エレクトロニクス設計のコラボレーション

PLMを活用して、PCBの効率化、協業、革新を実現年が経つにつれて、電子業界はますます飽和状態になっています。新しい会社が現れ、新製品が登場し、そのすべての背後には、電気回路を添付コンポーネント間で流れさせ、デバイスを生き生きとさせる、控えめながらも強力なプリント基板があります。市場投入までの時間と製品の複雑さは、この急成長しているセクターでは非常に重要であり、PCBエンジニアは需要を満たし、成功を収めるために、設計と製造プロセスを合理化する圧力にさらされています。それは厳しいことです。しかし、そこで製品ライフサイクル管理（PLM）が解決策として登場します。 PLMは、製品のライフサイクル全体を通じて、以前は別々だった人々、データ、およびプロセス間の相互接続に重点を置いた戦略的なビジネスアプローチを表します。その実装は克服可能な課題を伴いますが、特に効率、協力、そして継続的なイノベーションへの推進を促進することで、組織が多くの点で改善するのに役立ちます。従来のPCB設計と製造の課題 PLMはPCB設計と製造に固有の課題に対処できるでしょうか？データサイロとバージョン管理の問題：設計データは様々なソフトウェアプログラムやファイル形式に分散して保存されることが多く、一元的な情報源を維持することが難しくなります。バージョン管理が悪夢となり、混乱、エラー、不一致を解決するための時間の無駄遣いにつながることがあります。コミュニケーションのボトルネック：設計チーム、エンジニア、製造業者間のコミュニケーションは、電子メール、電話、手動でのデータ転送に頼ることが多いです。この断片的なアプローチは、遅延、誤解、期限の逃失につながり、結果的に利益に悪影響を及ぼすことがあります。コンポーネントの陳腐化とリスク管理：電子コンポーネントは有限の寿命を持っています。陳腐化を追跡する従来の方法は、煩雑で反応的であり、コストのかかる生産遅延や再設計の努力につながる可能性があります。製造可能性設計（DFM）の統合が限られている：伝統的に、 DFMの考慮事項はしばしば後回しにされ、コストのかかる設計の見直しや生産遅延につながりました。これらの課題は、新しい、改善された電子機器の開発が最も重要であるトップレベルで競争しようとする企業を妨げる可能性があります。PLMがこれらの問題にどのように取り組み、より協力的で革新的なPCB設計および製造プロセスへの道を開くかについて、続きを読んでください。課題の克服：PLMがPCB設計と製造をいかに効率化するか PLMは、以前は孤立していた PCB設計と製造の側面をつなぐ強力な橋渡し役です。ここでは、先に概説した課題にどのように取り組むかを説明します：集中データ管理：PLMシステムは、すべてのPCB設計データ（回路図、レイアウト、部品表（BOM）、その他の運用に必要な情報）を一元管理する単一の情報源を確立します。これらは中央リポジトリに保存され、承認された全ユーザーが組織全体でアクセスできます。バージョン管理が自動化され、不一致を解決するために費やされる時間が無駄になることがなくなります。強化されたコラボレーション：PLMが設計チーム、エンジニア、製造業者間のコミュニケーションと協力を促進する方法は多岐にわたります。しかし、実際のところ、リアルタイムのデータアクセスと統合されたコミュニケーションツールが、チームが効果的かつ効率的に協力して作業するのを助けます。例えば、設計エンジニアは製造パートナーからの即時のフィードバックを受け取ることができ、製造可能性の問題について知らせてもらえるため、より速い設計の反復と製品品質の向上が可能になります。積極的な陳腐化管理：PLMシステムは、コンポーネントデータベースと統合して、製品の寿命終了（EOL）や部品の陳腐化リスクに関するリアルタイムのアラートを提供することができます。これにより、設計者は高価な生産遅延や再設計の努力なしに、問題が発生した際に代替コンポーネントを積極的に調達することができます。

現代のPCBデザイナーのためのPLMのメリットを明らかにするプリント基板設計の分野はダイナミックです。より小さく、より複雑でありながらもより強力な電子機器の要求に応えるために、常にレベルアップしています。伝統的な設計ソフトウェアがこのプロセスの基盤であり続ける一方で、設計を最適化する新しい方法が登場しました：製品ライフサイクル管理（PLM）。PLMをビジネスのワークフローに統合することで、PCB設計者は、より大きな効率、協力、そして進化的なイノベーションに向かって進むための中心化へのアクセスを得ました。ここでその方法を見てみましょう。協力とコミュニケーションの効率化 PLMは、すべてのPCB設計データのための中央集権的なリポジトリとして機能します。これは、設計者やエンジニアから製造業者や品質保証までのすべての関係者が最新の改訂にアクセスできることを意味し、バージョン管理の頭痛の種を排除し、以前は孤立していた部門やチーム間のコミュニケーションを効率化します。PLMシステム内に見られるバージョン管理機能は変更を追跡するために動作し、その行動において細かい注意を払い、必要な場合にはデザイナーがロールバックを支援します。それは協力と反復にわたる変更を促進する単一の真実の源です。効率とエラーの最小化既存のPCB設計ソフトウェアと簡単に統合できるため、PLMに投資する企業は、PLMプラットフォーム自体内で馴染みのあるツールを活用できることがわかります。これにより、エラーが発生しやすい手動でのデータ転送の必要性がなくなり、リスクを軽減し、他の、おそらくより緊急性の高いタスクに貴重な時間とリソースを割り当てることができます。システムは、部品表（BOM）や製造文書の生成などの退屈なタスクも自動化できるため、デザイナーは管理業務ではなく、コアとなる創造的な取り組みに集中できるようになります。これは、負担が大きく時間がかかることが多い作業です。市場投入までの時間の短縮協力とタスクの自動化を効率化することで、PLMは設計サイクルの時間圧縮装置として機能します。これは、製品の迅速な発売を意味し、成長している飽和産業で企業に重要な競争優位をもたらします。しかし、利点は速さだけにとどまりません。ある意味で、PLMは「急がば回れ」の典型的な例です。システムは、デザインフェーズの早い段階で潜在的な製造の障害—コンプライアンスや機能の問題から部品の不足に至るまで—を特定することで、下流での潜在的なコストのかかる遅延を防ぐのに役立ちます。これは、最終的には、結果として時間にとっても、財務状況にとっても有益です。設計の再利用性と知識共有 PLMがプロセス全体のための唯一の情報源として機能することを考えると、過去の設計データを保存および取得することに長けている点に注目する価値があります。これにより、設計者は成功したコンポーネントやレイアウトを新しいプロジェクトに再利用できるため、大幅な時間の節約になります。これは、証明された設計のライブラリをボタン一つで利用できるようなものであり、新しい製品に組み込む準備ができています。また、最適な実践方法や革新的な概念がチームの全メンバーに容易にアクセスできるデジタルスペースを提供することで、知識の共有を促進する設計ライブラリを作成することもできます。これは特に、ジュニアデザイナーにとって有益であり、彼らは先輩同僚の過去の失敗と成功から学び、研修プロセスを加速させ、新人の見込みを早期に向上させることができます。サプライチェーンの可視性とコンポーネントライフサイクル管理サプライチェーンは、あらゆる主要なオペレーションの生命線です。特に製造業ではそうです。過去数年間、部品や在庫の不足が世界中のほとんどの産業に影響を与えることで、これが明確に強調されました。サプライチェーンの不安定さは、地政学的な緊張や自然災害を考慮すると予測不可能ですが、PLMは少なくともそのユーザーにリアルタイムで部品の可用性に関する洞察を提供し、設計プロセス中に情報に基づいた選択を行うことを設計者に助けます。この先見の明のあるアプローチは、サプライチェーンの混乱に遭遇し、開発の後期に代替部品を急いで探すリスクを減らします。それだけでなく、PLMは部品のライフサイクルを追跡し、設計者に警告し、部品が陳腐化に近づいているときに代替品を提案します。これは、突然の故障なしに製造可能性を維持するのに役立つ洞察のレベルです。高度な変更管理と製造のための設計(DFM) PLMが可能にするリビジョン管理を超えて、PLMは包括的な変更管理ワークフローの作成を容易にし、すべての関係者が設計の承認プロセスに通知され、関与することを確実にします。これにより、設計の変更中にエラーを導入するリスクが減少し、透明で効率的なレビュープロセスが保証され、部門間の誤解の可能性が軽減されます。企業はまた、PLMシステムを自社の DFMツールは、設計フェーズの早い段階で潜在的な製造問題を特定し、対処するのに役立ちます。この開発により、設計者は機能的で製造可能なハードウェアを、生産コストを削減し、設計から製造への移行を妨げられることなく生産できるようになります。設計品質とコスト削減市場のトップを目指す企業は、品質を向上させつつコストを削減するように、常にステークホルダーからの圧力を受けています。時には、それが達成不可能な偉業のように思えることもあります。しかし、PLMはそれを助けます。製造可能性分析を早期に可能にすることで、システムは、より簡単かつ安価に生産できるPCBの概念設計をデザイナーに助けます。簡単であることは、製造上の懸念が少ないことを意味し、これは顕著なコスト削減につながります。重要なことに、過去の数十年に比べて製品がより平凡と見なされる時代において、PLMは信頼性設計（ DFR）の実践も提供します。これにより、デザイナーは寿命が長く、潜在的な故障ポイントが少ないPCBを作成できます。実践に移すと、これは顧客満足度を保証する上で長い道のりを行くことになり、それはどれほど確立されたビジネスであっても、成功か失敗かを分ける最も重要な要因の一つです。

DevOpsを組み込みシステムで使い始める方法：ATmega328Pを使用して DevOpsとアジャイル手法は、コラボレーション、自動化、および継続的な改善を重視することでソフトウェア開発を変革しました。DevOpsの原則を私の設計とプロジェクトに適用することは、効率と信頼性を高めるゲームチェンジャーとなりました。この記事では、既存の組み込みシステムプロジェクトの継続的インテグレーション（CI）ワークフローを設定する方法を説明します。このプロジェクトは ATmega328Pマイクロコントローラを使用しています。この記事の終わりまでに、これらの実践が開発プロセスを合理化し、より高品質な製品を提供する方法を見ることができます。組み込みシステムのためのDevOpsとアジャイルを理解する DevOpsは、ソフトウェア開発（Dev）とIT運用（Ops）を連続的な流れに統合する、ソフトウェア界で人気のある一連の実践です。ソフトウェア界では、ソフトウェアを開発し、「壁を越えて」運用担当者に顧客への展開を任せるのが一般的でした。DevOpsは、その壁を取り除くだけでなく、プロセス全体を自動化する方法を導入しました。ハードウェアの世界では、製品開発と生産の間に類似点があり、設計を製造エンジニアリングチームに「壁を越えて」投げ、生産の準備が整うように常に確認します。組み込み製品設計では、ソフトウェアを生産を通じて進める必要がありますが、これまで以上に迅速に動き、可能な限り最高の品質で提供するという課題に直面しています。DevOpsの原則を用いることで、これらの課題のいくつかを解決することを目指しています。ハードウェアの依存性: 組み込みシステムはハードウェアとそれらのPCBの特定のリビジョンに依存しています。これは、自動化され高度にスケーラブルになるように合理化されていない場合、テストと展開を複雑にする可能性があります。DevOpsの実践は、ハードウェアとソフトウェアの両方に同じセットアップを使用し、自動化された継続的インテグレーション（CI）システムを通じてこれらのプロセスを自動化することで助けます。長いビルド時間: 組み込みソフトウェアのビルドは設定が難しく、ビルド時間が長くなることがあります。CIは、ビルドをクラウドにオフロードすることでこのプロセスを自動化し、加速します。これにより、通常開発者がアクセスできないより強力なインスタンスを利用できます。手動テスト: 実際のハードウェアでのテストは不可欠ですが、しばしば手動で、退屈で、時間がかかります。ハードウェア・イン・ザ・ループ（HIL）テストを通じた自動化は、効率と精度を向上させ、CIシステムで設定された自動テスト機器のセットアップにオフロードすることができます。 DevOpsの原則を適用することで、ビルド-テスト-デプロイのパラダイム内でアジャイル手法を使用して迅速に反復し、生産にリリースしたい追加機能ごとに進めることができます。全体の仕組み「ビルド、テスト、デプロイ」という言葉は、DevOpsを議論する際によく耳にする一般的な言葉のセットです。組み込みシステムでは、私たちも同じことを行います。なぜなら、私たちのデプロイメントも製造（そして最終的な顧客）に向けて行われるからです。プロジェクトのリポジトリでは、組み込みDevOpsのエンドツーエンドのワークフローを推進するためにGitlab CIを使用しています。私たちは「パイプライン」と呼ばれるものを使用して、ソフトウェアのコンパイル、ターゲット上でのテストの実行、または公式パッケージとしてのリリースなど、特定のタスクを達成するジョブを作成します。Gitlabでは、パイプラインはこのような順序で実行されるジョブの集合です：図1: GitlabのATmega328P DevOpsワークフローで使用されるパイプラインの例

Altium Designer Projects 組み込みシステムのアーキテクチャ：製品に複数のPCBがある場合組み込みシステムは、今日の技術主導の世界で至る所に存在します。インターネットに接続されたシェーバーであれ、複雑な自動車であれ、私たちが今日使用しているほとんどの電子デバイスの中心には組み込みデバイスがあります。1つまたは複数のマイクロプロセッサで構成される組み込みシステムは、複雑さをソフトウェアによって処理させることで、電子機器を簡素化することができます。組み込みデバイスが大きく複雑になるにつれて、プリント回路基板（PCB）も同様に大きく複雑になります。しばしばこれらのデバイスは複数の基板に成長し、当初意図されたよりも大きなアセンブリになることがあります。この記事では、複数のPCBで構成される組み込みシステムのアーキテクチャのトレードオフと考慮事項について見ていきます。複数のPCBシステムに関連する利点、設計上の考慮事項、および課題について説明します。なぜ複数のPCBを使用するのか？デバイスを単一のPCBに保つことが理想的な選択肢です（単純さとコストの両方のために）、しかし、設計目標を達成するためには、設計を2つ以上のPCBに分割する必要があることもあります。製品を複数の基板に分割したい理由のいくつかは以下の通りです：モジュラリティ: アセンブリを複数の基板に分けることで、必要に応じて製品の一部だけを交換できます。例えば、単一のPCBが故障した場合、システム全体に影響を与えることなく交換することができます。これは、正しく行われた場合、製造業者のコストと時間を削減することができます。スペースの最適化: 複数の基板にコンポーネントを分割することで、デザイナーはよりコンパクトで効率的なレイアウトを実現できます。パッケージングのために高さが問題にならない場合の、非常に長く狭い単一の基板と比較して、いくつかの短く積み重ねられた基板を考えてみてください。熱管理: 多くの熱を発生させるコンポーネントは、熱の放散を改善するために異なるPCBに分割することができます。アセンブリ全体にわたって熱を均等に分散することで、システムの信頼性を大幅に向上させることができます。スケーラビリティ: 複数のPCBを使用して設計することで、単一の基板で交換可能なインクリメンタルな機能追加が可能になります。全体のコンピューティングシステムを交換することなく、アップグレードされたセンサーやカメラを考えてみてください。これらの理由（およびその他）から、複数のPCBで構成されるアセンブリを設計することを考慮しますが、組み込みファームウェア側の課題も複雑さを持っています。複数のPCBアセンブリのための組み込み設計の考慮事項複数のPCBを使用する場合（該当する場合）のケースを確立した今、組み込みシステムをアーキテクチャする際の設計上の考慮事項を理解することが重要です。ハードウェアとソフトウェアの両方の観点から、単一の基板にすべてを載せるときにはあまり慎重に考慮しないニュアンスがあります。最初に頭に浮かぶべき考慮事項は、ボード間通信です。各ボードはどのようにして互いに通信するのでしょうか？どのような処理能力（もしあれば）が各ボードに存在するのでしょうか？もしかすると、1枚のボードが脳の役割を果たし、他のボードがセンサーの役割を果たしているのかもしれませんね。I2C、SPI、UART、Ethernetなど、慎重に伝送プロトコルを選び出す際には、伝送線、信号の整合性、そして最も重要な、ボード間コネクタを通じた信号の伝送も考慮しなければなりません。設計者にとって最悪なこと（そして信じてください、私もそこにいました）は、システム全体を設計し、製造業者からPCBを受け取った後で、クロック信号を1つや2つ見落としていたことに気づくことです。また、ボード間コネクタのスペアピンを確保することを忘れがちで、ピン数を最大限に活用しようと試みます。これは最終的に私たちを苦しめることになります。 Altium Designerのマルチボードアセンブリ機能のように、多数の通信ラインをPCB間でルーティングする際には、マルチボードプロジェクトを念頭に置いて設計することが必須です。また、特にマイクロプロセッサで電力バスを監視する場合、電力の分配方法についても考える必要があります。「脳」へのアクセスを容易にして、任意の壊滅的なイベントを監視できるようにしたいですが、スイッチング供給のノイズ、重負荷のための電力分配、そしてボード間コネクタのピンがその種の電力に耐えられるかどうかも考慮する必要があります。最後に、組み込みシステムのソフトウェア自体とは直接関係ありませんが、機械設計も重要な役割を果たします。プッシュボタン、タッチスクリーン、およびその他のユーザーへの物理的インターフェースは、マイクロプロセッサに接続されており、考慮されなければなりません。配線はマイクロプロセッサが入力にアクセスできるようにルーティングできるでしょうか？ボード間を通過する際の高速デジタル出力の信号整合性を考慮しましたか？これらは、組み込みデバイスを設計する際に考えなければならないことです。

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