Spresenseハードウェアドキュメント

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。

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。

Spresenseはメインボードに専用のAdd-onボードを、拡張ボードに市販のArduinoシールドを装着することが可能です。

これらのボードを装着、取り外しする際には、各Spresenseボードのピンソケットに対して必ず垂直方向にゆっくりと装着 または取り外しを行ってください。

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。

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。

Spresenseは下図に示す、メインボードあるいは拡張ボード上のピンソケットにジャンパワイヤを接続する方法などで 外部機器を接続することが可能です。

各ピンが有する機能は、ほかのSpresenseボードのものと合わせて一覧表としてまとめ、ハードウェア設計資料に掲載しています。

Spresenseに搭載されているCXD5602GGの各ピンは複数の機能を有しています。

Spresenseメインボードと拡張ボードを組み合わせたときの電源系統図を下記に示します。

Spresenseに外部機器を接続して電源をSpresenseの電源用ピンから供給する場合には、図中に示した最大出力電流値を超えないようにしてください。

Spresenseメインボードと拡張ボードを組み合わせて、microUSB端子から電源を供給してからCXD5602が起動するまでの 各電源とリセットのシーケンスチャートを下図に示します。

図中の"boot"はArduino IDEおよびSpresense SDK上で起動直後にCXD5602の1つのGPIOピンをHighに設定して出力されるまでの時間を示しています。

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。

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

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。

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。

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。

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。

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2.54mm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を使用する場合、メインボードのUARTピン(D00, D01, D27, D28)をGPIOとして使用することはできません。

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系統ずつ用意されています。

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39Mbps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。

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。

CXD5602はSDIO規格に準拠した1.8Vの 4bit（または1bit）SDモード対応インターフェースを持ち、Spresenseでは拡張ボードにレベルシフタを使用して3.3Vに電圧を変換してmicroSDカードが使用できるようになっています。

SpresenseのSDIOの最大データ転送速度は21MB/sとなります。

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。

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。

Spresenseはメインボード上に2系統(SEN_AIN4、SEN_AIN5)、拡張ボードに6系統（SEN_AIN0～SEN_AIN5)のA/D変換器(ADC)を備えています。メインボード上のピンSEN_AIN4とSEN_AIN5は拡張ボード上の 同じ信号ピンと排他使用となります。

SEN_AIN2～SEN_AIN5のLPADC (Low Power ADC)に比して、SEN_AIN0とSEN_AIN1のHPADC(High Performance ADC)は高速にA/D変換することが可能なピンとなります。 電源電圧や温度データなどDC電圧をA/D変換する場合は、0Vからフルレンジを使ってA/D変換できるLPADCの使用を推奨します。

下表に各ADCピンの仕様を示します。

アナログピン番号へのCXD5602のピン（回路図上の名称）の割り当てとメインボードへの入力電圧範囲に注意してください。

拡張ボード上ではCXD5602のA/D変換ピンには抵抗分割によって電圧を変換して入力しています。 拡張ボードのアナログピンに5.0Vを印加した場合、下記に示す回路によってSEN_AIN2～SEN_AIN5のLPADCは0.7Vに、SEN_AIN0とSEN_AIN1のHPADCは1.4Vに減圧されて入力されます。

ADCのリファレンス電圧はメインボード上のCXD5247が生成する0.7Vを使用します。

ADCピンにインピーダンスを持つ回路を接続する場合、たとえば可変抵抗器を経由して印加電圧を変化させてADCの動作確認を行う際などには、 可変抵抗器の抵抗値と上記分圧回路の抵抗値によってCXD5247のADCピンに入力される電圧が決定されます。

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5.5V)の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はんだ付け作業が必要です。ここでの作業は小型部品のはんだ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。

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。

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はんだ付け作業が必要です。 ここでの作業は小型部品のはんだ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。

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ド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はんだ付け作業と、拡張ボードへのはんだ付け作業が必要です。 ここでの作業は小型部品のはんだ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。

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はんだ付け作業が必要です。小型部品のはんだ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。

拡張ボードのCN1にCoreSight 10用のピンヘッダをはんだ付けしてください。

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。 はんだ付けする前に、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。

下記に使用可能なピンヘッダの例を示します。

Spresense は、 Arduino のボードと比較すると遥かにパワフルなプロセッサを備えています。これはより計算が必要とされるようなセンサーフュージョンアプリケーションに非常に有利です。しかし、それよりも遥かに高速なCPUを持つ Raspberry Pi には及びません。

Spresense による大きなアドバンテージはその起動速度にあります。 Raspberry Pi は高機能であるが故に起動に20秒はかかりますが、Spresense では1秒もかからずに起動することができます。

Arudino は小さなメモリのため、複雑なアプリケーションを構築することを難しくしています。一方、 Raspberry Pi は遥かに大きなメモリを有していますが、それはシステムとして micro SD カードを必要とします。

Spresense はちょうどその中間の位置にあります。プログラムをストアするフラッシュメモリ(ROM)は 8MB あり、またRAMは 1.5MB 有しています。また、micro SD カードもサポートしているため、音楽データや画像データをストアすることができます。

Spresense のチップセットである CXD5602 と CXD5247 は、ウェアラブル製品向けに設計されているため、シングルセルのLiPoバッテリで駆動できるように設計されています。また充電機能もあります。しかし、Spresense では安全性の観点から使えるようになっていません。

電源供給は、Spresense メイン基板のUSBコネクタから行ってください。

Spresense は、省電力モードを活用すると非常に小さな電力でセンサー等のイベントを待ち受けることができます。これらは、 Arduino や Raspberry Pi にはない IoT向けセンシングプロセッサならではの機能です。Spresense SDK を使えば、省電力機能を効率的に使うことが可能になります。

CXD5602 と CXD5247 は、ハイクオリティのポータブルオーディオ機器としての機能を持つようにも設計されています。ハイレゾリューションのオーディオの再生とマルチ録音が可能になっています。

CXD5247 は高性能のA/Dコンバータを有しており、アナログなら4チャンネル、デジタルなら8チャンネルのマイク入力を扱うことが可能です。さらに、フルデジタルアンプも備えており、非常にクリアな音でスピーカーに直接出力できます。スピーカー出力はBTL(Balanced Transformer Less)のため、ダイナミックな音を提供することができます。

CXD5602 は専用のAudio DSPを備えており、ハイレゾリューション音源の再生や録音が可能になっています。

これらの機能は、 Arudino や Raspberry Pi を遥かに凌ぐ、Spresense ならではの大きな特長と言えるでしょう。

Spresense は超低消費電力のGNSS受信機能を有しています。これは正確な位置を必要とするトラッキング端末やドローンには非常に重要な機能です。

また、GNSS信号から受信できる極めて正確な時刻でリアルタイムクロックを同期できるため、時刻が重要なデータロギングに向いています。また、時刻をトリガーとして同期しなければならないアプリケーション（例えば、360度映像システム）の制御にも使えます。

Arduino や Raspberry Pi ではそのような機能はシールドで実現しなければならず、低消費電力やローレイテンシーで実現することを非常に難しくしています。

Spresense は、UART, I2C, SPI, PWM, I2S など非常に多様なデジタル端子を備えています。

Spresense メインボードのデジタル端子の基準電圧は1.8Vで、Spresense拡張ボードのデジタル端子の基準電圧は、3.3Vもしくは5Vに設定できます。これはメインボードの1.8V基準電圧を3.3Vもしくは5Vにレベルシフトしています。また、メインボードには、ビルトインの四つのLEDを備えています。

Spresense メインボートとSpresense拡張ボードは、100ピンのB2Bコネクタで接続されています、

Spresense　拡張ボードには、 Arduino と同じように6チャンネルのアナログ入力端子を備えています。しかし、 Arduino と異なり、アナログ入力端子をデジタル端子として使うことはできません。

また、A/Dコンバータの電圧レンジは5V固定です。SpresenseメインボードのA/Dコンバータ入力端子の電圧レンジは0.7Vなので、Spresense拡張ボードからの入力をノイズを抑えるために、抵抗分圧で電圧シフトしています。

したがって、接続されるデバイスの出力インピーダンスには十分注意を払ってください。

Spresense メインボードは、 Raspberry Pi と同じく専用のカメラインターフェースを用意しています。専用のカメラボードを使うことでHDの静止画を取得することができます。