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。

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。

プログラム内部の演算結果データや、分岐場所など特定するのに便利なモニターデバッグ用シリアルモニターアプリを紹介します。

割り込みを使用した文字列送信（バッファ付き）をベースにしており、サンプルプログラムではシリアル通信USART3をシリアルモニター用に設定し、送信関数USART3_Send_Stringを定義しています。

サンプルプログラムでは定義したUSART3のシリアル送信をつかってプログラム内の数値や文字列を送信するものです。具体的には2種類の数値data1とdata2を文字列数字String_data1とString_dataに変換して配列に格納したメッセージの文字列と1000ms毎に交互で表示させることをしています。

シリアルモニターを使用するための構成は組み込みマイコン技術入門編の「組み込み開発設計」の組み込みプログラムデバッグで解説しています。

このアプリの使い方は簡単で、実際のアプリケーション内にこのサンプルプログラムで設定しているUSART3部分および割り込み送信関連を転用して、活用してください。

数値-文字列変換にはtsprintf関数を使用していますので、tsprintf.cとそのヘッダファイルtsprintf.hはソースファイルと同じ場所にコピーしておいてください。

関数の第1引数は文字列を格納する配列変数のポインタ（先頭アドレス）を指定し、第2引数は数字の表示するタイプを指定になっていて以下に示します。

最後の第３引数には変換したい数値データを指定します。

DMA転送による文字列の送受信プログラムです。

複数の異なる文字列を連続して送受信する場合には、文字列は固定長である方が安定しています。また、送信では文字列格納バッファ付きで送信文字が重ならないようにします。

単独文字列の送受信ではバッファもいらず、文字は固定でなくてもよいです。 送受信ともに転送完了後は割り込みで処理を行っています。

文字列が長い場合や転送回数が多い場合はDMAが有利です。

ポインタを使用した文字列送信では一種類の文字は送信できましたが、複数の文字列を送信すると干渉して送ることができません。

そこで、送信する文字列ごとバッファに格納しながら送信することで各文字列は干渉しないで送信できるようになります。

ポインタを配列にすることで文字列ごとに対応したそれぞれのポインタを配列に指定しています。参考プログラムでは配列数を8としているので8種類の文字列まで対応しています。

PCへの文字列を割り込みを使って送信するプログラムです。1種類の文字列を送信する場合にのみ有効です。つづけて別の文字列を送信する場合は次に解説するバッファ付きでなければなりません。

文字列送信を割り込みを使って行う場合に最もシンプルなポインタを使用したものを紹介します。

これはあらかじめ登録した1種類の文字列を送信するものです。
文字列を送信する関数を500msごとに無限ループ内で繰り返し実行させています。

割り込みを使用していると送信のたびに送信レジスタが空になり送信準備ができるまでプログラム実行中に待機することなく、必要なときだけ割り込みハンドラが呼び出され送信が処理されます。

PCからの文字列を割り込みで受信するプログラムです。

これまではポーリング処理といって、定期的に受信が発生したかどうかをチェックしていました。

マイコンにとってPCからの文字列受信はいつ発生するかはわかりません。この不定期に発生する受信のためにポーリング処理を行うのは効率がいいとはいえません。そこで、受信があったときだけ処理をする受信割り込みを使います。

プログラムの文字列処理など基本的なところはポーリング方式のものと同じです。
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。USART3よる割り込みの場合はUSART3_IRQnに指定します。

ポーリング方式ではmain関数内に記述していた、受信コードと登録コードの判別は割り込みベクタ内に記述していますので、割り込みがあったときだけ処理されます。

前回は1文字の送受信を行いましたが、実際の通信では2文字以上の文字列を扱います。USARTシリアル通信では送受信自体のコマンドは1文字(8ビット)単位ですので文字列を配列やポインタを使用して１文字ずつ送受信します。

今回は、文字列をポインタを使用して変数に格納して送受信するプログラムです。

PCで文字列を入力して終端文字'@'までの文字列をポインタを利用して配列RxString[]に格納します。

入力した文字列があらかじめ登録した文字コード"ABC"との一致を判別するプログラムです。

このプログラムは割り込みを使用していないため、送受信をしているときに待ち時間が発生しており、実用的とはいえないのですが、文字列送受信の基本がつまったプログラムです。

手始めに1文字（1バイト）のシリアル送受信を行うプログラムから始めましょう。

ｍain関数にdelay_ms(100)を挿入して100msのサイクル無限ループとします。

文字が入力されたかどうかはUSART_GetFlagStatus関数のフラグUSART_FLAG_RXNEを100ms毎にポーリングしてチェックしています。

受信があった場合にUSART_ReceiveData関数で１文字を変数RxDataに格納します。

変数RxDataに格納された文字はUSART_SendData関数で送信します。エコーバックと呼ばれる通信です。次に文字を受信するまで同じ文字をサイクル毎(100ms)に表示し続けます。