Raspberry Pi 4とHiFive1ボード間でUART通信を確立する

このラボでは、Raspberry Pi 4とHiFive1の間で信頼性の高いUARTリンクを確立し、HiFive1をプログラミングして受信データをエコーさせ、Pi上でステアリング角度をボードに転送するPythonスクリプトを作成します。

パート0：Raspberry Pi 4でのUART有効化

Pi 4には4つのUARTコントローラーが搭載されています。この演習ではuart2とuart3を使用します。/boot/config.txtに以下の行を追加して再起動：

dtoverlay=uart2,115200
dtoverlay=uart3,115200

再起動後、デバイスノード/dev/ttyAMA1（uart2）と/dev/ttyAMA2（uart3）が利用可能になります。

ボードを以下のように接続：

• HiFive1 UART1 RX（ピン7） ↔ Pi 4 UART2 TX（ピン27） – データパス（ステアリングコマンド用）
• HiFive1 UART0 TX（ピン1） ↔ Pi 4 UART3 RX（ピン29） – デバッグチャネル（コンソール出力用）

Piからは/dev/ttyAMA1（HiFive1へ送信）と/dev/ttyAMA2（HiFive1コンソール受信）でこれらのチャネルにアクセスできます。

パート1：HiFive1のプログラミング

PC上で（Pi上ではない）、スケルトンプロジェクトをダウンロード：

$ cd ~/Documents/PlatformIO
$ wget https://ittc.ku.edu/~heechul/courses/eecs388/l10-comm.tar.gz
$ tar zxvf l10-comm.tar.gz

l10-interruptフォルダをVSCodeワークスペースに追加。目標はUART1からデータを読み取り、UART0でエコーし、結果をコンソールに出力することです。

簡潔なアルゴリズム：

while (1) {
    if (ser_isready(1)) {
        char data = ser_read(1);
        ser_write(0, data);
        ser_printline(0, "Received: ");
        /* 必要に応じてフォーマット調整 */
    }
}

シリアルAPIはeecs388_lib.h/cで定義：

void ser_setup(int devid);
int ser_isready(int devid);
void ser_write(int devid, char c);
void ser_printline(int devid, char *str);
char ser_read(int devid);
int ser_readline(int devid, int n, char *str);

devid = 0でUART0、devid = 1でUART1を選択。ser_isready関数はUART IPレジスタの保留データをチェック：

int ser_isready(int devid) {
    uint32_t regval = *(volatile uint32_t *)(UART_ADDR(devid) + UART_IP);
    return regval;
}

コンパイル・フラッシュ後、Piに切り替えて2つのターミナルを開く：

• データ送信側：screen /dev/ttyAMA1 115200
• デバッグ表示側：screen /dev/ttyAMA2 115200

送信側ターミナルで任意の文字列を入力すると、同じ文字列がデバッグ側ターミナルに表示され、正常動作を確認できます。

パート2：Raspberry Pi 4上のPythonスクリプト

手動ターミナルの代わりに、以下を行うPythonプログラムを作成：

• /dev/ttyAMA1を開いてステアリング角度を書き込み
• /dev/ttyAMA2を開いてデバッグ用
• カメラフレームを取得、DNN推論を実行、結果の角度をHiFive1に送信

pySerialを使用したスケルトン例：

import serial
import time
import cv2  # または実際のカメラインターフェース

# シリアルポートを開く
ser1 = serial.Serial('/dev/ttyAMA1', 115200, timeout=1)
ser2 = serial.Serial('/dev/ttyAMA2', 115200, timeout=1)

while True:
    # フレーム取得
    frame = cv2.imread('frame.jpg')  # 実際のカメラ読み取りに置き換え
    # DNN推論
    angle = dnn_inference(frame)  # float32
    # floatを4バイト表現に変換
    angle_bytes = angle.to_bytes(4, byteorder='little', signed=True)
    ser1.write(angle_bytes)
    # オプション：デバッグ出力読み取り
    debug = ser2.readline().decode().strip()
    if debug:
        print('HiFive1:', debug)
    # タイミング制御（例：30fps）
    time.sleep(1/30)

# クリーンアップ
ser1.close()
ser2.close()

注：floatをバイトに変換して送信し、HiFive1側でも同じバイトオーダーで解釈してください。

付録：Raspberry Pi 4 GPIOとペリフェラル概要

Pi 4は、従来のPiモデルを超える拡張I²C、SPI、UARTインターフェースを提供します。pinoutコマンドで全ピンを表示：

pinout

主要ペリフェラル：

• I²C – 最大6バス、sudo i2cdetect -y 1でデバイス検出。
• SPI – raspi-configで有効化、標準的なSCLK/MOSI/MISOラインを使用。
• UART – 非同期シリアル、ヘッドレス通信やHiFive1のようなマイコンとの接続に最適。

詳細な設定は公式Raspberry Piドキュメントを参照： Config-txtガイド。