ArduinoのDIをマルチプレクサで拡張して状態変化を表示する

こんにちは、ENGかぴです。

Arduinoは機能が充実しているためLCDや7セグメントLEDを使用しているとデジタルピンが不足することがあります。マルチプレクサを使うことでDIの不足を補うことができます。マルチプレクサでDIを拡張する方法をまとめました。

本記事はArduinoのDIをマルチプレクサで拡張しスイッチの状態変化を7セグメントLEDに表示することを目的としています。マルチプレクサは74HC4051APを使用しています。

Arduino UNOを使って動作確認を行ったことを下記リンクにまとめています。

Arduinoで学べるマイコンのソフト開発と標準ライブラリの使い方

DIをマルチプレクサで拡張する
1. マルチプレクサのスイッチ出力の切り替え
2. マルチプレクサを制御する
７セグメントLEDの表示パターンを追加
動作確認
ソースコード全体
関連リンク

DIをマルチプレクサで拡張する

マルチプレクサは8つのスイッチを切り替えて使用する部品です。スイッチの片方はコモン（COM）でありマイコンのデジタルピンに接続することで8つの入力を切り替えながら入力することができます。

マルチプレクサのCOMにDIとDOのどちらでも接続はできますが、DOで使用する場合は出力の保持ができないので注意が必要です。

マルチプレクサのスイッチ出力の切り替え

TC74HC4051APのピン配置と真理値表（引用：東芝セミコンダクターデータシート）

マルチプレクサはINHをLにするとデバイスが動作開始します。A、B、Cで0～7のチャンネルを切り替えて共通のCOMに入力します。マイコンのDIにCOMを接続するとA、B、Cで指定したチャンネルのDI情報をCOMを介して受けることができます。

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マルチプレクサを制御する

マルチプレクサを使用するための初期化とビット操作について説明します。ArduinoのA0～A5はアナログ入力ピンとデジタルピンを兼用しているため今回はA0～A3をマルチプレクサ用のピンとして使用します。

#define PIN_MUL_DOA 14 //A0でもよい
#define PIN_MUL_DOB 15 //A1でもよい
#define PIN_MUL_DOC 16 //A2でもよい
#define PIN_DI1 17 //A3でもよい

void setup(){
    pinMode(PIN_DI1,INPUT_PULLUP); //マルチプレクサのCOMに接続
    pinMode(PIN_MUL_DOA,OUTPUT); //マルチプレクサのAに接続
    pinMode(PIN_MUL_DOB,OUTPUT); //マルチプレクサのBに接続
    pinMode(PIN_MUL_DOC,OUTPUT); //マルチプレクサのCに接続
}

マルチプレクサの信号の切り替えはA、B、Cによって制御するためマイコンでDOを３つ準備します。マルチプレクサのCOMをマイコンのDIに取り込むためにマイコン内蔵のプルアップ付きのDIとして初期化を行います。

uint8_t di[MUL_MAX];

void loop(){
    uint8_t mulmode;
    bool loopflg = true;

    mulmode = MUL_0;

    do{ 
        MulDiCng(mulmode); //マルチプレクサの制御
        delayMicroseconds(10); //10us切り替え後の遅延

        di[ mulmode ] = digitalRead(PIN_DI1);
        
        if( ++mulmode >= MUL_MAX){
            loopflg = false;
        }
    }while(loopflg);
}

マルチプレクサの制御の例を示しています。関数MulDiCng()をコールしてマルチプレクサの制御を切り替えています。切り替えた後は信号安定化のため10usウェイトを置いています。

データシートによるとVCC=4.5V時で最大で500nsのスイッチングになるため余裕をもって10usのウェイトにしています。

上の例では、ウェイト後に0ピン（PIN_DI1）を読み込んでいますが、外部信号を取り込む場合はチャタリングなどによって信号が安定しないことがあるためフィルタ処理を追加することがあります。チャタリング防止の方法については下記記事にまとめています。

Arduino環境でのタイマ管理とDIのチャタリング防止の方法

ソースコード全体では4回一致のフィルタを実装しています。

#define USE_BITS 3 //3ビット使用する

/* Led7Seg pattern function add */
void MulDiCng(uint8_t no){
    uint8_t i;
    uint8_t bit;    

    for( i=0; i < USE_BITS; i++){
        bit = 1 << i;

        if( bit & no){ //ビットが立っているかの確認
            digitalWrite(i + PIN_MUL_DOA, HIGH);
        }
        else{
            digitalWrite(i + PIN_MUL_DOA, LOW); 
        }
    }
}

引数に0～7までの値を指定し引数の値に応じて下位ビットから順にビットが立っているかの確認を行い、ビットが立っている場合はDOにHをセットします。引数に3を指定した場合を例にして説明します。

例）引数に3を指定した場合
0x03と0x01の論理積は1なので14ピン（PIN_MUL_DOA）がHとなる。
0x03と0x02の論理積は1なので15ピン（PIN_MUL_DOB）がHとなる。
0x03と0x04の論理積は0なので16ピン（PIN_MUL_DOC）がLとなる。

0x03と各ビットの論理積が1であれば対象のDOにHをセットし0であればLをセットするようにします。真理値表によるとAとBがHとなるため3が出力対象になりCOMと接続されます。

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７セグメントLEDの表示パターンを追加

７セグメントLEDの使い方や表示パターンの作り方については下記記事にまとめています。

ArduinoのDO制御で7セグメントLEDを表示する

表示パターンを0～9だけでなく「A、ｂ、ｃ、ｄ、E、F、ー」を追加します。表示パターンは7セグメントLEDのa～ｇまでの各LEDに対して点灯させたい箇所を1として２進数で並べて16進数に変換した値をパターンとして準備しています。

#define LED7SEG_NEGATIVE //負論理の時コメントアウトを外す

byte Seg7Set[17]={ 0x3F, 0x06, 0x5B, 0x4F, 0x66, 0x6D, 0x7D, 0x27, 0x7F, 0x6F,
                   0x77, 0x7C, 0x39, 0x5E, 0x79, 0x71, 0x40};// A,b,C,d,E,F,-

void setup(){

    #ifdef LED7SEG_NEGATIVE
        for(uint8_t i=0; i < sizeof(Seg7Set); i++){
            Seg7Set[i] = (~Seg7Set[i] & 0x7F); //負論理の７セグメントLEDの場合に反転する
        }
    #endif  
}

7セグメントLEDの表現方式から大文字と小文字が混在していますが、このパターンによって16進数での表現が可能となります。

７セグメントLEDのLEDの極性がLOWアクティブのものを使っている場合はSeg7Set[]内のパターンを論理反転して使用します。