Seeeduino XIAOのDIをマルチプレクサで拡張する

こんにちは、ENGかぴです。

Seeeduino XIAOは機能が充実しておりモジュールとして使い勝手がよいのですがサイズが小さくDIOピンが少なくなります。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。マルチプレクサ74HC4051AP（東芝セミコン）を使用しています。

Seeeduino XIAOで動作確認したことについてリンクをまとめています。

Seeeduino XIAOで学べる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
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、COMとマイコンのDIOに接続することでDIOの拡張できます。

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。

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。

#define PIN_DI1 0
#define PIN_DOA 3
#define PIN_DOB 4
#define PIN_DOC 5

void setup(){
    
    pinMode(PIN_DI1,INPUT_PULLUP); //マルチプレクサのCOMに接続
    pinMode(PIN_DOA,OUTPUT); //マルチプレクサのAに接続
    pinMode(PIN_DOB,OUTPUT); //マルチプレクサのBに接続
    pinMode(PIN_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=2.0V時で最大で1000ns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_DOA, HIGH);
        }
        else{
            digitalWrite(i + PIN_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5を指定した場合を例にして説明します。

例）引数に5を指定した場合
0x05と0x01の論理積は1なので3ピン（PIN_DO_A）がHとなる。
0x05と0x02の論理積は0なので4ピン（PIN_DO_B）がLとなる。
0x05と0x04の論理積は1なので5ピン（PIN_DO_C）がHとなる。

0x05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CがHとなるため5が出力対象になりCOMと接続されます。