３． ＥＪＡＮ赤道儀制御システムの設計
ＥＪＡＮ赤道儀制御システムは、主にアマチュアが望遠鏡を自作したり、死蔵化している望遠鏡の再生を行う場合に使用されることを前提に設計されました。
また、比較的小型の赤道儀の自作をサポートし、モータ及びギアなど諸問題を解決してポータブル赤道機の開発を行って、ユーザに頒布又は販売の形態をとれるようなシステムとしたいと考えます。
このため、あくまでもエンドユーサーはアマチュア天文家ということを主眼にして、システム設計にあたり次の３項目の内容について特に考慮しました。
１．可能な限り商用又はフリーのハードを使用しコストを下げる
２．システムはできる限り低価格で、パフォーマンス維持する
３．システムコントロールアプリはフリーソフトを採用する
以下にこれら１～３の各項目について考察した内容について詳述していこうと思います。
３．１ 商用又はフリーのハードを使用し開発コストを下げる
これは、システムの導入コストを抑えることが主な理由です。システムコストは我が国では人的な費用とハード作成費用が非常に高いために、初期的な設計と製造にかかる費用や時間がシステム全体のコストを押し上げる結果となっているためです。
また将来的なメンテナンスを考えた場合に、特定なハードウエアを製作してしまうと、マイクロコントローラ （ＭＣ）等の商品サイクルの問題により、部品調達ができなくなりハード寿命が短くなり、メンテナンスも容易ではなくなる可能性が高いからです。
既存のハードの中でできる限り汎用的でアマチュアが使いやすいモジュール化されたボートを採用することの意味は大きいと考えます。
もちろん、将来的なメンテナンスの意味からは市販ボードと同様にあまりメリットはないかもしれないのですが、アマチュア利用者の多いハードはそれ以上に開発上のメリットも多いものです。
その様なわけで、メインボードについてはマイクロコントローラ（ＭＣ）が高速で、システム開発がフリーの環境で行えることと、現時点で多くのユーザをもつものを採用し、少なくともハード回路としては純正または互換ボードを使用することとしました。そのため、以下のようなボードを採用候補としてピックアップしてみました。
メインボード ： Ａｒｄｕｉｎｏ ＵＮＯ仕様のボード MC ATmega328
Ａｒｄｕｉｎｏ ｍｅｇａ仕様のボード MC ATmega64, Atmega128
ＬＰＣｃａｐｐｕｃｃｉｎｏ ボード NXP ARM Cortex-M0
モータコントローラ ： 市販のコントローラ、ドライバボード
ステッピングモータ ： バイポーラ型 ２００，４００基本ステップ
今回メインコントローラに選択したＡｒｄｕｉｎｏは”アルドゥイノ又はアルドゥイーノ”と呼ばれているフリーな仕様のボードです。メインボード選択は、主にサポートする機能とＩ／Ｏ制御ピンの数で概ね決まりますが、モータのコントローラボードに関しては様々な選択肢があります。大まかにいえば、単体にするか複数コントローラの載ったボードを採用するかになる訳です。
より細かにいえば、ドライブ能力や結線の容易さということも重要な要素ではあります。
いずれにせよ、システム構築の基本はメインボードのプログラム作成ということに集約されてしまうし、完成以後のサポートに関しても全く同様ですからメインボードの選択は非常に重要です。
＜システム開発用ボードの選択条件＞
◆全世界でボードが使われ、ハードがこなれており、かつプロジェクトが生きている
ハードがこなれているということは、バグのないボードいうことで安定したボードということになりますが、その開発そのものが止まってしまているものはシステム寿命が短くなってしまいます。つまり、メンテナンスも容易でないことになります。
◆ハード回路図が公開され、回路そのものもフリーで最悪の場合自らがボードをおこせる
ソフトウエアだけでなくハード回路が公開されているものは、開発時に大きなメリットがあります。
◆マイクロプロセッサの処理性能が高いだけでなく、価格も比較的安い
マイクロプロコントローラＭＣＵの優位点は、使用された数だけでなく、応用される機器の多様さに起因するものです。つまり、ＭＣＵの機能は様々なＩ／Ｏ機器の処理を内蔵することで更に性能向上と価格低下を行ってきました。
マイクロプロセッサの性能は、すなわちボード性能を表します。これは、諸機能が集約された昨今のマイクロプロセッサでは顕著な傾向になっています。インテルのＣＰＵを見るまでも無く、プロセッサの価格はシステムボードには大きなウエイトがかかっています。
◆上位機種がそろい、更に小型ボードがあり、同じファームで様々なシステムができる
マイクロプロコントローラの機能向上は同時にボードの小型化を促しました。パソコン用のＣＰＵは処理速度そのものを向上するように意図されて開発がすすめられましたが、周辺機器の制御は余り考慮されていません。
逆にマイクロプロコントローラＭＣＵはＩ／Ｏ処理を有効にこなせるような設計になっています。当然のことながら、Ｉ／Ｏ処理を除いた論理・計算処理はマイクロプロセッサＣＰＵの方が圧倒的に高速なこと認めますが、Ｉ／Ｏ処理を含めた総合性能においては何とも言えません。マイクロプロセッサ性能におけるボトルネックは常にこのＩ／Ｏ処理だからです。
◆携帯端末との通信を考え、Ａｎｄｒｏｉｄなどとの通信が行いやすい
携帯端末の心臓部は全てマイクロプロコントローラＭＣＵが使われています。それは、非常に小型の携帯端末等においては様々なＩ／Ｏ処理が行なえるだけでなく、電源投入と同時に稼働することができるようなシステムでなくてはならないからです。この特長は機器に組み込まれたプログラム（ファームウエアと呼ばれる）に特有なものですが、マイクロプロセッサにはこのような処理が不可能なのです。
小型なこととシステムの独立性はマイクロプロコントローラには当然のように求められているとがらです。
将来には携帯端末は非常に重要な上位制御機器と位置付けられます。というのも、携帯端末はシステム的にはネット通信と電話に特化したパソコンと同じものだからです。それは、処理の中核を成すＯＳを見ても分かることです。
携帯端末のシステムソフトＯＳは、Ａｎｄｒｏｉｄ呼ばれるものやｉＯＳと呼ばれるもので占められています。これらのＯＳは元をただせば組み込み可能なパソコン用ＯＳをベースに作成されたものなのです。共にＵＮＩＸ系のＯＳで応用機器に組み込まれるように特化したものです。つまり、機器の形態は全く異なりますが、システム内部的にはパソコンと全く変わりがないわけです。
従って、将来的にはパソコンで動作している全てのシステムが携帯でも動作する日が来るといっても過言ではありません。天体望遠鏡の制御ソフトに関していえば、星図ソフトを携帯端末に入れて使用すれば、携帯そのものがハンドコントローラとして機能することになりますから、本当に便利ですね。
３．２ システムはできる限り低価格で、パフォーマンス維持
３．２．１ メイン制御ボートについて
＜Ａｒｄｕｉｎｏ ＵＮＯ仕様 ： Ａｔｍｅｇａ３２８仕様の概要＞
図 Ａｒｄｕｉｎｏ ＵＮＯ仕様 ： Ａｔｍｅｇａ３２８
■８ビット マイクロコントローラ ＡＴｍｅｇａ３２８
■作動電圧 5V
■入力電圧（推薦される） 7-12V
■入力電圧（制限） 6-20V
■デジタルI/Oピン14（6がPWM出力を提供する）
■アナログ入力ピン 16
■最大 動作周波数 ：２０ＭＨｚ（実動作は１６ＭＨｚで行う）
■プログラム ＦＬＡＳＨ：３２ＫＢ
■内蔵ＳＲＡＭ ：２ＫＢ
■ＥＥＰＲＯＭ ：１ＫＢ
■ ８ビット タイマーカウンタ×２， １６ビット タイマーカウンタ×１
■ＵＳＢポート
■外部電源回路
このボードはＡｒｄｕｉｎｏの純正ともいえるボードです。このボードの特徴は電源投入と 同時にＡｒｄｕｉｎｏの開発ができることです。ただし、ソケットを含む全ての部品がハンダ付けされた完成品として提供されますから、Ｉ／Ｏ 等の信号処理は基板上のソケットを介して行なうことになります。
昨今では、プログラム書き込み可能で比較的安価なチップが数多く存在しています。現状では８ビットのマイクロコントローラが機能的にも十分なものがあるのでそれを採用します。将来的には１６ビットやそれ以上のものになるにしても上位互換であって、開発したシステムを移行しやすいということがメイン制御ボードの採用条件です。
８ビットのマイクロコントローラの機能を最大限発揮するようなファームウエアを設計し、マイクロコントローラ内にあるＲＯＭに書きむことでメイン制御ボートを作成すれば、将来にわたって処理性能で苦労することはないでしょう。
今回メイン制御ボートとして採用するものは、Ａｒｄｕｉｎｏ ＵＮＯとＭｅｇａ仕様の各種ボードです。これらのボードは、ハードの回路図はもちろん開発用のシステム環境もフリーです。
現時点では日本のアマチュアにはＰＩＣが馴染み深いのですが、Ａｒｄｕｉｎｏボードを選択した理由は、全世界的に多くのユーザに使われているこなれた市販のシステムボードを使うことが第一条件となっているからです。
今回のシステムは市販のボードを使うことが第一条件ですから、Ａｎｄｒｏｉｄ ＵＮＯをメインボードに採用しますが、拡張を考えると機能要求的にはＭｅｇａ又はＬＰＣｃａｐｐｕｃｃｉｎｏボード等が選択肢に入るかもしれません。しかし、このＬＰＣｃａｐｐｕｃｃｉｎｏボードは上記の選択条件を概ね満たしているのですが、Ａｎｄｒｏｉｄとは全く互換がありませんし、各種ライブラリ等にも互換がありませんのでこのプロジェクトに採用することはできません。
それでも、ＬＰＣｃａｐｐｕｃｃｉｎｏｋの開発環境は十分に整備されていており、メモリサイズ（１２８Ｋｂ）や制御ピンの数、システムクロックのスピード（４８ＭＨｚで駆動）やタイマカウンタ数などのハード的な全ての性能面でＡｒｄｕｉｎｏボードに優っていますから、上位システムを構築する上での選択肢とはなりえると思います。
また、価格は２倍位になるのですがＡｒｄｕｉｎｏ Ｍｅｇａ仕様のボードを使用すれば基板サイズそのものは若干大きくなとはいえ、ＲＯＭ容量やＩ／Ｏ制御ピンの数も増加してより大きなシステムの構築が可能になります。
このＭＥＧＡボードは当然のことながら、Ａｒｄｕｉｎｏ ｕｎｏのファームウエアと同じものが稼働し、ハード形態が異なることを除けばシステムとしては全く同じものになることが保証されており、加えてプログラム領域が拡大していることが大きな特徴です。また、周辺Ｉ／Ｏポートの数についてもＡｒｄｕｉｎｏ ＵＮＯよりも増えており、割り込みの数も同様に増えているので開発における制約はかなり改善されました。ただ、両ボード間のソース移植で１つ注意しておきたいことは、同じファームが稼働するといっても、プログラムのロジック部分を除いたＩ／Ｏ処理に関する記述に関してはプログラム修正が若干なりとも必要なことは言うまでもありません。
さらに開発環境もフリーで、各種ライブラリやサンプルプログラムも多いので、市販のボードを使用したシステム開発で問題になるＩ／Ｏ割り込み処理やタイマー処理などのプログラム開発も比較的容易にできます。
更に、使用されているマイクロコントローラは、Ａｔｍｅｌ社のＡＴｍｅｇａ３２８及びその上位チップです。このＡＴｍｅｇａ３２８チップは１６ＭＨｚで動作するのですが、個々の命令のほとんどは１クロックサイクルで処理されるので処理性能は概ね１６Ｍｉｐｓ（ミップス）であることになり、８ビットとしては非常に高速な処理が可能です。
アマチュアの間でよく使われたマイクロコントローラは、８ビットではＰＩＣと思われますが、このチップは１命令処理に要するクロック数がＡｔｍｅｌチップの２～６倍になっています。このため、Ａｔｍｅｌチップは１６ビットＰＩＣの同クロックのものよりも処理能力があることになるでしょう。
＜ 電源 ＞
Ａｒｄｕｉｎｏ ＵｎｏはＵＳＢ端子からの電源か、外部からの電源で駆動されます。電源ソースは接続されたデバイスの状況に応じて自動選択されます。
ＵＳＢからでない外部電源については、ＡＣ／ＤＣアダプタやバッテリのいずれでも良いことになっています。ただし、アダプタはセンター径が２．１ｍｍで、中心極がプラスになっているプラグによって接続します。バッテリからの電源は、ＧＮＤとＶｉｎピンで接続します。
Ｕｎｏボードは６～２０Ｖの外部電源で稼働することができます。しかしながら、７Ｖ未満の電源が供給された場合は、５Ｖを出力するはずのピンが５Ｖ未満を供給して動作が不安定になることがあるかもしれません。また、１２Ｖ以上の電源を使用するとレギュレータが過熱し、場合によっては基板を損使用することがあるかも知れません。
＜ピンマッピング＞
Ｕｎｏにある１４本のデジタルピンは、pinMode(),digitalWrite()及びdigitalRead()等の関数を使用することで入出力を行うことができます。各ピンは２０ｍＡが推奨値としてに入出力を行うだけでなく、入力時には２０－５０Ωの内部プルアップ抵抗を機能させることもできます。（初期値はオフ状態です）
入出力に４０ｍＡを超えてしまうと、マイクロコントローラに致命的な損傷を与えることがありますのでこの値を超えないように制御しなくてはなりません。
<特別に割り当てられたピンの機能> <Ａｒｄｕｉｎｏ Ｕｎｏで対象となるピン>
ＵＳＢ－ＴＴＬ シリアル ０ ｐｉｎ０（ＲＸ），ｐｉｎ１（ＴＸ）:USB端子に接続
外部割り込み 割り込み ０ ｐｉｎ２
割り込み １ ｐｉｎ３
ＳＰＩ ＳＰＩ通信 ｐｉｎ１２（ＭＩＳＯ：Maste In Slave Out ），
ｐｉｎ１１（ＭＯＳＩ：Maste out Slave In），
ｐｉｎ１３（ＳＣＫ：SPI Clock）
ｐｉｎ１０（ＳＳ：Slave Select）
ＳＰＩライブラリで使用しているピンです。
ＴＷＩ ＴＷＩ通信 ｐｉｎ２０（ＳＤＡ），ｐｉｎ２１（ＳＣＬ）
ＴＷＩ通信ライブラリにより使用されます。
Duemilanove,Diecimilaとはピン位置が異なります。
ＰＷＭ ＰＷＭ出力 ｐｉｎ３，５，６，９，１０，１１
analogWrite()関数による８ビットＰＷＭ出力
ａｎａｌｏｇ アナログピン 合計６のアナログに入力ピンがあり、それぞれ
１０ビット（１０２４分割の解像度）があります。
ＧＮＤから５Ｖまでの電圧を計測できますが、
ＡＲＥＦピンで上限範囲を指定して
analogReference()関数を使うことができます。
ＬＥＤ ＬＥＤ点灯 Ｐｉｎ１３，信号がｈｉｇｈの時ＬＥＤが点灯
ＡＲＥＦ ＡＲＥＦ端子 アナログの参照電圧の入力ピン
ＲＥＳＥＴ ＲＥＳＥＴ端子 リセット端子、ＬＯＷシグナルでシステムリセット
＜コミュニケーション＞
Ａｒｄｕｉｎｏ Ｕｎｏボードには、他のボードやコントローラなどと通信するためのいくつかの手段があります。Ｕｎｏは、ＴＴＬ（５Ｖ）シリアル通信のための１つのハードウエアＵＡＲＴが提供されています。正統なＡｒｄｕｉｎｏではその内のひとつのＵＡＲＴにＡＴｍｅｇａ１６Ｕ２が（ＡＴｍｅｇａ８Ｕ２）載っています。互換ボードではそのほかのＵＳＢ－ＴＴＬシリアル変換チップが載っています。このチップはＵＳｂ信号をＴＴＬシリアル信号に変換し、シリアル０のピン端子に入っています。ＵＳＢ－ＴＴＬシリアル通信が行なわれているときは、基板上のＲＸとＴＸを表すＬＥＤが点滅します。
＜物理的特性とシールドの互換性＞
Ａｒｄｕｉｎｏ Ｕｎｏボードの最大長は68.6mmで幅は53.4mmです。このボードの前面にあるＵＳＢコネクタと電源ジャックは更に前方に突き出ています。Ａｒｄｕｉｎｏはデジタルピン７と８の間が他のピンの間隔（１００ｍｉｌの間隔で均一）と同じでなく、１６０ｍｉｌ（０．１６”）になっていることに注意が必要です。
＜自動リセット機能＞
Ｍｅｇａ２５６０は、プログラムをアップロードするためにリセットボタンを押すことを要求するよりも実行されているソフトウエアがコンピュータに接続されることでリセットがかかるような方法に設計されています。ＡＴｍｅｇａ８Ｕ２（又はＵＳＢ－ＴＴＬシリアル変換チップ）のハードウエア・フロー制御ライン（ＤＴＲ）は１００ｎＦのコンデンサを介してリセット端子に接続されています。
この線がＬｏｗに落とされると、このコンデンサのおかげでリセット線がチップをリセットするのに十分な時間だけＬｏｗを保ちます。Ａｒｄｕｉｎｏの開発環境（ＩＤＥ）はアップロードボタンが押されたときにこの関係を利用してボードにリセットをかけ、ブートローダが起動するようにします。
このとき、ブートローダはファームウエアのアップロードの有無を検査し、アップロードがあればそのコードをロードしますが、アップロードがなければファームウエアの先頭から実行を開始します。
ブートローダはこのような処理を行ないますので多少の時間がかかります。このとき、上位アブケーションソフトが、ファームウエアに何らかのデータ返送を望んでいた場合には少し困った状況に陥ります。というのも、上位アプリケーションソフトはこのファームウエアからの正しい返送の有無で逆に通信の有効性を判断している場合が多いからなのです。正しい返答が即座に返らない場合には、通信が正常にオープンしていないとみなすのです。この問題の解決法は、次の二つの方法があり、
１つは上位のアプリケーションソフトに１～２秒位の待ち時間を入れる方法、２つ目はリセット信号をＨｉｇｈに維持し続けることです。このことについては別途詳細に記述をしますのでそちらを参照してください。
３．２．２ Ａｒｄｕｉｎｏ Ｐｒｏ ｍｉｎｉ ：TTmega328仕様の概要
オリジナルＡｒｄｕｉｎｏ Ｐｒｏ ｍｉｎｉはＡＴｍｅｇａ１６８ベースのようですが上位マイクロコントローラのＡＴｍｅｇａ３２８を使用したボードもあるので、比較的小型の赤道儀においてはこちらのボードを採用することができます。Ｉ／Ｏピンの考え方もほぼＵＮＯとほぼ同じなので、小型であると同時に互換性とスピードとを重視すれば必然的にこのボードを選択することになります。
当然のことながら、Ａｒｄｕｉｎｏ ｕｎｏのファームウエアと同じものが稼働するので、ハード形態が異なることを除けば、システムとしては全く同じものになることが特徴です。
ただし、Ａｒｄｕｉｎｏ ｕｎｏ仕様では標準装備となっているＵＳＢコントローラが載っておらず別ボードとして提供されます。
唯一の難点といえば、ボード端子に対する接続の問題でしょう。このボードは主にブレッドボードにさして試作を行うことができるような状況を念頭に設計されているようなので、通常はピンヘッダを自らハンダ付けして使用します。つまり、ＵＮＯのようにソケットが前提ではないことで利用法には自由度がありますが、その分結線の面倒さは増えてします。
また、基板にＵＳＢが載っていませんが、代わりにＵＳＢ接続のための端子が配置されています。
図 Ａｒｄｕｉｎｏ Ｐｒｏ ｍｉｎｉ ： ＡＴｍｅｇａ３２８
■８ビット マイクロコントローラ ＡＴｍｅｇａ３２８
■最大 動作周波数 ：２０ＭＨｚ １６ MHz (5V model)（実動作は１６ＭＨｚ）
■プログラム ＦＬＡＳＨ：３２ＫＢ
■内蔵ＳＲＡＭ ：２ＫＢ
■ＥＥＰＲＯＭ ：５１２Ｂ
■ ８ビット タイマーカウンタ×２， １６ビット タイマーカウンタ×１
■ＵＳＢポートは外部で出力ピンのみ
ＵＳＢポートの端子は出力されていますので、別途ＵＳＢボードを接続すればシステム拡張は比較的容易です。もしも、ＵＳＢが必須というのであれば、次に説明するＡｒｄｕｉｎｏ ｎａｎｏボードを採用する方がよいでしょう。
また、電源関連も回路が形成されていませんので、ＵＳＢボード等から外部電源を５Ｖ又は３．３Ｖを供給してやらなければなりません。
３．２．３ Ａｒｄｕｉｎｏ ｎａｎｏ ： ＡＴｍｅｇａ３２８仕様の概要
Ａｒｄｕｉｎｏ ｎａｎｏは上記Ｐｒｏの機能にｕｓｂシリアル機能が追加された仕様となっています。ＵＳＢミニＢコネクタが実装されており、Ｐｒｏ ｍｉｎｉ同様ブレッドボードにピン接続が可能なように設計されいてます。
Ａｒｄｕｉｎｏ ｎａｎｏは、Ａｔｍｅｇａ３２８とＡｔｍｅｇａ１６８を搭載されたボードがあり、電源レギュレータとＵＳＢ－ＲＳ２３２Ｃ変換チップが搭載されている高機能なボードなのです。機能的にはＵＮＯとほぼ同一と考えてもよいボードです。
このボードも互換ボードが多く、中国製のものはＵＳＢシリアル変換チップにＣＨ３４０Ｇ等が使われていることが多いようです。純正ＡｒｄｕｉｎｏにはＦＴＤＩの変換チップが載っています。
■８ビット マイクロコントローラ ＡＴｍｅｇａ３２８／ＡＴｍｅｇａ１６８
■最大 動作周波数 ：２０ＭＨｚ （実動作は１６ＭＨｚ）
■プログラム ＦＬＡＳＨ：３２ＫＢ ／ １６ＫＢ ２ＫＢはブートローダが使用
■内蔵ＳＲＡＭ ：２ＫＢ
■ＥＥＰＲＯＭ ：１ＫＢ ／ ５１２Ｂ
■ ８ビット タイマーカウンタ×２，１６ビット タイマーカウンタ×１
■１６ MHz (5V model)
■ＵＳＢミニポートはＲＳ２３２チップを介してシリアル接続
■入力電圧 ： ７－１２Ｖ (最大 ６－２０Ｖ)
３．２．４ Arduino Mega仕様 ： ＡＴｍｅｇａ ２５６０仕様の概要
このボードは、Ａｒｄｕｉｎｏ ＵＮＯとはボード形態も異なり、その上位ボード位置するもので、ＭＣＵの仕様そのものが異なっています。ＭＣＵのアーキテクチャ的にはＵＮＯのものの上位互換に相当し、ソフトウエアも同じものが当然稼働します。つまり、ＭＣＵがＡＴｍｅｇａ２５６０変わったことでプログラムをストアするフラッシュメモリが２５６ＫＢに、Ｉ／Ｏピンが５４（内１５ピンはＰＷＭ出力に使用可能）に、ＳＲＡＭ（８ＫＢ）、ＥＥＰＲＯＭ（４ＫＢ）がそれぞれ増加しています。
更に、１６ビットタイマーカウンタの数が４つまで使用できるようになったことはシステム開発的には重要なことです。Ａｒｄｕｉｎｏ ＵＮＯの場合は、１６ビットカウンタが１つだけでしたから、赤道儀におけるステッピングモータの赤経・赤緯回転のステップ信号を作り出すことに若干苦労します。赤道儀では、本来赤経・赤緯モータの制御を別々に行なう方が良いのです。
また、ステッピングモータの回転はステップ信号を特定な時間間隔毎に出力することで行なわれ、その信号間隔を生成するのがタイマカウンタのタイマ時間ということになっているわけです。
つまり、Ａｒｄｕｉｎｏ ＵＮＯではこの時間生成の仕組みが一つしかないなので様々な設計制約が生まれるわけです。実際には、１つのタイマカウンタを利用して赤経・赤緯の２軸の回転を異なる速度で行なうような仕組みを作ることは可能で、現にＥＪＡＮシステムではそのようなプログラム設計になっていますが、本来的にはプログラム処理的には別々のタイマー操作の方がずっとスマートです。実際の小型システムではＵＮＯで作成されますから、そのような１つのタイマカウンタで複数のステッピングモータの回転処理がサポートされています。その具体的な設計と処理方法については後に”章 ＥＪＡＮ赤道儀制御システムの速度制御法” で詳しく述べることにします。
■８ビット マイクロコントローラ ＡＴｍｅｇａ２５６０
■作動電圧 ５V
■入力電圧（推薦される） ７～１２V －入力電圧（制限） ６～２０V
■デジタルI/Oピン ５４（15ピンがＰＷＭ出力を提供する）
■アナログ入力ピン １６
■最大動作周波数 ：１６ＭＨｚ
■プログラム ＦＬＡＳＨ：２５６ＫＢ（ブートローダに８ＫＢ使用されます）
■ＳＲＡＭ ：８ＫＢ
■ＥＥＰＲＯＭ ：４ＫＢ
■ ８ビット タイマーカウンタ×２，
１６ビット タイマーカウンタ×４ （チップによりタイマーの少ないものもある）
■ボードサイズ ：長さ 101.52 mm×幅 53.3 mm 重さ およそ37g
このボードはＵＮＯの上位ボードに相当し、ＦＬＡＳＨメモリやＩ／Ｏピン数が増えています。
基本的に、Ｕｎｏのソケット配置とＭｅｇａのそれらとは互換性があり、Ｍｅｇａで有効になる
Ｉ／Ｏソケットが追加された分ボードが拡張されています。
Ｍｅｇａ２５６０は、コンピュータのＵＳＢポートが短絡や過電流から保護するための再設定可能なポリヒューズがあります。 大部分のコンピュータは彼ら自身の内部の保護を提供していますが、このポリヒューズはシステム保護と作動の制御を提供します。５００ｍＡ以上の電流ががＵＳＢポートに印加されたならば、ショートまたはオーバーロードが取り除かれるまで、ヒューズは自動的に接続を断ちます。
＜ 電源 ＞
Ｍｅｇａ２５６０はＵＳＢ端子からか、外部電源で駆動されます。電源は接続されたデバイスの状況に応じて自動選択されます。
ＵＳＢでない外部電源には、ＡＣ／ＤＣアダプタやバッテリのいずれでも良いことになっています。
ただし、アダプタは２．１ｍｍのセンターで、極がプラスになっているプラグによって接続します。バッテリからの電源は、ＧＮＤとＶｉｎピンで接続します。
Ｍｅｇａ２５６０ボードは６～２０Ｖの外部電源で稼働することができます。しかしながら、７Ｖ未満の電源が供給された場合は、５Ｖを出力するはずのピンが５Ｖ未満を供給して動作が不安定になることがあるかもしれません。また、１２Ｖ維持用の電源を使用するとレギュレータが過熱し、場合によっては基板を損使用することがあるかも知れません。
３．３Ｖはボード上のレギュレータによって生成され、最大５０ｍＡまで供給することができます。
＜ピンマッピング＞
Ｍｅｇａ２５６０にある５４本のデジタルピンは、pinMode(),digitalWrite()及びdigitalRead()等の関数を使用することで入出力を行うことができます。各ピンは２０ｍＡが推奨値として入出力を行えるだけでなく、入力時には２０－５０Ωの内部プルアップ抵抗を機能させることもできます（初期値はオフ状態です）。４０ｍＡを超えるとマイクロコントローラに致命的な損傷を与えてしまうので入出力にこの値を超えてはなりません。
表 ＡＴＭｅｇａ２５６の主要な機能とピンマッピング
<特別に割り当てられたピンの機能> <Ｍｅｇａ２５６０で対象となるピン>
ＵＳＢ－ＴＴＬ シリアル ０ ｐｉｎ０（ＲＸ），ｐｉｎ１（ＴＸ）:
ＵＳＢ－シリアルチップに接続
シリアル １ ｐｉｎ１９（ＲＸ），ｐｉｎ１８（ＴＸ）
シリアル ２ ｐｉｎ１７（ＲＸ），ｐｉｎ１６（ＴＸ）
シリアル ３ ｐｉｎ５（ＲＸ），ｐｉｎ１４（ＴＸ）
外部割り込み 割り込み ０ ｐｉｎ２
割り込み １ ｐｉｎ３
割り込み ２ ｐｉｎ２１
割り込み ３ ｐｉｎ２０
割り込み ４ ｐｉｎ１９
割り込み ５ ｐｉｎ１８
ＳＰＩ ＳＰＩ通信 ｐｉｎ５０（ＭＩＳＯ：Maste In Slave Out ），
ｐｉｎ５１（ＭＯＳＩ：Maste out Slave In），
ｐｉｎ５２（ＳＣＫ：SPI Clock）
ｐｉｎ５３（ＳＳ：Slave Select）
ＳＰＩライブラリで使用しているピンです。
Ｕｎｏとは異なっていることに注意が必要です。
ＴＷＩ ＴＷＩ通信 ｐｉｎ２０（ＳＤＡ），ｐｉｎ２１（ＳＣＬ），
ＴＷＩ通信ライブラリにより使用されます。
Duemilanove,Diecimilaとはピン位置が異なります。
ＰＷＭ ＰＷＭ出力 ｐｉｎ２～１３，ｐｉｎ４４～４６，
analogWrite()関数による８ビットＰＷＭ出力
ａｎａｌｏｇ アナログピン
合計１６のアナログに入力ピンがあり、それぞれ１０ビット（１０２４分割の解像度）があります。ＧＮＤから５Ｖまでの電圧を計測することができますが、ＡＲＥＦピンで上限範囲を指定してanalogReference()関数を使うことができます。
ＬＥＤ ＬＥＤ点灯 Ｐｉｎ１３，信号がｈｉｇｈの時ＬＥＤが点灯します。
ＡＲＥＦ ＡＲＥＦ端子 アナログの参照電圧の入力ピン
ＲＥＳＥＴ ＲＥＳＥＴ端子 リセット端子、ＬＯＷシグナルでシステムリセット
＜シリアル通信ポート＞
ＤＵＥのシリアルポートは４つの独立したポートがあり、それぞれ以表 で示すＧＰＩＯポートに信号線が出ています。シリアル０はＡＴｍｅｇａ１６Ｕ２のＵＳＢ－シリアルチップに接続しています。シリアル１～３はＴＴＬレベルのシリアルデータが転送されます。
デジタルピンに対してはソフトウエア的なＴＴＬ シリアル通信を行うためのソフトウエアシリアルライブラりが用意されています。これは、他のＡｒｄｕｉｎｏボードと共通で、上記のハード的に設定された任意の指定デジタル信号ピンを使ってシリアル通信を行おうとするものです。
表 ＡＴＭｅｇａ２５６のシリアル通信の関連ピン番号
<シリアル> <機能> <ピン番号> <機能>
シリアル０ ＲＸ０ ０ シリアル０ データ受信
ＴＸ０ １ シリアル０ データ送信
シリアル１ ＲＸ１ １９ シリアル１ データ受信
ＴＸ１ １８ シリアル１ データ送信
シリアル２ ＲＸ２ １７ シリアル２ データ受信
ＴＸ２ １６ シリアル２ データ送信
シリアル３ ＲＸ３ １５ シリアル３ データ受信
ＴＸ４ １４ シリアル３ データ送信
＜デジタルＩ／Ｏピン＞
デジタルＩ／Ｏピンの数はＵＮＯの２０ピンに対して５４ピンに増えています。各ピンは３．３Ｖで操作され、各ピンは３ｍＡ～１５ｍＡの電力を供給でき、６ｍＡ～９ｍＡの電力の入力でピンが動作します。入力用の内部プルアップレジスタは１００ＫΩで機能は専用の関数ｐｉｎＭｏｄｅ（）のモード（INPUT_PULLUP）で稼働させることができます。ピンの動作には以下の設定用の関数が用意されています。
表 ＡＴＭｅｇａ２５６のピンモードの設定とニーＩ／Ｏ 処理関数
<Ｉ／Ｏピン操作関数> ｐｉｎＭｏｄｅ（ｐｉｎ，ｍｏｄｅ）
<関数の処理> 指定ピン（ｐｉｎ）番号の動作モード（ｍｏｄｅ）を指定します
<パラメータ> ｐｉｎ 動作設定をするピンの番号
ｍｏｄｅ 動作モード（ｍｏｄｅ）を指定します
INPUT ： ピンを入力モードに設定します
OUTPUT ： ピンを出力モードに設定します
INPUT_PULLUP ： ピンをプルアップ抵抗付きの入力モードに設定します
戻り値 無し
<Ｉ／Ｏピン操作関数> ｄｉｇｉｔａｌＷｒｉｔｅ（ｐｉｎ, ｖａｌｕｅ）
<関数の処理> ピンの信号状態をＨＩＧＨ／ＬＯＷに設定します
<パラメータ> ｐｉｎ 書き込みをするピンの番号
ｖａｌｕｅ
ＨＩＧＨ： デジタルＨＩＧＨ（電源により５Ｖ／３．３Ｖ）
ＬＯＷ ： デジタルＬＯＷ（ゼロ ０：グランド電圧）
<Ｉ／Ｏピン操作関数> ｄｉｇｉｔａｌＲｅａｄ（ ｐｉｎ ）
<関数の処理> 指定するピン（ｐｉｎ）番号の値を読み取ります
<パラメータ> ｐｉｎ 読み出しをするピンの番号
戻り値 ＨＩＧＨ（！＝０）／ＬＯＷ（０）の論理値が返る
＜ＳＰＩ：Serial Peripheral Interface＞
ＳＰＩ通信は、ＳＰＩライブラリを使うことにより行なわれます。ＳＰＩ信号の各ピンは基板中央部に、Ｕｎｏ，ＬｅｏｎａｒｄｏそしてＭｅｇａ２５６０などで物理的に共通する６ピンヘッダに出力されています。
表 Ａｒｄｕｉｎｏ ＤＵＥのＴＷＩ通信の関連ピン番号
<信号名> <Ｄｕｅピン番号> <信号の内容>
ＭＩＳＯ ５０ Ｍａｓｔｅｒ Ｉｎｐｕｔ Ｓｌａｖｅ Ｏｕｔｐｕｔ ：
マスター入力、スレーブ出力
ＭＯＳＩ ５１ Ｍａｓｔｅｒ Ｏｕｔｐｕｔ Ｓｌａｖｅ Ｉｎｐｕｔ ：
マスター出力、スレーブ入力
ＳＣＫ ５２ ＳＰＩ ＣＬｏｃｋ：同期クロック信号
ＳＳ ５３ Ｓｌａｖｅ Ｓｅｌｅｃｔ：スレーブ（従属）機器の
選択信号：複数のスレーブ機器を操作するときは別の
ピンを使用してもよい
＜ＴＷＩ：Two-wire Serial Interface, Ｉ２Ｃ＞
ＴＷＩ通信はＷｉｒｅライブラリを使用して提供されます。ＳＤＡ１とＳＣＬ１はＷｉｒｅライブラリのＷｉｒｅ１クラスを使用して制御されています。ＳＤＡとＳＣＬは内部プルアップ抵抗を持っていますが、ＤＳＡ１とＳＣＬ１はそれがありません。Ｗｉｒｅ１を使用するためにはＤＳＡ１とＳＣＬ１線上に２つのプルアップ抵抗が要求されます。
表 ＡＴＭｅｇａ２５６のＴＷＩの種別とポート
<ＴＷＩ種別> <信号名> <Ｄｕｅピン番号>
<ＴＷＩ> ＳＤＡ ２０
ＳＣＬ ２１
<ＴＷＩ１> ＳＤＡ１ ７０
ＳＣＬ１ ７１
＜ＰＷＭ＞
指定したピン（ｐｉｎ）から指定値（ｖａｌｕｅ）に対応するアナログ電圧（ＰＷＭ波）を出力します。ＰＷＭに使いたいデジタルピンの番号を整数で指定します。
Ａｒｄｕｉｎｏボードに搭載されたＭＣＵの種別により有効なピン値は異なっています。
ＰＷＭ出力が行なわれるピンの最大電圧は、ＡＲＥＦで指定された参照電圧により異なってきます。
表 ＡＴＭｅｇａ２５６のＰＷＭモードと処理関数
<Ｉ／Ｏピン操作関数> ａｎａｌｏｇｗｒｉｔｅ（ｐｉｎ，value）
<関数の処理> 指定ピン（ｐｉｎ）番号にアナログ値（ｖａｌｕｅ）を指定します
<パラメータ> ｐｉｎ : PWM出力を行うために書き込みをするピンの番号（２～１３）
ｖａｌｕｅ: ゼロ（０）から２５５までのサイクルデューティの値を設定します
戻り値 無し
<Ｉ／Ｏピン操作関数> ａｎａｌｏｇWｒｉｔｅＲｅｓｌｕｔｉｏｎ（ｂｉｔｓ）
<関数の処理> ａｎａｌｏｇｗｒｉｔｅ（ｐｉｎ，value）関数で使用される分割値を設定します
<パラメータ> ｂｉｔｓ ＡＤコンバータの解像度をビットで指定します（８，１０，１２）
戻り値 無し
＜アナログ入力＞
Ａｒｄｕｉｎｏ Ｄｕｅは１２のアナログ入力があり、各入力は１２ビット（４０９６の異なる値）解像度が提供されています。初期的には、読み込みの解像度は他のＡｒｄｕｉｎｏボートの互換を維持するために１０ビットに設定されています。
ａｎｏｌｏｇＲｅａｄＲｅｓｏｌｕｔｉｏｎ（）を使用することでＡＤＣの解像度を変更することが可能です。Ｄｕｅのアナログ入力ピンはグランドと最大３．３Ｖの範囲で計測します。Ｄｕｅのアナログ入力ピンに３．３Ｖ以上を供給することは、ＳＡＭ３Ｘチップを破損することになるかもしれません。ａｎｏｌｏｇＲｅｆｅｒｅｎｃｅ()関数はＤｕｅでは無視されます。
表 ＡＴＭｅｇａ２５６のアナログ入出力処理関数
<Ｉ／Ｏピン操作関数> ａｎａｌｏｇRead（ｐｉｎ）
<関数の処理> 指定ピン（ｐｉｎ）番号にアナログ値（ｖａｌｕｅ）を読み出します。
アナログ入力は概ね１００μＳ毎に行なわろるので、
最大１秒当たり１００００回の読み込みレートです。
<パラメータ> ｐｉｎ 書き込みをするピンの番号（０～１５）
<戻り値 > ｉｎｔ ゼロ（０）から１０２３までの値が返ります
<Ｉ／Ｏピン操作関数> ａｎａｌｏｇReadＲｅｓｌｕｔｉｏｎ（ｂｉｔｓ）
<関数の処理> ａｎａｌｏｇRead（ｂｉｔｓ）による戻り値の解像度を定義します
ＤｕｅのＡＤコンバータの解像度は１０ビットなので、最大１０ビット
（０～１０２３）のでの値でアナログ値が返されます。
１０ビット以上の解像度が指定されたとしても、
ハード的な解像度の最大値を超えた解像度とはなりません
<パラメータ> ｂｉｔｓ ａｎａｌｏｇRead（ｂｉｔｓ）による戻り値の解像度ビット数
を定義します。 １から３２までの指定します。
ただし、１０以上の指定は全て１０にみなされます。
<戻り値> 無し
ＡＤＣの解像度を１０ビットより大きく設定しても、１０ビットまでの情報はＤＡＣの値が入りますがそれ以上はゼロ（０）で埋められてしまいます。（この点はＤｕｅとは異なります）
この関係はボードの最大解像度により決定されてしまいます。
３．４ ＡＲＭ Ｃｏｒｅのチップを採用したＡｒｄｕｉｎｏボード
３．４．１ Ａｒｄｕｉｎｏ ＤＵＥボード
このボードは３２ビットのＡｔｍｅｌのＳＡＭ３Ｘ８Ｅ ＡＲＭ Ｃｏｒｅｔｅｘ－Ｍ３ ＭＣＵを採用したＡｒｄｕｉｎｏ ＤＵＥと呼ばれるボードです。ボード形態的にはＡＴＭｅｇａ２５６ボードとほぼ同じものですが、ＭＣＵが異なっています。しかし、下図 の写真のようにＵＳＢコネクタを除きＩ／Ｏピンなども外形的には同じ形態です。
ＡＴＭｅｇａ２５６の内部アーキテクチャがＡＲＭと良く似ており、このボードとの親和性が高いのでしょう。以下は、このポートの特長と本システムでの位置づけについて述べてみたいと思います。
図 Ａｒｄｕｉｎｏ ＤＵＥボードの仕様と形態
■MCUbコアは３２ビットの ＡＲＭ Ｃｏｒｅｔｅｘ－Ｍ３で、
４バイトの演算が１クロックでできる
■５４本のデジタルＩ／Ｏピン（内１２ピンはＰＷＭ出力が可）を装備する
■１２チャンネルのアナログ入力ができる
■４つの独立したＵＡＲＴ（ハードウェアシリアルポート）をサポート
■最大クロック周波数 ８４ＭＨｚ で稼働する
■ＵＳＢ On-the-Go（OTG）接続対応
■２つのＤＡＣ（デジタル・アナログ・コンバータ）を内部回路に装備している
■２つのＴＷＩ（Ｉ2Ｃ）
■電源ジャックの装備
■ＳＰＩヘッダー
■ＪＴＡＧヘッダー
■リセットボタンとイレースボタンを備えている
■ＤＭＡコントローラが搭載されている
■ボードサイズ ：長さ 101.52 mm×幅 53.3 mm 重量 ３６ｇ
表 Ａｒｄｕｉｎｏ ＤＵＥボードの特徴
<ＣＰＵ仕様> <デバイス> <仕様>
ＭＣＵチップ仕様 ＳＡＭ３Ｘ８Ｅ ＡＴ９１ＳＡＭ３Ｘ８Ｅ ＡＲＭ
Ｃｏｒｅｔｅｘ－Ｍ３コア
フラッシュ ５１２Ｋバイト ２５６×２のファームウエア保持用の領域
ＳＲＡＭ ９６Ｋバイト ６４Ｋｂと３２Ｋｂのプログラム実行用のバンクメモリ
電源出力 ３．３Ｖ （ＬＶＴＴＬ）８００ｍＡまで出力可能
５Ｖ ８００ｍＡまで出力可能
周辺装置 ＤＡＣ 内部ハードて２回路対応で、１２ビットの解像度
ＵＳＡＲＴ ４つのハードウエアシリアルポートのサポート
ＳＰＩ ＳＰＩ通信用ヘッダ有り
Ｉ２Ｃ Ｉ２Ｃ通信用
発信子 ８４ＭＨｚ ８４ＭＨｚで動作
電源 外部電源 外部電源（６～１６Ｖ）で動作可能で、
推奨電圧は７～１２Ｖになっている
オンボード入力 リセットSW ボードチップのリセット用
イレースSW ＤＦＵとユーザプログラムの切り替え動作用
オンボード出力 ＬＥＤ（赤） 電源用ＬＥＤ
ＬＥＤ（赤） ＳＤカード・アクセス表示用ＬＥＤ
ボードサイズ 101.52×53.3mm ＵＮＯよりも長い
＜デジタルＩ／Ｏピン＞
デジタルＩ／Ｏピンの数はＵＮＯの２０ピンに対して５４ピンに増えています。各ピンは３．３Ｖで操作され、各ピンは３ｍＡ～１５ｍＡの電力を供給でき、６ｍＡ～９ｍＡの電力の入力でピンが動作します。入力用の内部プルアップレジスタは１００ＫΩで機能は専用の関数ｐｉｎＭｏｄｅ（）のモード（INPUT_PULLUP）で稼働させることができます。ピンの動作には設定用の関数が用意されています。
詳細に関しては、Ａｒｄｕｉｎｏ２５６の記述を参照してください。
表 Ａｒｄｕｉｎｏ ＤＵＥの特徴
<Ｉ／Ｏピン操作関数> ｐｉｎＭｏｄｅ（ｐｉｎ，ｍｏｄｅ）
<関数の処理> 指定ピン（ｐｉｎ）番号の動作モード（ｍｏｄｅ）を指定します
<パラメータ> ｐｉｎ 動作設定をするピンの番号
ｍｏｄｅ 動作モード（ｍｏｄｅ）を指定します
INPUT ： ピンを入力モードに設定します
OUTPUT ： ピンを出力モードに設定します
INPUT_PULLUP ： ピンをプルアップ抵抗付きの入力モードに設定します
戻り値 無し
<Ｉ／Ｏピン操作関数> ｄｉｇｉｔａｌＷｒｉｔｅ（）
<関数の処理> ピンの信号状態をＨＩＧＨ／ＬＯＷに設定します
<パラメータ> ｐｉｎ 書き込みをするピンの番号
ｖａｌｕｅ
ＨＩＧＨ： デジタルＨＩＧＨ（電源により５Ｖ／３．３Ｖ）
ＬＯＷ ： デジタルＬＯＷ（ゼロ ０：グランド電圧）
<Ｉ／Ｏピン操作関数> ｄｉｇｉｔａｌＲｅａｄ（ ｐｉｎ ）
<関数の処理> 指定するピン（ｐｉｎ）番号の値を読み取ります
<パラメータ> ｐｉｎ 読み出しをするピンの番号
戻り値 ＨＩＧＨ（！＝０）／ＬＯＷ（０）の論理値が返る
＜ 電源 ＞
ＵＳＢからか、ＤＣ電源アダプタによる外部電源からのいずれかの電源で稼働します。接続された電源の種別を自動的に判断して電源が供給されます。電源アダプタの接続プラグはセンター＋です。外部電源は、ＶＩＮとＧＮＤピンに接続することができます。
また、外部電源は６～２０Ｖの範囲でも動作することができます。推奨電圧の範囲は７～１２Ｖですが、７Ｖ未満の電源では５Ｖ出力ピンの電圧は５Ｖ未満になることがあり、１２Ｖ以上の電源の場合はレギュレータが過熱して基板に損傷を与える場合があります。
表 Ａｒｄｕｉｎｏ ＤＵＥの電源関連のピン
< 電源 > <機能 >
ＶＩＮ Ａｒｄｕｉｎｏボードが稼働するための外部電源入力。
ＧＮＤピンと対になって電源を供給します。
５Ｖ ボード上のレギュレータによって制御された５Ｖの電源が出力されます。
ボードはＤＣ電源ジャック（７－１２Ｖ）、ＵＳＢコネクタ（５Ｖ）或いは
ＶＩＮピン（７－１２Ｖ）のいずれからでもこの５Ｖ電源の出力を行います。
レギュレータを回避した５Ｖや３．３Ｖで電源を供給することはボードに損傷を
与えるかもしれません。
３．３Ｖ ボード上のレギュレータによって制御された３．３Ｖの電源が出力されます。
その電源は最大電流が８００ｍＡで、マイクロコントローラにも供給されます。
ＧＮＤ 回路のグランドピンです。
ＩＯＲＥＦ このピンは、Ａｒｄｕｉｎｏボードが稼働する５Ｖ又は３．３Ｖ電源の
いずれかで動作するかを参照するための電源ピンです。
＜シリアル通信ポート＞
ＤＵＥのシリアルポートは４つの独立したポートがあり、それぞれ以表 で示すＧＰＩＯポートに信号線が出ています。シリアル０はＡＴｍｅｇａ１６Ｕ２のＵＳＢ－シリアルチップに接続しています。シリアル１～３はＴＴＬレベルのシリアルデータが転送されます。
表 Ａｒｄｕｉｎｏ ＤＵＥのシリアル通信の関連ピン番号
<シリアル> <機能> <ピン番号> <信号内容>
シリアル０ ＲＸ０ ０ シリアル０ データ受信
ＴＸ０ １ シリアル０ データ送信
シリアル１ ＲＸ１ １９ シリアル１ データ受信
ＴＸ１ １８ シリアル１ データ送信
シリアル２ ＲＸ２ １７ シリアル２ データ受信
ＴＸ２ １６ シリアル２ データ送信
シリアル３ ＲＸ３ １５ シリアル３ データ受信
ＴＸ４ １４ シリアル３ データ送信
デジタルピンに対してはソフトウエア的なＴＴＬ シリアル通信を行うためのソフトウエアシリアルライブラりが用意されています。これは、他のＡｒｄｕｉｎｏボードと共通で、上記のハード的に設定された任意の指定デジタル信号ピンを使ってシリアル通信を行おうとするものです。
＜ＳＰＩ＞
ＳＰＩ通信は、ＳＰＩライブラリを使うことにより行なわれます。ＳＰＩ信号の各ピンは基板中央部に、Ｕｎｏ，ＬｅｏｎａｒｄｏそしてＭｅｇａ２５６０などで物理的に共通する６ピンヘッダに出力されています。
表 Ａｒｄｕｉｎｏ ＤＵＥのＴＷＩ通信の関連ピン番号
<ＴＷＩ種別> <信号名> <Ｄｕｅピン番号>
ＴＷＩ ＳＤＡ ２０
ＳＣＬ ２１
ＴＷＩ１ ＳＤＡ１ ７０
ＳＣＬ１ ７１
＜ＴＷＩ＞
ＴＷＩ通信はＷｉｒｅライブラリを使用して提供されます。ＳＤＡ１とＳＣＬ１はＷｉｒｅライブラリのＷｉｒｅ１クラスを使用して制御されています。ＳＤＡとＳＣＬは内部プルアップ抵抗を持っていますが、ＤＳＡ１とＳＣＬ１はそれがありません。Ｗｉｒｅ１を使用するためにはＤＳＡ１とＳＣＬ１線上に２つのプルアップ抵抗が要求されます。
表 Ａｒｄｕｉｎｏ ＤＵＥのＴＷＩ通信の関連ピン番号
<信号名> <Ｄｕｅピン番号> <信号の内容>
ＭＩＳＯ ５０ Ｍａｓｔｅｒ Ｉｎｐｕｔ Ｓｌａｖｅ Ｏｕｔｐｕｔ ：
マスター入力、スレーブ出力
ＭＯＳＩ ５１ Ｍａｓｔｅｒ Ｏｕｔｐｕｔ Ｓｌａｖｅ Ｉｎｐｕｔ ：
マスター出力、スレーブ入力
ＳＣＫ ５２ ＳＰＩ ＣＬｏｃｋ：同期クロック信号
ＳＳ ５３ Ｓｌａｖｅ Ｓｅｌｅｃｔ：スレーフ（従属）機器の選択信号
複数のスレーブ機器を操作するときは別のピンを使用可能
＜ＰＷＭ＞
指定したピン（ｐｉｎ）から指定値（ｖａｌｕｅ）に対応するアナログ電圧（ＰＷＭ波）を出力します。ＰＷＭに使いたいデジタルピンの番号を整数で指定します。
Ａｒｄｕｉｎｏボードに搭載されたＭＰＵにより有効なピン値は異なっています。
表 Ａｒｄｕｉｎｏ ＤＵＥのＰＷＭ処理の関連の関数
<Ｉ／Ｏピン操作関数> ａｎａｌｏｇｗｒｉｔｅ（ｐｉｎ，value）
<関数の処理> 指定ピン（ｐｉｎ）番号にアナログ値（ｖａｌｕｅ）を指定します
<パラメータ> ｐｉｎ 書き込みをするピンの番号（２～１３）
ｖａｌｕｅ ゼロ（０）から２５５までのサイクルデューティーの値を
設定します
戻り値 無し
<Ｉ／Ｏピン操作関数> ａｎａｌｏｇWｒｉｔｅＲｅｓｌｕｔｉｏｎ（ｂｉｔｓ）
<関数の処理> ａｎａｌｏｇｗｒｉｔｅ（ｐｉｎ，value）関数で使用される分割値を設定します
<パラメータ> ｂｉｔｓ ＡＤコンバータの解像度をビットで指定します（８，１０，１２）
戻り値 無し
＜アナログ入力＞
Ａｒｄｕｉｎｏ Ｄｕｅは１２のアナログ入力があり、各入力は１２ビット（４０９６の異なる値）解像度が提供されています。初期的には、読み込みの解像度は他のＡｒｄｕｉｎｏボートの互換を維持するために１０ビットに設定されています。
ａｎｏｌｏｇＲｅａｄＲｅｓｏｌｕｔｉｏｎ（）を使用することでＡＤＣの解像度を変更することが可能です。Ｄｕｅのアナログ入力ピンはグランドと最大３．３Ｖの範囲で計測します。Ｄｕｅのアナログ入力ピンに３．３Ｖ以上を供給することは、ＳＡＭ３Ｘチップを破損することになるかもしれません。ａｎｏｌｏｇＲｅｆｅｒｅｎｃｅ()関数はＤｕｅでは無視されます。
表 Ａｒｄｕｉｎｏ ＤＵＥのアナログ処理関連の関数
<Ｉ／Ｏピン操作関数> ａｎａｌｏｇRead（ｐｉｎ）
<関数の処理> 指定ピン（ｐｉｎ）番号にアナログ値（ｖａｌｕｅ）を読み出します。
アナログ入力は概ね１００μＳ毎に行なわろるので、最大１秒当たり
１００００回の 読み込みレートです。
<パラメータ> ｐｉｎ 書き込みをするピンの番号（０～１５）
戻り値 ｉｎｔ ゼロ（０）から４０９５までの値が返ります
<Ｉ／Ｏピン操作関数> ａｎａｌｏｇReadＲｅｓｌｕｔｉｏｎ（ｂｉｔｓ）
<関数の処理> ａｎａｌｏｇRead（ｂｉｔｓ）による戻り値の解像度を定義します
ＤｕｅのＡＤコンバータの解像度は１２ビットなので、最大１２ビット
（０～４０９５）のでの値でアナログ値が返されます。
１２ビット以上の解像度が指定されたとしてもハード的な解像度の最大値を
超えた解像度とはなりません
<パラメータ> ｂｉｔｓ ａｎａｌｏｇRead（ｂｉｔｓ）による戻り値の解像度ビット数を
定義します。
１から３２までの指定します。
ただし、１２以上の指定は全て１２にみなされます
戻り値 無し
ＡＤＣの解像度を１２ビットより大きく設定しても、１２ビットまでの情報はＤＡＣの値が入りますがそれ以上はゼロ（０）で埋められてしまいます。
この関係はボードの最大解像度により決定されてしまいます。
＜ＤＡＣ１とＤＡＣ２＞
このピンはａｎａｌｏｇＷｒｉｔｅ（）関数による１２ビット（４０９６の異なる値）解像度のアナログ出力が提供されています。これらのピンは、Ａｕｄｉｏライブラリを使用してオーディオ出力を生成するために利用することができます。
＜ＣＡＮ＞
ＣＡＮ通信プロトコルが提供されますが、Ａｒｄｕｉｎｏ ＡＰＩによってサポートされるていません。
＜ＡＲＥＦ＞
アナログ入力の参照電圧です。参照電圧タイプは以下のようになります。
ＤＥＦＡＵＬＴ ： ５Ｖか３．３Ｖのアナログ参照電圧
ＩＮＴＥＲＮＡＬ ： チップ内部参照電圧
ＡＴｍｅｇａ１６８かＡＴｍｅｇａ３２８では１．１Ｖ、
ＡＴｍｅｇａ８では２．５６Ｖになっている
ＩＮＴＥＲＮＡＬ１Ｖ１ ： チップ内部参照電圧 Ａｒｄｕｉｎｏ Ｍｅｇａのみで１．１Ｖ
ＩＮＴＥＲＮＡＬ２Ｖ５６： チップ内部参照電圧 Ａｒｄｕｉｎｏ Ｍｅｇａのみで２．５６Ｖ
ＥＸＴＥＲＮＡＬ ： ＡＲＥＦピン（０～５Ｖのみ）で提供される電圧が参照される
表 Ａｒｄｕｉｎｏ ＤＵＥのアナログリファレンス処理関連の関数
<Ｉ／Ｏピン操作関数> ａｎａｌｏｇReference（type）
<関数の処理> ａｎａｌｏｇRead（ｂｉｔｓ）による戻り値の解像度を定義します
<パラメータ> type 参照電圧のタイプ
DEFAULT ： 初期状態に設定します
INTERNAL： 内部１．１Ｖ参照に設定します
INTERNAL1V1： 内部１．１Ｖ参照に設定します（Ｍｅｇａのみ）
EXTERNAL: ＡＲＥＦ ピンによる外部電源参照
戻り値 無し
＜ＲＥＳＥＴ＞
このピンをＬＯＷにするとマイクロプロセッサがリセットします。ボードに乗せるシールド上にリセットボータンを付加しておくことが通例になっている。
３．４．２ ＬＰＣｃａｐｐｕｃｃｉｎｏ ボード
このボードはストロベーリー・リナックス社が販売しているボードキットで、ＵＳＢシリアル通信をサポートし、このＵＳＢポートを介してフラッシュメモリの書き換えが行えるようになっています。このボードキットは最小限の回路構成ですが十分に機能的なボードです。ＵＳＢシリアル通信を行う時は、チップ内でサポートされたＵＳＢ機能を使用しています。
なぜこのボードの説明を入れる必要があるのがということに疑問を持つことでしょう。その答えは以下の記述を読んで行けば分かることなのですが、一番重要なことは今般作成しようとしているボードのハード機能構成を十分満足するだけでなく、将来的にＡｒｄｕｉｎｏで開発されたシステムを移植することが可能なボードと思われるからです。
もちろん、Ａｒｄｕｉｎｏ ＵＮＯの上位にはＭｅｇａボードがあります。しかし、このボードは特定なシステム開発には余り向いていません。というのも、Ａｒｄｕｉｎｏは”シールド”と呼ばれる積み上げ式の機能ボードを基本にして機能拡張を強要するために自由度がないことが問題なのです。システム機能の拡張はあくまでもＡｒｄｕｉｎｏ仕様に則ったシールドを基本にしなければなりませんが、これはシステム開発にとって非常に大きな足枷となります。
図 ＬＰＣｃａｐｐｕｃｃｉｎｏボードの形態
表 ＬＰＣｃａｐｐｕｃｃｉｎｏ ボードの特徴
<CPU仕様> <LPC11U37仕様> <NXP セミコンダクターズARM Cortex-M0コア>
フラッシュ １２８Ｋバイト ファームウエア保持用の領域
ＳＲＡＭ １２Ｋバイト プログラム実行用のメモリ領域
ＥＥＰＲＯＭ ４Ｋバイト 不揮発性メモリ、データ保持用
Ｉ／Ｏ 3.3V(LVTTL) ５Ｖトレラント対応
周辺装置 ＡＤＣ １０ビットＡ／Ｄコンバータ内蔵
ＵＳＡＲＴ，ＳＰＩ，Ｉ２Ｃ
発信子 １２ＭＨｚ 内部は４倍の４８ＭＨｚで動作
電源 ＵＳＢ又は外部電源 ＵＳＢバス電源５Ｖ、または
外部電源（４～１２Ｖ）で動作可能
オンボード入力 リセットSW ボードチップのリセット用
ユーザSW ＤＦＵとユーザプログラムの切り替え動作用
オンボード出力 ＬＥＤ（赤） 電源用ＬＥＤ
ＬＥＤ（赤） ＳＤカード・アクセス表示用ＬＥＤ
３．４．２．１ ＬＰＣｃａｐｐｕｃｃｉｎｏ ボード キットの特徴
Ａｒｄｕｉｎｏに似た小型ボードで互換ではありませんが、参考までに紹介しておきます。ＣＰＵにはＮＸＰ セミコンダクターズ社のＭＣＵチップＬＰＣ１１Ｕ３７が採用されており、このチップはＡＲＭ Ｃｏｒｔｅｘ－Ｍ０をコアとした３２ビットのデバイスなのです。
◆フラッシュメモリ容量は１２８Kバイトで、４８MHzで動作する
◆市販のユニバーサル基板と同じ４７x７２mmサイズ
◆ＵＳＢメモリとして認識し、直接プログラムの転送ができる
◆マイクロSDカードコネクタが基板上に装備されている
◆Ｉ2Ｃ液晶を取り付け可能 なコネクタを装備している
◆合計４０ピンの拡張端子を装備している
◆Ｌ６４７０モータードライバなどを接続できるCoolConnect端子 を装備している
◆ほぼすべてのピンは5Vトレラント
◆上下に基板拡張できる設計 （Ａｒｄｕｉｎｏとは互換ではありません）
このボードの最も特徴的な事柄は、ボードに搭載されたＭＣＵがＮＸＰ ＬＰＣ１１Ｕ３７マイコンということです。このＭＣＵはＮＸＰセミコンダクターズが提供しているもので、コアとなっているものが近年携帯・スマホで多数使用されているＡＲＭ Ｃｏｒｔｅｘ－Ｍ０になっています。
これと同様のコアを採用したＡＶＲの上位ＭＣＵは非常に高性能ですが、ＡＴｍｅｇａ３２８もデータシート上でそのようなことは記述されていませんが、やはりこのコアの流れをくむもののようです。
このＡＲＭコントローラはもともとモトローラが開発したＣＰＵ ＭＣ６８００の流れをくむ、モステクノロジのＭＯＳ６５０２を手本にこれを上回る性能のものを目指して設計されました。ＭＯＳ６５０２は、アップルのコンピュータＡｐｐｌｅⅡに搭載された高性能なＣＰＵでした。
しかし、パーソナルコンピュータの流れがｗｉｎｄｏｗｓとインテルに移ることでこの分野でのＭＰＵの需要がなくなり、組み込みシステム用のマイクロコントローラ（ＭＣＵ）に活路を見出して現在に至っています。このため、ＡＶＲとＡＲＭのＭＣＵはひじ用に相性が良いのです。
図 ＬＰＣｃａｐｐｕｃｃｉｎｏボードのポート構成
近年、ＡＲＭが評判となり携帯のＣＰＵコアとして注目されたのには、それが製品としてでなくアーキテクチャーとしてのＡＲＭコアが提供されたからですが、やはり一番の理由は処理性能の高さだったのでしょう。このＣＰＵのコストパフォーマンスの高さは抜群で、日本のアマチュアが好んで使用するＰＩＣなどと比較してもその点ではとにかく抜きんでています。
ＡｒｄｕｉｎｏはＡＶＲのＭＣＵを使用したものがオリジナルなのですが、このＭＣＵもＡＲＭの流れをくんだものなのはメモリの取り扱いをみるとよく分かります。ＰＩＣはインテル系のアーキテクチャといえるものでメモリのバンクやレジスタなどはやはりそのような特徴があります。８ビット同士のＭＣＵを比較してみると、その性能差がはっきりします。８ビットで同じ駆動周波数ならば、ＡＶＲのチップの性能はやはり抜きんでています。
図 ＬＰＣｃａｐｐｕｃｃｉｎｏ ボードキットの内容
この基板の特徴は既に説明したとおりですが、実際にこの基板に注目する理由は基板回路構成がしっかりしており、外部回路との接続を意識したものとなっていることです。ＭＣＵのＩ／Ｏピンの信号は全て基板上にピン接続できるようになっています。又、これらのポートは１０ピン毎のブロックとして個別に使用することができるようになっています。さらに、これらのピンブロックは拡張端子Ａ～Ｄとして基板上に配置され、拡張ボードが上下方向にこれらの端子を介して制御できるような設計になっています。拡張端子には、電源とＧＮＤピンが配置されていることが完全に別系統の制御ポートとして利用することができるようになっています。
ＬＣＤはＩ２Ｃによって制御され基板上に乗せられるようになっています。ただし、ＬＣＤ基板の固定にやや問題があり、やや不安定です。
また、ｃｏｏｌ ｃｏｎｎｅｃｔと呼んでいる拡張ポートがあり、ＳＰＩ端子が出ているのでＳＰＩ駆動の周辺デバイスが簡単に接続出ます。とくに、Ｌ６４７０チップで駆動するステッピングモータドライバについては、この拡張ポートピンにダイレクト接続できるようになっています。
ただし、ＳＰＩ機器の接続は１デバイスのみで、赤道儀のような２軸を駆動する場合にはチップセレクトピンとステップピンを別々に制御するが、あるいはディジーチェイン接続を行って制御するなどの工夫が必要です。
３．５ Ａｒｄｕｉｎｏマイコンボードの電源供給法のまとめ
Ａｒｄｕｉｎｏボートとその互換ボードとのハード的な相違は、電源供給法の違いにあると思われます。
Ａｒｄｕｉｎｏボートにおける通常の電源供給源は外部電源（ＶＣＣ）とＵＳＢバスからの電源（ＵＳＢＶＣＣ）とをジャンパによって切り替えられるようになっています。さらに、平準化された外部電源及びリセット信号と３．３Ｖ出力及びＧＮＤ信号を集めた電源ソケットが存在します。
Ａｒｄｕｉｎｏにおける電源ソケット信号の仕様は下表の示すようになっています。
表 Ａｒｄｕｉｎｏ 電源ソケット信号の仕様
<ソケットＮｏ> <電源ソケットの信号内容>
１ ＲＳＴ システムリセット信号
２ ３Ｖ メインボードのFT232RLにVCC30ピンに結線。
FT232RLで作られた３．３Ｖ Max５０mAが出力される
３ ５Ｖ メイン電源の５Ｖ電源が出力しています。
または、ダイレクトに外部からの電源を供給します。
４ ＧＮＤ グランド信号
５ ＧＮＤ グランド信号
６ ＶＩＮ 外部からの電源をレギュレータに入れ、システム電源５Ｖを生成
外部電源（ＶＣＣ）とＵＳＢバスからの電源（ＵＳＢＶＣＣ）のいずれかから電源が入る場合には電源ソケットの５Ｖ端子からは５Ｖ電源が出力されます。逆に通常の電源供給源からの電源がないようにジャンパ結線をなしにすると、電源ソケットの５Ｖ端子からシステム電源を供給できます。
このとき端子にいれる電圧は、リップルのないものにする必要があり、かつ印加する電圧にも注意しなくてはなりません。それは、この端子からの電源はメインボードへのダイレクトなものとして供給されるからです。誤って過大な電圧や電流が流れた場合は、マイクロコントローラなどのチップが破損することも考えられるので特に注意が必要です。この電源ソケットの仕様はこの後に詳しく説明することにしますが、この注意点だけは特に留意しておく必要があります。
さて、電源供給源の切り替えジャンパは純正のＡｒｄｕｉｎｏボートにも互換ボードにも存在していますが、厳密な仕様から言うと互換ボードのものは純正のものに比べて、やや冗長性があるように思えます。それは、これらのボードが純粋にＡｒｄｕｉｎｏボードとしてでなく、様々に製作基板として利用できるように考えられているからに他なりません。したがって、これら電源周りの使用法については前記の電源ソケットとの兼ね合わせで考えていかなくてはなりません。
以下に電源供給源についての仕様を一覧表として示します。
表 Ａｒｄｕｉｎｏ 電源ソケット信号の仕様
<Ａｒｄｕｉｎｏ マイコンボード － 電源切り替えジャンパ>
<ジャンパ名> 外部／ＵＳＢ,電源切り替え,外部ＶＣＣ－ＵＳＢＶＣＣ,
<結線の方法> <結線後の動作>
ＵＳＢＶＣＣ ＡＥ－ＵＭ２３２ＲボードのＵＳＢバスからの５Ｖをシステム電源に使用
外部ＶＣＣ 外部電源またはＶＩＮ電源をレギュレーション回路によって生成した５Ｖを
システム電源に使用します。
結線なし メインボードの５Ｖ電源ポートからの電源がシステムに供給されます。
この場合は、リップルのない平準化された電源でなくてはなりません。
表 秋月電子 Atmega328マイコンボード－電源切り替えジャンパ
<秋月電子 Ａｔｍｅｇａ３２８マイコンボード－電源切り替えジャンパ>
<ジャンパ名> 外部／ＵＳＢ,電源切り替え,USBPOW-EXTernal
<結線の方法> <結線後の動作>
ＵＳＢＰＯＷ ＡＥ－ＵＭ２３２ＲボードのＵＳＢバスから５Ｖをシステム電源に使用
EXTerna 外部電源またはＶＩＮ電源をレギュレーション回路によって生成した５Ｖを
システム電源に使用 l
結線なし メインボードの５Ｖ電源ポートからの電源がシステムに供給されます。
この場合は、リップルのない平準化された電源でなくてはなりません。
３．６ Ａｒｄｕｉｎｏ電源ソケットのポート利用法
電源ソケットのポートの内、ＲＳＴ（リセット）信号は外部からのマイクロコントローラに対するハード的なリセット入力信号用のポートで、この信号がＨｉｇｈになるとＡｒｄｕｉｎｏのブートローダに処理が移ることになるわけですが今回は使用しないので特記はしません。
また、ＧＮＤ信号も特殊ではないので特に記述しないのですが、以下の３Ｖ，５Ｖ，Ｖｉｎの各電源ポートの実際の機能動作について一覧表としてまとめてみました。
表 ポート種別と電源ポートの利用法
< ボート種別と電源ポートの利用法 >
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