Nanase
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https://github.com/Seeed-Studio/wiki-documents/issues
Seeed Studio XIAO SAMD21 を Nanase とともに始める
本ドキュメントは、@nanase_coder 氏による以下の記事を参考に作成しました： コインサイズ Arduino互換機 Seeed Studio XIAO SAMD21 を使ってみた Nanase さん、素晴らしい情報をありがとうございます！
ドキュメント
Seeeduino XIAO の使用に関するドキュメントは2種類あり、それぞれ異なる分野に焦点を当てています。以下の表を参考にしてください：
| Seeed によるドキュメント | Nanase によるドキュメント |
|---|---|
| ピン配置図 | インターフェース |
| Seeed Studio XIAO SAMD21 入門 | Seeed Studio XIAO SAMD21 と MicroSD カード（SPI） |
| Seeed Studio XIAO SAMD21 GPIO の使用方法 | Seeed Studio XIAO SAMD21 と GPS（UART） |
| Seeed Studio XIAO SAMD21 リソース | シングルサイクル IOBUS |
特徴
- ARM Cortex M0 + CPU (SAMD21G18) 48MHz
- 256 KB フラッシュメモリ、32 KB SRAM
- USB Type-C
- SPI、I2C、UART、DMA 対応
- コインサイズ（21mm x 17.8mm）
- ロジックレベル：3.3V
基板の裏面には部品がなく、すべてのピンがカステレートホール（半田付け用の穴）を備えているため、他の基板に簡単に半田付けできます。
部品リスト
- 1 x Seeeduino XIAO
- 2 x 7ピンヘッダー
- 4 x パスター
カステレートホール：
仕様
| 仕様 | |
|---|---|
| CPU | ARM Cortex-M0+ CPU(SAMD21G18)、最大48MHz（32.768 kHzから倍増） |
| ストレージ | 256KB フラッシュメモリ、32KB SRAM |
| I/O ピン | 14 GPIO ピン、11 アナログピン、11 デジタルピン、1 DAC 出力ピン |
| ピン機能 | SPI、I2C、UART、PWM、外部割り込み、SWD（パワーパッド） |
| ロジックレベル | 3.3V |
| LED | 1 ユーザー LED、1 電源 LED、シリアルポートダウンロード用の2つの LED |
| 電源 | USB Type-C インターフェース、背面のパワーパッド |
| サイズ | 21x17.8x3.5mm |
ご覧の通り、これは SAMD タイプの Arduino であり、Arduino MKR シリーズに似ています。そのため、これらのために書かれたライブラリは技術的に Seeed Studio XIAO SAMD21 でも使用可能です。一方で、Arduino Uno のような ATmega タイプの Arduino とは異なるため、ATmega の特定のレジスタに依存するライブラリは使用できません。
GPIO の14ピンは、側面の11ピン、リセットピン、背面の SWD（SWDIO、SWCLK）を指します。
ピン機能の UART は USB 経由のシリアルとは異なり、Serial1 を使用して操作できます。
ボードをリセットする
こちらを参照して、Arduino IDE に Seeed Studio XIAO SAMD21 を追加する方法を学んでください。
Seeed Studio XIAO SAMD21 にはリセットボタンがありません。その代わりにリセットパッドがあります。 このリセットパッドを短絡し、GND を適用することでボードをリセットします。
ブートローダーモード
プログラムがクラッシュしたり、スケッチをアップロードできなくなることがあります。この場合、ボードを2回リセットしてブートローダーモードに入ることができます。このモードでは、LED がゆっくり点滅し、Seeed Studio XIAO SAMD21 は USB メモリデバイスとして認識されます。シリアルポートは通常モードとは分離され、ボード上の以前のプログラムを実行せずに常にスケッチ書き込みモードになります。
ブートローダーモードから通常モードに戻るには、スケッチをアップロードするか、再度素早く2回リセットしてください。
PC が Seeed Studio XIAO SAMD21 を USB デバイスとして認識しない場合にブートローダーモードに入ると、LED が高速で点滅します。
LCD
オリジナルの Arduino と同様に、サンプルスケッチから Basics > Blink を選択してアップロードします。
void setup() {
pinMode(LED_BUILTIN, OUTPUT);
}
void loop() {
digitalWrite(LED_BUILTIN, HIGH);
delay(1000);
digitalWrite(LED_BUILTIN, LOW);
delay(1000);
}
オリジナルの Arduino とは異なり、LOW で点灯し、HIGH で消灯します。
点滅可能な2つの内蔵 LED
公式ウェブサイトでは、他の2つの内蔵 LED を「シリアルポートダウンロード用の2つの LED」と説明しています。しかし、回路図を見ると、これらの RX および TX LED に接続された物理ピンはありません。
USBCore.cpp を見ると、シリアル USB の送受信が発生するたびに digitalWrite によって点灯することがわかります。つまり、これら2つの LED はプログラム可能です。
uint32_t USBDeviceClass::recv(uint32_t ep, void *_data, uint32_t len)
{
if (!_usbConfiguration)
return -1;
#ifdef PIN_LED_RXL
if (rxLEDPulse == 0)
digitalWrite(PIN_LED_RXL, LOW);
rxLEDPulse = TX_RX_LED_PULSE_MS;
#endif
具体的なピン番号は、SAMD Arduino のように variant.h / variant.cpp に記載されており、Seeeduino XIAO の場合、以下のように 11 と 12 に割り当てられています。
#define PIN_LED_13 (13u)
#define PIN_LED PIN_LED_13
#define LED_BUILTIN PIN_LED
#define PIN_LED_RXL (12u)
#define PIN_LED_TXL (11u)
#define PIN_LED2 PIN_LED_RXL
#define PIN_LED3 PIN_LED_TXL
以下は、3つの LED を点滅させるスケッチです。RX と TX の LED は青色です。
void setup() {
pinMode(LED_BUILTIN, OUTPUT);
pinMode(PIN_LED2, OUTPUT);
pinMode(PIN_LED3, OUTPUT);
}
void loop() {
digitalWrite(LED_BUILTIN, HIGH);
digitalWrite(PIN_LED2, HIGH);
digitalWrite(PIN_LED3, HIGH);
delay(1000);
digitalWrite(LED_BUILTIN, LOW);
digitalWrite(PIN_LED2, LOW);
digitalWrite(PIN_LED3, LOW);
delay(1000);
}
インターフェース
USB CDC 経由のシリアル通信
ATmega 系の Arduino とは異なり、Seeed Studio XIAO SAMD21 のシリアル通信の実態は USB CDC です。つまり、通常のシリアル通信よりも高速に動作することが可能です。
そのため、Serial.begin(speed) でボーレートを指定しても意味はありませんが、それ以外は通常のシリアル通信と同様に使用できます。
速度の測定
このスケッチを使用して、Seeed Studio XIAO SAMD21 から PC への転送速度を測定しました。PC から Seeed Studio XIAO SAMD21 への転送速度も同じであるはずです。
横軸はバッファサイズ（Serial.write(buf, len) を使用して一度に送信するサイズ）です。
1 バイトずつ送信すると、0.11 Mbps（14.53 KB/s）しか得られませんが、64 バイトを送信すると、6.30 Mbps（805.86 KB/s）と大幅に高速化します。内部バッファのサイズが 64 バイトであることが推測されます。
上記のように、シリアル通信中に LED が点滅しますが、これによる速度低下はほとんどありませんでした。
SPI（MicroSD カード）
Seeed Studio XIAO SAMD21 のロジックレベルは 3.3V です。つまり、レベルシフタを使用せずに SPI 経由で microSD カードを扱うことができます。 SPI の一部の機能は ATmega 系 Arduino とは異なるため、詳細はこちらを確認してください。
ここでは、秋月電子の microSD カードスロット DIP キット を使用して microSD カードを読み取ります。
Arduino のサンプルコードを使用しますが、SD.begin(cs_pin) のパラメータには SS を指定します。variant.h によると、SS = 4 で、これは D4 / A4 / SDA ピンと同じです。もちろん、他のピンを指定することも可能です。
#include <SPI.h>
#include <SD.h>
File myFile;
void setup() {
Serial.begin(9600);
while (!Serial) ;
Serial.print("SDカードを初期化中... ");
if (!SD.begin(SS)) { // <-------------------------------- SS = D4/A4/SDA ピン
Serial.println("初期化に失敗しました！");
while (1) ;
}
Serial.println("初期化完了。");
myFile = SD.open("test.txt", FILE_WRITE);
if (myFile) {
Serial.print("test.txt に書き込み中...");
myFile.println("テスト 1, 2, 3.");
myFile.close();
Serial.println("完了。");
}
else
Serial.println("test.txt のオープンエラー");
myFile = SD.open("test.txt");
if (myFile) {
Serial.println("test.txt の内容:");
while (myFile.available())
Serial.write(myFile.read());
myFile.close();
}
else
Serial.println("test.txt のオープンエラー");
}
void loop() { }
結果:
SDカードを初期化中...初期化完了。
test.txt に書き込み中...完了。
test.txt の内容:
テスト 1, 2, 3.
I2C
I2C も利用可能です。3.3V デバイスはレベルシフタなしで直接接続できます。
今回は BME280 を使用して温度、湿度、気圧を測定しました。BME280 は 3.3V で動作するため、レベルシフタなしで接続可能です。Arduino と BME280 の接続に関する詳細な手順はこちらを確認してください。
#include <Wire.h>
#include "SparkFunBME280.h"
BME280 sensor;
void setup() {
Serial.begin(9600);
Wire.begin();
sensor.beginI2C(); // Wire を用いて I2C 接続開始
}
void loop() {
Serial.print("Temp: ");
Serial.print(sensor.readTempC(), 2);
Serial.print(" °C, Humidity: ");
Serial.print(sensor.readFloatHumidity(), 2);
Serial.print(" %, Pressure: ");
Serial.print(sensor.readFloatPressure() / 100.0, 1);
Serial.println(" hPa");
delay(5000);
}
結果:
温度: 22.05 °C, 湿度: 44.99 %, 気圧: 1009.0 hPa
温度: 22.05 °C, 湿度: 44.72 %, 気圧: 1008.9 hPa
温度: 22.06 °C, 湿度: 44.81 %, 気圧: 1008.9 hPa
UART
前述の通り、物理的なUARTピンはUSB CDCのピンとは異なります。Serial1はTXおよびRXピンを使用したシリアル通信に使用されます。
今回は、Seeed Studio XIAO SAMD21をGPS受信機キットに接続し、PCからNMEA情報を取得します。Xiaoを使用することで、GPSキットとPCシリアル間のブリッジとして非常に簡単な作業になります。
void setup() {
Serial.begin(9600);
Serial1.begin(9600);
}
void loop() {
if (Serial.available()) {
char c = (char)Serial.read();
Serial1.write(c);
}
if (Serial1.available()) {
char c = (char)Serial1.read();
Serial.write(c);
}
}
このたびはGPSFoxを使用してNMEA情報を閲覧します。座標は簡単に測定できます。
その他
DMA
SAMDタイプのArduinoの特徴の一つとして、XiaoではDMAを使用できます。DMAの詳細についてはこちらを参照してください。
シングルサイクルIOBUS
Cortex M0+ には、GPIO出力を1クロックサイクルで操作できるシングルサイクルIOBUSという機能があります。特定のレジスタに書き込むことで、論理の反転、ピンの無効化、またはピンのドライブ電流の変更が可能です。
DigitalWrite
digitalWriteを使ってパルスを生成することができます。これは、どのArduinoボードでも動作する方法であり、オーバーヘッドを繰り返すだけです。
void setup() {
pinMode(PIN_A7, OUTPUT);
}
#define P \
digitalWrite(PIN_A7, HIGH); \
digitalWrite(PIN_A7, LOW);
#define W P P P P P P P P P P P P P P P P
void loop() { W W W W W W W W W W W W W W W W }
Use Registers
You can also create a pulse by directly operating the register without using digitalWrite.
void setup() {
pinMode(PIN_A7, OUTPUT);
}
#define P \
digitalPinToPort(PIN_A7)->OUTSET.reg = digitalPinToBitMask(PIN_A7); \
digitalPinToPort(PIN_A7)->OUTCLR.reg = digitalPinToBitMask(PIN_A7);
#define W P P P P P P P P P P P P P P P P
void loop() { W W W W W W W W W W W W W W W W }
シングルサイクルIOBUSの使用
こちらで紹介されている IOBUS.h を使用します。
#include "IOBUS.h"
#define digitalPinToIOPin(P) ((g_APinDescription[P].ulPort << 5) + g_APinDescription[P].ulPin)
#define PIN_NUM digitalPinToIOPin(PIN_A7)
void setup() {
IOBUS::pinMode(PIN_NUM, OUTPUT, true);
}
#define P IOBUS::toggleOutput(PIN_NUM);
#define W P P P P P P P P P P P P P P P P
void loop() { W W W W W W W W W W W W W W W W }
| DigitalWrite | レジスタ操作 | シングルサイクルIOBUS | |
|---|---|---|---|
| 波形 |
|
|
|
| 周波数 | 333 kHz | 6 MHz | 24 MHz |
| パルス生成に必要なクロック数 | 144 | 8 | 2 |
ロジックは1サイクル（48MHz）で確実に反転できます。
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