Arduinoでモデルベース開発しLチカしてみよう

この投稿は電子工作でよく使われるマイコンボード「Arduino」とモデルベース開発環境「MATLAB、Simulink」を使い、「Lチカのモデル」の作り方、動作確認方法について書いています。

この連載で紹介しているモデルのファイルをGitHubで公開しました。必要に応じて活用ください。

・GitHub URL
gitを使える方はgitクライアントソフトより活用ください。
gitって何?よくわからない方は上記GitHub URLにアクセスし、下記の操作をしてファイルをダウンロードしてください。
・ページ右側の【Clone or download】ボタンを押下し【Download ZIP】を選択する。zipファイルがダウンロードできる。

拡張子*.slxがSimulinkのモデルです。MATLAB, Simulinkを持っていない方は拡張子*.htmlを参照下さい。Webブラウザでこの連載で作るモデルが確認できます。
今回のLチカモデルの対象ファイルは下記になります。

led_switch/led_switch.slx
led_switch/led_switch.html

・モデルベース開発とはどのような開発手法なのかざっくり知りたい人
・MATLAB, Simulinkの基本的な使い方を知りたい人
・Arduinoでモデルベース開発する手順を知りたい人
・その他、興味ある人全般

投稿者の技術的な背景を紹介します。
・従来の開発手法(C言語)で組込みソフトウェア製品開発に関わり17年。
・モデルベース開発の設計を実務で担当した経験なし。自動車サプライヤーでモデルベース開発の作業補助(ちょっとしたモデル修正、検証)をしたことはある。
・2018年12月にMATLAB、Simulinkを個人で買えるライセンス(Homeライセンス)で購入し、自己学習を始めた。
・Arduino、Simulinkで外部機器を制御することができたので、そのノウハウを共有したく投稿した。

モデルベース開発全体概要が分かりやすい資料がWebにあるので紹介します。
モデルベース開発概要参考資料リンク
モデルベース開発を推進する背景、従来の開発手法との違いを図解で説明していてわかりやすいです。

今回の使用するツールは下記です。

MATLAB バージョン 9.7 (R2019b)
Simulink バージョン 10.0 (R2019b)
Simulink Support Package for Arduino Hardware バージョン19.2.3(※) ※Simulinkがサポートしているハードウェアのパッケージのこと。今回使用するArduino以外のハードウェアとしては下記がある。
Raspberry Pi、Android、iPhone、LEGO MINDSTORMS EV3、etc・・・

Arduino MEGA Arduino UNOの方が安いですが、後述するシミュレーションができないためArduino MEGAを選択します。

モデル作成は下記の手順で作業を行います。

部品(ブロック)を配置する。
ブロック同士を接続する。
ブロックの設定をする。
シミュレーション・または実機動作確認する。

シミュレーション:
マイコン基板とPCをUSB接続し、モデルの動作をPCで確認する。

実機動作確認:
マイコン基板とPCをUSB接続しない。マイコン基板に外部電源を供給し動作させる。

スイッチ押下でLED点灯・消灯する。

実習する場合、下記の機材を準備し、ブレッドボード配線図の通りに配線します。

Arduino MEGA
ブレッドボード
ジャンパー線(オス-オス)
タクトスイッチ
抵抗 10kΩ、510Ω
LED
USBケーブル
AC-DCアダプタ12V　※実機動作確認する場合に必要。

MATLABを起動し、 Simulinkを選択します。
空のモデルを選択する。

モデル設定を選択する。
下図の設定画面となる。
終了時間をinfに設定する。
停止指示するまでシミュレーションを実行します。
ソルバーの選択で固定ステップを選択する。
ハードウェア実行の選択メニューに移動する。
Arduino MEGA 2560を選択する。
OKボタンを押下し、設定を終了する。

ライブラリブラウザを選択する。
Simulink Support Package for Arduino HardwareのCommonからDigital Input、Digital OutputをSimulink画面にドラッグ&ドロップする。
ドラッグ&ドロップで下図のようになる。
Digital InputとDigital Outputを接続する。
Digital Inputをダブルクリックし、Sample timeを0.01に設定する。
ライブラリブラウザのSimulink/Sinks からDisplay・ScopeをSimulink 画面にドラッグ&ドロップする。