ArduinoにUARTのPINを追加する

2月 25, 2021

ArduinoのSERCOMについて調べたところ、日本語の情報がほとんどなかったので、調べたことを備忘録として書き留めておきます。

※ 簡単に調べただけなので、内容に誤りがある可能性があります

SERCOMとは何か

Serial communication moduleの略であり、MCUが用意しているシリアル通信モジュールのことである。

MCUのPinをどのシリアル通信（I2C、UART、SPI）で使用するのかを定義している。

以下はArduino MKR WAN 1310のMCUであるATSAMD21のデータシートを抜粋した画像です。

このMCUには6つのSERCOMが用意されていると書いてあります。

ArduinoのPinに紐づけられているSERCOMを確認する

ArduinoのPinとSERCOMが紐づけられているので、シリアル通信を使うことができます。

以下はArduino MKR WAN 1310のPin配列図ですが、どこにもSERCOMの記述はありません。

より詳細なPin配列を「Download the full pinout diagram as PDF here.」から確認できます。

先ほどは無かった「Sercom」が表示されています。

例えば、UARTで使用するD13とD14には「SC5」と書いてあるので、SERCOMの5番と紐づいていることが分かります。

SERCOMでシリアル通信用のPinを増やせる

ArduinoはMCUのSERCOMを全て利用しているとは限らないため、未使用のSERCOMがあります。

そのため、シリアル通信以外に割り振られているArduinoのPinと未使用のSERCOMを紐づけることで、シリアル通信用のPinを増やすことができます。

例えば、Arduino MKR WAN 1310のUARTは1つ(D13とD14)しか存在しませんが、他のPinを使ってUART用のPinを増やすことができます。

しかし、実際にSERCOMを使ってシリアル通信用のPinを増やすことはありません。
なぜなら、SoftwareSerialを使えば同様のことが実現可能だし、I2Cは数珠つなぎで最大16個のデバイスを接続できるからです。

なぜ、シリアル通信用のPinを増やそうとしたのか

Arduino MKR WAN 1310にUARTでセンサーを繋ごうとして、インターネットでいろいろ調べているうちに、なぜか以下の勘違いをしてしまいました。

「UART用にD13とD14のPinが用意されているが、USB接続で使用するためPCに接続しているときは使用できない」

実際にはPCと接続していてもD13とD14はUARTとして使用できます。

今となってはなぜこんな勘違いをしたのか分かりませんが、これを解決するためにSoftwareSerialを使おうとしました。

しかし、MKR系のArduinoではSoftwareSerialを使えないのです！！

そのため、SERCOMを使ってUART用のPinを増やそうとしたのです。

MCUのSERCOMを確認する

まずはMCUのデータシートでPinを確認し、シリアル通信に割り当てれそうなPinを探します。

ATSAMD21のデータシートから「7. I/O Multiplexing and Considerations」を参照します。

長い表なので、1ページ目のみ載せます。

Arduino MKR WAN 1310のMCUはATSAMD21Gだと思われるので、Pin列はATSAMD21Gとなります。

A列～H列は機能別に割り当てられており、C列とD列がSERCOMとなります。

※ SERCOM#/PAD[x] の#はSERCOMの番号、PADのXはPADの番号を表す

※ PADはPinの多重化のようなもの？？
この表から、1番～5番までのSERCOMがあり、各SERCOMには4つのPADがあることが分かります。

ArduinoとSERCOMの紐づけを確認する

次はArduinoのPinとSERCOMの紐づけを確認します。
variant.cppの変数「g_APinDescription」で定義されており、表がコメントに記載されています。

C:\Users\USER_NAME\AppData\Local\Arduino15\packages\arduino\hardware\samd\1.8.11\variants\DEVICE\variant.cpp

以下はシリアル通信を定義している箇所になります。

UARTであるSerial1は13ピンをSERCOM5/PAD[3]に、14ピンをSERCOM5/PAD[2]に紐づけていることが分かります。

variant.cppのシリアル通信の定義から、未使用のSERCOMが分かりました。
今回はお試しとして、SERCOM1が未使用と仮定して話を進めます。

新しくUARTを作成する

スケッチに以下の処理を追加することで、新しくUARTを追加できます。

Uart SERIAL_NAME(&sercom1, PIN_RX, PIN_TX, PAD_RX, PAD_TX );

void SERCOM1_Handler()
{
    SERIAL_NAME.IrqHandler();
}

SERIAL_NAMEは任意の名前です。

Uartの引数は以下となります。

第一引数：使用するSERCOMを指定する。今回は1番を使用するの「&sercom1」を渡す

第二引数：UartのRXとして使用するPinを指定する

第三引数：UartのTXとして使用するPinを指定する

第四引数：第一引数で渡したSERCOMのPAD0～4のうち、どれをRXとして使用するか指定する

第五引数：第一引数で渡したSERCOMのPAD0～4のうち、どれをTXとして使用するか指定する

第二引数と第三引数に指定できるPinはSERCOMで決まるため、再びデータシートの表を確認する。

C列とD列に「SERCOM1」の記載があるのは以下のPinとなる。

MCUとしてはPA01、PA16、PA18、PA19、PA30、PA31のPINをSERCOM1として利用できることが分かりました。

しかし、Arduino MKR WAN 1310にはPA01、PA18、PA30、PA31のPinは無いため、実際に利用できるPinはPA16(D8)、PA19(D10)のみとなります。

第四引数と第五引数のPADですが、どのPADでもUARTのRXとTXに使えるわけではないです。

RXとTXに使用できるPADは「SERCOM.h」に定義されています。

RXは0～3まで定義されているので、結果的にはどのPADでも使用できます。

しかし、TXは0と2しか定義されていません。
ここでMCUの表を再度確認します。

PA16のSERCOM1のPADは0、PA19のSERCOM1のPADは3なので、PA16はRXとTXの両方で使用できますが、PA19はRXにしか使用できません。

そのため、SERCOM1を使用してUartを追加するコードは以下となります。

Uart SERIAL_NAME(&sercom1, 10, 8, SERCOM_RX_PAD_3 , UART_TX_PAD_0);

※ MCUのPA16はArduinoではD8なので、PIN番号は8となる

※ MCUのPA19はArduinoではD10なので、PIN番号は10となる

以下のサイトが良い参考になりました。

https://learn.adafruit.com/using-atsamd21-sercom-to-add-more-spi-i2c-serial-ports/overview

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