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高齢者の独り暮らしを支える新たなIoTテクノロジー 高齢者の独り暮らしを支える新たなIoTテクノロジー 1 min Thought Leadership 私の祖母はこの7年間、両親の家と同じ通り沿いに住んでいます。ここに越してきたのは、彼女のアルツハイマー病が発覚し、独り暮らしはもうできないのではないかと両親が感じた後のことです。しかし、テクノロジーのおかげで、祖母は半ば独立した生活を送ることができています。私の母は監視カメラを使って、祖母が安全に満足して過ごしていることを確認し、必要があればいつでも彼女のもとを訪れます。この方法では祖母が介護施設に入らずに済みますし、両親も過度な負担なしで祖母の世話をすることができます。高齢者とその子供の多くはそれぞれが独立した暮らしを望みますが、健康面と安全面を考えると、そうもいかないことが少なくありません。新しいスマート センサーアレイとモノのインターネット（IoT）を使用したスマート ホームシステムを利用すると、お年寄りが可能な限り独立した暮らしを営むことができるようになります。 高齢者の独り暮らし 自宅を離れたいと考える高齢者はほとんどおらず、その子供の多くも自身の自宅に迎え入れることを希望していません。健康および安全上の懸念からやむを得ない場合もありますが、今後はそれほど急がなくても済むかもしれません。 American Association of Retired Persons（AARP）の調査によると、高齢者の90%が 自宅に住み続けることを希望 しています。成人した子供もまた、高齢者の介護に不安を感じています。高齢な親の世話には、場合によって 高額な費用 と 多大なストレス が伴い、 何年にもわたって続く 可能性があります。このような懸念から、子供が親を介護施設に入れざるを得なくなり、結果的に高齢者の 生活の質が低下する ことも少なくありません。 記事を読む
高電圧設計向けのPCBレイアウトについて計画する方法 高電圧設計向けのPCBレイアウトについて計画する方法 1 min Thought Leadership 以前、都市プランナーの友人とトレイルランニングをしていたことがあります。私が疲れてやる気を失くしてしまう前に少しでも長く走らせようと企んだ彼女は、街の区画整理や建設に関することについてあれこれ聞かせてくれました。地元の政治の裏話に興味をそそられた私は、走る辛さを忘れたものです。 友人は賛成しないでしょうが、高電圧PCB向けのレイアウトは複雑な都市計画にいくつかの類似点があります。高電圧PCBでは通常のPCB設計に関する検討事項に加え、最終製品の最高性能を確保し、寿命を迎えるまで保護するために、基板全体で電界強度を制御、最適化できるレイアウトが必要になります。 高電圧領域の分離 都市計画で区画地域を指定し、土地の用途を制限するのと同じように、設計者は高電圧回路をグループ化し、基板の他の部分への影響を最小限にしなければなりません。高電圧と低電圧の領域を分離することで、基板でのアーク放電のリスクを低減できます。 高電圧の領域を物理的に分離する方法の1つは、周辺にinsertを追加することです。基板のレイアウトを作成する際は、insertを配置した場所にルータ加工する長穴を配置します。長穴が実装できるかどうかや、長穴の許容差については、製造業者に確認する必要があります。 基板の中で最も電圧が高い領域の近くに長穴を配置すると、過電圧になる可能性が高くなります。 Proto Express は、度重なるアーク放電に耐え得るよう長穴を設計することを推奨しています。長穴の最小幅は、基板で想定される最高電圧で 十分な保護 を確保できるものでなければなりません。長穴のサイズに少しマージンを追加すれば、コロナ放電やアーク放電で長穴の縁が炭化しても、PCBは損傷を受けずにすみます。これが重要なのは、縁がアーク放電による損傷を受けるのに伴って、PCB材料の耐性が低下するからです。 長穴は、基板の他の機能やビアと同様に、製造中にルータ加工されます。これが完了すると不活性絶縁材が長穴に追加され、垂直の障壁が形成されます。電圧が低ければPCB材料を使用できるものの、電圧が高い場合はポリエステルやテフロンなどの材料を使用したほうがよいでしょう。insertはクリップや接着剤で固定できるほか、長穴やinsertを所定の場所にロックできる形状に設計することも可能です。 高電圧の領域を分離することは、基板全体の電圧を徐々に下げるために重要 基板全体の電圧を徐々に低減 電圧の高い領域を分離した後も、残りの部分を「区画分け」して電圧を徐々に下げられるようにしなければなりません。ここでは、メインの導体の周辺に低電圧で稼働する回路を配置することで、電界を再分離できます。電界強度が低い領域では、コロナ放電やアーク放電が発生する可能性が低くなります。 高電圧設計での電界の分離には、 電圧浮動環 や電界格子環も使用できます。これらの環は、設計で保護される高電圧源のAC/DCの特性に応じて、抵抗やコンデンサーと連動したり、 終端として機能したりします。かなり高度な設計コンポーネントのため、使用を検討する場合は資料を詳しく確認することが推奨されます。 ノイズ源の分離 記事を読む
PLCと組み込みシステムとの比較: ユニット単価が高くてもPLCを選択すべき場合 PLCと組み込みシステムとの比較: ユニット単価が高くてもPLCを選択すべき場合 1 min Thought Leadership 評判の高い、豪華なレストランで夕食を取ったことがありますか? そのときは、かなりの金額を支払ったことでしょう。しかし、素晴らしい夕食を希望し、それを楽しめたなら、その金額は十分に価値のあるものだったはずです。これに対して、平均的な地元のレストランで、サンドイッチが予想額より20ドル高かったら、馬鹿げた話だと思うのが当然です。このような場合は、そのお金で料理教室に通い、自分で料理を作った方がずっとマシというものです。 私は電子機器設計者として、プログラマブル ロジックコントローラー(PLC)やローカライズされた組み込みシステムで同様の経験があります。PLCを、ローカライズされた組み込みシステムに置き換えることで、コストを大幅に削減できます。しかし、豪華な夕食が支払い金額に見合う価値があるように、より高価な選択肢であるPLCの方が適切な選択となる状況もあります。 PLCとその応用 プログラマブル ロジックコントローラー は産業用に特化したコンピューターです。入力信号(デジタルまたはアナログ)を監視し、論理演算を実行し、特定の出力信号を出力するようカスタムプログラムされています。PLCは堅牢であることが知られており、産業用の極端な環境や、障害がほとんど許されないようなアプリケーションで一般に使用されます。 PLCが一般的なのは、モジュール構造のためです。これによって、プラグアンドプレイの手法で簡単に組み入れできます。最も基本的な構造は、中央処理装置(CPU)、電源、入力/出力（I/O）モジュールで構成されます。PLCのプログラミングは、マイクロコントローラーのコーディングよりも簡単です。これは、製造業者から供給されるラダー図、機能ブロック図、およびソフトウェアについての構造化テキストを中心としてプログラミングが行われるためです。 PLCは産業用アプリケーションにおいて珍しいものではありません。生産ライン、交通信号、エスカレーター、HAVAシステムなどに一般的に使用されています。これらのPLCは基本的なデータ操作機能があり、 Modbus や DeviceNet など各種の通信プロトコルを対応できます。これらの機能から、自動制御システムに好んで使用されています。 PLCの設定はほとんどプラグアンププレイで行われます。 ローカライズされた組み込みシステムがPLCに置き換わることがある理由 一般に、組み込みシステムとは、ハードウェアとソフトウェアが連携動作し、アプリケーション固有の機能を提供するものと定義されます。電子機器設計者の視点からは、これはマイクロコントローラー(MCU)、メモリチップ、 電源管理回路 、通信モジュール、入力/出力機能で構成されます。 これはPLCと似ていますが、両者の間には明確な相違点があります。 記事を読む
1つのGND接続によって100台のMP3プレイヤーに問題が発生した理由 1つのGND接続によって100台のMP3プレイヤーに問題が発生した理由 1 min Thought Leadership テクノロジーは偉大なもので、確かに人生の特定の部分を楽にしてくれました。しかし、子育て、コーディング、電子機器の設計、そして時にはこのような記事を書いていると、最高のアプリを使用しても、日々のストレスを低減できなくなることがあります。例えば、私は今朝塩と砂糖を間違えて、子供の大好きなお粥に混ぜてしまいました。私の小さなミスにより、私の5歳の子供はGordon Ramseyと張り合えるくらい騒ぎ立ててしまいました。 同様に、ごく小さなミスにより、優れた設計が台無しになることもあります。非常に運が良ければ、そのミスは子供の癇癪に10分間付き合う程度の問題で済むかもしれません。残念ながら、PCB設計の世界では、これは数百もの欠陥のある設計を処理することになるのが普通です。私は5年前に、まさにこのような例を経験しました。小さな設計ミスのせいで、きっかり100台のカスタマイズされたMP3プレイヤーが、左チャンネルの音声に障害を持つことになってしまったのです。このミスは大きな苦痛であったため、今でも詳しい点を全て覚えています。 GNDが同じであっても異なる場合 MP3プレイヤー、またはオーディオをベースとする他のPCBプロジェクトの設計を開始する前に、何が重要なのかに集中する必要があります。そして、場合によってはこれは十分に明確ではありません。私は今朝、息子にお粥をあげることが目的だと考えていましたが、本当に肝心なのは正しい砂糖を入れることだったわけです。それと同様に、どのような種類の特化した集積回路（IC）を使用するかに気を取られていたところ、本当に決定的なのは電子回路における各種のGNDの重要性を知ることだったということが考えられます。大学の回路設計の講義では、電力GND、デジタルGND、アナログGNDについて学びます。 全てのGNDが同じではありません。 オーディオプレイヤーを設計するときは、アナログとデジタルのGNDを取り扱う必要があります。これらのGNDは回路図に、異なるシンボルで表示されますが、PCBレイアウトでは互いに接続されているように見えます。 GND配置 についてのいくつかのベストプラクティスを見ると、ほとんどの場合にこれらを単一の点、たとえばスター型GNDに接続することが推奨されています。 この助言を無視することは許されませんが、オーディオ設計の全体で最もやってはいけないことは、 単一のGNDプレーン を持つことです。オーディオGNDとデジタルGNDを単一の点で接続すると、オーディオチャンネルに干渉が起き、しかも原因がそこにあると判別するのは困難です。 私は、オーディオICをマイクロコントローラー（MCU）に接続している シリアルペリフェラルインターフェイス （SPI）の信号が干渉を引き起こしていることに気付かなければ、数万ドルの損失を引き起こし、大幅な修正を必要としたかもしれない経験があります。しかし、それに気づいても、100台のMP3プレイヤーに影響を及ぼす問題点を手作業で修正するため、私のチームは長時間の作業を余儀なくされました。 GNDの接続場所が重要な理由 この失敗から、私は電子機器の設計における最も大きな教訓の2つを得ました。まず、 テクニカルユーザーガイドは常に全部読む ことです。次に、各種のGNDプレーンをどこに接続するかは重要だということです。最初の教訓に従っていれば、この惨劇は避けられたでしょう。元の設計で私が失敗したのはこの部分です。 GNDプレーンでの失策は惨劇を招くことがあります。 記事を読む
リアルタイムクロック設計でベストプラクティスに従うべき理由 リアルタイムクロック設計でベストプラクティスに従うべき理由 1 min Thought Leadership 目覚まし時計が午前3時15分で止まっていたせいで、学校に遅刻した経験はありませんか? 高校のとき、目覚まし時計が鳴る音はあまり心地よいものではなかったものの、母が呼ぶ大声ほどには耳障りではありませんでした。時計が止まったのは電池切れのせいだとわかっていましたが、もっと注意していれば、電池が少なくなるにつれて時計の動きが遅くなことに気付いていたでしょう。そうすれば電池が切れる前に交換して、母の金切り声を聞かずに済んだでしょうに。すっかり大人になった今では、学生時代の目覚まし時計ではなく、 リアルタイムクロック （RTC）の設計に取り組んでいます。一般に、RTCは、設定された基準に対して現在の時間を刻み続ける集積回路（IC）です。RTCは通常、メインシステムの電源が切られた後も動作を続けるように設計されており、最小限の電力しか消費しません。仮にシステムのRTCが故障した場合、その影響は母親のお説教よりもずっと悪いものになります。RTCが重要になる理由と設計時のベストプラクティスについて確認していきましょう。 RTCが組み込みシステムで重要な理由 時計が正しくないと、人事部門が困ることになります。 データ駆動型で時間の影響を受けやすい組み込みシステムは、そのほぼ全てでRTCを搭載しています。これは、特定の動作を実行するために正確な日付と時間が必要だからです。例えば、設定された時間に基づいて、異なるアクセス優先度を有効にするドア セキュリティシステムがあるとします。RTCが故障すると、正しい時間帯に作動させてもドアが開かないかもしれません。 そのほかに、記録されたイベントとアラートが、信頼できる監査証跡として使用される組み込みシステムでは、RTCが非常に重要になります。例としては、従業員の報告した日時を人事部門が追跡する出勤管理システムや、アラームイベントの記録を保持する必要のある火災警報システムが挙げられます。 RTC設計にベストプラクティスを導入していないと、大きな損害につながるおそれがあり、特に制御装置が現場に実装済みの場合はなおさらす。以前私が勤めていた職場では、駐車場システムの独立した支払い制御装置で、RTCの問題が発生したことがありました。RTCの時間が実際の時間よりも徐々に遅くなっていき、駐車料金の間違いで顧客を怒らせてしまったのです。 RTC設計で避けるべき一般的なミス RTC回路の設計には、通常5つのコンポーネントしか必要ないため、簡単な業務のように思えるかもしれません。必要なのは、専用RTCチップまたはマイクロコントローラーに組み込まれたRTC、水晶振動子、一対のコンデンサー、コイン電池です。私は、ベストプラクティスとして、次の設計ガイドラインを常に守るように心がけています。 1. 水晶振動子をできるだけRTCの近くに維持し、トレース長を可能な限り短くします。こうすることで、ノイズ結合の生じる可能性を低減できます。 2. RTCと水晶振動子の間またはトレースの下に、その他のトレースを配線しないようにします。これは、クロック信号に不要な干渉が結合しないようにするためです。 3. RTC回路の近くに 高速信号 を配線しないようにします。 記事を読む
半導体ファイバーは光ファイバーケーブル伝送ラインに置き換わるのか 半導体ファイバーは光ファイバーケーブル伝送ラインに置き換わるのか 1 min Thought Leadership インターネットは、奇妙で魅力にあふれた場所です。私が子供の頃はダイヤルアップ インターネットの末期で、チャットルームが全盛の頃でした。今では、私はたまにインターネットでいくつかのオンラインゲームを楽しんでいますが、このようなものは当時は不可能でした。私の電話ルーターや銅線によるネットワークでは、画像をロードするための帯域幅を確保するのがやっとでした。今日のネットワークは、非常に高速な光ファイバーにアップグレードされました。これらの通信システムは確かに昔の銅線によるものより優れていますが、依然としていくつかの欠点もあります。このため研究者たちは、シリカの代わりに半導体を使用する新しい種類の光ファイバーを探求してきました。この新しい種類のケーブルは、広域ネットワークとPCBの両方において、信号伝送に役立つ可能性があります。 光ファイバー 多くの人々は、インターネットのことを、雲の中かどこかに設置されていて接続可能な「何か」と考えていますが、実際にはインターネットとはコンピューターの集まりにすぎません。数百万台ものコンピューターが互いに接続されています。これらのコンピューターを互いに接続する情報ハイウェイの多くは、光ファイバーケーブルで構成されています。光ファイバーはガラスで作られており、その高速性と信号の優れた品質から、ネットワークに広く活用されてきました。しかし、光ファイバーにはいくつかの欠点があります。問題となっている主な欠点は、光回路と電気回路とを接続するため必要な機器のコストと複雑性です。 ほとんどの光ファイバーケーブルはシリカ、つまりガラスを使用して光を伝達します。光は情報を搬送するため優れており、電子的な配線よりもはるかに大きな帯域幅があります。企業は現在 40Gbpsのイーサネット を検討していますが、光ファイバーは既に 最高43Tbps の速度に達しています。また、光は ビットエラー率が低く 、電磁気的干渉に耐性があります。これらの特性から、長距離のネットワークや、速度が最重要なゲームのネットワークの伝送方式として使用されています。 自宅にファイバー接続を導入したいと思うかも知れませんが、まずは価格を調べましょう。ファイバーについての主な不満点の1つは、光信号を電気信号へ変換するため使用される回路のコストです。この理由から、収益を考えた場合に、接続ポイントが 問題点 になります。この高価な機器はさらに複雑で 電子回路との接続が困難 でもあります。この理由から、一部の研究者たちは半導体から作られた光ファイバーを開発してきました。 光ファイバーは、World Wide Webへ従来より高速に接続するため役立ってきました。 半導体の光ファイバー 記事を読む
低電力ワイヤレス通信用のRFテクノロジー: Ambient Backscatter 低電力ワイヤレス通信用のRFテクノロジー: Ambient Backscatter 1 min Thought Leadership 私は家族の再会が好きですが、私の拡大家族は40人もいるため、これはかなりの大事になります。カードで遊んだり、水泳をしたり、または夕食のテーブルなどどこでも、常に誰かが冗談を言ったり、話を始めたりします。実際に、ほとんどの人々が話を始めるため、皆に聞いてもらうには叫ばなくてはならないこともあります。電磁スペクトルの中での通信も、このように困難な場合があります。デバイスは多くの場合、データを伝送するために、空中に自分の信号を「叫ぶ」必要があります。この伝送には電子機器とエネルギーが必要で、一部のデバイスでは容積やバッテリー駆動時間の関係で実現できません。ワシントン大学の研究グループは、Ambient Backscatterによる通信を使用して、これらの問題点の解決を試みています。この方法により、データの伝送に必要な回路と電力が何桁も減少する可能性があります。Ambient Backscatterがワイヤレスネットワークへ実際に使用可能なら、大規模なモノのインターネットのセンサーネットワークに極めて有用となるでしょう。 Ambient Backscatter 技術者は、周囲の世界が電磁気信号に満ちており、その多くは人間の設計するデバイスにより生成されることを熟知しています。これらの伝送は他のデバイスにより検出可能で、さらに 発電にも使用可能 です。これらは意図しない受信機と干渉する可能性もあるため、FCCは 放射放出 について厳しい規制を行っています。しかし、これらの研究員たちは、空中の周囲の信号を逆に利用して、デバイス間で情報を伝達する方法を発見しました。 IoTセンサーとデバイスのバッテリーを 環境発電システム に置き替えることについては、最近多くの議論が行われています。一部の人々は、テレビ局の送信など高エネルギーのRF信号を電力に変え、デバイスに供給することさえも想定しています。このアイディアは いくつかの理由から 完全に実用的ではありません。しかし、この主な理由の1つは、単に電力が十分ではないということです。最低でもマイクロプロセッサー、センサー、ワイヤレス回路に電力を供給し、多くの場合は メモリ にも電力を供給可能な必要があります。低消費電力のプロセッサー、センサー、 メモリ は存在しますが、ワイヤレス接続には代償が伴います。ただし、Ambient Backscatterを使用すれば話は別です。 記事を読む