組み込み設計チームがI/Oとルーティングを簡素化する方法

実際の電子製品は、組み込みアプリケーションの実装とクラウドプラットフォームやアプリケーションへの接続の両方から、徐々に賢くなってきています。組み込み開発チームは、これらの新世代の製品を作り出すために協力しなければなりません。PCBレイアウトエンジニア、組み込み開発者、さらにはMCADエンジニアがプロジェクトの完成に遅れる可能性がある領域の一つがI/O選択です。これは、コネクタ、周辺機器、およびホストプロセッサがある場合に発生します。

そこで、両方の側面をシンプルに保つために、組み込み開発者と協力してI/O選択を最適化し、PCBレイアウトの全体的なプロセスを完了するための私の経験を共有したいと思います。前段階で少し協力することで、PCBルーティングと組み込み開発をバックエンドで容易にすることができます。

組み込み開発で誰が何をするのか？

開発チームの各メンバーは、他のチームメンバーが成功するために何が必要かを理解すべきだという観点を持っています。これはまた、リソースの効率的な使用、数日を要するエンジニアリングの難問を避け、迅速に市場に出ることにも関係しています。

	彼らが行うこと	彼らが必要とすること
PCBデザイナー	物理配置 配線 ピン配置とハーネス DFM、DFA、DFTなど	MCADデザイナーからの制約 周辺機器リスト 組み込み開発者からの希望I/Oピンリスト*
MCADデザイナー	デバイスのハウジング/エンクロージャを作成 制約（キープアウト、配置など）を定義	コネクタの3Dモデル 機械の3Dモデル PCBデザイナーからのSI/EMI制約
組み込み開発者	組み込みファームウェアを開発 使用される場合は、Web/クラウドアプリケーションへの出力を定義 PCBデザイナーが必要とするI/Oを使用	PCBデザイナーからのI/O機能 PCBデザイナーからの希望I/Oピンリスト*

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ピンリストのエントリにアスタリスク(*)を付けたのは、I/Oを割り当てる正確なプロセスが使用される特定のコンポーネントに依存するためです。それは単純なMCUで、利用可能なI/Oが特定の場所に固定されているのか、それとも特定のバンクでカスタマイズされたピン配置を持つことができるFPGAなのか？もう一つの側面はコネクタです：ピン配置は標準化されていますか、ピン配置はアセンブリ内の別のボードによって設定されますか、それともカスタマイズできますか？

これは、PCBデザイナーと組み込み開発者がI/O選択に関して協力して作業する際の課題が見え始めるところです。両者はどのようにして一緒になってピン配置、I/O選択、そして最終的にはPCBレイアウトを確定させることができるのでしょうか？

組み込み開発者がPCB要件を定義する

私の意見では、これはメインプロセッサのピン配置が柔軟である場合、つまり、アプリケーションがFPGAでインスタンス化される場合に最もうまく機能します。この場合、I/Oは開発者によってデバイスロジックで設定され、その結果、PCBデザイナーは与えられたピン割り当てで作業する必要があります。

問題はこれです：個々のピンに割り当てが行われる場合、最適なルーティングが得られず、コンポーネントに到達するために交差する接続の混乱が生じる可能性があります。代わりに、組み込み開発者がPCBデザイナーにバンク割り当てを行うだけなら、PCBデザイナーはバンク内のピンを選択して最適な接続を行うことができます。

FPGAに特定のピン配置ではなくバンクを割り当てることで、デザイナーはピンスワッピングのようなツールを使用して、ピンバンク内でI/O割り当てを移動できます。ピンスワッピングが望ましい場合、ピンをそれぞれのバンクに適切に分離するために、カスタムの回路図シンボルが必要になるかもしれません。カスタムシンボルを使用すると、PCBのルーティング中にピンスワッピング操作のためのピンのグループ化がずっと速く行えます。

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PCBデザイナーが組み込み要件を定義する

私の意見では、これは主プロセッサのピン配置が固定されている場合、つまりMCUとその周辺機器の場合に最も適しています。MCUでは、I/Oの位置は基本的に固定されています。GPIOのバンクを使用する場合など、各I/Oの使用方法にある程度の柔軟性を持たせることができます。しかし、標準インターフェースのピンや機能の割り当ては固定されている場合があります（例：SPI、ADCピン、PWMピン、I2Cなど）。

この場合、PCB設計者が異なるコンポーネントに合わせて使用するピンを選択するのが最善だと思います。PCB設計者は固定されたピン配置の中から選択しなければならないので、PCBのレイアウトが解決可能な方法でコンポーネントを配置する方法を考え出さなければなりません。配置して配線が完了したら、PCB設計者の仕事は、埋め込み開発者にどのピンが特定の機能に使用されているかを伝えることです。

コネクタのピン配置が標準化されている場合はどうでしょうか？

コネクタのピン配置が標準化されている場合、それは少し予測不可能です。これは、「標準化されている」ということが二つの異なる意味を持つ可能性があるからです：

• ピン配置は標準インターフェース（Ethernet、USBなど）の一部である可能性があります。
• ピン配置は、アセンブリまたはシステム内の別のボードによって設定される場合があります。

これらのどちらでもない場合、ピン配置はカスタマイズ可能です。私が大きなアセンブリ内の他のボードを扱ったプロジェクトでは、通常、両方のボードを構築していたため、ピン配置を設定する自由がよくありました。いずれにせよ、両側はコネクタの客観的に「最適な」ピン配置と、それがプロセッサとどのように一致するかを把握するために協力しなければなりません。

複雑な製品に取り組むチームは、Altium Designer^®を使用するとき、協力設計機能の完全なセットにアクセスできます。製品設計に関わるすべての関係者は、組み込み開発タスクをサポートできるPCB設計のための完全なツールセットにアクセスできるだけでなく、ケーブルおよびハーネス設計機能も利用できます。設計を終えて製造業者にファイルをリリースしたい場合、Altium 365™プラットフォームを使えば、プロジェクトを共有して協力することが簡単になります。

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