平成１９～２１年度 地域活性化共同研究開発事業研究成果報告書(電源立地地域対策交付金補助事業)

福島県ハイテクプラザ研究報告書
Technical Reports of Fukushima Technology Centre

組込み応用製品の高機能化・高信頼性化に関する研究
Research on High Performance and High Reliabilityof the Embedded Computer Application Products

平成２２年２月

福島県ハイテクプラザ
Fukushima Technology Centre

はじめに
平成 20 年に始まった経済状況の悪化は、平成 21 年になってもまだ回復の兆しがなく、依然として厳しい状態が続いております。福島県の産業界においても、まだなお先行きが不透明なままであり、疲弊しきっている状況と言わざるをえません。
しかしながら、このような状況であるからこそ、自社製品の高機能化や高信頼性化が必須になっている中小企業において、多様化する顧客のニーズに迅速かつ的確に応えるためには、企業の技術力を強化することは必須であり、今後の発展のためにはきわめて重要な事項であります。
そこで、平成 19 年度から平成 21 年度までの 3 カ年にわたり、福島県内企業からの要望が多い組込み応用製品に関し、「地域活性化共同研究開発事業（組込み応用製品の高機能化・高信頼性化に関する研究）」に県内企業 4 社と共同で取り組んでまいりました。
本研究は、産業機械の制御基板開発において使用する開発プラットフォームおよび周辺装置の開発、開発環境の整備を行い、産業機械の高機能化・高信頼性化をハード・ソフト
両面から図ったものです。この間、多くの産学官の有識者によるご指導・ご助言をいただ
きながら研究を進めてまいりました。
財政状況の悪化などで取り組む内容が縮小し、当初の計画から後退してしまったことは否めませんが、この研究で得られた知見は関係する多くの企業の糧、技術力向上に資するに充分足りるものとなっております。これらを 3 年間の成果として本報告書にまとめました。関係する県内の多くの企業において、本研究の成果を活用され、各々の現場において技術力を高められ、様々なニーズに応えて新たな発想をもった製品が産み出されることに期待をしております。
終わりに、本事業の推進にあたり、大学・関係機関並びに参加企業の皆様方からの温かいご協力並びに貴重なご意見をいただきましたことに対しまして、心から厚く御礼申し上げます。
平成 22 年 2 月
福島県ハイテクプラザ
所長

黒澤 茂

平成 19 年度～21 年度 地域活性化共同研究開発事業

組込み応用製品の高機能化・高信頼性化に関する研究

目次
第1章 研究概要 ・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・ 1
第2章 組込み開発プラットフォームの研究 ・・・・・・・・・・・・・・ 3
第3章 高機能業務用プリンタの開発 ・・・・・・・・・・・・・・・・・13
第4章 自動巻線機の開発 ・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・23
第5章 無線通信応用組込み装置の開発 ・・・・・・・・・・・・・・・・33
第6章 画像応用組み込み装置の開発 ・・・・・・・・・・・・・・・・・39

研究概要

研究概要
産業機械や計測器といった組込み製品の分野では、製品の高機能化・高信頼性化を図ることが強く求められている。しかし、ここ数年慢性的に組込み技術者が不足しており、容易にその要求に答えることができな
いのが現状である。また、製品開発において技術者の技術レベルがそろわず、効率のよい開発ができないといった問題や、既存製品のメンテナンスにおいて部品が手に入らないため保守ができないといった問題を抱える企業も多い。さらに、IT 分野などから新たに組込み分野への進出を希望するものの、開発において要求される技術レベルが高く、参入を断念する企業も増えている。県内企業においても、これらの課題や問題については同様の状況である。
組込み製品開発における業界の動向をみると、これらの課題を解決する方策として、製品の高機能化を行うためには、高速な MPU や FPGA を採用し、リアルタイム OS を導入することが必須となってきている。
また、高信頼性化を図るためには、リアルタイム OS を利用したネットワーク通信を導入することも重要な要素となってきている。さらに、製品開発の効率化を進める、製品の保守性を高める、あるいは IT 分野からの参入を容易にするためには、必要となる機能を集約したプラットフォームを利用することが有効であり、プラットフォームを活用するために必要な周辺機器を後から追加するという開発手法は、汎用性が高く開発効率の面からも望ましいものである。
そこで、本研究では、県内の組込み開発関連企業における製品の高機能化・高信頼性化を図ることを目的
として、ハードウェア、ソフトウェア、開発環境からなるプラットフォームを整えた。
プラットフォームの基本設計において、ハードウェアには、県内企業で利用が多い MPU、FPGA を採用し、開発効率、保守性を高めた。また、周辺装置として無線装置、画像表示装置を導入し、IT 企業が組込み分野へ参入する素地を整えた。ソフトウェアには、リアルタイム OS として国内での利用実績の高いμITRON 仕様の TOPPERS/JSP 及び ASP を採用し、高機能化を図った。また、ネットワーク機能には、TOPPERS 上で機能する TINET を採用し、高信頼性化を図った。
プラットフォームの有効性を確認するための実証実験は、基本設計をもとに開発したプラットフォームを、実際の産業機械である業務用プリンタ及び自動巻線機に組込んで行った。その結果、開発したプラットフォームを利用することにより、製品の高機能化・高信頼性化を図ることができ、さらに、開発効率の向上や保守性の向上の可能性を示すことができた。
以下に、研究課題と概要を示す。
１．組込み開発プラットフォームの研究
下記の設計、実装によりプラットフォームを構築した。また、製品レベルの実証実験により、プラット
フォームの有効性を確認できた。
・プラットフォームとして相互利用可能なハードウェア(16 及び 32 ビット MPU、FPGA)の基本設計
・プラットフォーム上で動作する基本ソフトウェア(TOPPERS/JSP 及び ASP)の移植
・基本ソフトウェア及びアプリケーション開発環境の構築
・ハードウェア上に実装されたデバイスのドライバ(CAN)の開発
・組込み用途で使用できる FPGA 用の汎用基本 IP リソース(PWM 回路)の開発
・組込み用途で使用する周辺装置(無線通信装置、画像表示装置、モータドライバ)の基本設計
・自律分散プロトコルの設計、実装
２．高機能業務用プリンタの開発
ハードウェア(16 ビット及び 32 ビット MPU)の実装、基本ソフトウェア(TOPPERS/JSP 及び ASP)で動作するアプリケーション作成を行った。プラットフォームを活用することで、高機能化と開発の効率化が可能であることが分かった。
３．自動巻線機の開発
ハードウェア(FPGA)の実装、プラットフォームで利用するモータドライバの開発、プラットフォームで使用する FPGA 用の汎用基本 IP リソース(PWM 回路)の実装を行った。プラットフォームを活用すること
で、開発効率の向上が可能となり、保守を容易にできることが分かった。
４．無線通信応用組込み装置の開発
組込み用途で使用する周辺装置(無線通信装置)の実装、基本ソフトウェア(TOPPERS/JSP)で動作するア
プリケーション作成を行った。IT 分野から組込み分野へ参画するための足がかりとすることができた。

1

５．画像応用組込み装置の開発
組込み用途で使用する周辺装置(画像表示装置)の実装、FPGA 用の画像表示基本 IP リソースの実装を行った。画像を用いる組込み分野へ参画するための足がかりとすることができた。
研究開発成果プラットフォームを利用した自動巻線機（田中精機(株)）プラットフォームを利用した業務用プリンタ（(株)アイ・イーエス）

プラットフォームで利用する無線基板（(株)GClue）

2

プラットフォームで利用する画像表示装置（(有)フロンティア・オンライン）

組込み開発プラットフォームの研究

福島県ハイテクプラザ

組込み応用製品の高機能化・高信頼性化に関する研究― 組込み開発プラットフォームの研究 ―Research on High Performance and High Reliability of the Embedded Computer Application Products- Development of Platform for Embedded Products 福島県ハイテクプラザ 高樋昌 浜尾和秀 鈴木剛 吉田英一 尾形直秀* 平山和弘
株式会社アイ・イーエス 後藤田憲夫 佐藤正一 蓬田隆志 玉川充男 土屋明
田中精機株式会社 須藤勝広 藤原広征
株式会社ジークルー 佐々木陽 土屋喬
有限会社フロンティア・オンライン 酒井克弘 渡辺俊枝 江花光広
本研究は、県内の企業が組込み応用製品を開発するにあたり自由に利用できるハードウェ
ア、ソフトウェア、開発環境からなる組込みプラットフォームの構築を行い、これらの成果を用いることで既存製品への新たな機能の付加、組込み分野への新規参入の支援を行うことを目的とする。平成 19 年度において一部の開発プラットフォームの整備を行った。平成 20
年度は、具体的な製品ターゲットを念頭に置き、開発プラットフォームや開発プラット
フォームで利用する周辺装置の開発を行った。また、プラットフォームで動作するカーネル
や通信スタックなどの基本ソフトウェア開発を進めた。平成 21 年度は、開発プラットフォー
ムを利用し、共同研究企業における現行製品への適用を試み、開発プラットフォームを利用することによる工期短縮、機能拡張などの有効性を確認した。
Key words:組込み、プラットフォーム、μITRON、TOPPERS プロジェクト、FPGA、MPU

ウェアばかりでなく、ハードウェアを含んだトータルの組込みシステムの開発依頼がある。
近年、組込み開発産業の状況として組込み技術者のしかしながら、ハードウェアに関しての技術的不足が言われており、経済産業省の 2008 年版組込みソ1)
蓄積がほとんどないため新規参入が困難である。
フトウェア産業実態調査 によると、必要とされる技
・新たに組込み応用製品開発に取り組みたいが、術者数が約 24 万 2 千人のところ、不足する技術者が 8
ハードウェア技術の修得や組込み開発特有の開万 8 千人と報告されている。ここ数年、不足数は減尐
発環境・プログラミング手法があるため敷居が傾向にあるものの、依然慢性的な技術者不足は解消さ
高く容易に参入できない。
れておらず、この状況は県内でも同様である。
本研究では、製造業関連企業や IT 関連企業に対する
さらに、県内の中小企業では、組込み応用製品の開組込み応用製品の開発支援を行うことを目的とし、上発について次のような問題を抱えているところが多い。
記の問題点やニーズを踏まえ、組込み応用製品の開発①製造業関連企業においてに必要となるハードウェア、ソフトウェア、開発環境
・組込み応用製品は製品毎に異なるハードウェア
からなるプラットフォームの開発・整備を行った。
が必要であり、品種が多くなると保守用として確保しなければならないハードウェアも多くな
２．研究計画概要
り、保守にかかる負担が大きくなる。
本研究は、研究期間を 3 年間として計画した。各年
・製品開発において、開発者ごとに技術レベルに度の主な当初研究内容を図 1 に示す。
差があるため、一定のレベルで開発がスタートできない。足並みをそろえることにより、製品開発管理が非常にしやすくなる。
・自社製品の中に使用していた一部の部品が製造中止になった場合、新しいハードウェアへ移行
するため新たな製品開発が必要となる。また、保守部品として入手できなくなるので、現行自社製品の保守性が保てなくなる。
・客先の要望が年々高機能化を期待するものとなってきているため、開発時に機能を追加して高機能化を図ろうとしているが、既存の開発品
を簡単に流用できないことが多い。
②IT 関連企業において
図１ 研究計画概要
・IT システムを請け負った企業において、ソフト

１．緒言*現福島県立浜高等技術専門校

3

研究分担は、ハードウェアに関してはハイテクプラ
ザが基本設計、共同研究機関が実装開発を行う。ソフ
トウェアに関しては、システムの高機能化、高信頼性化に必須であるリアルタイム OS（カーネル）、ネット
ワーク通信（通信スタック）などの基本ソフトウェア
開発の検討に関してはハイテクプラザが分担し、アプリケーション開発や製品ノウハウにかかわる非公開部
分については共同研究企業で行うこととした。
平成 19 年度 2)は、ハードウェア、ソフトウェア、開発環境の相互関連を考慮してプラットフォームの基本
仕様の策定を行い、これに基づいて、ハードウェアの基本部分となる 16 ビット MPU（Micro Processing Unit）
ボードと FPGA(Field Programmable Gate Array)ボードの開発、これらのハードウェア上で動作する基本ソフ
トウェアであるリアルタイムカーネルやネットワーク
通信スタックの移植、さらに FPGA 用のリソース開発を行った。
平成 20 年度 3)は、
平成 19 年度に開発したハードウェ
アおよびソフトウェアの利用方法を考慮し、新たに組込み応用製品のベースとなる 32 ビット MPU ボードを開発した。また、平成 19 年度に開発した 16 ビット
MPU ボードや FPGA ボードでも利用可能な周辺ハー
ドウェアの開発を行い、開発したハードウェアで動作する基本ソフトウェアおよび分散ネットワークプロト
コルの開発・実装を行った。なお、各共同研究企業はそれぞれの製品に強く関連する機能のハードウェア開発を担当し、必要に応じて相互のハードウェアを利用することとした。ソフトウェアはこれらのハードウェ
アのための基本ソフトウェアとしてカーネル、通信ス
タックに加えデバイスドライバの開発を行った。
平成 21 年度は、開発したハードウェアを共同研究企
業の現行製品にプラットフォームとして適用し、ソフ
トウェアプラットフォームとして、移植の終了した OSを含む開発環境を用いて、製品のプロトタイプ開発を行った。
なお、平成 21 年度は大幅な計画変更があり、IT 関
連企業 2 社との共同研究が実施できなかった。したがって、実証実験は組込み関連企業 2 社のみとなっている。

オープンソースであること
本研究ではハードウェア、ソフトウェアの相互利用があるため、改変や配布に制限のあるライセンス形態では障害がある。

ネットワーク通信スタックがあることニーズとして挙がっている機能であるが、TOPPERS
プロジェクト内の TINET5)がカーネル同様にオープンソースで公開されている。
 県内企業で利用の多い MPU に対応していること
ルネサス社の H8 シリーズ（16 ビット）、SH1、SH2シリーズ（32 ビット）などの MPU から選択する。
TOPPERS カーネルは新世代である TOPPERS/ASP の一般公開が平成 20 年 5 月であるため、平成 19 年度については、旧来の TOPPERS/JSP を使用し、平成 20 年
度から TOPPERS/ASP へ移行していくことにした。
次にハードウェアの構成および通信方式について検討を行った。
各 MPU ボードや入出力ボード間のシステムバスは
PC/1046)とピン配置互換とした。搭載を考えているクラスの 16 ビット MPU のバス速度は 20MHz、32 ビット
MPU のバス速度は 48MHz で、なるべく低コストに実現出来るものとして選択した。ただし、MPU や FPGAの信号線が 3.3V のものが多くなってきているため、今後のメモリや周辺 IC の入手のしやすさを考えて信号レベルは 3.3V とした。
システムが複数の MPU ボードで構成される場合のMPU 間の通信には RS232C などのシリアル通信が用いられる事が多い。しかし、RS232C は多くの MPU に内蔵され、手軽に扱うことが出来る反面、１対１通信であるために、接続機器が多くなると通信ポートが不足
し、接続数と同じ数の配線が必要となりケーブル敷設も困難となる問題点があった。そこで、本研究におけるプラットフォームでは MPU 間の通信はフィールドバスとして CAN7)通信を取り入れて 30 台程度の接続にも容易に対応できるようにした。
CAN 通信は元々、車載用コンピュータ向きに開発されたものであるが、広く計測・制御用にも利用され、コントローラが内蔵されている MPU もいくつかあり
低コストの実装が可能である。パケットの衝突時の処

３．プラットフォームの基本仕様

CANバス

実際の開発に先立ち、研究計画概要に従いプラット
フォームの基本仕様の策定を行った。
まず、ソフトウェア開発環境としてリアルタイムマ
ルチタスクカーネルの検討を行った結果、以下の理由から TOPPERS カーネル 4)を利用することにした。
μITRON 仕様カーネルであること
日本国内では最も多く使われている仕様であり事実上のデファクトスタンダードである。

MPU
ボード

MPU
ボード

MPU
ボード

PC/104バス

PC/104バス

FPGA
ボード

FPGA
ボード
(Nios搭載)

図２

4

FPGA
ボード
(Nios搭載)

フィールドバスと PC/104 バス

RISC型MPUボード

理が ethernet のような再送ではなく、優先順位による勝ち抜けのため、高いリアルタイム性を有するなど計
測・制御向きの特徴がある。
CAN と PC/104 の使い分けは図 2 のようになる。MPUと I/O 間は PC/104 バスを、MPU と MPU 間には CANを使用することとした。FPGA に MPU コアを搭載することを想定したボードは MPU ボードと同様に CAN 通信を可能とするようにした。
CAN の上位プロトコルには自律分散プロトコル 8)を基にしたプロトコルを開発し実装することにした。
外部とのネットワーク通信は ethernet デバイスを搭載し、TCP/IP を用いて行うことにした。TCP/IP スタッ
クには TOPPERS カーネルの使用を前提として TINETを利用することとした。
FPGA ボードでは CAN 通信と同様に 、NiosⅡ 9)（MPU-IP コア）を搭載することにより MPU の機能を持ち得る構成が可能なため、ethernet デバイスを搭載することとした。

図３

H8 MPU ボード

図４

FPGA ボード

４．ハードウェア開発
プラットフォームの基本仕様を踏まえて 16 ビット
MPU ボード、FPGA ボードの基本設計を行った。これ
ら 2 種のボードは、できるだけ汎用性を持たせ、いずれの共同研究機関でも容易に利用できる構成とした。
４．１．１６ビットＭＰＵボードの基本仕様開発した 16 ビット MPU ボードの基本仕様は以下のとおりとした。図 3 に完成した 16 ビット MPU ボードを示す。

16 ビット MPU
共同研究企業が共通に使用実績のあるルネサス社のH8 シリーズから選択することにした。シリアルポート
5 ポート以上という要望と、CAN ドライバ内蔵、flash
ROM 内蔵 512 k バイト、RAM 空間 2 M バイト以上、
現行の TOPPERS/JSP カーネルが稼働する MPU と機械
語レベルで互換性を持つという要件から H8S/2556 を使用することにした。
RAM
バッテリーバックアップが可能なスタティック
RAM を使用することにした。リアルタイムカーネルや
TINET を利用したうえで余裕を見込んで 2M バイトの容量とした。

ethernet コントローラ
MAC アドレスは MAC アドレス書き込み済みのシリ
アル ROM を購入して利用することとしたため、書き込まれたデータのフォーマットが対応している
Realtek 社の RTL8019AS を採用することにした。このデバイスは TINET でもサポート済みのもので、移植も容易であることが期待できる。ただし、このデバイス
のみ 5 V 信号となるためレベルコンバータを通してバス接続した。
CAN コントローラ
コントローラは内蔵のものを利用し、トランシーバ
は MAXIM 社製の MAX3059 を利用した。
ROM エミュレータソケット
デバッグ作業の効率化のため ROM エミュレータ用のソケット設置の要望があったため、PC/104 バスを介したドータカードとして同時に開発することにした。
４．２．ＦＰＧＡボードの基本仕様
FPGA ボードの基本設計は以下のとおりとした。
FPGA に MPU コアの搭載を可能にするように flash
ROM、SDRAM を実装することにした。また、基本仕様に従い、ethernet デバイス、CAN デバイスも実装することにした。搭載デバイスは以下の様に選定した。
完成した FPGA ボードを図 4 に示す。

FPGA
過去にハイテクプラザで行った研究等での使用実績
からアルテラ社の FPGA を使用することにした。高速処理に関する要望はなかったため廉価な Cyclone シ
リーズのデバイスから選択することにした。ゲート容量に関しては NiosⅡの利用や、画像処理への応用の要
望 が あ っ た た め 、 余 裕 を 持 た せ る た め CycloneIII
EP3C40 を使用することにした。クロックは 50 MHz と
した。
5



・USB コントローラ
・リアルタイムクロック
・SD カード、MMC カード接続
・PC/104 コネクタによるローカルバス接続
４．４．２．巻線機制御用モータドライバボード
自動巻線機をターゲットとして、下記のように仕様を決定した。
・3 相 200V 400W モータ駆動
・開発した FPGA ボードによる制御
４．４．３．画像処理ＬＣＤ表示ボード
携帯型画像端末をターゲットとして、下記のように仕様を決定した。
・640×480 ドット LCD
・SD カード、MMC カード接続
・フラットコネクタによる外部 PIO
４．４．４．無線通信ボード
無線式情報収集システムをターゲットとして、下記のように仕様を決定した。
・ZigBee 通信
・Bluetooth 通信
・シリアル接続
４．５．開発ハードウェア
仕様に従って委託製作したハードウェアは以下のとおりである。これらのハードウェアは、それぞれ単独
で動作確認し、実装されているデバイスの機能が満たされていることを確認した。
４．５．１．プリンタ制御用３２ビットＭＰＵボード
図 6 に開発した 32 ビット MPU ボードを示す。仕様
によって選定したデバイスなどは以下のとおりである。

ROM
NiosⅡのプログラム格納や汎用のデータ領域として多用途に利用できるように 16 M バイトの Flash ROMを搭載した。
RAM
画像処理用途に使用できるように 32 M バイトのSDRAM を搭載することにした。
ethernet コントローラ
MPU ボードと同様に Realtek 社の RTL8019AS を用いることにした。

CAN コントローラ
専用のデバイスを搭載することとし、Philips 社の
SJA1000T を搭載した。トランシーバは MAXIM 社のMAX3059 を使用した。
４．３．開発ターゲット
共同研究各社では具体的な製品ターゲットがあるた
め、ハードウェアの仕様はその製品ターゲットを考慮のうえ決定し、開発実装を行った。共同研究各社における製品ターゲットは図 1 の平成 21 年度部分に示したとおりである。なお、本研究において開発するハード
ウェアの位置付けは図 5 のとおりである。

①業務用プリンタ・自動巻線機はハードウェアプラットフォー
ムの実装本体②携帯型画像端末・無線式情報収集システムはプラットフォー
ム上で利用する周辺機器

図５ ハードウェア関連図

４．４．製品ターゲットによる各ハードウェア仕様
製品ターゲットに対するハードウェアの仕様（概要）を、汎用性、開発の容易性などを考慮し次のように決定し、実装することとした。
なお、共同研究企業と打合せの上、ハイテクプラザ
で仕様を決定したが、各共同研究企業において追加したい機能があった場合、仕様を満足する限り追加した。
４．４．１．プリンタ制御用３２ビットＭＰＵボード
業務用プリンタをターゲットとして、下記のように仕様を決定した。
・MPU：SH-2A シリーズ
・外部メモリ：FlashROM、SRAM、SDRAM
・イーサネット：10/100Mbps
・CAN
・シリアルインタフェース×外部 2ch

図６

32 ビット MPU ボード

・MPU：ルネサス社 SH7286
・外部メモリ：16MByte FlashROM：4MByte SRAM
：16MByte SDRAM
・イーサネット：ASIX 社 AX88796B
・CAN：MPU 内蔵・シリアルインタフェース×9 ピン 2ch
・USB ターゲット内蔵

6

・リアルタイムクロック：リコー社 R2025S・SD カード、MMC カード接続：内部 SSU 接続
このほか、単独で機能確認できるように PIO（LEDおよびボタンスイッチ）を実装した。また PC/104 コネ
クタ（16 ビットデータ、20 ビットアドレス）により他
MPU ボード等と接続できる構成とした。さらに汎用外部入出力端子として 40 ピン汎用コネクタを装備した。
４．５．２．巻線機制御用モータドライバボード
図 7 に開発したモータドライバボードを示す。仕様に合わせて選定した構成などは以下のとおりである。

図７４．５．４．無線通信ボード
図 9 に開発した ZigBee 通信ボードを、図 10 にBluetooth 通信ボードを示す。仕様に合わせて選定したデバイスなどは以下のとおりである。

図９

ZigBee 通信ボード

図１０

Bluetooth 通信ボード

モータドライバボード

・3 相 200V 400W モータ駆動：IGBT モジュールの利用（IGBT モジュールを変更することによりモー
タ定格変更可能）・開発した FPGA ボードによる制御：FPGA ボード
上のコネクタを経由した制御信号の取り込み
これにより、巻線機制御用モータドライバボードとFPGA ボードを 30 ピン専用コネクタにより接続し、3相 200V、400W インダクションモータの周波数制御による駆動に対応できる構成とした。
４．５．３．画像処理ＬＣＤ表示ボード
図 8 に開発した LCD ボードを示す。仕様に合わせて選定したデバイスなどは以下のとおりである。

図８・ZigBee：XBee 社 XBee-Pro
・Bluetooth：Amp'edRF 社 BT-22A
これらの通信ボードと MPU ボードとは 9 ピンシリ
アルにより接続される。また、電源は MPU ボード上の電源ピンから直接供給するほか、MPU ボードを直接接続しない場合を考慮し、ジャンパピンにより AC ア
ダプタによる外部供給も選択可能とした。

５．基本ソフトウェア開発
開発したハードウェアを動作させるために、基本ソフトウェアとしてリアルタイムマルチタスクカーネル
およびネットワーク通信スタックの移植、CAN ドライ
バ、FPGA 用 MPU コア、PWM 回路 IP（Intellectual
Property）の開発およびそれらの開発環境構築を行った。
５．１．カーネル移植
リアルタイムマルチタスクカーネルとして、
TOPPERS カーネルの移植開発を行った。次世代のTOPPERS カーネルである TOPPERS/ASP は、平成 19
年度では一般公開されていなかったため、平成 19 年度
は TOPPERS/JSP の移植開発環境構築のみを行った。また、平成 20 年度は 16 ビット MPU ボードに対し以下の移植開発を行った。

H8S 用の機種依存部を利用した GDB スタブ

TOPPERS/JSP 1.4.3（カーネル本体）
TINET 1.3（ネットワーク通信スタック）

LCD ボード・LCD：Optrex T-51750GD065J-FW-AB・SD カード：ヒロセ DM1AA-SF-PEJ
・外部 PIO：40 ピン汎用コネクタ
このほか、HSMC(高速メザニン・コネクタ)を備え、アルテラ社製 FPGA ボードとの接続性を持たせた。
7



TINET のサンプルについて動作を確認
さらに、
平成 20 年度に開発した 32 ビット MPU ボー
ドに対して、TOPPERS/ASP カーネルの移植を平成 21
年度に行った。また、動作確認用のアプリケーションを作成し、TOPPERS/ASP カーネルにおける MPU ボー
ドの基本動作を確認した。詳細を次節に示す。なお、
16 ビット MPU へ移植した TOPPERS/JSP も同様の手順を踏んでいる。
５．
１．１．開発環境構築と基本ソフトウェア開発（カーネルおよび通信スタックの移植）
平成 20 年度に株式会社アイ・イーエスが製作した
32 ビット MPU ボード（プリンタ制御用 SH7286 ボード）向けに、ソフトウェア開発環境の構築および基本
ソフトウェアの開発を行った。
組込み応用製品のソフトウェアは、PC にクロス開発
環境を構築し、ソフトウェアのコンパイルとマイコンのフラッシュ ROM へのプログラム書き込みを行い、動作確認とデバッグを繰り返すことで開発を行う。
本研究では、PC にインストールした Cygwin 上にル
ネサステクノロジの SH マイコン向けのコンパイラを用意し、クロス開発環境を構築した。組込み開発の初心者にとって、クロス開発環境の構築が技術的障壁になることが多いことから、詳細な開発環境構築マニュ
アルを作成した。このマニュアルに沿って PC へのイ
ンストール作業を進めていくことで、容易にクロス開発環境を構築することが可能である。
プラットフォームの基本ソフトウェアは、OS とその上で動作するデバイスドライバやミドルウェアにより構成されている。プラットフォームの概念図を図 11に示す。クロス開発環境を用いて、組込み機器において市場ニーズが高い通信プロトコルとファイルシステ
ムのミドルウェアを移植し、デバイスドライバを新規開発した。
基本ソフトウェアは平成 19 年度に検討したプラットフォームの基本仕様に基づき、μITRON 4.0 仕様 OS
でオープンソースソフトウェアの TOPPERS/ASP と、
TCP/IP プロトコルスタックの TINET を採用し、SH7286
ボードへの移植を行った。SH7286 ボードは ASIX 社のEthernet デバイス AX88796B を搭載しており、TINET用 AX88796B ドライバを新規開発した。また、FAT ファ
イルシステム FatFS10）の移植を行い、MMC カードドラ
イバの開発を行った。SPI 通信による制御ドライバを新規開発し、MMC カードの制御を行った。
以下のように応用ソフトウェアを作成し、基本ソフ
トウェアが正常に動作するか確認を行った。
TOPPERS/ASP の サ ン プ ル プ ロ グ ラ ム を 作 成 し 、TOPPERS/ASP のマルチタスク動作やシリアル通信ド
ライバなどの動作確認を行った。
TINET のサンプルプログラムである TCP エコー

図１１

プラットフォームの概念図

サーバ echos4、UDP エコーサーバ userv4、クライアン
トサーバ nserv を利用し、同一 LAN 内で PC と SH7286
ボード間の通信ができることを確認した。
FatFS の動作確認のため、MMC カードへのファイル作成や読み書きを行うサンプルプログラムを作成し、動作確認を行った。
以上により、基本ソフトウェアの OS、ドライバ、ミドルウェアが正常動作することを確認した。
上記の動作確認方法についても詳細なマニュアルを作成したため、容易に応用ソフトウェアの動作確認を行うことが可能である。
５．１．２．製品開発の課題とプラットフォームを活用した応用ソフトウェア開発
株式会社アイ・イーエスでは多品種尐量生産の特定用途向け業務用プリンタを開発している。現状の開発
では、プリンタ機能の共通要素部分のハードウェア、
ソフトウェアの再利用性が低く、新機種開発のたびに作りなおす必要があり、開発効率が悪いという課題がある。
また、個別にハード、ソフトを作製しなおす現状の開発方法では、イーサネット、CAN 等のネットワーク
通信や MMC/SD カード、コンパクトフラッシュ等のメ
モリデバイスや USB 対応など高機能化への顧客ニーズに対応することが困難となっている。さらに、仕様変更や機能追加への柔軟な対応も困難となっている。
製品の保守や修理面においても、使用デバイスの生産中止や在庫の問題への対応が難しくなっている。また、開発人材不足、費用、開発時間の問題から上記す
べてを自社で開発することが困難な状況となっている。
以上のような課題を解決するために、開発したプ
ラットフォームを活用した。
各種プリンタ機能の共通要素部分にプラットフォー
ムを活用することで、開発のたびにハードウェア、ソフトウェアを作製しなおす必要がなくなり、再利用性を高め、開発効率を向上することが出来る。さらに、
開発人材不足や開発コスト削減や開発期間の短縮にも対応できる。
プラットフォームの基本ソフトウェア、ハードウェ
アを再利用し、各種プリンタの応用ソフトウェアのみを開発することで、顧客ニーズである通信機能やファ

8

イルシステム機能などの高機能化に対応した製品開発が可能となる。不足する開発人材を応用ソフトウェア
のみに注力することで、付加価値の高い製品を低コストで短期間に作製することができるようになる。
本 研 究で は 、 株 式 会社 ア イ ・ イー エ スと 共 同でSH7286 ボードの MMC カードからプリンタ印字デー
タ等を読み取り、RS232-C シリアル通信でプリンタ制
御基板に送信する応用プログラムを試作開発した。既
存の業務用プリンタと接続し、印刷できることを確認した。SH7286 ボードとプリンタを接続して印字している様子を図 12 に示す。

示す。2 枚の 32 ビット MPU ボード間において、一方のボードのスイッチに対応してもう一方のボードのLED が点灯していることが分かる。ボード間の接続は
CAN コネクタのみである。これにより、MPU 間の接続が容易にできるようになった。

スイッチ
CAN コネクタ
LED

図１３ CAN デバイスドライバを用いた通信実験

５．３．ＦＰＧＡ用ＭＰＵコアの開発
FPGA ボード単体で高機能化を図ることを目的として、FPGA に MPU コアを搭載することを試みた。基本
的に、SOC（System on Chip）の技術を取り入れ、必要な IP コアを接続すれば高機能化が可能である。
本研究では、開発ツールが提供する NiosⅡコア（MPU）を用い、FPGA ボード上のデバイスを共通バ
スで接続することで高機能化を図った。また、MPU コ
アへ TOPPERS/JSP を移植し、簡単なマルチタスクプロ
グラミングを行い、機能の確認をした。動作の様子を図 14、15 に示す。

図１２ 業務用プリンタでの印字テスト

MMC カードからのデータ読み取りの部分を、ネッ
トワークを経由してデータ取得するように変更した応用プログラムを開発することで、ネットワーク対応が可能である。
以上の試作開発により、開発したプラットフォームを活用することで、高機能な応用ソフトウェアを短期間に開発できることが実証できた。
５．２．ＣＡＮドライバの開発
CAN ドライバについて、H8S シリーズの内蔵コント
ローラをターゲットとした機種依存部の開発とユーザ
API の開発を行った。
本研究において CAN ドライバは、ルネサステクノ
ロジ社のマイコン H8S/2638F が搭載された北斗電子製
MPU ボード HSB8S2638ST の CAN 制御プログラムを基に、レジスタ等を変更して、平成 19 年度に作製した
16 ビット MPU（H8S）ボード用および平成 20 年度に作製した 32 ビット MPU（SH2A）ボード用にそれぞれ開発し、LED による通信動作の確認を行った。
また、MPU により内蔵されている CAN モジュールの種類が異なり、16 ビット MPU ボードでは HCAN、
32 ビット MPU ボードでは RCAN-ET を用いて通信を行った。
HCAN、RCAN-ET はそれぞれ CAN2.0B 仕様に準拠
し、通信速度は最大 1Mbps、データの送受信に使用するメールボックスもそれぞれ 16 個ずつ準備され、レジスタも類似した構成となっている。
開発したドライバによる通信実験の様子を図 13 に

図１４

MPU コア(NiosⅡ)における文字列表示タスク

図１５9

MPU コアにおける LED 点灯タスク

図 14 は、
TOPPERS/JSP を FPGA 上に構築した MPU
コアへ移植し、2 秒に 1 度“Hello Itron”の文字を表示するタスクと、3 秒に 1 度“Hello World”の文字を表示するタスクを動作させたものである。図 15 は押しボ
タンに対応した LED を点灯させるタスクを動作させたものである。これらのタスクはマルチタスクとして処理されている。
５．４．ＰＷＭ回路のＩＰ開発
田中精機株式会社が平成 19 年度に製作した FPGA
ボードおよび平成 20 年度に製作したモータドライバに対して、モータ駆動用の PWM 回路を FPGA ボード上に構築するため、PWM 回路の IP 化を行った。基本
ブロックを図 16 に示す。なお、図 16 のブロック図における動作はクロック同期となる。

転数を図 17 に示す。表示が 1,261rpm となっていることが確認できた。なお、既存 PWM 回路では 1,211rpmであった。この差は、既存 PWM 回路に対して作成された制御信号を流用しているためと思われる。しかし、実用上ほとんど問題にならない程度の差である。

５．５．自律分散プロトコル
自律分散プロトコルとは、共通バスであるフィール
ドバスに接続する各ノード（組込み応用製品）が、フィールドバス上に流れる情報を選択・取得して動作することにより、その系全体が機能するようにしたプ
ロトコルのことである。
組込み応用製品では、装置の取り付け、取り外しに伴い、尐なくともコントロール機器に関しては、取り付けられた装置の情報を収集する必要がある。同様にどの機器が取り外されたかを情報として保持していなければならない。これを実現するには自律分散プロト
コルを導入することが最適である。しかしながら、組込み分野で利用するためには、利用できるリソースが限られているなどの非常に厳しい条件がある。そこで本研究では、図 18 に示すトポロジ、すなわち各装置（MPU ボード）をノードとした場合において、装置間の通信を行う構成を想定し、下記の機能を盛り込んだ
自律分散プロトコルを実装した。

制御信号
(回転数)
信号ラッチ
回転数に合わせた
PWM 基準信号(3 相)

回転数に合わせた
比例ゲイン

乗算回路

・ノードの生存確認・ノードからの情報収集
・ノードへの指令

信号ラッチ
PWM 比較信号
信号比較
PWM 出力図１６

PWM 回路のブロック図

ブロック図にしたがって作成した PWM 回路の IP を、実験用自動巻線機に実装して動作実験を行った。回転
設定を設定値の上限である 1,200rpm とした時の実回

図１８

自律分散プロトコルトポロジ

５．５．１．自律分散プロトコルメッセージ
自律分散プロトコルは、組込み応用製品におけるリ
ソース制限を考慮に入れ、図 19 のように非常にシンプ
ルなメッセージ構造とした。id は接続機器ごとに持つ固有の番号、priority は各メッセージの優先順位、nodeは接続ボード名＋(OS 名あるいは機能名)、messg は送受信データである。

図１９
図１７

メッセージ構造

自律分散プロトコルメッセージの使用方法 11)として、
例えば、フィールドバスに接続しているノード情報に

PWM 回路 IP による動作実験

10

は、生存確認呼出(id=001)、生存確認応答(id=002)又は拡張生存確認応答(id=002)を用意した。動作内容は、次のとおりである。
①id=001 が発信される。
②フィールドバスに接続された全ノードは id=002 を入れて返答する。
③ノードは、受け取った情報を元に、node 情報を元にしたハッシュテーブルを生成し、接続ノード情報を保持する。
なお、拡張生存確認応答メッセージの構造は、自ノードの機能を判断し、図 20 に示すメッセージ構造によって要求 id、返答 id を返答するため、他のノードが予め機能 id を把握していなくとも、ノード間が自律的にデータ要求及び受信可能な id とそのメッセージ内容の送受信ができるように定義した。

機能名
生存確認応答
機能説明

内容

Byte

ALIV/JOIN /LIMP
どのようなデータが得られるかを記す。
データ内容：セット、ゲットのデータ順（カンマ区切り）520

データセットid4

データセットメッセージ10

データゲットid3

データゲットメッセージ

10

図２１

送信間隔の確認実験

つデバイスであれば、送信間隔が最低 14ms 以上であれば取りこぼしなく送受信できることがわかった。
５．５．３．自動巻線機のアプリケーション実装実験
自律分散プロトコルを実機に適用するために、自動巻線機の実験機に実装し、巻線機主軸の回転数を問い合わせ表示するアプリケーションを試作した。
図 22 のトポロジを構成し、テスト時は Linux 機(CentOS)からの CLI インタフェースによる問い合わ
せ時応答のプログラムを試作した。また図 18 の診断
PC をイメージして、Visual C#による Windows 用 GUI
アプリケーションへと展開した。

メッセージ長53Byteを確保

図２０ 拡張生存確認応答メッセージ

図２２

ブロードキャストをベースとしたメッセージ交換により、容易な情報要求及び取得が可能である。
しかしながら、ハッシュテーブル化はノードのス
タックサイズ指定に大きく関わるため、保持できるノード数が尐ないことが課題である。
５．５．２．送受信実験
本研究で開発した MPU ボードにおいて、開発したプロトコルの能力を測るために送受信実験を行った。
実験は、プロトコルメッセージを内包した 1,000 個のイーサ・フレームを送信する際、送信間隔の違いによりどの程度のフレーム数を受信できるかを測定した。
物理ネットワークにはイーサネットを用い、イーサ
ネットデバイスには 10Mbps の能力を持つものを用いた。結果を図 21 に示す。
この結果から、本研究で用いた 10Mbps の能力を持

自律分散プロトコルのアプリケーション実装

当 該 企 業 用 ID=4xx 、 priority=5 、 node=abcdefgh 、
messg=xxx とした時の自動巻線機側の応答を図 23 に、読込まれたデータを図 24 に示す。上記メッセージが送信され、データとして“R042”が返答されていることが分かる。なお、R は回転方向（反時計回り）、042
は回転数を示す(42×12=504rpm：設定は 500rpm)。
図 25 に実験の様子を示す。中央 7 ビットが回転信号を表している。
これにより、自律分散プロトコルを用いた問合わせ、応答のアプリケーションを比較的容易に作成できることが確認できた。また、機器の状態把握が容易にできることが分かった。しかし、一部の機器での実装実験にとどまっているため、複数の機器での実験が必要である。また、前述したように、スタック容量からハッ11シュテーブルがオーバーフローする課題が明らかになったため、対策を講じる必要がある。
本プロトコルを適用し、ミドルウェアとして位置づ
けてアプリケーション作成者側に提供するためには、
Priority Queue 値を元に順に処理を行う専用タスクの実装が必要である。さらに、拡張確認応答のメッセー
ジ内の機能説明データから、ノードが自律的に解釈できるスキーマの設計と実装が課題として残った。

図２３

また、開発したハードウェアプラットフォームを機能させるために、リアルタイムマルチタスクカーネル（TOPPERS/JSP、TOPPERS/ASP）およびネットワーク
通信スタックの移植、CAN ドライバ、FPGA 用 MPU
コア、PWM 回路 IP の開発およびそれらの開発環境構築を行った。これにより、プラットフォーム利用による開発の効率化、開発機器の高機能化、高信頼性化を図ることができるようになった。
さらに最終製品として、業務用プリンタおよび自動巻 線機の 試 作品を 製作し、 ハードウ ェアプ ラット
フォーム、ソフトウェアプラットフォームを組込んで動作実験を行った。製品化にはまだいくつかの段階を経なければならないが、基本的に必要な機能は満たしていることが確認できた。
最終的に画像処理 LCD 表示ボードおよび無線通信
ボードの実用化開発ができなかったが、要素技術として普及に努めることとしたい。

自動巻線機側応答メッセージ

参考文献
1)2008 年版組込みソフトウェア産業実態調査 報告書,
経済産業省,独立行政法人情報処理推進機構,2008/7
2)尾形直秀他：“組込み応用製品の高機能化・高信頼性化に関する研究”、平成 19 年度福島県ハイテクプラ
ザ試験研究報告、pp.13-16、2008
3)高樋昌他：“組込み応用製品の高機能化・高信頼性化に関する研究”、平成 20 年度福島県ハイテクプラザ
試験研究報告、pp.13-16、2009
4)TOPPERS プロジェクト,http://www.toppers.jp5)TOPPERS プロジェクト/TINET,
http://toppers.jp/tinet.html
6) PC/104Specificartion Version 2.5, PC/104 Embedded
Consortium, http://www.pc104.org, 2003/10
7) CAN Specification Version 2.0,Robert Bosch GmbH,
http://www.semiconductors.bosch.de/pdf/can2spec.pdf,
19918)自律分散プロトコル仕様書 R3.0 (ADS-net),ＦＡオー
プン推進協議会,(財)製造科学技術センター,1999/9
9)日本アルテラ, http://www.altera.co.jp
10)組込み向け汎用 FAT ファイルシステムモジュール,http://elm-chan.org/fsw/ff/00index_j.html
11)自律分散プロトコル仕様書・利用説明書、福島県ハ
イテクプラザ、2009/3

図２４ アプリケーション側メッセージ

CONFIG LED
回転方向
POWER LED

下位・上位

図２５ 分散プロトコルの実機実装

６．結言
組込み応用製品の開発支援を行うことを目的としたプラットフォームの開発を行うために、共同研究各社
における具体的な製品ターゲットを考慮し、ハードウェアの仕様を決定した。その仕様に従い下記のハードウェアを開発し、それぞれの動作を確認した。
・汎用 16 ビット MPU ボード
・汎用 FPGA ボード
・プリンタ制御用 32 ビット MPU ボード
・巻線機モータ制御用モータドライバボード
・画像処理 LCD 表示ボード
・無線通信ボード
これにより、ハードウェアプラットフォームが完成
し、産業機械をターゲットにした製品開発が可能に
なった。

12

高機能業務用プリンタの開発

株式会社アイ・イーエス

組込み応用製品の高機能化・高信頼性化に関する研究－高機能業務用プリンタの開発－
Research on High Performance and High Reliability of the Embedded Computer Application Products- Development of industrial high function printer –株式会社 アイ･イーエス 後藤田憲夫 佐藤正一 蓬田隆志 玉川充男 土屋明
福島県ハイテクプラザ 高樋昌 浜尾和秀 鈴木剛 吉田英一 尾形直秀* 平山和弘
多品種少量生産の特定用途向け業務用プリンタは客先の仕様に合わせ各種組込み用マ
イクロコンピュータ基板のハードウェア設計、ソフトウェア開発を行っている。しかし、
イーサネット、CAN 等のネットワーク通信、多様な外部インターフェースへの対応など
高機能化への要求は、都度、設計・開発では要望を満足することが困難になってきている。
本研究では 2 種類のプラットフォームを開発し、自社で最も使用頻度の高い 32 ビット・マイクロコンピュータ基板にハイテクプラザが移植を行ったオープンソース開発環境を利用し、MMC カードのデータによるプリンタ制御の研究を行った。
Key words: 組込み、イーサネット、CAN、MMC、SD カードという客先のニーズも高まってきている。
保守、修理面では、基板の種類の増加にともない使用デバイスの生産中止への対応や、開発した基板の在庫の問題など技術的側面以外に金銭面の負担も顕在化している。今日の経済情勢においては、これらの要求や問題に全て自社の技術で対応することは、時間、費用、人員の制限があるため非常に困難である。
これらの諸問題を解決する方法として、基板間イン
ターフェースの増加および複雑化に関しては、CAN( Controller Area Network) やイーサネットを利用した LAN 接続を利用し省配線と通信手順を標準化し通信データの品質を保証する手法がある。
共通する処理ソフトの部品化、再利用に関しては、
国内の組込み OS ではデファクトスタンダードと言える ITRON 仕様であり、教育や普及に配慮されたオー
プンソースのリアルタイムマルチタスク OS である
TOPPERS/ASP を利用した。それにより、タスク化やモジュール化、データの流れを重視したオブジェクト指向によるソフトの作成、共通仕様の API 利用によるソフト部品の共有化、標準 OS の利用により熟練ソフ
ト技術者の社員教育への負担軽減がなされ、産業用プ
リンタメーカーとして強みを発揮してきた、より高度で条件の厳しい仕様のプリンタソフト開発に熟練技術者が注力できると言ったことが考えられる。
部品の生産中止や在庫の問題、またプリンタヘッド
部の高密度印字にともなうデータ転送等信号の高速化への対応については、書換え可能なデバイス FPGA
( Field Programmable Gate Array) を利用しハード
ウ ェ ア 記 述 言 語 VHDL ( VHSIC Hardware
Description Language ) による部品の IP 化 ( ハード

１．緒言
現在、社内で製作している業務用プリンタのイン
ターフェースは客先の要求に沿った多品種少量生産のため用途により異なる様々な仕様が存在する。
コントローラ部分は、客先仕様に応じ、マイクロコ
ンピュータ、
周辺機能デバイス等の電子部品を選定し、ハード設計を行い、アセンブラや C 言語を使い分けソフト開発がなされている。
客先の要求仕様に合ったプリンタ・コントローラ部のハードおよびソフトを都度、設計・開発するため、ハード依存部分に関連する処理の応答速度や多重処理の要素が多く、割込みを駆使し周囲デバイスの性能限界を使いきると言った技術者の経験や技量に頼る部分が多く、共通要素の再利用等の努力は個々人の努力にも関わらずその労力は報われにくい。
装置の機能を実現するため、基板間や上位コント
ローラの通信に RS-232C と専用の PIO を用いているが、複雑なシステムではポートが増え基板間の制御方
法も各々異なっているため、仕様変更、機能追加への柔軟な対応には、ハード設計、ソフト開発技術者の大きな負担を強いることが多くなっている。
また、プリンタと上位コントローラや周辺生産設備
機器との接続も独自プロトコルの RS-232C 通信から
TCP/IP を利用した LAN(ローカルエリアネットワー
ク)通信への移行、生産現場におけるデータ交換方法として、MMC（マルチメディア・カード）、SD メモリ
カード、USB フラッシュメモリの利用、生産ラインに分散配置した複数のプリンタの相互接続による制御ソフトの複雑化等、通信手段やデータ交換方法の多様化*現福島県立浜高等技術専門校

13

設計資産のソフト化 ) 、処理の高速化が考えられる。
こういった情勢の下、本研究では、ハードウェアプ
ラットフォームとして 2 種類の MPU 基板を作成した。
また、このうち、32 ビット・マイクロコンピュータ
基板（SH7286 開発基板）のためにハイテクプラザが移植したソフト開発環境を利用し、SH7286 開発基板の LAN 部分動作確認テストおよび、SH7286 開発基
板と IES 製プリンタ・コントロール基板を接続しMMC のデータでコントロールするアプリケーション
ソフトの作成を行い、マルチタスクアプリケーション
開発手法の具体的作成方法の研究をした。

6 を割り付けているが、H8S MPU の仕様上の制約により、ローカルバスに接続するデバイスを 8bit バスで使用する場合 D15～8 が使用されるため、こちらをJ1/P1 側に割り付けている。
従 っ て 16bit バ ス で 使 用 す る 場 合 に は 通 常 のPC/104 規格とデータバスの並びを入れ替える必要がある。
２．１．４． 外部メモリ
外部メモリは、バッテリーバックアップすることを考慮し、スタティック RAM から部品を選定した。
データバス幅は 16 ビットで大容量かつ、メモリ容量 2M バイトのルネサステクノロジ製 R1LV1616R6）を使用することにした。
２．１．５． シリアルコネクタ
シリアル信号として、RS232C レベル 2 チャンネル
その他 3 チャンネルは MPU レベルの信号を直接コネクタに出すこととした。RS232C レベルの 1 チャンネ
ル（チャンネル 0）はフラッシュ ROM 書込み用ポートとしても使用する。
２．１．６． ハードウェアプラットフォーム
図 1 に完成したハードウェアプラットフォームを示す。TOPPERS/JSP7）の移植、アプリケーションの動
作確認により、すべてのデバイスが機能することを確認した。

２．プラットフォームの作製
種々のインターフェースに対応するハードウェアプ
ラットフォームとするため、以下のことを考慮した。
● 分 散 処 理 の た め 、 CAN1 ） 2 ） (Controller Area
Network) インターフェースを持つこと。
● ネットワークに対応するためイーサネットコント
ローラを持つこと。
● 基板を積み重ねて、システムを構成できること。
● ソフトのデバッグに ROM エミュレータが使用できること。
２．１． １６ビットＭＰＵベースの基板
２．１．１． ＭＰＵ
MPU は制御系ネットワークとして上位互換の
HCAN（Controller Area Network）インターフェースを有するルネサステクノロジ製 H8S/2556 グルー
プ 3）の MPU である HD64F2556 を使用することにした。
クロックは 20MHz、モード 6（内蔵 ROM 有効拡張モード）、内蔵フラッシュ ROM 512k バイト、内蔵RAM 16k バイト を含む 16M バイトアドレス空間で動作する。MPU 内蔵 IO にはシリアル、デジタル入出力、AD/DA ポートなどがあり、これらの信号は外部バスコネクタに直接接続して入出力の選択も含め自由に利用できる構成とした。
２．１．２． イーサネットコントローラ
イーサネットコントローラは、TINET がサポートしている、REALTEK 社の RTL8019AS4）を使用することにした。
２．１．３． ローカルバス
ローカルバスは、別途開発の FPGA 基板が接続されることを考慮し、バス信号は 3.3V レベルとした。
段積みできる形態として PC/1045）のコネクタを採用し、信号の配列も一部流用はしているが、制御信号
は H8S MPU の相当する信号を使用しているため、タ
イミングおよび電圧レベルに互換性はなく、また H8S
MPU がサポートしていない制御信号は省いた。
また、ローカルバス上で使用可能なエリアは CS4～

図１ 完成したＨ８Ｓプラットフォーム

２．２． ３２ビットＭＰＵベースの基板設計製作する基板に搭載するマイクロコンピュータ
はデータ処理能力の高い 32 ビット製品を採用することとした。
２．２．１． ＭＰＵ
データ処理能力の高い 32 ビット・マイクロコン
ピュータを搭載することを検討した結果、ルネサス社
製 SuperH ファミリ SH-2A シリーズの中から MPU
SH728678) を選択することとした。CAN コントロー
ラ、USB コントローラが内蔵（ただしホスト機能なし）
14

板に書込み、パソコン⇔基板間の UDP データ通信の確認を行った。接続は図 5 のとおりである。

されている。
２．２．２． イーサネットコントローラ
イーサネットコントローラは、H8S 実装基板に搭載した REALTEK 社の RTL8019AS より通信速度等、高性能なコントローラである ASIX 社の AX88796B9)を採用することにした。
２．２．３． ローカルバス
ローカルバスは、別途開発の FPGA 基板が接続されることを考慮し、バス信号は 3.3V レベルとした。
段積みできる形態として PC/104 のコネクタを採用し、バス信号は、SH-2A シリーズのマイクロコンピュータの相当するバス信号をコネクタに出すこととした。
２．２．４． 外部メモリ
外部メモリは、大容量データの保存、加工を可能とするため、フラッシュ ROM 、SRAM、SDRAM を実装することとした。 データバス幅は 16 ビットとし、SRAM はバッテリーバックアップを考慮した。選定したデバイスを以下に示す。
A) フラッシュ ROM 容量 16M バイト
numonyx 社 “M29W128G” 10)B) SRAM 容量 4M バイト
ルネサス社 “R1WV3216R”11)
C) SDRAM 容量 16M バイト
サムソン社 “K4S281632K”12)２．２．５． シリアルインターフェース
シリアル信号は、RS-232C レベル信号 1 チャンネ
ルをコネクタに出し、そのうち１チャンネルは MPU
内蔵フラッシュ ROM 書込み用ポートとしても使用可
能とする。
２．２．６． 外部コネクタ
外部コネクタには MPU のパラレルポート、AD/DA
ポートを外部コネクタに直接出して、インターフェー
ス基板を追加することにより、必要な機能が得られる
構成とする。
２．２．７． シリアルＲＴＣ(リアルタイムクロック)
時刻管理に必要なリアルタイムクロックは、MPU
内蔵周辺の I2C4 バスコントローラに接続できるリコー社”R2025S”13)を選択した。

図２ ＳＨ７２８６開発基板

図３ ＭＰＵ部回路図

３．ハードテスト
SH7286 開発基板の LAN 部を、ハイテクプラザ提供の SH2A 開発環境を利用して確認を行った。
３．１． ＬＡＮハードウェア動作確認
ハード・チェックを終了した SH7286 開発基板と、回路図を図 2~4 に示す。
３．２． テスト
ハイテクプラザ“SH2A 開発環境構築”資料 14)を用い TINET15)アプリケーションプログラム usrv4 を基

図４ ＬＡＮ部回路図

図５ パソコン、基板の接続

IP アドレスは、パソコン側を 192.168.86.180 に、
15

基板側を 192.168.86.182 に設定した。
図 6 に、パソコンと基板の接続チェック確認画面を示す。

図８ パソコン、基板のＬＡＮ接続

フリーソフトを利用したパソコンからのデータ送信
実験を図 9 に示す。
（使用フリーソフト”UDP コマンドエクスプローラ”）

図６ 接続確認

図 7 にフリーソフトを使ったパソコン側 IP アドレスの設定を示す。
（使用フリーソフトは、“ヴァルヘル IP
コンフィグ）

図９ パソコンよりＵＤＰ通信

図 9 に示す通り、パソコンから LAN 経由で UDP送信されてきたデータを基板が受信し、受信データは、折り返し LAN 経由で返信されている。また、受信デー
タは図 10 の様にシリアルポート経由でターミナルにも送信されている。

図１０ 基板が受信したデータをターミナルに表示

UDP 通信によるデータ送受信の確認により、LAN部のハードが正常に動作していることを実験により確認できた。

図７ ＩＰアドレス設定画面

パソコンと基板のケーブル配線を図 8 に示す。
（右下のユニットはスイッチングハブ）
16UDP ではデータ授受の信頼性が低いため、高速の特殊用途以外では、信頼性の高い TCP/IP を利用した通信の必要性を感じた。

４．プリンタ制御実験
以下に SH7286 開発基板と IES 製プリンタ・コント
ロール基板を接続し、MMC のデータによる制御実験の内容を記す。
４．１． プリンタ
IES のプリンタを図 11 に示す。
右側はラベルをセットした状態、右下はメンテナンス用タッチパネル表示
器、左のカバー内部に熱転写リボン、サーマルヘッド
機構、カッター機構がある。
ラベル

ラベル排出口
図１３ ラベル排出側撮影

タッチパネル
図１１ ラベルプリンタ外観

図 12、13 は、カバーを外し、熱転写インクリボン、
サーマルヘッド部分を見える様に撮影したところである。左側にはカッター機構があり、ラベルを印字する
度にカッターを制御してラベルを切り離すことができる。

図１４ プリンタ背面

図 14 はプリンタ背面写真で、内部にはプリンタ・
コントロール基板、電源等がプリンタ機構部品とともに収納されている。図 15 に裏面内部を撮影した写真を示す。
ステッピングモータは、ラベルと熱転写リボンの送りを制御し、DC モータはラベルカッターを駆動する。

熱転写リボンラベル
カット
機構

サーマルヘッド

図１２ カバーを外して印字部を撮影

17

プリンタは上位コンピュータ等から制御データ、印字データをシリアルポート経由で受信し印字することが可能になっている。
４．２． 構成
平成 20 年度に開発した SH7286 開発基板の MMC
インターフェースを用いて、MMC に予め書き込まれた、印字制御データファイルと印字データファイルを
タッチパネルの操作により読出し、プリンタ・コント
ローラへ送信、印字を実行するアプリケーションを
TOPPERS/ASP 上のタスクとして作成し、デバッグと動作確認を行った。
図 17 に装置の構成を示す。

プリンタ
コントロール基板

DC モータステッピングモータ

図１７ 実験構成図
図１５ プリンタ裏面内部写真

図 18 に、接続状態の写真を示す。

図１８ プリンタと基板の接続

実際の印字テストに先立ってプリンタ・コントロー
ラ側の動作をパソコンのターミナルでシミュレーショ
ンしデバッグを行った。図 19～21 にシミュレーショ
ン、デバッグの様子を示す。
図１６ プリンタ制御基板

図 16 に示すプリンタ制御基板には、マイクロコン
トローラ、ステッピングモータ駆動回路、DC モータ
駆動回路、各種センサ入力インターフェース、サーマ
ルヘッド制御回路等が実装されている。
18

ＭＭＣコネクタ

図１９ ＭＭＣカードコネクタ

図２２ タッチパネル初期画面

図２０ ＭＭＣカード挿入中の写真
図２３ プリンタ印字開始操作画面

図２４ 状態問合せ（ＳＨ基板より）

図２１ シミュレーションテストの様子
図 22～33 にタッチパネルの「印字開始」押下により行われる、基板とパソコン（プリンタ・コントロール基板）間のデータ送受信の様子を示す。
図２５ 正常応答（パソコン）とイレース受信

19図２６ イレース受付（パソコン）と問合せ

図３１ 印字指令受信

図２７ 正常応答（パソコン）と制御データ受信

図３２ 正常応答（印字開始）
図２８ 正常応答（パソコン）問合せ

図２９

正常応答（パソコン）と印字データ受信

図３３ 印字開始押しボタン操作

図３０ 正常応答（パソコン）と問合せ受信

20

４．３． 印字テスト
プリンタと SH7286 開発基板を接続し、印字テストを行っている様子を図 34～36 に示す。
図 22～32 の操作を繰り返すことで実際の印字が行われる。

図３６ タッチパネルと印字ラベル

以上の様に、実際の印字の確認を行うことができた。
今回は予算その他の関係で、従来のシリアルポートを使用したテストとなっているが、RTOS アプリケー
ション（タスク）として、シリアルポートや、ファイ
ルシステムを操作し、MMC のデータによりプリンタ制御ができ応用面の基礎の習得につなげることができた。
４．４． 基板の検討
平成 20 年度に試作した基板は、プリンタ制御回路を実装していないが、将来、基板を作成する際の参考にサイズの比較検討を以下に行う。

図３４ 印字動作中

図３５ ラベルトレーを取り付けた様子
図３７ 基板サイズ比較

図 37 において左側が現行のプリンタ・コントロー
ル基板、右側が平成 20 年度共同研究で開発した
SH7286 基板である。
SH7286 基板には LAN コントロール部、CAN コン
トロール部、USB スレーブ制御部があるが、プリンタ
21に必要なセンサインターフェース、モータ駆動制御回路は持っていない。両基板の部品実装密度とパターン密度を比較すると、SH7286 基板に不足回路要素を加えて新規作成しても、コントロール基板サイズ以下のプリント基板の製作が可能と予想される。プリンタ基板の新規開発ができたわけではないが、サイズ比較のイメージとして、プリンタに平成 20 年度に開発した基板を格納した写真を図 38 に示す。

開発時の開発費の軽減、プラットフォームを利用したソフト開発と、ハード設計の並行作業、標準化された
API 仕様によるソフト品質向上等、技術者の負担軽減、技術者不足への対応が見込まれると感じた。
今後のプラットフォームの充実と普及が継続され、さらなる広がりを期待する。
参考文献
1) “CAN open Cabling and Connector Pin
Assignment”, CiA DRP 303-1
2) 五十嵐資朗,佐藤正幸、玉城礼二：“CAN 入門講座”,
電波新聞社,2007 年 1 月 31 日
3) “H8S/2556 グループ,H8S/2552 グループ,H8S/2506
グループ ハードウェアマニュア”,ルネサステクノ
ロジ,2007 年 9 月 11 日,http://japan.renesas.com/
4) “RTL8019AS データシート”,
REALTEK Semiconductor Corp.,2005-08-26,
http://www.REALTEK.com.tw/
5) “PC/104 Specification Version2.5”,
PC/104Embedded Consortium, 2003 年 11 月
6) ”R1LV1616R シリーズデータシート”,ルネサステク
ノロジ,2007 年 9 月 2 日,http://japan.renesas.com/
7) TOPPERS プロジェクト,http://www.toppers.jp
8) “SH7280 グループ ハードウェアマニュアル”,ル
ネサステクノロジ社,2007 年 12 月 25 日,
http://japan.renesas.com/
9)“AX88796BLF/AX88796BLI” デ ー タ シ ー ト ,ASIX
Electronics Corporation,http://www.asix.com.tw/10)“M29W128GL 128Mbit flash memory”,ニューモ
ニクス社,http://www.numonyx.com
11)“R1WV3216R シリーズ” SRAM データシート,ル
ネサステクノロジ社,2007 年 9 月 11 日,
http://japan.renesas.com/
12)“K4S281632K” SDRAM データシート,
SAMSUNG ELECTRONICS,
http://www.samsung.com
13) “R2045S/D” シリーズデータシート,リコー社,
http://www.ricoh.co.jp
14)福島県ハイテクプラザ,2009 年“SH2A 開発環境の構築”
15) TINET, http://www.toppers.jp/TINET.html

図３８ 平成２０年度開発基板を収納した写真（注意：収納スペースを見るだけで、実施に動作する訳ではない。
）

図３９ ＩＥＳプリンタの制御基板（比較として）

５．結言
今回の組込み製品開発プラットフォーム共同研究を通じて、RTOS のアプリケーション作成の基礎が確認
でき、標準化された API の重要性を認識することができた。
共同研究他社の FPGA、LCD、無線 LAN 等のプラットフォームや基本ソフト、LAN、CAN などのミドルウェアがさらに充実し相互利用可能なオープンソース
プラットフォームの形態が利用しやすくなれば、新規
22

自動巻線機の開発

田中精機株式会社

組込み応用製品の高機能化・高信頼性化に関する研究－自動巻線機の開発－
Research on High Performance and High Reliability of the Embedded Computer Application Products- Development of automatic winding machine –田中精機株式会社
須藤勝広 藤原広征
福島県ハイテクプラザ 高樋昌 浜尾和秀 鈴木剛 吉田英一 尾形直秀* 平山和弘
高機能な自動化装置を短時間で容易に開発、製作するために必要である、大規模FPGAを搭載した制御用FPGA基板を開発し、組込み応用製品開発の効率化と制御基板の長寿命化を図った。FPGA基板を制御基板として使うことにより、ソフトウェアの共通化も同時に実現され、ハードウェア、ソフトウェア両面で安定した制御装置を構築できた。また、最終的な製品ターゲットとして、自社の自動巻線機の制御回路及びインバーター回路を本研究で開発したFPGA基板とインバーター基板に置き換え、製品寿命の長期化の可能性を検討した。
Key words: 組込み、FPGA、CAN、自動巻線機、

１．緒言

２．開発基板について

近年、電子部品に関する配給状況をみると、製造中止によって部品供給がされなくなることが非常に多くなってきている。一方、自社製品のメンテナンスを考えると、部品が供給されなくなることによりメンテナ
ンス性が著しく落ちてしまい、顧客の満足度を落としてしまう事例が多く発生している。今後新製品を開発する場合でも、製品寿命を考慮に入れた設計が必要になってくる。
本研究で採用しているFPGAは、1チップ内に必要な論理回路、制御回路を納めることができ、なおかつ開発期間を大幅に短縮することが期待できる。また、開発を自社内で行い、テストも可能であるため、外注部分を発生させずに済むメリットがある。したがって、製造コストをトータルで抑えることができる。仮に周辺部品が変更になった場合でも、FPGAに構築した回路側の変更をソフトウェア的に行うだけで済むので、単一のデバイスとしてとらえると高価ではあるが、製品寿命などを考慮に入れると決して高価とはいえない。
そこで本研究では、ネットワーク通信などの多機能、画像処理などの高負荷な処理、基板運用寿命の長期化を考慮した高速高機能FPGA基板の設計製作を行った。
またこのFPGA基板に接続し周波数制御できるインバーター基板の設計製作を行った。
最終的に、現行の自動巻線機の制御部分を本研究で開発した FPGA 基板およびインバーター基板に置き換え、デバッグ環境構築、基板動作確認を経て、現行製品と同様にインダクションモーター制御を行い、巻線機が動作をすることを確認した。

２．１． 従来の制御基板
従来の制御基板はMPUの他にメモリー周辺LSI及び専用LSI、DIP部品（基板を貫通させて使う電子部品：
表面実装ではない部品）等を組み合わせ、目的の制御
動作、機能を持たせている。
これらの基板を用いている場合、制御対象が変われ
ばMPU基板のハードウェア及びソフトウェア、あるいは周辺基板の設計変更が尐なからず必要となり、開発
時間、工数が増大し、管理の負担が大きな問題となってくる。
また、近年DIP部品には生産中止や入手困難な部品が増加している。やむを得ず同機能の別部品を搭載するために基板の改版も多々発生している。
これらの問題を考慮し、基板あるいは部品の変更な
しに機能変更に対応出来るFPGAを採用した制御基板の開発は、今後の製品開発において必須の技術となる。

*現福島県立浜高等技術専門校

23

２．２． 新規開発ＦＰＧＡ基板
FPGAを採用することによって、ハードウェア的な変更をすること無しに、使用目的に合わせ制御回路を何度でも作り変えることが可能になる。このことは制御基板の運用寿命を飛躍的に長期化させ、さらに開発時
間、設計コストの大幅な削減も期待できる。また将来、新たに使われ出すインタフェース、ネットワーク等にも最小限の変更で対応出来ると考えられる。
平成19年度はFPGA基板を作成、平成20年度はFPGA
基板の動作確認、インバーター基板の設計製作が完了し、平成21年以降はFPGA基板にインバーター基板を接続し、インダクションモーターの周波数制御を行うこととした。可能であれば、NiosⅡによるMPUコアの組
込みやNiosⅡ上で動作する TOPPERS/JSPの運用、
MPU基板との接続、ネットワークの運用を行いたいと考える。

さらに、MPU 基板など外部基板をスタックできるように PC104 コネクタを備えた。これにより、FPGA 内に MPU コアを実装しない場合、外部
MPU 搭載基板を、PC104 コネクタを介してスタッ
クし、外部 MPU によって FPGA に実装する制御回路などのコントロールを行うことができる。一方、
汎用入出力ポートとして 50 ピンのソケット型コネクタを用意した。また、簡単な入出力が確認できる
ように、汎用の入力ボタンと出力 LED を搭載した。

２．３． ＦＰＧＡ基板概要
FPGA 基板全体の構成、概要（ブロック図）を
図 1 に示す。

２．４． ＦＰＧＡ基板の作成
当初、PC104 基板サイズを想定したが、搭載部品数量が増えたことにより、サイズは 96mm×200mm と大きくなってしまった。完成した FPGA
基板を図 2 に示す。

図１ ＦＰＧＡ基板のブロック図

FPGA には CycloneⅢ EP3C40F780C7 を採用
し、大規模回路が組み込める容量を持たせた。これは、本研究で開発する基板がプラットホームとして機能するためであり、機能が限定されればここまでの容量の FPGA は必要ないことが多い。FPGA の動作クロックは 50MHz とした。
外 部 通 信 お よ び デ バ ッ グ 用 に Ethernet 、
RS-232C、CAN、JTAG を搭載した。近年、業務用機器でもネットワーク対応は当たり前になっており、顧客のニーズも多いことから Ethernet を導入した。RS-232C は従来から取り入れられている
外部通信ポートであるため、本研究でも引き続き採用した。CAN は自動車などの内部ネットワークとして採用されることの多いデバイスだが、簡単な情報伝達に利用することも可能であり、今後業務用機器に採用されることも大いに考えられるため導入した。JTAG は FPGA デバッグ用に必須の通信ポートである。
また、本研究では NiosⅡの組込み、NiosⅡ上で
動 作 す る TOPPERS/JSP の 運 用 を 考 慮 し 、
256MbitSDRAM、128MbitFLASH メモリーも搭載した。プラットホームとして機能させる場合、
MPU コアを FPGA 上に実装する場合が考えられるため、本基板単体で機能できるように外部メモ
リーとして SDRAM、FLASH メモリーを搭載した。

図２ 完成したＦＰＧＡ基板

２．５． インバーター基板の概要
インバーター基板全体の写真を図 3、FPGA 基板と接続した写真を図 4 に示す。

図３ インバーター基板

24Connector PCB to WIRE 2.0mm pitch JST
connector,2pin Socket

B2B-PH-K- CAN
SConnector PCB to WIRE 2.0mm pitch JST
connector,6pin Socket

B6B-PH-K- RS232CS

Connector BOX Header, MA, ST,
BLACK, DIP, 2*5 PIN,
P2.54 mm, I8.8 mm
Connector RJ-45 Ethernet
connector
Connector PC104,DIP,2X32

XG4C-1031 JTAGOMRONHIROSE 222-14625 50
COMMCO 1185K-G64
N
Connector PC104,DIP,2X20
COMMCO 1185K-G40
N
Connector PCB to PCB half pitch OMRON XH3B-5042
connector,50pin Socket
-A

50pin

ECS
Inc

ECS-3953C 50MHz-500-TR

CrystalCMOS Oscillator,20MHz

ECS
Inc

20MHZ

２．６．基板部品
FPGA基板に搭載した主な部品は以下のとおりである。
FPGA：ALTERA CycloneⅢ EP3C40F780C7N
シリアルコントローラ：NiosⅡ付属（但し、トランシーバ(MAX232CSE)は外付け）
Ethernetコントローラ：Realtek RTL8019AS
CANコントローラ：PHILIPS SJA1000T
CANトランシーバ：MAXIM MAX3059ASA
RAM：DDR SDRAM 32Mbyte

IC

ＥLPIDA EDD2516AETA-5B-E
16M×16bit、200MHz、2.5V
ROM：Flash 16MByte
INTEL PC28F128P30B85
8M×16bit、52MHz、1.7-3.6V
I/O：PC/104バス

MemoryICIC
LEDMemoryMemoryMemoryMemoryPLD
Switch

Type

40pin

CMOS Oscillator,50MHz

IC

表１

64pin

Crystal

図４ ＦＰＧＡ基板とインバーター基板の接続

インバーター基板に搭載した主な部品は以下のとおりである。
・IGBT、整流器、電解コンデンサー、OP アンプ、金属皮膜抵抗、フォトカプラ、チョークコイル、コネ
クタ等
表１に FPGA 基板用部品の仕様を示す。また、表 2にインバーター基板用部品の仕様を示す。

Ethernet

ECS-3953M-200-BN-T
R
Can Transceiver,5V
MAXIM MAX3059AS
1Mbps
A
Can Controller,5V
PHILIP SJA1000T
S
NE2000 Compatible
REALTE RTL8019AS
Ethernet Controller,5V K
RS-232C Transceiver

MAX3059
SJA1000T
RTL8019AS

MAXIM

MAX3232CS MAX3232C
E
SE
Surface mount
STANLE BR1101W
RX
LED,L3.0xW1.5xH1.5,VF= Y
2.0V,Red
93LC46B-1SN,Serial
Microc 93LC46
93LC46
EEPROM,64 x 16bit,hip
2.5V-5.5V
8pin IC Socket,For MAC OMRON XR2A-0811 93LC46
address EEPROM-N
DDR-SDRAM 16M x 16bit, ELPIDA EDD2516AE DDR
200MHz, 2.5V
TA-5B-E
4Mx16x4
FLASH, 16M x 16bit,
Intel PC28F128P FLASH
52MHz, 1.7V-3.6V
30B85
128Mbit
EPCS64, 1.7V-3.6V
ALTERA EPCS64SI1 64Mbits
6N
Cyclone III 3C40 780PIN ALTERA EP3C40F78 EP3C40F7
0C8N
80
4 Pin, L6*W6*T5 mm,
OMRON B3SF-1000 TACT SW
P3.5*1.6 mm, 160g, RoHS

表２ インバーター基板用部品（主要）ＦＰＧＡ基板用部品一覧（主要）Description

Manufa Manufactu Value
cturer rer Prt
Connector PCB to WIRE 3.96mm pitch JST
B2P-VH
DC5V
connector,2pin Socket

25

名称

材質(型番)

メーカ

ｲﾝﾊﾞｰﾀｰ基板回路図****

ﾄﾗﾝｼﾞｽﾀ

2SC2120-Y

東芝(Ro)ﾀﾞｲｵｰﾄﾞ

1S953-AZ

NEC

ﾂｪﾅｰﾀﾞｲｵｰﾄﾞ

RD3.9E B

NEC(Ro)ﾘﾆｱ IC

μPC324C-A

NEC

LED 赤

PR5351K

ｽﾀﾝﾚｰ(Ro)ｶﾗｰ抵抗

CFS1/4CT52A512J

ｺｰｱ(Ro)ｶﾗｰ抵抗

CFS1/4CT52A103J

ｺｰｱ

(Ro)ｶﾗｰ抵抗

RD25S 20KΩJ

東京電音(Ro)ｶﾗｰ抵抗

RD25S 1MΩJ

東京電音(Ro)ﾀﾞｲｵｰﾄﾞ

10DDA40

日本ｲﾝﾀｰ(Ro)ｾｷｾﾗｺﾝﾃﾞﾝｻ

RPE131F104Z50

ﾑﾗﾀ

HCMOS

SN74HC74N

TI

HCMOS

SN74HC541N

TI(Pb)ﾚｷﾞｭﾚｰﾀ

LM323K STEEL/NOPB

ﾘﾆｱﾃｸﾉﾛｼﾞｰ

ﾌｫﾄｶﾌﾟﾗ

TLP250

東芝

電解ｺﾝﾃﾞﾝｻ(ﾀﾃ型)

UVR0J101MDD 6.3V 100μF

ﾆﾁｺﾝ(Ro)電解ｺﾝﾃﾞﾝｻ(ﾀﾃ型)

URS0J471MPD 6.3V 470μF

ﾆﾁｺﾝ(Ro)電解ｺﾝﾃﾞﾝｻ(ﾀﾃ型)

USR1C101MDD 16V 100μF

ﾆﾁｺﾝ(Ro)電解ｺﾝﾃﾞﾝｻ(ﾀﾃ型)

UVR1C222MHD 16V 2200μF

ﾆﾁｺﾝ(Ro)電解ｺﾝﾃﾞﾝｻ(ﾀﾃ型)

UVR1V153MRD 35V 15000μF ﾆﾁｺﾝ

電解ｺﾝﾃﾞﾝｻ(ﾀﾃ型)

LLS2E122MHLC

ﾆﾁｺﾝ

電解ｺﾝﾃﾞﾝｻ(ﾀﾃ型)

LLS2W391MHLC

ﾆﾁｺﾝ

ﾌｨﾙﾑｺﾝﾃﾞﾝｻ

ECQU2A332ML

松下

ﾌｨﾙﾑｺﾝﾃﾞﾝｻ

250MMWA103KEF

ﾙﾋﾞｺﾝ

整流器

S15VB20

新電元

整流器

S5VB20

新電元

ﾄﾗﾝｼﾞｽﾀ

2SK1168

日立

ﾌｫﾄｶﾌﾟﾗ

TLP520GB

東芝(Ro)ｶﾗｰ抵抗

RD25S 10ΩJ

東京電音(Ro)角形ｾﾒﾝﾄ抵抗 1

MS-20 0.15ΩJ東京電音(Ro)角形ｾﾒﾝﾄ抵抗

MS-10 47ΩK

東京電音(Ro)角形ｾﾒﾝﾄ抵抗

MS-10 30KΩK

東京電音

金属被膜抵抗RNS1/4J200ΩFｺｰｱ(Ro)金属被膜抵抗

RNS1/4J2KΩF

ｺｰｱ(Ro)金属被膜抵抗

RNS1J330KΩFｺｰｱ(Ro)端子台

ML-100CS 36P

SATO

ﾁｮｰｸｺｲﾙ

SN-10-500

ﾄｰｷﾝ

ﾁｮｰｸｺｲﾙ

SC-02-10GS

ﾄｰｷﾝ

ﾘﾚｰ

AR321273,JC-1AF-DC24V

ﾏﾂｼﾀ

ﾀﾝﾀﾙｺﾝﾃﾞﾝｻ

DN1C100M1S

NEC(Ro)電解ｺﾝﾃﾞﾝｻ(ﾀﾃ型)

UVP1H220MPD 50V 22μF

ﾆﾁｺﾝ

ﾌｨﾙﾑｺﾝﾃﾞﾝｻ

QXB2E102MTPT,(0.001μF)

ﾆﾁｺﾝ(Ro)ｶﾗｰ抵抗

RD1S 68KΩ

東京電音(Ro)ﾌｨﾙﾑｺﾝﾃﾞﾝｻ

QYX1H223JTP,0.022μF

ﾆﾁｺﾝ

ｺﾈｸﾀ

AJ-471ﾎｼﾃﾞﾝ

ﾀﾞｲｵｰﾄﾞ

DF10L60

新電元

整流器 ﾀﾞｲｵｰﾄﾞ

S25VB60

新電元

IGBT ﾓｼﾞｭｰﾙ

MP6752

東芝(Ro)XH3 ﾊｰﾌﾋﾟｯﾁｺﾈｸﾀ L 端子 XH3A-5042-A

させ、ワイヤーガイドを装備したトラバース軸を同期させて動かす事によってコイル巻線を行う構造としている。
ユーザーが作成したプログラムに従ってスピンドル
モーターが回転し、プログラム内で指定されたワイ
ヤーピッチでトラバース軸が移動する。
線材の種類、用途などによって、図 5 に示すような卓上タイプからラインに組み込む大型のタイプまで様々な規模の巻線機が存在するが、本研究開発では、卓上タイプの小型単軸巻線機のモーター制御を高機能化する為に FPGA 基板を使用した。

図５ 小型巻線機の例

３．２．現行制御基板
現行の巻線機は Z80MPU を用いてインバーター制御を行い、スピンドルモーターを駆動している。
現行制御基板での制御を図 6 に示す。

ｵﾑﾛﾝ

３．自動コイル巻線機
図６ 制御ブロック図

３．１．巻線機の概要
自社の巻線機はスピンドルモーターでワークを回転
26

Z80MPU は、コンソール基板より速度信号を受け取り、その速度に従ってインバーター制御のための三相交流波形を生成する。その生成ステップは以下の通りである。
 速度信号
巻線機の命令解釈を行うコンソール基板より速度指令が送信される。
この速度信号は 1Hz から 127Hz までとなっており、パラレル I/O 信号としてインバーター基板に受け渡される。
 PWM 回路
速度信号を受けたインバーター基板上の MPU がテーブルから PWM 用の値を取得する。A、B、C
各相のテーブルがあり、各テーブルは 1024 の要素を持つ。テーブル内の各要素は 8 ビットで構成されており、+127～-127 の値を示す。
16 進数で 7F の場合に中点である 0V の出力となっており、その値を PWM のカウンター値として使用する。
IBGT 素子を通してスイッチングする事によって
図 7 のような波形を出力する。

を変えて出力する事によってインダクションモー
ターの速度制御を可能としている。
指令速度が 2Hz の時はテーブルから 1 個飛ばしに値を持って来れば 2Hz になり、同様に 3Hz の時は 2個飛ばしに値を持ってくれば良い。
３．３．現行基板での問題点
現行基板を維持していくうえで、次のような問題が生じている。
 生産中止部品
3.2．に示したような回路でインバーター制御を実現し、自動巻線機として市場に投入してきたが、Z80MPU もオリジナルの発表から 30 年以上が経過し、その周辺回路として供給されてきた 8055、8054などの IC も入手が難しくなってきている。互換部品の入手でしのいできたものの、近年互換部品を含め一層入手が困難である。現在在庫として保有している部品が最終となるものもある。
 性能向上の難しさ
この先の商品展開を考えた場合に、さらなる高機
能化、高速化は避けられない課題であり、それに対応するには現状の機器構成では無理と判断せざるを得ない状況である。特に現状では基板すべてをディ
スクリートで構成しているため、パーツ交換によって高機能化、高速化は不可能である。高機能化、高速化を達成するには基板の再設計が必要になるが、開発工数やパーツの入手性を含めた寿命などを考慮する必要があるため、コスト的に現実的ではない。
そこで基板構成の大部分を FPGA に置き換えておけば、今後の部品入手、機能強化においてのアドバンテージを得られると判断し、インバーター制御
部分を FPGA 内に組み込む事を試みた。

PWM波形
150
100

振幅

50
0
-50

1

69 137 205 273 341 409 477 545 613 681 749 817 885 953 1021

-100
-150
時間
Ａ相

B相

Ｃ相

図７ 各相におけるＰＷＭ信号用波形

各相の波形はこのようになる。
相ごとに 120 度位相のずれた波形が出るようなテーブル値になっており、このテーブルから約1msec に一度 PWM 値を持って来てカウンターを更新する事で 1Hz の波形が得られる。
この波形を相間電圧として描画したグラフを図 8に示す。

３．４．ＦＰＧＡ基板のメリット
FPGA 基板を導入することによるメリットは次のよ
うなものが考えられる。
 部品点数の削減
同等の機能を実現する為に必要な部品数が大幅に尐なくなる。現在 MPU、メモリー、ROM、CTC、
PIO といった周辺 IC などを必要としている部分を
全て FPGA デバイス一つに納める事が可能になる。
現在、ロジック IC とそれを機能させるための抵抗やコンデンサなどのアナログデバイスでほとんどの制御部分が構成されている。この部分を FPGA 化できれば、スケールメリットが得られると考える。ただし、FPGA は単体のデバイスとしてはやはり高価であるため、十分吟味して最適なデバイスを選択する必要がある。
 生産中止部品への対応

相間電圧波形

300
200

振幅

100
0
-100

1

68 135 202 269 336 403 470 537 604 671 738 805 872 939 1006

-200
-300
時間
Ａ相-Ｂ相

Ｂ相-Ｃ相

Ｃ相-Ａ相

図８ 各相間電圧

図 8 の通り、綺麗なサイン波となるので、周波数27FPGA 自体も生産中止になる事が考えられるが、ロジック数の違うモデルなどへの置き換えなどで基板そのものの変更をする必要がなく、代替部品への置き換えができると考えられる。また、当然のことながら周辺部品の生産中止への対策に腐心する必要がなくなるため、全体としてコストメリットがあると考える。さらに、設計変更などの大幅な作業が必要なくなる。
 高機能化
内部のロジック数に余裕のある FPGA であれば、FPGA 内部に後から回路を追加する事が出来るのでアップデートが比較的容易に可能である。ハード
ウェア的に機能の追加が不可能な場合は、あらかじ
め FPGA の I/O ピンを外部コネクタなどに割り振っておけば容易に機能追加できる。
 高速化
FPGA はロジック回路であるため、同時処理が基本的動作となる。したがって、MPU のようにプログラムを増やせば増やすほど処理速度に影響を及ぼす事がない為に高速化しやすい。
 回路の簡略化
FPGA 内部に電気回路を組むために基板パターン
そのものは非常にシンプルな構成になる。また、基板完成後も FPGA 内部の回路の書き換えがソフト
ウェア的に出来るので、仮にバグがあった場合の対応も容易になる。

図 9 にデコーダーブロックを示す。このブロックは与えられた速度指令からテーブルのインデックス
カウンターの加算分を取得するブロックである。
0 から 1023 までカウントアップするカウンター(10 ビットカウンター)であり、速度指令が 1 なら
1msec に 1 回 1 ずつ出力する値を増やし、速度指令が 2 なら 1msec に 2 ずつ出力値を増やしていく。
同時に速度指令が全て 1（FF）だった場合にブレーキ信号とし、全て 0（00）だった場合にモーター
フリー信号とするが、いずれもここで生成する。


Add_count ブロック

図１０ カウンターブロック図

図 10 にカウンターブロックを示す。これは、
add_fact に入力された加算値を内部のカウンターに加算して出力するブロックである。カウンターの取り得る値は 0～1023 の 10 ビットデータとなる。
ここから出力される値が各相の PWM テーブルから取り出す時のインデックス値となる。

４．ＦＰＧＡ基板でのインバーター制御
本研究開発では、制御回路として 3.2．に示した
PWM 回路を FPGA 基板へ実装する。現行制御回路から 7 ビットの速度指令値を受け、FPGA 基板上に実装
した PWM 回路によりモーター回転信号を生成することを想定した。PWM 回路を構成する各ブロックを以
下 の よう に構 築 した 。なお 、 構築 には Altera 社
QuartusⅡVer8.0(後半は Ver9.0)を用いた。以下に制御回路の主なブロックを示す。



phaseA_V8、multiplier ブロック

図１１ 各相ごとのＰＷＭブロック、ゲイン乗算ブロック



Decorder ブロック
図 11 に各相ごとの PWM ブロック及びゲイン乗
算ブロックを示す。
各相ごとの PWM ブロックでは、指定されたインデックス値に応じた PWM 値をテー
ブルから取り出す。なお、このブロックは A、B、C
各相ごとに用意した。PWM 値を格納したテーブル
も各相ごとに用意した。ロジック数を考慮するのであればテーブルは一つとし、各相ごとに 120 度ずれた値を読みだす方法がよいが、各相ごとにそれぞれ用意したほうがデバッグなどの場合に見通しが良くなるため、若干冗長ではあるがこの方法をとった。

図９ デコーダーブロック図28

また、ゲイン乗算ブロックでは、インデックス値
をゲインに応じて調整する。本自動巻線機において、
低速でモーターを回す場合、ゲインを低くして電流を流す時間を尐なくする必要がある。ゲインが高い
ままモーターを回すと、電流が大きくなるためモーターが過熱し製品寿命を劇的に下げる。
したがって、
その対策に用いる。
５．自動巻線機の開発
平成 19 年度の成果物である FPGA 基板と、平成 20
年度の成果物であるインバーター基板を使用したモーター制御装置を、現行の制御基板と置き換え、同等の動作をする自動巻線機の開発を試みた。
５．１．現行基板と開発基板の比較
図 14 に現行のモーター制御基板とインバーター基板を示す。図上側がインバーター基板（一部制御部分を含む）、図下側がモーター制御基板である。制御基板
では Z80MPU を使用している。使用時は 2 段に重ねて自動巻線機に配置する。

out_latch ブロック

図１２ データラッチブロック

図 12 にデータラッチブロックを示す。このブロッ
クでは、PWM 値を保持して後段のコンパレーター
ブロックへ出力する。


comparator ブロック
図１４ 現行の制御基板、インバーター基板

図 15 に開発したモーター制御基板（FPGA 基板）とインバーター基板を示す。図左上側がインバーター
基板、図右下側がモーター制御基板である。使用時は図のようにコネクタで接続して自動巻線機に配置する。

図１３ コンパレーターブロック

図 13 にコンパレーターブロックを示す。このブロックでは、コンパレーターを使用して IGBT 素子
への出力を ON・OFF し、実際のモーター駆動を実現する。インデックス値との比較で決まった PWM
信号により、電流値が設定されることになる。


clk_tmg ブロック
ブロック図には示していないが、PWM 回路全体の同期をとるクロックブロックを設けている。シス
テムから供給されたクロックを分周し、必要なクロックを提供する。本研究開発では、50MHz のシ
ステムクロックを内蔵 PLL により分周し、3.84MHzの基準周波数を提供した。基準周波数を 3,840 回計
測すると正確に 1 秒のタイミングを作ることが可能である。

図１５ 開発した制御基板、インバーター基板29

図 16 に現行基板と開発した基板の比較を示す。 現
行基板に比べ、開発した基板が非常にコンパクトになっていることが分かる。制御基板に FPGA を用いているため小さくなっているが、本研究ではプラット
フォームとしての位置付けもあるため制御基板としては大きくなっている。したがって、製品として市場に投入する場合は、より小さなデバイスを選択し、不必要な部品を搭載しないためより小型化が図れる。

図１７ 現行基板と開発基板併設実験（本体後方より）

図１６ 現行基板と開発基板の比較

５．２．自動巻線機の製作
自動巻線機のモーターの駆動実験を行う為に自社製品である AX4 卓上巻線機に基板を実装した。
図 17、18 に開発した自動巻線機を示す。本装置では、現行基板と開発基板を併設した状態で実験を行った。これは、開発資金不足により FPGA デバイスに
MPU を搭載する、あるいは外部バスに MPU 基板を接続するという形態での制御ができなかったためである。今回は、４．で示した通り現行基板の MPU をそのまま流用し、速度指令値を供給してもらう方式とした。現行基板から供給された速度指令値により、モーター制御基板に組込んだ PWM 回路を動作させ、モーターを駆動するようになる。
また、一部のその他の制御を行うために、現行のインバーター基板も併設している。ただし、インバーター部分は機能していない。

図１８

現行基板と開発基板併設実験（スピンドル、トラ

バース側より）

回転数を設定し、制御基板を現行基板及び開発基板として制御実験を行った。実験の様子を図 19、20 に示す。また、得られた結果を表 3 に示す。

図１９ 制御実験時の表示パネル30

表４ 現行基板における制御部

コンソール基板（上基板）
部品点数
基板面積
１３２
３５０ｃ㎡
表５ 現行基板におけるインバーター部

インバーター基板（下基板）
部品点数
基板面積
２６８
６６０ｃ㎡
表６ 現行基板の合計

合計
部品点数
４００
図２０ 制御実験時のスピンドル、トラバース

表７ 開発基板における制御部

ＦＰＧＡ基板

表３ 各基板での回転数

設定回転数(RPM)
50
100
300
500
1000
1200

現行基板
46
97
296
498
1010
1211

基板面積
１０１０ｃ㎡

部品点数

開発基板
49
99
309
519
1051
1261

２７０

基板面積
１９０ｃ㎡

表８ 開発基板におけるインバーター部

インバーター基板
部品点数
１７０

現行基板と開発基板を比較してみると、設定回転数に対する差異は若干現行基板のほうが尐なかった。ア
ナログ回路周辺は現行基板に対してチューニングされているため、現行基板のほうが追従していると考えられる。また、設定値に対して計測値が大きめの値を示
すのは、従来基板では回路構成上 1sec=1024msec として計測しており、回転数の表示を 1024msec に合わせているためである。開発基板では 1sec=1000msecに設定したため大きく表示されてしまう。表示プログ
ラムを変更することにより訂正可能である。しかしながら、実用上あまり差異はない範囲であるため、おおむね良い結果を得ているといえる。
また、感覚的な問題であるが、スピンドルのスピン
アップ、スピンダウンが開発基板においては非常に滑らかになった。特に低速回転時にはその違いは顕著で
ある。

基板面積
４１８ｃ㎡

表９ 開発基板の合計

合計
部品点数
４４０

基板面積
６０８ｃ㎡

開発基板の部品点数は、現行基板に比較して 40 点ほど増えているが、これは高速部品を使用した為にバイパスコンデンサが増加（FPGA 基板だけで 78 点使用）したためと、機能強化（高機能化）された部分のの専用 IC 増加分と考えれば妥当である。
機能強化内容 Ethernet
 CAN
 RS232C 2ch
 16Mbytes フラッシュメモリ
 32Mbytes DDR2SDRAM
一番のメリットは Z80MPU 周辺 IC が一つも使われていない事であり、これにより生産中止部品に悩まされる事が尐なくなる事は間違いない。
コスト面から見ると、特筆すべきは基板面積の減尐
で、1,010ｃ㎡から 608ｃ㎡と 40%も減尐している。
これだけ機能的に強化したにもかかわらず、基板面積をここまで減らせたのは FPGA によるところが大きいといえる。

５．３．ＦＰＧＡ基板化によるメリット
現行の基板を FPGA 化し、インバーター基板を分離した状態として、現行の基板と開発基板の比較を行った。表 4～9 に比較表を示す。

31

現行基板の場合は、本体筐体に納めるために基板を2 枚重ねとしていたのに対して、FPGA を用いた方の基板ではワンボード化が可能である。コストダウンに貢献すると共に 2 枚の基板を接続する必要がなくなるのは、振動の多い自動巻線機においては非常に大きい
メリットである。
商品化する際にはワンボード化した上でさらに小型の基板にする事も検討したい。

６．結言
今回、この基板に搭載した部品はほとんどがこれまで取り扱ったことの無い未経験の部品であった。しかしながら、プラットホームとしての機能を満たし、他
MPU 基板との整合性も図ることができたため、自社内で様々な開発を行ったり、他共同研究機関が利用するのに有効な基板が開発できた。
今後の製品への展開を考えると、今回の実験でFPGA を用いたインバーター制御の実証が出来たので、製品に FPGA を組み込む障害が無くなった。
さらに、FPGA の性能の高さが今回の実験によって立証されたので、サーボ制御部分も内部に組み込んでしまい、小型巻線機はこの基板 1 つで全ての制御を行うように出来るのではないかと思われる。これにより商品展開が非常に効率良く行えるという展望が立った。
また、サーボ制御の為に PID 制御をどのように
FPGA に組み込むかの実験を経て、次期小型巻線機に本研究で開発した基板を載せて行きたい。
参考文献
1) PC/104Specificartion Version 2.5, PC/104
Embedded Consortium,
http://www.pc104.org, 2003/10
2) 改訂 VHDL によるハードウェア設計入門,長谷川裕恭,ＣＱ出版 株式会社,
2004/043) 実用 HDL サンプル記述集,鳥海 佳孝/田原迫 仁治/
横溝 憲治,ＣＱ出版 株式会社,2002/03
4) ＶＨＤＬで学ぶディジタル回路設計,吉田 たけお/尾知 博,ＣＱ出版 株式会
社,2002/04
5) Ｃ言語によるモーター制御入門講座,高橋 久,株
式会社 電波新聞社,2007/10

32無線通信応用組込み装置の開発

株式会社 GClue

組込み応用製品の高機能化・高信頼性化に関する研究－無線通信応用組込み装置の開発－
Research on High Performance and High Reliability of the Embedded Computer Application Products- Development of wireless board –株式会社 GClue

佐々木 陽

福島県ハイテクプラザ

土屋 喬

高樋昌

浜尾和秀

鈴木剛

吉田英一

尾形直秀*

平山和弘

外付けの ZigBee 基板と Bluetooth 基板の作成と、TOPPERS/JSP 向けの API の作成を行った。
Key words: 組込み、ZigBee、Bluetooth

XBee/XBee-PRO

１．緒言本研究開発では、工場内における基板間の無線通信を行うための ZigBee 基板と Bluetooth 基板の作成と対応 API の作成に関する研究開発を行った。

BT-22A
１. １ 本研究の背景
現在、工場制御システムでは、複数のマイコンが協調連携してシステムを構成するようになった。複数のマイコンボードを有線で接続して行くと、マイコンチップの数が増え、その分だけ接続ケーブル数が増えていく。3 個程度のマイコンボードを接続す
るならケーブルの数はわずかだが、10 個以上のマイコンボードを接続するとケーブルの数だけでも相当な重量と面積を占めることになる。
本研究では、ZigBee や Bluetooth の無線通信を用いることで、現在有線で繋いでいる工場制御向けのシステムを無線化することを目的としている。無線化できるメリットは、ケーブル数や重量の削減や、センサー等を工場の各所に配置しデータをシステムに吸い上げる事が可能になり、より柔軟性が高いシステムが構築可能になる。

図 1 通信モジュール

２．ハードウェア開発
図 2 Bluetooth 基板の設計図

２．１ 設計ZigBee モジュール搭載の基板と、Bluetooth モジュール搭載の基板設計と基板作成を行った。それぞれのモジュールを図 1 に示す。
ZigBee 通信用の基板では、 XBee 社の ZigBee
Module を採用し、H8 マイコン搭載のマイコンボー
ドとは、シリアル通信を行う仕様で設計した。
Bluetooth 通信用の基板では Amp’ed 社の BT-22A を
Bluetooth Module として採用し、H8 マイコン搭載のマイコンボードとは、シリアル通信を行う仕様で設計した。それぞれ図 2、3 に示す。
*現福島県立浜高等技術専門校

図 3 ZigBee 基板の設計図

33

２．２ Bluetooth モジュール

２．４ 電源Bluetooth モジュールには、Amp’edRF 社の BT-22Aを採用した。BT-22A を採用した理由として、SPPが標準でモジュールに搭載されている点と、FCC 認
証と Bluetooth 認証を取得済みの Bluetooth モジュールである点と、Bluetooth のバージョンが 2.0 である点などが挙げられる。仕様を表 1 に示す。

電源は、マイコンボードと RS-232C アダプター経
由で接続する場合は、5V 以上の電源電圧を AC アダ
プターから供給する実装にした。また、マイコンボードに装着時には、マイコンボードから電源が供給できるように実装した。作成した ZigBee 基板を図 4に、Bluetooth 基板を図 5 に示す。
電源を、AC アダプター経由で供給するか、マイコンボードから供給するかの設定は、ジャンパーピ
ンの JP5 で設定するようにした。設定値を表 3、表 4に示す。

表 1 Amp’ed 社 BT-22A 仕様
機種

BT-22ABT バージョン

V2.0 仕様準拠

周波数

2.4GHz帯域幅

1 MHz, 79 チャネル

周波数回避

1600 hops/sec

RF 出力-6dBm to +4dBm
ST-Micro 社製高速 ARM7 プロセッサCPU

搭載 50MHz

メモリー

256K Flash, 64K RAM

クラス

Class2

通信距離

最大 30m

転送レート

最大２Mbps マルチポイント対応

GPIO I/O

4 本（1x12 ビット A/D 入力）

シリアル

UART 最大 921Kbps、SPI、I2C

電源

2.8Vdc～3.3Vdc

動作温度-20℃ ～ +80℃

動作湿度95%, RH

基板寸法

13.1 mm x 11.6mm

アンテナ

アンテナ無しセキュリティ

128 ビット暗号化

JP5

図 4 作成した ZigBee 基板
表 3 ZigBee 基板 JP5

PIN
JP5

ON
AC アダプターOFF
マイコンボード

２．３ ZigBee モジュール
ZigBee モジュールには、XBee 社の XBee/XBee-Proを採用した。XBee/XBee-Pro を採用した理由として、
FCC 認証を取得済みである点、国内でも多数の採用実績がある点が挙げられる。仕様を表 2 に示す。
表 2 XBee/XBee-Pro 仕様
機種

XBee/XBee-Pro

周波数2.4GHz-2.4835GHz

屋内到達距離30m

屋外到達距離90m

チャンネル数JP5

図 5 作成した Bluetoot 基板

XBee 16 チャンネル

表 4 Bluetooth 基板 JP5

XBee-Pro 12 チャンネル

RF 転送レート

250kbps

データ転送レート

115.2kb

電源

2.8Vdc～3.3Vdc

動作温度-20℃ ～ +80℃

PIN
JP5

34

ON
AC アダプターOFF
マイコンボード２．５ シリアル通信
ZigBee 基板とマイコンボードとの間のシリアル信号として、RS232C 経由での通信と、基板下の16PIN 経由での通信が可能なようにした。コネクタのピン配置を表 5、6 に示す。

表 7 Bluetooth 基板 CN7
RS232C 経由での通信

PIN
01
02
03
04
05
06
07
08
09

表 5 ZigBee 基板 CN7
RS232C 経由での通信

PIN
01
02
03
04
05
06
07
08
09

信号
RXDO
TXDO
DTR
GND
DSR
RTS
CTS

RXDO
TXDO
DTR
GND
DSR
RTS
CTS

表 8 Bluetooth 基板 CN4
裏付 16PIN 経由での通信

PIN
01
02
03
04
05
06
07
08
09
10
11
12
13
14
15
16

表 6 ZigBee 基板 CN4
裏付 16PIN 経由での通信

PIN
01
02
03
04
05
06
07
08
09
10
11
12
13
14
15
16

信号

信号
3.3V
3.3V

TXD1
TXD2
RDX1
RDX2
GND
GND
TXD3
TXD4
RXD3
RXD4
GND
GND

信号
3.3V
3.3V

TXD1
TXD2
RDX1
RDX2
GND
GND
TXD3
TXD4
RXD3
RXD4
GND
GND

２．６ 装着Bluetooth 基板のマイコンボードへの装着は、RS232C の場合はマイコンボードへは装着せず、外部に取り外しできるように設計した。装着した状態
を図 6 に示す。

Bluetooth 基板とマイコンボードとの間のシリア
ル信号として、RS232C 経由での通信と、基板下の16PIN 経由での通信が可能なようにした。コネクタのピン配置を表 7、8 に示す。

35

一方で、ZigBee 基板をマイコンボードへ装着する
場合は、裏付の 16PIN をマイコンボードに差込み、装着できるような設計にした。装着した状態を図 9に示す。

RS232C

基板装着
RS232C
図 6 Bluetooth 基板 RS232C 接続時

一方で、Bluetooth 基板をマイコンボードへ装着する場合は、裏付の 16PIN をマイコンボードに差込み、装着できるような設計にした。装着した状態を図 7に示す。

図 9 ZigBee 基板 取付時

Bluetooth 基板を RS232C で接続するか、基板表面へ装着するかの設定は、JP1-JP4 のジャンパーピンの設定で行うように設計した。設定値を表 9 に示す。
基板装着
表 9 Bluetooth 基板のジャンパーピン設定

RS232C
装着

JP1
ON
OFF

JP2
ON
OFF

JP3
ON
OFF

JP4
ON
OFF

ZigBee 基板を RS232C で接続するか、基板表面へ装着するかの設定は、JP1-JP4 のジャンパーピンの設定で行うように設計した。設定値を表 10 に示す。

図 7 Bluetooth 基板 取付時

ZigBee 基板のマイコンボードへの装着は、RS232Cの場合はマイコンボードへは装着せず、外部に取り外しできるように設計した。装着した状態を図 8 に示す。

表 10 ZigBee 基板のジャンパーピン設定

RS232C
装着

JP1
ON
OFF

JP2
ON
OFF

JP3
ON
OFF

JP4
ON
OFF

２．７ XBee の設定
RS232CXBee モジュールの設定は、X-CTU というツールで行う。ZigBee 基板と Windows マシンを RS232C 通
信で接続し、X-CTU で XBee の各種設定を行うことが可能である。設定作業を図 10 に示す。
RS232C
図 8 ZigBee 基板 RS232C 接続時

36

ZigBee 関連の API としては、ZigBee の設定を行う
ための setZigbee メソッド、ZigBee の接続と切断を行う openConnect メソッド、closeConnect メソッド、
またデータの送信と受信を行う sendData メソッド、
revieveData メソッドの開発を行った。
ZigBee の API を表 12 に示す。
表 12 開発した ZigBee の API

ZigBee 関連の API
setZigbee()
openConnet()
closeConnect()sendData()
recieveData()

４．結言
今回、ZigBee 基板、Bluetooth 基板の設計・開発を行った。ZigBee、Bluetooth ともに FCC 認証のモジ
ュールを採用した。
図 10 X-CTU 画面イメージ

また、作成した ZigBee 基板と Bluetooth 基板に対応した TOPPERS/JSP の API を開発した。開発したAPI により、PC とマイコンボード間、マイコンボー
ドとマイコンボード間での ZigBee 通信、Bluetooth通信が可能になった。

X-CTU では、XBee のクライアント側とエンドデバイス側の設定をそれぞれ行う。また、デバイスの対応付けであるペアリング設定も X-CTU を用いて行う。

本研究開発による H8 マイコンボード間の無線通信が可能になり、Bluetooth、ZigBee 搭載のセンサーとの通信も可能になった。工場内における無線通信をベースとして、データ収集や機械間の協調連携などを実現できる仕組みを構築できた。

３． ＴＯＰＰＥＲＳ／ＪＳＰ上での動作
TOPPERS/JSP OS 上で、マイコンボードと ZigBee
基板・Bluetooth 基板間をシリアル通信を使って接続し、設定の調整や通信を行えるようにした。

参考文献
1) XBEE
http://www.digi-intl.co.jp/digi/wireless/zig
bee-mesh/xbee-zb-module.html
2) X-CTU
http://www.digi.com/support/kbase/kbaseresul
tdetl.jsp?kb=125
3) BT-22A
http://ampedrf.com/documents/BT-22A_Datashee
t.pdf4) TOPPERS プロジェクト
http://www.toppers.jp
5) TINET
http://www.toppers.jp/TINET.htm

Bluetooth 関連の API としては、Bluetooth の設定を行うための setBluetooth メソッド、Bluetooth の接続と切断を行う openConnect メソッド、closeConnect
メソッド、またデータの送信と受信を行う sendData
メソッド、revieveData メソッドの開発を行った。
Bluetooth の API を表 11 に示す。
表 11 開発した Bluetooth の API

Bluetooth 関連の API
setBluetooth()
openConnect()closeConnect();
sendData()
recieveData()
37画像応用組込み装置の開発

有限会社フロンティア・オンライン

組込み応用製品の高機能化・高信頼性に関する研究－画像応用組込み装置の開発－
Research on High Performance and High Reliability of the Embedded Computer Application Products- Development of imaging device -有限会社フロンティア・オンライン 酒井克裕 渡辺俊枝 江花光広
福島県ハイテクプラザ 高樋昌 浜尾和秀 鈴木剛 吉田英一 尾形直秀* 平山和弘
平成 19 年度に調査した入出力インターフェースをもとに画像表示用のディスプレイを選定し、画像データを入出力するためのソケットを有する拡張ボードを開発した。また、開発した拡張ボードを用いて、SD カードからの画像入出力、画像表示、携帯機器に適した小規模メモリでの展開を可能にするアルゴリズムを検討した。
Key words: 組込み、LCD、Exif 規格，MMC,SD カード

２．２．周辺回路(1)概要図仕様を検討した結果、図 1 を基本に構成することにしたが、ベースボードの確認作業の延長があり、その期間代用としてアルテラ評価ボードで構築するという変更に対応することにした。

１．緒言
デジカメ画像には、Exif 規格による JPEG 画像及びRAW データが存在し、現在では数百万画素以上を有する特大のイメージファイル、一般的には 1MB から
十数 MB サイズとなっている。このようなデジカメ画
像を実際に展開するには、相当量の MPU 及びメモリ
スペックが必要となっており、現時点で実用に耐えうるプレビュー性能を発揮できるのは、高性能かつ電力消費の大きなパソコンが利用されている。
そこで、本研究では現在の省電力 MPU 或いはモバ
イルデバイスであっても実用に耐えうる高速性能をもった Viewer エンジンを開発する事を目標とした。
画像処理アルゴリズムをハードウェアで実装することにより、消費電力の点でも MPU によるソフトウェア
処理よりも特化されたハードウェアのほうが低消費電力になる。

図１ 概要図(2) SD カードソケットの使用ピン（4 ピン）

２．設計仕様２．１．設計仕様
設計仕様は以下の内容とした。
(1) インターフェース・SD カードソケットについては MMC とする。また
インターフェースは 7 ピン、シリアルとする。
・アルテラ評価用ボードの接続として HSMC コネク
タを実装する。
・田中精機株式会社の FPGA ボードとの接続として
PC104 コネクタを実装する。(ベースボード)
・選定する LCD の接続コネクタを実装する。
(2) LCD
・RGB Digital Interface、480*640 ピクセル程度
・3.3V、30 ピン以内

*現福島県立浜高等技術専門校

912345678

図２ ＳＤメモリカードのピン配置図

MMC と互換のある 7 ピンは 1 から 7 番のピンになる。図 2 にピン配置を示す。
表１ ＳＰＩモード時

ピン番号
ピン 1
ピン 2
ピン 3
39

名称
CS
DataInVss

説明Chip SelectData Input
Vss

Vdd
Vdd
ピン 4
CLK
Clock
ピン 5
Vss
Vss
ピン 6
DataOut
Data Output
ピン 7
ピン 8
ピン 9
表 2 に SD カードの規格の比較を示す。

回路図を作成する際、ツールとしてフリーツール「水魚堂」の Bsch3 を使用していたが、回路図の複数枚対応をしていないのと、部品作成は別画面で手間がかかるため、途中 D2CAD ツールに変更した。Bsch3 についてはバージョンアップも定期的にあり、コンパクトな回路図の場合は適している。ツールを選択する際、部品作成が簡単に出来ること、複数枚の回路図に対応している事、ネットリストが出力出来ることがポイン
トになる。その主な特徴を参考として下に記す。
1.MDI インターフェースによる複数図面の管理、A4、
A3、A2 縦横 6 種類に対応、
印刷プレビューあり 。
2.クリップボードへテキスト転送(外部エディタで、細かいところを一括編集)、ビットマップ、メタフ
ァイル転送。
3.入力はワイヤ、バス、ライン、部品、文字（日本
語対応）、ジャンクション等。
4.メニューやツールバーを使用しなくてもマウス操作だけでズーム機能が可能。
5.画面の境界でむやみにパンしない、マニュアルパ
ン機能で作業画面を有効活用、
オートパンもあり。
6.図枞のカスタマイズや切替え、図面に埋め込んで保存が可能。
7.信号名やピン名、ピン番号を文字式で書けるので複数のワイヤやピンを一括編集可能。
8.＋－キーで部品番号や信号名などの番号の増減が可能。
9.部品は図面を描きながらその場で作成、登録が可能（部品作成のために画面を切替える必要が無い。
）
10.部品を図面の中で編集できるので、ピンの位置（長さ、属性）の変更が可能。
11.部品は回路図の中で独立しているので部品を変更しても他の図面に影響が無い。
12.ピン 1 本毎に表示の切替え可能、もちろんピン名
ピン番号の表示も切替え可能。
13.全ての文字原点の設定が可能なので文字列の長さが変わっても位置を維持するような設定が可能。
14.検索＆ジャンプが可能。
15.図面のチェック機能、部品番号の重複やピン番号の重複のチェックが可能。
16.使用総ピン数（参考値）や使用ネット数がレポー
トファイルに出力でき基板設計の見積りに利用可能。
17.部品番号の自動割付、番号リセット機能、部品番
号は図面の左上から順に割付け。
18.ネットリスト出力可能、入力、電源ピンのオープ
ンなどＤＲＣ（デザインルールチェック）付き。
19.信号名がどの図面ファイルへいっているかチェ
ック＆ジャンプ可能。

表２ ＳＤ規格の比較

SD
miniSD
SD 規格比較
24mm
20mm
幅
32mm
21.5mm
長さ
2.1mm
1.4mm
厚さ
1,596mm³589mm³
体積
重量
約 2g
約 1g
2.7
3.6V
2.7 - 3.6V
動作電圧
誤消去防止スイ あり
なし[1]ッチ
端子ガード突起 あり
なし
端子数
9 ピン
11 ピン
(3) HSMC コネクタの使用ピン（24 ピン）

写真１

microSD
11mm
15mm
1.0mm
165mm³
約 0.4g2.7 - 3.6V
なし[1]
なし
8 ピン

ＨＳＭＣコネクタ

写真 1 にアルテラ評価用ボードの接続 HSMC コネク
タを示す。あまり一般的な部品でない為、入手も非常に困難であり価格も高価であった。
(4) 田中精機株式会社の FPGA ボード接続の使用ピン（40 ピン：GP10 コネクタ)
使用ピンが確定したため、部品を作成し、回路図に配置する。回路図を図 3 に示す。回路図を新規に作成するため部品テンプレートが無い状態から開始した。
部品ライブラリにあるテンプレート使用すると上書きになってしまい、
新規に作成するほうが手間が少ない。

図３ 回路図40定格電流・・1.0A AC・DC 定格電圧・・600V AC・
DC 使用温度範囲・・-25℃～85℃ 接触抵抗・・初期/10mΩ 以下 環境試験後/20mΩ 以下 絶縁抵
抗・・1,000MΩ 以上 耐電圧・・1,800V・1 分間
・田中精機株式会社の FPGA ボード接続
無はんだ接続のため、はんだづけ工程、洗浄工程が不要。多段階スタッキング接続により、基板スペー
スを有効活用。従来の DIN コネクタに比べ、実装面積が約半分。スタッキング高さ 16.8 ㎜のため、DIN
コネクタのスタッキング接続と混在が可能。ハーフ
ピッチコネクタの従来品形 XH3 シリーズとのかん合が可能。市販の接圧工具により圧入可能。
定格電流・・0.5A 定格電圧・・AC125V 接触抵抗・・40mΩ 以下(20mV 以下、100mA 以下にて) 絶
縁抵抗・・1,000MΩ 以上(DC500V にて) 耐電圧・・
AC650V/1min(リーク電流 1mA 以下) 総合総入
力・・極数*0.78N 以下 総合抜去力・・極数*0.05N
以上挿抜耐久・・50 回
・SD メモリカード用コネクタ(スタンダードタイプ)
カード挿入方向への過度なストレスを吸収。カード
無理抜きのカード破損を防止。
カードの脱落を防止。
操作性の良いイジェクト機構。SD I/O に対応。
定格電流・・0.5A 定格電圧・・AC125V 接触抵抗・・100mΩ 以下(20mV 以下、100mA 以下にて) 絶
縁抵抗・・1,000MΩ 以上(DC500V) 耐電圧・・せん
絡・絶縁破壊がないこと 耐振性・・100ns の瞬断がないこと 耐湿性・・接触抵抗、初期からの変化
量 40mΩ 以下、絶縁抵抗 100MΩ 以上 温度サイク
ル・・接触抵抗、初期からの変化量 40mΩ 以下、絶縁抵抗 100MΩ 以上 挿抜寿命・・初期からの変化
量 40mΩ 以下はんだ耐熱性・・性能に影響する樹脂部の溶融がないこと。
(2)LCD 選定
次の点に考慮し選定する。3 年程度は購入が可能であること。また、できるだけ国内流通品であること。
Optrex T-51750GD065J-FW-AB を選定するにあたりInterface Pin Connection を確認した。

20.カスタマイズ可能なＨＴＭＬ形式のレポートフ
ァイルから図面へのＴＡＧジャンプ機能。
21.ＰＤＦ直接変換機能で回路図を直接メール送信、
Ｗｅｂ上での回路公開可能。
22.ＣＳＶによる単純部品表出力で部品表のカスタ
ム作成が容易（エクセルの部品表変換マクロ例を参照）
23.自動バックアップ機能（バックアップ専用ディレ
クトリ設定可能）24.ファイルを開いた時点まで戻る事が可能(UNDO、
REDO 機能)
回路図の作成後、ネットリストを出力し、電気的に正しく接続されているかを確認する。結線の確認、信号の向きなどは重要である。ネットリスト内の接続ピン合計と配線合計は注意する。線を引いただけでは、接続ピンにカウントされない。
２．３．使用部品の選定
電子部品はその種類、使い方にどのようなポイントがあるのかを考慮しながら選択をする。電子部品を大別すると 3 種類に分けられる。
①能動部品・・入力と出力を持ち、電気を加えること
で、入力と出力に一定の関係を持つ素子を能動素子と呼ぶ。この能動素子単体または組み合わせた部品
を能動部品という。トランジスタ、IC、ダイオード、
オペアンプなど。
②受動部品・・自身では機能しないが、能動部品と組み合わせることで機能する部品。抵抗、コイル、コンデンサなど。
③補助部品・・素子を接続したり固定したりするための部品。リレー、コネクタ、基板、端子、スイッチ、線材など。
(1) 使用部品選定
・LCD 接続コネクタ
定格電流・・0.5A 使用温度範囲・・-45～125℃
保存温度範囲・・-10～60℃ 定格電圧・・AC150V
使用湿度範囲・・40～80% 保存湿度範囲・・40～70%
・電源入力
民生用電子機器内の信号回路から、電源回路、出力回路までの広範囲な接続が可能な高信頼性のプリン
ト基板用小型大容量コネクタ。
定格電流・・10A AC・DC 定格電圧・・250V AC・
DC 使用温度範囲・・-25℃～85℃ 接触抵抗・・初期/10mΩ 以下 環境試験後/20mΩ 以下 絶縁抵
抗・・1,000MΩ 以上 耐電圧・・AC1,500V・1 分間
適合プリント基板厚さ・・1.6mm
・インバータ接続
液晶ディスプレイのバックライト電源接続に対応した高耐圧、低背型コネクタ。実装高さ 3.2mm、SMT仕様で携帯用機器の小型化が可能。

表３ Interface Pin

41

Pin No1,5,12,19,26
2

Symbol
GND
DCLK

3
4
6
:
11
13
:
18
20

HD
VD
R0
:
R5
G0
:
G5
B0

Function
Clock signal for sampling catch
data signal
Horizontal sync signal
Vertical sync signal
Red data signal(LSB)
Red data signal
Red data signal(MSB)
Green data signal(LSB)
Green data signal
Green data signal(MSB)
Blue data signal(LSB)

:
25
27

い、太い線材を使用するなどは回路図には明記されない。電源やグランドの記号で終端されている配線は同
じ記号が全て配線で接続されているものと見なす。オ
ペアンプ IC なども電源とグランドピンがほぼ共通で決まっているため、回路図上は省略する場合がある。
特別なもの以外は部品の種類指定は表現されない。ケース、ソケット、取り付け金具、放熱板、絶縁シートなど回路図には描かれない。また実際の動作、信号のタイミングも同様。従って使用する部品の規格から推定し、考慮しながら確認する。
(2)ノイズ、チャタリング対策についてスイッチを押したとき出来れば安定に 0V になるように接続回路を設計するのが良い。

:
B5
DENA

Blue data signal
Blue data signal(MSB)
Data enable signal(to settle theviewing area)
28,29
VCC
Power Supply(DC3.3V or 5V)
30
TESTThis pin should be open.Test
signal output for only internal test
use.
31
REV
Reverse scan control.
L=Normal,H=Reverse
表 2 より実使用ピン数は 24 ピンになる。
(3)部品リスト
液晶インターフェース基板 GP-CONV 部品数25№ 部品名 型式・定格 ﾒｰｶｰ 使用数 ﾛｹｰｼｮﾝ 備考
1 基板GP-CONV-01 三電サーキット 1 MAIN
2 基板GP-CONV-02 三電サーキット 1 SUB
3 ｺﾈｸﾀXH3A-5041-A ｵﾑﾛﾝ 1 CN11 MPUﾎﾞｰﾄﾞｺﾈｸﾄ
4 SDｺﾈｸﾀDM1AA-SF-PEJ ヒロセ 1 CN6 SDｶｰﾄﾞｿｹｯﾄ
5 ｺﾈｸﾀB2PS-VH 日圧 2 CN3,CN9 電源入出力
6 ｺﾈｸﾀB3PS-VH 日圧 1 CN4 ｲﾝﾊﾞｰﾀ入力
7 ｺﾈｸﾀXG4C-5034 オムロン 2 CN1,CN10 連結用
8 DC-DCｺﾝﾊﾞｰﾀ SUS6123R3S コーセル 1 DCDC1
DCDCｺﾝﾊﾞｰﾀ
9 ｺﾈｸﾀDF9B-31S-1V ヒロセ 1 CN5 液晶
10 ｺﾈｸﾀS02(8.0)B-BHS 日圧 2 CN7,CN8 ｲﾝﾊﾞｰﾀ用
11 ﾊｰﾈｽMILSF-SS-A-50-0.1 MISUMI 1 CN1-CN10間接
続ケーブル
12 ｺﾈｸﾀASP-122952-01 SAMTEC 1 CN2 拡張ｺﾈｸﾀ
13 ﾁｯﾌﾟｱﾙﾐ電解EMVK350ADA100ME55F 日ケミ 2
C2,C4
14 ﾁｯﾌﾟｾﾗﾐｯｸGRM21BB11H104KA01L 村田 8
C1,C3,C5-C10
２．４． 基板回路図
使用部品、LCD、使用変更を考慮しつつ回路図を作成した。図 4 は SD カードソケットを有し、アルテラ
評価ボードに接続する基板回路図である。図 5 は田中精機株式会社の FPGA ボードの接続用基板である。仕様変更に対応するため、2 枚の基板作成になった。田
中精機株式会社の FPGA ボードの確認が完了し次第、接続をアルテラ評価ボードから田中精機株式会社のFPGA ボードへ接続する。回路図作成ツール D2CADを使用した。使用する部品が確定しておりピン形状が2 段になっている為、ピン接続番号は 1 つおきに接続する。形状、概観を確認しながらのピン接続は重要で、後の工程であるアートワーク作業がしやすいポイントになる。また、配線の接続数が多い場合はタグを利用すると回路図は見やすくなる。図面を見た場合わかりやすいように、クロス線の場合「中点」を配置する。
(1)一般的な回路図
部品をどのように配置して配線をどう通すかは、回路図には描かれない。特に短く配線しなければならな

図４ ＧＰ変換

図 4 に GP 変換を示す。SD カードソケットを有する基盤になる。線がクロスする場合中点を配置する。

図５ ＧＰ－２

図 5 に GP-2 を示す。田中精機株式会社の FPGA ボードへ接続するコネクタ(GP10)を有する基板になる。
ピンの配線接続はデータシートによる。

42

図 7 に基板 2 のイメージを示す。

３．製作
３．１．基板製作

図８ 全体イメージ

図 8 に全体イメージを示す。側面図になる。基板 2枚をセットし、LCD を配置した全体のイメージで縦横
高さ出来上がりのイメージが確認できる。
３．２．基板完成
ALTERA 評価ボードへの接続コネクタがマイナーな部品であり、隣接する配線の幅が非常に狭い為、クリームはんだ作業を行った。

図６ 基板１イメージ

回路図を作成した後、回路図をもとに基板加工の委託をする。以降は基板加工が完成、納品されるまで、自社で実際の製造する作業は無い。図 6 については基板加工会社より、確認をしたものである。部品配置を確認するためのもので、製作の前に作る図になる。こ
の時点で、仕様変更は出来なくなる。図 7、8 も確認が必要である。
回路図を作成後、パターン図を作成する。作成手順を参考に下記に記す。
①パターン図を作成し表示する。
②部品を移動、回転させ配置する。
③配線を行う。
④パターンの幅、位置の設定変更。
⑤部品記号、値の位置を修正する。
⑥ベタアースを作成する。
⑦パターン図の印刷

写真２ 基板完成写真

確認した箇所は、ALTERA 評価ボードの接続コネク
タ、GP10 の接続コネクタ、SD カードソケットが実装されている点である。全体の寸法は、出来るだけコン
パクトサイズになるように、見栄えについては配線を下へ隠すような配慮がされていた事もあり、加工品の完成品質は非常に良い状態である。特に途中 GP10 へ接続する基板からのケーブルをフレキシブルな形状への変更点も対応されていた。完成した基板を写真 2 に示す。
３．３．動作確認
作成した拡張ボードを用い、QuartusⅡを使用して簡単な動作確認を行った。動作確認は、田中精機株式会
社の作成した FPGA ボードと接続し、拡張ボードを点

図７ 基板２イメージ

437)CQ 出版 「PC カード/メモリカードの徹底研究」
8)技術評論社 「電子工作の素」
9)社団法人電子情報技術産業協会 「ディジタルスチ
ルカメラ用画像ファイルフォーマット規格
ExifVersion2.2」
10)Quartus,http://www.altima.jp,http://www.altera.co.jp/
11)NiosⅡについての構築手順,
http://www.infohobby.jp/faq/Nios/exp/step03.htm12)回路図フリーツール,http://www.suigyodo.com/
13)回路図ツール,http://www.yansoft.com/d2cad/
14)SD カード,http://ja.wikipedia.org/wiki/SD
http://www.sdcard.org/

灯させた。表示画像は赤、緑、青の濃淡画像と、4 分割した帯状の濃淡画像を FPGA ボード上のボタンによって切替えるものとした。画像表示には、ハイテクプ
ラザが作成した画像表示用基本 IP を利用した。写真 3に点灯の状態を示す。写真は、青の濃淡画像を表示している様子である。

写真３ 画像表示

４．結言
今回の拡張ボード開発、モジュールの作成をもとに商品として、現実化･製品化できる様に準備を進めているが、この先コスト面において、どう乗り越えて行くかが課題となってくる。今回の共同研究で完成した開発ボードは、機能性としては高く、さらに改良を加える事により、良い製品を作る事が出来ると思われるが、
現在、製品化されている他の製品と見比べても分かる
通り、サイズ又は、商品スタイルを、お客様が求めるニーズに合わせていく事が必要になるため、時代にあったコスト面を考えていく必要がある。しかし本共同研究において、将来に関する製品作りの「きっかけ」
を作った事は確かだと言える。
参考文献
1)Design Wave magazine 72)Design Wave magazine 83)CQ 出版 「16bitDOS」
4)啓学出版 「TurboC プログラミング入門」
5)工業調査会 「見てわかる VHDL」
6)CQ 出版 「フラッシュ・メモリ・カードの徹底研
究」

44

謝辞
本研究開発事業の遂行にあたり、苫小牧工業高等専門学校 情報工学科教授 阿部 司氏にはネットワークアプリケーション構築に関して、仙台電波高等専門学校

情報工学科（現 仙台高等専門学校 情報ネットワーク工学科） 元教授 鹿股昭雄氏には自律分散プ
ロトコルに関して、仙台高等専門学校

知能エレクトロニクス工学科

准教授

與那嶺

尚弘氏には FPGA デバイスに関して、株式会社ヴィッツ 取締役 開発第 3 部 部長 服部博之氏には CAN デバイスドライバに関してご指導をいただきました。
多大なるご協力、ご助言をいただいた前述の皆様に改めて深甚なる感謝をいたします。

福島県ハイテクプラザ研究報告書
Technical Reports of Fukushima Technology Centre

地域活性化共同研究開発事業

組込み応用製品の高機能化・高信頼性化に関する研究発行
福島県ハイテクプラザ〒963-0215 福島県郡山市待池台 1 丁目 12 番地 郡山西部第 2 工業団地内
TEL 024-959-1738(直通) FAX 024-959-1762

編集
福島県ハイテクプラザ
技術開発部 生産・加工科※この研究は、電源立地地域対策交付金により実施した事業です。