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GNSS + LTE Asset Tracker プロジェクト パート1 GNSS + LTE Asset Tracker プロジェクト パート1 1 min Blog 今週のプロジェクトでは、LTEベースのアセット追跡システムを構築します。このシステムは、盗難防止(および原状復帰)、配送または輸送車両の追跡の他、収集したデータを適切な機械学習サービスと組み合わせて使用した場合には予測保守まで、さまざまな用途で使用できます。これまでのプロジェクトはすべて、スペースに制約のない2層の基板でしたが、本当にコンパクトな高密度回路基板も構築してみたかったので、このプロジェクトではできるだけ小さな基板を構築することを目指します。やるべきことはたくさんあるので、まずは目標の設定と、部品の選択および回路図について検討し、続いて パート 2でPCBの設計とレイアウトに着目していきます。 このようなプロジェクトにはさまざまな用途があります。バスや旅客車両に搭載すると、GNSSデータが運輸会社に報告され、位置情報の更新が可能になります。続いてその情報を使用して、次の便の到着予想時間を顧客に提供することができ、さらに規模を拡大して、スケジュール管理や停車時のタイミングデータを改善することができます。建設用ライトタワー、発電機の他、遠隔地に放置されることが多く、盗難の対象となりやすい設備など、高価な可動性資産にこのシステムが備えられていると、資産が予定外に移動されたときに警察や警備担当者による対応が可能になります。また、ジオフェンスとして設定されたエリア内から資産が出ないようにするためにも使用できます。 資産の追跡は大きな目標ですが、素晴らしい機械学習ツールとクラウドベースのシステムが市販されており、保守スケジュールを最適化できるデバイスに接続したり、技術者の現地派遣要請をスタッフに自動的に警告したりすることができます。今回は、回路に基本的なCANバスICと加速度計を追加して、エンジン管理システムからデータを収集できるようにし、振動データを集めます(このような機械学習システムは首尾よく早期故障警告システムに転じます)。 加速度計は、GNSS信号が弱くなったり妨害されたときに目標物が移動したかどうかを検出できるため、セキュリティに関するオプションをさらに可能にするという点でも役立ちます。 経験豊富な泥棒は十二分にトラッカーのことを知っているので、トラッカーが動作できないようにバッテリーケーブルを切断することがあります。そこで今回は、メインバッテリーが切断された場合にシステムに電力を供給するリチウムポリマーバッテリーセルを1つ内蔵します。こうすることで、大型発電機が始動したり、バッテリーで電圧低下が生じるなどの状況(特に寒い日など)でも、デバイスの継続的な動作が保証されます。 私はこのデバイスを、できるだけ小型化し、存在を気付かれないようにするつもりです。これまでに目にしてきた多くの市販の追跡システムは、高価でかさばり、設置に手間がかかる一方、泥棒が簡単に動作を停止させたり取り外したりできるものでした。このプロジェクトでは、低コストに抑えることを特に目指しているわけではありませんが、要件を満たして問題なく機能する最低価格のコンポーネントを使用するつもりです。 いつものように、このプロジェクトは、変更や再配布の要件が最小のMITライセンスの下で、GitHubにある他のすべてのプロジェクトと一緒に保存されています。MITライセンスの下では基本的に、読者の皆様は、エラーの可能性およびいかなる問題も私またはAltiumが責任を負わないことを認識している限り、断片的なコピーからそのままでの大量生産まで、この設計を自由に使用することができます。 このプロジェクトのコンポーネントはすべて、私のオープンソースの Altium Designer®ライブラリである Celestial Altium Libraryに由来しています。そのため、このプロジェクトの一部をご自分の設計にすぐに再利用できます。 コンポーネントの選択 「高価な」コンポーネントについて検討する前に申し上げておきたいのですが、私はこれをできるだけ小さく設計しているので、パッシブコンポーネントには可能な限り0201(インチ)サイズの部品を使用しています。可能であれば01005(インチ)を使用したいところですが、プロトタイプを提供するのが大変なため、今回はより大きな0201を使用します。これを使えば、ペーストステンシル、ピンセット、リフロー炉のみでプロトタイプを作ることができます。このプロジェクトは、01005サイズの部品でさらに小さくなる可能性があります。 セルラー/LTEモジュール LTEモジュールの要件はかなりシンプルですが、通常使用するオプションの多くを除外しています。これはサンプルプロジェクトであるため、モジュールはすべての国で使用が認められているか、異なる地域用のバリアントがある必要があります。これに加えて、主要なコンポーネント販売代理店で入手できるモジュールを使用したいと考えているため、これらのトラッカーのいずれかを構築する場合に、サプライヤーを探す必要はありません。さらに具体的には、認定済みモジュールを探しています。認定済みモジュールを正しく使用すると、完成した基板が、事前に認定された意図的な放熱器を含む偶発的な放熱器として認められます。そうすれば、この基板を小型化し、意図的な放熱器として認定されるために比較的高額な費用をかけずに認定を受けることができます。 過去5年間で、主要な販売代理店で入手可能なセルラーモジュールの数と在庫水準は大幅に上昇しています。10年前には、入手可能な種類にかかわらず、グローバルに使用できるセルラーモジュールを、特に低価格で大手サプライヤー(MouserやDigi-Keyなど)で見つけることは、非常に難しかったかもしれません。モノのインターネットの盛り上がりとともに、私が設計しているようなデバイス(LTE帯域が特にLTE 記事を読む
PCB組立（PCBA）およびサプライチェーン管理 プロトタイプPCBアセンブリ(PCBA)のリスクを取り除く 1 min Blog Rev Aの設計を磨き上げ、初めてのPCBを基板製造業者に発注するときに感じる特別な感覚があります。デザイナーたちはおそらくその感覚と引き換えに何も望まないでしょうが、不安を少しでも和らげることができれば、それは歓迎される変化になるでしょう。ここには、仕事後のバーへの訪問よりも神経を落ち着かせるのに効果的であり、エラーを防ぐのに無限に効果的なレビューステップがあります。 製造とPCB組立(PCBA)サービスを発注する準備ができたときに、ターンアラウンドタイムを短縮するためにできることがいくつかあります。サプライチェーンに入り、DFM/DFAを早期に確実にすることが重要であり、開発中にこれらの点を真剣に受け止めることで、設計レビュータイムと組立/製造時間を短縮できます。これらの点に注意を払うことで、PCBAの不必要な再設計もいくつか排除できます。 部品がなければ、基板もなし。 かつて時折イライラする忍耐と計画の教訓であったサプライチェーン管理は、プロトタイプレベルでも重要な設計パラメーターとなっています。数百万ドルの開発プロジェクトが、たった10個の微細なマイクロコントローラーが見つからずに1週間遅れることほど悪いことはありません。これらのマイクロコントローラーの価値は1つ2ドルに過ぎません。 PCBA用の一般的な受動部品、ダイオード/LED、または一般的なICは、交換が容易であり、おそらく大きなPCBレイアウトの変更を必要としないでしょう。利用できないマイクロコントローラー、FPGA、特殊SoC、その他の特殊コンポーネントのようなものは、PCBAのほぼ全面的な再設計を強いる可能性があります。製造のために注文を出す前に、早期にコンポーネントの入手可能性とリードタイムを常に確認するべきです。 設計ツールの検索機能は、ここで大きな役割を果たし、PCBを製造する前に、調達データやコンポーネントのシンボル/フットプリントを見つけるのに役立ちます。 これを軽減する最良の方法は、回路図が完成したらすぐにすべての部品のプロトタイプ数量を注文することです。確かに、誰もが不足時にスマウグが「一枚のコイン」でさえ手放すことを拒むように部品の山を欲しがる収集家になりたいとは思いませんが、私たちが話しているのはほんの一握りの部品です。ボードが組み立てられる時点で設計から外された部品の4分の1を無駄にする失望は、ファームウェアエンジニアがハードウェアがないときに時間を無駄にすることを知ることと比べものになりません。迅速なメモ：各部品の MSL（湿度感受性レベル）の評価を確認することも重要です。契約メーカーは、SMTリフローのためにボードに部品を配置する前に部品を焼く必要があるかもしれません。 供給チェーンを早期に見ることで、PCB組立（PCBA）の生産時間を短縮します。 デザインレビューは楽しい！ ほとんどのエンジニアは、 デザインレビューについて2つのことを認識しています：それらはRev Aリリースに必要であり、レビューを完了することは、同僚に大きなお願いをすることができます。しかし、レビュアーにとって余分な苦労を伴う必要はありません。何事も、お金と競争を加えることでより楽しいものにすることができます！例えば、デザイナーは見つかったミスに対してレビュアーに支払う必要があるかもしれません。ボードのリビジョンを引き起こす可能性がある重大なミスについては1つにつき20ドル、重大でないミスについては2ドルが妥当でしょう。デザイナーが残ったものを保持できるように、会社に200ドルの予算を出してもらい、デザインの卓越性を奨励し、健全な競争を促進することもできます。 設計レビューチェックリストを完了させるには、 サードパーティプログラムでガーバーファイルを確認することが欠かせません。これは、基板製造業者がファイルを検査するのと同等の作業です。99.99%のエラーは設計および/または構成のエラーですが、すべてのeCADパッケージが何らかのエラーを出したことがあるため、5分間のチェックは価値があります。例えば、 GerbVは無料のオープンソースツールで、設計者が各レイヤーを個別に、そして一緒に、設計エラーやCAM出力エラーから生じる可能性のある不審な点を確認することを可能にします。 ペーパードール PCBA設計の究極の目標がコンピュータから離れて実世界で何かを構築することであることを思い出して、機械的な部分をダブルチェックする簡単で迅速な方法があります：ペーパードールです！Tara Dunnが 記事を読む
ハードウェア・イン・ザ・ループテスト：イントロダクション ハードウェア・イン・ザ・ループテスト：イントロダクション 1 min Thought Leadership 「ハードウェア・イン・ザ・ループ」テストを検索すると、複雑なリアルタイムシステムの例が頻繁に見つかります。 例えば、このNational Instrumentsの記事は、ハードウェア・イン・ザ・ループ（HIL）が何であるか、そして自動車内の電子制御ユニットのテストの例を提供している上で、素晴らしい説明と背景を提供しています。この記事では、HILテストコンセプトのより小さく、より取り組みやすいバージョンに焦点を当てます。 ハードウェア・イン・ザ・ループテストとは何か？ この記事の目的のために、我々はハードウェア・イン・ザ・ループテストを従来提示される方法（例えば、自動車アプリケーション内で）とは少し異なる方法で定義します。製品をテストする際の複雑さの異なる三つのレイヤーを観察しましょう。 テストフォーマット1：基本的な手動テスト このテスト形式では、エンジニアがデバイスを手動でテストします。これには、デジタルマルチメーターで基板上のテストポイントを探る、オシロスコープで波形を観察する、またはコンピューター画面上でテレメトリー読み取りを手動で解析することが含まれます。エンジニアは、手動の設計検証テストを通じて製品をテストします。 テストフォーマット2：自動テスト このテストセットアップは、通常エンジニアによって行われる同じ測定と検証を実行しますが、コンピュータによって自動化された方法で実行されます。ホストコンピュータは直接計測器（例：マルチメーター、オシロスコープなど）に命令を出し、デバイスからのテレメトリを解析し、その後、エンジニアによって設定された基準に基づいてテストセットを検証します。 テストフォーマット3：ハードウェア・イン・ザ・ループテスト ハードウェア・イン・ザ・ループテストは、実世界のアプリケーションをシミュレートする追加の刺激を加えることで、自動テストを新たなレベルに引き上げます。例えば、テスト対象のデバイス（DUT）には、刺激が必要な一連のセンサーがあるかもしれません。テスト機器は、それらのセンサーの他端をシミュレートして、DUTのセンサー側を刺激します。別の例としては、DUT上のRS-422レシーバーにRS-422トラフィックを駆動することが挙げられます。私たちがDUTに新しい刺激を駆動し、ホストコンピュータからテレメトリを読み取り、必要に応じてテストを適切に調整できる（例：初期テストを通過した後に、より速く、より多くのRS-422トラフィックを駆動する）という考えです。 ハードウェア・イン・ザ・ループを採用する利点 アプリケーションに基づいて、なぜハードウェア・イン・ザ・ループ（HIL）テストを自動テスト（そしてもちろん手動テスト）よりも採用するかが明確になる場合があります。複雑なシステム、または（システムのシステム）を統合しようとしている場合、多くの外部刺激が必要であれば、基本的な自動チェックアウトテストでは不十分です。基本的なバッテリーチャージャーを考えてみましょう。電源、負荷、バッテリーをシミュレートしてコントローラ回路をテストすることはできますが（物理的にもソフトウェアを通じても）、実際の電源、バッテリー、負荷を使用して設計をテストする方が現実的です。さらに、このプロセスを自動化できれば、エンジニアはテストよりも開発に時間を費やすことができます。 コスト分析：それは価値がありますか？ ハードウェア・イン・ザ・ループテストを採用するかどうかを決定する際には、次の要因を考慮する必要があります： テスト時間：デバイスのテストにどれくらいの時間を費やす予定ですか？基本的なチェックアウトを行って終わりですか、それとも数ヶ月のテストが必要ですか？ テストの再発生：同じテストをどれくらいの頻度で実行しますか？このテストセットアップ（つまり、機器と自動化スクリプト）は将来の設計に使用できますか？ テスト機器：自動テストと手動テストに必要な機器を揃えるコストはどのくらいかかりますか？ これらおよびその他の要因を考慮したら、手動テストを続けるか、自動/ハードウェア・イン・ザ・ループテストに投資するかの決定を始めることができます。 始め方 記事を読む
多層基板の内層設計 多層基板の内層設計 1 min Blog 電子機器の精密化に伴い、多層基板がよく使われるようになりました。多層基板は表面と裏面だけでなく、その間にも内層とよばれる配線層を持つ基板です。基板設計CADのAltium Designerでは最大48層の多層基板が設計できますが、ここではまず4層基板を取り上げて、その設計方法の要点をまとめました。 内層のネガ設計とポジ設計 多層基板は、配線密度を上げたい場合や電源配線を強化したい場合などに利用されます。電源とグランドの配線を内層で行うと、配線密度の向上と電源配線のインピーダンスの低減を同時に実現できます。 内層で電源やグランドの配線を行う場合、ポジ設計とネガ設計のいずれかを選択できます。ポジ設計では配線パターンなどのオブジェクトを実際の銅箔イメ―ジのとおりに配置しますが、ネガ設計では逆に、銅箔の無い（不要な）ところにオブジェクトを配置します。 このネガ設計は、実際の配線とは逆のイメージで編集作業を行わなくてはなりませんので、大変わかりにくく、配線には手間がかかります。しかし、ネガ設計を用いる事によってデザインデータの肥大化を避け、CADツールのレスポンスを良好に保つ事ができます。 レイヤ構成マネージャによる層構成の管理 プリント基板では、層数を増やせば増やすほど配線密度が上がりますが、コストも上がりますので、層数はできるだけ抑えなくてはなりません。もし、両面（2層）基板で配線スペースが不足するような場合には、層を追加して電源とグランドを内層で配線します。通常、このような場合には、[Plane]レイヤを用いてネガで設計します。この[Plane]レイヤは、パワープレーンとも呼ばれます。 Altium Desugnerでは、[レイヤ構成マネージャ]で層構成を管理します。デフォルトは、両面（2層）になっています。この[レイヤ構成マネージャ]では　配線に使う [Plane] レイヤや [Signal] レイヤだけなく、基板を構成する全ての層の追加と削除、および属性の編集が可能です。 パワープレーンでの配線 パワープレーンは、ネガイメージで表示されます。オブジェクトが配置されていなければ全面が銅箔で満たされた状態であり、配置されている部品の端子部分は内層パッドによって銅箔が抜き取られています。 パワープレーンの配線は、この銅箔エリアにネット名を割付ける事によって行います。この銅箔とネット名が一致する端子にはサーマルランドが発生し、銅箔と接続されます。 なお、このパワープレーンのネット名の割付けは、プレーン面のダブルクリックで表示される [スプリットプレーン] ダイアログボックスによって行います。 記事を読む
設計を正しく進めるためのBOM管理 1 min Blog Active BOMがあれば、憶測に頼らずにコンポーネントを選択して、最初から正しい設計を進めることができます。 Altium Designer すべての製造段階で作業をスムーズに進めるためのPCB設計ツール コンポーネントに対するフィードバックをもらわないと、作業を開始できないことにうんざりしていませんか？コンポーネントについての誤った情報や古いデータが原因で、予算に響く土壇場の変更が発生することに疲れていませんか？こうした問題に思い当たりがあるのなら、スケジュールに狂いが出ることに大きな不満を抱えていらっしゃることでしょう。回路図にコンポーネントを配置しながら、リアルタイムの部品情報をサプライヤーから直接入手できるとすればどうでしょう？回路図の作成中に、設計で使用するすべてのコンポーネントの詳細リストがあれば便利だと思いませんか？ これらはすでに実現しています。PCB設計ツールからコンポーネントの詳細な最新情報を入手できるのは、Altium DesignerのActive BOMがもたらす利点の1つにすぎません。BOM管理では、入手できる必要な情報がソフトウェアでリアルタイムに更新されるため、購買管理、請求管理、製品（開発）管理、製品ライフサイクル管理がはるかに容易になります。 Active BOM: 設計データで機能するもうひとつのポータル Active BOMは、Altium Designerに含まれる最新ツールの1つです。回路図エディタやPCBレイアウト アプリケーションとともに、設計データでポータルとして機能するこのツールでは、コンポーネントの完全な詳細リストを表示して、含まれるデータを設計で直接使用できます。回路図とレイアウトの両方でコンポーネントを横断選択できるため、設計中だけでなく設計の見直しにも大いに役立ちます。 Active BOMでは部品サプライヤーとのクラウド接続を通じて、部品の最新の価格や在庫状況、技術データを入手できます。これらの機能のほかにも、部品表レポートを直接作成することが可能です。こうした部品管理が生産性の向上にいかに役立つかがわかったら、もうActive BOMを手放せなくなるでしょう。 設計システム全体で活用できるActive 記事を読む
PCB設計および製造のためのASME基準 PCB設計および製造のためのASME基準 1 min Blog ASMEはPCB設計と展開について何を言っているのでしょうか？ 実は、製造のための設計中に考慮すべきASMEからの多くの重要な点があります。信頼性を確保するための重要なIPC基準のいくつかはASME基準から派生している一方で、他の文書化および図面基準はASME基準で明示的に指定されています。電気機械システム、自動車産業、または航空宇宙で作業するかどうかにかかわらず、適切な設計ソフトウェアは、これらの基準すべてに準拠したPCBレイアウトと文書を作成するのに役立ちます。 ALTIUM DESIGNER® 最高のツール、自動化された文書化、および生産計画機能を統合した統一されたPCB設計パッケージ。 ASMEは、あらゆる種類の機械製品に対する設計要件を指定する組織です。安全余裕、機械公差、機械図面に関する要件など、多くの事項がASME基準で指定されています。ASME基準やASMEコードのすべての側面に精通していないほとんどの設計者は、PCB設計に関する機械要件を認識していないかもしれません。 電子製品に使用されるプリント基板に関するさまざまなIPC基準を、ほとんどの電子設計者が認識しているべきです。これらの基準は、電子製品の製造可能性と信頼性を確保するために設計されていますが、関連するASME基準はPCB設計の異なる領域の寸法付けと公差により関心があります。 PCB設計に関する重要なASME基準 ASMEは、機械工学者がさまざまな設計の側面を適切に実装することに関心を持っているため、PCBに関するASME基準は、PCB設計のさまざまな側面に関する重要な幾何学的寸法および公差要件を指定しています。これらの重要な要件は、IPC 2615基準にも反映されており、適切な設計ソフトウェアを使用すると、寸法および公差情報をレイアウトおよびドキュメントに直接実装できます。したがって、ASME基準は、たとえばボイラー圧力容器および配管設計をカバーする一方で、それに内蔵されている任意のコンピュータチップもカバーします。コンピュータチップが故障すると、ボイラー圧力容器および配管が非常に危険になる可能性があります。 IPC基準との関係 IPC 2615の下での電子機器に関する重要な基準は、実際にはASME Y14.5Mから派生しています。プリント基板の寸法および公差に関するこれらの基準に準拠するには、超高精度のコンポーネント配置を可能にし、ルーティングおよびビア設計ツールとインターフェースするCADツールが必要です。また、機械図面に直接公差を指定する必要があります。 適切な設計ソフトウェアを使用すれば、PCBに重要な寸法および公差情報を追加するために、設計をコマンドラインベースのCADプログラムにエクスポートする必要はありません。他のPCB設計プログラムでは、プログラム間でデータを移動させる必要があり、同期が取れません。複数の設計プログラムを使用し、設計の異なる部分間で情報を手動で同期させる代わりに、ドキュメンテーション、レイアウト、回路図、部品表を通じて同期を強制する単一の統合設計パッケージが必要です。 ビアと穴のサイズおよび公差は、回路基板に関するIPC基準およびASME基準で取り扱われる領域の一つです。 ビアと穴の公差を指定する方法についてもっと学びましょう。 ASME/IPCの寸法および公差基準は、設計文書および図面にも適用されます。参照指定子の使用にまだ慣れていない場合でも、適切な設計ソフトウェアを使えばすぐに習得できます。 PCB設計ソフトウェアでの参照指定子の取り扱いについてもっと学びましょう。 よく文書化され、設計された回路図は、ボードの基礎を形成し、レイアウトが電子回路図および文書と適切に対応していることを保証します。 記事を読む
Altium Designerでの多層PCBスタックアップの計画 1 min Blog PCB設計者 PCB設計者 PCB設計者 近年のPCBが、単層や2層の基板で設計されることはほとんどありません。最新のPCBでは高密度の接続と多数のコンポーネントが使用されており、これからの設計は多層PCBになっていくと考えられます。手掛けるデバイスのフォームファクターがかつて見たことのないものであれば、リジッドフレキシブル基板を使用することになるでしょう。こうした種類のPCBには、適切なスタックアップが不可欠です。つまり、直感的なスタックアップ マネージャーを備えるPCB設計ソフトウェアが必要になりますが、Altium Designerではマルチレイヤー スタックアップを直接、PCBレイアウトに簡単に同期できます。 Altium Designer マルチレイヤー スタックアップの管理ツールを備えるPCB設計ソフトウェアパッケージ マルチレイヤーのスタックアップの最適な方法は、数々の要素によって変わってきます。特定の方法がなければ、あらゆる設計や配線、EMCの要件に同時に対処できます。多層PCBのデバイスのアプリケーションによっても、レイヤースタックアップの最適な方法は決まります。Altium Designerの統合設計環境では、優れたスタックアップ ツールからレイアウト、シミュレーション、ルールチェックの機能を直接使用できます。 マルチレイヤー スタックアップの計画 どんな回路基板でも、コンポーネントや銅箔の配置に関して計画を立てなければなりません。単層のPCBでさえ、レイアウトに関する計画がなければ製造にリリースできません。PCB設計では、回路の設計が終わるまでコンポーネントの配置に常に注意を払う必要がありますが、これは多層PCBにも当てはまります。両面PCBや多層PCBでは、ベリードビアの穴を追跡したり、厚さや外層について計画したりすることができます。 今後の多層PCBのスタックアップ方法を計画する際は、信号プレーンとパワープレーン/GNDプレーンの繰り返しになり、各レイヤーが絶縁コアかプリプレグで分離されることが一般的になるでしょう。リジッドフレキシブル基板は本質的に多層基板であり、それぞれにスタックアップの要件があります。その目的はレイヤー間のクロストークとEMIを抑制すると同時に、効率的な配線を可能にすることです。 多層PCBのスタックアップ方法 多層PCBの設計は技であり、芸術でもあります。設計全体のプロセスは、レイヤーの配置によって変わってきますが、レイヤー間を配線するためにビアを使用し、適切なパワープレーンとGNDプレーンのペアの配置を選択して、製造業者向けの情報をすべて含めた書類を作成する必要があります。これらは、優れたレイヤー構成マネージャーを備えるPCB設計ソフトウェアがなければ完了できません。 スタックアップの各レイヤーにはそれぞれの機能がありますが、これらはマルチレイヤー スタックアップで指定する必要があります。 マルチレイヤーのスタックアップ方法について、詳しくはこちら 記事を読む