The Community for Creative Electronics

Powerful Free ECAD Software with Online Collaboration

Download Now

CircuitMaker

PLCと組み込みシステムとの比較: ユニット単価が高くてもPLCを選択すべき場合

Thought Leadership PLCと組み込みシステムとの比較: ユニット単価が高くてもPLCを選択すべき場合評判の高い、豪華なレストランで夕食を取ったことがありますか? そのときは、かなりの金額を支払ったことでしょう。しかし、素晴らしい夕食を希望し、それを楽しめたなら、その金額は十分に価値のあるものだったはずです。これに対して、平均的な地元のレストランで、サンドイッチが予想額より20ドル高かったら、馬鹿げた話だと思うのが当然です。このような場合は、そのお金で料理教室に通い、自分で料理を作った方がずっとマシというものです。私は電子機器設計者として、プログラマブルロジックコントローラー(PLC)やローカライズされた組み込みシステムで同様の経験があります。PLCを、ローカライズされた組み込みシステムに置き換えることで、コストを大幅に削減できます。しかし、豪華な夕食が支払い金額に見合う価値があるように、より高価な選択肢であるPLCの方が適切な選択となる状況もあります。 PLCとその応用プログラマブルロジックコントローラーは産業用に特化したコンピューターです。入力信号(デジタルまたはアナログ)を監視し、論理演算を実行し、特定の出力信号を出力するようカスタムプログラムされています。PLCは堅牢であることが知られており、産業用の極端な環境や、障害がほとんど許されないようなアプリケーションで一般に使用されます。 PLCが一般的なのは、モジュール構造のためです。これによって、プラグアンドプレイの手法で簡単に組み入れできます。最も基本的な構造は、中央処理装置(CPU)、電源、入力/出力（I/O）モジュールで構成されます。PLCのプログラミングは、マイクロコントローラーのコーディングよりも簡単です。これは、製造業者から供給されるラダー図、機能ブロック図、およびソフトウェアについての構造化テキストを中心としてプログラミングが行われるためです。 PLCは産業用アプリケーションにおいて珍しいものではありません。生産ライン、交通信号、エスカレーター、HAVAシステムなどに一般的に使用されています。これらのPLCは基本的なデータ操作機能があり、 Modbus や DeviceNet など各種の通信プロトコルを対応できます。これらの機能から、自動制御システムに好んで使用されています。 PLCの設定はほとんどプラグアンププレイで行われます。ローカライズされた組み込みシステムがPLCに置き換わることがある理由一般に、組み込みシステムとは、ハードウェアとソフトウェアが連携動作し、アプリケーション固有の機能を提供するものと定義されます。電子機器設計者の視点からは、これはマイクロコントローラー(MCU)、メモリチップ、電源管理回路、通信モジュール、入力/出力機能で構成されます。これはPLCと似ていますが、両者の間には明確な相違点があります。

1つのGND接続によって100台のMP3プレイヤーに問題が発生した理由

Thought Leadership 1つのGND接続によって100台のMP3プレイヤーに問題が発生した理由テクノロジーは偉大なもので、確かに人生の特定の部分を楽にしてくれました。しかし、子育て、コーディング、電子機器の設計、そして時にはこのような記事を書いていると、最高のアプリを使用しても、日々のストレスを低減できなくなることがあります。例えば、私は今朝塩と砂糖を間違えて、子供の大好きなお粥に混ぜてしまいました。私の小さなミスにより、私の5歳の子供はGordon Ramseyと張り合えるくらい騒ぎ立ててしまいました。同様に、ごく小さなミスにより、優れた設計が台無しになることもあります。非常に運が良ければ、そのミスは子供の癇癪に10分間付き合う程度の問題で済むかもしれません。残念ながら、PCB設計の世界では、これは数百もの欠陥のある設計を処理することになるのが普通です。私は5年前に、まさにこのような例を経験しました。小さな設計ミスのせいで、きっかり100台のカスタマイズされたMP3プレイヤーが、左チャンネルの音声に障害を持つことになってしまったのです。このミスは大きな苦痛であったため、今でも詳しい点を全て覚えています。 GNDが同じであっても異なる場合 MP3プレイヤー、またはオーディオをベースとする他のPCBプロジェクトの設計を開始する前に、何が重要なのかに集中する必要があります。そして、場合によってはこれは十分に明確ではありません。私は今朝、息子にお粥をあげることが目的だと考えていましたが、本当に肝心なのは正しい砂糖を入れることだったわけです。それと同様に、どのような種類の特化した集積回路（IC）を使用するかに気を取られていたところ、本当に決定的なのは電子回路における各種のGNDの重要性を知ることだったということが考えられます。大学の回路設計の講義では、電力GND、デジタルGND、アナログGNDについて学びます。全てのGNDが同じではありません。オーディオプレイヤーを設計するときは、アナログとデジタルのGNDを取り扱う必要があります。これらのGNDは回路図に、異なるシンボルで表示されますが、PCBレイアウトでは互いに接続されているように見えます。 GND配置についてのいくつかのベストプラクティスを見ると、ほとんどの場合にこれらを単一の点、たとえばスター型GNDに接続することが推奨されています。この助言を無視することは許されませんが、オーディオ設計の全体で最もやってはいけないことは、単一のGNDプレーンを持つことです。オーディオGNDとデジタルGNDを単一の点で接続すると、オーディオチャンネルに干渉が起き、しかも原因がそこにあると判別するのは困難です。私は、オーディオICをマイクロコントローラー（MCU）に接続しているシリアルペリフェラルインターフェイス（SPI）の信号が干渉を引き起こしていることに気付かなければ、数万ドルの損失を引き起こし、大幅な修正を必要としたかもしれない経験があります。しかし、それに気づいても、100台のMP3プレイヤーに影響を及ぼす問題点を手作業で修正するため、私のチームは長時間の作業を余儀なくされました。 GNDの接続場所が重要な理由この失敗から、私は電子機器の設計における最も大きな教訓の2つを得ました。まず、テクニカルユーザーガイドは常に全部読むことです。次に、各種のGNDプレーンをどこに接続するかは重要だということです。最初の教訓に従っていれば、この惨劇は避けられたでしょう。元の設計で私が失敗したのはこの部分です。 GNDプレーンでの失策は惨劇を招くことがあります。

PCB回路設計で微細な短絡の発生を防止する方法

Thought Leadership PCB回路設計で微細な短絡の発生を防止する方法デートで出掛けたディナーのパスタに髪の毛が入っていたということほど、悲惨な話があるでしょうか。口に入れた後に気付いたとすればなおのことでしょう。この悲劇を避ける方法は2つあります。ひとつは、料理を口に運ぶ前に髪の毛が入っていないかどうかを徹底的に確かめること。もうひとつは、料理に髪の毛が入ってしまう危険を完全になくすこと（ただし、この場合は別のレストランを選ぶ必要があるかもしれません）。PCBの設計では、2～3本の髪の毛がそれほど大きな損害をもたらすことはありませんが、QCではどんなに微細な短絡も大問題になります。短絡を見つけるのには時間がかかるうえ、その修正コストはPCB実装よりも高額になることがあります。レストランの食事に髪の毛が入っていては困るように、設計でも短絡が発生するのを回避しなければなりません。とはいえ、人間はミスをするものです。短絡を完全には回避できないかもしれませんが、成功事例を実践して危険を最小限にすることは可能なはずです。微細な短絡とは何か？どのように発生するのか？短絡は、関連していない2つの信号間の想定外の接続によって発生します。たとえば、正の電圧がGND信号と接続した場合には短絡と見なされます。信号が太い銅箔で接続されていれば、短絡は肉眼でも確認できます。これは、PCBが機械を使わずに手作業で作成されている場合にあてはまります。微細な短絡が懸念事項となるのは、PCBが機械で製造される場合です。これは、髪の毛のように細い銅箔が2つの信号を接続してしまうことがあるからです。こうした短絡は、実装されたPCBで一連のQCテストが実施されるまで、肉眼では特定できません。残念ながら、製造工程のこうした遅い段階で短絡が見つかると、それまでに費やした時間や原材料のコストは確実に無駄になります。短絡がどのように発生するのかを理解するためには、 PCB製造の一般的なプロセスを把握しておく必要があります。通常、PCBは非導電性の基板にラミネート加工された銅箔を使って製造されます。電気回路をPCBに実装するための一般的な方法は写真製版法で、電気回路の画像を含むシルクスクリーンのラミネートが、フォトレジストコーティングされたPCB上に配置されます。次に、PCBに紫外線（UV）が照射され、シルクスクリーンで覆われていない領域がアンモニアベースの溶液でエッチング除去されます。大半の場合、これらの処理は自動で行われ、問題がある場合は信号のパッドやトラックに接続する細い銅箔が残ることになります。製造後に徹底したテストを実施しない場合は、製造のその後の段階で不要な問題が発生する危険があります。大半の場合、微細な短絡を早い段階で特定することはほぼ不可能微細な短絡は適切な電気テストによって削減可能 PCB設計を独学で勉強した私にとって、製造後の電気テストを実施しなかったために大変な痛手を負ったことは最大の教訓の1つです。「製造後に必要な電気チェックは PCBの製造業者がすべて請け負ってくれる」と考えるのは安全ではありません。PCBを実装工程に送る前に、必ずフライングプローブテストなどの電気テストを実施して合格するようにしてください。フライングプローブテストでは、高精度のプローブが高速で移動しながらコンポーネントのパッドやビアをチェックし、製造での欠陥や設計のミスが特定されます。なお、電気テストは100%確実なものではなく、微細な短絡を特定できない場合もあります。とはいえ、欠陥のあるPCBを実装工程に送ってしまう危険は大幅に低減できます。また、電気テストを通過したPCBに欠陥が見つかった場合に製造業者が確実に補償してくれれば、危険をさらに減らすことができます。上記の場合、評判のよい製造業者であれば、欠陥のあるPCBを交換し、実装されたコンポーネントの費用を弁償してくれます。 PCBは実装工程に送る前に必ずテストすること微細な短絡の発生を削減するために設計者が実践できること

Google Glassの仕組みと使用されるコンポーネント

Thought Leadership Google Glassの仕組みと使用されるコンポーネントかつて、Arthur C. Clarkeは「十分に進歩した技術は、魔法と区別がつかない」と言いました。それが真実であれば、Googleは大勢の魔女や魔法使いを雇わなければなりません。長年にわたって技術の限界を押し広げてきたGoogleでは、たくさんのアイデアが実を結ぼうとしています。自動運転車などの製品が実現しつつありますが、私個人としては Googleが出資に参加しているスマートセンサープラットフォームに希望を託しています。とはいえ、期待されている最も素晴らしい技術といえば、何と言ってもGoogle Glassでしょう。2012年と2013年に世間を驚かせたこの製品を見て、私たちはインターネットが目元で利用できる世界に思いを巡らせました。先日、Glassがエンタープライズ・エディション（Glass EE）として復活することが正式に発表され、この夢の世界が職場で現実のものになろうとしています。そこで、最初のGlassの仕組みと利用されたコンポーネントについて確認したうえで、新しいGlass EEで利用されるコンポーネントについて考えてみたいと思います。仕組み Google Glassの長所の1つは単純明快なことです。私が最初にGlassを目にしたときは、何かの魔法のようなものを使って機能しているのに違いないと真剣に考えたほどです。しかし、さらに調べてみると、Googleの技術者は私たちと同じように魔法を使えない普通の人たちでした。彼らは優れたプリズムとプロジェクターのシステムを使って、情報を直接ユーザーの目に送っているのです。送信された情報は、一方のアームに搭載されているチップと小さなコンピューターで収集、処理されます。

ハイパーループの栄光に向けてのBadgerloopの活動、イーロン・マスクの関心を惹く

OnTrack Newsletters Thought Leadership ハイパーループの栄光に向けてのBadgerloopの活動、イーロン・マスクの関心を惹く 6月のポッド2号機公開時のBadgerloopチームイーロン・マスクがハイパーループ方式の輸送システムの構想をホワイトペーパー紹介したのは2013年のことです。彼は完全なオープンソース方式による開発を提案し、ポッドコンテストに参加する大学を募集しました。コンテスト用のポッドを試運転で走らせる1マイル近い縮小版の真空チューブの建設資金は、スペースXが負担しました。スペースXが定めた一連の要件に適合しスペースXが強く望んでいるチューブ走行を第1回のコンテストで実現するチャンスを獲得できたポッドは、3つだけでした。すべてのチームにとって最初の関門は構想と設計でした。選出されたいくつかの設計案が、2016年1月のデザイン週間の週末にテキサスA&M大学で採用され審査されることになっていました。1,000件の設計案のうち120のチームのものだけが選出され、デザイン週間の週末に参加できることになりました。目標を達成できたのはBadgerloopチームだけではありませんでしたが、Badgerloopチームは、「設計製作全般」のカテゴリーで印象的な世界レベルの競争相手たちの中で第3位を獲得しました。これにより彼らは、ポッドを製作し2017年1月の第1回コンテストで競争するチャンスを確立できました。通常の学年期間や夏季期間でBadgerloopチームの陣容は変化しましたが、メンバー数は30 ～ 80名でした。キャッスルは12人ほどのリーダーの1人で、電気担当チームの重要人物です。電気システムチームは、Altium Designerを使用して、STMのNucleoを採用した1枚のマイクロコントローラー基板とシールドを設計しました。この基板は次回新たなポッドを開発する際にも再利用できるようになっています。また、彼らはバッテリー安定化基板と電磁弁制御基板も設計しました。ワークフローを簡素化するため、彼らは、チームメンバーが2つの大陸と3つのタイムゾーンに分散してしまう夏季期間中でも密に連携しながらプリント基板設計を行えるよう、サブバージョンネットワークを開発しました。 2017年6月17日に公開されたポッド2号機 Badgerloopチームは2016年12月にポッド1号機を公開し、1月下旬の第1回ハイパーループポッドコンテストに向けて国内を輸送しました。彼らの目標は高く、ポッドのチューブ内走行を目指して週40

New Jersey Institute of Technologyのバハレーシングチームのメンバーたち

OnTrack Newsletters New Jersey Institute of Technologyのバハレーシングチームのメンバーたち BurghartさんはNJITで機械工学を学んでいる2回生で、バハレーシングチームの電子設計を担当するサブチームのリーダーです。レーシングカーにはメインのダッシュシステム、データ収集ボード、ディスプレイ盤、20のセンサーに接続されている前方と後方のドングルが搭載されています。 Burghartさんは子どもの頃からエンジニアの好奇心が芽吹いており、いろいろなものを分解して遊んでいたと言います。中学と高校では、ロボット工学にも触れました。ラッキーなことに、彼が通っていた高校には3Dプリンタがあったため、彼はそれを使って完全に機能するクアッドコプターを設計して完成させました。NJITに入学後は、現在40名が在籍し、Daniel Brateris教授が顧問を務めるSAEバハレーシングチームに参加しています。電気工学科で教鞭をとっているBrateris教授は、経験に基づく学習の指導者も務めています。Altiumは、NJITで構築中のMaker Spaceへの資金援助を行うスポンサーの1社となる予定です。今年、NJITのハイランダーレーシングチームはカリフォルニア、イリノイ、カンザスで開催される3つのレースに出場します。現時点での成績は、カリフォルニアで総合13位、シーズン初の4時間耐久レースでは1位となっています。（動画を見る） https://youtu.be/3EsAoJC1MM0 「百聞は一見にしかず」という諺があります。レースでの成功を実現させたNJITのハイランダーバハレーシングチームから、感謝の言葉とともに送られてきた写真をぜひご覧ください。とはいえ、次世代のイノベーターを生み出すこうした素晴らしいプロジェクトに参加できるのを心から感謝しているのはAltiumのチームのほうです。皆さん、本当におめでとうございます！