Spresenseで、Wi-SUN モジュールと、ELTRESアドオンボードを同時に使用する方法

はじめに
Spresense向けに提供されている、クレスコデジタルテクノロジー製 ELTRESアドオンボードと、ROHM製 Wi-SUN モジュールは、どちらもUARTポートを使用するため、同時に利用することができません。

以上のように、２つのボード/モジュールは同じポート(UART)を利用するため、そのままでは同時に利用することができません。
そのため、ELTRESとWi-SUNを同時にしたものを製作しようとしているため、まず、この2つのボード/モジュールを同時に使用する方法を検討しました。

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UART ポートを増やす方法

どちらの基板も、Spresense基板の、GNSS Antenna側のピンを利用します。写真で言う右側のピンは空いています。こちらにある信号で、外部デバイスとの通信に使えるものは、I2Cになります。
I2CをUARTに変換することで、2つのデバイスを同時に使うことができます。

I2CとUARTを変換するデバイスとしてよく使われるものに、SC16IS740 / 750があります。今回はこのデバイスを利用します。
今回は、このデバイスが搭載されている、スイッチサイエンスで販売されている基板を利用します。

次に、ELTRESとWi-SUN どちらをI2C経由にするか、を検討します。
どちらもモジュール/ボードにも、メーカーからライブラリが提供されています。今回作ろうとしている製作品は、ELTRES / Wi-SUN どちらの通信も利用します。ライブラリをどちらがそのままで利用できるか、という観点で比較をしました。Wi-SUNは、通信する内容を多く実装する必要があり、ELTRESはライブラリをそのままで必要な通信が実行できそうです。また、Wi-SUNの通信モジュール BP35C0 は、通信のためのコマンドが公開されています。そのため、Wi-SUN モジュールをI2C経由で操作することとしました。

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モジュール間の接続

スイッチサイエンスで販売されている基板は、Spresense側 (MPU側)と、Wi-SUN側 (DEVICE側) どちらも、Groveコネクタで接続することができます。
そのため、Spresense側、Wi-SUNモジュール側 どちらにも、Groveコネクタを設置し、接続に必要となる変換回路を実装しました

SpresenseのI/O電圧は、1.8Vです。I2C - UART基板が3.3Vで動作するため、レベル変換をする必要があります。レベル変換は、秋月電子通商から販売されている、Ｉ２Ｃバス用双方向電圧レベル変換モジュール
を利用しました。

Spresenseに直接接続できるモジュールのため、I/Oの電圧が1.8Vになるように回路が組まれています。そのため、こちらの基板にも、秋月電子通商から販売されている、Ｉ２Ｃバス用双方向電圧レベル変換モジュール
を利用し、信号レベルの変換をしています。また、1.8VのLDOで、通信用電圧のリファレンスを作っています。

この2つの変換基板と、I2C-UART基板を接続します。

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SC16IS740の利用方法
SC16IS740は、I2Cデバイスなので、ArduinoのWireライブラリを経由して利用します。

SC16IS740の初期化
#define SC16IS740_ADDR (0x48)

// SC16IS740 Register
const uint8_t THR = (0x00 << 3);
const uint8_t RHR = (0x00 << 3);
const uint8_t FCR = (0x02 << 3);
const uint8_t LCR = (0x03 << 3);
const uint8_t MCR = (0x04 << 3);
const uint8_t LSR = (0x05 << 3);
const uint8_t RXLVL = (0x09 << 3);

// special register set
const uint8_t DLL = (0x00 << 3);
const uint8_t DLH = (0x01 << 3);

// enhanced register set
const uint8_t EFR = (0x02 << 3);

void setup_sc16is740()
{
    // Wire.begin(); は、setup()内で事前にしておく

    // Initialize SC16IS740
    // dividor latch enabled
    Wire.beginTransmission(SC16IS740_ADDR);
    Wire.write(LCR);
    Wire.write(0x83);
    Wire.endTransmission();
    // set Baud Rate
    Wire.beginTransmission(SC16IS740_ADDR);
    Wire.write(DLL); // the least significant part
    Wire.write(24);
    Wire.endTransmission();
    // set Baud Rate
    Wire.beginTransmission(SC16IS740_ADDR);
    Wire.write(DLH); // the most significant part
    Wire.write(0x0);
    Wire.endTransmission();
    // divisor latch disabled
    Wire.beginTransmission(SC16IS740_ADDR);
    Wire.write(LCR);
    Wire.write(0x03);
    Wire.endTransmission();
    // reset TX and RX FIFO, enable the transmit and receive FIFO
    Wire.beginTransmission(SC16IS740_ADDR);
    Wire.write(FCR);
    Wire.write(0x07);
    Wire.endTransmission();
}

UARTへの送信
void send_to_uart(uint8_t data)
{
    Wire.beginTransmission(SC16IS740_ADDR);
    Wire.write(THR);
    Wire.write(data);
    Wire.endTransmission();
}

UARTからの受信
String recieve_from_uart()
{
    uint8_t i, n, data; 
    String retValue = "";

    Wire.beginTransmission(SC16IS740_ADDR);
    Wire.write(LSR);
    Wire.endTransmission();
    Wire.requestFrom(SC16IS740_ADDR, (uint8_t)1);
    data = Wire.read();

    if (data == 0x61)
    { // at least one character in the RX FIFO
        Wire.beginTransmission(SC16IS740_ADDR);
        Wire.write(RXLVL);
        Wire.endTransmission();
        Wire.requestFrom(SC16IS740_ADDR, (uint8_t)1);
        n = Wire.read(); //読み込むデータの数

        Wire.beginTransmission(SC16IS740_ADDR);
        Wire.write(RHR);
        Wire.endTransmission();
        Wire.requestFrom(SC16IS740_ADDR, (uint8_t)n);
        for (i = 0; i < n; i++)
        {
            retValue += Wire.read();
        }
    }
}

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まとめ

UARTデバイス2つを同時にSpresenseから通信することができました。この方法を利用して、製作品の制作を進めようと思います。