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マイクロコントローラーの故障モード: 発生理由と回避方法 マイクロコントローラーの故障モード: 発生理由と回避方法 1 min Thought Leadership 設計の成功の大部分は大学にかかっています。実験室の実験でコンデンサーを誤って爆発させる原因を学んだからではなく、思いもよらないときにマーフィーの法則が当てはまることがあると学んだからです。Warcraftゲームに参加して終わりのない任務の遂行に明け暮れていた私は、常にコンピューターに依存して活動していました。 その当時、コンピューターの性能はかなり低く、悪名高いWindowsの「死のブルースクリーン」ポップアップが時々表示されるのは珍しいことではありませんでした。Warcraftゲームが中断されることはイライラの種であり、遂行した任務がシステムに保存されず数時間が無駄になる一方で、私はコンピュータークラッシュにより重度のパニック発作を引き起こしたものです。設計者であれば、現場でマイクロコントローラーに障害が発生した場合に、同様のパニックを経験したことがあるかもしれません。 マイクロコントローラーの故障モードがシステムに与える影響 組み込みシステムでは、マイクロ コントローラー（MCU）の障害は、業務の締め切りに遅れた場合よりも悪い影響が出る可能性があります。多くの場合、MCUは、決済端末、医療機器、セキュリティーシステムなどの用途における心臓部です。これらのシステムは高い安定性を必要とし、たいていはシステム障害に強くありません。 MCUが故障すると、場合によってはシステムの稼働が完全に停止します。この状況は、ユーザーに迷惑をかけたり、重要な使用現場において安全上のリスクを引き起こす可能性があります。クライアントにとって、信頼性の低いシステムは運用能力に影響を与え、収益の損失につながる可能性があります。設計者にとっては、何百もの製品が現場で常に故障していることは、私たちの誇りに大きな打撃を与え、評判に影響することが考えられます。 マイクロコントローラーの故障の理由とその責任 信頼性のある組み込みシステムには、ハードウェア設計者とファームウェア プログラマの協力が必要です。一部の設計エラーは開発段階で検知されず、導入後にやっと問題が顕在化します。この場合、その責任の大部分を誰が負うべきなのでしょうか。 指をさす前に、マイクロコントローラーが故障する一般的な理由を考えてみましょう。 1. メモリスタック オーバーフロー マイクロコントローラーの メモリスタックは、一時的な使用を目的とした内部RAMの指定領域です。メモリスタックのサイズは制限されており、MCUによって異なります。ファームウェア プログラマがスタックサイズより大きい変数を割り当てると、ランタイム中にスタックオーバーフローが発生し、ファームウェアに問題が生じる場合があります。 2. 不正なポインター MCUファームウェア プログラミングでは、変数、またはプログラム関数のアドレスを示すために、通常 記事を読む
最良のPCB設計ソフトウェアの考慮すべき機能とは 最良のPCB設計ソフトウェアの考慮すべき機能とは 1 min Thought Leadership 家の購入を決意する前には、おそらくたくさんの質問をするかと思います。自分にとって大事な施設やサービスが近所にありますか? 近隣の環境に問題がなく、安全ですか? 家の間取りが自分のニーズに合っていますか? これらはいずれも、そこに住むと決める前に解決する必要がある重要な質問です。 同様に、PCB設計ソフトウェアの購入も同じレベルの詳細な検討が必要です。そのソフトウェアが自分に必要な処理を行ってくれるかどうか、どのようなサポートが受けられるかなどを確認する必要があります。また、会社の将来や、それらのツールが設計ニーズの変化にともなって設計者とともに成長できるかどうかなども考慮する必要があります。 新しい家の購入と全く同じように、新しいソフトウェアへの移行は大変な作業になる可能性があります。設計者を手助けするため、Altiumは、PCB設計ソフトウェアについて質問する時に設計者がガイドとして使用できるトピックリストをまとめました。 PCB設計ソフトウェアが必要な処理を行ってくれるか 最初に確認すべきことは、検討しているPCB設計ソフトウェアが、自分に必要な処理を行ってくれるかどうかです。この質問に答えるためには、どのような設計技術のためにそのソフトウェアを使用するかを明らかにする必要があります。設計するのは片面、両面、または 多層基板 ですか? それらの設計の用途は、 電源 、 アナログ 、 デジアナ混在信号 、 高速 、あるいは RF 記事を読む
自動インタラクティブルーターの配線がオートルーターより整然としている理由 自動インタラクティブルーターの配線がオートルーターより整然としている理由 1 min Thought Leadership 少年の頃、私の部屋は常に散らかっていました。あらゆるものがどこにあるかわかっていると思っていたので、掃除する理由はありませんでした。最終的には、両親と友人からの強いプレッシャーに屈し、私は部屋を掃除しました。違いは驚くべきものでした。足の踏み場ができて、はるかに歩き回りやすくなりました。 オートルーターによるPCB配線についても同じことが言えます。オートルーターの配線は、 見た目が悪く雑然とする ことが知られています。そのような基板は、場合によっては追加設計が難しく、またいいかげんな設計に見える可能性もあります。こういった望ましくない配線は、通常次の3タイプのいずれかに分類されます。 1) バス配線の分割 2) 長く曲がりくねった配線 3) 望ましくないコーナーやスタブがある配線 何年もの間、PCB設計者は、オートルーターのスピードを必要とするたびに、配線に関するこれらの問題に対応してきました。自動インタラクティブルーターは、代替ルーターとしてはあまり知られていませんが、オートルーターに付き物の配線の問題はなく時間を節約することができます。 均一なバス配線 オートルーターは、PCBの配線時に多くの問題を引き起こす可能性があります。最初に目を引く問題は、バス配線の分割です。 バス配線は、類似するネットをグループ化した、均一な配線パターンです。例えば、8ネットのデータバス（D0からD7）はできる限りすき間なく配線する必要があります。このような配線は、トレースの長さとトポロジーを一致させることで、データバスの信号特性を維持します。 オートルーターは、バスをグループとして配線せず、バス内のネットを別々のものとして認識します。各ネットを配線するため、オートルーターは、そのバス配線から他のネットの配線を押しのけます（push & shove）。全てのネットの配線が完了したときには、オートルーターは、均一なバスを完全に分割しています。 これに対して、 自動インタラクティブルーター は、デザイン内の全てのネットではなく、ユーザーが選択したネットを操作します。また、パターン幅、クリアランス、レイヤー、およびトポロジ―についてユーザーが設定したネットおよびネットクラスのデザインルールに従います。その結果、整然として緻密なパターンのバス配線になります。さらに、自動インタラクティブルーターでは、オートルーターが配線方向を決定するのとは異なり、ユーザーがバス配線の経路を指定します。 記事を読む
部品表在庫管理とオンライン部品リクエストシステムの利点 部品表在庫管理とオンライン部品リクエスト文書システムの利点 1 min Thought Leadership ある時、頭金として使うために家族の一員にお金を借りようと頼んだことがあります。彼の返答には私が理解できない反提案が含まれていたので、そのままにしてしまいました。残念ながら、彼の返答を理解しなかったことで、最初に求めていたものよりもさらに良い機会を逃してしまいました。 そのやり取りは、明確なコミュニケーションの重要性を示す例として私の心に残っています。PCB設計の世界では、特に新しい部品をリクエストする際には、明確なコミュニケーションが不可欠です。しかし、部品リクエストの文書が適切に配布されないために、これらのリクエストが混乱したり、遅れたり、あるいは失われたりすることがあります。エンジニアが利用可能でない部品や、承認されたベンダーリストにないサプライヤーからの部品をリクエストすることもあります。これらの問題はすべて、コストのかかる再設計を引き起こし、製造を遅らせる可能性があります。幸いなことに、部品リクエストの問題を解決するのに役立つ 部品表在庫管理ツールがあります。 新しい部品リクエストを提出する従来の方法 プリント基板が設計されて以来、設計チームによる部品の要求は常にありました。PCB設計が進むにつれて、部品は回路図に追加され、回路を完成させるために接続されます。設計にこれまで使用されていない新しい部品が必要な場合、通常以下の手順が取られます： エンジニアリングチームは、必要な部品を見つけるために部品ベンダーを調査します。 部品が見つかったら、エンジニアリングはスプレッドシート、Eメール、または紙の文書の形で購買およびCAD部門に新しい部品のリクエストを提出します。 購買は部品のコストと入手可能性を調査し、それに企業の部品番号を割り当てます。 CAD部門は、エンジニアリングによって収集された部品データを使用して、回路図とレイアウトのための予備のライブラリ部品を開発します。 入手可能性が確認されると、承認された部品リクエストがエンジニアリングに返送されます。 ライブラリ部品、回路図、およびレイアウトはすべて、承認された部品情報で更新されます。 このプロセスには多くのステップがあり、そのいずれかが部品リクエストに問題を引き起こす可能性があります。 従来の部品リクエストシステムの問題点 従来の部品リクエストシステムに関連する問題点 従来の部品リクエスト方法には、いくつかの問題が生じる可能性があります。これらの問題の中で最悪の2つは、未承認のベンダーから新しい部品をリクエストすること、および購入できない部品をリクエストすることです。 正確な部品を見つけるために、エンジニアリングは会社で承認されたベンダーとして資格を持たない部品供給業者を検討することがあります。要求された部品が設計にとって完璧な解決策であっても、部品ベンダー自体がエンジニアリングには明らかでないビジネス上の理由で受け入れられない可能性があります。また、承認されたベンダーによって新しい部品が提供されている場合でも、まだ使用できないか、または製造ニーズをサポートするのに必要な数量で利用できない場合があります。 新しいベンダーを認定するか、利用できない部品の代替品を見つけるには時間がかかります。設計が進行して新しい代替部品を収容するための再設計が設計スケジュールに深刻な影響を与える段階に達しているかもしれません。 もう1つの問題は、部品リクエスト文書の配布に失敗することが発生することです。これは次のような理由で起こる可能性があります： 1) 紙の部品リクエストは、うっかり失くされたり破壊されたりすることがあります。「宿題を犬が食べた」という古い言い訳を笑っていたものですが、紛失した書類の現実は笑えるものではありません。 記事を読む
PCB設計における自動インタラクティブ配線とPCBオートルーターは何が違うのか PCB設計における自動インタラクティブ配線とPCBオートルーターは何が違うのか 1 min Thought Leadership 編集クレジット: Santiparp Wattanaporn / Shutterstock.com しばらく前、私は第二次世界大戦時代に戦闘機パイロットが訓練に使っていたAT-6に乗って、空を飛べる機会をいただきました。飛行機の大ファンである私にとって、これほど素晴らしいプレゼントはありません。飛行体験までの5か月間は、大きな期待に胸を膨らませていました。そして、当日。それまでに感じたことがないほどの喜びをかみしめながら、いよいよ真っ青な空に向かって離陸です。パイロットは緩横転を披露してくれました。ところが、トップガンに対する私の期待は粉々に崩壊しました。それからのフライトは、飛行機酔いのための袋に顔をうずめて過ごすことになったのです。自分の身体が高速のアクロバット飛行に耐えられないのだとわかったとき、本当にがっかりしました。 それは、PCB設計で初めてオートルーターを使ったときの落胆と同じ気分でした。というのも、オートルーターは私と同じ程度の能力で配線に対応してくれると期待していたのですが、残念ながら、配線後の設計はとんでもないことになっていました。配線自体は完了していたものの、体裁を整えるのに数時間や数日という長い時間がかかりそうなクリーンアップを手動で行う必要があったのです。 ところが、最近では自動インタラクティブ配線技術のおかげで、設計者は自動配線を活用できるようになっています。自動インタラクティブ配線は自動配線とは異なるだけでなく、多くの点で自動配線よりも優れています。自動インタラクティブ配線の利点についてお話しする前に、まずはオートルーターと自動インタラクティブルーターの基本的な違いを確認しておきましょう。 自動インタラクティブルーターとPCBオートルーターの違いとは? この2つのルーターは似ているようもののように思えますが、実際にはまったく違うものです。もちろん、どちらも配線エンジンですが、オートルーターではすべての配線が行われる一方で、自動インタラクティブルーターでは設計者が配線をコントロールできます。 オートルーターはスタンドアロンのアプリケーションとして長い間利用されてきました。現在ではPCBレイアウトソフトウェアと連動するようになっているものの、実行するには独自のデザインルールが必要です。これらのルールは手動で設定することも、レイアウトソフトウェアからインポートすることもできます。オートルーターを実行すると、設計に含まれるすべての有効なネットで配線が試みられます。ここでは、さまざまな配線ストラテジで事前に設定された条件を使って、一連の経路で配線が実行されます。完了すると、設計者は自動配線されたトレース情報をレイアウトアプリケーションにインポートし、既存の配線と置き換えます。オートルーターによって配線された使いものになるトレースの分量は、設計者の設定に完全に左右されるものの、結果は思い通りにはならないでしょう。 一方、自動インタラクティブ配線がうまくいくかどうかは、設計者が追加で設定した内容に左右されません。自動インタラクティブルーターはレイアウトアプリケーションに不可欠なため、 既存のデザインルール が使用されます。これらのルールは、一般的な手動の配線で使用されているものです。自動インタラクティブルーター用のコマンドも、レイアウトツールの既存の配線メニューから簡単に使用できます。設計者は自動インタラクティブルーターで配線するネットやネットのグループを選択し、自動インタラクティブルーターを実行するだけです。配線は設計者がコントロールできるため、高速な自動配線を使って基板を手動で配線しているような感覚で作業できます。 オートルーターの設定はかなり複雑になる場合がある 自動インタラクティブ配線と自動配線が異なる理由 オートルーターを正しく機能させるためには、たくさんの設定が必要になります。すべての配線が希望どおりに実行されるためには、オートルーターを仕込んでおかなければなりません。そのためには、オートルーターにデザインルールと配線ストラテジを読み込む必要があります。ネットクラスやトポロジーの制約といったデザインルールは、レイアウトソフトウェアからインポートできるものの、オートルーターで最高の性能を達成するためには微調整が必要です。とはいえ、ここで本当に困難になるのは、さまざまな自動配線のストラテジを設定することです。これらのストラテジでは、トレースの配線方法や配線を断念する前の試行回数を指定します。ここには誤った配線距離や、オートルーターが実行する配線のクリーンアップの試行回数も含まれます。自動配線のストラテジの作成は難しく、オートルーターがさまざまな状況でどのように機能するのか、ということは理解できるくらいの経験が必要になります。 一方、自動インタラクティブルーターでは面倒なストラテジの作成を行わずに、配線経路を指定できます。つまり、設計全体ではなく選択したネットでのみ配線が行われるため、オートルーターのようなストラテジが必要ありません。自動インタラクティブルーターは、配線の対象となるネットやネットのグループを選択すると実行できるのです。ここでは、ルーターによって配線経路が選択されるようにするか、設計者が手動で作成した経路をテンプレートとして使用するかを選択できます。配線経路のテンプレートを作成すると、配線が行われる場所を指定しながら、トレースを配線するという面倒な作業を自動インタラクティブルーターに任せることができます。 自動インタラクティブ配線では、一様な配線パターンの作成が可能 自動インタラクティブ配線では、自動配線されない 記事を読む
多層PCB設計: 高電圧PCB向けの基板の製造 多層PCB設計: 高電圧PCB向けの基板の製造 1 min Thought Leadership 編集クレジット: Anton_Ivanov / Shutterstock.com オリジナル版の『 シュレック』は、私が大好きな映画の1つです。『 スター・ウォーズ』といったもう少し歴史のある作品と同じように、この映画に出てくる名言はマニアである友人や兄弟姉妹の間でお気に入りの言葉になっています。特に有名なのは、自分のような怪物は複雑な生き物だということをシュレックがドンキーに説明しているシーンでしょう。「玉ねぎにはいくつも層がある。怪物にもいくつも層がある。わかるかい？玉ねぎにも怪物にもたくさんの層があるんだ」ここでドンキーが指摘したのは、誰もが玉ねぎを好きだとは限らないものの、パフェを嫌いな人はいないということでした。人が層になっているものをどのくらい好むかという点で、私の友人はPCB設計のラボで、多層PCBがパフェと玉ねぎの中間にあると言いました。 その複雑性を踏まえると、私はよく多層PCBがパフェよりも玉ねぎに近いと感じます。多層PCBに苦手意識を持たないようにするのに役立つことの1つは、製造の方法やその工程で設計にどのような影響があるのかについて理解することです。高電圧設計の場合は、製造による影響について理解しておくことがさらに重要になります。 多層基板の製造方法とは PCB設計を製造業者に送った後は、最終的に完成基板にまとめて搭載されるそれぞれの層が個別に製造されます。銅箔トレースは撮像、エッチングされてからラミネート加工されます。これらの層は、非常に強力な液圧プレスで絶縁材を使って一緒に圧迫され、基板の最上層と最下層が加工されます。 中間層は、樹脂を浸透させたファイバーガラスである「 プリプレグ（prepreg）」（pre-impregnatedの短縮語）を使って製造されます。プリプレグに含まれる樹脂の割合は、液圧プレスによる基板の圧迫に影響を及ぼします。プリプレグの分量と粘性は用途に応じた最適なものにし、製造中に不具合が発生しないようにしなければなりません。これは、ケーキの最後の層のフロスティングとスポンジを用意することに似ています。 プリプレグに含まれる接着剤の割合が多過ぎると、圧迫時に層と層の間からはみ出してしまいます。おいしいフロスティングなら問題ないかもしれませんが、PCBの製造の場合はご想像どおり、厄介でまずいことになります。プリプレグが多過ぎて基板が厚くなると、電圧保護の計算がすべて台無しになってしまうのです。 PCB に含まれる樹脂はケーキのフロスティングのようなもの。分量を間違えると厄介なことになる。 樹脂について 一般的なPCBの場合、製造業者は低コストでボリュームのあるプリプレグ材を使用する確率が高くなりますが、こうした材料は樹脂の含有量が低く、ガラスが多く含まれます（ガラスは樹脂の浸透に影響を及ぼします）。高電圧の用途向けの場合は、 樹脂の割合が高いプリプレグを使って、層のプレス後に隙間が残らないようにしなければなりません。隙間によって絶縁層の効果的な誘電性が変化すると、やはり電圧保護の計画が台無しになってしまいます。 ここでの賢い方法は、1080や2113といった高電圧用のプリプレグを選択することです。こうしたプリプレグは、樹脂の含有量が高くて層が薄くなるため、隙間や微泡が残るのを防止してすべての層の密度を高くすることができます。層状になった食べ物で言うと、バクラヴァのようなフレーク状の層は、高電圧下での性能に 大きな影響を与えます。これらのプリプレグには含まれるガラスも少ないため、樹脂の浸透もよくなります。コストは上がるものの、その分だけ高電圧下での保護状態も向上します。 記事を読む
製品のサービスが行いやすくなるよう設計を最適化する方法 製品のサービスが行いやすくなるよう設計を最適化する方法 1 min Thought Leadership 十分に準備を整えたつもりで何かに立ち向かったところ、何をすべきか全くわからないという感情を味わったという経験はあるでしょうか? 残念なことに、私は思い出したくないほど数多くこのような経験をしています。特に、サービスを行いやすくなるように製品を設計する、または修理を考えて設計を開始したときに、頻繁にこのような経験をしました。 サービスを行いやすくなるように製品を設計すべきか どうかを決定する前に、考慮すべき多くの要因が存在し、その現実性について十分な時間をかけて考慮する必要があります。最終的に、修理を考えて設計を行うことを決定した場合、製品のサービスとトラブルシューティングが簡単になるような機能を含める必要があります。私は初期の設計ミスから、サービスを行いやすくなるよう設計を最適化する方法を学びました。いくつかの役に立つヒントをここで紹介しましょう。 1. 視覚的なインジケーターを追加する オンサイトで電子機器のサービスを行うのは、サポートチームの手に余ることがあります。特に、誤動作が重要な動作の遅延を引き起こしている場合にはその傾向が強くなります。いくつかの視覚的なインジケーター、例えばLEDやLCDを的確に配置すると、サポートチームが問題を迅速に特定するのに役立ちます。LEDを使用して、基板に電力が供給されていること、マイクロコントローラが動作していること、基板がデータを正しく送受信していることなどを表示できます。 2. PCBにラベル付けする 技術サポートチームに最新の回路図を渡しておいたとしても、基板上のコンポーネントに正しくラベル付けしておかなければ、正しい部品を探すために多くの時間を費やすことになります。コンポーネントへモジュールに応じて割り当てを行うシステムを使用し、正しいコンポーネントのとなりに シルクスクリーンラベル が配置されていることを確認します。また、基板接続へのワイヤのデジグネータの横に、意味のあるラベルを追加します。「PC」などのラベルを使用すると、そのコネクタがPCに接続されていることを技術者が容易に認識できます。さらに、受信ワイヤ接続で極性が重要な場合、「+」や「-」などの極性サインを追加することも適切です。 3. エラーのログ出力機能の実装 複雑な組み込みシステムを設計するとき、エラーのログ出力を無視することはできません。ほとんどの場合、ラボでのテストで見逃された 問題やバグ は、現場で追跡するのが困難です。これらの問題は多くの場合、変数の組み合わせによってトリガされ、簡単に再現できません。さらに悪いことに、サポートチームが問題に取り組もうとしたときには、システムは既にリセットされている可能性があります。最低でも、EEPROM（Electrically Erasable Programmable Read-Only 記事を読む