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@jp-96

家庭用サイクルトレーナーにmicro:bitをつなぐ（その３）- STEP信号からケイデンスとスピードを求めるモジュールをドライバー（アイドル・コンポーネント）として作成する

Last updated at Posted at 2021-02-10

家庭用サイクルトレーナーにmicro:bitをつなぐ（その３）

前回までの記事（その１、その２）では、家庭用サイクルトレーナーのワイヤレス運動測量計とmicro:bitをつなぎ、STEP信号からケイデンスとスピードを算出・推定することができるようになりました。

リンク

  1. 家庭用サイクルトレーナーにmicro:bitをつなぐ（その１）
    ワイヤレス運動測量計から出力されるクランク回転センサーの信号をモニターする
  2. 家庭用サイクルトレーナーにmicro:bitをつなぐ（その２）
    STEP信号からワイヤレス運動測量計に表示されているスピードをmicro:bitで推定する

今回、MicroBitComponentを継承し、ワイヤレス運動測量計のSTEP信号からケイデンスとスピードを求めるモジュールをドライバー化した**MicroBitIndoorBikeStepSensorクラス**を作成しました。

IMG_20210211_082808.jpg

MicroBitIndoorBikeStepSensorクラスの使用例

MicroBitIndoorBikeStepSensorクラスは、MicroBitComponentを継承したドライバーです。次のmain.cppで、その使い方の実装例を示しています。

main.cpp
#include "inttypes.h"
#include "MicroBit.h"
#include "MicroBitIndoorBikeStepSensor.h"

MicroBit uBit;
MicroBitIndoorBikeStepSensor stepSensor(uBit);

uint32_t stepCount;

void onStepSensor(MicroBitEvent e)
{
    uBit.serial.printf("%" PRIu32 ", %" PRIu32 ", %" PRIu32 ", %" PRIu32 "\r\n"
        , ++stepCount, (uint32_t)e.timestamp, stepSensor.getCadence2() , stepSensor.getSpeed100());
}

void setup(void)
{    
    uBit.serial.printf("#, Timestamp, Cadence2, Speed100\r\n");
    uBit.addIdleComponent(&stepSensor);
    uBit.messageBus.listen(MICROBIT_INDOORBIKE_STEP_SENSOR_ID, MICROBIT_INDOOR_BIKE_STEP_SENSOR_EVT_DATA_UPDATE, onStepSensor);
    uBit.display.scrollAsync("GO!");
}

int main()
{
    // Initialise the micro:bit runtime.
    uBit.init();

    // Insert your code here!
    create_fiber(setup);

    // If main exits, there may still be other fibers running or registered event handlers etc.
    // Simply release this fiber, which will mean we enter the scheduler. Worse case, we then
    // sit in the idle task forever, in a power efficient sleep.
    release_fiber();
}

説明

MicroBitIndoorBikeStepSensorクラスのインスタンス変数stepSensorを定義し、stepSensorをuBit.addIdleComponentメソッドで、uBitインスタンスに追加します。
MicroBitIndoorBikeStepSensorクラスのインスタンスには、イベント・バスIDに**MICROBIT_INDOORBIKE_STEP_SENSOR_IDがデフォルトで割り当ててありますので、uBit.messageBus.listenメソッドで、MicroBitIndoorBikeStepSensorインスタンスが発生させるMICROBIT_INDOOR_BIKE_STEP_SENSOR_EVT_DATA_UPDATEイベント**をonStepSensorイベントハンドラで受け取るようにします。
onStepSensorイベントハンドラでは、**ケイデンス(単位:0.5rpm)とスピード(単位:0.01km/h)**をMicroBitIndoorBikeStepSensorインスタンスから取得し、USBシリアル通信で、出力しています。

項目 内容 備考
クラス MicroBitIndoorBikeStepSensor MicroBitComponentを継承（IdleComponent）
イベント・バスID MICROBIT_INDOORBIKE_STEP_SENSOR_ID ユーザー定義
値更新イベント MICROBIT_INDOOR_BIKE_STEP_SENSOR_EVT_DATA_UPDATE 約1秒間隔で発生
接続端子 端子P2 デフォルト

取得値の単位（精度）について

取得できるケイデンスとスピードの単位（精度）の仕様は少し特殊ですので注意してください。MicroBitIndoorBikeStepSensor::getCadence2()メソッドで取得できる値1は、0.5rpmとしており、MicroBitIndoorBikeStepSensor::getSpeed100()メソッドで取得できる値1は、0.01km/hとしています。
例えば、getCadence2()の取得値が140の場合は、140×0.5rpm=70.0rpmであり、getSpeed100()の取得値が、2345の場合は、2345×0.01km/h=23.45km/hです。

項目 メソッド 単位（精度） 例
ケイデンス getCadence2 0.5rpm 取得値140の場合、140×0.5rpm=70.0rpm
スピード getSpeed100 0.01km/h 取得値2345の場合、2345×0.01km/h=23.45km/h

MicroBitIndoorBikeStepSensorクラスの実装（説明）

実際の継承元

MicroBitIndoorBikeStepSensorクラスは、MicroBitComponentを継承していると説明しましたが、実際には、MicroBitComponentを継承したMicroBitCustomComponentを継承しています。

MicroBitCustomComponent.h
#include "MicroBit.h"

// The base of custom Event Bus ID.
static const uint16_t MICROBIT_CUSTOM_ID_BASE = 32768;

class MicroBitCustomComponent : public MicroBitComponent
{
public:

    /**
      * Event Bus ID of this component.
      */ 
    uint16_t getId(void)
    {
        return this->id;
    }

};

理由は２つあります。

  1. イベント・バスIDを取得したい為
  2. イベント・バスIDのユーザー定義値において、標準の定義値との重複を避けたい為

1つ目の理由は、今回の使用例では、使用していませんが、そのインスタンス変数から保持しているイベント・バスIDを取得したい場合があるためです。例えば、インスタンス変数を定義する際に、コンストラクタへ動的にイベント・バスIDを割り当てるような実装をしたい場合が考えられます。その場合は、uBit.messageBus.listenメソッドの第１引数には、そのインスタンスのイベント・バスIDを取得する為に、stepSensor.getId()を与えます。

2つ目の理由は、継承とは関係ありませんが、ユーザー定義されるイベント・バスIDの範囲を標準化しています(32768以上の値)。

ケイデンスとスピードの計算

前回までの記事で、ケイデンスとスピードの計算式を求めましたが、それらの計算式を使ったcalcIndoorBikeDataメソッドで算出しています。
STEP信号の間隔(単位:マイクロ秒) crankIntervalTime から、ケイデンス(単位:0.5rpm)cadence2とスピード(単位:0.01km/h)speed100に結果を返します。

MicroBitIndoorBikeStepSensor.cpp
void calcIndoorBikeData(uint32_t crankIntervalTime, uint32_t* cadence2, uint32_t* speed100)
{
    
    if (crankIntervalTime==0)
    {
        *cadence2 = 0;
        *speed100 = 0;
    }
    else
    {
        *cadence2 = (uint32_t)( (uint64_t)K_STEP_CADENCE / crankIntervalTime );
        *speed100 = (uint32_t)( (uint64_t)K_STEP_SPEED   / crankIntervalTime );
    }
}

コンストラクタ

コンストラクタでは、主に次の３つを実装しています。

  1. メンバ変数の初期化
  2. STEP信号の取得イベントハンドラの設定
  3. エッジイベントの有効化
MicroBitIndoorBikeStepSensor.cpp
MicroBitIndoorBikeStepSensor::MicroBitIndoorBikeStepSensor(MicroBit &_uBit, MicrobitIndoorBikeStepSensorPin pin, uint16_t id)
    : uBit(_uBit)
{
    this->id = id;
    this->lastIntervalTime=0;
    this->lastCadence2=0;
    this->lastSpeed100=0;
    this->updateSampleTimestamp=0;
    
    if (EventModel::defaultEventBus)
        EventModel::defaultEventBus->listen(MICROBIT_INDOOR_BIKE_STEP_SENSOR_EVENT_IDs[pin], MICROBIT_PIN_EVT_FALL
            , this, &MicroBitIndoorBikeStepSensor::onStepSensor);
    
    switch (pin)
    {
    case EDGE_P0:
        uBit.io.P0.eventOn(MICROBIT_PIN_EVENT_ON_EDGE);
        break;
    case EDGE_P1:
        uBit.io.P1.eventOn(MICROBIT_PIN_EVENT_ON_EDGE);
        break;
    default:    // EDGE_P2
        uBit.io.P2.eventOn(MICROBIT_PIN_EVENT_ON_EDGE);
        break;
    }
    
}

STEP信号の取得イベントハンドラ

ドライバー内では、MICROBIT_PIN_EVT_FALLイベントが発生したe.timestamp値をリストintervalListに保持しています（push,pop）。保持する値は、最新の３つ（INTERVAL_LIST_SIZE）です。つまり、最大、2回転分のSTEP信号の平均値からケイデンスやスピードを算出できます。
また、リストintervalListが空の場合、初回から、ケイデンスとスピードを算出できるようにする為、MAX_STEPS_INTERVAL_TIME_USマイクロ秒を引いた値を１つ余分に予め追加しています。MAX_STEPS_INTERVAL_TIME_USマイクロ秒（2.5秒）の値は、ワイヤレス運動測量計がSTOP状態と判断する最大値を実験的に求めた値です。

MicroBitIndoorBikeStepSensor.cpp
void MicroBitIndoorBikeStepSensor::onStepSensor(MicroBitEvent e) 
{
    uint64_t currentTime = e.timestamp;
    
    if (this->intervalList.size()==0)
    {
        // 初回から、ケイデンスとスピードを算出する。
        this->intervalList.push(currentTime-MAX_STEPS_INTERVAL_TIME_US);
    }
    this->intervalList.push(currentTime);
    if ((uint32_t)this->intervalList.size()>(this->INTERVAL_LIST_SIZE))
    {
        this->intervalList.pop();
    }
}

算出とイベント生成 - アイドル・コンポーネントとシステム・コンポーネント

MicroBitComponent派生クラスのインスタンスは、アイドル・コンポーネントやシステム・コンポーネントとして、MicroBitランタイムに登録されることにより、それぞれの方式で振る舞います（機能します）。

アイドル・コンポーネント

uBit.addIdleComponentメソッドなどでMicroBitランタイムに登録すると、アイドルスレッドからidleTickメソッドが頻繁に呼び出されます。

例えば、次の標準コンポーネントがアイドル・コンポーネントとして利用できます。

  1. MicroBitBLEManager
  2. MicroBitEventService
  3. MicroBitIOPinService
  4. MicroBitAccelerometer
  5. MicroBitCompass
  6. MicroBitThermometer.

システム・コンポーネント

uBit.addSystemComponentメソッドなどでMicroBitランタイムに登録すると、タイマー割り込みからsystemTickメソッドがTick間隔で呼び出されます。尚、タイマー・コンテキストからの呼び出しであることに注意してください。

例えば、次の標準コンポーネントがシステム・コンポーネントとして利用できます。

  1. MicroBitSystemTimerCallback
  2. MicroBitButton
  3. MicroBitDisplay

ケイデンスとスピードの算出とイベント生成

MicroBitIndoorBikeStepSensorクラスは、アイドル・コンポーネントとして実装してあります。

MicroBitIndoorBikeStepSensor.cpp
void MicroBitIndoorBikeStepSensor::idleTick()
{
    this->update();
}

そして、updateメソッドでは、SENSOR_UPDATE_PERIOD_USマイクロ秒間隔（1秒間隔）で、ケイデンスとスピードを算出し、MICROBIT_INDOOR_BIKE_STEP_SENSOR_EVT_DATA_UPDATEイベントを発生させています。
また、MAX_STEPS_INTERVAL_TIME_USマイクロ秒（2.5秒）以上、STEP信号の検出がない場合は、停止状態と判断し、ケイデンスとスピードがゼロになるようにしています。

MicroBitIndoorBikeStepSensor.cpp
void MicroBitIndoorBikeStepSensor::update(void)
{
    uint64_t currentTime = system_timer_current_time_us();

    if(!(status & MICROBIT_INDOOR_BIKE_STEP_SENSOR_ADDED_TO_IDLE))
    {
        // If we're running under a fiber scheduer, register ourselves for a periodic callback to keep our data up to date.
        // Otherwise, we do just do this on demand, when polled through our read() interface.
        fiber_add_idle_component(this);
        status |= MICROBIT_INDOOR_BIKE_STEP_SENSOR_ADDED_TO_IDLE;
    }
    
    if (currentTime >= this->updateSampleTimestamp)
    {
        this->updateSampleTimestamp = currentTime + this->SENSOR_UPDATE_PERIOD_US;
        
        if ((this->intervalList.size()>0) && ((currentTime - this->intervalList.back())>=this->MAX_STEPS_INTERVAL_TIME_US))
        {
            while (this->intervalList.size()>0)
            {
                this->intervalList.pop();
            }
        }
        
        if (this->intervalList.size() < 2)
        {
            this->lastIntervalTime = 0;
        }
        else
        {
            uint64_t intervalNum = this->intervalList.size() - 1;
            uint64_t periodTime = this->intervalList.back() - this->intervalList.front();
            this->lastIntervalTime = periodTime / intervalNum;
        }
        
        calcIndoorBikeData(this->lastIntervalTime, &this->lastCadence2, &this->lastSpeed100);
        
        MicroBitEvent e(id, MICROBIT_INDOOR_BIKE_STEP_SENSOR_EVT_DATA_UPDATE);
    }
}

おわりに

  • MicroBitIndoorBikeStepSensorクラスを作成しました
  • MicroBitIndoorBikeStepSensorクラスの使用例を示しました
  • MicroBitIndoorBikeStepSensorクラスの実装内容について説明しました

次回（その４）は、スマホ・アプリでケイデンスやスピードを表示できるように BLEのGATTサービス(FTMP/FTMS)を実装します。

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