［電子工作］Arduino/Nucleo/ESP32で電子工作
AVRマイコン(8bitマイコン)、ARMマイコン(32bitマイコン)、ESP32で色々なものを動かしてみよう！
ーーーー目次ーーーー
１．Arduinoとは？
２．Nucleoとは？
３．ESP32とは？
４．Arduinoのはじめ方
（１）メインボード
（２）シールドを買おう
（３）電子回路の実験をしよう
５．Arduino
IDEの使い方
（１）ArduinoIDEでプログラムを作ろう
（２）デジタルピン、アナログピンの使い方
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１．Arduinoとは？
2005年にイタリアの方が、安価なデジタル制御ボードを開発、販売するために、Arduinoプロジェクトを
立ち上げました。現在は、Arduino FoundationとArduino
Holdingが開発ツール「Arduino IDE」の管理、
関連製品の販売を行っているようです。
私も名前は知っていましたが、今更8bitマイコンを使うつもりなく、興味はありませんでした。
しかし、会社のメンバーが製品の開発にAVRマイコンやArduino互換機を使っているのをみて、
安価なI2CやSPIのホストとして使えるかと思って、Arduino
Uno Rev3とArduino用の液晶パネル
（一般にシールドと呼ばれる）やI2C制御のOLEDなどを買ってみました。
そして、Arduino
IDEをインストールして、「ああ、これなら誰でも、何でも作れそうだ。」って感じました。
理由は次の通り。
・簡略化されたC言語でプログラム可。
・標準のサンプルが豊富。サンプルを見れば、アナログ入力、デジタルI/O（PWM可能）、SPIインタフェース、
I2Cインタフェース、UARTなどが簡単に使える。
・ネットにつなげば、一般に売られているシールドのライブラリが入手できる。
・液晶パネル、OLEDパネル、SDカードスロット、各種センサー、LAN、Wifi等、一般的な電子部品用の
ライブラリもそろっている。
私が買ったシールドも、サンプルを実行すれば、液晶パネル、タッチパネル、SDカードの制御
ができます。8bitマイコンでも、これぐらいならできるんですね。
２．Nucleoとは？
こちらは、STMicroが、自社のマイコンの評価用に開発、販売しているマイコンボードです。
ARM
Cortex-M0〜M4(FPU付き)まで、低消費電力〜ハイパフォーマンスまで、幅広いラインナップから
選ぶことができます。
Arduino互換の端子を持ち、32bitなのでArduinoより高性能で、フラッシュメモリやSRAMの容量も多く、
2000円以下で購入可能で、なんとArduino
UNOより安い！
Arduino互換端子があるなら、シールドは使えます。ソフト開発をどうしようかと思っていたら、なんと、
「Arduino
IDE」でNucleoのソフトが開発できる！ しかもArduino
Unoとソースコードに互換性がある！
ってことが判明しました。（実は、分かる前にボードだけ買ってあったのですが．．．）方法はこちら。
上記、液晶パネルとタッチパネルとSDカードを持つシールドを接続し、同じサンプルソフトを
書き込むと、そのまま動きました。タイマーが入っているので、実行時間はやや早いかな、程度で
ほぼ同じですが、タイマー外してCPU性能を比較すると、10〜100倍、速いようです。
ただ、デジタル端子及びアナログ端子の電圧が異なるので、注意が必要です。Arduino
Uno Rev3が
0〜+5V、Nucleoが0〜+3.3Vです。よって、使用するデバイスが何V対応なのか、確認が必要です。
（私が作ったボードは、+5Vと+3.3Vをショートピンで切り替え可能にしました。）
と、言う訳で、安価で、高性能なマイコンボードをお探しの方は、Nucleoをお勧めします。
注意．Nucleoは動作速度が速く、機能は上ですが、SPI等のハードマクロや浮動小数点演算やDSP等
の専用ハードを生かすためには専用ライブラリが必要で、Arduino
Unoとソースコードに互換性が
無くなったり、ライブラリが提供されていなかったりします。
本当の性能を出すためには、専用コンパイラを使うべきです。
３．ESP32とは？
こちらは、中国のEspressif Systems
Pte.(ESP)社が開発したマイコンで、240MHzのXtensa 32bit
LX6プロセッサ
を２個搭載し、520KBのRAMを持ち、何と802.11b/g/n(Max.150Mbps)のWiFiとBluetooth
v4.2に対応し、1000円
未満で買えてしまうという、とんでもなくコストパフォーマンスの高いマイコンです。
IoT
Express Mk
IIやESPDuino-32と呼ばれるArduino互換のコネクタを持つボードもありますが、一般には、
下記の写真のようなDIPタイプのボードに搭載されたものが、様々なメーカーから販売されています。こちらも、
Arduino
IDEで開発可能なので、このページで紹介します。多くの方が、Arduino
IDEで、ESP32の性能を出せる
ようにライブラリを作っているので、多くのプログラムが、無茶苦茶高速に動作します。
WiFiやBluetoothに対応し、PCやスマートフォン等から無線で制御できるため、まさにIoTのためのマイコンです。
最近、ESP-32Dと呼ばれる新型が出ていますが、安価な製品は旧型のESP-32が使われています。しかし、
新型には、シングルコアのものや、クロックを160MHzに落としたものもあるので、どうしても新型が欲しい方は、
国内の信用できる販売店から購入することをお勧めします。
ESP32の詳細は、こちらをご覧ください。
４．Arduinoのはじめ方
（１）メインボードを買おう
・Arduino Uno
Rev3 ： DIPタイプのマイコンを搭載した、もっとも標準的なボードです。価格は約3000円。
注意．本ボードでARVマイコンの書き込みが行えると思っていたら、実はまっさらのマイコンには
書き込めません。Arduino
IDEからフラッシュメモリを書き換えるブートローダが書き込め
ません。そのため、ブートローダ書き込み済みのマイコンを購入するか、同じボードを２枚
買うか、下記のボードを使う必要があります。（各方法の詳細は、ネットで検索下さい。）
・秋月電子通商製ATmega168/328マイコンボードキット ： 自分で半田付けが必要なキットで、
価格は2100円です。改造する事で、まっさらのマイコンにブートローダを書き込むことができます。
20MHzの水晶も付いているので、高速化も可能です。（タイマや通信速度も速くなると思われるので
正常に動くかどうか分かりません。）
私は持っていません。
注意．標準で付いてくるのはATmega168Pマイコンですので、メモリ容量が少ないです。
Arduino Uno
Rev3互換にするためには、別途、ATmega328Pを購入する必要があります。
注意．ブートローダを書き込む方法は、ネットで検索下さい。書き込方法は、例えば、こちら。
・Uncompatino ： 秋月電子通商でボードとパーツセットを購入し、自分で半田付けする必要があります。
価格は２つ合わせて1300円と最も安く、ショートピンの設定だけでブートローダを書き込むことが
できます。更に特筆すべきは、通常の2.54mmピッチの位置にもコネクタがあることで、普通の
2.54mmピッチのユニバーサル基板で接続可能です。（詳細は、下記の「自作シールド」を参照。）
私は、今後のために、買っておきました。
注意．表面実装(28pinSOP)を半田付けする技術が必要です。私も、鉛含有半田なら簡単に実装
できますが、鉛フリー半田で挑戦したら苦戦しました。（フラックスが必須です。）
注意．付属のATmega328Pにはブートローダーが書き込まれていません。ここを参考に自分で
ブートローダーを書き込んで下さい。
注意．+3.3Vが出せません。そのためArduino Uno
Rev3互換にするためには、NJM2845DL1-33と
積層セラコン２個を別途購入し、空きパターンに実装する必要があります。
下記の写真を参照するか、こちらを参照下さい。
 +3.3Vレギュレータ実装済み
・STMicro製Nucleoボード ： マイコンはARM
Cortex-M0〜M4(FPU付き)、フラッシュメモリは
64KB〜1MB、RAMは8KB〜128KB、通常電力／低消費電力など、様々なものがあります。
一部、Arduino
IDEのSTM32開発環境でサポートしていないボードもあるので、HPを確認
してから買って下さい。インストール方法は、GettingStartを参照。価格は、1500〜2000円。
私は、メモリ容量と消費電力を最優先で選定し、STM32L476RG（Cortex-M4(FPU)、
フラッシュメモリ1MB、RAM128KB、低消費電力）を購入しました。
あと、Arduino互換の端子は、一部、半ピッチずれているため、普通の2.54mmピッチの
ユニバーサル基板が使えませんが、Morphoコネクタに接続すれば、ユニバーサル基板が
使えます。Nucleo専用になりますが、自作には好都合です。
注意．GPIOの電圧やA/Dの変換電圧が0〜+3.3Vなので、Arduino
Uno Rev3と完全互換にはなりません。
でも、多くのシールドが+3.3V/+5V両対応なので、大概、そのまま使えます。
基板によっては、ボード上で+5V/+3.3Vを切り替えたり、ソフトを書き換える必要があります。
・新Wi-Fiアルデュイーノ（IoT
Express Mk II） ： 上で説明した通り、240MHzのXtensa 32bit
LX6プロセッサを２個、520KBのRAM、802.11b/g/n(Max.150Mbps)のWiFiとBluetooth
v4.2に対応する
ESP32を搭載し、Arduino互換の端子を持ち、MicroSDカードスロット、ブザーを持つボードです。
価格は、3,000円弱です。
但し、元のArduino
Uno等と端子番号が違うので、スケッチ例を書き換える必要があります。
よって、初心者にはお勧めしません。
しかし、高速動作、大容量RAM、WifiやBluetooth対応、安価、と非常に魅力的な製品です。
同様にESP32を搭載し、Arduino互換の端子を持つボードとして、ESPDuino-32もあります。ピン配置
に互換性はありませんので注意下さい。
ESP32の詳細は、こちらをご覧ください。
注意．Nucleoなどと同じで、GPIOの電圧やA/Dの変換電圧が0〜+3.3Vです。
注意．端子の指定方法が違います。基板のIOxxのxxが端子番号になります。
（２）シールドを買おう
・液晶パネル：カラーのドットマトリクスタイプであれば、microSDカードスロットも付いていて、
色々なことができます。タッチパネルが付いたものもあります。
買う時の注意ですが、SPIインタフェースの物をお勧めします。パラレルインタフェースは
止めるべきです。理由は、配線数が多く、端子設定の効率が悪く速度が出ない、などです。
SPIは16Mbps〜40Mbpsで動作し、DMAを使えばCPU負荷も最小限です。
AVRマイコンでは制約が多い（特にRAMが少ないためフレームメモリが持てない）ので、
NucleoやESP32の方が良いでしょう。
Adafruit製2.8型TFTタッチシールド
・モータードライバ、リレー：ロボット制御など、機構系の方は、これが必要でしょう。
私は買っていません。
・イーサーネット、無線モジュール：IoT製品の検討には必要でしょう。私は買っていません。
ESP32なら標準でWiFiとBluetoothが使えます。
・シールドを自作：私の目的はこれだったのですが、実はこれが大変でした。Arduinoボードの
コネクタの一部（SCL〜D8）が半ピッチずれています。そのため、通常の、2.54mmピッチの
ユニバーサル基板は使えません。（Uncompatinoだけは、通常の2.54mmピッチも持つ！）
そこで、秋月電子通商で「Arduino用ユニバーサル基板」を買ったら、SCL,SDAの穴が無い！
下記の写真では、穴をあけて、半田付けしています。
全ての端子を使える基板として、「Arduino用ユニバーサル プロトシールド基板」がありますが、
実装できる面積が狭くて、下の写真のようなものが作れません。
aitendoで扱っているArduino「プロトタイプシールド基板」は、やや小さいですが、安価で
全ての端子が使えます。
（３）電子回路の実験をしよう
・ブレッドボード
下の写真のように、配線や抵抗、コンデンサなどのディスクリート部品を差し込むだけでマイコンボードと
各種パーツを接続できるブレッドボードと呼ばれるものが安価に売られています。これを使えば、
電子回路の接続試験や、抵抗値を決めるときに便利です。私は、ブレッドボードで動作確認してから、
実際のボードに半田付けしています。
１つは持っておくことをお勧めします。
５．Arduino
IDEの使い方
（１）Arduino IDEでプログラムを作ろう
まず、Arduino
IDEをインストールしてください。
Nucleoの場合、
ファイルー環境設定の追加のボードマネージャのURLに
https://github.com/stm32duino/BoardManagerFiles/raw/master/STM32/package_stm_index.json
を追加し、ツールーボードのボードマネージャで「stm32」等で検索し、インストールします。
詳細は、Nucleoの場合、Arduino
IDEのSTM32開発環境のGettingStartを参考して下さい。
ESP32の場合、
ファイルー環境設定の追加のボードマネージャのURLに
https://raw.githubusercontent.com/espressif/arduino-esp32/gh-pages/package_esp32_index.json
を追加し、ツールーボードのボードマネージャで「esp32」等で検索し、インストールします。
詳細は、Arduino
IDEのESP32開発環境のInstallation
instructions using Arduino IDE Boards Manager
を参考にして下さい。
・LEDを点滅するサンプルを実行
ボードをPCとUSBケーブルで接続します。
ツール−ボード で接続しているボードを選びます。そして、ツール−シリアルポート で
ボードのCOMポート番号を選びます。
Nucleo-64などを選んだ場合は、Board part
numberも選びます。
ファイル−スケッチ例−01.Basic−Blink を選びます。
スケッチ−マイコンボードに書き込む を選ぶと、プログラムがコンパイルされ、ボードに転送され、
実行します。通常は、ボード上のLEDが点滅します。delay(時間(ms)); の時間を変更すると、
点滅の時間が変化します。
なお、Nucleoボードの場合、ST-LINKのソフトのアップデートを行う確認のウインドが出るので、
メッセージに従い、アップデートして下さい。
・デバッグ方法
サンプルコードを見ると、よく「Serial.print」のコマンドが書かれています。このメッセージを
表示したい時は、 ツール−シリアルモニタ を起動し、マイコンボードに書き込んで実行
下さい。
これを使用することで、表示デバイスが無くても、プログラムの実行状況が確認できます。
・ネットからライブラリをダウンロード
スケッチ−ライブラリをインクルード−ライブラリを管理 を選び、検索ウインドに使いたいデバイス名
やシールドの名前を入れると、様々なライブラリが見つかります。そこで、インストールを選べば、
ライブラリがダウンロードされ、スケッチ例に追加されます。
ちなみに、ダウンロードされたライブラリは、PCの「Users\ユーザー名\Documents\Arduino」又は
「PC\ドキュメント\Arduino」に格納されます。
・手でライブラリを追加
標準ライブラリにはなくても、ネットにArduino
IDEのライブラリやサンプルが置かれている場合が
あります。その場合、手で「Users\ユーザー名\Documents\Arduino」又は「PC\ドキュメント\Arduino」
の下にコピーすれば、Arduino
IDEのスケッチブックに追加できます。
また、「Arduino\libraries」の下にコピーすれば、スケッチ例に追加できます。
（２）デジタルピン、アナログピンの使い方
Arduino
IDEの ファイル−スケッチ例 を参照すると良いでしょう。主なものは次の通り。
・02.Digital−DigitalInputPullup ： デジタルピンの入出力、プルアップ等のサンプル。
・01.Basics−Fade ： PWM出力によるLEDの輝度変更のサンプル。
・02.Digital−toneMelody ： デジタルピンで音を出すサンプル。
・03.Analog−AnalogInOutSerial ： アナログ端子から電圧をリード／ライトするサンプル。
なお、マイコンや基板によって、最大電圧が+3.3V/+5Vが異なるので注意。
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