hobbylab.jp 発電装置励磁器ハードウェア

名称	ﾒｰｶｰ名	PWM	A/D	ｸﾛｯｸ	処理	PG	単価
PIC16F1983	MICROCHIP	10bit	10bit	32M(I)	125ns	○	150
PIC16F877A	MICROCHIP	10bit	10bit	20M(O)	200ns	○	300
H8/3048F	ﾙﾈｻｽ	---	10bit	25M(O)	40ns~	○	1,000
R8C(R5F212)	ﾙﾈｻｽ	---	10bit	20M(O)	50ns~	○	500
MB91FV310A	富士通		10bit	40M(O)		○	付録
MCF52233	Freescale Semiconductor,	16bit	12bit	60M(O)		○	993
SH7144	ﾙﾈｻｽ	16bit	16bit	50M(O)	65MIPS	×	1,800
ARM7 STR710FZ2T6	STﾏｲｸﾛ	16bit	12bit	66M(O)	59MIPS	×	1,300
ATMEGA328P-AU	ATMEL	10bit	10bit	20M(O)	20MIPS	×	250

1MIPS=1 秒間に 100 万回の命令処理能力を示す。(32bit)
MICROCHIP PIC 系は 1 命令 4 ｽﾃｰﾄで約ｸﾛｯｸ 1/4 で処理(ジャンプ命令は除く)する事が出来るが、その分 H8 系よりｺﾏﾝﾄﾞが少ない。（処理 100(ns)で簡単な処理を 1000 万回の命令処理能力）
H8、R8C 系は 40ns×2～8(ｺﾏﾝﾄﾞにより違う)必要です。平均は 4～3.5 以上

2.回路図

各入出力端子を説明する。
(1) 出力された電圧を RA5 端子で A/D 変換(分解能 10bit)により検出します。
(2) U2 は LCD を接続するコネクターで、LCD の表示性能は 16 文字の２行表示です。
(3) S1,2 はロータリーエンコーダーで各種の設定をします。このつまみを右又は左に回すと S1,2の信号が時間的にずれて出力されることにより、回転方向を示します。
(4) S3 は各設定箇所を移動するボタンスイッチです。
(5) AVR の出力は RA4 端子から PWM 出力されます。
(6) J1 は PIC のプログラミングツール PICKIT3 を接続するコネクターです。

3.ＣＰＵ

(1)概要

16F1938 は左写真の様な 28 ピンの小さな IC チップだ
が、下記の様な特徴が有ります
① 最大 32MHz の内部クロックで動作可能。
② 16k×14bit のフラッシュプログラムメモリーを内蔵
③ 1024 バイトのデータ RAM 内蔵
④ 自動で内容保存（各ﾚｼﾞｽﾀｰ）の割り込み機能
⑤ 16 段のハードウエアースタック
⑥ わずか、51 個の命令でほとんどを１サイクル（125ns）で動作する。
⑦ 周辺機能の特徴としては下記機能を選択して使用出来る様になっている。
詳細はブロック図参照
又は『Microchip Technology inc の PIC16F193X データシートhttp://www.microchip.jp/docs/41364B_JP.pdf 』を参照下さい。

(2)ブロック図と今回使用する物
プログラムメモリーのアドレスは 14bit で、RAM のアドレスは７bit しかないただし、FSR を使用する事により、12ｂｉｔのアドレスが使用できる。
この7bitとの差 5bit については、バンク切り替えと言う考え方で、アクセス出来るようになっている。
バンクNo0～31 で(3)メモリーマップ参照
その他プログラムで使用する内部のインターフェースについては、プログラミングで説明する。
黄色枠は不使用

(3)メモリーマップ

(4)命令セット今回使用している CPU は PIC16F1938 で 51 の命令セットを持っている。

4.ＬＣＤ

　LCD は SC1602B を使用している。
　SUNLIKE 社で製作されているキャラクター液晶モジュールで16 文字(半角)×2 行の表示能力を持っている。
秋月電子通商では１個 700 円で販売されている。

(1)詳細仕様は

(2)LCD と PIC16F1938 の接続方法
LCD のピンアサインでも判るとおり、データは 8bit であるが、これだとコンピュータ側との信
号線に 11 本必要となるため、今回は処理時間も遅くて良いので、信号線を出きるだけ少なく
するため、LCD を 4bit モードで制御する事とした。このこの事により信号線は 7 本となる。4bit
モードとは、8ｂｉｔの上位と下位を分けて 4bit で情報を受渡することで、表のとおりとなる。なお
今回は使用していないが、ハード的には LCD の書込み完了フラグによる割り込みができる様
に、LCD の D7 を RB3 に接続している。
インターフェース表（上段が 16F1938 のピン番号、下段が LCD ピン）

　　　　　　　(3)で 4bit 接続でのイニシャライズと通常のアクセス方法を記載する。

(3)LCD の基本概略操作方法 (LCD 初期化、LCD データ表示)
LCD を使用する場合どんなモードで使用するかを最初に設定する初期化と、各モードでアクセス方法が異なるので、今回は 4bit モードで使用するので、この設定やアクセスの方法を下記に記載する。
a.初期化は次の手順で行う。
　① ８ｂｉｔモードに切り替え
　（一番最初に行うﾓｰﾄﾞのため、ﾃﾞｰﾀﾊﾞｽが 4bit で設定ができる様になっている）
　② 4bit モードに切り替え（今回はﾃﾞｰﾀﾊﾞｽが 4bit のため）
　③ 2 行表示モードにする
　④ ﾃﾞｨｽﾌﾟﾚｰ、ｶｰｿﾙ、ﾌﾞﾘﾝｸなど表示関係の設定
　⑤ ﾃﾞｨｽﾌﾟﾚｲのｸﾘｱ
各間には、指定の時間が必要で詳細はプログラムを参照下さい。

b.コマンド・データの 8bit 信号を 4bit ﾓｰﾄﾞで転送する方法
8bit を 2 回（4bit）に分けｺﾏﾝﾄﾞ又はﾃﾞｰﾀを送ります。
手順は下記による
　① RS = H （データは H、コマンドの時は L）
　② E = L
　③ R/W = L
　④ DB7～4 の書込み
　⑤ E = H
　⑥ 220(ns)待ち
　⑦ E = L
　⑧ DB3～0 の書込み
　⑨ E = H
　⑩ 220(ns)待ち
　⑪ E = L
　※ここのプルグラム中に、頻繁に NOP（何もしない）が入っているが、同じポートに対し、
NOP を入れずに、連続して出力させた場合エラーがでた。詳細は『Ⅴ．その他 3.注意事
項：プログラムミング時のエラー』を参照このため、対策として NOP を入れた。

5.ロータリーエンコーダー

商品分類はエンコーダで、メーカーは Bourns
型式 PEC11L4125KN0020
定格 5(V)で 10(mA)
選定には、抵抗式は接触不良による値の変化があるため、エンコーダ型にして、その中でコストが安い（チップワンストップ@160 円）物を選びました。

仕様は

6.ＦＥＴ

本装置の出力を増幅し、発電機の電機子へ接続する物で、接続する発電機の簡単な特性試験を実施後、仕様を決定する。
ここでは、FETの動作原理を説明する。

MOSFETについて
MOSFETにはPMOS,NMOSと言う２種類の特性を持つ素子が有る。
簡単に説明する。
概観からは、ソース(S),ドレイン(D),ゲート(G)と言う名称で、３端子が多い。
内部構造では、半導体には、N,Pの２種類あり、NMOSは (G)がP材の基板に絶縁物を挟み接続されており、その両脇に(S)と(D)が有り、(S)および(D)の端子は半導体Nで構成されているので、NMOSと言われている。
PMOSは(G)がNの材質で基板になっており、NMOSと反対の半導体で構成されている。
判り難いと思うので、簡単な構造図と記号および使用方法を下記に示す。

NMOS		PMOS
構造図	(G)-(S)間の(G)に＋電圧を加えると(D)から(S)に向かって電流が流れます。注意：FETの記号中のダイオードは基板のボディに接続する端子(B)で、P基板で有れば、その端子はP素子で(S)に接続される。これを記号として記載した素子内部の寄生ダイオードの向きであり、実際に流れる（(D)→(S)へ向かう）電流と逆であるが間違いではないので注意下さい。	構造図	(G)-(S)間の(G)に－電圧を加えると(S)から(D)に向かって電流が流れます。注意：FETの記号中のダイオードは基板のボディに接続する端子(B)で、P基板で有れば、その端子はP素子で(S)に接続される。これを記号として記載した素子内部の寄生ダイオードの向きであり、実際に流れる（(S)→(D)へ向かう）電流と逆であるが間違いではないので注意下さい。

　FETはトランジスターと違いゲートの電界によりドレーン、ソース間の電流を制御します。
　また、トランジスターと違いゲートからその他の端子には、電流が流れません。
　つまり、高増幅率、低雑音となります。
　使われ方とすれば、高周波アンプに使用されていましたが、ここ２０年ぐら前からは、高耐圧、高電流のFETが製作される様になってスイッチの用途にも使用される様になりました。
　FETの選定は、『Ⅵ．発電試験装置の製作と試験　3.回転子へ励磁電流を供給する方法の検討と支障対応』を参照下さい。