先日設計上の不具合を何とか改修する事が出来た
SparkFunのGeiger Counter SEN-09848だが、software（firmware）も製品購入時には非常に単純な物しか入っておらず、時間線量の算出・表示すら出来ない。
折角直したので、これを機会にいろいろprogramを書いて遊んでみたいので、ひとまず
Arduino化することにした。
ICSP pinheadersの取り付け
本品にはご覧のようにprocessorとしてATmega328P（flat package）、USB-TTL変換としてFT232RLが使われている。買った状態ではICSP端子にpin headersはついていないので、まず下図のように取り付けた。1番pinには細い線でmarkingされている。
ATmega328Pには外部発振子が付いていないので、
内部RC発振を利用しているようだ。
さて、ICSP端子からbootloaderやfirmwareを書き込むには、ISP用のprogrammerが必要である。専用で安価な
AVRISP mkII（
3,200円@秋月電子）をお勧めしたいが、持っていなければ別のArduinoにISP用のsketch（Arduino IDEに付属）を入れてprogrammerにする方法や、FT232Rから必要な端子が出ていればFT232R Bit Bangingという方法でprogrammingする事も出来る。詳しいやり方は他所で解説されているので、「Arduino ブートローダ 書き込み」等で検索してみてください。
本品はFT232RLを使用してはいるものの、Bit Bangingに必要なCTS、DSR、DCD、RIが結線されていないので、本品のFT232RLを使ってのBit Bangingは出来ないと考えた方が良いだろう。やるならCTS、DSR、DCD、RI端子が出ている別のFT232R搭載Arduino等を持ってきて、本品のICSP端子に接続して使う形になる。
なおICSP端子にはVCC/GND線も有りますが、AVRISP mkIIはここからtargetに電源を供給しません。逆にtargetが通電しているかどうかの検出に使っているようです。従って、targetには別途（本品の場合USB端子から）電源を供給して下さい。
Fuseの設定
早速programmerを繋いで、SEN-09848の購入時のfuseの状態を調べてみたところ、次のようだった。
| Extended |
0xF8 (0x00) |
| High |
0xDF |
| Low |
0xE2 |
なお拡張byteの3～7 bit目は使用されていないので、そこが1と見れば0xF8、0ならば0x00という事である。書き込みsoftwareにより、未使用bitsの表現が異なっている事がある。
AVR processorのfusesは「ONが0、OFFが1」と、通常とは逆になっているので、設定変更時十分注意しよう。
間違ったfuse設定を書き込んでしまうと、AVR processorが2度と使用できなくなる恐れがある。
こちらの
便利なsiteで上記bitsを解釈すると、fuseの状態は次の様になっていることが判る。
- 内蔵 RC回路 8MHz 発振、起動遅延時間 65msec
- Boot用flash領域 256words、Boot Reset Vector OFF
- 電圧降下検出 VCC=4.3V (*)
(*) なおここの拡張byteにある電圧降下検出（BODLEVEL）のbitsは間違っていて、本来有り得ない組み合わせになっている。
さて、bootloaderを使用するため、fusesを書き換えてみよう。筆者は
Atmel Studio 6.2（旧AVR Studio）と
AVRISP mkIIの組み合わせで行った。
Optibootを使用する予定なので、BOOTSZ = 256W（512bytes）のままとし、clockの設定（SUT_CKSEL）も変更しない。変更するのは、下記2箇所のみとした。
- BOOTRSTをON（0）に（bootloaderを使用するのだから当然）
- BODLEVELを2.7Vに（変更しなくても良いが、正しい値にしておく。他の値でも良い）
他のbootloaderを使用する場合は、sizeに合わせてBOOTSZを調節して下さい。そのbootloaderを使用しているboards.txtの項目を参照し、fuseの設定やupload.maximum_sizeの値からbootloaderのsizeが推測できます。（32768や16384といった値からupload.maximum_sizeを引いてみます。）
先程も述べたように、
絶対に間違ったfuse設定を書き込まない事。特に、
外部発振の設定にしてしまうと、Ceralockや水晶発振子を（flat packageに！）外付しないと動作しなくなり、programmerによるaccessも出来なくなります。また
RSTDISBL、SPIENも絶対に変更してはいけません。
間違いが無い事をしっかり確認できたら、上記fusesの値を書き込み（Programし）ます。
Bootloaderの書き込み
Fusesの次はいよいよbootloader本体の書き込みです。まず、
Optibootの開発siteから
最新版v5.0aをdownloadしてきます。Desktopに解凍し、その中の「
optiboot_atmega328.hex」というのをFlashに書き込み（Programし）ます。
以上で書き込み作業は終了です。ProgrammerからSparkFun Geiger Counterを取り外します。
Arduino IDEの設定
Arduino IDEの個人用Sketchbook location（Preferencesを見ると判ります。通常はDocuments folderのArduino配下）に「hardware」というsub folderが無ければ作って、その下に
このzip fileを解凍して出来た「SparkFun Geiger Counter」というfolderをそのまま置きます。
中に入っているのはboards.txtだけで、その中身はこれです。
##############################################################
# Sparkfun Geiger Counter w/optiboot
# ATmega328P, Int RC Osc 8MHz
##############################################################
sfgeigero.name=[Optiboot] Sparkfun Geiger Counter (8MHz Internal)
sfgeigero.upload.protocol=arduino
sfgeigero.upload.maximum_size=32256
sfgeigero.upload.speed=57600
sfgeigero.bootloader.low_fuses=0xE2
sfgeigero.bootloader.high_fuses=0xDE
sfgeigero.bootloader.extended_fuses=0x05
sfgeigero.bootloader.path=optiboot
sfgeigero.bootloader.file=optiboot_atmega328.hex
sfgeigero.bootloader.unlock_bits=0x3F
sfgeigero.bootloader.lock_bits=0x0F
sfgeigero.build.mcu=atmega328p
sfgeigero.build.f_cpu=8000000L
sfgeigero.build.core=arduino:arduino
sfgeigero.build.variant=arduino:standard
##############################################################
この後、Arduino IDEを起動すると、Tools -> Board menuに追加した項目が現れます。
13番pin LEDの追加
さて早速Blink sketchをuploadしてみたいところなのですが、SparkFun Geiger CounterはPB5、つまりArduino 13番pinにLEDが結線されていません。ですが幸い、このpin（PB5）はSPI clock用としてICSP端子に出ていますので、それを利用します。
つまり上図のようになっていますので、SCK pinとGND pinとの間にLED（と抵抗）を入れればOKです。
このようにすればBlink sketchの動作確認が出来る他、13番pin LEDはRESET buttonを押下した時にもbootloaderの動作で点滅するようになっているので、bootloaderが正しく書き込まれているかの確認にも使用出来ます。
Sketchのupload
さていよいよsketchのuploadです。しかしここにちょっと問題があって、筆者の所有しているSparkfun Geiger Counterの
SEN-09848というversionにはauto-reset回路が無いのです。後継の
SEN-10742、
SEN-11345（現行）にはauto-reset回路が付いています。
Auto-reset回路というのは、FT232RLのDTR端子から0.1uFを介してATmega328PのRESET端子に結線されているだけなのですが、これを追加するのは両ICsともflat packageのため面倒かつかなり見た目が悪くなります。
そこで筆者は手動resetで我慢することにしました。
ところがこのreset button押下のtimingがかなり微妙で、慣れが必要です。
Arduino bootloaderはresetされると、ごく短時間serial通信を待機します。このtimingに丁度うまくArduino IDEから通信の試行が行われるようにしなければなりません。
まず、通信のやりとりを見えるようにするため、Arduino IDEの「環境設定（Preferences）」で書き込み時の詳細表示を選択します。
コンパイル（compilation）の方は詳細表示にしなくても良いでしょう。
Sketchをuploadしようとすると、「Uploading...」の終盤になって次のような橙色文字の表示が現れます。ここがresetのtimingです。
うまくやるためには「Uploading...」の途中からreset buttonを押したままにして、上の橙色文字が見えたらすかさず指を離して下さい。上図のようにmessage領域を大きく広げておくと見易いです。
成功するとdataのやりとりが行われ、uploadが無事完了します。
これがuploadが成功した時の表示です。またuploadしたsketchに従ってLEDがblinkしていると思います。
Blink sketchのloop内のdelay()値をその都度変更すれば、新しいsketchが動作しているかどうかが判ると思います。またsketch内の「13」pin指定を「A5」に変更する事により、先ほどわざわざ外付したLEDではなく、本体上の「Counter」のLEDをblinkさせる事が出来ます。外付けLEDでの動作が確認できたら、blink sketchをそのように変更し、外付けLEDは外してしまいましょう。
Arduino IDEのserial通信とreset button押下のtimingが合わないとuploadに失敗し、以下の様な表示となります。
「stk500_getsync(): not in sync: resp=0x00」というのが通信の同期に失敗した事を示しています。失敗していても、「Thank you.」「Done uploading.」等成功した時と同じような表示も出る事には注意して下さい。
筆者はbaud rateを他に色々変えて試しましたが、何故か57600bps以外では成功していません。また他のOptibootの.hex filesも用いてみましたが、成功したのはこの「optiboot_atmega328.hex」だけでした。
実際のresetのtimingはかなり微妙（体感では200～300msec位の範囲）ですが、慣れればわりと確実にupload出来るようになります。練習して下さい。
現行のArduinoは殆どauto-resetになっているので、通信待機時間を長く取る必要が無くなり、現行のbootloaderではそれが極端に短くなっているようです。本機のような手動reset用には、きっとbootloaderを再compileして待機時間を長く取るようにすれば良いのかもしれませんが、筆者にはまだその方法が判らないところです。
また先も述べたように後継機種である
SEN-10742、
SEN-11345をお持ちの方は、auto-resetに対応していますので、reset buttonのtimingで苦労することは無い筈です。
他のbootloaderを用いる
Optiboot以外でも実はやってみました。本家Tutorialの
こちらから
Breadboard.zipをdownload、展開し、前述の個人用Sketchbook locationのhardware folder配下に置きます。
Programmerを用いて、fusesとbootloaderをそれぞれ書き込みます。
- Fuse設定は、Low 0xE2、High 0xDA、Extended 0x05（0xFD）
- bootloaderのsizeは1024W（2048 bytes）
- bootloaderはArduino IDEに付属の「ATmegaBOOT_168_atmega328_pro_8MHz.hex」
IDEのTools -> Board menuには「
ATmega328 on a breadboard (8 MHz internal clock)」という名称で現れます。
試してみたところ、こちらのbootloaderの方がOptibootよりもややtimingに余裕がある感じでした。Optibootでどうしてもtimingが掴めない方にはお勧めかもしれません。なお通信速度はやはり57600bps以外では動作しませんでした。
Arduino化完了！
何とかSparkFun Geiger CounterをArduino IDEで簡単に扱えるように出来ました。
製品版のfirmwareのsourcesは
GitHubにあります。取り敢えず、製品に入っていた検知間隔に応じて0と1を出力するだけの非常に単純なfirmware（v12）を、Arduinoのsketchに書き直してみました。
/*
SparkFun Geiger Counter
Official v12 firmware on Arduino
created 10 Jan 2015
by Rin FUKUDA
jg1vgx@jarl.com
*/
// Constants
#define LEDPIN A5 // Counter LED (green)
// Variables
volatile long j=0; // Interval since the last count
volatile long jlast; // previous interval
byte cbit; // '0' or '1' for char output on terminal
void setup() {
// pin I/O settings
pinMode(LEDPIN, OUTPUT);
// Interrupts on INT0 (OUT)
attachInterrupt(0, onCount, RISING);
//Initialize serial and wait for port to open:
Serial.begin(9600);
// Wait to settle
delay(1200);
interrupts();
}
void loop() {
// turn off the LED (HIGH is the voltage level)
digitalWrite(LEDPIN, HIGH);
// wait for a short while for counting
delay(30);
j++;
}
void onCount() {
// blink LED
digitalWrite(LEDPIN, LOW);
delay(10);
// check intervals
if(jlast < j) cbit = 0;
if(jlast > j) cbit = 1;
// send byte char to console
Serial.print(cbit);
// reset intervals
jlast = j;
j = 0;
}
たったこれだけです。
こちらにも置きました。Sketchをuploadしたところ、ちゃんとArduino化以前と全く同じ動作で検出～countする事を確認しました。Arduino IDEにはSerial Monitor機能が付いているので、別のsoftwareを起動せずに動作確認が出来、大変便利です。
さらに、dotによる簡易bar graphで時間線量（CPM, counts per minute）をserial出力するsketchを書いてみたので
ここに置きます。
基板を裏返し、バッテリの電極ラグのランドから吸い取り機を使って半田を吸い取り、ラグを起こします。
無事取り外せました。入手した新しい電池が外観的にも全く同じサイズであることを確認したので、基板に装着します。（＋極の茶色いのはただの保存用保護カバーです）
