【Arduino開発を加速】全ピンLED搭載デバッグシールドの設計と実装

なぜLEDデバッグシールドが必要なのか

組み込み開発において、最も基本的でありながら最も頼りになるデバッグ手法、それが 「LED点滅による状態確認」 です。

シリアル通信やデバッガが使える環境でも、「今、このピンがHIGHなのか？」「このタイミングで出力されているか？」を瞬時に把握するには、LEDに勝るものはありません。

しかし、毎回ブレッドボードに抵抗とLEDを配線するのは手間がかかります。

• ジャンパ線が絡まる
• 接触不良で点灯しないことがある
• 複数ピンを同時に確認したい時に配線地獄になる

そこで、Arduino UNO専用のLEDデバッグシールド を設計・製作しました。

そこで、Arduino UNO専用のLEDデバッグシールド を設計・製作しました。

このシールドで実現できること

🔍 全ピンの状態を一目で確認

Arduino UNOの デジタルピン（D0〜D13） および アナログピン（A0〜A5） すべてにLEDが接続されています。

プログラム実行中に「どのピンがHIGHで、どのピンがLOWか」を瞬時に把握できます。これは、以下のような場面で威力を発揮します：

• I2C/SPIなどの通信デバッグ: クロック信号やデータ線の動作確認
• PWM制御の確認: デューティ比に応じたLEDの明るさ変化で視覚的に検証
• 複数ピンの同時制御: マルチプレクサ動作やパラレル出力の確認

🔧 選択的なピン無効化機能

「このピンはシリアル通信で使うからLEDは要らない」というケースに対応するため、各LEDの手前に カット可能なブリッジ（ジャンパ） を配置しています。

• 不要なピンはカッターで切断してLEDを無効化
• 必要に応じて再ハンダで復活も可能

これにより、用途に応じたカスタマイズが可能です。

Arduino UNO R4対応について

従来のArduino UNO R3はもちろん、Arduino UNO R4 Minima / WiFi にも完全対応しています。

R4シリーズはルネサスの32bitマイコン（RA4M1）を搭載し、処理能力が大幅に向上していますが、ピン配置は従来のUNOと互換性があるため、このシールドをそのまま使用できます。

回路設計：シンプルさの中の工夫

以下が設計した回路図です。

回路の構成

基本的な構成は非常にシンプルです：

1. 各ピンに直列抵抗（1kΩ）+ LED（緑色）
2. カット可能なブリッジ（ジャンパパターン）
3. スタッキングコネクタ経由でArduinoと接続

電流制限抵抗の選定

Arduino UNOの各ピンは最大 40mA まで出力可能ですが、推奨値は 20mA です。また、全ピンの合計電流は200mA以下 に抑える必要があります。

使用するLEDの順方向電圧を Vf = 2.0V と仮定すると：

I = (5V - 2.0V) / 1000Ω = 3mA

全ピン（約20本）が同時にONになった場合でも：

合計電流 = 3mA × 20 = 60mA

これは十分に安全マージンを確保した設計です。視認性も十分で、Arduino本体への負荷も最小限に抑えています。

基板レイアウト

基板設計は KiCad を使用し、Arduinoシールド用のテンプレートをベースに作成しました。

• 2層基板 で設計（コスト削減）
• 表面実装部品（SMD） を使用（手実装の手間を削減）
• シルク印刷 でピン番号を明記（視認性向上）

JLCPCBでのアセンブリ発注

今回の基板製作は JLCPCB のアセンブリサービスを利用しました。

発注内容

• 基板枚数: 30枚
• アセンブリ: LED・抵抗を実装済み
• 基板代: 12.2ドル
• アセンブリ代（部品費用含む）: 23.67ドル
• 合計: 約36ドル（1枚あたり約1.2ドル）

アセンブリサービスのメリット

同じ部品を大量に使う場合、JLCPCBのアセンブリは非常にコストパフォーマンスに優れています：

特に 表面実装の小型部品 は手ハンダが難しいため、アセンブリサービスの恩恵が大きいです。

実際に届いた基板

抵抗とLEDがしっかりと実装された状態で届きます。あとは スタッキングコネクタ をハンダ付けするだけで完成です。

スタッキングコネクタを使用することで、以下のメリットがあります：

• 他のシールドとの重ね使いが可能
• ジャンパ線での信号取り出しが容易
• Arduinoのピンに直接アクセス可能

動作検証：全ピン点灯テスト

実際にArduino UNO R4 Minimaに装着して動作確認を行いました。

テストプログラム

全ピンを順番に点灯させる簡単なテストコードです：

void setup() {
  // デジタルピン D0〜D13を出力に設定
  for(int i = 0; i <= 13; i++) {
    pinMode(i, OUTPUT);
  }
  
  // アナログピン A0〜A5を出力に設定
  for(int i = A0; i <= A5; i++) {
    pinMode(i, OUTPUT);
  }
}

void loop() {
  // デジタルピンを順番に点灯
  for(int i = 0; i <= 13; i++) {
    digitalWrite(i, HIGH);
    delay(100);
    digitalWrite(i, LOW);
  }
  
  // アナログピンを順番に点灯
  for(int i = A0; i <= A5; i++) {
    digitalWrite(i, HIGH);
    delay(100);
    digitalWrite(i, LOW);
  }
}

動作確認結果

• ✅ 全ピンのLEDが正常に点灯
• ✅ 緑色LEDの視認性が良好
• ✅ Arduino本体への負荷も問題なし
• ✅ スタッキングコネクタ経由での信号伝達も正常

オープンソース・技術資料

このLEDシールドの設計データは オープンソース として公開しています。

公開内容

• KiCad回路図・基板データ: 自由に改造・カスタマイズ可能
• ガーバーファイル: そのまま基板発注に使用可能
• BOM（部品表）・CPL（部品配置）: JLCPCBのアセンブリサービスに対応
• サンプルスケッチ: すぐに動作確認できるテストプログラム

JLCPCBで基板を作成する場合は、Arduino_LED_Shield.zip を読み込ませるだけで発注できます。

完成品の購入

「自分で基板を発注するのは敷居が高い」という方向けに、完成品も販売しています。

セット内容：

• LED・抵抗が実装済みのシールド基板
• Arduino用スタッキングコネクタ

※注意: スタッキングコネクタは付属していますが、ハンダ付けは購入者様にてお願いいたします。

まとめ：デバッグを快適にする小さな工夫

電子工作を続けていると、「こういうのが欲しかったんだよな」と思う瞬間があります。今回作ったLEDシールドは、まさにそんな思いから生まれました。

このシールドがもたらす価値

• ⏱️ 時間の節約: 毎回の配線作業から解放
• 🔍 視認性の向上: 複数ピンの状態を一目で把握
• 🛠️ 柔軟性: 不要なLEDはカットで無効化可能
• 🔄 再利用性: 何度でも使える開発ツール

ただの出力確認用LEDと言ってしまえばそれまでですが、その「ただの部分」を一手間かけて形にすることで、日々の開発が楽しく、快適になっていきます。

手に馴染む道具を自分で作れるというのは、電子工作ならではの自由で創造的な喜びです。

それでは、良き電子工作ライフを！