高速化して使うことが多いです。

高速の動作周波数を実現するのに例えば200MHzのシステムクロックで動作させたいために200MHzの外部発振源を使用すれば簡単のようですが、周波数が高くなるほど消費電力が増え発熱したり、発振が不安定になったりします。

組み込み機器ではPCとは違って放熱性の悪い環境での使用に耐えなければならない場合も多いので発熱は致命的です。

STM32マイコンではクロックは上図のような構成になっていて設定したパラメータでシステムクロックやペリフェラルへのクロックが作成されます。

クロックの設定は一見複雑なのですが、この中で使用する箇所を限って使うことになるので一度仕組みを理解すると、ここで使用するペリフェラルライブラリ以外での設定や他のマイコンシステムでの設定でも容易に行えるようになります。

それでは外部発振HSEに8MHzの水晶振動子を使用した場合の例で解説していきます。システムクロックSYSCLKを72MHz,APB1ペリフェラルクロックPCLK1を18MHz, APB2ペリフェラルクロックPCLK2を72MHzのクロック設定手順は以下の通りです。

まずRCC_DeInit関数を実行してマイコンのクロックシステムをリセットします。

外部クロックHSEを有効化します。HSE有効化関数RCC_HSEConfigの引数はRCC_HSE_ONでHSE有効、RCC_HSE_OFFでHSE無効となります。

なお、参考までにRCC_HSE_Bypassという引数もありますが、これは水晶振動子やセラミック振動子を使わずにOSC_IN端子に外部クロックソースを入力し、HSEをバイパスするときに使用します。

外部振動子はコンデンサと組み合わせた発振回路ですので起動してからクロックが安定するまでわずかながら時間がかかります。安定するまで待機させるのにRCC_WaitForHSEStartUp関数を実行させて戻り値のHSEStartUpStatusを取得します。

PLL回路によるPLLCLKの設定をします。
PLLCLKはRCC_PLLConfig関数を実行させて作成します。

次に、HCLK、PCLK1、PCLK2の分周設定をします。

HCLKはSYSCLKをRCC_HCLKConfig関数で引数に分周比を指定実行して生成します

PLL_PLLConfig()関数でPLL回路の逓倍率を設定しましたがこのままではまだ、PLL回路は作動していません。PLL回路の作動開始にRCC_PLLCmd関数を使用します。引数がENABLEでPLL回路を作動させ、DISABLEで回路を停止させます。

PLL回路を作動設定しても正常に開始するには多少の時間かかるのでPLL回路の準備が完了したかを確認するRCC_GetFlagStatus関数を使用して、この関数の戻り値フラグがRESETからSETになれば準備完了を意味します。

プログラム内では戻り値フラグがRESETの間待機させています。RCC_GetFlagStatus関数はPLL回路以外のさまざまな状態の確認に用いることができます。

引数に指定するRCC_FLAGマクロでクロック設定に関するものを記します。設定例ではPLLの準備完了を確認しています。

その他、RCC_FLAG_PINRST、RCC_FLAG_PRTRST、RCC_FLAG_SFTRST、RCC_FLAG_IWDGRST、RCC_FLAG_WWDGRST、RCC_FLAG_LPWRSTなどがありますので必要に応じて使用します。

クロック設定の最後にPLLCLKをシステムクロックの動作周波数SYSCLKに指定します。これはRCC_SYSCLKConfig関数を実行して設定します。

最後にSYSCLKにPLLCLKが設定されているかどうかを確認するためにRCC_GetSYSCLKCource関数の戻り値を確認して設定したとおりものであったら完了としています。このプログラムではPLLCLKを設定したので戻り値が0x08になれば設定完了です。

これまでプログラムを例に設定を解説してきましたが、実際にはこの設定プログラムをそのまま使用し、パラメータ部分だけを変更すればよいとおもいます。設定の流れを理解してもらえばよいと思います。