IOサブボード

概要
 I/OSUBボードは、超音波センサ回路、PWM回路、赤外線センサ回路の3 つの回路を搭載した回路である。
回路構成

超音波センサ回路
 超音波センサ回路の機能は大きく分けて、トリガが送られて来ると周波数40[kHz]の矩形を0.4[ms]の間、送信回路に出力する機能と、受信信号を受け取ると、割り込み要求信号をMPUに送る機能の二つがある。また、正しく距離計測を行うために、回りこみ波を無視する機能も備え付けられている。
距離計測はタイマのカウンタ値を読む事で行う。このタイマは、トリガを受け取ってから受信を感知するまでの間回し続けるのでカウンタ値と音速より障害物迄の距離を知ることができる。



(1)発振回路
 この回路はコンデンサの放電を利用し、ゲートと組み合わせて構成した簡単な発振回路である。超音波センサ回路のメインクロックともなる重要な回路だがこの方法で正確に40[kHz]の周波数を作り出すことは難しい。また、ICにCMOSを使用しているので、回路自体がデリケートなこと、コンデンサの放電を利用しているので、少しの状況の変化(接触や、端子の先のRの値)によって、発振したりしなかったりと言うこともある。中央の抵抗値によって周波数が変化するので、最初は可変抵抗で抵抗値を変化させながらオシロスコープで、周波数を調べ丁40[kHz]の周波数を示した時、その時の可変抵抗の抵抗値にできるだけ近い値(約5.6kΩ)を持つ抵抗を付けた。
(2)ワンショット回路
 図.3にPLDにプログラムされたワンショット回路構成図を示す。ワンショット回路は、64進カウンタと制御回路で、構成されており、PLDを2つ使っている。
 この回路から、トリガ一回毎に、ガードパルス、タイミングパルス、送信用ワンショットを一回づつ出力する。送信用ワンショットとCLKとのANDをとって幅0.4[ms]、周波数約40[kHz]のパルスを送受信回路に出力する。ガードパルス、タイミングパルは、比較回路の項で述べる事にする。



(3)タイマ制御部
 PIT内部のタイマを動かしたり、止めたりする部分である。タイマのカウントはトリガが送られて来てから、受信、又はタイマのオーバーフローが起こるまでの間行われる。この制御はRS−FFで行い、タイマのスタート信号のON/OFF制御をする。
 PIT内蔵のタイマは、設定によりいろいろ選べるが、この回路ではオーバーフローを検出できるDevice.Watchdog」と言うタイマを選んだ。図.4にこのタイマの動作を示す。
(4)比較回路
 比較回路では主にノイズの除去と回り込み波による影響の無視を行う。受信回路から送られて来た受信波と、基準電圧をコンパレータで比較し、基準電圧より低い電圧の信号を除去する。
 また、回りこみ波の除去については送信してから、一定時間基準電圧のレベルを上げる事で対処する。この時間はタイミングパルスによって決められる。
(5)基準電圧発生部
 超音波は波の性質を持っているため、スピーカから送信された超音波が、直接マイクで受信されてしまう。
 このため、障害物からの距離に関係なく、同じタイミングで受信が起きる事になる。回り込み波を受信する時間さえわかっているなら、その間だけ基準電圧を5Vに引き上げれば、回り込み波による影響をコンパレータによって、打ち消す事が出来る。この基準電圧発生部は、コンデンサの放電を利用して、タイミングパルスから基準電圧を作り出す部分である。


(6)マルチプレクサ(MX)
 搭載されている4対のセンサの内、一度に距離計測が出来るのは1対だけである。計測を行うときには4対の内1対を選ばなければならない。
 マルチプレクサは、コネクタを通じて4つの送受信回路と直結しており、PITから送られてくるセンサ選択信号により、使用する1対のセンサを選択する。
 センサにはそれぞれ0から3まで番号がつけられていて、センサ選択信号もそれに対応して00から11迄の2ビットの信号より成り立っている。
PMW回路
 この回路は、モータを制御する信号であるPWM信号を作り出し、方向データと共に出力する回路である。速度データとカウンタのカウント値との比較によりPWM信号を形成している。この信号のDuty比は、速度データで128段 階に変化させている。図.5にPWM回路の構成図を示す。


PMW回路構製図
 右速度・方向データは68230のportAから、左速度・方向データはportBから送られてくる。カウンタのCLKは、68230のToutから得る。
 PWM信号発生回路は、カウンタより得られた8bitのカウント値と7bitの速度データとの比較によりPWM信号を形成している。PWM信号波形形成原理図を図.6に示す。図.6からもわかる様に今回設計製作した基板は、Duty比が0%〜50%までのPWM波形を出力するようにしたものである。


赤外線センサ回路
  赤外線センサ回路は、赤外線センサ信号処理回路と外部回路である赤外線周辺回路から成る。この回路は、赤外線周辺回路から送られてくるHigh level もしくは Lowlevelの信号を処理し、信号に状態変化がおきた時に、割り込み要求信号をMPUに送る機能を有する。またそのときの各受光素子の状態は後述のレジスタを読むことにより得る。
 I/OSUBボードに搭載されているこの信号処理部は主に周辺回路からの赤外線信号の同期をとる信号同期部と68230に割込み要求をする割込み信号発生部からなる。信号同期部は74LS574が3個割込み発生部は74LS688,74LS00各1個ずつで構成する。



各基板の部品の詳細
実装図は前ページを参照
CN1:PCN10シリーズDIN41612(準拠)     VME-busコネクタ
CN2:PS-50PE-D4LT1-PN1(航空電子)   50ピンコネクタ
超音波センサ回路
IC10:4052(マルチプレクサ)
IC11:4069(CLK発振用IC)
IC12:16V8(PLD)
IC13:μPC339(コンパレータ)
IC14:16V8(PLD)
IC15:LS00(AND)
IC16:LS04(NOT)
IC17:LS279(R-S FF)
C10〜C17:(バイパスコンデンサ)
VCCとGND間のノイズ除去の為に取り付ける。
C18:(発振用コンデンサ)>
発振回路にあるコンデンサ。>
C19:(ガード回路コンデンサ)
コンパレータの入力に取り付けられたコンデンサ。
R6 :発振回路用抵抗
R7 :発振回路用抵抗
R8 :プルアップ抵抗
R9 :基準電圧用抵抗
R10:基準電圧用抵抗
R11:プルアップ抵抗
D1 :タイミングパルスを通すダイオード。
CN3:航空電子16ピン(アングルタイプ)
6−2 PWM回路
IC1:7407
(オープンコレクタ出力 buffer×614ピン)
  20[mm]×6[mm]
IC2・IC4:74LS684
(8bit comparater×1 20ピン)
  25[mm]×6[mm]
IC3 :74LS590
(8bit counter×1 18ピン)
  19[mm]×6[mm]
IC18:74LS04
(NOT × 6 14ピン)
    20[mm]×6[mm]
C1〜C4:104
(バイパスコンデンサ)
CN5 :MOLEX 5ピンコネクタ (5046-05A)アングルタイプを使用
6−3 赤外線センサ回路
CN4 :航空電子16ピン(アングルタイプ)
IC5,6,7:74LS574
  8入力D FF
  /OCはGNDにおとしておく
IC8 :74LS688
  8ビットデジタルコンパレータ
IC9 :74LS00
  NAND×4
C5,6,7,8,9:バイパスコンデンサ
インターフェイス仕様
超音波センサ回路
*68230から本ボードへの方向は”→”で表す。
No.ピン名称方向信号 No.ピン名称方向信号
50PA0右PWM方向データ 25PA0超音波信号選択信号
49PA1右速度データ1ビット 24PA1超音波信号選択信号
48PA2右速度データ2ビット 23PA2アンダフロー信号
47PA3右速度データ4ビット 22PA3未使用
46PA4右速度データ8ビット 21PA4センサ選択信号(T
45PA5右速度データ16ビット 20PA5センサ選択信号
44PA6右速度データ32ビット 19PA6未使用
43PA7右速度データ64ビット 18PA7未使用
42PB0左PWM方向データ 17PB0赤外線信号
41PB1左速度データ1ビット 16PB1赤外線信号
40PB2左速度データ2ビット 15PB2赤外線信号
39PB3左速度データ4ビット 14PB3赤外線信号
38PB4左速度データ8ビット 13PB4赤外線信号
37PB5左速度データ16ビット 12PB5赤外線信号
36PB6左速度データ32ビット 11PB6赤外線信号
35PB7左速度データ64ビット 10PB7赤外線信号
34PC0右PWM方向データ(T)  9GND  
33PC4 未使用  8H1 超音波割込み要求信号
32PC1左PWM方向データ(T)  7GND  
31PC5 未使用  6H2 超音波送信トリガ
30PC 2/Tin 未使用  5PC 2/Tin超音波カウンタスタート
29PC5 未使用  4H3割込み要求信号
28PC 3/ToutカウンタのCLK  3PC 3/Toutアンダフロー信号
27PC7 未使用  2H4割り込み認可信号
26GND    1GND   
|(T)は、ITP用テストピンである。

CN3ピンアサイン
コネクタ:16ピンコネクタアングルタイプPS-16PLB-D4LT1-FL1(航空電子)

No.ピン名称方向信号
Vcc Vcc
S0(センサ0)送信信号
S1(センサ0受信信号
GND GND
Vcc Vcc
S0(センサ1)送信信号
S1(センサ1)受信信号
GND GND
Vcc Vcc
10S0(センサ2)送信信号
11S0(センサ2)受信信号
12GND GND
13Vcc Vcc
14S0(センサ3)送信信号
15S0(センサ3)受信信号
16GND GND

3−4−2PWM回路
CN5ピンアサイン

No.ピン名称方向信号
Vcc Vcc
S0右方向信号
S1右PWM信号
S2左方向信号
S3左PWM信号

3−4−3赤外線センサ回路
CN4ピンアサイン

No.ピン名称方向信号
l1赤外線信号
Vcc 
l2赤外線信号
GND 
l3赤外線信号
Vcc 
l4赤外線信号
GND 
l5赤外線信号
10Vcc 
11l6赤外線信号
12GND 
13l7赤外線信号
14Vcc 
15l8赤外線信号
16GND