Week 3 センサとの通信とデバッグ

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衛星開発ゼミ 事前学習 WEEK 3 センサとの通信と デバッグ 6軸 IMU「MPU6050」を AI のコードで動かし、AI が注意した2箇所（プルアップ・アドレス）をわざと間違えて、問題を特定するプロセスを身につける。 動かす AI と公式サンプルから始める 間違える 注意書きの2箇所を踏み外す 特定する 二分探索・観測（printf / オシロスコープ / ロジックアナライザ）・対照実験

0.1 復習

0.1 前回の復習 今日使うのは I2C 2本のバスに複数の相手。 SDA（データ）と SCL（クロック）を全員で共有する。 アドレスで相手を選ぶ。 応答は ACK（Acknowledge）で確認する。 バスの H はプルアップ抵抗が作る。 オープンドレイン出力は L に引くことしかできない。 I2C のバス構成（Week 2 の再掲） Week3 センサとの通信とデバッグ 02

0.2 位置づけ

0.2 今回の位置づけ センサと通信＝シリアル通信でセンサのレジスタを読み書き Week 0 電子工作の基礎 Week 1 マイコンの原理・レジスタ Week 2 通信の規格 Week 3 センサと波形観測 Week 4 リアルタイムシステム 第1段階「要素技術と根拠のある設計」（Week 1〜4）— 今日はその3回目 合宿にもそのまま通用する。 模擬衛星の IMU（ICM-42688）が相手でも、今日の進め方は変わらない。 Week3 センサとの通信とデバッグ 03

1. センサの中のレジスタ

1 センサの中にも、番地の付いたレジスタが並んでいる Week 1 の​​​「レジスタ＝CPUと​​​周辺回路との​​​間の​​​掲示板」と​​​いう​​​モデルは、​​​ 通信の​​​先に​​​ある​​​センサの​​​内部にも​​​そのまま​​​通用する。 マイコンの中 CPU（プログラム） ポインタ経由 マイコン内のレジスタ 番地に値を読み書き ペリフェラル 特別な周辺回路（GPIOやシリアル通信など）が動作する センサの中 CPU（プログラム） I2C／SPI 経由 センサ内のレジスタ 番地に値を読み書き 測定回路 専用のセンシング回路が測定結果をレジスタに書き込む 変わるのは経路だけ — 「番地に値を読み書きする」という形は同じ Week3 センサとの通信とデバッグ 04

1.1 通信の役割

1.1 シリアル通信の役割 通信の仕事は、センサのレジスタへ「番地」と「値」を運ぶこと I2C の1回のやり取り＝依頼と応答。 「どの番地を」「読む／書く」の依頼を運び、応答を受け取る。 模擬衛星も同じ。 IMU（ICM-42688）のレジスタは I2C で、ADC（Analog-to-Digital Converter）の MCP3008 は SPI で読み書きする。 運ばれているのは「番地と値」。 経路が何であれ、この形は変わらない。 模擬衛星のシステム構成図。ICM-42688 は I2C、MCP3008 は SPI で Pico W とつながる Week3 センサとの通信とデバッグ 05

2. 題材 MPU6050

2 とりあえず動かす — 2つの​​​​​​​​​​方​​​法で​​​​​​​​​​「動く​​​​​​​​​​コード」を​​​​​​​​​​手に​​​​​​​​​​入れる 題材は MPU6050 3軸ジャイロ＋3軸加速度の6軸 IMU。資料とサンプルコードが豊富な定番。 方法は2つ ①：AI に書かせたコード。②：公式のサンプルコード。 模擬衛星搭載品とは別の型番 本番は ICM-42688 という別のセンサ。基本は同じ。 今日の題材となる MPU6050 搭載モジュール Week3 センサとの通信とデバッグ 06

2.1 入口① AI

2.1 方法①：AI に書かせる AI は、ほぼ動くコードと「注意書き」を返してくる 実際の会話： claude.ai/share/d543dcbd-ec47-445b-9d15-1811179875a6 （共有のため対話型の画面だが、開発時はエージェント型を使う） 依頼 「MPU6050をI2Cでpico sdkから 動かすC言語のコードを書いて」 コード（だいたい動く） i2c_init、gpio_pull_up、mpu6050_reset、読み出しループ… 注意書き① プルアップ抵抗を確認 注意書き② アドレスは AD0 で変わる （0x68／0x69） Week3 センサとの通信とデバッグ 07

2.2 入口② 公式サンプル

2.2 方法②：公式サンプル pico-examples にも MPU6050 のサンプルがある mpu6050_reset (); // 起こして while (1) { mpu6050_read_raw (acceleration, gyro, &temp); // 読んで printf ( "Acc. X = %d, ..." , acceleration[0]); // 表示する } Raspberry Pi 公式サンプル集 pico-examples の i2c/mpu6050_i2c（概要）： github.com/raspberrypi/pico-examples/tree/master/i2c/mpu6050_i2c 骨格は3つだけ。 「リセットして、読み続けて、表示する」。AI のコードもほぼ同じ構造になる。 今回は方法①で進める。 サンプルは複数種(Pico・Pico W・Pico 2・Pico 2 W)で動くように少し複雑なので、分かりやすいAIのコードの方で Week3 センサとの通信とデバッグ 08

2.3 一発で動いた

2.3 動かす 一発で​動いた コードは1行も変えていない ビルドして書き込むだけ。 数値が流れ、傾けると反応する シリアルモニタに計測値が流れ続ける。 実機の配線 — Pico と MPU6050 をブレッドボードで接続 AI のコードを動かしたシリアルモニタの出力（正常に動作） Week3 センサとの通信とデバッグ 09

2.4 Wokwi

2.4 手元で​​​​​​​​再現入する​​​​​​​​：Wokwi シミュレータでも実行可能 ブラウザだけで配線と実行 Pico と MPU6050 を Wokwi 上で接続して動かせる。 ジャイロの値をスライダーで動かせる 出力の変化を手元で確かめられる。 Wokwi で Pico と MPU6050 を接続したシミュレーション画面： wokwi.com/projects/469939527447668737 Week3 センサとの通信とデバッグ 10

3. 章扉：わざと間違える

3 とりあえず動いた。 では、注意された箇所を間違えていたら？ 全て​​​一発で​​​動作させられるとは​​​限らない。​​​ AIも​​​人間も、​​​やってみて​​​動かなかったら​​​修正する、​​と​​​いう​​​プロセスを​​​踏む。 一発で動いたが… AI の注意書き2つは未回収のまま 実験① プルアップを間違える 実験② アドレスを間違える

3.1 疑う場所の一覧

3.1 準備①：疑う場所 疑う場所は、理解した経路の上に並んでいる コード 設定・引数 HAL Hardware Abstraction Layer ペリフェラル I2C コントローラ ピン 機能の割り当て 配線・プルアップ 電気の層 センサ 中のレジスタ この経路が、そのまま故障時に「疑う場所の一覧」になる — Week 2 で深掘りした理由の答え 経路を知らないと、「動かない」は1個の大きな謎のまま。 経路を知っていれば、疑う場所を具体化できる。 Week3 センサとの通信とデバッグ 12

3.2 二分探索

3.2 準備②：二分探索 中点で割って、候補を半分に減らす 線形探索 — 端から1個ずつ潰す 候補 1 候補 2 候補 3 候補 4 候補 5（原因） 候補 6 端から​​​1​個ずつ順に​​​調べる​​​ — 原因​に​​​届くまで、​​​候補の​​​数だけ​時間が​​​かかる 二分探索 — 中点で「そこまでは正しいか」を判定する 候補 1 候補 2 候補 3 中点で1回判定 候補 4 候補 5（原因） 候補 6 …前半分はまとめて除外 二分探索に必要なのは2つ 経路の順序を知っていること（対象の仕組みを知っていること）。中点で「分ける」手段があること。 当てずっぽうとの違いは「計画」 「どことどこを切り分けるか」を決めてから、手を動かす。 Week3 センサとの通信とデバッグ 13

3.3 分ける手段は2つ

3.3 準備③：分ける手段 分割点に注目する「測定」、ノードに注目する「対照実験」 トップ事象：通信が動かない 前半に原因（コード側） コード・HAL ペリフェラル・ピン 後半に原因（電気側） 配線・プルアップ センサ 測定 — 分割点に注目 分割点で「ここまでは正しいか」を道具で直接観測し、どちら側か決める。紹介する道具：printf・デバッガ・オシロスコープ・ロジックアナライザ 対照実験 — ノードに注目 仮説を1つ持ち、分割されたノードを1箇所だけ変えて比べる。 直れば原因、直らなければ他に原因。 Week3 センサとの通信とデバッグ 14

4. 章扉：実験①

4 実験①：プルアップを間違えてみる 内蔵プルアップの​​​有効化を​​​コードから​​​外す​（外部プルアップは​​​外してある）。​​​ バスを​​​ H に​​​戻す部品が​​​1つも​​​無くなる。 gpio_pull_up(...); を外す 仕込み：バスの H を作る部品がゼロに ターミナルに何も出てこない 症状：手元にあるのはこれだけ

4.1 最初の分割

4.1 最初の分割 読み出しの失敗か、通信の失敗か 仮説A 読み出しの失敗 通信は生きている。 加速度の設定やデータの扱いに失敗している。 → 疑うのはコードの設定・値の変換。 仮説B 通信そのものの失敗 通信自体が成立していない。 経路の根本が壊れている。 → 疑うのは配線・電気信号・アドレス。 この2つを、1回で分けられる観測は何か？ Week3 センサとの通信とデバッグ 16

4.2 資料は2分冊

4.2 分割の道具を探す MPU6050 の公式資料は2分冊 — 探し物は「レジスタ」 Product Specification 概要、電気的条件、ピン配置、通信方法が載っている。 Register Map and Descriptions レジスタの番地と各ビットの意味が載っている。今日開くのはこちら。 Week3 センサとの通信とデバッグ 17

4.3 WHO_AM_I

4.3 分割点 WHO_AM_I（0x75）は、読むと必ず 0x68 を返す ① 一覧表で当たりをつける 頭から​​​読まず、​​​目次 → レジスタ一覧​表とたどる​​​（Week 1 と​​​同じ​​​読み方）。​​​ 一覧の​​​末尾近くに​​​ WHO_AM_I​（0x75）。 ② 該当ページで確かめる 読むと固定値 0x68 が返る「答えの分かっている読み出し」。期待どおりなら経路の生存が1回で確定する。 Week3 センサとの通信とデバッグ 18

4.4 道具① printf

4.4 道具①：printf 中の値と進行を、文字で外に出す // 最初にWHO_AM_Iレジスタを読み、センサと正しく通信できているか確認する uint8_t whoami = mpu6050_read_whoami (); printf ( "WHO_AM_I = 0x%02X (expected 0x68)\n" , whoami); 組み込みでもよく使われる観測手段 ソフトウェアの実行状況をログに出せば二分探索が進む。 printf の中身は実はかなり複雑 マイコンにおける printf の経路は UART だったり USB だったりする。ソフトウェアでの"文字列"の扱いも難しい。 発展：デバッガ SWD（Serial Wire Debug）をつなぎ、実行を止めて中を覗く道具がある。今日は紹介まで。 Week3 センサとの通信とデバッグ 19

4.5 観測結果

4.5 観測結果 答えが返ってこない — 通信そのものが失敗している ターミナルに何も出てこない WHO_AM_I の結果の行が届かない。これ自体が観測情報。 「呼び出しから戻らない」と考えられる エラー値が返るだけが失敗ではない。 来ない応答を待ち続けて止まっている。 原因が絞り込めた 「読み出しと設定の扱い」側ではなく、通信側に原因があることが分かる。 「ここまでは動く」を示す。 今回は省略するが、本来は printf() が動作することは単体で検証が必要。 printf() の動作不良か、応答待ちで到達しないのか切り分けも必要。 mpu6050_read_whoami() 読み出しの呼び出し 応答を待ち続けて戻らない 1バイトの往復すら成立していない printf(...) この行に到達しない — 何も表示されない Week3 センサとの通信とデバッグ 20

4.6 発展：読むのに書く

4.6 発展 「読む」のシーケンスは、書くことから始まる 1段目は WRITE。 「これから読むのは 0x75 です」と番地を送る。 電気信号を​​​見る ​​ — ソフトの​​​道具では、​​​ここから​​​先が​​​写らない コードの並びの理由。 i2c_write_blocking と i2c_read_blocking が並ぶのは、このため。 WHO_AM_I の番地 0x75 を WRITE してから、データ 0x68 を READ する2段のシーケンス Week3 センサとの通信とデバッグ 21

5. 電気信号を見る

5 電気信号を​​​​​​見る​​​​​ — ソフトの​​​​​​道具では、​​​​​​ここから​​​​​​先が​​​​​​分からない マイコンの中 — printf・デバッガで見える範囲 コード HAL ペリフェラル 観測の境界 マイコンの外 — ソフトからは見えない範囲 SDA・SCL の電気信号 配線・プルアップ センサ ソフト側の手がかりは「呼び出しから戻らない」だけ。 コードにもログにも、SDA・SCL の上の信号は現れない。 「はず」を確かめるには、信号を直接見るしかない。 次の中点はマイコンの外 — 電気信号を測る道具を使う。計測器はキット外、今日はデモで見せる。 Week3 センサとの通信とデバッグ 22

5.1 道具② オシロスコープ

5.1 道具②：オシロスコープ 電圧の​​​変化を、​​​波形と​​​して​​​描画する 見えるのは電圧の形 波形の形、電圧レベル、立ち上がりのなまり。 デジタル信号の実体もアナログの電圧 通信中なら、H と L を行き来する矩形波が見えるはず。 デモ機材の構成 — Pico と MPU6050 の間の SDA・SCL にプローブを当てる Week3 センサとの通信とデバッグ 23

5.2 観測：立ち上がらない

5.2 観測 波形が全く立ち上がっていない 復習：オープンドレインとプルアップ（Week 2） どの​​​部​​品も​​​線を​​​ L に​​​引く​​​ことしかできない。​​​ H に​​​戻す仕事は、​​​プルアップ抵抗だけが​​​担う。 実測：プルアップ無しの SDA・SCL 立ち​上がりが​​​​​​​​​​​​無く、​​​​​​​​​​​​通信が​​​​​できていない。​​​​​​​​​​​​ 「H を​​​​​​​​​​​​作る​​​​​​​​​​​​部品が​​​​​​​​​​​​無い」ことが​​​​​​​​​​​​波形に​​​​​​​​​​​​そのまま​​​​​​​​​​​​現れている。 Week3 センサとの通信とデバッグ 24

5.3 対処：プルアップを戻す

5.3 対処 プルアップを​​​​戻すと​​​​波形が​​​​立つ SDA・SCL に外部プルアップ 1kΩ を追加 無し 全く​​​立ち​上がらない。​​​ 通信は​​​成立しない。 内蔵のみ 動くが、​​​​​​​​​​​​立ち​上がりが​​​​​​​​​​​​遅く​​​​​​​​​​​​余裕が​​​​​​​​​​​​無い。​​​​​​​​ AIの​​​コードは​​​​​​​​​​​​この​​​​​​​​​​​​状態だった。 外部 1kΩ H へ​​​​​​​​​​​​引き上げる​​​​​​​​​​​​力が​​​​​​​​​​​​強い。​​​​​​​​​​​​ 理想的な​クロック波形に​なった。 Week3 センサとの通信とデバッグ 25

5.4 復旧

5.4 復旧 復旧した — ただし WHO_AM_I は 0x70、中身は MPU6500 だった 通信は復旧 固定値が返り、計測値も流れている。経路の生存確認としては成立。 部品が偽物：WHO_AM_I ＝ 0x70（期待は 0x68） 0x70 は後継 MPU6500 の値。刻印は MPU-6050 でも、中身は別品種。Amazon のレビューにも同じ報告があった。 まとめ：デバッグの流れ 症状 → 分割（WHO_AM_I・printf）→ 分割（波形） → 原因 → 復旧。 中点を決めて、観測して、半分ずつ捨てた。 復旧後の出力 — WHO_AM_I = 0x70 (expected 0x68) Amazon の商品レビューにも同じ報告 Week3 センサとの通信とデバッグ 26

6. 章扉：実験②

6 実験②：アドレスを間違えてみる AI の​​​​注意書きの​​​​2つ目​「アドレスは​​​​ AD0 で​​​​変わる」を、​​​​誤った​​​​ハード設計を想定​​​​して​​​​試してみる。​​​ AD0 ピンを設計と違う側（H）に配線 仕込み：誤ったハード設計を再現 波形の形は正常なのに、読めない 予想される症状 気づく方法を2つ試す 測定と、対照実験

6.1 スレーブアドレス

6.1 アドレスとは何か 0x68 はレジスタではなく、センサを呼ぶ「アドレス」 マイコン 0x68 宛に依頼を送る I2C バス — 住所で相手を選ぶ センサ MPU6050 — 住所：スレーブアドレス 0x68（AD0=L）／0x69（AD0=H） WHO_AM_I 部屋番号 0x75 設定レジスタ 部屋番号 0x6B など 計測値レジスタ 部屋番号 0x3B〜 I2Cバス内の住所と、センサ内の部屋番号の2階層 スレーブアドレス（0x68）＝建物の住所。 レジスタの番地（0x75 など）＝建物の中の部屋番号。 AD0 ピンでアドレスを変更できる 同じセンサを1本のバスに2個つなぐための仕組み。 配線が想定と違えば、センサのアドレスが整合しない。 MPU6050 搭載モジュール — AD0 ピンの配線でアドレスが決まる Week3 センサとの通信とデバッグ 28

6.2 AD0 を変える

6.2 仕込み AD0 を H にすると、センサのアドレスは 0x69 になる 想定はハード側のミス AD0 の配線が設計と違っていた、という状況を再現する。 症状はまた「何も出ない」 0x68 を呼び続けるコードは、WHO_AM_I を読めなくなる。 ソフト側からは区別がつかない プルアップ無しのときと、見える症状はまったく同じ。 AD0=H で応答アドレスは 0x69 に。0x68 への呼びかけには誰も応答しない Week3 センサとの通信とデバッグ 29

6.3 道具③ ロジックアナライザ

6.3 道具③：ロジックアナライザ デジタル信号の意味を解読する装置 I2Cのシーケンス（Week 2 の復習） START の後にアドレス7ビット＋読み書き1ビット。 9クロック目に受け手が ACK、応答が無ければ NACK。 ロジアナのプロトコルデコード機能 ビット列を意味の層に変換して文字で並べる。 オシロはアナログ、ロジアナはデジタル 電圧の形（なまり）は見えない。H/L の列と意味だけを見る。 ACK の拡大 — 9クロック目で受け手が SDA を L に引く 正常時のデコード — 0x68 WR に ACK、番地、Re-Start、0x68 RD に ACK。WRITE → READ の2段がそのまま現れている Week3 センサとの通信とデバッグ 30

6.4 測定で気づく

6.4 測定で気づく 0x68 へ呼びかけて、NACK — そのアドレスには誰もいない NACK＝9クロック目で誰も SDA を L に引かなかった 「0x68 へ呼びかけ→NACK」が確認できる。 波形は正常＝電気の層は健全 クロックは見えていて、アドレスが間違っているからACKが来ない。 NACK の拡大 — 9クロック目で誰も SDA を引かない AD0=H の実機に 0x68 で呼びかけたデコード — WR も RD も NAK で Stop Week3 センサとの通信とデバッグ 31

6.5 対照実験で気づく

6.5 対照実験で気づく アドレスを1箇所だけ変えて、結果を比べる コードA そのまま #define MPU6050_ADDR 0x68 現状の再現。動かないことを確かめる基準の側。 コードB 1箇所だけ変える #define MPU6050_ADDR 0x69 仮説「アドレスが違うのではないか」に対応する変更のみ。 結果を比べる — 直れば「アドレスの不一致」と確定。直らなければ「原因は他にある」と分かる。どちらに転んでも切り分けが進む 確かめ終わったら、設計としての正解に合わせて確定する。 今回はハード側の誤りの想定なので、配線を直してコードは 0x68 に戻す。「動いたからそのまま」とは違う。 Week3 センサとの通信とデバッグ 32

7. 整理：使い分け

7 整理：切り分けの手段は2系統 — 測定と、対照実験 測定 — 中点で実際に起きていることを、道具で直接見る printf マイコンの中の値と進行 オシロスコープ 電気信号の形（電圧・なまり） ロジックアナライザ 信号の意味（アドレス・ACK/NACK） 対照実験 — 道具が無くてもできる 1箇所変えて比べる 仮説と計画が前提 どちらも目的は同じ — 二分探索の中点で、候補を半分に減らす 順序は観測が先、修正は後。 対照実験の変更も「直すための変更」ではなく「分けるための変更」。当てずっぽうで修正するわけではない。 Week3 センサとの通信とデバッグ 33

7.1 切り分け表

7.1 切り分け表 症状から、壊れた層を逆引きする 症状（波形を見る） 壊れた層 次に疑う場所 波形が立ち上がらない・崩れている 今日の実験①（プルアップ無し） 電気の層 配線・プルアップ・ショート ソフトをいくらいじっても直らない 波形は正常なのに NACK（応答が無い） 今日の実験②（AD0 違い） 意味の層 アドレス・設定・相手の状態 電気の層は問題なしと確定できる Week 2 の「電気の層／意味の層」の2階建てが、そのまま切り分けの軸になる — デバッグでもレイヤー(仕組みの層)の理解が必要 Week3 センサとの通信とデバッグ 34

8. 少し作っては確かめる

8 進め方の教訓：少し作っては、動かして確かめる 一気に全部作って、最後に確かめる 作る 作る 作る 作る 確認 動かなかったとき、疑う範囲は「全部」 少し作るごとに、動作確認して足場を築く 作る 確認 ✓ 作る 確認 ✓ 作る 疑う範囲は、常に「直前の一歩」だけ 確認が通った地点は「ここまでは正しい」という足場。 配線1本、設定1つ、機能1つ。単位を小さく刻む。 壊れてから観測点を探すのが二分探索なら、作りながら観測点を残すのがこの進め方。 Week3 センサとの通信とデバッグ 35

8.1 任せ幅のバランス

8.1 ただし AI は一気に作れる 「一つずつ」と「一気に」— 任せ幅は対象の素性で決める 定番部品 今日の MPU6050。 情報が厚く、一発でも動きやすい。 ← 一気に任せる 小さく確かめながら進む → どこに置くかは設計判断 — 対象の素性で決める「つまみ」 初物・自作基板 合宿の実機。 外れたら絞り込みは自分の仕事。 一気に任せて動けば最速。 動かなければ、今日のように切り分ける。 初物ほど、小さく確かめる価値が上がる。 AI の当たる確率が下がるぶん、観測点を残しながら進む。 Week3 センサとの通信とデバッグ 36

9. まとめ

9 まとめ：特定の​​​​​プロセスと​​​​​「動く​​​​​≠適切な​​​​​設計」 特定のプロセス 中点を決め、測定（printf・オシロ・ロジアナ）か対照実験で半分に割る。 確実に動く設計 内蔵プルアップで動いてしまっても、実機は外部プルアップ。 合宿への接続 実機 TOP 基板の ICM-42688 も I2C。 模擬衛星 TOP 基板の ICM-42688 まわり 右側に R5・R6＝1kΩの外付けプルアップ Week3 センサとの通信とデバッグ 37

9.1 宿題

9.1 宿題 身近な機械のトラブルを、どう調べるか — 手順書を設計する 経路の分解 例：スマホ → ルーター → 回線 → プロバイダ 分割点を決める 中点をどこに置くか 観測か対照実験か 設定画面で見る／別のスマホで比べる 次の一手 結果ごとの分岐まで設計する 題材は自由。 Wi-Fi ルーターにつながらない、リモコンが効かない、自転車のライトが点かない、など。AI に聞くのは前提。 Week3 センサとの通信とデバッグ 38