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必須のPCB設計のヒント：PCB設計にウォッチドッグタイマーを実装する方法

必須のPCB設計のヒント：PCB設計にウォッチドッグタイマーを実装する方法 1 min Thought Leadership 在宅勤務には仕事のメリットがいくつかあります。自分で食事を作ることができ、昼休みに洗濯をすることができ、好きなだけお茶を飲むことができます。私はお茶のために水を沸かすためにストーブトップのケトルを使用しているので、執筆に没頭しているときは、高い音のホイッスルでお湯が沸いたことを知らせてくれるのを頼りにしています。時々、不注意で蓋をきちんと閉めないことがあります。その結果、ケトルは静かなままで、中の液体の水が急速にガスに変わっていても音を立てません。このシナリオでの私の不注意な行動は、お茶を少なく飲むことを意味するだけですが、組み込みシステムでは、ウォッチドッグタイマー（WDT）の操作方法を知らない場合、その結果ははるかに重大です。タイマーの操作に失敗すると、停止したマイクロコントローラーは停止したままとなり、組み込みシステムがダウンしたままになります。ウォッチドッグタイマーの仕組み、ウォッチドッグタイマー回路の実装方法、そして最初の試みで正しく機能させる方法を見てみましょう。そうすることで、このシナリオを避けることができます。組み込みシステムがWDTを持っていても回復できなかった理由ウォッチドッグタイマーは、ハードウェアまたはソフトウェアのウォッチドッグ回路がクラッシュした場合にマイクロコントローラーを再起動するための、電子機器におけるシンプルなフェイルセーフ機能です。STM32ウォッチドッグタイマーは、別の集積回路（IC）として、またはマイクロコントローラー自体に組み込まれた機能として利用可能です。組み込みシステム設計においてWDTを使用しないことは、しばしば許されない過ちです。ウォッチドッグタイマーの動作方法はシンプルです。設定されたウォッチドッグタイムアウト間隔でカウントダウンするようにプログラムされます。通常の操作では、マイクロコントローラーは定期的にタイマーのカウントダウンタイマーをリフレッシュして、それが期限切れになるのを防ぎます。マイクロコントローラーが応答しない場合、ウォッチドッグタイマーをリフレッシュしません。その結果、ウォッチドッグタイマーが期限切れになると、マイクロコントローラーをリセットするためのパルスまたは信号をトリガーします。このシンプルな機能は、マイクロコントローラーがクラッシュする可能性がある設計ミスや環境要因を補償します。しかし、WDTが失敗した場合、組み込みシステムが誤った状態から回復する可能性は低いです。これが、ウォッチドッグタイマーがマイクロコントローラーをリセットできない原因を特定することが重要である理由です。最も明白な答えは、ウォッチドッグタイマーチップが故障していることです。しかし、複数のユニットで組み込みシステムが回復できないと繰り返し発生する場合、設計に何か問題がある可能性があります。実際に、私が設計し展開してきた数百のマイクロコントローラーベースのデバイスの中で、STM32ウォッチドッグタイマーが故障したという事例には一度も遭遇したことがありません。根本的な原因は、しばしば単純に人為的なミスです。 WDTが正常に動作しない可能性がある理由内蔵WDTを使用する組み込みシステムでは、実行中のコードがウォッチドッグタイマーを無効にする可能性があります。これは、設定ビットが意図せずに上書きされた場合です。外部ウォッチドッグタイマーチップは、全く異なる問題に直面します。この場合、ファームウェアエンジニアがプログラムを開発およびデバッグしているときに、外部ウォッチドッグタイマーからのリセット信号を切断できるジャンパーピンが一般的に存在します。しばしばこれらのジャンパーピンは、現場に展開する前に手動で接続する必要があります。接続されていない場合、WDTのリセット信号は切断されたままとなり、マイクロコントローラーをリセットできません。ウォッチドッグタイマーが機能しない一般的な理由の一つは、コーディングエラーによるものです。WDTタイマーをリフレッシュする関数がプログラムの間違った部分に配置されている場合、それらは本来機能すべき時に動作しません。リアルタイムオペレーティングシステム（RTOS）では、異なる優先順位を持つ複数のタスクがあると、マイクロコントローラのファームウェアが複雑になります。優先度の高いウォッチドッグ回路タスクは、優先度の低いタスクが異常な無限ループにある場合でも実行を続けることがあります。ウォッチドッグタイマー回路のリフレッシュが最優先タスクである場合、マイクロコントローラは正しく機能していないときにリフレッシュされません。 WDTが信頼性を持って機能することを確実にする方法 WDTがその役割を果たすことを確実にするには、ファームウェア開発者、システムインストーラー、およびハードウェアウォッチドッグ設計者が関与します。ファームウェア開発者は、内部WDTをオフにするコードオーバーランを避けるためにプログラミングのベストプラクティスを適用するべきです。ファームウェア開発者は、マイクロコントローラのメモリアーキテクチャと、コード内でメモリポインターと割り当てを正しく使用する方法をよく理解していなければなりません。その他にも、プログラムの構造は、ウォッチドッグタイマーがプログラムの適切な位置でリフレッシュされるように設計されるべきです。これは、プログラムのどこかで無限ループが発生した場合にプログラムがウォッチドッグリセットをトリガーすることを意味します。また、WDTの機能を現場でチェックするテストユーティリティを開発することもできます。これにより、外部ウォッチドッグタイマーとマイクロコントローラーの間の接続されていないジャンパーピンを見逃すリスクも排除されます。高品質な製造可能な回路基板を構築するために必要なすべてを含む使いやすいPCBレイアウトツールにアクセスする必要がある場合は、 CircuitMakerをご覧ください。使いやすいPCB設計ソフトウェアに加えて、すべてのCircuitMakerユーザーは Altium 365プラットフォーム上の個人ワークスペースにアクセスできます。設計データをクラウドにアップロードして保存し、安全なプラットフォームでウェブブラウザを介してプロジェクトを簡単に閲覧できます。

自動配線が可能なPCB設計ソフトウェアで時間を節約できる主な理由

自動配線が可能なPCB設計ソフトウェアで時間を節約できる主な理由 1 min Thought Leadership 私は長年にわたってPCBの設計に携わっていますが、自宅よりも職場で過ごす時間のほうが長くなっていました。残念ながら、家族はそんな私の日常にすっかり慣れっこです。締め切りが迫っている設計があると、私が夜遅くまで仕事をすることになるのを家族全員がわかっています。ストレスを解消したり、家族といる時間を増やしたりするためには、設計時間を短縮する方法を見つけなければいけないのはわかっていました。つい数週間前のハロウィンも、設計の締め切りと重なってしまいました。ところが、作業は前倒しで完了し、早い時間に帰宅することができました。家族はみんな大喜びです。私たちはトリック・オア・トリートやゲームをして遊び、大笑いしながら楽しい時間を過ごしました。私は家族のヒーローになれただけでなく、その夜は久しぶりにぐっすりと眠れました。予定より早く仕事を終えられたことで家族全員が救われましたが、そこで私が感謝したのはそれまで避けてきたあるもの - そう、オートルーターです。私は何年もオートルーターを使っているため、この機能に対する反論についてもよくわかります。ただし、最近では考えが変わりました。オートルーターは進化し、以前よりもはるかに便利になっているのです。洗練された現在のオートルーターでは、これまでのように紛らわしくて使えない配線だらけの基板が作成されることはなく、特定のニーズに対応します。こうしたルーターの活用方法を一度覚えると、それがどれほど便利か驚かされることでしょう。自動配線によってPCB設計ソフトウェアの世界は変わりました。ぜひ、新しい視点からこの機能を見直してみてください。かつては謎のブラックボックスだったPCB の自動配線オートルーター: ブラックボックスからPCB設計ソフトウェアへ多くの設計者は自動配線のことを、自分たちではコントロールできないある種の謎めいたブラックボックステクノロジーだと考えてきました。得体の知れないルーターに設計データを送っても、出てくる結果にがっかりするだけだったのです。ルーターで行われる不適切な配線のせいで、何時間もかけて手動できれいに修正するはめになるのはよくある話でした。こうした問題のせいで、私も含めて多くの設計者がオートルーターを信用できなくなりました。ところが今は話が違います。以前よりも格段に改良されているのです。多くのオートルーターは、サードパーティー製のブラックボックスアプリケーションではなく、PCB設計ソフトウェアに組み込まれています。つまり、すでに設定してあるデザインルールを使えるため、別のアプリケーションと整合させる必要はありません。また、現在のオートルーターはさまざまなモードで機能するため、作業する領域を絞って配線することもできます。その一部をご紹介しましょう。 Point-to-point の自動配線: ネットを単純にPoint-to-pointで接続できます。配線対象のネットを選択すると、デザインルールに従ってトレースが自動的に配線されます。一括自動配線: 私たちが覚えている以前の「ブラックボックス」のオートルーターと似ているものの、最新の一括ルーターでははるかに多くの設定ができます。通常はPCB設計ソフトウェアに組み込まれているため、すでに設定してあるデザインルールを使用すれば、格段に管理しやすくなります。設計に役立つ自動配線機能を備えるPCB 設計ソフトウェア自動配線機能を備えるPCB設計ソフトウェアはどう設計に役立つのか同僚から自動配線を見直してみるようにすすめられたとき、私はまずそれを拒みました。ところが、助けが欲しかった私は最終的に必要に迫られ、自動配線にもう一度目を向けてみることにしたのです。そこで見つけたものに私は驚きました。きっと、皆さんも驚かれるはずです。下記は、その中でも本当に役立っている配線機能です。

回路構築ソフトウェアのさまざまなタイプのサポート

回路構築ソフトウェアのさまざまなタイプのサポート 1 min Thought Leadership 数週間前に、10歳になる息子が、私の助けが必要な問題を抱えて私のところにやって来ました。彼の自転車のギアが高速から切り替えられず、自転車に乗れないとのことでした。問題が明らかになったので、私がすべきことは、曲がった変速機をまっすぐに戻し、潤滑油をさすことでした。数分後、息子は、ほかの友だちに合流するため、うれしそうにペダルをこいで通りを走っていきました。このできごとで、私は、息子が私に求めた支援と、私たちがCADの技術サポートサービスにたびたび求める支援は似ていると考えました。何かが壊れたとか適切に動作しないといった場合、私たちは元の状態に戻れるよう、助けが必要になります。息子は、自分の問題を私が解決できることを知っていたので、私のところに来ました。同様に、私たちは、必要なときにサポート技術者が自分たちの問題を解決できることを期待します。新しいソフトウェアを評価する場合、検討すべき事項の1つに、どのような技術サポートが利用できるか、ということがあります。これは、市場にはさまざまなタイプのサポートがあるからです。契約書に署名する前に、そのソフトウェアではどのようなサポートが提供されるのか、また、追加できるサポートは何かを正確に知っておく必要があります。回路構築ソフトウェア会社が通常提供するさまざまなタイプのサポートおよびサービスについて見てみましょう。コールセンターのオペレーター助けが必要なときにどのようなサポートを利用できるか新しい回路構築ソフトウェアを使用する過程で、いずれサポートが必要になるということを認識してください。そのソフトウェアで提供されるサポートのタイプ、サポートへのアクセス方法、サポート費用について、あらかじめ把握しておく必要があります。ソフトウェアを購入しようとする場合、次のような質問をしてみましょう。どのようなタイプのサポートサービスが提供されていますか? 多くの場合、サポートは、電話、電子メール、「チャット」サービスなどで提供されます。ご自分のワークフローに適したタイプのサポートが受けられることを確認してください。どのようなサポートプランをどれくらいの費用で利用できますか? さまざまな企業が、さまざまなプランを通じて、さまざまなレベルのサポートを提供しています。ある会社は、年間保守料で一般的なサポートを提供しています。別の会社は有料サポートを提供し、ユーザーはどれくらいサポートを利用したかに応じて料金を支払います。また、段階的に異なるレベルのサービスを異なる料金で提供している会社もあります。契約前に、提供されるサポートプランとその費用を必ず把握しておきましょう。 FAQ、ブログ、ユーザーグループ、あるいはその他利用可能な情報がありますか? これらのタイプのリソースは、とても役に立つ可能性があります。通常は費用もかかりません。トレーニングが提供されていますか? 従来の教室での授業からWebベースのトレーニングまで、提供可能なさまざまなスタイルがあります。最初に、オプションの内容と費用を確認しましょう。そうすることで、新しいソフトウェアの基本について理解するために予定外の費用を支払わずに済みます。どのようなタイプの専門的サービスが受けられるか電話サポートやFAQなどの標準的なサポートサービスでは、必要な全てのサポートを提供できない可能性があります。これらのサービスは、機能に関する特定の質問に回答してくれますが、全社的なインストールやデータベース変換などの、より大きな問題には対応していないかもしれません。回路構築ソフトウェアを提供する企業は、通常、それらの問題に対応するための専門的なサービスを追加で提供しています。ソフトウェアを購入する前に、何が必要なのか、そしてサポートを提供してくれる専門的なサービスがあるかどうかを見極める必要があります。次のような質問を検討しましょう。アプリケーションエンジニア（AE）に何を期待しますか

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

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

インタラクティブなPCB自動配線を最大限に活用するPCB配線

インタラクティブなPCB自動配線を最大限に活用するPCB配線 1 min Thought Leadership 数年前、私は家の屋根を替える手伝いをしました。最初の作業は古い屋根板の撤去でした。1度に1枚ずつ屋根板を引きはがして私は得意満面でしたが、プロの屋根職人がこちらにやって来て首を左右に振りました。その職人は、雪かきのようなシャベルを使って、私が手で5枚引きはがすより少ない時間で200～300枚の屋根板を撤去しました。その日、私は屋根の上で、よい仕事をするためには常によりよい方法を探す必要があることを学びました。 PCB設計の配線でも、私たちは作業を行うためのより効率的な方法を求めます。設計者は、おそらく、可能な限り最も整然とした配線を手動で行うのに必要な時間がわかっています。また、オートルーターならより短時間で作業を完了できるが、望ましくない配線結果になることも知っています。屋根板をはがすためのより有効な方法としてシャベルがあったように、私たちには、より効率的に配線できる自動インタラクティブルーターがあります。「自動インタラクティブルーター」という語をあまりご存知ない設計者にとって、これは比較的新しい配線技術です。この機能は、手動による配線の外観と精度を提供しながら、 1秒あたり約1つのネットを配線できるよう設計されています。自動インタラクティブルーターはバッチオートルーターではありません。また、基板全体を配線するようにも設計されていません。これは、ユーザーがコントロールし、ルーターが作業を行う、インタラクティブなPCB自動配線機能です。自動インタラクティブルーターは、ほとんどの場合プロセスの時間を短縮できますが、これによってとりわけ効率化される回路の領域があります。特に、レイヤーを変更せずに特定の順番で接続する必要がある単一または複数のネットがそれです。さらに具体的には、point-to-point配線、BGA breakout配線、バス配線などです。 Point-to-point配線ご存知のとおり、PCBには多くのpoint-to-point接続があります。例えば、狭い回路グループのコンポーネントピンを接続する短いネット、SMTパッドからのビアのエスケープパターン、基板の全長にわたるネットなどです。手動での配線は難しくはありませんが、時間がかかります。オートルーターは非常に短時間で配線できますが、基板の他の部分に望ましくない配線が行われる可能性があります。オートルーターの使用を短い接続に限定することはできますが、使用に先立ち設定時間が余分に必要になります。自動インタラクティブルーターは、信じられないくらい高速で同じ配線を行います。ユーザーは、配線するネットを選択してルーターを動作させるだけです。自動インタラクティブルーターは、データベースで設定済みの設計規則に従い、可能な限り最短の経路を使って配線を行います。また、オートルーターでは必要となるような面倒な設定はありません。自動インタラクティブルーターは最短でpoint-to-point 接続をするようにうまく機能します BGA配線 BGAから手動で配線する前に、最適なネットの接続順序を明らかにしておく必要があります。設計者が可能な限り最も効率的な配線パターンで配線し、BGAを接続するには、この順序が重要です。効率的な配線パターンは、基板に配線を追加するための空きスペースを残すだけでなく、ビアを不要にします。ビアは他の配線に必要になるかもしれないスペースを使ってしまいます。また望ましくない信号特性を引き起こす可能性があります。オートルーターによるBGA配線では、通常オートルーターが最適なネットの接続順序を選択しないので、実際のところビアの数が増えます。このような場合、自動インタラクティブルーターが役に立つことができます。自動インタラクティブルーターは、ユーザーに代わってすばやくBGA接続の順序を決定します。ユーザーが選択したネットは、配線が有効になっている基板レイヤーにトレースを均等に配分できる順序で評価されます。続いて、ビアを使用せずに統一性のある精密な配線パターンでBGAを接続するよう、配線が行われます。これらの統一された配線パターンでは、後のトレース調整や配線編集のために必要な予備の基板スペースができます。バス配線で、自動インタラクティブルーターは別の強みを発揮できますバス配線多くの場合、バスは統一された配線パターンを作成するため、手動で配線します。統一された配線パターンでバスを配線しなかった場合、

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。