Ｈ8ＣＰＵのビット出力の使用法

Copyright(C) 10May2002
Copyright(C) 18Apr2002
Copyright(C)  7Mar2002
coskx

はじめに

この文書はH8CPUでモータなどを駆動するにはどうしたらよいかを解説しています。対象はH8CPUを使ったCPUボードのAKI-H8になっていますが，その他のCPU等でもその電流仕様を理解すれば使えるようになっているはずです。

【１】ビット出力

Ｈ8ＣＰＵで特定のポートの特定のビットに0または1を書き込むと，そのままＣＰＵのある端子の電圧が変化する。
例えばポート1の第0ビットに0または1を書き込むと，ＣＰＵの36番ピンの電圧が変化する。
ＡＫＩ-Ｈ8では，ＣＰＵの36番ピンに結線されているコネクタ3の１５番ピンの電圧が変化する。
このときの様子を表にすると表１．１のようになる。

表１．１　「ポートのビット」と「CPUのピン」および「コネクタのピン」の関係

注意：CPUの３６番ピンは測定が難しいので測定しないこと
注意：測定にはオシロスコープあるいはディジタルテスタ等を用いること
補足：P1.DRはP1のデータレジスタであり8ビット構成である。.BIT.B0はその第０ビットを表す。

【２】ビット出力の方法

先の例のようなビット出力を行なうには，そのビットを出力用に初期化してからおこなう。
P1.DDRはデータディレクションレジスタ（方向レジスタ）と呼ばれ８ビット構成である。
P1の各ビットごとに方向を定めることが出来，出力にしたい場合は1を入力にしたい場合は0をプログラムの最初に設定する。

P1.DDR=1;   /*P1の第0ビットのみ出力に設定，他の7ビットは入力*/

のように書き，その後で

P1.DR.BIT.B0=0;

あるいは

P1.DR.BIT.B0=1;

と書いて出力できる。

ポート1の第0ビットに0と１を交互に高速出力するサンプルプログラム（このプログラムを実行しても点滅がはやすぎて目では点滅が確認できない）

#include "3048f.h"

main()
{
    P1.DDR=1; /*P1の第0ビットのみ出力に設定，他の7ビットは入力*/
    while (1) {
        P1.DR.BIT.B0=0; /*P1の第0ビットに0を出力*/
        P1.DR.BIT.B0=1; /*P1の第0ビットに1を出力*/
    }
}

ポート1の第0ビットに0と１を約1秒ごとに交互出力するサンプルプログラム（このプログラムなら点滅が確認できます）

#include "3048f.h"

void msecwait(int msec)
/*msec間なにもしない時間稼ぎ関数*/
{
    int i,j;
    for (i=0;i<msec;i++) {
        for (j=0;j<1588;j++);    /*1588は実測によって求めた値*/
    }
}

main()
{
    P1.DDR=1; /*P1の第0ビットのみ出力に設定，他の7ビットは入力*/
    while (1) {
        P1.DR.BIT.B0=0; /*P1の第0ビットに0を出力*/
        msecwait(1000); /*1000msecの間なにもしない*/
        P1.DR.BIT.B0=1; /*P1の第0ビットに1を出力*/
        msecwait(1000); /*1000msecの間なにもしない*/
    }
}

【３】ビット出力で直接モータを駆動できるか？

図３．１の左図のように1.5Ｖの乾電池にモータをつないで模型用の小型ＤＣモータを回すことができる。CPUはビット出力で1の出力を行なうと，接続された外部端子には5Ｖ程度が出力される。5Vも出力してくれるのだから，右図のようにビット出力外部端子にモータをつないでも回りそうである。しかしこの５Ｖを用いてモータを駆動することは残念ながら出来ない。（このような実験は，やってはいけない）
模型用の小型ＤＣモータ（数Ｗ，3Ｖ）を無負荷（モータの軸になにもつけない状態）で回すために必要な電流は数100mA程度である。ただし起動時には一瞬だがその数倍程度流れる。モータを回すには，このくらいの電流（モータによってはそれ以上の電流）が必要ということになる。

図３．１　乾電池でモータ駆動しているところとH8CPUのポート1第0ビットで駆動？（実際には，やってはいけない）

図３．１の右図のようにした時，どうして回らないかというと，H8などのCPUは電流駆動能力がないからである。H8CPUのユーザーマニュアルでDC特性を調べてみると次のように書いてある。

ビット出力で１を出力している端子は最大で2mAまで電流を流し出すことが出来る。さらに全ビット出力合計で40mAとなっている。
また，ビット出力で0を出力している端子は最大で2mAまで電流を吸い込むことが出来る。この場合は全ビット出力合計で120mAとなっている。（ビット出力で0を出力して電流を吸い込むように設計した場合は，ポート1，2，5，Bの各端子は最大で10mAまで電流を吸い込むことが出来る。この使い方の場合はこれらのポートの全ビット出力合計で80mAとなっており，これらのポートを含む全ビット出力合計で120mAとなっている。）

モータがまわらないのは，CPUには電流駆動能力がないためであった。以下少ない電流で駆動できるLEDから話を始め，次第に大電流を駆動する方法を明らかにしよう。そして最後にモータの駆動についてその方法を紹介する。

【４】ビット出力で発光ダイオード（LED）駆動（その１）　[2mA以下]

発光ダイオード（LED）は図４．１のような形状で方向性がある素子である。順方向（アノードからカソードに電流が流れる方向）に規定の電流を流すと発光する。

図４．１　発光ダイオード（左側定格10mA仕様，右側定格20mA仕様）
足が長いほうがアノード，短いほうがカソード

通常の発光ダイオード（LED）の性質は，
（１）2mAから10mAの電流で点灯させることが出来る。（10mA以上の電流を流さないようにする）
（２）自分自身で1.8V程度の電圧降下がある。（図４．２でVd=1.8[V]となる。）
である。
もしVcc=5[V]を用いるとすると，図４．２のように抵抗R[Ω]を入れて，電流制限を行なわなければならない。10mA電流を流すように設計するには，
(a)Vcc=Vd+Vr
(b)Vr=i×R
(c)Vcc=5[V]
(d)Vd=1.8[V]
(e)i=0.01[A]　（抵抗中を流れる電流とダイオード中を流れる電流の値は等しい。）
よりR=320[Ω]を電流制限用抵抗とすればよいことになる。

図４．２　電流制限用抵抗を用いたLED駆動
発光ダイオードLEDは上がアノード，下がカソードである。
左の図と右の図は同じ概念を描いている。
電池とその接続をすべて書くのは面倒なため右の図のように描かれることが多い。

ここで図４．３のようにH8のポート1ビット0でLEDを点灯させることを考えよう。H8のポート1ビット0の電流出力能力は2mA，出力電圧はV=5[V]を考えよう。そうすると
(a)V=Vd+Vr
(b)Vr=i×R
(c)V=5[V]
(d)Vd=1.8[V]
(e)i=0.002[A]
となるので，R=1600[Ω]=1.6[kΩ]の保護抵抗が必要となる。
実際AKI-H8のマザーボード上ではLEDが1.5ｋΩの保護抵抗付きでポート5の第0ビット，第1ビットに接続されている。

図４．３　H8のポート1ビット0でLEDを点灯

【５】ビット出力でLED駆動（２）　[10mA以下]

LEDを2mAで駆動した時，暗く感ずる。定格電流10mAで明るくLEDを駆動したい場合について考えよう。ポート1，2，5，Bの各端子は0出力の時，10mAまで吸い込むことが可能であることを利用する。次の図５．１のような結線とし，保護抵抗を320Ωにすれば，10mAの電流が流れる。ただし，ポート1の第0ビットに0を出力すると36番ピンは0Vになって電流を10mA吸い込むのでLEDが点灯し，第0ビットに1を出力すると36番ピンは5Vになって電流を吸い込まなくなるのでのでLEDは消灯する。すなわち負論理制御になる。

図５．１　負論理制御で10mAでのLED駆動

【６】ビット出力でLED駆動（３）　[100mA以下]

LEDの中には高輝度のものがあり，50mA（定格）で駆動するものがある。もはやH8CPU単独では駆動電流が足りない。そこでトランジスタ2SC1815（図６．１）を用いて電流増幅する。ここではトランジスタはベース電流が図６．２のように流れると，コレクタ電流を流すことは出来るようになるスイッチと考えてよい。実際にはコレクタ電流はベース電流の100〜700倍になる。ただし，コレクタ電流は最大で100mAまでしか流すことが出来ない。（2SC1815の定格）

図６．１　トランジスタ2SC1815　足は左からエミッタ，コレクタ，ベース

図６．２　トランジスタの電流増幅

トランジスタでの駆動の前に図６．３のような本物のスイッチを使う回路を考えてみよう。
(a)Vcc=Vd+Vr
(b)Vr=i×R
(c)Vcc=5[V]
(d)Vd=1.8[V]
(e)i=0.05[A]
より保護抵抗R=64[Ω]を用いればよいことになる。

図６．３　スイッチによるLEDのON-OFF回路

図６．３のスイッチをトランジスタに置き換え，50mAで駆動LEDの制御回路は図６．４のようになる。ただし
(a)Vcc=Vce+Vd+Vr
(b)Vr=i×R
(c)Vcc=5[V]
(d)Vce=0.9[V]
(e)Vd=1.8[V]
(f)Vbe=0.8[V]
(g)i=0.05[A]
(h)ib=0.002[A]  （H8CPU1端子当たり最大電流2mAなので）
(i)5-Vbe=ib×Rb　（ポート1第0ビットは5Vを出力）
より，２つの保護抵抗はRb=2100[Ω]=2.1[kΩ]，R=230[Ω]とすればよい。

図６．４　トランジスタ電流増幅を利用した高輝度LED駆動

なお，トランジスタをスイッチと考えてよいと述べたが，図６．５のようにスイッチならどこにつけてもよいが，トランジスタは図６．６のような位置につけるとVbeが確保できなくなり必要な電流ibが確保できず，動作しなくなる。図６．４のようにエミッタは必ずグランドの位置に置くようにしなければならない。

 
図６．５　スイッチならどこにおいても同じように回路は動作する

図６．６　トランジスタの悪い配置例（このような回路を作ってはいけない）

【７】ビット出力でLED駆動（４）　[100mA以上　数A以下]

超高輝度LEDには250mA（定格）を流すものや，赤外線LEDのように100mA（定格）を流すものがある。トランジスタ2SC1815ではトランジスタの定格電流100mAが限界を与えるようになる。このような時はダーリントン結合のトランジスタやパワーMOSFETを用いる。
パワーMOSFET（2SK2886）は図７．１の形状で，図７．２のように，ゲート-ソース間電圧が５Vになるとドレイン電流が数A流れるスイッチと考えられる。トランジスタと違い，ゲートに電流が流れ込まない。

図７．１　パワーMOSFET　2SK2886

図７．２　パワーMOSFET

次の図７．３，図７．４は400mA駆動の赤外線LED（32個モジュール）を駆動する回路である。図７．３は本物のスイッチを用いた例，図７．４はパワーMOSFETを用いた例である。この２つの例では8個を直列にして12Vで駆動するとLED1個あたり1.5Vが加わるので保護抵抗は不要になる。パワーMOSFETはゲートに電流は流れ込まないのでそのままつないでよい。ただし，図７．４では事故からの保護のために数10ｋオームの抵抗を36番ピンとFETのゲートの間にはさんでも良い。

図７．３　400mA駆動赤外線発光モジュールをスイッチで駆動したところ

図７．４　400mA駆動赤外線発光モジュールをパワーMOSFETで駆動したところ

【８】ビット出力でモータを駆動する（１）

モータは数100mAから数Aの電流を必要とするのでパワーMOSFETを用いれば駆動できそうである。もしスイッチでモータを制御すると図８．１のようになる。スイッチをパワーMOSFETで置き換えて図８．２のような回路にすればよいと思われるが，モータは電気的な雑音が多く発生するため，CPUが誤動作を起こす可能性があるためこのような回路は実用的ではない。

図８．１　DCモータをスイッチで制御

図８．２　モータ駆動回路（モータのノイズでCPUが誤動作を起こすのでこの回路は作ってはいけない）

そこで図８．３のように光アイソレータを用いて電気的に絶縁するとよい。光アイソレータとは発光ダイオードと光トランジスタで構成される，信号伝達・電気絶縁素子である。ここで光アイソレータ中の発光ダイオードの点灯のための保護抵抗は【５】で計算した値である。
こうすることにより，CPUを含む論理回路とモータ駆動系は電気的には離れた状態にすることが出来る。
しかしこのままではモータは一方向にしか回らない。

図８．３　モータ駆動回路（論理回路とモータ駆動系を絶縁）

補足　図８．３の回路の説明

話を簡単なスイッチに戻そう。抵抗とスイッチのみで出来た回路である。
図８．４の左側はスイッチがOFFになっている。この時，電流は流れないので（オームの法則）スイッチの上部はどこも電位は等しく+12Vである。
図８．４の右側はスイッチがONになっている。抵抗を電流が流れるので抵抗中で電圧低下が起こり，抵抗の下部はどこも電位は等しく0Vである。

図８．４　スイッチの状態と出力

スイッチのON-OFFを利用してパワーMOSFETのON-OFFを行なって，モータを回してみよう。
図８．５の左側はスイッチがOFFなのでパワーMOSFETのゲートには+12Vがかかり，FETはONになるため，モータは回る。
図８．５の右側はスイッチがONなのでパワーMOSFETのゲートは0Vになってしまうため，FETはOFFとなり，モータは回らない。
（スイッチのON-OFFの動作とモータのON-OFFの動作が逆であることに注意）

図８．５　スイッチによるパワーMODFETを利用したモータ駆動

次に光アイソレータを用いてみよう。光アイソレータは「発光ダイオード」と「光トランジスタ」で出来ている。
「発光ダイオード」は電流を流すと発光する。
「光トランジスタ」は光があたるとONになり，光がなくなるとOFFになるトランジスタである。
図８．６の左側は発光ダイオードが発光していないので光トランジスタがOFFとなる。よってパワーMOSFETのゲートには+12Vがかかり，FETはONになるため，モータは回る。
図８．６の右側は発光ダイオードが発光しているので光トランジスタがONとなる。よってパワーMOSFETのゲートは0Vになってしまうため，FETはOFFとなり，モータは回らない。

図８．６　光アイソレータにおけるLEDの発光と出力の関係

この性質を用いると図８．７のようにDCモータのON-OFFが可能となる。これを完成すると図８．３となる。

図８．７　光アイソレータを用いたモータ駆動方法

【９】ビット出力でモータを駆動する（２）

モータを正転・逆転できるように制御しよう。始めにスイッチでモデルを考えると図９．１のようになる。図９．１左ではスイッチAとD同時にONになっている。また図９．１右ではスイッチBとCが同時にONになっている。このような回路を作るとDCモータを正逆転させることが出来る。

図９．１　スイッチによるDCモータ正逆転回路

スイッチによる正逆転回路をCPUとパワーMOSFETを使って作り直してみる。ポート1の第0ビットと第1ビットを使うことにし，表９．１のように動作を割り当てよう。

表９．１　動作割り当て

図９．２のように4つのパワーMOSFETを利用するとこの関係が作れそうだ。このような回路はモータを4つのFETの真中に描いた時の形からH型ドライバ回路と呼ばれる。次の４つの状態を考えてみよう。

ポート1第0ビットに0を出した時

36番ピンが0V，その先のLEDがON，その右の光トランジスタがON，FET_CとFET_Bのゲートが0Vとなり，FET_CとFET_BはOFF

ポート1第1ビットに0を出した時

37番ピンが0V，その先のLEDがON，その右の光トランジスタがON，FET_AとFET_Dのゲートが0Vとなり，FET_AとFET_DはOFF

ポート1第0ビットに1を出した時

36番ピンが5V，その先のLEDがOFF，その右の光トランジスタがOFF，FET_CとFET_Bのゲートが5Vとなり，FET_CとFET_BはON

ポート1第1ビットに1を出した時

37番ピンが5V，その先のLEDがOFF，その右の光トランジスタがOFF，FET_AとFET_Dのゲートが5Vとなり，FET_AとFET_DはON

図９．２　H型ドライバを用いたDCモータ正逆転回路の例（実用回路ではないためこのまま作らないこと）

FET_AとFET_Dが同時にONになると図９．３の左のようにDCモータに電流が流れる。
またFET_CとFET_Bが同時にONになると図９．３の右のようにDCモータに電流が流れる。
このようにしてモータの正逆転が実現できる。

図９．３　DCモータ正逆転の様子

H型回路の動作はこれで理解できた。
これでうまくいったように思えるが，実際の動作では表９．２のような問題点がある。プログラムを作る段階で両方同時に0を出さないように気をつけていればすみそうだが，問題は簡単ではない。5Vの電源（CPUも使っている）がOFFで12Vの電源がONの時を考えると。LED，光トランジスタすべてがOFFになり，4つのFETがONになってしまう問題がクリアできない。

表９．２　実際の動作の問題点。

この問題をクリアするには，回路構成を改良すればよい。すなわち，次の２つを改良する。
（１）光トランジスタとFETのゲート間にトランジスタでNOT回路を挿入する。
（２）現在の光アイソレータのLEDと36番37番ピン間の配線をはずす。「36番ピンと37番ピンのNAND出力」をPとすると，「36番ピンとPとのNAND出力」と「37番ピンとPとのNAND出力」を光アイソレータのLEDにそれぞれつなぐ。
（ここは読み飛ばしてもよい）

図９．４に実用回路例を示す。FET4個使用時で7Aまで，FET最大16個使用時で28Aまで電流駆動が可能である。

図９．４　H型ドライバを用いたDCモータ正逆転回路の実用例（（本校）機械工学科松林先生による）

【１０】ビット出力でモータを駆動する（３）　ドライバICを導入した実用回路

東芝のモータドライバIC「TA8429H」（図１０．１）は図８．３あるいは図９．４のようなH型ドライバ回路を１つのICにモジュール化（図１０．２）したもので使いやすい。12ピン構成でピンの番号とその役割は表１０．１のとおりである。また入力ピンへの動作割り当ては表１０．２のとおりである。図１０．３にCPUとの結線を示す。
このモジュールは，以下の特性をもっている。
（１）出力電流は平均3.0A，瞬時最大4.5A
（２）発熱に対し電流遮断安全機構
（３）過電流に対して電流遮断安全機構
（４）電源電圧範囲　Vcc:7〜27V（素子内の論理回路部への電源） Vs:0〜27V（モータ用の電源）

なおメーカから推奨された方法ではないが，電流を取りたい場合には図１０．４のような並列動作が可能である。

図１０．１　モータドライバIC「TA8429H」の外観
正面から見て左側が１番ピンである

図１０．２　東芝のモータドライバIC「TA8429H」

表１０．１　ピン番号一覧

表１０．２　モータドライバIC「TA8429H」での動作定義

図１０．３　モータドライバIC「TA8429H」でのモータ駆動

図１０．４　3個並列２ｃｈモータドライバユニット

【１１】モータのＰＷＭ駆動

スイッチをON-OFFする動作を繰り返すことを考えよう。
始めはゆっくりと１秒間に１回ON-OFFする動作を繰り返す。するとモータも１秒間に１回動いたり止まったりする。次に１秒間に５回スイッチをON-OFFする動作を繰り返すことを考えよう。するとモータも１秒間に５回動いたり止まったりする。１秒間に５回だと不連続なのはわかるが，一見ゆっくり回っているようにも見える。しかも１回のON-OFFは０.２秒間だが，0.05秒がONで0.15秒がOFFという動作を行なうとゆっくり回り，0.15秒がONで0.05秒がOFFという動作を行なうとそれよりははやく回るだろうと考えられる。
もし１秒間に100回スイッチをON-OFFする動作を繰り返すことが出来たら，見た目には回転が不連続なのはわからない。しかし人間業ではこの作業はできない。

CPUならは，図１０．３のようにすれば，高速なON-OFFの繰り返し動作が出来る。しかもプログラミングにより，1/100秒の一周期の範囲でONの時間とOFFの時間の比を変化させることが出来る。
このように，高速なON-OFF動作の繰り返しを行ない，一周期の範囲でONの時間とOFFの時間の比を変化させるモータ制御方式はPWM制御（Pulse Width Modulation：パルス幅変調）と呼ばれている。ONの時間とOFFの時間の比はデューティ比（ONの時間[s]/一周期の時間[s]）と呼ばれる。

モータのＰＷＭ駆動サンプルプログラム（１） 正転のみ 図１０．３のようにモータドライバの入力（２ビット）はＣＰＵ「Ｈ８／３０４８」のポート１第0ビット，第1ビットに接続されているものとする 操作 　ポート1の第0ビットと第1ビットに１を出力して出力に設定する 　ポート1の第1ビットに0をPWM出力する 　ポート1の第0ビットに0と１をPWM出力する

#include "3048f.h" void msecwait(int msec) /*msec間なにもしない時間稼ぎ関数*/ {     int i,j;     for (i=0;i<msec;i++) {         for (j=0;j<1588;j++);    /*1588は実測によって求めた値*/     } } main() {     int i;     P1.DDR=3; /*P1の第0ビット第1ビットのみ出力に設定，他の6ビットは入力に設定*/     P1.DR.BIT.B1=0; /*P1の第1ビットに0を出力*/     while (1) {         for (i=0;i<1000;i++) { /*ループ区間A*/             P1.DR.BIT.B0=0; /*P1の第0ビットに0を出力*/             msecwait(1);    /*1msecの間待つ*/             P1.DR.BIT.B0=1; /*P1の第0ビットに1を出力*/             msecwait(9);    /*9msecの間待つ*/         }         for (i=0;i<1000;i++) { /*ループ区間B*/             P1.DR.BIT.B0=0; /*P1の第0ビットに0を出力*/             msecwait(5);    /*5msecの間待つ*/             P1.DR.BIT.B0=1; /*P1の第0ビットに1を出力*/             msecwait(5);    /*5msecの間待つ*/         }     } }

説明
ループ区間Aでは1msecのOFFの後，9msecのONが出力され，この作業が1000回行なわれるので，デューティ比9/10の駆動が10秒間行なわれる。
ループ区間Bでは5msecのOFFの後，5msecのONが出力され，この作業が1000回行なわれるので，デューティ比5/10の駆動が10秒間行なわれる。
２つのループ区間が無限ループで繰り返されるので結局，デューティ比9/10の駆動とデューティ比5/10の駆動が10秒ずつ交互に行なわれる。
ここでのPWM周波数は100Hzである。

モータのＰＷＭ駆動サンプルプログラム（２） 正逆転 図１０．３のようにモータドライバの入力（２ビット）はＣＰＵ「Ｈ８／３０４８」のポート１第0ビット，第1ビットに接続されているものとする 操作 　ポート1の第0ビットと第1ビットに１を出力して出力に設定する 　ポート1の第1ビットに0をPWM出力する 　ポート1の第0ビットに0と１をPWM出力する

#include "3048f.h" void msecwait(int msec) /*msec間なにもしない時間稼ぎ関数*/ {     int i,j;     for (i=0;i<msec;i++) {         for (j=0;j<1588;j++);    /*1588は実測によって求めた値*/     } } main() {     int i;     P1.DDR=3; /*P1の第0ビット第1ビットのみ出力に設定，他の6ビットは入力に設定*/     while (1) {         for (i=0;i<1000;i++) { /*ループ区間A*/             P1.DR.BIT.B0=1; /*P1の第0ビットに1を出力*/             P1.DR.BIT.B1=0; /*P1の第1ビットに0を出力*/             msecwait(9);    /*9msecの間待つ*/             P1.DR.BIT.B0=0; /*P1の第0ビットに0を出力*/             P1.DR.BIT.B1=0; /*P1の第1ビットに0を出力*/             msecwait(1);    /*1msecの間待つ*/         }         msecwait(1000);    /*1000msecの間待つ*/         for (i=0;i<1000;i++) { /*ループ区間B*/             P1.DR.BIT.B0=0; /*P1の第0ビットに0を出力*/             P1.DR.BIT.B1=1; /*P1の第1ビットに1を出力*/             msecwait(9);    /*9msecの間待つ*/             P1.DR.BIT.B0=0; /*P1の第0ビットに0を出力*/             P1.DR.BIT.B1=0; /*P1の第1ビットに0を出力*/             msecwait(1);    /*1msecの間待つ*/         }         msecwait(1000);    /*1000msecの間待つ*/     } }

説明
ループ区間Aではデューティ比9/10の正転駆動が10秒間行なわれる。
ループ区間Bではデューティ比9/10の逆転駆動が10秒間行なわれる。
２つのループ区間の合間には，1秒間の休止がある。これはモータに急な反転操作を与えるとドライバに負荷がかかるためである。
ここでのPWM周波数は100Hzである。

おわりに
このページは学生が独習でマイコンでモータ等を駆動する方法を学べるように作成しました。
より豊かで正確な内容を目指しております。
Y.Yamane氏のご指摘に感謝いたします。