ESP8266 で 1MHz 50%duty を出力する

ESP8266 で １MHz ５０%duty を出力する 命題を聞いて試してみました。                  2016.02.19

ESP8266 から １MHzを出力するには 速度的に Direct Access Port 方式が必要です。
波形の確認は、Analog Discovery で測定しました。

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結論：１MHz の目標に対し １.０００MHz を達成。
＿　　スペクトラムによるセンター周波数は １.０００MHz。
＿　　精度は ２５KHz。
＿　　Duty比は ５０.０%。(小数点２桁目はジッターの為 省略)

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スケッチ：

＿　PIN_13(GPIO13)の出力の後に PIN_13 と NOP の遅延を入れ時間を調整しました。
＿　最小単位の命令は、 nop命令で「 __asm__ __volatile__ (“nop”); 」を使用。
＿　「 __asm__(“nop\n\t”); 」でも使用可能でした。：7of9 さんのアドバイスに感謝。
＿　この NOP命令は、１マシンサイクルで 1/80000000 second = 12.5 nsec です。
＿　12.5nsec は 50% duty で 25KHz。25KHz単位で変化させる事ができる訳です。
＿　つまり 最小時間の NOP 命令で精度が 25KHz と言うことですね。
＿　スケッチの for文は ちょっとダサイ感じがしますがお許しください。

＿　課題：for(;;){}、while(1);{} の無限ループは 一瞬途絶えます。
＿　　この時 GPIO0とGPIO2が一瞬 “0” になり同時にGPIO13の信号が途絶えます。
＿　修正：2016.02.20 ：void setup に noInterrups(); を追加：
＿　　これにより for( int ,,, による、信号が一瞬途絶える不具合はなくなりました。
＿　　この件は 再び 7of9 さんのアドバイスによるもので 大変感謝致します。

#define PIN_OUT *(volatile uint32_t *)0x60000300
#define PIN_DIR *(volatile uint32_t *)0x6000030C
#define PIN_13  *(volatile uint32_t *)0x6000035C

void setup() {
  noInterrupts();
  PIN_OUT = (1<<13);
  PIN_DIR = (1<<13);
}

void loop() {
 for( int i=0; i<100000; i++){
    PIN_13 = 0;PIN_13 = 0;PIN_13 = 0;PIN_13 = 0;PIN_13 = 0;
    __asm__ __volatile__ ("nop");
    __asm__ __volatile__ ("nop");
    __asm__ __volatile__ ("nop");
    __asm__ __volatile__ ("nop");
    __asm__ __volatile__ ("nop"); 
    __asm__ __volatile__ ("nop");
    __asm__ __volatile__ ("nop");
    __asm__ __volatile__ ("nop");
    __asm__ __volatile__ ("nop");
    __asm__ __volatile__ ("nop");

    PIN_13 = 1;PIN_13 = 1;PIN_13 = 1;PIN_13 = 1;PIN_13 = 1;
    __asm__ __volatile__ ("nop");
    __asm__ __volatile__ ("nop");
    __asm__ __volatile__ ("nop");
    __asm__ __volatile__ ("nop");
    __asm__ __volatile__ ("nop");
    __asm__ __volatile__ ("nop");
 }
}

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参考：
ESP8266 Community Forum：DURATION NOP INSTRUCTION：NOPの記述方法。
collector {dt.:Sammler}：ESP8266 GPIO output performance：波形付きの詳細な内容
Arduino.CC：AVR Code：NOPの記述方法。__asm__(“nop\n\t”);
Let’s Make Robots：Arduino 101: Timers and Interrupts：noInterrupts();
sandeepmistry：esp8266_peri.h：Arduino環境の為のESP8266の中心部。Regの定義。
ESP8266 Community Forum：esp8266_peri.h：Registorの定義。追記：2016.07.11
alfredo / AgroSis：esp8266_peri.h：Registorの定義。追記：2016.07.11

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感想：
＿　アセンブラー：「__asm__ __volatile__ (“nop”); 」というアセンブラーがスケッチで
＿　　使えるとは勉強になりました。
＿　課題：信号が途絶える問題：for(;;){処理}、while(1);{処理} で起きる。
＿　　この件は、奥が深そうなので宿題として残しておきましょう。

＿　　他の信号：この時、何かの原因で GPIO0 と GPIO2 が一瞬 “0” になります。
＿　　　これにより違うモードになり再度 スケッチが動作するように見受けられます。
＿　　　青はGPIO0。GPIO2は表示していませんが同じ波形がでます。

追記及び修正：7of9 さんから 素晴らしいアドバイスを頂きました。
＿　noInterrupts();　の件は 驚きましたね。ありがとうございました。

信号発生器：今回は １MHz の方形波を出力するものですが、超低周波から 3.3MHz
＿　位までの信号をスケッチだけで出来る事が解りました。
＿　そうなると、凄い物が作れる可能性を秘めていますね。

 

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Analog Discovery ：本題ではありませんが、Analog Discoveryのお話。、、本題より長い
電子工作では オシロスコープがあると回路動作を詳細に確認する事が出来ます。
信号を見る事は ありがちな「動作しない」「不安定」「ハマる」が少なくなり
確実に早く作る道具になります。理論と現実が一致すると楽しくなりますね。
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性能は100MHz位が理想ですが価格が高いですから早々には買えないのが実状。
希望の性能と価格からいくとRIGOLに落ち着いて行きます。
以下の記事は納得できる判断になる訳です。
Rabibit Note：コスパ抜群のオシロスコープ Rigol DS1054Z の薦め：５万円。
使用した事のある、200MHzのオシロよりは劣りますがね。
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一方、Analog Discovery というマック(ウィンも)にUSB接続して画面で観測できる
アナログ回路万能測定ツールがあります。デジタルも可能です。
帯域は5MHz。これは希望の100MHzとかけ離れる数値でかなり躊躇します。そう、かなりです。
「現実は見るに限る」で、使用している友人のものを見せていただきました。
それも何回かです。結果、Analog Discovery にしました。価格は３万６千円です。
ここ価格帯でのオシロは性能的に買わない範疇になります。
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購入した結果、Analog Discovery が良かったです。ネットの記事も参考にしてください。
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使用感：
コンピュター上で使えるので場所を取らない。オシロだと置き場所が必要です。
波形等の記録が直ぐ取れ、画面の大きさはデイスプレーのサイズまで大きく出来る。
27インチを使用していますが横いっぱいにするとデーターロガーみたいになります。凄い！
この点はオシロではできない機能。オシロは寂しい画面になると思います。
マウスでいろいろな設定ができる。オシロは操作したりコンピュターを見たり煩雑です。
DigilentのWaveformというソフトを使用し、この機能が凄いです。
Scope,Waveform,Supplies,Meter,Logic,patterns,StaticsIO,NetWork,Spectrum,Scriptが出来るのです。
Spectrumができる。今回の記事でSpectrumを使用し周波数の安定度が把握できました。
重要な機能に信号発生器があります。これは何か信号を必要とする場面でとても役に立ちます。
今回の記事で信号を発生させプローブできちんと受かるかの準備をしてから始めました。
仮想の装置を作れる訳で、いろいろなSGとか買う必要がなくなります。デジタルもできます。
結果、RIGOL等のオシロより凄い事が解り便利にしています。
使いこなせば使いこなすほど高性能の機能が出てきますね。
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購入のきっかけになった秋葉原にいる友人のブログが参考になればよいかと思います。
この方は、アプリを良く使いこなしている事と、この装置を作った DIGILENT より
凄い周辺装置を作られています。最近 接続に重要なUSB ISOLATOR を製作,販売をしています。
アナログ回路のおもちゃ箱
http://designideas.cocolog-nifty.com

秋月電子通商：ANALOG DISCOVERY：36000円。ANALOG DISCOVERY 2：36800円
ストロベリー・リナックス：ANALOG DISCOVERY：36000円
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Analog Discovery は iMac 27 inch Mountain Lion+VMWare+Windows で使用。
Analog Discovery 2 ：新しく購入する場合はこれですね。、、、欲しい。
WaveForms2015(digilent.waveforms_v3.1.5) のアプリの機能が向上しました。
このアプリで初期のAnalog Discoveryも動きます。条件としてマックの場合
Marverics,Yosemite,EI Captain 英語版OSでのみ動作します。
ウインの場合は以前と同じ環境で動くとネットでは報告があります。
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アカデミー版だと安く買える、、米国に友人とか、、どなたかかいないでしょうか？
値段を聞いて秋月で買うのを躊躇しました。

 

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