田舎の組み込みプログラマーがわざわざ趣味でも色々開発してみようとあがく様を綴るブログです。
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hx711の仕様を読み解く ― 2018年11月30日
先日、hx711の動作にミステリーな点があると書きましたが、結論から言うと、思い込みよる勘違いでした。
今回はその辺りについて書いてみようと思います。
やっちゃだめなやつ
今回の失敗例は、４個のhx711から同時に重量値を読み出そうとして、１つのシリアルクロック(PD_SCK)で４個まとめて処理する方法です。
つまり、４個のhx711が全てreadyになったら読み出しをかけていたんですが、その結果がこちら。
readyになるタイミングがバラバラなだけでなく、数周期の間readyにならないやつまで出てくる始末です。
４個全てがreadyにならないと読み出しをかけられないため、しばらく待っていたんですが、他の３個はその間一定周期で短時間だけhighになっています。
ここでようやくhx711のアウトプットレート(10SPS or 80SPS)の意味に思い至ったわけです。
そもそも
実はこれまでA/D変換は逐次比較型しか使ったことがなくて、変換は任意のタイミングで出来るものだと思っていました。
hx711の場合、24bitということは多分ΔΣ型で、あらためて調べてみると、常時変換をしているタイプでワンショットやマルチプレックスには向かないとのことでした。
常時変換しているということは、読み出しをかけなくてもずっと動いているということなので、その辺をロジアナで確認してみました。
ご覧のように、それぞれ一定周期で一瞬だけhighになっています。
highになっている間はbusyなので、この時にA/D変換を行っているわけですね。
なので、busyになる直前に読み出しをかけると、読み出し中にA/D変換が行われてしまうことになり、その時のDOUT出力はおかしなことになってしまうわけです。
今使っている４個だけでもA/D変換周期の個体差が結構あるため、徐々に互いのタイミングがずれてきて問題が発生したというオチでした。
というわけで
hx711を複数使うシンプルな方法は、それぞれにそれぞれのシリアルクロックで読み出しをかけてやることですね。
まぁ、横着せずに最初からそうしておけば余計な苦労をせずに済んだのですが、趣味ですのでこういうのもありかなと思います。
なんとなく理解が深まった気もしますしね。
本題に進む前に
今まで使っていたモジュールは推奨回路と違っていたり出力周期が変えられなかったりと気になる点が多かったので、他のモジュールを取り寄せてみました。
右のモジュールはコンデンサの容量は分かりませんが部品構成は推奨通りで、出力周期も変えられます。
あと、コンパクトで裏面がベタなのもポイントが高いですね。
せっかくなので周期設定を80SPSにしてみました。
いよいよ本題
配線とソフトを変更して実行した結果がこちらです。
ソフトは大がかりな変更をしましたが、珍しく一発で動いてかなり感動しました。
そしてそのソフトがこちら。
メインループで直に処理していますが、今回はスマートに構造体風に処理してみました。
一回のループで１パルスだけ処理するようにし、次のhx711に切り替えるようになっています。
一見何の言語か分からないかもしれませんが、R8Cの構造化アセンブラです。
マクロ機能が便利なので調子に乗って使いまくってしまっているのが、正体不明な感じに拍車をかけていますね。
ifとか++があったりしてC言語風でありながら、アセンブラですので普通にニーモニックが使えますし、マイコンのフラグも記述できます。
R8C自体もビット処理が使いやすかったり、アドレスレジスタ以外にもSBとかFBが相対アドレッシングに使えたりと、アセンブラでプログラミングするのが楽しいマイコンですね。
もう一つの方法
今回はやっていませんが、複数のhx711を使用するもう一つの方法として、複数のhx711に同一の外部クロックを供給してやる方法があります(たぶん)。
個々の内臓オシレータで動作している状態ではタイミングが徐々にズレていくのは当然と言えば当然なわけで、ならば、同一の外部クロックで動作させれば(たぶん)同期がとれるはずなわけです。
その際、外部クロックは最大20Mhzまで使え、RATE端子がhighの場合は20MHz÷138240で約145SPS、lowの場合は20MHz÷1105920で約18SPSとなります。
つまり、外部クロックを使う事で変換周期も変更できるということですね。
あともう一つ
データシートに「セトリング時間」という項目があり、A/D変換４回分の時間になっています。
A/D変換の場合、ステップ信号入力に対してデジタル出力が対応した値に収束するまでの時間ということで、例えばロードセルに100gの重りがスパンと乗ったとして、デジタル出力値がその100g相当の値になるまでには４回のA/D変換が必要というわけです。
ということで、今回はhx711の仕様を少しばかり読み解いてみました。
ラジコン用のコーナーウエイトゲージ３回目 ― 2018年11月11日
訂正やら変更やら
先日、今使っているHX711モジュールはRATE端子がどこにもつながっていないと書きましたが、ICの下でちゃんとGNDに接続されていました。
なので、レートは10SPSになっているはずで、readyになるまでの時間が４個のHX711でバラバラになっている理由が分かりません。
そこで、別の用途のために買ってあった赤いヤツを繋いでみました。
あと、先日はPD_SCKの立ち下がりクロックで割り込みをかけていましたが、PD_SCKの立ち上がりに対してDOUTは最長でも0.1μsecで準備ができるとのことで、割り込みのオーバーヘッドよりもはるかに短時間のため、立ち上がりクロックでの割り込みに変更しました。
となると、無理にHIGH時間を短くする必要もなく、PD_SCKの配線を４個のHX711に引き回していることもありますので、HIGH時間も長めにしました。
で、きっと赤いヤツはきっちり10SPSなんだろうと期待して波形を見てみると・・・。
違ってました orz
しかも、この接続に変えるまではずっと１番が10SPSだったのに、この接続にしてからはずっと３番が10SPSだったりします。
(赤いヤツは４番）
ミステリーは放置して
次のステップに進みます。
HX711から読み込んだ値を観察していると、下位8bitは常時変動している感じです。
赤いヤツについては繋いだばかりの時は変動は7bitで、流石SparkFunだと思ったんですが、ICが温まってくると8bitになっちゃいました。
しかしまぁ、生データをいくら眺めていても何にもなりませんので、重量値に換算してみましょう。
最近仕事で２点校正をよく使っていたので、それで行ってみます。
この時のために、ちゃんと分銅も用意しましたよ。
で、100gと500gの分銅を乗せたときのデータを記録して、その値を元に換算します。
１番のロードセルだけ負の値を出しますが、そこはきっちり対処して負の値もちゃんと扱えるように作り込みます。
24bitは扱いづらいので符号拡張して32bitにし、平均を取る→２点校正で1mg単位で重量値に→ゼロ点補正→１００で割って0.1g単位に・・・といった手順でやってみます。
が、アセンブラではかなり大変そうなので・・・
苦しいときの神頼み
C言語の力を借ります。
C言語を使うのは久しぶりすぎて、こんな感じでいいのかどうか分かりませんが、一応ちゃんと動作しているようなので良しとします。
注意点は、整数演算なので有効桁確保のために掛け算を先にやること、その時32bitでは足りなくなるので64bitで演算することくらいでしょうか。
RAMモニタの数値は実際にラジコンを乗せて量ったもので、１行目の左から順に左フロント、左リア、右リア、右フロントとなっています。
HX711の計測値は今のところ加算平均５回で処理していますが、0.1g単位だとほとんどバラつきません。
精度については、多分ロードセルの温度特性なんでしょうけど、これまでのところゼロ点は最大5gくらいズレますし、ゲインは500gの重りで0.2gぐらいズレたりします。
値がバラつくことに関してはシールド線を使ったりコンデンサを入れたりで改善できそうな気もしますが、温度特性は頭の痛いところですね。
まぁ、自分用のコーナーウエイトゲージということを考えると、４個が同じ様にズレるのなら特に問題はないんですけどね。
といったところで、今回はここまで。
ラジコン用コーナーウエイトゲージ２回目 ― 2018年11月08日
続きです。
コーナーウエイトゲージということで当然秤は４つあるわけで、HX711も４つ使っています。
なので、ロジアナでまとめて観察してみたところ、気になることが・・・
１回目の読み出しは次のチャンネルとゲインを指定するためのものなので除外するとして、それ以降のREADYになるタイミングがバラバラです。
DOUT 1(１個目のHX711のDOUT)だけは95msec弱とほぼ10SPS相当なので、それ以外はダメということになりそうです。
もしかすると、使っているHX711をモジュール化した基板でRATE端子をどこにも接続していないのが問題なのかもしれません。
その辺の調査は後回しにするとして、次にデータを見てみます。
データも見事にバラバラですね。
ゲインを64に抑えてもいますので、先頭から12ビットくらいは揃って欲しかったんですが・・・。
特にDOUT 1がいきなりFFhから始まっているのは、配線ミスやロードセルの不良も疑ったんですが、データシートを見ると測定値は２の補数形式ということなので、単にマイナスの値になっているということのようです。
この辺も使っているモジュールが推奨回路通りになっていなくて、入力抵抗が片側にしか入っていないことも影響しているかもしれません。
なので、推奨回路通りになっていると思われるモジュールを発注済みです。
中国発送のようですので、到着までまだしばらくかかりそうですが。
もうひとつ気になっていたこと
それは、割り込み中のデータシフト処理にどのくらいの時間がかかっているかということです。
これもロジアナを使って確認してみました。
割り込み処理の入り口でポートビットをオンし、出口でオフしています。
クロックの立ち下がりで割り込みをかけるようにしていますが、割り込み処理に入るまでに1.96μsecかかっていますね。
そして、割り込み処理が5.556μsec。
次のクロックまでにはまだ若干の猶予がありますが、計測結果を別のマイコンに転送することになると思いますので、そうなると割り込み処理が増えるのでちょっと厳しいかもしれません。
そんなこんなで
一応、年内にはサーキットでコーナーウエイト調整の効果を確認してみたいとは思っているんですが、こんな感じでちまちまやっていますので、どうなることやら。
ラジコン用のコーナーウエイトゲージを作ろう ― 2018年11月07日
またもや随分更新をサボってしまいました。
忙しかったと言えばそれまでですが、やはり具体的なビジョンがなければ頓挫しやすいということだと思います。
ということですので
ラジコン用のコーナーウエイトゲージを作ってみることにしました。
元々電子工作を始めようと思ったのはラジコン用の何かを作りたいというのが一番の理由で、コーナーウエイトゲージもずっと以前から作りたいと思っていた物です。
ぐずぐずしているうちに市販品が出てしまったわけですが、ロードセルとかロードセル用ADコンバータとかが簡単に手に入るようになったので、今更ながらやってみます。
で、これが試作品。
ロードセルは2kg、ADコンバータは定番のHX711、マイコンはいつものようにR8C/32Mです。
20MHzで不足とは・・・
HX711の使い方はあちこちで解説されていますが、マイコンからパルスを送ると同期してデータが出てくるという、クロック同期シリアルインターフェイス的なやつですね。
「的な」と言っているのはちょっと独自仕様が入っているからで、おかげでマイコンのシリアル通信機能が使えないわけですが、今回のように４つの物を使うとなるとクロック同期シリアルが４つも使えるマイコンなんて見当たらないので結局は自力でなんとかするしかないわけですね。
具体的には、転送クロックをタイマー機能で生成し、立ち下がりで割り込みをかけてシフトするわけですが、クロックパルスの幅は標準1μsecとかなり高速です。
この速度だと、１周期は2μsecですので20MHzだと40サイクルしかなく、この時間で４つ分のデータのシフトは無理そうというか実際無理でした。
ゆっくりしていってみる
標準はあくまでも標準ですので、ゆっくりやれば別に問題はないわけです。
が、一つ注意が必要なのはパルスがHIGHになっている時間が60μsecを超えるとHX711がパワーダウンモードに入ってしまうということです。
で、通常は50μsecまでにしろとのことですので、そこは守らないといけないわけですね。
ということで、実際の波形がこちら。
クロック周期を10μsec、HIGH時間を0.5μsecにしてみました。
具体的には、タイマRC機能でTRCIOAに出力、TRCGRAで10μsec周期を作りつつパルスの立ち下げと割り込み処理を、TRCGRCで9.5μsecの時点でパルスを立ち上げています。
どうやら10μsecもあればHX711の４個分のシフト処理は間に合うようです。
あとはメインループでHX711のデータ出力を監視し、４個全部の出力がLOWになったらタイマRCをスタート、タイマRCは１回分の入力処理が終わったら停止するように作り込んでいます。
といったところで、今回はこの辺で。
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