フルカラー・デジタル時計の製作（３）

１０．RX220によるWS2813の点灯

　WS2813の使い方で示したような、パルス幅で'1'/'0'を表現する通信インタフェースを持っているマイコンは少ないと思います。RX220も持っていません。
　そこで、シリアル通信インタフェース（SCI）による、クロック同期方式の通信でLEDを駆動することにしました。その方法を以下に説明します。
　クロック同期方式のシリアル通信とは、下図のように文字通りクロックに同期して送受信する方式です（図では受信データは省いています）。同期のためのクロックが必要ですが、調歩同期方式と異なりスタートビットやストップビットなどがなく、正味のデータのみを高速で送受信できます。

　それを利用して、４ビット使ったビットパターンでLEDのデータを表すことにします。具体的には、'0001'（16進で１）で'0'を、'0111'（16進で７）で'1'を表し、同期クロックは使用しません。
　従って、８ビットのLEDデータを表すためには４倍の32ビット（４バイト）分の送信データを使用します。また通信速度も、800Kbpsを実現しようとすると、４倍の3.2Mbpsが必要です。
　注意すべき点は、WS2813にはb7から送信する必要があるのに対し、クロック同期方式の通信ではb0から送信されるということです。実は、設定によりb7から送信させることも可能なのですが、送信していない時TXDがHになってしまうことがあり、使用できませんでした。
　そのため、送信する１ビットを４ビットのパターンに変換しながら、b7からの送信となるように、プログラムで変換しています。
　下図は、クロック同期通信を利用して送信する仕組みを表しています。使用したRX220マイコンボードには20MHzの水晶発振子が載っていて、20MHzのクロックで動作可能です。しかし、これでは3.2Mbpsに近い通信速度が作れません。でも、25MHzで動かすことができれば3.125Mbpsの通信速度が作れます。その1/4は約781Kbpsであり、800Kbpsに近い満足できる速度だと思います。
　RX220は、水晶発振子を含め外部からクロックを与える場合、最大20MHzまでしか動作しません。でも幸いなことに、RX220には50MHzのオンチップオシレータが内蔵されていて、その1/2の周波数をクロックとして動作させることができます。つまり、25MHzのクロックで動作できます。それで3.125Mbpsを実現した場合、実際にLEDに送られる１ビット分の送信データのタイミングは下図に示すようになり、LEDの要求を満足できます。従って、この方法でLEDを駆動することにしました。
　また、RX220にはDMA（Direct Memory Access）機能があり、それを使うことによってCPUにあまり負荷をかけず（プログラムによらず）高速にデータを送信することができます。　

１１．回路

　下記に制御基板と表示基板の回路図を示します。

　・制御基板の回路図

　・表示基板の回路図

　制御基板は、E1エミュレータ用のコネクタを備えていて、プログラムのデバッグやフラッシュROMへの書き込みができます。シリアルポートもコネクタに出していますので、ここからもプログラム書き込みができます。
　電源は、DCジャックに接続した外部のACアダプタ（DC5V 2A）から供給するので、よりシンプルな回路になっています。
　RTC（Real Time Clock）は、セイコーエプソンのRX-8025NBを使用しています。精度も月差約13秒（周囲温度25℃時）と、かなり高精度です。さらに、温度変化による周波数のずれを補正するため、調整用のレジスタも内蔵していますが、今回は温度センサーがないので使用していません。
　RX-8025NBは、秋月電子通商でDIP変換基板に載ったものが販売されているので、それを使用しました（下写真）。なお、RTCは電源OFF中でも動作している必要があるので、1F（ファラド）の電気二重層コンデンサーでバックアップしています。

　EEPROM（Electrically Erasable Programmable Read-Only Memory）は、設定の保存のために使用しています。RX220はデータ格納用のフラッシュメモリを内蔵しているのですが、容易に使えるEEPROMの方を使っています。AT24C256Bは256Kbit（32Kbyte）の容量がありますが、設定の保存にそれほど必要ありません。小容量のものより入手が容易だったので使用しました。
　表示基板は、先に説明したように39個のカラーLEDを数珠繋ぎにしたものです。回路自体は、WS2813の資料にあった標準的回路そのままです。なお、回路図には100μFの電解コンデンサーが描かれていますが、基板固定の邪魔になるので実装していません。
　表示基板には、周囲の明るさを測定するためのフォトトランジスタNJL7502Lも実装するようになっています。

１２．基板の製作

　次の写真と図が、2.54mmピッチのユニバーサル基板を使用して製作した制御基板です。部品点数が少ないのと、RTCとEEPROMをマイコンボードの下に入れたことで、このサイズにできました。

部品配置と寸法

　操作スイッチはケース上部から操作するので、横向きの小型押しボタンスイッチ（北陸電気工業KSMC633A）を基板上側のフチに並べて実装します。ただ、このスイッチの金属フレームのピンは2.54mmピッチに合わないため、少し広げて差し込む必要があります。この金属フレームはGNDに接続します。
　写真で基板固定穴の一つに付いているラグ端子は、以降で説明する基板取り付け板をGNDに接続するためのものです。基板をラグ端子と共にビス固定すれば、スペーサーを通して取り付け板をGNDに接続できます。

注意：回路図では入っていませんが、制御基板から出力される表示基板への電源VCCに、数十μHのチョークコイルを入れるとノイズを低減できます。

　表示基板は、このデジタル時計のために製作した、左の専用プリント基板を使用しています。もしユニバーサル基板を使った場合、表面実装用のLEDを７セグメントの形に実装するだけでも手間がかかる作業になります。この専用基板を使うことで、LEDの実装が容易になるだけでなく、以降で説明する７セグメントの表示型を基板に密着しやすくすることができます。
　表示基板で使用する抵抗とコンデンサーはチップ部品（表面実装部品）です。大きさは共に2.0×1.2mmのもので、手はんだで付けることを考慮してこの大きさとしました。
　下図は表示基板の寸法図です、ただし、位置関係を示すために各セグメントの輪郭線や、カラーLEDの図も含んでいます。LEDの向きは２種類あります。

注意：この専用表示基板は、フルカラー・デジタル時計のために筆者が製作したもので、市販されているものではありません。

　左の写真は、表示基板にLEDやフォトトランジスタなど全ての部品を取り付けたところです。抵抗・コンデンサーやコネクタは裏面のため見えません。
　なお、この基板で作る７セグメント表示器は、製作を容易にするため文字を斜体にしていませんが、違和感はないと思います。
　写真ではわかりにくいですが、フォトトランジスタは、先端が基板から9mmの位置になるよう、シリコンチューブなどをスペーサーにして取り付けます。できるだけ前面になるようにしないと、うまく明るさを測定できません。

※表示基板の組み立てについてこちらも参照してください。