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【unoQ】さっそく簡単にQRBとSTM32U5通信させたにょ【小さなLinux機】

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# QRB(Linux)・Uno Q(STM32U5) 直結バイナリ通信によるシステム制御 arduino-router を廃し 16bit LEN プロトコルで LED Matrix を物理メモリとして操る ==いやArduino App Labが不安定すぎて良く判らないので== # はじめに：ミドルウェアという「壁」を壊す Qualcomm Robotics Board (QRB) と Uno Q (STM32U5) の標準環境には、通信を仲介する arduino-router が存在します。しかし、これは内部でデータをパケット化し、論理ポートへ振り分ける「抽象化レイヤー」であり、リアルタイム性が要求されるバイナリ通信においては、ジッタ（遅延の揺れ）とデータの不透明化を招く障壁となります。 本稿では、この arduino-router を物理的に停止させ、Linux側の /dev/ttyHS1 と MCU側の UART を「完全透過」な状態で直結。独自定義の 16bit LEN 拡張プロトコル を用いて、ハードウェア性能を極限まで引き出す手法を解説します。 ## Linuxレイヤー：arduino-router の解体とRaw制御 ### サービスの完全停止と恒久的な無効化 arduino-router が動作していると、バイナリデータ中の特定コード（0x02, 0x03など）が制御コマンドとして誤認され、ペイロードが破壊される恐れがあります。 #### サービスの即時停止 ```` sudo systemctl stop arduino-router ````` #### 自動起動の無効化（再起動後も直結モードを維持） ```` sudo systemctl disable arduino-router ```` ### TTYドライバの物理設定（921,600 bps） **/dev/ttyHS1** は、Qualcommの高精度クロック直結の高速UARTです。 標準の115.2kbpsではなく、921,600 bps を選択します。これはSTM32U5のクロック分周比において誤差が極めて少なく、1Mbpsに迫る帯域を最も安定して維持できる「黄金のボーレート」です。 さらに、OSによる文字置換処理（CR/LF変換など）を完全に排除する Rawモード 設定が不可欠です。 ```` sudo stty -F /dev/ttyHS1 921600 raw -echo -echoe -echok ```` ## プロトコル設計：16bit LEN 拡張型バイナリフレームの必然性 データ長（LEN）をあえて 2バイト（16bit） に拡張しました。これには明確なアーキテクチャ上の設計思想があります。 ### 独自フレームの構造（計9バイト） |オフセット|名前|型|役割| |---|---|---|---| |0|STX|uint8_t|0x02 フレームの開始同期| |1-2|LEN|uint16_t|16bit拡張|リトルエンディアン配置| |3-6|DATA|float|浮動小数点データ（4バイト）| |7|CRC|uint8_t|エラー検知用|LEN+DATAの加算和| |8|ETX|uint8_t|0x03 フレームの終端| ### なぜ 16bit LEN なのか 現在送信しているのは float (4byte) ですが、本システムは将来的に 13x8 LEDマトリックスの全ピクセルデータ（104バイト〜） や、さらなる高解像度拡張を見据えています。 8bit LEN では最大255バイトに制限されますが、16bit化により、一括での全画面ビットマップ転送やログデータ転送へのスケールアップを、プロトコル変更なしに実現可能にしています。 ## エラー検知：CRC加算和の計算アルゴリズム 堅牢性を担保するため、パケットの「中身」を対象としたCRCを算出します。 ### Python側計算（送信時） ``` import struct # LEN (2byte) と DATA (4byte) を含めた合計を 0xFF でマスク len_val = 4 len_bytes = struct.pack('<H', len_val) float_bytes = struct.pack('<f', temp_value) crc = (sum(len_bytes) + sum(float_bytes)) & 0xFF ```` ### MCU側計算（受信時） MCU側では受信ステートマシン内で順次加算を行い、受信完了と同時に計算を終わらせます。 ```` case WAIT_DATA: rx_payload[idx++] = b; calc_crc += b; // 受信しながら累積加算 if (idx >= d_len) state = WAIT_CRC; break ```` ## Uno Q (STM32U5) の物理メモリハック ### 13x8 LED マトリックスのメモリマップ Uno Q の Arduino_LED_Matrix ライブラリは Zephyr OS 上で実装されており、その内部バッファは 13列 × 8行 = 104バイト の uint8_t 配列です。 matrix.setGrayscaleBits(1); を設定することで、この 104バイトのメモリ領域は各ドットの ON/OFF 制御に 1:1 で対応します。 - アドレッシング: frame[y * 13 + x] - マッピング: frame[0] (左上) 〜 frame[103] (右下) ### union による型変換の高速化 受信した 4バイトを float に変換する際、memcpy やビットシフトを介さず、メモリを直接共有する union（共用体）を使用します。これにより、STM32U5 の FPU（浮動小数点演算ユニット）へ最短パスでデータを渡します。 ## デッドマンズ・スイッチ：フェイルセーフの実装 arduino-router を排除した直接通信では、相手の異常を自ら検知する必要があります。 正常なパケット（CRC/ETX 一致）を受信した瞬間に時刻を記録。 メインループ内での差分が 10,000ms（10秒）を超えた場合に LED マトリックス全面に巨大な 「X」 を描画する機能を実装しました。これにより、Linux側のプロセス停止や物理的な断線を即座に視認可能です。 ## 結論：本システムの独自性と優位性 本アプローチは、既製品の「便利なミドルウェア」を敢えて破壊し、ハードウェアの物理特性に立脚した設計を行いました。 - arduino-router 停止による完全透過通信: OS の干渉を排除。 - 16bit LEN 拡張: 将来の全画面転送を見据えたアーキテクチャ。 - 921.6kbps 高速通信: 秒間 1000 回以上の画面更新を可能にする帯域。 - 13x8 物理メモリ直叩き: Zephyr 版 Uno Q の描画性能を最大化。 ## コード ### 送信側：uart_fast.py (QRB/Linux) ```` import os import time import struct import sys SERIAL_PORT = "/dev/ttyHS1" STX, ETX = 0x02, 0x03 def get_cpu_temp(): try: with open("/sys/class/thermal/thermal_zone0/temp", "r") as f: return float(f.read()) / 1000.0 except: return None def main(): try: fd = os.open(SERIAL_PORT, os.O_RDWR | os.O_NOCTTY) except Exception as e: print(f"Error: {e}") sys.exit(1) while True: temp = get_cpu_temp() if temp is not None: float_bytes = struct.pack('<f', temp) len_bytes = struct.pack('<H', len(float_bytes)) crc = (sum(len_bytes) + sum(float_bytes)) & 0xFF packet = struct.pack('<B 2s 4s B B', STX, len_bytes, float_bytes, crc, ETX) try: os.write(fd, packet) except OSError: os.close(fd) time.sleep(1) fd = os.open(SERIAL_PORT, os.O_RDWR | os.O_NOCTTY) time.sleep(2) if __name__ == "__main__": main() ````  ### 受信側：UnoQ_FastMatrix.ino (STM32U5) ```` #include "Arduino_LED_Matrix.h" ArduinoLEDMatrix matrix; uint8_t frame[104]; unsigned long last_received = 0; void setup() { Serial1.begin(921600); matrix.begin(); matrix.setGrayscaleBits(1); memset(frame, 0, sizeof(frame)); } // ... 中略 ... void loop() { static enum { WAIT_STX, WAIT_LEN_L, WAIT_LEN_H, WAIT_DATA, WAIT_CRC, WAIT_ETX } state = WAIT_STX; static uint8_t rx_buf[256]; static uint16_t d_len, idx; static uint8_t c_crc; if (millis() - last_received > 10000) { drawErrorX(); } while (Serial1.available() > 0) { uint8_t b = Serial1.read(); switch (state) { case WAIT_STX: if (b == 0x02) { state = WAIT_LEN_L; c_crc = 0; } break; case WAIT_LEN_L: d_len = b; c_crc += b; state = WAIT_LEN_H; break; case WAIT_LEN_H: d_len |= (b << 8); c_crc += b; idx = 0; state = DATA; break; case WAIT_DATA: rx_buf[idx++] = b; c_crc += b; if (idx >= d_len) state = WAIT_CRC; break; case WAIT_CRC: state = (b == c_crc) ? WAIT_ETX : WAIT_STX; break; case WAIT_ETX: if (b == 0x03 && d_len == 4) { union { float f; uint8_t b[4]; } conv; memcpy(conv.b, rx_buf, 4); showTemp(conv.f); last_received = millis(); } state = WAIT_STX; break; } } } ```` ## 実機  ## 最後に ご清聴ありがとうございました @[x](https://x.com/chrmlinux03/status/2017554981948366883)