Spresense Header CodeSpresense Header Code

Spresense - エッジコンピューティングを低消費電力で

Spresense で乾電池でも動く本格的なエッジコンピューティングを体験してみませんか?

Spresenseハードウェアドキュメント

1. ハードウェア設計書

Spresenseボードのハードウェア設計情報は、Spresense HW Design Filesレポジトリにあります。回路図、部品表(BOM)、デザインガイドラインなどがあり、Sony CXD5602チップを使った独自のボードやSpresenseメインボード用のアドオンボードを設計するのに役立ちます。

2. Spresense と Arduino Uno の違い

Spresense 拡張ボードと Arduino Uno ボードについて、端子の仕様や一部コネクタに違いがあります。

ピン Spresense 拡張ボード Arduino Uno

VIN端子

無効な端子です。

7~12V入力

デジタルI/O電圧

5V または 3.3V(切り替え可能)

5V 固定

デジタル入出力端子
(D00~D15)

デジタルI/O電圧でプルアップされています。供給できる電流は 6mA程度です。注1

ATmega328 MPU から最大 40mA の電流を供給できます。 入力抵抗はハイインピーダンスをサポートしています。

アナログ入力端子
(A0~A5)

5Vレンジ固定のアナログ入力専用端子です。デジタル端子として使用することはできません。注2

アナログ入力端子としてもデジタル入出力端子としても使用できます。

AREF端子

無効な端子です。

A/D変換のリファレンス電圧として設定できます。

VREF端子

デジタルI/O電圧を出力します。

A/D変換のリファレンス電圧を出力します。

シリアル通信端子
(D00, D01)

メインボード上のUSBシリアル通信 (Serial) とは異なる専用のシリアル通信端子 (Serial2) です。シリアルモニタとは独立して使用することができます。

USB シリアル通信 (Serial) との共有端子です。

SPI端子

Master モードのみ対応。

Master/Slave 両モード対応。

機器通信端子(ICSP2)

搭載していません。

搭載しています。

(注1) デジタル入出力端子: CXD5602 の 1.8V を拡張ボード上のレベルシフターを介して 3.3V もしくは 5V に電圧変換しています。ピンソケットにはプルアップ抵抗を介して接続されており、接続されるシールドやデバイスによっては問題を引き起こす可能性があります。
(注2) アナログ入力端子: CXD5602 のアナログ入力レンジは 0.7V ですので、5Vから0.7Vへ電圧を下げるために抵抗分圧を採用しています。 この方式は、接続されるデバイスによっては問題を引き起こす可能性があるため、拡張ボード上の AIN 端子を利用する際は、接続デバイスの出力インピーダンスに注意してください。

3. ハウツーガイド

3.1. メインボードでのミニスペーサーの使用について

Spresenseのメインボードを拡張ボードと組み合わせず単独で使用する際には、4隅にミニスペーサを設置すると便利です。
ミニスペーサとそれを基板に固定するネジには、ネジ径2mm、長さ3mm以上の樹脂製のものが使用できます。
これらはメインボードの製品パッケージには付属しておりませんので、別途ご用意ください。

金属製のスペーサとネジを使用した場合には、GNSSの受信性能に著しい悪影響を及ぼします。かならず樹脂製のものをご使用ください。

下記に使用可能な樹脂製のミニスペーサとネジの例を示します。

製造会社 ミニスペーサ ネジ

廣杉計器

AS-2003

PC-0203

3.2. 拡張ボードのピンソケットの動作電圧設定について

Spresense 拡張ボードのピンソケットJP2およびJP13の動作電圧は、JP1の挿す位置を変更することによって5Vと3.3Vを切り換えることができます。 出荷状態では5Vに設定されています。

HW voltage level in extension
JP1の挿し位置を変更する場合には必ずSpresenseの電源を切った状態で行ってください。電源を入れた状態で変更した場合、Spresenseを破壊する恐れがあります。
拡張ボードに接続するArduinoのシールドなどの基板の動作電圧と同じ電圧になるように設定して下さい。設定を誤った場合、接続した基板を破壊する恐れがあります。

以下のピンの電圧出力は設定された動作電圧と同じになります。

部品番号 ピン番号 名称

JP3

2

IOREF

JP2

3

AREF

3.3. リセット機能の使用方法

Spresenseでは以下の方法によってシステムにリセットを掛けることができます。

  • メインボード上のSW1を押下

  • シリアルモニターなどによるUART接続(DTR信号トリガ)

  • 拡張ボードのJP3の3番ピンの信号レベルをLowに落とす(下記詳細参照)

システムリセットが掛かった場合には、電源を管理するLSIのCXD5247や各電源LSIから 一瞬給電が停止しますので、拡張ボードやAdd-onボードに外部回路を接続して使用している際には注意が必要です。

拡張ボードのJP3の3番ピンのリセットは双方向として使用できます。すなわち

  • システムをリセットする信号を拡張ボードから入力する

  • 拡張ボードの外部に接続されたシステムをリセットする

上記のいずれとしても使用できますが、下記に示す推奨回路を外部回路として接続してください。ただし接続先のユーザーデバイスとしてはマイクロプロセッサLSI などの高インピーダンスのデバイスを想定しています。

HW reset ja

また、メインボードのJP2の1番ピンのリセット信号(XRST_PIN_1.8V)はシステムリセットの状態を出力します。システムリセットが掛かっている状態はLow、それ以外の状態では High(1.8V)を出力します。この信号を使用することでAdd-onボードなどにセンシングプロセッサCXD5602と同じタイミングでリセットを掛けることが可能です。

3.4. CXD5602のI/O電流値について

CXD5602は非常に低消費電力なプロセッサのため、ポートのI/O電流値は最大で6mA程度となります。

3.5. I2Cの使用方法

Spresenseではメインボードと拡張ボードにそれぞれI2C接続に使用できる端子が1系統用意されています。

インターフェース電圧はメインボードが1.8V、拡張ボードが5Vまたは3.3Vになります。
通信速度は最大で400kbpsとなります。

メインボードと拡張ボードはI2Cとしては同一の系統となりますが、接続するデバイスのスレーブアドレスを変更することにより、同時に使用することが可能です。

メインボードでは4.7kΩで1.8Vに、拡張ボードでは1kΩで5Vまたは3.3Vにプルアップされています。

3.6. UARTの使用方法

Spresenseではメインボードと拡張ボードにそれぞれUART接続に使用できる端子が1系統用意されています。

メインボードではフロー制御付きのUART、拡張ボード側は調歩同期のUARTとして使用可能です。

インターフェース電圧はメインボードが1.8V、拡張ボードが5Vまたは3.3Vになります。 通信速度は最大で1.8432Mbpsとなります。

メインボードと拡張ボードはUARTとしては同一の系統を使用するため、同時に使用することはできません。
メインボードと拡張ボードを組み合わせた場合は、出荷時には自動的に拡張ボードのUARTが使用できる設定となっています。

組み合わせた状態でメインボード側のUARTをご使用になる場合には、拡張ボードのJP10の1-2番ピンに2.45mmピッチのジャンパーピンを挿してください。
ジャンパーピンはメインボードおよび拡張ボードの製品パッケージには同梱されておりませんので、別途ご用意ください。

拡張ボード側のUARTが有効な場合、メインボードのUARTをGPIOとして設定した場合には、D27, D28のみ使用可能です。

3.7. SPIの使用方法

Spresenseではメインボードと拡張ボードにそれぞれSPI接続に使用できる端子が1系統用意されています。

両ボードのSPIはマスターモードでのみ使用が可能です。

インターフェース電圧はメインボードが1.8V、拡張ボードが5Vまたは3.3Vになります。
通信速度はメインボードが最大で13Mbps、拡張ボードが最大で48.75Mbpsとなります。

ただしこれはCXD5602のスペック値で、拡張ボードに関してはレベルシフタを搭載している影響などで実力では最大で20MHz程度となりますが、ご使用の環境によっては通信速度が大きく影響されることがあります。

メインボードと拡張ボードはそれぞれ別系統のSPIを使用しますので、同時に使用可能です。

3.8. PWMの使用方法

Spresenseでは拡張ボードにPWM出力に使用できる端子が4系統用意されています。

インターフェース電圧は5Vまたは3.3Vになります。
周波数は最大で6.5MHz、分解能は15ビットとなります。

3.9. 拡張基板でのデジタル信号(UART/SPI/PWM/GPIO)使用上の注意

Spresenseでは拡張ボードのデジタルピン入出力に下記の構造のようなレベルシフタを使用して、自動的方向の切り換えと電圧変換を行っています。

このレベルシフタはピンソケット側が1kΩで5Vまたは3.3Vに常にプルアップされています。

HW LVS1 ja

したがってピンソケットに接続する回路が低いインピーダンスを持つ回路である場合には、CPUの検出する閾値が変動してしまう事から正しく論理を検出できなくなります。

この場合には下図のように、入出力方向が変化しない信号に関しては、ピンソケットと接続する回路の間に片方向のバッファを挿入するのが良い方法です。

HW LVS2 ja

3.10. メインボードに対する外部電源の供給方法

Spresenseのメインボードで消費する最大電流値は500mAで、メインボードおよび拡張ボード上のmicroUSB端子より電源を供給した場合には例え500mAより多くの電流が供給できる機能があった場合でも、メインボードへは500mAまでしか供給できません。この500mAにはAdd-onボードへの供給電流を含みます。

Add-onボードを設計する際に使用するデバイスの消費する電流値が多い場合にはメインボードのCN1に日本圧着端子製造製のPHコネクタ(S2B-PH-K-S)をマウントし、ここに十分な電流を供給できる 3.6V~4.4V(=動作推奨電圧。最大絶対定格電圧は7V)の安定化電源を接続することにより、メインボードのEXT_VDD(JP2の3番ピン)からの供給電流値を増やすことができます。その際、EXT_VDD端子の電圧は接続した安定化電源の 電圧とほぼ等しい電圧が出力されます。

上記はメインボードへの半田付け作業が必要です。ここでの作業は小型部品の半田付けやボードの改造を伴います。適切なスキル及び機材をもっている方のみ実施するように注意してください。

ここに記載のはんだ作業を行った場合には、いかなる場合であっても製品保証の対象外となります。ご自身の責任において実施してください。
HW power supply ja

またこの場合には、microUSB端子から電源を供給しなくともSpresenseシステムに電源が入ります。メインボードで消費する最大電流値の500mAと拡張ボードで消費する 電流の合計を供給することも可能となります。

メインボードのPHコネクタ(CN1)から電源を供給した場合でも、メインボードおよび拡張ボードのmicroUSBコネクタから電源を供給しても問題ありません。 ただしEXT_VDD端子の電圧出力の下限値は約4Vとなります。

3.11. マイクの使用方法

Spresenseは拡張ボード上に搭載された2.54mmピッチのピンヘッダにアナログマイクを最大で4チャンネル、またはデジタルマイクを最大で8チャンネル接続することが可能です。

出荷時はアナログマイクの設定になっています。デジタルマイクを使用するには拡張ボードへの半田付け作業が必要です。 ここでの作業は小型部品の半田付けや基板の改造を伴います。適切なスキル及び機材をもっている方のみ実施するように注意してください。

ここに記載のはんだ作業を行った場合には、いかなる場合であっても製品保証の対象外となります。ご自身の責任において実施してください。

3.11.1. マイクチャンネルの配置

拡張ボード上のマイクチャンネルの配置を下図に示します。

A,B,C,Dがアナログマイクのチャンネルを示し、同色のD01, D23, D45, D67が対応するデジタルマイクのチャンネルを示します。 ソフトウェアの設定を変更することにより、各チャンネルごとにアナログマイクとデジタルマイクの使用するモードを選択できます。

HW Mic placement

3.11.2. アナログとデジタルの切り替え方法

アナログマイクとデジタルマイクを切り換えるためには下記の2つの手順が必要です。

  • R50を取り外し、R49に0Ωをマウント(またはジャンパ線などでショートする)。

  • JP14の上下の半田ランドをジャンパ線などでショートする

また以下の理由から、切り替えは1.27mmピッチのショートジャンパを使用するのが便利な方法です。

  • JP14は1.27mmピッチ8ピンの表面実装型ピンヘッダがマウント可能です。

  • マイクチャンネルごとにアナログとデジタルの選択使用が可能です。

下記に使用可能な1.27mmピッチのピンヘッダとショートジャンパの例を示します。

製造会社 ピンヘッダ ショートジャンパ

廣杉計器

PSM-720153-04

JS-7

Samtec

FTS-104-01-L-DV-TR

HARWIN

M50-1900005

日本コネクト工業

IKHSM28-D08G-H1.5

HSH-JB-G

HW Mic mode Switch

3.11.3. アナログマイクの接続方法

ダイナミックマイク

JP10のマイクの接続ピンヘッダには、4つのアナログマイク入力(MICA、MIICB、MICC、MICD)端子があります。 これらの端子はコンデンサによってACカップリングされています。 アナログマイクを使用する場合、ノイズを最小限に抑えるために、マイクのGNDは、JP10のGNDをご使用ください。

エレクトレットマイク

コンデンサベースの2線式エレクトレットマイクを接続する場合、JP10ピンヘッダのマイク入力端子に2.0Vのバイアス電圧を印加する必要があります。 下表にしたがって、各チャンネルごとに2.2kΩ(1005サイズ)の抵抗を指定位置にマウントしてください。

マイクチャンネル マウントする抵抗

R51

R52

R47

R48

HW MICBIAS mapping

下記に使用できるエレクトレットマイクの例を示します。

製造会社 品名

CUI

CMA-4544PF-W

アナログMEMSマイク

アナログMEMSマイクを接続する場合、マイクの電源ピンに対しJP10ピンヘッダのマイクバイアス端子を接続してください。

下記に使用できるアナログMEMSマイクの例を示します。

製造会社 品名

Knowles

SPU0414HR5H-SB

Knowles

SPH1642HT5H-1

3.11.4. デジタルマイクの接続方法

デジタルマイクを接続する際の推奨接続方法を下記に示します。 各マイクチャンネルの3ピン(DMIC, DCLK, GND)の組み合わせと1.8V電源に対し、デジタルマイクの左右切り替え信号(LR_SEL)の極性を一方をLOW、もう一方をHIGHとすることで、2個のデジタル・シリコンMEMSマイクの接続が可能です。 1.8Vの電源はAチャンネルとBチャンネルのMIC_BIAS端子より供給することができますので、分岐してご使用ください。CチャンネルとDチャンネルのMIC_BIAS端子からは1.8Vは供給できません。

HW Mic digital

下記に使用できるデジタル・シリコンMEMSマイクの例を示します。

製造会社 品名

Knowles

SPH0641LU4H-1

Knowles

SPM0423HD4H-WB

Infineon

IM69D130

3.12. スピーカーの使用方法

Spresenseはメインボード上に搭載されたCXD5247にステレオD級出力アンプを搭載しており、これを利用して2台のスピーカーを駆動することが可能です。

ただし、メインボード単体ではCXD5247のD級アンプに3.3V電源が供給されないため、スピーカーはご使用できません。

スピーカーを使用するためにはメインボードのボートtoボードコネクタCN4の1番ピンおよび3番ピンに低ノイズの3.3V電源を供給する必要があります。ご使用のスピーカーに応じて十分な電流値を供給してください。

拡張ボードと組み合わせてご使用する場合には、この3.3V電源は供給されるように設計されています。

メインボードは出荷時は拡張ボードのヘッドホン出力に合わせた設定になっています。スピーカーを使用するにはメインボード上のチップ部品の載せ替え半田付け作業と、拡張ボードへの半田付け作業が必要です。 ここでの作業は小型部品の半田付けや基板の改造を伴いますので、適切なスキル及び機材をもっている方のみ実施するように注意してください。

ここに記載のはんだ作業を行った場合には、いかなる場合であっても製品保証の対象外となります。ご自身の責任において実施してください。

3.12.1. メインボードの作業

CXD5602のD級出力を平滑化する部品を以下の指示にしたがって交換してください。

  • R15, 16, 17, 18 → 15uH/220mA(2012) [下図オレンジ色の枠を付けた部品]
       インダクタに変更します。
       太陽誘電 BRL2012T150M を推奨します。

  • C45, 46, 47, 48 → 0.47uF(1005) [下図緑色の枠を付けた部品]

HW Speaker Main
この変更を行った場合、拡張ボードのヘッドホン出力は使用しないでください。

3.12.2. 拡張ボードの作業

JP8, 9にスピーカー接続用の2.54mmピッチのピンヘッダをはんだ付けしてください(またはスピーカー用コードを直接はんだ 付けしてください)

Spresenseボードは、左右のスピーカーを独立して動かすように設計されています。左右のマイナス側を一緒に接続しないように注意してください。
HW Speaker Ext

3.13. JTAGデバッガの使用方法

SpresenseではCoreSight 10コネクタに接続することによって、Cortex-M シリーズ SWD 対応のJTAGデバッガを使用することが可能です。

この機能を使用するためには拡張ボードへの半田付け作業が必要です。小型部品の半田付けや基板の改造を伴いますので、適切なスキル及び機材をもっている方のみ実施するように注意してください。

ここに記載のはんだ作業を行った場合には、いかなる場合であっても製品保証の対象外となります。ご自身の責任において実施してください。

拡張ボードのCN1にCoreSight 10用のピンヘッダを半田付けしてください。

使用するCoreSight 10のケーブルによってはKEYの箇所の穴が埋められているものがあります。 半田付けする前に、あらかじめ下図のKEYにあたる箇所のピンをラジオペンチなどを使用して抜いてください。

HW SWD

下記に使用可能なピンヘッダの例を示します。

製造会社 ピンヘッダ

廣杉計器

PSM-720153-05

Samtec

FTS-105-01-L-DV-TR

HARWIN

M50-3600542

日本コネクト工業

IKHSM28-D10G-H1.5

3.14. GNSS用外部アンテナの使用方法

Spresenseはメインボード上にGNSS用チップアンテナを搭載しておりそのままの状態で位置測位が可能ですが、より高性能の位置測位が行えるようにuFL接続タイプの外部アンテナを接続しての測位も可能です。

メインボードへの半田付け作業が必要です。ここでの作業は小型部品の半田付けや基板の改造を伴います。適切なスキル及び機材をもっている方のみ実施するように注意してください。

ここに記載のはんだ作業を行った場合には、いかなる場合であっても製品保証の対象外となります。ご自身の責任において実施してください。

外部GNSSアンテナを使用するためには以下の作業が必要です。

  • 下図のCN3にuFLコネクタをマウントしてください。

HW gnss cn3

 下記に使用可能なuFLコネクタの例を示します。

製造会社 品名

ヒロセ電機

U.FL-R-SMT-1

  • 使用するアンテナの種類に応じて、メインボード上のチップ抵抗を下表のように変更して下さい。
    下表で"OPEN"は該当する箇所に部品がマウントされていないことを、"CLOSE"は0Ω抵抗またはワイヤなどでショートされていることを示します。 各抵抗のサイズは1005です。

使用する
アンテナ

R29

R31

R33

R30

R32

備考

チップ
(オンボード)

CLOSE

OPEN

CLOSE

OPEN

CLOSE

出荷状態

パッシブ
(外部接続)

OPEN

CLOSE

OPEN

OPEN

CLOSE

アクティブ
(外部接続)

CLOSE

OPEN

CLOSE

CLOSE

OPEN

HW gnss setting