回路図が決まったところで、次は得られた進行波と反射波の整流電圧を測定して計算表示させるまでを担うマイクロコントローラー（マイコン）部分のプログラムを設計していきましょう。
わざわざマイコンなんて使わなくても感度の良い電流計を取り付けて校正すればいいじゃん・・・はい、ごもっともです（汗）
しかし高周波とマイコンが融合する姿に私としては非常に引き付けられるものがあるので、ここはぜひマイコンを活用しようではないか！というわけで強引に進めていきます（笑）
具体的にマイコンを選定する前に、何をマイコンにさせるかということを決めておくことが大事です。それからマイコン動作の基本を理解することです。マイコン動作の本質は『計算』です。つまり、外から入力したデータを『計算』して出力に送る、ということです。その『計算』の手順を示すものがいわゆるプログラムということになります。
今回製作した通過型電力計に当てはめてみます。まずデータの入力ですが、進行波や反射波の電圧レベルはそのままマイコンで計算することができないので、最初にアナログーディジタル変換（AD変換）によって電圧レベルをディジタル値に変換します。このディジタル値をもって初めてマイコンによる『計算』が可能になります。それから計算した結果をキャラクターLCDディスプレイで表示するため、計算結果を含めたデータをLCDに送ることによってLCDに表示させます。あとはおまけとしてLCDバックライト電源を制御する出力とファンクションボタン入力を加えています。
ということで、マイコンに必要なポートを列挙してみると・・・
１．入力
進行波電圧入力（アナログ）
反射波電圧入力（アナログ）
ファンクションボタン（ディジタル）
２．出力
LCDへの通信ポート（今回は２線シリアルI2Cバス SCLポート,SDAポート）
LCDバックライト電源ポート（ディジタル出力）
と、入出力合わせて６ポート必要になります。
ということは、８ピンPICですべてのポートを使い切るということになります。特に機能拡張をする予定はないので必要最小限の８ピンPICを使うことにしました。
8ピンのPICは12Fシリーズがポピュラーですが、その中でも上位クラスの拡張ミッドレンジコアを持っている12F1840を採用しました。値段も秋月で1個120円と非常に安価です。これでAD変換やEEPROM、いくつかの通信モジュールもひとつ小さなパッケージに内蔵されているのは驚きです。
最近の8bitPICにはほとんどがAD変換とシリアル通信、EEPROMモジュールが内蔵されていて、発振源も内蔵CR発振が選択出来て外部に水晶振動子やセラロックを接続しなくても良い設計になっています。ましてや8ピンしかないマイコンには内部発振は必須といってよいかも知れません。
またPICのピンには各々役割が複数あって、初期設定で各々のモジュールのレジスタに書き込み設定を行っています。今回のプログラムでの割り当ては赤色の枠になっています。
では処理の流れをブロックダイヤグラム風に示してみます。
実際のプログラムに落とし込みますが、最初にPICのコンフィギュレーションの記述やヘッダファイルxc.hのインクルード、初期設定（PIC各ピン（入出力、アナログ・ディジタル、プルアップなど）、モジュール（ADC、I2Cバス））を行い、メインループ内にAD変換、各電力値とVSWR値計算、計算結果表示関数を置きます。
通常表示するだけであればメインループ内で繰り返し処理を行うようにしてほぼリアルタイムに表示させていけばOKですが、進行波と反射波表示切替やバックライトの制御を加えて少し使いやすくしてみます。
通常自分がスイッチによる制御を加える場合は、タイマー割込み処理でスイッチ状態を監視してメイン処理を修飾するようにしています。
タイマー処理はTIMER0で割り込みをかけるようにしています。時間設定は1ミリ秒としてスイッチの状態をメモリにコピーし、コピーしたメモリを参照してあるパターンに一致したときにフラグを立ててメインループ内でフラグに応じた処理を修飾するという流れです。
スイッチは一つしかありませんが、押し続ける時間によって機能をいくつか持たせるようにしてピンの少なさをカバーしています。（スイッチポートをアナログにして電圧変化に応じて複数の機能を持たせる方法もあります）
次にメインの計算処理についてですが、AD変換された値（AD value）は電圧の整数値（符号なしの10bit値）です。電力はW=V^2 / Rで導かれますので、電力値に変換するにはAD valueを2乗し適当な定数を乗すれば良さそうです。この方法ではある程度信号が大きければ問題ないのですが、ダイオードによる整流のためダイオードのVf付近つまりはQRP電力の場合ダイオードのひずみにより、単純にAD valueの2乗ですべてOK！というわけにはいきません。
そこで実際の電力値とAD valueを測定、表にプロットして計算方法を探ることにしました。
縦軸は出力電力値、横軸はPICのAD変換で得られたAD value ( = det) の2乗値det^2です。
det^2値が14000超えの場合はdet^2とPowerはほぼ1次関数に収まりますが、14000以下の場合はダイオードの低VfでのVf-If特性を踏まえて上表の青色の式のように当てはめるようにしました。（２次曲線に近似しており、この領域では整流電圧と電力の関係を１次関数とみなしています。言い訳ですが（笑）、この程度の測定器であればこれ以上突き詰めても仕方ないでしょう。）
また計算途中で必要な変数の型については、AD変換で得られる値のbit桁数は10bitなので2乗としても20bitあれば事足ります。ですので計算プログラムの変数の型はunsigned longでOKです。整数同士の計算なので4MHz駆動の8bitPICでもサクサク動いてくれます。
またVSWRの計算はおなじみの
VSWR値 = (|Vf| + |Vr|) / (|Vf| - |Vr|)
をそのまま当てはめています。
最後に表示にはI2C接続の16ｘ2キャラクタLCDを使い、LCDとのI2C通信にはMSSPモジュール使用しています。
それでは実際のコードを公開しちゃいます。
//
// VSWR_meter.c
// Copyright JL1VNQ / HARU
//
//
// ver.1.00 9 June 2019
// first release
//
// ver.1.10 12 June 2019
// change power calculation algorithm
//
#define EEPROM_SIZE 256
#define _XTAL_FREQ 4000000
#include <xc.h>
//for 12F1840 config
#pragma config FOSC = INTOSC, WDTE = OFF, PWRTE = OFF, MCLRE = OFF, CP = OFF
#pragma config CPD = OFF, BOREN = OFF, CLKOUTEN = OFF, IESO = OFF, FCMEN = OFF
#pragma config WRT = OFF, PLLEN = OFF, STVREN = ON, LVP = OFF
#define POW LATAbits.LATA5 // backlight LED control
#define FUNC PORTAbits,RA3 // function switch
#define LCD_AD 0x7C // Akiduki's I2C LCD(AQM0802, AQM1602) address
#define TMR0_set 0x83 // TMR0 1msec interval
unsigned char contrast = 5;
unsigned long forward = 0;
unsigned long reverse = 0;
unsigned long po = 0; // calculated power (x10^-1 watts)
unsigned int vswr = 0; // VSWR * 10
unsigned char for_rev = 0; // display change (0:forward, 1:reverse)
void msec_delay(unsigned short time);
void I2C_send(unsigned char data);
void lcd_cmd(unsigned char work);
void lcd_data(unsigned char work);
void lcd_init(void);
void lcd_clear(void);
void cgram_set(void);
void lcd_position(unsigned char li, unsigned char col);
void lcd_str_disp(unsigned char li, unsigned char col, const char *string);
void lcd_char_disp(unsigned char li, unsigned char col, unsigned char ascii);
void var_disp_conv(unsigned char li, unsigned char col, unsigned int val);
void pow_disp(unsigned char li, unsigned char col);
void vswr_disp(unsigned char li, unsigned char col);
void __interrupt() isr(void){
if(INTCONbits.TMR0IF){
INTCONbits.GIE = 0;
TMR0IF = 0;
static unsigned int cnt0 = 0, cnt1 = 0;
static unsigned char sw_mem = 0, sw_down = 0, dim = 0;
sw_mem <<= 1;
if(FUNC == 0) sw_mem |= 1;
if((sw_mem & 0x0F) == 0x03) sw_down = 1;
if(sw_down == 1){
if(cnt0 < 2000) cnt0 ++;
if(cnt0 < 1000){
if((sw_mem & 0x0F) == 0x00){
if(dim == 0) dim = 1;
else if(dim == 1) dim = 0;
sw_down = 0;
cnt0 = 0;
cnt1 = 20000;
}
}
else{
if(for_rev == 1) for_rev = 0;
else if(for_rev == 0) for_rev = 1;
sw_down = 0;
cnt0 = 0;
}
}
if(dim == 1){
if(forward > 10) cnt1 = 5000;
if(cnt1 > 0){
cnt1 --;
if(POW == 0) POW = 1;
}
else POW = 0;
}
else POW = 0;
TMR0 = TMR0_set;
INTCONbits.GIE = 1;
}
else if(INTCONbits.IOCIF){ // for Interrupt On Change(hang-up occur if compiling without this code)
INTCONbits.GIE = 0;
IOCAF = 0;
INTCONbits.GIE = 1;
}
}
void main(void){
OSCCON = 0x6A; // 4MHz internal OSC no PLL
PORTA = 0x00;
ANSELA = 0x11; // RA4, RA0 Analog Input
TRISA = 0x1F;
WPUA = 0x2E; // PORTA weak pull-up
OPTION_REG = 0x02; // weak pull_up, TMR0 internal clock(1us/cycle), prescaler 1:8
POW = 1; // LCD LED POW PORT on
SSP1CON1 = 0b00101000; // I2C Master mode
SSP1STAT = 0b10000000;
SSP1ADD = 9; // I2C Freq = (SSP1ADD + 1)*4/Fosc = 100kHz
ADCON1 = 0b11000000; // ADFM = 1 (right), ADCS = 100 (fosc/4), ADPREF = 00 (Vref = VDD)
ADCON0bits.ADON = 1; // ADC module enable
msec_delay(10);
lcd_init();
cgram_set();
lcd_str_disp(0,0,"VSWR Meter QPM01"); //startup splash for AQM1602
lcd_str_disp(1,0,"(c)HARU 20190612");
msec_delay(750);
POW = 0;
lcd_clear();
TMR0 = TMR0_set; // 1msec
INTCONbits.TMR0IF = 0;
INTCONbits.TMR0IE = 1;
INTCONbits.IOCIE = 1;
INTCONbits.GIE = 1;
IOCAN = 0xFF; // interrupt on change negative edge detect
IOCAF = 0;
while(1){
ADCON0 = 0b00000001; // AN0
__delay_us(10);
ADCON0bits.GO = 1;
while(!ADCON0bits.GO){
}
__delay_us(10);
forward = ((unsigned int)ADRESH << 8) + (unsigned int)ADRESL;
ADCON0 = 0b00001101; // AN3
__delay_us(10);
ADCON0bits.GO = 1;
while(!ADCON0bits.GO){
}
__delay_us(10);
reverse = ((unsigned int)ADRESH << 8) + (unsigned int)ADRESL;
if(for_rev == 1){
if(reverse < 118) po = (reverse * 5428) / 10000;
else po = ((reverse * reverse + 20000) * 19) / 10000;
po = po * 11 / 10;
}
else if(for_rev == 0){
if(forward < 118) po = (forward * 5428) / 10000;
else po = ((forward * forward + 20000) * 19) / 10000;
po = po * 11 / 10;
}
var_disp_conv(0,0,po);
pow_disp(0,10);
if(forward > 10 && forward > reverse) vswr = (forward + reverse) *10 / (forward - reverse);
else vswr = 9;
if(vswr > 9) var_disp_conv(1,0,(vswr - 10) * 30);
else var_disp_conv(1,0,0);
vswr_disp(1,10);
msec_delay(40);
}
}
void msec_delay(unsigned short time){
unsigned short i;
for(i=0;i<time;i++){
__delay_ms(1);
}
}
void lcd_init(void){
lcd_cmd(0x38);
lcd_cmd(0x39);
lcd_cmd(0x14);
lcd_cmd(0x70 + contrast);
// lcd_cmd(0x73);
lcd_cmd(0x56); // 3.3V
// lcd_cmd(0x52); // 5V
lcd_cmd(0x6C);
msec_delay(210);
lcd_cmd(0x38);
lcd_cmd(0x0C);
lcd_cmd(0x01);
msec_delay(2);
}
void I2C_send(unsigned char data){
SSP1IF = 0;
SSP1BUF = data;
while(!SSP1IF){
}
}
void lcd_cmd(unsigned char work){
SSP1CON2bits.SEN = 1;
while(SSP1CON2bits.SEN){
}
I2C_send(LCD_AD);
I2C_send(0x80); // Co=1, RS=0
I2C_send(work);
SSP1IF = 0;
SSP1CON2bits.PEN = 1;
while(SSP1CON2bits.PEN){
}
SSP1IF = 0;
__delay_us(30);
}
void lcd_data(unsigned char work){
SSP1CON2bits.SEN = 1;
while(SSP1CON2bits.SEN){
}
I2C_send(LCD_AD);
I2C_send(0xC0); // Co=1, RS=1
I2C_send(work);
SSP1IF = 0;
SSP1CON2bits.PEN = 1;
while(SSP1CON2bits.PEN){
}
SSP1IF = 0;
__delay_us(30);
}
void lcd_position(unsigned char li, unsigned char col){
lcd_cmd(0x80 | (li << 6) | col);
}
void lcd_str_disp(unsigned char li, unsigned char col, const char *string){
unsigned char i = 0;
lcd_position(li,col);
while(((col + i) < 16) && string[i]){
lcd_data(string[i]);
i++;
}
}
void lcd_char_disp(unsigned char li, unsigned char col, unsigned char ascii){
lcd_position(li,col);
lcd_data(ascii);
}
void pow_disp(unsigned char li, unsigned char col){
if(for_rev == 0) lcd_char_disp(li,col,'F');
else if(for_rev == 1) lcd_char_disp(li,col,'R');
if(po < 1000) lcd_data(' ');
else lcd_data(po / 1000 + '0');
po %= 1000;
lcd_data(po / 100 + '0');
lcd_data('.');
po %= 100;
lcd_data(po / 10 +'0');
lcd_data('W');
}
void vswr_disp(unsigned char li, unsigned char col){
lcd_str_disp(li,col,"SWR");
if(vswr < 10){
lcd_data(' ');
lcd_data(' ');
lcd_data(' ');
}
if(vswr < 100){
lcd_data(vswr / 10 + '0');
lcd_data('.');
lcd_data(vswr % 10 + '0');
}
else{
lcd_data('>');
lcd_data('1');
lcd_data('0');
}
}
void lcd_clear(void){
lcd_cmd(0x01);
msec_delay(2);
}
void cgram_set(void){ // bargraph caharacter setting
unsigned char i;
for(i=0;i<7;i++){
lcd_cmd(0x40 + i); // bar0
if(i == 0) lcd_data(0x01);
else if(i == 1) lcd_data(0x15);
else lcd_data(0x00);
lcd_cmd(0x48 + i); // bar1
if(i == 0) lcd_data(0x01);
else if(i == 1) lcd_data(0x15);
else lcd_data(0x10);
lcd_cmd(0x50 + i); // bar2
if(i == 0) lcd_data(0x01);
else if(i == 1) lcd_data(0x15);
else lcd_data(0x14);
lcd_cmd(0x58 + i); // bar3
if(i == 0) lcd_data(0x01);
else lcd_data(0x15);
lcd_cmd(0x60 + i); // bar4
if(i == 0) lcd_data(0x07);
else lcd_data(0x17);
}
lcd_cmd(0x68);
lcd_data(0x11);
lcd_cmd(0x69);
lcd_data(0x15);
lcd_cmd(0x6A);
lcd_data(0x15);
lcd_cmd(0x6B);
lcd_data(0x0A);
lcd_cmd(0x6C);
lcd_data(0x00);
lcd_cmd(0x6D);
lcd_data(0x00);
lcd_cmd(0x6E);
lcd_data(0x00);
}
void var_disp_conv(unsigned char li, unsigned char col, unsigned int val){
char value = 0;
value = (char)(val >> 5);
unsigned char col_max = 0, reg_col = 0;
col_max = value / 3;
reg_col = value % 3;
lcd_position(li, col);
if(value < 28)
{
for(unsigned char i=0;i<col_max;i++){
lcd_data(3);
}
if(col_max < 9){
lcd_data(reg_col);
for(unsigned char i=0;i<(8-col_max);i++){
lcd_data(0);
}
}
}
else{
for(unsigned char i=0;i<8;i++){
lcd_data(3);
}
lcd_data(4);
}
}
（EOF)
最新のMPLAB X IDEとXC8コンパイラ（フリー版）でコンパイル可能です。（フリー版でない場合は最適化オプションによっては動作がうまくいかない可能性があります。検証していませんが（通常版持ってないし））
次はPCBデザイン編です＾＾
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| 秋月Cタイプユニバーサル基板に実装テスト 1.8～50MHz帯、20Wまで使えそうです |
