raspberry pi picoのPIOを使って100個のledを1ms毎に光らせたい

Question

raspberryPi Picoで1ms毎に1個のLEDを光らせて、合計100個のLEDによる1msを判別できるタイムカウンターを作りたいと思っています。

精度を高めるためPIOを使いたいのですが、PIOの命令数に限りがあるため、上手く行う方法がわかりません。

MicroPython環境で行おうとしています。CCでも構いません。

不可能の可能性もあると思いますが、アイデアのある方がいたら教えていただけないでしょうか？

※精度が欲しいのでPIOかと思っていますが、他の方法でも構いません。

Comments

[thkana]

PIOはまだいじったことがないので感じがわかりませんが...それ以前の話として、

RaspberryPi picoには100本も足がありませんから、100個のLEDをマイコンのみで制御しようとすればマトリックスを組んでダイナミック制御をすることになります(マイコンのみといっても、マトリクスの構成によってはLEDの電流を受けきれませんから、トランジスタなどでドライブしなければならないかもしれません)。

この場合、"高精度の1ms"というのはどういう意味合いで考えておられるのでしょうか。具体的にLEDがどのように点灯すればよいのか、例を示していただけますでしょうか。また、単に「高精度」というだけでなく、1msに対してどのくらいの誤差?偏差?が許されるのか、なんていう情報も結構重要と思います。

[rx0]

ご指摘ありがとうございます。
実現したいことは、100個のledを横一列に並べて、そこから1ms毎に左から右に順次点灯させ、1番右についたらまた1番左に戻って順次点灯…というものです。
これをビデオカメラなどで写し込んで、1フレームごとのledの点灯位置の遷移を見ることで、各ビデオカメラのフレームレートを1ms単位で分析できるストップウォッチのようなものを作成することを目的としています。
数μs程度の精度でledを点灯させたいと思っています。

Answer 1

今どきで普通の「ビデオカメラ」と称するものならフレームは1/60=16.66msなので

各ビデオカメラのフレームレートを1ms単位で分析

はどうでしょう。特殊用途でも数千フレーム/secの超高速カメラ(昔仕事で使った。数百万円とかする)でもなければ(あるいはそれでも)、数μsの精度に意味が出ないのではないでしょうか?

それはともかく。
ちょっと考えてみましたが、PIOのみではちょっときびしそうです。命令数もですが、レジスタにあるデータを単純に1bitシフトするなんてことができなかったり、クロックも分周して2KHz程度までなので100msを測るような「ものさし」にはしにくい感じ。(こういうのが得意なウイザード級の人がちょいちょいやるとできちゃったりするのかも知れませんが...)
1ms毎にPython側で生成するFIFOのデータを拾って出力するものを2系統、マトリクスのHとVでそれぞれ、みたいな構成ならできそうかな、なんて思いますがそれくらいだったら単純に1msをタイマー割り込みで作ってLEDを制御しても、ちょっと注意してやれば(分岐の仕方によっても処理時間ができるだけ変わらないように等)そこそこの性能にできそうに思います。

Answer 2

MicroPythonについては詳しくありませんが、必ずしもPIOを使う必要は無いでしょう。
質問文では曖昧でしたがコメントを見るに100個のうち1個のみを順に点灯させていくという意味ですね。
適宜マトリクスを組み、100パターンの出力を事前に計算しておいて、
1msのタイマー割り込みを用意して、割り込み内で「今回のパターンを出力→次のパターンを用意」とすればクロック単位で正確な出力ができると思います。
ピンは十分多いので10×10の単純なマトリクスにするのが楽でしょう。CharlieplexingなどするとHigh-Zの処理も必要でタイミングの考慮事項が複雑になります。

タイマーを他に使ってしまっているとか、割り込みを他にも使っているという場合であれば、PIOを使うことも考えられます。
PIOに関してはデータシートを読んだ程度の知識しかありませんが、この場合、PIOで行う動作は「1msカウントダウンして、FIFOからPULL、それをピンに出力」として、FIFOへ上記100個のパターンを割り込みなり地のコードなりで出力するのがよいと思います。

Answer 3

100個のLEDを精度１msですか。
実はこれを実装している製品というのが案外身近にあります
いわゆるアミューズメント機器、ってことで、要するにアーケードゲーム、とかパチンコ台、とかそこらへんの機器ですね。
そいつらは、カラーLED（RGBの３色）を数十個、それこそ１msや0.5ms単位で、PWMを掛けて、色相調整やら明度調整を行って、いろんな表現を行っています。
今度見かけることがあれば、よく見てみましょう

さて、その実現方法ですが、TLC5927 というLEDドライバICを調べてみましょう
＃他のメーカ、他の型番でも同様なドライバICがたくさん出てます
こいつは、１６出力を持つLEDドライバICで、データはSPI駆動でLE（ラッチイネーブル）入力を持ちます
１００個であれば、このドライバを７つカスケードにつなげれば、１ポートのSPI（SCLとMOSI出力）と一つのLE出力の、３つの出力ポートだけで、全LEDを同期出力することが可能となります

まあ、１ｍｓ周期でどーこ～するなら、１ｍｓのタイマ割り込みを実装し、割り込みハンドラ内でLEパルス出力、SPI出力開始を行えばいいという話となります