Arduinoでの自作ガイガーカウンター解説-＃4 信号をArduinoで直接扱えるか？

f:id:a-tomi:20181211154052j:plain — SBM-20の信号

上はエミッターフォロワーから出る典型的な信号ですが、ＧＭ管が検知するガンマ線やβ線のエネルギー（eV)などによって信号の長さが少し変わります。ＧＭ管の種類と個体差やカップリングコンデンサーの値などによっても違いますから、絶対にとりこぼしなく検知するためには多数の信号を確認のうえ、およそ5~6マイクロ秒以内に検知できるようにしたいものです。

そして、できれば他のマイコンなど介在させずに、Arduinoだけで全処理を完結したいところです。では、もし普通にArduinoで信号を取り出そうとするとどうなるのでしょう？

IDEで次のプログラムを作り、Arduino-UNOで確認すると、それがとても難しいことがすぐわかります。


/*
   Timing test
*/
#define dPin 2
#define tPin 3

void setup() {
  pinMode(dPin, INPUT_PULLUP);
  pinMode(tPin, OUTPUT);
  digitalWrite(tPin, HIGH);

  while (1) {
    if (digitalRead(dPin) == LOW) break;
  }
  
  // *** Test #1 simple for-loop 1000 times
  delay(1000);
  // measure simple loop
  digitalWrite(tPin, LOW);
  for (int i = 0; i < 1000; i++) {
  }
  digitalWrite(tPin, HIGH);
  delayMicroseconds(10);
    //*** Test #2 loop 100 times with digitalRead inside
    digitalWrite(tPin, LOW);
  for (int i = 0; i < 100; i++) {
    int k=digitalRead(dPin);
  }
  digitalWrite(tPin, HIGH);
// ***** end of Test #1 to #2 end

  while (1) {
    if (digitalRead(dPin) == LOW) break;
  }
  delay(1000);
}

// *** Test #3 loop with digitalRead inside
void loop() {
  digitalWrite(tPin, LOW);
  int k=digitalRead(dPin);
  digitalWrite(tPin, HIGH);
}

このプログラムのtPinをオシロで観察すると、Test#1,Test#2の結果は次のようになります。Lowがそれぞれの計測時間です。

f:id:a-tomi:20181211155337j:plain — 単なるループ1000回とdigitalReadを含むループ100回

単にFor-loopを1000回やっても10μSもかかりません。つまり単なるForループが回るためには殆ど（0.01µS程度しか）時間を消耗しないことがわかります。、ところが、このループ内にdigitalReadがあるとたった100回で400µS近くかかることがわかります。つまりdigitalRead1発で4μS近くかかるようです。

次に、Arduinoの永遠Loop処理の中でdigitalReadを行い、その前後でdigitalWriteして時間を取り出すと次のようになります。

f:id:a-tomi:20181211160248j:plain — Loopルーチンの中での処理

1周期になんと15μSから20μSもかかるのがわかります。なぜ永遠Loop処理部分の戻り時間が時々長くなるのかはわかりませんが、とにかくそれほど遅いわけです。上のグラフでHighの部分はArduinoのお仕着せLoop処理の戻り時間であって、ユーザーは何もしていません。内部できっと何かをチェックしていることでしょう。

ですから信号検出の為にLoop部分でdigitalReadをすると、それだけで20µS近くを費やすことがあるため検出漏れをおこすことになります。