ArduinoのpulseInでゼロしか出力されない

Question

現在、単素子(送信/受信兼用)の超音波トランスデューサーを使用した距離計を自作しております。
超音波を発生させてから、壁に反射して戻ってくるまでの時間HIGHとなるパルスを出力し、その幅をArduinoのpulseInで測定したいのですが、パルス幅を変えてもゼロしか出力されずに困っております。

回路にはSR-フリップフロップを使用しております。Sピンに超音波を発生させるためのトリガーとなる信号を入力しています。Rピンには壁に反射した信号をデジタル信号に変換して入力しております。そして、Qピンからは、Sピンに信号が入力されたときにHIGHとなり、Rピンに信号が入力されたときにLOWとなるパルスが出力されます。このパルスの幅をpulseInを使って測定し、最終的に距離に変換するという流れを考えております。
これらの流れをオシロスコープで観察した時の波形を添付いたします。

オシロスコープの波形を見る限り、フリップフロップは想定通りに動いておりますので、プログラム側に問題があると考えております。使用しているコードは下記の通りです。

#define echoPin 8 // Echo Pin
#define trigPin 13 // Trigger Pin

unsigned long Duration = 0; //受信した間隔

void setup() {
  Serial.begin( 9600 );
  pinMode( echoPin, INPUT );
  pinMode( trigPin, OUTPUT );
}

void loop() {
  digitalWrite( trigPin, HIGH ); //超音波を出力
  delayMicroseconds( 3 ); //
  digitalWrite( trigPin, LOW );

  Duration = pulseIn( echoPin, HIGH ); //センサからの入力

  Serial.print("Duration time:");
  Serial.print(Duration);
  Serial.println(" usec");

  delay(500);
}

このコードでArduino動かして、シリアルモニターで出力を確認しております。オシロスコープの波形を見る限り、50から100μsecの値が出力されるはずなのですが、ゼロしか出力されません。どなたかゼロしか出力されない原因についてご教授いただきたく存じます。なお、使用しているはArduino MEGA2560で、IDEのバージョンは1.8.13になります。

Comments

[thkana]

とりあえず[シリアルポート]は関係ない気がします。

Answer 1

Trigパルスが入った途端にEchoが立ち上がっているとかいうことはないですか?

波形の時間関係がわかりませんが、おなじみHC-SR04ではこんな感じです。

確認はしていませんが、測定という点から考えると、pulseIn()に入った「後」にEchoがHに上がらないといけない、ということはとてもありそうに思いますが、あなたの回路ではそうなっていますでしょうか?
外部から入ったTrigにディレイをかけてから超音波を発生してみたらどうなるでしょう。

Comments

[klose0609]

回答ありがとうございました。
いくつかの可能性を検証してみました。
まず、HC-SR04を実験に使用したArduinoで試してみました。問題なくpulseInでパルス幅を計測できたので、Arduino自体に問題はないようです。
また、ピンの接続も繰り返し確認して問題ないことを確認しました。
トランスミッターへの信号送信時間3μ秒が短すぎるというご指摘もございましたので、このパルス幅もいくつか変更してみましたが効果はありませんでした。
以上のことから、ご指摘いただいた通り、パルスがHIGHになるタイミングと、pulseInの計測が始まるタイミングの問題の可能性が高いと考えております。ですので、アドバイスいただいた通り、トリガー信号を遅延させて、pulseInの開始と、パルスがHIGHになるタイミングに時間差を作って試してみようと思います。

Answer 2

出力パルス（Q）まで出力しているのに、pulseInが反応しない（0でタイムアウト）のだから、普通に考えれば、ピン位置（8）を間違えているとか、ワイヤーが断線しているとか、或いはGNDと繋げていないとか、
そういった単純な回路的な問題だと思いますけど。

Answer 3

PulseIn（HIGH)は、当該PINがLOW->HIGHになった時点から、LOWに落ちるまでの時間を計ります。
なので、PulseInが呼ばれたときにすでに当該PINがHIGHだと、タイムアウトで0を返しているのでは？
自分でdigitalReadとかでループして、micros使って時間計測してみては？

Answer 4

同一のハードウェアをもっていないので検証できないのですが、おそらく、下記の 3 μsec が、かなり短時間のため、ハードウェアで保障する時間になっていないと思います。

結果、トリガーパルスになっていないのではないかと。
一旦、ディレイ時間を延ばしてみて、要因を切り分けてみみてはいかがでしょうか？

  digitalWrite( trigPin, HIGH ); //超音波を出力
  delayMicroseconds( 3 ); //
  digitalWrite( trigPin, LOW );

Arduino 日本語リファレンス　delayMicroseconds(us)

【補足】

この関数は3マイクロ秒以上のレンジではとても正確に動作します。それより短い時間での正確さは保証されません。

過去に フォーラムでも、delay の動きについて話題があったようですね。
Arduino フォーラム delayMicroseconds(0) = 16383µs

計測の元になる周期をクォーツではなく、CPUの動作時間　"CPU Ticks"で代替しているために起きる現象のようですね。

Comments

[thkana]

3マイクロ秒「以上」というのは3を含む気がする...
とりあえず私の回答の波形は純正Mega2560で質問のプログラムそのままで見ています。

[Yoshi88]

私も　3 というのが　ちょうど境目になっていたので、もしや。。と思っています

[klose0609]

delay 時間は直接関係ありませんでしたが、この部分のコードを変えることで解決できました。
これまで、上記している通り、超音波を発射するためのトリガーパルスを"digitalWrite"で作成しておりました。これを"analogWrite"に変更したところ、"pulseIn"でパルス幅を計測することができました。
理由についてはこれから調べてみますが、"digitalWrite"でつくるパルスと"analogWrite"で作るパルスは、何かが違うのかもしれません。

[Yoshi88]

解決してよかったですね(^^)
digitalWrite の実行速度について、興味深い比較をしているサイトがありました。
Arduino IDE: digitalWrite()は遅い
https://qiita.com/cvp-swat/items/d3c6f4de42f4cf411998

関数を、ビット操作に変えることで、1ステップの処理を高速化していましたよ。

[thkana]

DACを積んでいない機種のanalogWriteはPWMを発生します。GPIOを直接いじるのでなくタイマーの制御レジスタをいじっている関係で遅れてパルスが出たりするんじゃないでしょうか。
狙って出せているのでない限り、それを「解決」と考えないほうがいいと思います。もちろん、狙ってタイマーを制御して遅延したパルスを出すならそれは一つの解決ですが。

[thkana]

波形みてみたけど、
> タイマーの制御レジスタをいじっている関係で遅れてパルスが出たりするんじゃ
こういう現象はなかった...さて、なんででしょう?
ついでにdelayMicrosecondの引数を0とか1とかにしてみたけど特に破綻はみられませんでした。
というか、オシロあるんだったら見てみればいいよね。

Answer 5

まずは、べつのArduinoを持ってきて、そのパルス幅の（100μ程度？）パルスを発生させ、想定通りの計測出力がされるかを確認しましょう。
それがなされない場合は、回路かコードが間違っています。

それで正常に計測できて、なおかつ実際の計測では0しか出ない、という場合は、
入力パルスの立ち上がり、あるいは立ち下がりのエッジ波形を時間レンジをずーーっと伸ばして見てみてください。
あるあるなのが、エッジでバタついた波形になり、そこでカウントされてしまう、ってのがあります