gopher-board は Go のマスコットキャラクターの Gopher を型取ったオリジナル基板です。
組み立てから行う場合はビルドガイドを見てください。
- Go のインストール
- TinyGo のインストール
以下より TinyGo をインストールしてください
https://tinygo.org/getting-started/install/
会社支給のPCではなく、なるべく自分のPCを使用してください。 セキュリティの設定などでUSBデバイスの接続が禁止されている場合は、プログラムが書き込めずワークショップを進めることが出来ません。
またMacOSの日本語版ではうまくプログラムの書き込みができないという事象が起きることがあります。 その場合は以下の記事で書かれている方法を試してみてください。
基板には以下の部品がついています。
- マイコン（RP2040）
- スイッチ
- フルカラーLED（WS2812）
- 液晶（ST7789）
- ブザー
- Grove端子
またマイコンの周囲のピンソケットからジャンパー線、ブレットボードを利用して任意のセンサーやデバイスを接続することができます。
マイコンはCPU、メモリ、IOポートなどを備えた小さなコンピュータです。 スマホやパソコンと何が異なるかというとCPUやメモリがある点では同じですが、だいたいのマイコンのクロック数がMHz、メモリはKB〜MBになります。 マイコンではAndroidやiOS,MacやWindowsといったOSというものは存在せず、1つのプログラムが実行されるだけになります。
スマホやパソコン用のCPUに比べるとマイコンは安価なため、電子レンジや炊飯器など家電製品や車載製品、おもちゃなどで使われています。
このマイコンにスイッチやセンサーを接続してプログラムで制御するのがマイコンのプログミングになります。
TinyGoはGoを利用してマイコンなどを動かすためのコンパイラです。
TinyGoというプログラミング言語があるわけではなく、GoのコードをLLVMを利用してマイコン上で動作するバイナリファイルが生成されます。
様々なデバイスを動かすためドライバがライブラリとして用意されています。
普段Goでアプリやコマンドラインツールを作成するときと同じようにgo.modファイルでライブラリを管理できますし、tinygoコマンドをPATHに通すだけなので環境構築も用意にできます。
詳しくは公式ドキュメントや sagoさんのスライド、基礎から学ぶ TinyGoの組込み開発などをお読みください。
まずワークショップで利用するブレットボードについて説明します。
ブレットボードはパーツを差し込んで簡単に電子回路を作成して試すことができるものです。
外側の+-は縦方向に、A〜EとF〜Jは横方向に接続されています。
https://iot.keicode.com/electronics/what-is-breadboard.php
裏側に金属板が入っていて縦と横に電気的に接続されています。
https://shop.sunhayato.co.jp/blogs/problem-solving/breadboard
Gopherくん基板とブレットボードを接続します。
3V3のPinに赤いジャンパー線を挿したら、ブレットボードの+に接続します。
GNDのPinに黒いジャンパー線を挿したら、ブレットボードの-に接続します。
マイコンのピン配置がわかりづらい場合は、以下の画像を見てください。
これで準備は完了です。
LEDには向きがあります。足の短い方を-の列に挿して、長い方はaに挿します。
抵抗をコの字に曲げて、LEDと同じ列に挿します。
抵抗を挿したらジャンパー線を26に挿して、もう片方を抵抗と同じ列に挿します。
回路を作成したらプログラムを書き込みます。LEDが1秒おきに点滅します。
$ tinygo flash --target waveshare-rp2040-zero --size short ./00_blink/main.go
Gopherくん基板には6つのスイッチがついています。押されたスイッチを読み取るデジタル入力のプログラムを書き込みます。
$ tinygo flash --target waveshare-rp2040-zero --size short ./01_switch/main.go
tinygo monitorを実行してUpボタンを押すとメッセージが出力されます。
$ tinygo monitor
Connected to /dev/ttyACM0. Press Ctrl-C to exit.
button up is pressed!!
button up is pressed!!
Goのprintln関数は標準出力にメッセージを出力しますが、TinyGoのprintln関数はシリアルポートに出力します。
光センサーを使いアナログ入力を試してみます。 スイッチによるデジタル入力は0か1になりますが、アナログ入力は0〜1023, 0〜65535など波のような幅のある数値になります。
光センサーの片方を+に挿してもう片方はbの列に挿します。
ジャンパー線を26と光センサーと同じ列に挿します。
読み取ったアナログ値をデジタル値に変換するのをADC(Analog Degital Converter)といいます。
ADCが使えるピンはマイコンにより異なります。TinyGoのドキュメントを確認すると、26〜29がADCを使えるピンなので26を使用する必要があります。
https://tinygo.org/docs/reference/microcontrollers/machine/waveshare-rp2040-zero/
$ tinygo flash --target waveshare-rp2040-zero --size short ./02_analog_input/main.go
プログラムを書き込んだら、tinygo monitorを実行します。
センサーを指で抑えてみると値が若干小さくなるのがわかります。
$ tinygo monitor
Connected to /dev/ttyACM0. Press Ctrl-C to exit.
+3.299245e+000
+3.299245e+000
+3.299245e+000
+3.282325e+000
+3.299245e+000
+3.285548e+000
+3.255738e+000
+3.288771e+000
+3.299245e+000
+3.279908e+000
+3.249293e+000
+3.269434e+000
+3.295216e+000
光センサーは明るさによって抵抗値が変化します。明るいときは抵抗値が小さく、暗くなると抵抗値が大きくなります。
明るいときは3.3vに近い値が流れますが、暗くなると抵抗値が大きくなるので流れる電流が減少します。そのため指で抑えると値が小さくなります。
PWM(Pulse Width Modulation: パルス幅変調)を利用したアナログ出力でLEDを光らせます。
プログラムを書くとLチカの時とはLEDの光り方が異なり、ホタルのよう暗くなったり明るくなったりと光ります。
配線はLチカのときと同じように26と接続してください。
$ tinygo flash --target waveshare-rp2040-zero --size short ./03_pwm/main.go
https://tinygo.org/tour/pwm/fade/
PWMによるアナログ出力は、一定の周波数(デューティー比)で高速でHIGHとLOWを切り替えることで供給する電力を制御します。
供給される電力が高いときはLEDが明るく光り、電力が低いときはLEDが暗くなります。
https://zakkuri-kaisetsu.com/led3/
PWM出力を応用してモーターなどの回転数を制御します。
ONの時間が長くなれば回転数は上がり、短い場合は回転数が下がります。扇風機の強弱の仕組みです。
Gopherくんの目の部分にはフルカラーLEDのWS2812がついています。これを光らせてみましょう。
WS2812自体に小さなマイコンがついていてマイコンにRGBの信号を送ると光るようになっています。
TinyGoではWS2812用のドライバがあるので、ドライバを利用して光らせます。
$ cd ./04_ws2812
$ tinygo flash --target waveshare-rp2040-zero --size short main.go
基板に付いているブザーで音を鳴らしてみましょう。 プログラムを書き込むとドレミファソラシドの音が聞こえます。
$ tinygo flash --target waveshare-rp2040-zero --size short ./05_buzzer/main.go
BMP280というセンサーで温度と気圧を取得してみます。 基板とブレットボードをジャンパー線で以下のように配線します。
基板に黒と赤の線を予めさしてあるので、そことあわせるようにセンサーを挿してください。
VCC - 3v3
GND - GND
GP0 - SDA
GP1 - SCL
配線したらプログラムを書き込みます。
$ cd ./06_bmp280
$ tinygo flash --target waveshare-rp2040-zero --size short main.go
プログラムを書き込んだら、tinygo monitorを実行します。
温度と気圧が取れていることがわかります。
$ tinygo monitor
Connected to /dev/ttyACM0. Press Ctrl-C to exit.
Temperature: 29.37 °C
Pressure: 1007.01 hPa
Humidity: 0.00 %
Altitude: 52 m
Temperature: 29.39 °C
Pressure: 1006.98 hPa
Humidity: 0.00 %
Altitude: 52 m
湿度が0になっているのはBMP280だと湿度が取れないからです。 上位モデルのBME280を使うと湿度も取得できます。
テレビやエアコンなど家電で利用される赤外線リモコンの挙動をTinyGoで体験してみましょう。 リモコンは送信と受信に分かれます。
送信側の回路はLEDを赤外線LEDに取り替えます。ピンは26のままです。
送信側のプログラムを書き込みます。
$ tinygo flash --target waveshare-rp2040-zero --size short ./07_ir_send/main.go
受信側の回路は赤外線受信モジュールをLEDの横に取り付けます。 いちばん左をジャンパー線で15に、真ん中を黒、一番右を赤になるように挿してください。
受信側のプログラムを書き込みます。
$ cd ./07_ir_receive
$ tinygo flash --target waveshare-rp2040-zero --size short main.go
送信側はUpボタンを押すと赤外線LEDが光り、データを送信します。（赤外線LEDの点滅は目では見えません） 受信側はデータを受信したらLEDが光ります。
赤外線リモコンは赤外線LEDをPWMで38khzに点滅するように制御することで成り立ちます。
赤外線リモコンは、ボタンが押されると、そのボタンに対応した特定のパターンの赤外線信号を送信します。機器の受信側は、その光のパターンを読み取り、命令を実行します。
リモコンの信号は、この変調された赤外線の「ON（点滅している状態）」と「OFF（消えている状態）」の時間の長さの組み合わせで、「0」と「1」のデジタルデータを作り、情報を伝えています。
赤外線リモコンにはいくつかのフォーマットがあります。広く使われている1つがNECフォーマットになります。 NECフォーマットの信号は、以下の要素で構成されます。
- リーダーコード (同期パターン): 通信の開始を示す信号で、通常9msのONパルスと4.5msのOFFパルスで構成されます。
- カスタムコード (メーカーコード): 16ビットのコードで、機器のメーカーや種類を識別します。ルネサスエレクトロニクスが管理・割り当てを行っています。
- データコード: 8ビットの制御データと、そのビットを反転させたデータ（合計16ビット）で構成されます。反転データにより、受信側でエラーチェックが可能です。
- ストップビット: データ送信の終了を示す信号です。
- リピートコード: リモコンのボタンが押し続けられた場合に、一定周期（約108ms）で送信される信号です。これにより、電力消費の削減やボタン連打の識別を容易にします。
液晶画面に文字を出してみましょう。 以下のコマンドでプログラムを書き込みます。
$ cd ./08_st7789_txt
$ tinygo flash --target waveshare-rp2040-zero --size short main.go
液晶画面を色で塗りつぶしてみましょう。 以下のコマンドでプログラムを書き込みます。
$ cd ./08_st7789_bmp
$ tinygo flash --target waveshare-rp2040-zero --size short main.go
基板についているST7789という液晶画面は240x240ピクセルの画面です。
main.goのプログラムではx=0, y=0 ~ x=240, y=240にかけてRGBの色を指定してセットしています。
液晶画面に画像を表示してみましょう。 以下のコマンドでプログラムを書き込みます。
$ cd ./08_st7789_img
$ tinygo flash --target waveshare-rp2040-zero --size short main.go
11行目を以下のようにするとTinyGoのロゴが表示されます。
//go:embed tinygo-logo.raw
var imgData []byte
他の画像にするには tools/main.go を利用してバイナリファイルを生成して、main.goの11行目を差し替えてください。
以下のコマンド例で画像ファイルをバイナリファイルに変換します。
$ go run tools/main.go hoge.jpg 08_st7789_img/hoge.raw
以下を出力したバイナリファイル名に置き換えて書き込んでください。
//go:embed hoge.raw
var imgData []byte
以下のディレクトリに移動してプログラムを書き込むと、上のボタンで画像を切り替えられます。
$ cd ./08_st7789_multi_img
$ tinygo flash --target waveshare-rp2040-zero --size short main.go
koebitenでゲームを遊んでみる
koebitenはebitenをマイコン向けに移植したゲームエンジンです。 koebitenで作成されたゲームを書き込んで遊んでみましょう。
$ git clone https://github.com/sago35/koebiten.git
$ cd koebiten
$ tinygo flash --target ./targets/gopher-board-spi.json --size short ./games/all
プログラムを書き込むと複数のゲームを選択して遊べるようになります。
これまでワークショップで試した内容を応用して遊んでみましょう。 以下の例のようにワークショップで試した内容をかけ合わせたり、応用をすると面白く遊べるでしょう。
- スイッチが押されたらLEDを光らせる
- カラーLEDの色や点灯パターンを変える
- 簡易赤外線リモコンを作成する
- 取得した電圧を画面に表示する
- 取得した温度を画面に表示する
- 画面に好きな画像を表示する
- スイッチを押したら画像が変わるフォトフレームにする
- ブザーで曲を演奏する
自由に遊んでみましょう。 また以下のページを読んでkoebitenでゲームを作成してみるのもよいでしょう。
The Go gopher was designed by Renee French. http://reneefrench.blogspot.com/