毛虫計算機:Blog

2021年が始まった。去年も仕事はあったけれど、納品先に実際に出向いたのは一度だけだった。 日常がじわじわ侵食されていく中、今年はどうなることだろう。   そういう状況下では、実験装置の構成を、どこでも誰でもできるようにしておくという作業がたくさん出てくる。 最小限の装置でPC単体での遠隔開発が行えるような手段。似たようなものはお仕事でもワンオフで何度か作ってきて、今までも役立ってくれている。ということで昨年は仕事の合間に組み込み部品としての試作をいろいろ行っていた。  実際のところ、単体ではマイコン付きFETとシャントモニタでしかない。最近遊んでいるTinyAVR-0をMCUとして載せている。 機能としては以下のとおり。 ・電源ONOFF制御 ・INA226による0.5mA単位 ~4A程度までの電流測定、アラート通知 ・電圧（スイッチ前後）の測定  セルフチェック機能 ・コマンドサーボのようなデイジーチェーン接続 ・拡張性 端面スルーホール加工にしてみた。他の基板への実装も簡単。 USB端子がついた基板は、TinyAVR-0つきFT234Xが載ったUSBシリアル変換器。UPDIプログラマ化できる 試作例１  試験コントローラ 試験用冷蔵庫に入れて、庫内で電源制御や温度監視をさせてみた。 温度センサにはLMT01を複数繋ぎ、庫内や測定対象に取り付ける。 制御例。MegunoLink上でプロットと電源制御を行った例。 試作例2 試作OBC基板の電源制御、モード管理、状態監視 開発中にOBCの電流値を参照したり、電源制御段階ごとの異常検知や、ブートモード切替などをソフトウェア上から行える。実装と冗長性の検討が長引いて回路図段階で何回もやり直したおかげか、試作一号機はとりあえず元気に稼働し始めた。   たいていのシステムには複数の機能別ボードや異機種コントローラが内包されているものだけど、それらの動作を最適化しながら、HILS的なシステムを作りあげるのは結構大変。  個人的に、まずはベースバンド部、アプリケーションプロセッサ、ストレージみたいなまとまりを作りこむために、共通化配線とI/F基板1つでPCにつないで開発できることを目標としている。（電力規模100ｍW～1W以下）

ガーデンプローブ  秋は深まり､日に日に昼が短くなっていく｡ ひまわり8号リアルタイムウェブをサブモニタに映し､自動更新で地球の変化を眺めながら作業している｡  静止軌道から眺めていると実感するが､電力収支を維持する上で､地上での太陽光発電は宇宙空間よりも不安定だ｡  秋分を過ぎ､もうじき冬至に向かってまた地球の影が傾いていく様子が見えるだろう｡ 地軸の傾きと気象により地上の日射量は大幅に変動し､ 昼と夜のサイクルは12時間前後と長い｡  今年は曇ってばかりだった･･･｡  地上での平均的な発電量は､地球の公転軌道上の1割ちょっとまで落ちてしまう｡  もうちょっと太陽系視点で見てみると､太陽定数が1割ちょっとまで落ちるというのは､火星以遠の小惑星帯の公転軌道まで遠ざかるのと同じだ｡  さて､デジタルサボテンこと独立電源システムもある程度インターフェースが生えそろってきた｡ 近距離のハウスキーピングデータとコマンドの送受信のために､TWE-Liteを内蔵し､GPS､長距離ビーコン用とあわせて､3種類のアンテナが搭載されている｡ 単3電池駆動タイプも用意  地上で連続して安定稼働させる場合､1日分の充電で数日間稼働できる要求仕様がベースラインになる｡ その観点からしたら､このサイズでは高負荷のタスクは昼間だけという中途半端な位置付けになる｡  試験機としては､蓄電系が小さくシンプルなほうがやりやすい｡  ソフトウェアによる電力管理の試運転で､2日ほど透明な保存容器に入れて密封し､窓の外に放置してみた｡ 太陽電池は300mW出力のものを1枚だけ取り付けている｡ 下記のグラフは受信したデータから電圧履歴と動作モード遷移を抜き出したもの｡  天候は1日目の昼間は曇り｡ 夜は雨だった｡ 二日目の昼は快晴｡ 建物の北西側に設置しているため､午後までは直射日光が当たらない｡  小容量のほうは日照状態で電圧がかなり左右される｡ 副作用として2つのキャパシタ間の電圧比較だけで太陽光発電中かどうか判断できる｡  動作モードは4つ用意した｡ 大容量キャパシタの充放電系統切り離し､小容量キャパシタ駆...

 夏といえば、統合試験と環境試験が立て続けに始まる季節。発生する怪奇現象（不具合）を退治し、スケジュールで肝試しを行っていたら、いつのまにか夏は終わってしまった… その脇で、 前回 手配線した独立電源試作機の実験結果をもとに基板のアートワークを行い、新型OBC基板と電源基板、化粧板をelecrowに発注。 KiCADのボードをVRMLで出力すると、Windows10の3Dビューアで簡単に表示することができる。  5㎝角以下だと最安値になるので、試作にかかるコストはどんどん下がっている。 もう手配線はよっぽどのことがないとやらなくなってきた。 OBC644-10D rev:E OBC基板もバグ修正と端子増設でバージョンアップしている。 ・SPIとFTDI配列を統合し、GPIO2つとシステム電源電圧（3.3V）出力端子を追加。 外部基板のIC(デジタルセンサやレベル変換、バススイッチ)にもシステム電圧が必要だったのと、UARTとSPI用の制御用端子として新たにGPIOを引き出した。 ATmega644のGPIOピンをすべて利用できるようになった。 https://github.com/kentN/OBC644-10D 拡張基板スタック OBC644用の拡張基板だけど、ピンヘッダ継ぎ足し地獄は無駄に階層が増えてしまうので、2層基板を2枚重ね合わせてみた。疑似的に４層基板となる。貼り合わせる面にクロストークが心配な配線は避けよう。 　  裏面はSPI-ROMが2つ乗るので、そのエリアを避けて基板外形を設定。　OBC644基板は１mm厚、拡張基板は0.6mm厚で発注していて、張り合わせれば1.6mmの標準の厚みとなる。 　2つ重ねてピンヘッダにはんだ付けするので、貼り合わせでシビアな工程は特に無い。 今回は試しにu-bloxのMAX-M8Qと、マイコンの書き込み用に基板対電線コネクタ（GH5ピン）を搭載した。 単体でGPSロギングにも使えるだろう。   アンテナはU.FLコネクタを設けて、外部から引き込む形にした。 電源系統＆構造体    手配線プロトタイプとほぼ同じ構成の電源系統とした。太陽電池は2系統入力可能。　キャパシタバ...

リトープスという多肉植物を昨年から育てている。基本放置なのでよく世話を忘れてしまい、枯死寸前になっていることが度々あった。なんとか徒長（日照が足りず背が伸びる現象）だけは防げている。 　話は変わって、OBC644基板用の独立電源を試作してみた。これも基本放置を目指したい。 蓄電はスーパーキャパシタのみの簡素な構成にした。圧倒的にエネルギー密度が低く、リーク電流も多めと、蓄電系として見た場合のデメリットは多い。しかし代わりに過放電による永久故障はなく、温度条件なども緩めだ。 　便利なエナジーハーベスト用電源ICを使ってもいいけれど、今回は自由度の高いディスクリート構成にした。　といっても、 ソーラー目覚ましキーホルダー（2012） に毛が生えた程度だ。 容量違いで2種類のキャパシタ系統を組み合わせた。 基本的なモードとして、 （初期充電）完全放電からの復帰 ・コンデンサバンクの充電判断 ・コンデンサバンクの電源系統への接続 ・過充電抑制 がある。マイコン側では2つのコンデンサの電圧を監視している。　電圧のみで残量推定ができるので、エネルギー管理はとても簡単だ。 　太陽電池はダイオードORで小容量（0.22F）のEDLCを充電する。光が当たれば、数分後にマイコンが起動する。 　大容量EDLCは電圧上昇に時間がかかるので、上流、下流ともデフォルトでは切り離されている。主系統への接続と充放電管理はソフトウェアで行う。 下流側は電圧降下を抑えたいため、あえてダイオードORしていない。 簡素化のためにレギュレータの降圧モードのみなので、マイコンのBOR電圧を下限として、コンデンサバンクから使える電位差分の静電容量は約150クーロンほど。だいたいコイン電池くらいになる。 　とりあえず日照がある間は、時折GPSを作動させたり、カメラ撮影するといったミッションをこなせる規模になる（はず）　蓄電が小規模なので、小さい穴の空いたバケツをやりくりするイメージ。 無線モジュールで定期的にテレメトリを送信するところまでは実装して、日中は屋外に放置してみた。快晴では満充電に到達するが、曇った日でもテレメトリ送信に支障がないレベルの発電ができている（下グラフは薄曇りの日のテレメトリより）小型筐体なので日照を浴びると50℃付近まで上がってしまう。 ...

カシオのバッテリレス腕時計 AL-190Wを買ってみた。 逆輸入モデルで、チープカシオと呼ばれる価格帯の製品。 太陽電池が文字盤の半分を 堂々と 占めている。  今時のソーラー腕時計は､安価なモデルであっても透過性の文字盤の裏に隠すのがあたりまえになっているので､とてもあからさまにソーラーである｡ メモリ液晶な腕時計を作るまでは特に興味無かったけれど、 最近これがかっこよく見えてきた。  技術的には､バッテリレス の回路構成にも少し興味がある。 太陽光のみで稼働する様子は､デザイン的にも宇宙機を思わせる｡ この時計、バンド固定にはバネ棒が使われていて、一応 18mmに対応している。 ただ、 ウレタンバンドのつけごこちはとてもよい。 高校時代に使い続けていたMQ-24と同じく、つけていることを忘れる。 個人的理由としては､腕が細いのであまり大きな時計が似合わないということもある｡  バッテリレスというのは、電池ではなく電気二重層コンデンサが入っているという意味だ。こまめに充電さえすれば電池寿命をほとんど意識せず動き続けるという。カタログ値では、一度のフル充電で2週間動作し続ける。  開封直後で充電前の状態であっても、時計は起動した。 表示するだけなら、キャパシタの残電圧とは関係がないようだ。 充電電圧が低いと、残量警告マークが表示される。 分解をしてみた。細かいバネ構造がスイッチを兼ねていたりするので、無理なテンションをかけないよう慎重に取り出す。中のモジュールは3274というモデルで、ややデザインの違うHDD-S100というモデルと共通。 元に戻す時は、金具とスイッチの位置に注意が必要だった。パッキンの埃も綿棒などで取り除き、可能ならシリコンオイルを塗布する。 本来ならCR2032でもありそうな位置に、コインセル型のスーパーキャパシタが金具で固定されている。シールの型番には、EECE0EL205Nとある。 Nを除いて検索すると、データシートがヒットする。 パナソニック製で、2.5V 2Fのものがそれっぽい。 表のアモルファス太陽電池は5直列と思われるので、2.5Vが開放電圧となるはずだ。 キャパシタの満充電電圧に合わせてある。 ...

太陽電池とキャパシタを電源にするために、MSP430LaunchPadで開発ボードを組んでみた。 ここ数ヶ月の発電実験で、規模的に余計だった要素を省いていった結果となる。 このシステムは屋外みたいな日照の安定しない、昼夜が存在する環境を想定している。　となると工場のように24時間光源が存在する特殊環境ではないので、発電した余剰エネルギーを貯めて、曇りと夜を乗り切らなくてはならない。 ・太陽電池(9直の単結晶シリコン)　4.5V 10mA出力 ・MSP430G2553 ・EDLC MSP430は下限電圧が1.8V、今回つけたEDLCは2.7Vが耐圧の規格上限なので、 おおよそ0.9Vの範囲内で動作するだろう。　それ以下の電圧のエネルギーはもったいないけど利用しない。　(実質3.3Fくらい)　LiCが入手出来ればその点は改善されるだろう。 過充電防止はディスクリートでは設けず、電圧をモニタして、日照時の余剰電力を負荷に回すことでソフトウェア的に実現する。(ハイサイドスイッチでも良いがお手軽にしてみた) 　具体的には数mA～数十mAのLED、無線系(XBee?)などなど。　 電気二重層コンデンサは過放電については心配しなくて良いから、電源管理は稼働率の配分だけになる。 枯渇時はほとんどスリープ状態。 センサはI2Cバスにぶら下げて拡張しようと思う。 今ついてるのは ・S11059(I2Cカラーセンサ)　 http://akizukidenshi.com/catalog/g/gI-06793/ ・BMP180(MEMS気圧センサ) ・TMP006(放射温度計) 　LaunchPadはEneriga IDEで使っているけれど、最新の配布バージョンだとI2C周りのバグがとれていない。(2013/08/03現在) なので、以下の点に注意が必要。 ・MSP430のCoreライブラリをgithubの最新版に差し替える。 ・ピン定義と、サイトのPinMapで示されるSDAとSCLはなぜかMSP430G2553の実際のHWピンと逆なので注意。　 　 正しくは、 　P1.6:　SCL P1.7:　SDA ・ボード上でI2Cを有効化するときは、LED2(緑色)がSCLと干...

前回 の回路をMSEChargerと呼ぶことにして、太陽光下でどのように振る舞うのか見てみた。 現時点では、快晴下で直接電池を充電したほうが早かった。Orz 下記の電池で2日間の快晴に置いただけで過充電防止電圧に到達。 　2次電池はオリビン酸(LiFePO4)電池。　eBayで購入したセルだが、Li-ionより内部抵抗大きめだった。引っ張っても数ワットが限度か。 生セルなので、過充電、過放電防止用に電圧検出ICとFETを取り付けてモジュール化した。　マージンを取って3.8～3.0Vの範囲内で使用する。 回路構成。　キャパシタは2.5V4．7Fを直列にして5V、2.3Fで使用。こちらのほうが内部抵抗が少なく、一度に大電流を引き出せる。 手持ちの部品の関係で、キャパシタの充放電電圧の領域が3.1V～3.4Vになっている。PowerLEDのように、電池を負荷に直接接続すると、電池電圧に影響を受けて間欠放電が出来ない。Dを挟むだけでも良さそうだけど、今回はDC/DC(AS1322)で5Vに昇圧して電池に供給した。　キャパシタが3V付近なので、5Vに昇圧して効率9割程度で動作すると思われる。 太陽電池はSharpのモバイル用で、短絡電流で60mAほど バッテリとDC/DCを繋ぐ前に、動作確認で定格1WのPowerLEDを負荷としてつないでみた時の波形 キャパシタの容量を増やし、内部抵抗を下げたことで、かなりの電流がLEDに流れるようになった。 DC/DC下流で電池に流れ込んだ電流を測定したもの。　2.3Fのスーパーキャパシタからの間欠供給されていることがわかる。快晴の直射日光下での周期が見えているが、曇ったりして日が陰ると間隔が伸びた。 あとは実際の充電効率がどうかだけれど・・・　バッテリの比較実験となるので時間がかかりそう。 定電流回路で実際の効率を調べることにする。 電池レスで、定期的に電波送信するようなアプリケーションにちょうどいいかも。　といいつつ、PICで電圧モニタしながら送信間隔を制御するほうがきっと使い勝手が良い…。　 そう考えると、原典のようなモーター駆動のおもちゃのほうが使い出があるんだろうなあ。

小型で、発生電力も100mW以下しかない太陽光発電セルで2次電池を充電するとき、逆流防止Dを経由してそのままつないでしまうか、ある程度電力を貯めてから、大きな電流で供給した場合とで充電効率に差がでるのかどうか知りたくなった。　太陽電池のインピーダンスと、2次電池のインピーダンスをあるていど整合させるといえばいいのだろうか…あまり自信が無い。 平均電流は変えられないので、間欠駆動でなんとかすることになる。 Miller Solar Engine 若干分野が違うけれど、高負荷(モーターなど)に間欠的に電力供給するのが、今回試作したMSE(Miller Solar Engine)と呼ばれる回路。 以前紹介した電圧検出ICを1個だけ使い、そのヒステリシス領域を外付け部品で拡張し、充放電動作を繰り返す。蛇口からバケツに水を貯めて､それを一気にぶちまける動作だ｡ http://www.beam-wiki.org/wiki/Miller_Solar_Engine これは BEAM robotics という、KISS( Keep It Simple Stupid )の教えに従い、基本的にガラクタを使って作られるロボットの要素技術として紹介されている。　どんなものかは、BEAM botで画像検索するとたくさん出てくる。　 MSEは電圧検出ICとNPNトランジスタ、ダイオード、コンデンサ、ストレージ用のコンデンサ/スーパーキャパシタで構成されている。 　原典で使われるパナの1381は入手性がよくないので、似たような電圧検出ICをつかった。、SIIのS808XXCシリーズであれば、いくつかの電圧に対応したものがマルツパーツでも手に入る。二次電池よりやや高い電圧で、太陽電池の最適動作点付近の電圧を検出するものを選ぶと良さそう。　(3～4V) トランジスタは定番の2SC1815でも大丈夫で、秋月であれば2SC2125を選べば流せる電流が増える。 同じ動作は、低消費電力の少ピンPICとかでも実現出来る。この回路は思ったよりも電流を必要とするので､超低消費電力モードで駆動させるPICのほうが省電力にできそうだ｡ 早速組みあげて、負荷には定格1WのパワーLEDをそのままつないでみた。　PCから定電流ダイオード(CRD)で充電して、定期的にLEDがフ...

秋月で取り扱われている　TPS7A4700を使った　超ローノイズレギュレータ基板　 http://akizukidenshi.com/catalog/g/gK-06194/ 　を買ってみた。 検索するとオーディオ用途をたくさん見かける。　低雑音が売り。　 もともとリニアレギュレータには 電源電圧変動除去比 (PSRR)という項目があり、ある程度電源のリップルノイズを低減してくれる。 このレギュレータはその性能が高い。 また、出力電圧可変型だが、電圧は外付け抵抗ではなくIC内部の分圧抵抗により、1.4V～20.5Vを100mV刻みで、192段階の設定ができる。 　(レギュレータなので、設定電圧+1V以上の電源が必要)。 このキットではDIPスイッチで192段階の設定を行えるようになっている。 試しにGPSの電源テストに使うと、秋月のACアダプタを使って、ほぼ電池駆動の時と同じ性能が出せた。 ちょっと電源のスペクトラムが気になったので、デカップリングコンデンサを介してPCのLINE入力につないで、 WaveSpectra を使って調べてみた。 wavespectra　の画面 WaveGeneと一緒に、音声帯域のスペアナとして昔から定番のソフト。まだ改良が続けられていて、かなりいろいろなことができるようになっている。　とてもありがたい。 以下のグラフはすべて100回平均した(サンプル65536　Blackman-harris7)。 測定環境のノイズレベルと、ACアダプタ+TPS7A4700 録音環境のノイズ ACアダプタ TPS7A4700を通した特性。　ほぼ電池と同等か USBの電源ノイズと、TPS7A4700、比較用三端子レギュレータ(MCP1700) USB　HUBから給電した時に、GPSの初期測位がまともに出来ない組み合わせがあったので、電源ノイズがどうなっているか見てみる。その際、別のリニアレギュレータと比較してみた。ちなみに選定理由は自作FTDIアダプタに実装してあったからで深い意味は無い。 これは…　 20dB以上下がっているが… MCP1700　高周波は除去されたが、1kHzまでの盛り上がりが出てきた。  TP...

秋月の最近の出物  http://akizukidenshi.com/catalog/g/gM-06564/  を入手。 実際安い。  Sharp製の300mW級モジュール。 型番はLR0GC02。 検索すると、09年販売の ソーラー携帯 に使われていたものと同型なようだ。   4.5V出力の多結晶シリコンパネルとしては、工作用に売られている他のソーラーモジュールとくらべてダントツの軽さと薄さが特徴。  0.8mm厚だが、底部の基板と、アンチグレア加工された透明な樹脂のコーティングが一体となっている。 電極の封止をすれば、そのまま屋外でも使えるだろうか? 発電効率は多結晶なのでとても良い。質量的にはPowerFilm(アモルファスシリコン)が比較対象になると思われるが、同じ電力をPowerFilmで得ようとすると倍以上の面積が必要なので、面積が限られる用途では断然魅力的となる。 ちなみに宇宙用のGaAs三接合セルだと、このモジュールの半分くらいの面積で同じ電力が得られる…。 Arduinoのシールドには調度良い大きさかも。Seeedの ソーラー充電シールド と重ねるとか。 タカチのケースに入れて、屋外センサの筐体として加工してみた例。