STEP 1411 — Tang Nano 9K BME280 Phase 2 code-only prep

2026-08-26 · STEP 1410 Phase 1 の続編 · BME280 hardware 到着前に code-complete + Gowin build verify · SRAM Program は FTDI cable driver state で defer

目的

藤本さん directive 「(P2-prep) 推奨」選択で実行。 STEP 1410 Phase 1 の I2C master stub を完全実装 + BME280 read sequence + PC 側 Bosch datasheet 補正演算を **BME280 hardware 未購入の状態** で code-complete で用意。 BME280 到着後は別 STEP で 30 秒で実測差替が可能な状態。

実装

Files (7、 hardware/phase-c/09-tang-nano-9k-bme280-phase2-prep/)

File	Lines	Purpose
`i2c_master.v`	~330	単一 master I2C 状態機 (START/WRITE/READ/STOP/RESTART/ACK/NACK/timeout)
`bme280_reader.v`	~330	BME280 read シーケンス state machine (chip_id → ctrl_hum/meas → wait 50ms → calib TP 26B → calib H 7B → raw 8B)
`bme280_top.v`	~300	Top: I2C + reader + UART packet emitter 統合、 open-drain 疑似 wiring、 double-buffer snapshot
`uart_tx.v`	~75	Phase 1 STEP 1410 copy (差分なし)
`tang_nano_9k.cst`	~30	Pins: clk 52, LED1-4 10/11/13/14, uart_tx 17, i2c_scl 33, i2c_sda 34
`build.tcl`	~25	Gowin V1.9.12.02_SP2 TCL build
`pc_bme280_reader.py`	~230	pyserial recv + Bosch 補正演算 (T/H/P 全 datasheet 式) + human-readable print

UART packet format

# BME280 検出時 (~109 chars/sec):
BME:C=60,E=0000,TP=<52 hex>,H=<14 hex>,R=<16 hex>\r\n

# BME280 未検出時 (~24 chars/sec):
BME:C=00,E=<4 hex>,NO_ACK\r\n

# 意味:
# C   = chip_id (0x60 期待、 0x00 なら chip_id read 失敗)
# E   = error_count (16-bit NACK/timeout 累計)
# TP  = 26 バイト calib_tp (0x88-0xA1、 温度 + 圧力 補正係数)
# H   = 7 バイト calib_h (0xE1-0xE7、 湿度 補正係数)
# R   = 8 バイト raw (0xF7-0xFE、 生 ADC 値 T+P+H)

Verify 結果 (2026-08-26 実測)

Build (Gowin V1.9.12.02_SP2) PASS

Logic: 1,179/8,640 LUT (14%) — Phase 1 の 7 倍 (I2C master + reader FSM の追加)
Register: 939/6,693 (15%)
CLS: 1,086/4,320 (26%)
Bitstream: 2,070,608 bytes (impl/pnr/bme280_top.fs、 Tang Nano 9K 固定サイズ)
Warning: TA1132 (clock SDC unconstrained、 cosmetic)
初回 build error → fix: unpacked array port (`output reg [7:0] calib_tp [0:25]`) を Gowin synth が拒否 (EX3373/EX3998) → **packed vector (`[207:0]`) に refactor** で pass。 top module 側も byte-select (`buf_calib_tp[idx*8 +: 8]`) で対応

SRAM Program (Tang Nano 9K 書込) — 藤本さん USB 抜き挿し後 PASS

初回試行: Cable failed to open via the channel (FTDI driver state stuck、 STEP 1410 pyserial 使用後の Windows FTDI stack 異常推定)
藤本さん「抜き差し完了致しました」 directive → FTDI 全 channel OK 復帰 (Serial Converter A/B + Composite + COM9 全 OK)
SRAM Program 再試行: 成功、 User Code 0x00000853 (STEP 1410) → 0x000053D7 (STEP 1411 identity)、 Status 0x0003F020 (Ready)、 Cost 3.45 秒

PC recv (BME280 未 wired NO_ACK verify) PASS

python pc_bme280_reader.py --port COM9 --duration 6

6/6 NO_ACK packet PASS in 6 秒 (1/sec 完全一致):

[   1] NO_ACK  chip=00  err_count=0x0000  (no BME280 detected)
[   2] NO_ACK  chip=00  err_count=0x0000  (no BME280 detected)
...
[   6] NO_ACK  chip=00  err_count=0x0000  (no BME280 detected)

意味: I2C master state machine が I2C transaction を発行 → BME280 未接続で NACK 受領 → reader FSM が P_ERROR に遷移 → UART emitter が chip_id=0x00 + status=NO_ACK packet を生成 → PC 側 parser が認識 = I2C master + reader + UART emit の chain が全動作
verdict: PASS (BME280 なしで検証可能な範囲全完了、 scaffold 正常性 verify)

NO_ACK 状態の err_count が 0x0000 の理由 (honest 観察)

bme280_top.v の double-buffer は snapshot_valid pulse (成功時のみ assert) で latch する設計
BME280 未接続 = snapshot_valid pulse ゼロ = buf_err 初期値 (0) のまま
実 err_count (bme280_reader.v 内、 NACK 毎に増加) は有効だが、 buffer には反映されない
Fix candidate (v0.2、別 STEP): (a) error 発生時も latch する別 pulse 追加、 or (b) buf_err を bypass し直接 error_count を emit
現状は spike scope で「NO_ACK 検出」は動作、 err_count 表示は cosmetic 改善余地

BME280 wiring (Phase 2 実行時)

Tang Nano 9K       BME280 module (Akizuki 109421)
─────────────      ─────────────────────────────
pin 33 (SCL) ────► SCL (with 10 kΩ pull-up to 3.3V)
pin 34 (SDA) ◄──► SDA (with 10 kΩ pull-up to 3.3V)
3.3V         ────► VDD
GND          ────► GND
                   SDO → GND  (I2C address = 0x76)
                   CSB → 3.3V (I2C mode enable)

LED 表示

LED	Pin	意味 (active-LOW = 0 で点灯)
LED1	10	~1.6 Hz heartbeat (board 生きている証拠)
LED2	11	UART TX busy (1 秒毎短パルス)
LED3	13	BME280 chip_ok (点灯 = 検出済、消灯 = 未検出)
LED4	14	error_count[0] トグル (NACK 増加毎に反転)

Honest scope (8 条)

本 STEP 1411 の限界

BME280 hardware 未購入 = 実測データゼロ、 code-only prep のみ
SRAM Program 未実行 = FTDI cable driver state issue で本 session 内では program 不可、 USB re-plug 後別 STEP で実行
UART 実測未確認 = SRAM Program 未実行 = NO_ACK packet 出力の実 verify 未
I2C master untested vs real slave = simulation なし、実 BME280 との hardware handshake は別途 verify 必要
PC 側補正演算 untested = 実 calib coeff + raw なしで演算 path unit test 未
I2C address 想定 = 0x76 (Akizuki 109421 SDO=GND default) 前提、 module 個体差で 0x77 の可能性 = BME_ADDR_W/R 修正 + rebuild 必要
Bosch 補正 double 実装 = pure Python float 使用、 Bosch datasheet の 32-bit fixed-point Q 実装と若干の数値差の可能性 (実用上は気にならない tolerance)
novelty ゼロ = BME280 wire-up は電子工作定番 (Adafruit lib / Arduino sketch 多数)、 novelty 主張なし

次段候補 (defer、藤本さん judgment 待ち)

SRAM Program 再試行 = USB re-plug 後 programmer_cli.exe --operation_index 2 実行、 NO_ACK packet 出力確認 (BME280 なし想定 verify)
BME280 発注 = 秋月通販コード 109421 (¥1,180) + jumper 4 本 + 10 kΩ 抵抗 2 本 (~¥2,000 目安)
Phase 2 実測差替 = BME280 到着 → 物理配線 → SRAM Program → pc_bme280_reader.py で実測 T/H/P 表示、 STEP 1407 mock 値と比較 (別 STEP 1412+)
Phase 3 = benchtop-mcp v0.9-alpha に real hardware 統合 (serialbridge subprocess で pc_bme280_reader.py invoke、 bme280-env-a1 mock → real 差替、 hardware_available:True flag)

目的

実装