ポケットMCA（PSoC）（以下PMCA）は、PSoC 5LPを用いた簡易Multi Channel Analyzer (MCA)です。 MCA機能をPSoC内のブロックで構成し外付け部品を極力廃しているため、CY8CKIT-059 PSoC® 5LP Prototyping Kitに1μFの容量と1kΩの抵抗を加えることでMCAとして動作します。
この図はPSoC内を含めた入力信号経路を示しています。
AC結合された入力信号はPGA（Programmable Gain Amplifier）で増幅した後、ADCでデジタル化されます。
デジタル化された信号は後段のDSP（Digital Signal Processing）ブロックに渡され、波高値情報が抽出されます。
並行してBLRブロックにもデジタル値が渡され、PGAの入力にフィードバックすることでベースライン電位が再設定されます。
Prototyping KitでMCAを構成する場合には、図のように1μFの容量と1kΩの抵抗を入力端子に接続してください。
| 項目 | 値 | 補足 |
|---|---|---|
| 電源電圧 | 5V±0.25V | USBハイパワーポートの範囲（4.75V~5.25V） |
| 消費電流（MCA) | 20mA | |
| 入力電圧範囲 | ±10V | AC結合容量に依存 |
| 信号電圧範囲 | ±2Vpp max. | ゲイン2倍時 |
| ピークタイム | 10μs以上 | 満たない場合でも測定は可能 |
| 最大カウントレート | 100kcps |
PMCA用のファームウェア書き込み後、Windows PCとUSBケーブルで接続することでCOMポートとして認識されます。 そのCOMポートに対してASCIIコードを送ることでPMCAと対話でき、動作の変更や測定が行えます。 最初のアルファベットでコマンド種別を選択し、続く16進数（0~F）で設定値を指定します。 設定値がある場合は制御コマンド、ない場合は読み出しコマンドとして判断されます。 最初のアルファベット、コマンド指定以降の16進数以外は無視されます。
コマンドの例
SA # 10秒の測定を開始
S A # 上と同じ
V 3FC # HVを1020Vに設定
V # HV出力のモニタ結果を読み出す
PCから送信するコマンドの終端は改行（CR）です。 PMCAから送信するデータの終端は4 byte NULL（0x00000000）となっており、NULL終端文字列として取り込めます。 実際には端末エミュレータ互換のためNULLの前に改行（CR）が存在します。 加えて、データの成否を表す'OK/NG'の文字列が追加されるため、実質的な終端は7 byteになります。
example.pyとexample_gui.pyがそれぞれCUI、GUIのサンプルスクリプトです。 必要な外部パッケージは以下のとおりです。
- pySerial
- numpy
- matplotlib
'S'コマンドで測定を開始すると1秒おきに測定結果が出力されます。 結果は2次元ヒストグラム（横軸：ADCチャネル、縦軸：頻度）のバイナリデータ（16 bit × 4096 ch）と終端7 byteです。 データ中の終端NULLを回避するため頻度値は測定値+1で表されます。
| コマンド | 制御対象 | 設定範囲 | 初期値 | 詳細 |
|---|---|---|---|---|
| A | 予約 | |||
| B | 予約 | |||
| C | 予約 | |||
| D | ベースライン電圧 | 0~4080 | auto | mVで指定。通常は自動で最適値に設定される。強制上書き用 |
| E | 測定強制終了 | 測定を即時終了させる。使用しないが設定値が必要。 | ||
| F | フィルタ | 0~3 | １ | ADC測定値に対する指数移動平均数の指定。指数移動平均係数α=2/(N+1)に対して、0:N=1, 1:N=3, 2:N=7, 3:N=15。 |
| G | ゲイン | 2~16 | 2 | ゲインが設定値倍となる。 |
| H | ハードウェア情報 | （予約）ハードウェア情報を送信するようリクエストを送る | ||
| I | ADC | 0 or 1 | 0 | 設定値が1の時、計測されたデジタル値の符号を反転する（負パルス用） |
| J | 予約 | |||
| K | 予約 | |||
| L | LLD/ULD | 0~4095 | 4095/4095 | 上位2bitで設定対象を指定（0b00:LLD, 0b01:ULD, 0b02:予約, 0b03:予約)。下位12bitで設定値を指定（パルス高ウィンドウ[ch]）。 |
| M | 信号モニタ | （予約）信号モニタ機能 | ||
| N | 予約 | |||
| O | HV | 0 or 1 | 0 | 0: OFF, 1: ON |
| P | 予約 | |||
| Q | 予約 | |||
| R | 予約 | |||
| S | 測定開始 | 0~2^16-1 | 測定時間[秒]を指定して測定を開始する | |
| T | 予約 | |||
| U | 予約 | |||
| V | HV出力電圧 | 0~1020 | 0 | Vで指定。 |
| W | 予約 | |||
| X | 波高値計測アルゴリズム | 0～3 | 1 | 0:高速判定、1:立ち上がり高速＋上ピークホールド、2: 上下ピークホールド、3:BLR基準 |
| Y | DSP | 0~2 | 0 | 計測モードの選択。0: ヒストグラム, 1:オシロスコープ（フリーラン）, 2:オシロスコープ（トリガー） |
| Z | 予約 |
| コマンド | 対象 | 戻り値 | 詳細 |
|---|---|---|---|
| A | 予約 | ||
| B | BLR | 0~4080 | BLRにより設定しようとしているベースラインのADCチャネル値を返します。 |
| C | 予約 | ||
| D | BLR | 正負の整数 | BLRにより加えたオフセットチャネル数を返します。 |
| E | 予約 | ||
| F | 予約 | ||
| G | 予約 | ||
| H | PMCA | 文字列 | PMCAの初期化処理を実行し、ハードウェア情報を文字列で返します。 |
| I | 予約 | ||
| J | 予約 | ||
| K | 予約 | ||
| L | 予約 | ||
| M | 予約 | ||
| N | 予約 | ||
| O | 予約 | ||
| P | 予約 | ||
| Q | 予約 | ||
| R | 予約 | ||
| S | 予約 | ||
| T | 予約 | ||
| U | 予約 | ||
| V | HVモニタ | 電圧値 | HV出力のモニタ結果を電圧で返します。 |
| W | 予約 | ||
| X | 予約 | ||
| Y | 予約 | ||
| Z | PMCA | なし | Bootloaderを起動します。PSoC CreaterのBootloader Host機能から新しいファームウェアを書き込むことが出来ます。 |
最初の1回のみPSoC Programmerを使いHEXファイルを書き込みます。 このときはPrototyping KitのKitProg側USB端子を使用する必要があります。 HEXファイル書き込み以降は'Z'コマンドでBootloaderに入ることでmicro USB端子からファームウェアを更新出来ます。
PSoC Programmerを用い、Prototyping KitのKitProg経由でHEXファイルを書き込みます。 HEXファイル書き込み後COMポートとして認識されMCAとして動作します。 HEXファイルにcyacdファイルが含まれているためcyacdファイルの書き込みは不要です。
- KitProgを選択
- 書き込むHEXファイルを指定
- 書き込み実行
通常使用時と同じくmicro USB端子経由でUSB接続します。 COMポートに接続し、'Z'コマンドを送信してbootloaderに入ります。 PSoC Createorのメニュー[Tools] -> [Bootloader Host...]からBootloader Hostを起動しcyacdファイルを書き込みます。
- 'Z'コマンドでBootloaderに入る（pythonやTera Term等を使用）
- Bootloader HostでUSB Human Interface Deviceを選択
- 更新用のcyacdファイルを指定
- 書き込み実行
ポケットMCA用にPSoC 5LP基板をおこしたものがANS-PMCAになります。 ANS-PMCAにはMCA機能に加え、
- 高電圧出力（+/-1000V）
- 電源およびUSB通信の絶縁
が備わります。
この図はANS-PMCAのブロック図を示しています。
赤で示した箇所がANS-PMCA版で追加される機能です。
電源はUSBバスパワーから供給されますが、絶縁した後にデジタル/アナログそれぞれLDOで分離されます。
高電圧生成器（HV）の制御はPSoCから行われ、SHVコネクタから出力されるとともにPSoCのDelta Sigma ADCにより電圧がモニタされます。
入力は1μFの容量でDC成分が除去され、PSoC内部ではBLR（Base Line Restorer）機能により適切なベースライン電位が再設定されます。
Prototyping Kitを用いたPMCAとの機能的な違いはHVブロックの有無です。 回路的にはUSBの絶縁、高電圧生成回路、高電圧モニタ回路、入力容量、負荷抵抗、電源回路の有無が異なり、雑音特性が改善されています。 例えば、無信号時の波形において電圧雑音がPrototyping Kitを用いたPMCAでは3.0 [ch rms]なのに対して、ANS-PMCAでは0.6 [ch rms]と1/5に改善されています。
