Darkside（https対応しました）

　弾速測定器の基板は、液晶ディスプレイと接続するために１４ピンのコネクターが付いている。当然ながら、ここに別のモノを取り付けることが可能だ。
　５ＶとＧＮＤが出ていてボリューム装備、そして汎用入出力として７本使用可能。本体側のＰＩＣにはプッシュスイッチ２つとＬＥＤ２つとフォトトランジスター２つが装備。高精度の水晶クリックと５Ｖ安定化電源装備。ＰＩＣ汎用実験基板としても結構使いでがあろう。
　ただし、ゼロプレッシャーソケットではないため試験基板としては操作性が悪い。水晶発信機のクロックは２センチ以上引き回さない方が良いとされるため、ゼロプレッシャーは採用し辛い。

　この回路で、ＰＩＣプログラムの先頭部分はこんな感じになる。

　　　　include　　16f84.h

　　　　.osc　　　　hs　　　　; オシレータ
　　　　.wdt　　　　off　　　　; ウォッチドッグ
　　　　.pwrt　　　　on　　　　; パワーアップタイマ
　　　　.protect　　off　　　　; プロテクト

lcd_rw　　　equ　　ra.1
lcd_rs　　　equ　　ra.2
lcd_stb　　　equ　　ra.0

photo0　　　equ　　rb.3　　; 受光０
photo1　　　equ　　rb.2　　; 受光１
led_red　　　equ　　ra.4　　; 赤ＬＥＤ
led_green　　equ　　ra.3　　; 緑ＬＥＤ
sw_start　　equ　　rb.1　　; スタートスイッチ
sw_reset　　equ　　rb.0　　; リセットスイッチ

　　　　org　　0ch
count　　　ds　　3　　　　; 測定時間カウント
DPDT　　　　ds　　1　　　　; LCD display data

　　　　org　　0
　　　　goto　start
　　　　org　　4
　　　　goto　start

; ****************************************************************************
;　　開始
; ****************************************************************************
start
　　　　mov　　intcon,#00000000b　　; 割り込み禁止
　　　　setb　　rp0　　　　　　; ページ１選択
　　　　mov　　ra,#00000000b　　　　; ポートＡ
　　　　mov　　rb,#00001111b　　　　; ポートＢ
　　　　clrb　　rp0　　　　　　; ページ０選択
　　　　mov　　option,#00000000b　　; pullup

　順次ハードの動作確認が進んだが、一応は動作しているＴＰＳ６０１Ａの感度が足りているか確信が持てない。実際に光ファイバー使って試してみて、感度が不足だとなればＱ１とＱ２に独自に５００ＫΩ程度の外付けプルアップ抵抗を付けることになるだろう。その場合、ＰＩＣ内蔵のプルアップ抵抗は無効にせねばならず、２つのプッシュスイッチにもまた外付けプルアップ抵抗が必要になってしまう。
　果たしてこれ以上基板にハンダゴテを入れずに済むかどうか？

　ＴＰＳ６０１Ａの暗電流は典型値０．０１μＡだが、最悪値は０．２μＡである。プルアップ抵抗に１ＭΩを使用すれば最悪値で０．２Ｖのノイズが発生する。これはＰＩＣのＬｏｗ電圧スペックからして無視出来ず、検出の安定性に不安がある。プルアップ抵抗値を大きくすれば感度は上がるがノイズも増えるので、外付けするとすれば５００ＫΩあたりがバランス良好と思われる。

　液晶ディスプレイには数字だけでなく英字も表示可能。小文字ＯＫだし日本産ならでは？のカタカナまで対応しているため、コイルガンと表示させることも出来るだろう。
　ＰＩＣ用としてはかなり豪勢な表示装置であり、ＰＩＣで製作可能なレベルの機能なら表示情報量で悩むことは無くなる★

　液晶のコントラスト調整は有効範囲が狭い。ボリューム位置のほとんどにおいて何も表示されなくなる。ほんの僅かな範囲だけ液晶が表示され、コントラストは急激に変化する。
　このため、写真のように多回転型のボリューム使った方が実は遙かに調整の操作性が良くなる。

　液晶との接続ピン対応は精密時計製作記事に合わせてあるため、制御コードは付属のプログラムがそのまま使えるはずだった。ところが、付属プログラムはＩ／Ｏ出力が連続するのにｎｏｐを挿入していなかったりする（同じ本の別の場所では入れるよう注意が喚起されているのに！）。
　特に、液晶側のコマンド処理待ちルーチンが全く動かず、自前で修正するのにかなりの時間を要してしまった。幸いにして、本の印刷記事には明白な間違いが無かったために何とかなった。

　弾速を測定するにあたり、有効数字３桁は確保したい。そうなると、通過時間を最低でも１０００等分して計測出来ねばならない。
　２５５までしかカウントできない１バイトカウンターは当然不可だ。２バイト使うと６５５３５までOKだが、その場合は最高速の約６５倍の時間、すなわち約６５分の１の速度までしか計測出来ない。

　では、どの範囲の速度を計測するか？
　コイルガン専用なら当面は秒速１００メートルまでで足りるだろう。この場合、遅い側は秒速２メートル以下まで測定可能となり、十分OKである。
　カウンターを３バイトにすれば秒速１センチでも対応可能となる。
　光センサーをポーリングしつつカウントアップする具体的なコードはこんな感じとなる。

wait_photo1a
　　　　incf　　count[0],1　　; カウンター１アップ
　　　　btfsc　　z
　　　　incf　　count[1],1
　　　　btfsc　　z
　　　　incf　　count[2],1

　　　　; 光が遮られるのを待つ
　　　　btfss　　photo1
　　　　goto　　wait_photo1a

カウンターが３バイトであれば、ループ１回に８クロックを要する。カウンターを２バイトにすれば２命令削減出来て、６クロックだ。
　２０MHｚ駆動のＰＩＣは内部５ＭＨｚで動作するため、時間計測の分解能＝１カウンターの時間は、カウンター３バイトで１．６μ秒、２バイトなら１．２μ秒となる。

　有効数字３桁を確保する１０００カウントを行うには、計測時間はそれぞれ１．６ミリ秒以上、１．２ミリ秒以上必要となる。
　秒速１００メートルの測定対象でそれだけの時間差を作り出すには、センサーの間隔をそれぞれ１６センチ以上、１２センチ以上・・・確保すれば良いと分かる。
　いずれであっても現実的な数字であり、この弾速測定器は有効数字３桁を十分に狙えると分かる。

　光ゲートドライバーはパーツ選定や設計変更で大変だが、これまでの騒ぎで必要なチェックポイントはかなり明確になった。そろそろ弾速測定器の方も進行させよう。
　コイルガンを作っているサイトは内外に数多いが、外国に比べると日本では弾速を測定していない所が多い。しかし、実験には測定が必須だろう。空き缶を撃ち抜くのも面白いが、具体的に弾速がどの程度まで上がれば撃ち抜けるか？という公開のされ方がしてあれば、更に面白いのにと思う。

　コイルガンの弾速が測定されていないのは、適切な測定器が無いのも理由だろう。武器としてのコイルガンはプロジェクタイルの運動エネルギーより電磁ノイズ発生器としての威力が上かも（汗）
　下手に測定器を使おうとすると、測定器が壊れかねない。しかも将来的に超多段式なんてなった日には・・・
　そこで、コイルガン専用の自作測定器となる次第。

　基本はありふれたＰＩＣ制御の光学検知式。弾丸の通過を光センサーで検出し、２点間の所用時間から速度を計算する。
　ただし、すべての装置はバッテリー駆動の独立電源とし、シールドボックスに格納する。操作や結果表示の確認はボックスを開けて行うが、コイルガンを撃つ時はボックスを密閉してしまう。

　シールドボックス内からレーザーを光ファイバーで検知機まで導き、１５ミリほどのギャップを介して光ファイバーでシールドボックス内の光センサーまで引き戻す。
　あらゆる装置はボックス内に籠城させ、外部との遣り取りは光ファイバーのみで行う。これにより、コイルガンの猛烈な電磁ノイズから守る。

　ギャップを介した光ファイバーでは光量が低下するため、光源はレーザーを使用する。光源の変調はプロジェクタイル通過により物理的に行われるため、光ゲートドライバーで問題になっている立ち下がりのシャープさでは有利である。
　少なくとも、発光側の立ち下がりがナマることはない。

　結果表示は液晶ディスプレイを使用する。情報量が多い割に少ない配線で済むし、消費電力も少ない。
　電子工作のためのＰＩＣ１６Ｆ活用ガイドブックに掲載されている回路に合わせる。液晶パネルは例のごとく秋月で売っている。バックライト無しタイプを選んだ。
　弾速測定器ではＰＩＣのクロックの正確さも問題だ。通常のセラロックはラジコン制御に使う程度なら充分に実用的な精度があるし小型である。しかし、弾速測定器ではクロックの誤差はそのまま測定誤差となる。温度等による変化だけでなく時間的変化があれば、別の日に測定した結果を比較し辛くもなる。
　そこで、クリスタルオシレーターを使用する。

　水晶発振器も液晶ディスプレイも５Ｖ安定化電源を必要とする。そこで、バッテリーをＤＣ−ＤＣコンバーターで５Ｖ安定化して使う。
　ここで使用したのは鈴商で扱ってるもので、入力電圧４．６５〜６Ｖとニッケル水素４本にピタリとハマる。恐らくその用途を想定した製品だろう。出力０．４Ａまでなので、今回の回路には適切な能力。もっと大電流が必要ならコーセルの方が入力電圧範囲も広く小型である。しかし、このスペックで構わないのなら、こいつの方が安い。
　水晶発振器の精度は４桁。しかし前書の時計作例では、５桁の精度を持ちしかも安い発信器が使われている。秋月でも売っている。だが、残念なことに自分は１２．８ＭＨｚ品しか発見出来なかった。クロックの精度だけでなく周波数も重要だ。測定の分解能に影響する。２０ＭＨｚで動かせるＰＩＣを１２．８ＭＨｚで動かすのは到底容認出来ない。検出器の長さ精度を考えた場合、５桁はオーバースペックである。精度が４桁しかなくても２０ＭＨｚ出せる方が価値が上と判断した。

　メインスイッチはＤＣ−ＤＣコンバーター側面にエポキシで接着。最終的には全体をシールドボックスに収めるが、開発中は剥き出しである。

　基板右側にあるのが液晶ディスプレイとの接続コネクター。１４ピンあるが信号線は７本で済む。それで１６桁×２列の表示が可能なのだから、７セグメントより遙かに便利。
　４ビット送信モードで使うため、４本のピンは不用。残る３ピンは５ＶとＧＮＤとコントラスト調整である。右上のボリュームで液晶のコントラストを調整する。

　ＬＥＤは液晶ディスプレイの下に隠れてしまうが、発光していることが分かれば良いので充分に使える。検出光ではなく単なるモニター用である。
　その下にＴＰＳ６０１Ａが２つ、ＢポートとＧＮＤの間に直結してある。Ｂポートをプルアップ設定で使うと、光が入らない場合は１で６０１Ａに電流が流れると０がＰＩＣに入力される。
　ＰＩＣの内蔵プルアップ抵抗は数十ＫΩと大きめなのだが、それを逆用し手頃な増幅率を持つバイアス抵抗としてしまう。光ゲートドライバーで反応速度問題が出ているため、余計なパーツを極限まで省いた構成だ。

　左に２つ並んだスイッチは弾速測定器の操作用。
　なお、液晶ディスプレイは写真の状態では上下逆にセットされる。つまり、実際に使う場合は写真とは上下逆にする。

　基板裏側。
　このＤＣ−ＤＣコンバーターは外付けコンデンサーを必要としないが、取り付けることで電源としての品質はアップする。秋月のチップ型積層セラコンは案外作業性が良くて使い勝手が良い。

　写真ではそれほどの配線量に見えないが、実際の作業は相当に面倒臭い。

　電源配線が別に取り出してあるが、レーザーモジュール用である。ＰＩＣで制御するのではなく、メインスイッチを入れれば点灯し続けるようにする。
　光り続けるレーザーをパチンコ玉が遮る瞬間を検出する。つまり、レーザーは常時光っていなくてはならない。気分的には電力の無駄だが、あくまで気分的だ。
　それに、気分的に電源を入れっ放しにしたくない仕様であれば、こまめにメインスイッチを切るようになり結果として省エネでもある。

　レーザー部分以外を組んだところで、基板試験を開始。
　まずはバッテリーを接続しＰＩＣはセットしない。バッテリー電圧とＤＣ−ＤＣ出力の電圧をチェックし、正常であると確認する。メインスイッチが働いているのを確認する。
　続いてＰＩＣをセットする。マイクロスイッチを押せばＬＥＤが点灯する単純なプログラムで動作を確認。それをパスすれば、６０１Ａに光が入ればＬＥＤを点灯させてみる・・・という感じで動作確認は進行する。

　ここで、赤ＬＥＤが光らないというトラブルが発生した。実はこれまでＲＡ４を出力で使ったことが無かった。特殊なピンなので避けていたのだ。うっかりＲＡ３と同じようにＬＥＤを接続してしまった。

　ＲＡ４を出力で使う場合、ピンとＧＮＤの間がＯＮ／ＯＦＦされるような動作をする。
　だから、ＬＥＤを光らせる場合はＲＡ３など他のピンとは回路が変わるのだ。使うパーツは同じであるが。
　また、ＯＮになるのはＲＡ４に０を出力した場合なので注意が必要。

　分かってしまえばＲＡ４も他と同じようにＬＥＤを光らせるために使える。

　ブログには実験のモチベーションを保つ以外にも、結果を整理して自分自身の頭も整理するという実用性がある。

　ＩＧＢＴをＯＮにするにはゲート電圧を上げる。ＯＦＦにするにはゲート電圧を下げる。これは与件であり変更出来ない。一方、光スイッチングでは消費電力の問題から、点灯時をＯＮとし消灯時をＯＦＦとしたい。これは与件ではないが逆にすると、射撃待機時ずっと発光体を光らせておかねばならない。多段式になるほど無駄が強烈に増大する。
　となると、受光側も光が入った時に電圧が上がり、入らない時には電圧が下がるような回路にしたい。

　エミッター電位可変が気持ち悪いので、ＰＮＰトランジスターを使った回路を試す。
　ブレッドボード上に組んで、２５０Ｈｚ矩形パターンがどのように受信されるかＲ１の＋側電位をオシロでチェックした。送信側はダイレクトドライブの秋月レッドレーザーモジュールを使用。
　先日用意した３種類のＰＮＰトランジスターを比較してみる。

ＴＰＳ６０１Ａ直結

　トランジスター無しでＲ１に直結して測定したもの。
　パターンは結構シャープであり、フォトトランジスターの性能が良く現れている。しかし、２μ秒とされるスペック上のスイッチング時間に比較すればトロい。１目盛りが１ミリ秒なので、スイッチングに１００μ秒オーダーを要している。また、ＯＦＦスイッチングが尾を引いている気配あり。
　ＯＮの立ち上がりとＯＦＦの立ち下がりの間が２ミリ秒すなわちジャスト２目盛り分である。スイッチング時間の分だけ、ＯＮの台地は２ミリ秒より短くなっている。
　トランジスターによる増幅がないため、リップルが台地部分にモロに見えている。

２ＳＡ１２４２

　パターンがかなりナマっている。特に、台地の立ち上がり側がナマっていたりノイズが多めに感じられる点がいただけない。
　パーツ破壊でミソを付けたが、性能面でも疑問が残る。

２ＳＡ１９２６

　ぐっとパターンが良い感じになっている。相変わらずＯＦＦスイッチングが尾を引くが、もともと尾を引いているものが増幅によって見えているだけ、という可能性が高い。

２ＳＡ１９７２

　スペックシート上は最も性能が劣るのに、実測波形は最も良好。立ち上がりタイミングは素の６０１Ａとほぼピタリと重なっており、素性の良さが際立つ。ＯＮの立ち上がりとＯＦＦの立ち下がりの間がピタリと２ミリ秒である点も注目して欲しい。

　いずれのパターンも、２ＳＣ２６５５を使用した回路とは比較にならないほどキレが良くなっている。中でも一見パッとしないＡ１９７２が実は素晴らしい。使用素子はほぼ確定である。スペックシートだけで机上設計やったのでは、こいつが選ばれることは絶対に無かっただろう。
　Ａ１９７２は流せる電流が小さいため、ブースター段には使い難い。しかし、受光増幅では１０ミリアンペア程度流せれば良いため、Ａ１９７２でもスペックには十分な余裕がある。

　ただ、それでもスイッチング時間が長過ぎる。数μ秒でスイッチングして欲しいのに、１００μ秒のオーダーだ。６０１Ａ直結で既にそれだけの時間が掛かっている。

　ところで、トロかったのはＣ２６５５でありＬＥＤではないと判明したが、では実際のＬＥＤの実力は？
　ＴＰＳ６０１Ａ直結で、光源をレーザーからＬＥＤに替えて測定してみた。

　高輝度型ではない地味な赤色ＬＥＤである。レーザーに比べると波形の安定性に難があり、崩れそうなプリンに見える。しかし、発光にトランジスターやレギュレーターを使用しないせいかリップルは少なく、変に尾を引くこともなく、反応時間的にはレーザーの代用が勤まりそうである。
　そこで今度は、性能の良好だったＡ１９７２で増幅後の波形をチェックしてみた。

　レーザーと全く遜色のないパターンである。これなら、安価で小型となるＬＥＤで発光側を組める。
　ＯＮの立ち上がりとＯＦＦの立ち下がりの間が２ミリ秒より長くなっているが、これは素のＬＥＤからしてそうなっている。台地の幅が一定であれば問題にはなり難い。しかし、本番使用時の最小ＯＮタイムとなるパルス幅１００〜２００μ秒の発光が正常に行えるかどうかチェックする必要はある。

　続いての確認は言うまでもない。
　ＴＰＳ６０１Ａにトランジスター増幅を入れての測定だ。

　ビンゴ！
　出力波形は見事にナマっていた。真犯人はＣ２６５５だったのだ。フォトトランジスターを１ＫΩに直結した場合は矩形パターンだったものが、Ｃ２６５５で増幅してから１ＫΩに接続したら、ナマりまくり。

　こうして山狩りは成功し、犯人を逮捕した。だが事件は解決していない。犯行の動機がまだ不明なのだ。なぜＣ２６５５を入れると波形がナマるのか？
　それが分からない。

　これは、ブレッドボード上に組み立てた試験回路である。

　ニッケル水素電池４本で作り出された約５．５ＶでＰＩＣを動作させる。
　三端子で３Ｖに安定化したものは秋月レーザーを発光させる。これはＱ１を通してＰＩＣで２５０Ｈｚに変調されている。

　受光側も電源は同じである。
　問題は、Ｑ２を使わなかった昨日の試験では、Ｒ１の＋側電位をオシロで測定してもちゃんとした矩形パターンが現れていた点である。そもそも発振側でＱ１にＣ２６５５が使用されているのである。もしＣ２６５５が根っからの悪人（異様に反応速度が遅い）だとすれば、Ｑ２の有無に関わらず矩形パターンがナマっているはずだ。
　だが、現実にはＱ１は善人でＱ２は悪人。これがパーツの個体不良ではないことは当然容易に確認出来る。

　Ｑ１とＱ２の違いは、エミッターがＧＮＤに直結されているか抵抗を挟んでいるか・・・である。
　エミッターをＧＮＤに直結しないとＯＦＦスイッチングが遅くなるのは、果たしてＮＰＮトランジスター一般の性質なのか？それともＣ２６５５だけの問題なのか？
　残念ながら基本的な教科書にはそんなこと書かれていないし、シロウトである自分にはそんな知識もない。もしかするとプロには常識な罠なのかもしれないが・・・

　ＩＧＢＴのゲートに接続した抵抗が各５１Ωではなく５１ＫΩだったりして。過去のドジを踏まえるといかにもありそうだ。しかし、残念ながら？ちゃんと５１Ωが接続されている。
　ＰＩＣの出力ピンは綺麗な矩形パターンだし、トランジスターを通した後でもやはり２５０Ｈｚ程度ではパターンはまるで崩れない。それがなぜ？

　まてよ・・・確かにレーザーポインターを振ると綺麗な点線になるのだが、明るい白壁と暗い壁では点線が違う。明るい壁ではシャープなのだが暗い壁で振ると明るい期間が明らかに長い。元の信号はＰＩＣが生成した正確にデューティー５０の波形である。レーザーポインターもＬＥＤ並に反応遅いんじゃないか？
　確かにレーザーダイオードは超高速の反応速度を誇る。だが、秋月円筒形モジュールは薄型モジュールと異なり、出力が安定している。マトモなＡＰＣが組み込まれているのでは？そしてそのせいで、反応がトロくなっているのでは？

　試しに、薄型モジュールに換装する。話にならないほど出力が不安定だが、レーザーを振ると暗い壁であっても明暗の長さが等しいシャープな点線が輝く。期待しながら接続するが、やっぱりナマったゲート電圧しか出て来ない。
　ただ、ナマってるだけでなくノイズが乗りまくっている。円筒モジュールではノイズは乗らない。これは薄型モジュールの品質が劣悪であることと同時に、フォトトランジスターの反応速度は速いことも示唆している。

　ならば最後の手段、レーザーダイオードの直接ドライブだ！
　共立グリーン改造でお馴染みの手法。３Ｖ定電圧に５１Ωの電流制限抵抗を入れ、レッドレーザーを動かす。早い話がＬＥＤ光らせるのと同じです。
　写真では赤と黒の配線が逆（汗）
　黒い方が３Ｖで、赤い方がＧＮＤだ。

　これで、究極の反応速度が得られる。だが、やっぱりゲート電圧の波形は変わらない。さすがにＬＤ直接駆動で反応速度がミリ秒オーダーは考えられない。犯人は送信側ではなく受信側に居る。

　レーザーポインターの近くにＴＰＳ６０１Ａを設置する。入射光が強力なので増幅を必要としない。
　１ＫΩを直接バイアス用とする。これで、カソード電圧をオシロでチェック。ミリアンペアあたり１Ｖの電圧が計測される。入射レーザーの強度がそのまま電圧として測定可能だ。さあ、波形はどうだ？

　綺麗な矩形パターンが現れた。
　やはり、ＴＰＳ６０１Ａは充分な反応速度を持っている。こいつも犯人ではない。
　こうなったらＩＧＢＴを取り外しての測定も必要。波形がナマってるのはＩＧＢＴゲート容量のせいなのか？それとも別の理由なのか？
　ゲート電位だけでなく１ＫΩの＋側で計測しても波形がナマっていたため、ＩＧＢＴゲートの責任ではない可能性が高い。しかしここまで犯人が絞られて来れば、最終的な確認もすべきだ。

　ＩＧＢＴを何度もハンダ付けしたり外したりしたくないため気が進まないのだが、原因は徹底的に調べねばならない。自分が何を見落としているのか？トラブルは開発の初期に解決するほど影響が小さくなる。慌てて進むと後で大変なことになる。

　ＩＧＢＴを外して光ゲートドライバー単独にしても、波形は変化無し。微妙に遅い電圧立ち上がりと異様に遅い電圧降下。
　光ゲートドライバーの回路そのものに関しては、例のごとく回路シミュレーターを使って理論的にはちゃんと動作することを確認してある。パーツの定数にはズレがあるが、仮にブースター部分を無くした場合のシミュレーション例がこれ。２ミリ秒ごとではなく０．１ミリ秒ごとに切り替えている。

　ブースターを除去しても、現実回路より１桁高速にスイッチング可能なはずなのだ。
　いよいよ犯人を追い詰めたのか？まだ分からない。こうなると一番怪しいのはＣ２６５５なのだが、どっこい送信側でもＬＤ駆動に使われている。そして、そのＣ２６５５と三端子レギュレーターを通した後でも２５０Ｈｚの駆動波形はナマっていない。