Manchester Decoder Using the CLC and NCO

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えのかなり
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1 注意 : この日本語版文書は参考資料としてご利用ください最新情報は必ずオリジナルの英語版をご参照願います AN1470 CLC と NCO を使ったマンチェスタデコーダ著者 : 概要 PIC16F150x が内蔵する CLC( 構成可能なロジックセル ) と NCO ( 数値制御オシレータ ) を使うとマンチェスタデコーダを構築できます PIC16F150x は低消費電力 XLP 技術に対応したエンハンストコアを実装したデバイスですデコーダはファームウェアのサポートをほとんど必要としないためモジュールの初期化後に必要な CPU サイクルはごくわずかですデータとクロックを内部 SPI モジュールに供給し最大 500 kbps でデータをキャプチャできますはじめに Jatinder Gharoo Brian Bailey Microchip Technology Inc. マンチェスタエンコードは通信およびデータストレージアプリケーションで幅広く使われています広く採用されている理由はその単純さと同期が取りやすいというメリットです全てのビットで少なくとも 1 回は遷移が保証されているため受信デバイスはクロックとデータを復元できますこの方式は DC 成分がゼロのため誘導性または静電容量性の結合が可能です一般的なアプリケーションではデータ送信に使うマンチェスタエンコーダと受信に使うデコーダが必要です本書では PIC16F が搭載する NCO と CLC 周辺機能をマンチェスタデコーダとして使う方法を示します従来のアルゴリズムでは CPU 時間を使い過ぎてアプリケーションの他のニーズに応えるための CPU 時間がほとんど残らない事もありました以下に示す手法では CPU クロックから独立して動作するモジュールを使うとともに CPU 使用率がゼロであるためデータのエンコード / デコードがアプリケーションの処理を阻害しませんエンコードの規格に応じてデータはビット期間の前半または後半に得られます業界で使われているマンチェスタエンコード信号には 2 つの規格があります G.E. Thomas 方式マンチェスタエンコード信号 ( 図 1) では 0 を Low から High への遷移 1 を High から Low への遷移によって送信します図 1: マンチェスタエンコードデータ (G.E. Thomas 方式 ) IEEE 準拠のマンチェスタエンコード信号 ( 図 2) は G.E. Thomas 方式とは逆に 0 を High から Low への遷移によって送信します図 2: マンチェスタエンコードデータ (IEEE 準拠 ) 2013 Microchip Technology Inc. DS01470A_JP - p.1

2 構成可能なロジックセルここでは PIC16F150x マイクロコントローラの CLC モジュールを使ったマンチェスタデコーダの実装について説明します構成可能なロジックセル (CLC) は CPU 実行の制約を受けずに動作するプログラマブルロジックを提供します CLC を使うと選択可能な単一出力ロジック機能を駆動する構成可能なゲートによって他の周辺モジュール入力ピンレジスタビットからの信号を多重化できます各 CLC モジュールの出力はチップ内部で周辺モジュール他の CLC モジュール出力ピンに接続できます以下の 8 つをはじめ各種ロジック機能を構成できます AND-OR OR-XOR AND S-Rラッチセット / リセット付き D フリップフロップリセット付き D フリップフロップリセット付き J-K フリップフロップセット / リセット付き透過ラッチ図 3 にロジック機能を示します各ロジック機能は 4 入力 1 出力です 4 つの入力は前段の 4 つのデータゲート出力です CLC コンフィグレーションツール CLC はあらかじめプログラムしておく事も動的に構成する事もできる複数の組み合わせおよび順序回路を収めた周辺機能です柔軟性が高くパワフルな反面構成と設定は複雑ですマイクロチップ社が提供する CLC コンフィグレーションツールを使うとモジュールの設定が簡単です未接続の入力があるゲートは全てロジック 0 として読み出される事に注意してくださいゲートまたはラッチへロジック 1 を入力するには 0 を反転しますツールのスクリーンショットは補遺 A を参照してください DS01470A_JP - p Microchip Technology Inc.

3 図 3: CLC 機能 AND - OR OR - XOR lcxg1 lcxg1 lcxg2 lcxg3 lcxq lcxg2 lcxg3 lcxq lcxg4 lcxg4 LCxMODE<2:0>= 000 LCxMODE<2:0>= Input AND S-R Latch lcxg1 lcxg2 lcxg3 lcxg4 lcxq lcxg1 lcxg2 lcxg3 lcxg4 S R Q lcxq LCxMODE<2:0>= 010 LCxMODE<2:0>= Input D Flip-Flop with S and R 2-Input D Flip-Flop with R lcxg4 lcxg2 D S Q lcxq lcxg4 lcxg2 D Q lcxq lcxg1 lcxg3 R lcxg1 lcxg3 R LCxMODE<2:0>= 100 LCxMODE<2:0>= 101 J-K Flip-Flop with R 1-Input Transparent Latch with S and R lcxg2 J Q lcxg1 lcxg4 K R lcxg3 LCxMODE<2:0>= 110 lcxq lcxg4 lcxg2 D S Q lcxq lcxg1 LE R lcxg3 LCxMODE<2:0>= Microchip Technology Inc. DS01470A_JP - p.3

4 数値制御オシレータ (NCO) 図 4 に示す NCO モジュールは 16 ビットインクリメントレジスタを使って 20 ビットアキュムレータに加算し入力周波数を分周するタイマです NCO が最も効果を発揮するのは固定デューティサイクルで周波数精度と高分解能が必要なアプリケーションです NCO には以下の特長があります 16 ビットインクリメント機能固定デューティサイクル (FDC) モードパルス周波数 (PF) モード出力パルス幅制御複数のクロック入力源出力の極性制御割り込み機能図 4: NCO のモジュール図 Increment 16 (1) Buffer 16 Interrupt event Set NCOxIF flag NCO1CLK D Q NCOxOUT To CLC, CWG LC1OUT FOSC HFINTOSC NxEN Accumulator 20 Overflow NCOx Clock Q 0 1 NxOE TRIS Control NCOx NxCKS<2:0> Overflow S Q NxPFM NxPOL R Q NCOx Clock Ripple Counter 3 NxPWS<2:0> Reset Note 1: インクリメントレジスタは最初に NCOx モジュールを無効化しなくとも値を変更できるようにダブルバッファ構成を採用していますここでは参考のために示していますこのバッファにはユーザはアクセスできません NCO の重要な特長の 1 つとしてアキュムレータがオーバーフローするごとにパルス出力を生成する機能があります出力は指定されたクロック期間アクティブになりますクロック期間が終了すると出力は非アクティブ状態に戻ります DS01470A_JP - p Microchip Technology Inc.

5 マンチェスタデコーダこのセクション以降で説明する手法は図 1 に示した G.E. Thomas 方式のマンチェスタエンコードに基づくものですこの方法は柔軟であり IEEE に簡単に移植できます最初の遷移に対してはモジュールのアイドル状態マイクロコントローラピンの電源投入時設定最初の受信ビット ( エンコード方法に応じた遷移 ) に基づいて複数の実装方法があり検討が必要です起動時とアイドル時の状態はセクション同期で説明します CLC モジュールは非常に柔軟であり各モジュールの入出力極性を個別に反転する事で多様なシナリオに適用できます NCO モジュールのアイドル状態もソフトウェアで制御できます以下に説明する方法はデータが各ビット期間の前半で得られる事を前提としています G.E. Thomas 方式でエンコードされた以下のビットストリームを例として取り上げます ( 図 5) この信号は図 6 に示すようにクロックラインとデータラインにデコードされます図 5: エンコードされたビットストリーム図 6: データラインとクロックラインこのビットストリームで注目すべき点は 2 つありますビット値が各ビット期間の前半ビット中間遷移より前に存在する事と各ビット期間の中間で遷移が発生する事ですこのビット中間遷移によって NCO をトリガし 3/4 ビット期間を使ってオーバーフローさせる事で次のビット値をキャプチャできます ( 図 7) この 3/4 ビット期間によって最大 ± 1/4 ビット期間の誤差が許容されます図 7: データキャプチャ 2013 Microchip Technology Inc. DS01470A_JP - p.5

6 この構成からクロックを抽出するには OR-XOR コンフィグレーションの CLC モジュールを使います ( 図 8) 図 8: クロックの抽出これは実質的には CLC OR-XOR をクロック D をデータとするマンチェスタデコーダです D からのデータキャプチャにクロック信号の立ち上がりエッジを使え図 9: マンチェスタデコーダば全てのビットがデコードされますが最初の 1 ビットだけはデコードされませんこの問題を解決できる方法は何通りかありセクション同期で説明します上記のタイミング図 ( 図 9) は以下のモジュール図 ( 図 10) の回路でデコードできますこの図では以下の 5 段を示します第 1 段 - 受信マンチェスタ信号第 2 段 - NCO がトリガされた時に入力データをキャプチャする D フリップフロップ第 3 段 - NCO の起動タイミングを与える XOR ゲート第 4 段 - NCO にクロックを供給し 3/4 ビット期間の全期間確実にクロッキングされるようにする AND-OR ゲート第 5 段 - 前ビットのビット中間遷移時に起動し 3/4 ビット期間を生成する NCO DS01470A_JP - p Microchip Technology Inc.

7 図 10: デコーダ全体のモジュール図 CLC4 CLC2 CLC1 Data Out Data In D S Q1 R FOSC CLK NCO OUT Clock Out PIC16F1509 への実装 PIC16F1509 への実装方法を説明します特定のビット期間を生成する NCO と組み合わせロジックを実装するための 4 つの CLC モジュールを内蔵しています以下のセクションではこのデバイスが内蔵するリソースを用いたこれらのモジュールの実装について説明します第 1 段 - D フリップフロップ (CLC4) この段はクロック信号の立ち下がりエッジでマンチェスタデータをラッチしますこの出力はマイクロコントローラに供給される復元データですデコードされたデータはクロックの立ち下りエッジでサンプリングされていますがクロックの立ち上がりエッジで安定して読み出す事ができますデータラインはクロックの立ち上がりエッジでは決して変化しないためですこれら 2 つのモジュールはデコーダ内で最も重要な要素ですこれらは第 2 段から出力される立ち上がりエッジごとに固定長のパルスを生成します第 2 段の出力が 0 に遷移した場合もオーバーフローするまで NCO がクロッキングを継続するように NCO の出力を AND-OR ゲートに戻しますデバイスは構成される際に 3/4 ビット長のパルスを 1 つ出力しますこれは NCO をアクティブ Low 状態に移行させるために必要です NCO はアクティブになると NCOCLK レジスタで設定された出力パルス幅クロックを待機します * クロック源が供給された時点でアクティブパルスを終了しカウントを再開します * 設計のヒント : NCO をクロック源から切り離してアクティブ状態に保持すると NCO のデューティサイクルを制御できます第 2 段 - XOR ゲート (CLC2) マンチェスタエンコードでは各ビットの中央での遷移が保証されているため XOR ゲートによってビット中間遷移ごとに第 3 段で使う立ち上がりエッジを確保できますこれはデコーダを各ビットの中央で同期させている事を意味します第 3 段 - NCO + AND-OR (CLC1) PIC16F1509 はデータ値をキャプチャするための 3/4 ビット期間の生成に使う NCO モジュールを内蔵しています NCO は 3/4 ビット期間が経過した時点でパルスを出力するためにアクティブ Low のパルス周波数モードで使いますパルス幅は特殊機能レジスタで制御しますこのモジュールには指定されたクロック速度でアキュムレータに一定の値を繰り返し加算するためのクロック源も必要ですこれは CLC1 から供給されます 2013 Microchip Technology Inc. DS01470A_JP - p.7

8 図 11 に 25 khz のマンチェスタデータ入力の例を示します 25 khz の場合のビット期間は 40 s ですこれはデータをキャプチャし NCO クロックを抽出されるクロックの立ち上がりエッジに同期させるために 3/4 ビット期間として 30 s を生成する必要がある事を意味します図 11: ビットタイミング NCO を構成するにはマイクロチップ社ウェブサイトに掲載している PIC16F1509 のデータシートの式 25-1 を参照してください式 1: F overflow = NCO Clock Frequency * Increment Value 2 n = 16 MHz Internal Clock F osc * Increment Value n = アキュムレータの幅 ( ビット ) 30us pulse = khz = MHz * Increment Value 2 20 Increment Value = 2184 = 0x0888 NCO はパルス周波数モードで使いますこのモードではアキュムレータがオーバーフローするたびにあらかじめ設定されたクロック周期数の間出力がアクティブになります NCO をアクティブ (Low) 状態に保持するにはこれらのクロックを NCO から切り離す事を忘れないでくださいその後クロックは次のパルスに加えられます DS01470A_JP - p Microchip Technology Inc.

9 同期ここまでの説明では最初のエッジがビット中間遷移である事を前提としていました問題は最初のビット中間遷移から 3/4 ビット長が経過した時点では既にデータの最初のビットを捉え損ねている事ですこの問題には複数の解決方法がありますまず最も簡単なのは最初のビットが既知であるデータを受信する方法ですデータを読み出した後でこのビットをマスクするだけで済みますもう 1 つは最初にスタートビットを送信する方法ですスタートビットは最初のビットが送信される 1/2 ビット長前に発生させ残りのデータがビット中間遷移に同期できるようにする必要がありますエンコードされたデータラインを既定値の状態に戻すためにストップビットが必要になる場合があります図 12 にデコーダ内の各段の波形タイミングを再度示しますスタートビットとストップビットがあるため最初と最後のクロックにはデータが含まれませんソフトウェアフィルタによって取り除く必要がありますこれは状態変化割り込み ( スタートビットでトリガ ) 機能を使ってから SPI または UART に入力する事で実現できますまたは Bit-Bang を使っても簡単です図 12: マンチェスタデコーダタイミングチャート 2013 Microchip Technology Inc. DS01470A_JP - p.9

ハードウェアアプリケーション CLC モジュールには各種入出力があります図 13 にデコーダを適切に動作させるために 3 つのモジュールをどのように接続するかを示します図 13: 外部ピン接続を含むモジュール図まとめ本書では CLC モジュールを使ったマンチェスタデコーダの実装方法を説明しました選択した実装方法では NCO と 3 つの CLC モジュールを使いました

10 ハードウェアアプリケーション CLC モジュールには各種入出力があります図 13 にデコーダを適切に動作させるために 3 つのモジュールをどのように接続するかを示します図 13: 外部ピン接続を含むモジュール図まとめ本書では CLC モジュールを使ったマンチェスタデコーダの実装方法を説明しました選択した実装方法では NCO と 3 つの CLC モジュールを使いましたシリアルデータとクロックはデータ復元のために SPI モジュールまたは UART に供給するか必要に応じて Bit-Bang を使えます選択した実装方法ではマンチェスタデコードはごくわずかな CPU サイクルしか使わないため他のタスクの処理が阻害される事はありませんバイトとバイトの間はデバイスをスリープに保持する事で省電力が可能です CLCモジュールを効率的に使えるアプリケーションは他にも数多く存在しますマンチェスタエンコードおよびデコードはそれらの一例に過ぎません PIC16F1509 上のエンハンストミッドレンジ 8 ビットコアはマイクロチップ社の超低消費電力 XLP 技術を採用し幅広いアプリケーションに適しています DS01470A_JP - p Microchip Technology Inc.

11 参考文献 Wikipedia: デバイスデータシート : Microchip Technology Inc. DS01470A_JP - p.11

12 補遺 A 図 14: CLC 1 (AND-OR) 図 15: CLC 2 (D フリップフロップ ) DS01470A_JP - p Microchip Technology Inc.

13 図 16: CLC4 (D フリップフロップ ) 2013 Microchip Technology Inc. DS01470A_JP - p.13

14 図 17: デコードされたデータ DS01470A_JP - p Microchip Technology Inc.

15 マイクロチップ社製デバイスのコード保護機能に関して以下の点にご注意くださいマイクロチップ社製品は該当するマイクロチップ社データシートに記載の仕様を満たしていますマイクロチップ社では通常の条件ならびに仕様に従って使用した場合マイクロチップ社製品のセキュリティレベルは現在市場に流通している同種製品の中でも最も高度であると考えていますしかしコード保護機能を解除するための不正かつ違法な方法が存在する事もまた事実です弊社の理解ではこうした手法はマイクロチップ社データシートにある動作仕様書以外の方法でマイクロチップ社製品を使用する事になりますこのような行為は知的所有権の侵害に該当する可能性が非常に高いと言えますマイクロチップ社はコードの保全性に懸念を抱いているお客様と連携し対応策に取り組んでいきますマイクロチップ社を含む全ての半導体メーカーで自社のコードのセキュリティを完全に保証できる企業はありませんコード保護機能とはマイクロチップ社が製品を解読不能として保証するものではありませんコード保護機能は常に進歩していますマイクロチップ社では常に製品のコード保護機能の改善に取り組んでいますマイクロチップ社のコード保護機能の侵害はデジタルミレニアム著作権法に違反しますそのような行為によってソフトウェアまたはその他の著作物に不正なアクセスを受けた場合デジタルミレニアム著作権法の定めるところにより損害賠償訴訟を起こす権利があります本書に記載されているデバイスアプリケーション等に関する情報はユーザの便宜のためにのみ提供されているものであり更新によって無効とされる事がありますお客様のアプリケーションが仕様を満たす事を保証する責任はお客様にありますマイクロチップ社は明示的暗黙的書面口頭法定のいずれであるかを問わず本書に記載されている情報に関して状態品質性能商品性特定目的への適合性をはじめとするいかなる類の表明も保証も行いませんマイクロチップ社は本書の情報およびその使用に起因する一切の責任を否認します生命維持装置あるいは生命安全用途にマイクロチップ社の製品を使用する事は全て購入者のリスクとしまた購入者はこれによって発生したあらゆる損害クレーム訴訟費用に関してマイクロチップ社は擁護され免責され損害を受けない事に同意するものとします暗黙的あるいは明示的を問わずマイクロチップ社が知的財産権を保有しているライセンスは一切譲渡されません商標マイクロチップ社の名称とロゴ Microchip ロゴ dspic FlashFlex KEELOQ KEELOQ ロゴ MPLAB PIC PICmicro PICSTART PIC 32 ロゴ rfpic SST SST ロゴ SuperFlash および UNI/O は米国およびその他の国におけるマイクロチップテクノロジー社の登録商標です FilterLab Hampshire HI-TECH C Linear Active Thermistor MTP SEEVAL Embedded Control Solutions Company は米国におけるマイクロチップテクノロジー社の登録商標です Silicon Storage Technology は他の国におけるマイクロチップテクノロジー社の登録商標です Analog-for-the-Digital Age Application Maestro BodyCom chipkit chipkit ロゴ CodeGuard dspicdem dspicdem.net dspicworks dsspeak ECAN ECONOMONITOR FanSense HI-TIDE In-Circuit Serial Programming ICSP Mindi MiWi MPASM MPF MPLAB Certified ロゴ MPLIB MPLINK mtouch Omniscient Code Generation PICC PICC-18 PICDEM PICDEM.net PICkit PICtail REAL ICE rflab Select Mode SQI Serial Quad I/O Total Endurance TSHARC UniWinDriver WiperLock ZENA および Z-Scale は米国およびその他の国におけるマイクロチップテクノロジー社の商標です SQTP は米国におけるマイクロチップテクノロジー社のサービスマークです GestIC および ULPP はマイクロチップテクノロジー社の子会社である Microchip Technology Germany II GmbH & Co. & KG 社の他の国における登録商標ですその他本書に記載されている商標は各社に帰属します 2013, Microchip Technology Incorporated, All Rights Reserved. ISBN: マイクロチップ社では Chandler および Tempe ( アリゾナ州 ) Gresham ( オレゴン州 ) の本部設計部およびウェハー製造工場そしてカリフォルニア州とインドのデザインセンターが ISO/TS-16949: 2009 認証を取得していますマイクロチップ社の品質システムプロセスおよび手順は PIC MCU および dspic DSC KEELOQ コードホッピングデバイスシリアル EEPROM マイクロペリフェラル不揮発性メモリアナログ製品に採用されていますさらに開発システムの設計と製造に関するマイクロチップ社の品質システムは ISO 9001:2000 認証を取得しています 2013 Microchip Technology Inc. DS01470A_JP - p.15

各国の営業所とサービス北米本社 2355 West Chandler Blvd. Chandler, AZ 85224-6199 Tel: 480-792-7200 Fax: 480-792-7277 技術サポート : http://www.microchip.

16 各国の営業所とサービス北米本社 2355 West Chandler Blvd. Chandler, AZ Tel: Fax: 技術サポート : support URL: アトランタ Duluth, GA Tel: Fax: ボストン Westborough, MA Tel: Fax: シカゴ Itasca, IL Tel: Fax: クリーブランド Independence, OH Tel: Fax: ダラス Addison, TX Tel: Fax: デトロイト Farmington Hills, MI Tel: Fax: インディアナポリス Noblesville, IN Tel: Fax: ロサンゼルス Mission Viejo, CA Tel: Fax: サンタクララ Santa Clara, CA Tel: Fax: トロント Mississauga, Ontario, Canada Tel: Fax: アジア / 太平洋アジア太平洋支社 Suites , 37th Floor Tower 6, The Gateway Harbour City, Kowloon Hong Kong Tel: Fax: オーストラリア - シドニー Tel: Fax: 中国 - 北京 Tel: Fax: 中国 - 成都 Tel: Fax: 中国 - 重慶 Tel: Fax: 中国 - 杭州 Tel: Fax: 中国 - 香港 SAR Tel: Fax: 中国 - 南京 Tel: Fax: 中国 - 青島 Tel: Fax: 中国 - 上海 Tel: Fax: 中国 - 瀋陽 Tel: Fax: 中国 - 深圳 Tel: Fax: 中国 - 武漢 Tel: Fax: 中国 - 西安 Tel: Fax: 中国 - 厦門 Tel: Fax: 中国 - 珠海 Tel: Fax: アジア / 太平洋インド - バンガロール Tel: Fax: インド - ニューデリー Tel: Fax: インド - プネ Tel: Fax: 日本 - 大阪 Tel: Fax: 日本 - 東京 Tel: Fax: 韓国 - 大邱 Tel: Fax: 韓国 - ソウル Tel: Fax: またはマレーシア - クアラルンプール Tel: Fax: マレーシア - ペナン Tel: Fax: フィリピン - マニラ Tel: Fax: シンガポール Tel: Fax: 台湾 - 新竹 Tel: Fax: 台湾 - 高雄 Tel: Fax: 台湾 - 台北 Tel: Fax: タイ - バンコク Tel: Fax: ヨーロッパオーストリア - ヴェルス Tel: Fax: デンマーク - コペンハーゲン Tel: Fax: フランス - パリ Tel: Fax: ドイツ - ミュンヘン Tel: Fax: イタリア - ミラノ Tel: Fax: オランダ - ドリューネン Tel: Fax: スペイン - マドリッド Tel: Fax: イギリス - ウォーキンガム Tel: Fax: /29/12 DS01470A_JP - p Microchip Technology Inc.

PIC10(L)F320/322 Product Brief

PIC10(L)F320/322 Product Brief 注意 : この日本語版文書は参考資料としてご利用ください最新情報は必ずオリジナルの英語版をご参照願います PIC10(L)F320/322 PIC10(L)F320/322 製品概要高性能 RISC CPU: 命令は 35 しかなく習得が容易 : - 分岐命令を除き全てシングルサイクル命令動作速度 : - DC 16 MHz クロック入力 - DC 250 ns 命令サイクル最大 1 K