自作キーボード (ツール編)

先に Windows でテストプログラムを作る話を書いた。今回は、ライタとかデバッグ環境をどうするかについて。

長らく AVR の電子工作から離れていたが、いろいろ状況が変わっている。

ちょっと調査。

・ATtiny45を使ったUSB-I2Cブリッジ

ここを見ると、
・USB-TINY-I2Cプロジェクト
というのがあり、USBtiny に I2C マスター機能をくっつけたもののようだ。

USBtiny には、ISP ライタ の機能があり 、avrdude でサポートされている。... となると、ファームウェアを 書き込んで そのまま I2C キーボード のテストまでできる 可能性が。

その上、水晶を使わない V-USB ...
・EasyLogger
というプロジェクトがあり、 合わせることも出来るという話。

水晶を使わない V-USB というのは、相当に不安があるが、全部出来たあとに試してみるのも良いかも知れない。水晶なしで安定して動くのであれば、ATtiny88 版などにはありがたい。それはともかく、USB-TINY-I2C　をツールとして採用してみようかと。

・FabISP

実は、aliexpress で 見つけて これを購入してある ($1.62：ATtiny44 で検索) 。なんかコンパクトで、良さそうな感じ。micro usb だし、設計が最近のようだ。良く調べないで買ったのだが、調べてみると...　FabISP というものであった。

ファームウェアのソースコードもある。まずはこれを USB-TINY-I2C と合わせることを検討したい。


A000092, Arduino ISP - Development Kit is a Tiny AVR-ISP based on David Mellis Project FabISP
Reference Design using part ATtiny44A-MUR by Arduino Corporation

aliexpress のものは、USB コネクタを変えた派生版だが、ほかの派生版には Arduino のリファレンスデザインと言うものがある。ちょっと驚いた。

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tcc-win32

少しコードを書いてきたが、どうやってテストしよう？

AVR の USBasp かその手のライタに、I2C ブリッジ機能を持たせるという方向で検討しているのだが、今回は Windows 側 の アプリの話。

実をいうと Windows 10 になってから、開発環境を インストールしていない。一から構築である。普段使いのノーパソの Disk 容量が小さいので、入れるにしても容量が気になる。また、WindowsUpdate のために クリーンインストールを何度かしている。

今回 Windows でもちょっとしたものは、作りたいのだが、最小の環境でというのを考えている。

最小のコンパイル環境 tcc-win32
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自作キーボード ソフト編(3)

ソフト編(1)(2) の実装編である。

今まで書いてきたことをコードにしたのが、これ
　・i2ckbd-0.0.zip
コンパイルが通っただけで、動くはずもない状態だが、現状はサイズの見積もりが最重要。
念のためコンパイル環境を明記しておく
　・ WINAVR-20100110
である。なんか古いのだが、使うチップも古いし。

(追記) rm とかのコマンドがエラーになったり、使いにくいので変更
　・ avr-toolchain-installer-3.4.1.1195-win32

make すると

avr-gcc -I.  -mmcu=attiny2313 -Wall -DF_CPU=8000000UL \
    -Os -fsigned-char -c  i2ckbd.c
avr-gcc -I.  -mmcu=attiny2313 -Wall -DF_CPU=8000000UL \
    -Os -fsigned-char -c  usi.c
avr-gcc -mmcu=attiny2313 -Wl,-Map=i2ckbd.map i2ckbd.o usi.o    -o i2ckbd.elf
avr-objcopy -O ihex -R .eeprom  i2ckbd.elf i2ckbd.hex

   text    data     bss     dec     hex filename
   1966       0      69    2035     7f3 i2ckbd.elf

こうなった。なんと！ ATtiny2313 に入ってしまった。しかしかなり微妙。
また、RAM が厳しい。全部で 128 しかないが、69 バイトを消費している。割り込みを使うので、レジスタ全部退避みたいなところがあり、多分スタックオーバーフローを起こす。
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自作キーボード ソフト編(2)

次は、I2C デバイスの処理である。当初 USI だけ対応する予定だったのだが、TWI にも対応することになった。これについても、だらだら書いてきたものがあるのだが、改めて検討する。

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謎ＰＣ構想

今までいろいろやったことを、レトロなパソコン風に仕上げたい。考えがまとまってくるにつれ、なんだか、APPLE II みたいな感じのものを目指す雰囲気になって来た。


ちょっと調べて、基板の写真を入手。 長辺を 1000 とすると 短辺は 567 。メインボードは、100mm x 56.7mm に決めた。実際の APPLE II は、大きなスイッチング電源が左側にある。正確なサイズはちょっと分からないのだが、幅 25mm の電源ボードもくっつけてしまって 100mm x 82.7mm にしようと思う。



イメージを固めようと描いたもの。本体の方は、まだあまり考えていない。（Nanopi-DUO か ESP32） + FPGA　程度で キーボードと NTSC 出力が付くということだけ決めた。 Nanopi-DUO とか載ることは載るのだが、コネクタが相対的にでかい。-- イーサは無理。USB も不格好になりそうな感じ。

そんなことよりも、重要なのは 拡張スロットである。これがあってのレトロ・パソコン。なにか載せたい。サイズ的には、7x1 のピンソケットを 8 列付けると それらしくなると思うのだが、間隔が狭すぎて、本当にかざりにしかならなさそう。というわけで、7x2 を 4 つである。

なにか載せたい。と言っても何も決まっていない。そこから考えていこう。

自作キーボードは、これに使うのが本当の目的だったのである。

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自作キーボード ソフト編(1)

どのようなコードを作るかについて書いてきたが、これも良くわからなくなっている。仕切り直しであらためて書こうと思う。

ソフト編(1)では、キースキャン側の処理について。I2C や V-USB のインターフェイスについては別途。



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自作キーボード (HWまとめ)

Linux SBC に添える小さなキーボードを作ろうとしているのだが、だらだらと書いてきて自分でも分からなくなったので、まとめようと思う。

レイアウト (一応確定)

これでいこうと思う。太字の右はシフト。右上は FN キーを押したとき。
　-- ◇は カーソルの４キー。
　-- SysRQ は、"Print Scr" になるかも知れない。
　-- QWER に割り当てがあるが、 最初の版にない、ESC と \ の代替。
　-- FN+R は、SCANCODE1, HID では無理かも。FN＋SHIFT+E

マトリックス (確定)

      ROW1  ROW2  ROW3  ROW4  ROW5  ROW6  ROW7  ROW8   
COL1    1    TAB  CTRL   ALT   BS     ]   ENTER  ESC
COL2    2     Q     A     Z     =     [     '    SHIFT
COL3    3     W     S     X     -     P     :     /
COL4    4     E     D     C     0     O     L     .
COL5    5     R     F     V     9     I     K     ,
COL6    6     T     G     B     8     U     J     M
COL7    7     Y     H     N     \    FN    SP2   SP3


発注したキーボードが 2 種類あって、さらにもう一つ検討中であるが、同一である。
　-- COL に L レベルを出力し、ROW 側で読み取る。
　-- 特殊キーは、ダイオードを入れて 同時押しをサポート。
　-- version 1 には、ESC と \ がない。(ファイルを修正はした)

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圧着ペンチ

ピンヘッダ用の ケーブルがいろいろ売っているが、コネクタは、"Dupont terminal" というものらしい。メス(female) 以外に オス (male) もある。

秋月だと ケーブル用コネクタ、ＴＪＣ８コネクター として売っている。ちょっとお高いのだが、金フラッシュだかの処理がされている。aliexpress だと かなり安いものがある("dupont terminal female" で検索)。

このコネクタどうやってカシメるのか、恥ずかしながら詳しくは知らなかった。ラジオペンチで潰しておいてハンダ付けするとかしていたのだが、ケーブルを固定するのが面倒だったり、熱で皮膜が溶けてしまったり。これは、当然ながら 専用の工具がある。 英語では、"climping plier"。


aliexpress で検索したところ、"SN-28B" と "SN-48B" が 該当するらしい。"SN-28B" は、ダイの形状のことらしく、0.25 0.5 1.0 の 3つの大きさで AWG 28-18 に対応し、 "SN-48B" は、0.5 1.0 1.5 の 3つで AWG 26-16 に対応。横から見ると段差があり、皮膜の方も一気にカシメるもののようだ。

0.25  AWG 24-26-28 
0.5   AWG 22-24-26
1.0   AWG 18-20-22
1.5   AWG 16-18-20

こういうことだろうか？


"climping plier　SN-48B" で検索すると、それに応じたプライヤーが見つかる。どれもこれも同じ形であり、ダイも交換可能のように思われる。


ちなみに、普通の電工ペンチは、1.5 2.5 5.5 の３つが多いようだ。

線材だが、ファーストン端子(小)やキボシには、AWG 18 〜 20 を使うらしい。"Dupont terminal" には、AWG 24 が普通。せいぜい 22 まで。ということは、0.5 があれば良い。

         直径             断面積     最大電流
AWG 16 	1.291 mm 	1.309  mm2  22A
AWG 18 	1.024 mm 	0.8226 mm2  16A
AWG 20 	0.8118 mm 	0.5174 mm2  11A
AWG 22 	0.6438 mm 	0.3256 mm2  7A
AWG 24 	0.5106 mm 	0.2047 mm2  3.5A

こういうことなので、SN-48B あたりが良さそうである。

さて、"Dupont terminal" だが、 両端あるいは、片側にコネクタだけ圧着したケーブルも売っている("dupont wire"　で検索)。ただ、両端 1P のケーブルの方が安いかも知れない。あるいは、10cm などにカットしハンダ処理をしたブレッドボード用ワイヤ("jumper wire 130pcs" で検索)。これらは、いろいろな色がセットになっていて、少量買うのに都合が良い。

1P のケーブルは、外してハウジングに付けなおすことが出来そうだ。めんどくさいなら、テープで巻いて使う手もある。自分で気軽に作れるのであれば、ブレッドボード用ワイヤが一番良いかも。

ワイヤーストリッパーは、ダイソーの 200円のものが使いやすいらしい ーというのを見て買ってみた。確かに便利そうである。

ハウジングは、最近秋月で扱いだした。安いものであるが、ハウジングのみのセットも aliexpress で安価で買える。

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付録 aliexpress 価格調査
・1pin メス-メス ケーブル 10cm 40本 $0.59
・Dupont Housing sets 115pcs set $2.12
・Dupont Female Terminal 100本 $0.59
・Breadboard Jumper Cable set (24AWG) 130本 $1.40

10cm で間に合うならば、1pin ケーブルを買うのがコスパが良い。決まった型のハウジングに収めたいならば ＋ハウジングだけのセットで十分。

キーパッドめも

操作用のキーパッドを付けたい場合どうしたら良いかという話。1〜3 個ぐらいなら直結すれば良いわけだが、それ以上の場合。ただし、キーボードはまた別の話とする。

1) パラレル入力シフトレジスタ



74HC165 (など) を 1つまたは 2つ使って 〜8個 または 〜16個のキーを入力する。このやり方は FPGA で扱うには実に簡単そうである。また、このやり方は、ファミコンやスーファミのコントローラで採用されている。

ファミコンは、CD4021B などが使われているが、74系165でも機能は同じである。また、入力はプルアップ。ボタン押下で L になるようにする。新規で作るのであれば、今は 74LV165A がある。ただ、tiny2313 で同じ機能を作ったほうが安上がりな上、機能拡張も可能。ただし、クロックは、6us でトグルされるので、適当なコードではまずい。

操作用といっても似たようなものになるわけだから、いっそのこと、そのものを使ってしまっても良いかも知れない。

＜ 7 6 5 | 4 3 2 1 ］
1 VCC , 2 CLK, 3 P/S,4 DATA,7 GND
こういう接続らしい。(ケーブルの信号が 5本なので、他は NC ？)

P/S を H にして、ボタンの状態を取り込む。(ボタンを押せばＬ)
P/S を L にすると 取り込んだデータを シフトするモードになる。CLK の立ち上がり でシフト。
出力されるデータは、負論理で B,Y,SELECT,START,UP,DOWN,LEFT,RIGHT,A,X,L,R の順。


165 では SH/~LD の論理がP/S と逆で L にしたときの値を取り込むので注意。

なお、実機では 60Hz でスキャンしているとのこと。


ハードオフでジャンクを買える可能性もあるが、未だに、サードパーティーの コントローラも 本体側コネクタや延長ケーブルも aliexpress で売っている。

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高速通信の検討

FPGA で、高速通信をしてみたいと書いた。それについてのメモ：

世の中のインターフェイスは、みな数Gbps になってしまった。SATA が 6Gbps, USB が 5Gbps , イーサネットは 1Gbps だが、同じ RJ45 のタイプで、2.5/5 Gbps もある。そんなものは、(安物の FPGA) では 扱えない。たとえ扱えたとしても、電子工作では電気特性的に無理だろう。

映像系の一方向通信では、HDMI 2.0 が 18Gbps ! カメラインターフェイスの CSI-2 とかも G2a - 2.5 Gbps/G2b - 2.9 Gbps 。

どれもこれも、電子工作では手も足も出ない感じ。しかも普及しているから安価に使えるのである。電子工作の出番はない。

では、電子工作で扱えるレベルは、どれぐらいなのだろうか？続きを読む