（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、周波数を調べ丁度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。

図.２　発信回路

（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。又、タイミングチャートを図.４に示す。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、タイミングパルスは、比較回路の項で述べる事にする。

図.３　ワンショット回路

図.４　タイミングチャート

（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。

（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。
　この方法は従来の超音波センサ回路に使われているものと同じであるが、この方法では完全に回りこみ波を除去できず、センサ間の距離やホーンの長さを調整して回りこみ波を消していた。しかしこの基板は従来の方法に加えて送信開始から一定時間受信そのものを無視する方法を取り、二重の対策で回りこみ波を除去する事にした。（この結果、新しい問題がおきてしまったが、そのことについては基板評価の項で述べる。）この受信無視時間の長さはワンショット回路から出力されるガードパルスで決定される。

（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。

図.５　超音波の回りこみ

（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。

１−２−２　ＰＷＭ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．６にＰＷＭ回路の構成図を示す.

図.６　ＰＷＭ回路構成図

　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.７に示す。

図.７　ＰＷＭ信号波形形成原理図

　図.７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。これは、次のような理由から行った。試作ボードのＴＭＰ試験において、Duty比が40％位でもモータの回転数が充分速いことが解った。ギヤボックスやモータ等の足まわり系は、我が卒研室のＭＩＲＳ Ｖと同じものを使用しており、実際に負荷がかかった状態でもDuty比は30％程で走らせているという。Duty比が50％ともなると、モータの回転が速すぎて競技に使えるような速度ではないそうである。そこで実際にタイヤの回転数を回転計を用いて測定してみた。その結果を図．８　Duty比−タイヤの回転数特性図 に示す。

図.８　Duty比−タイヤの回転数の特性図

　この図から解ることはまず一つめに、Duty比が10％〜50％位まではほぼ直線的な特性を示しているということ、そして二つめにDuty比が50％を越えるとタイヤの回転数にほとんど変化がみられなくなるということだ。従ってDuty比が10％〜50％までのＰＷＭ波形を出力させることが出来れば充分であることがわかる。そこで試作ボードでは、Duty比0％〜100％までを128段階に変化させていたものを初版ボードでは、Duty比0％〜50％までを128段階に変化させる様に改良した。つまり少ないDuty比を128段階に変化させ、より細かく正確にモータを制御する事が可能であるという事になる。
　昨年度までの基板は、回路が複雑でＩＣの個数も10個とかなり多かった。今回は、回路を簡略化しＩＣの個数を5個に減す事に成功した。基板の面積で比べると昨年度の50％でありコンパクトになった事を物語っている。これは、両面基板にした事、左右の信号を一つのコネクタにまとめた事、68230内蔵TIMERの有効利用により実現出来たものと思われる。このTIMERは、24bitダウンカウンタを含んでおり、設定された周波数のＣＬＫをToutより出力できる。設定は、自由に変える事が可能である。
　速度データをｎとするとＰＷＭ信号のパルス幅ＴとDuty比Ｄは次式で計算出来る。

　　　　Ｔ[μs]＝(n+1)×5[μs]
　　　　Ｄ[%] ＝(n+1)/256×100
　　　　　　　　　　　　　　　　0≦ｎ≦127

１ー２−３　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 Low level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。

図.９　赤外線センサ回路の構成図

　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。 受光素子は赤外線受光素子ＩＳ１Ｕ６０を使用する。

１−３　Ｉ／ＯＳＵＢ基板外形

図.１０　I/OSUBﾎﾞｰﾄﾞ基板外形図

２．外部回路基板概要

２−１　超音波センサ回路

２−１−１　機能性能

送受信回路
　この回路は、I/OSUBボードには搭載されてはいない。送受信回路一つにつきセンサが一対搭載されており、マルチプレクサによって選択される。この回路はゲートを組み合わせた送信回路と、オぺアンプを使った増幅回路の二つの回路があり、送受信を行う。

２−１−２　外形

図.１１　送受信回路外形図

２−１−３　インターフェイス

NO．	ピン名	方向	信号
1	Ｖｃｃ		Ｖｃｃ
2	Ｓ０	→	送信信号
3	Ｓ１	←	受信信号
4	ＧＮＤ		ＧＮＤ

２−２赤外線周辺回路

２−２−１機能性能

使用素子
７４ＬＳ１２３
　単安定ﾏﾙﾁﾊﾞｲﾌﾞﾚｰﾀ
ＩＳ１Ｕ６０
　この素子はリモコン用の赤外線受光素子である。そのためパルス幅がリモコンのパルス幅の常識を越えるようなものであると、素子がノイズと判断し素子内の比較器のｽﾚｯｼｮﾙﾄﾞ電圧をあげることにより受光しなくなる。そこで図.1２.(a)のように周波数38[kHz]の赤外線を600[μs]おきに発信する。そうすることにより図.1２.(b)の波形を得る。

図.１２　赤外線受信タイミングチャート

　信号処理部の割込み信号発生部の原理はある時間Ｔのときの赤外線信号の状態とそれからt[μS](68230のToutより出力されるCLKによる）後の赤外線信号の状態とを比較し状態が変化していたときに割込み信号が発生するというものであるが信号を発生させるのに74LS574を使用している関係上、IS1U60が赤外線受光時に一発パルスを出力するというのは好ましくない。そこで周辺回路で一発パルスを引き伸ばすことにより信号変調を行う。

一発パルスを伸ばす方法
　74LS123はトリガパルスを入力することにより、抵抗とコンデンサで設定されたパルス幅（twQ)を出力し、さらに再トリガパルスを入力することによりパルス幅を伸ばすことができる。そこで赤外線を38[kHz]の周波数で600[μs]おきに送信することにより受光時には"H",非受光時には"L"を出力できるようになる。当然600[μs]という数字は設定パルス幅より短くなっている。

図.１３　パルス幅

２−２−２外形

図.１４　赤外線周辺回路外形図

２−２−３インターフェイス

ＣＮ１
＊周辺回路からI/OSUBﾎﾞｰﾄﾞへの方向を”←”で表す。

NO.	信号名	方向	内容	備考
1	Ｓｉ	←	赤外線受光信号	変調後
2	Ｖｃｃ	→
3	Ｓｉ＋１	→	赤外線受光信号	変調後
4	ＧＮＤ	←

ＣＮ２，３
＊周辺回路から赤外線センサーへの方向を”←”で表す。

NO.	信号名	方向	内容	備考
1	Ｖｏ	→	赤外線受光信号	変調前
2	ＧＮＤ	←
3	Ｖｃｃ	←

３．各基板の部品の詳細

ＣＮ１：PCN10ｼﾘｰｽﾞDIN41612(準拠)
VME-busｺﾈｸﾀ

ＣＮ２ PS-50PE-D4LT1-PN1(航空電子) 　　50ﾋﾟﾝｺﾈｸﾀ

３−１　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

Ｒ５：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(ｱﾝｸﾞﾙﾀｲﾌﾟ)

３−２　ＰＷＭ回路

ＩＣ１：7407
　　　　（ｵｰﾌﾟﾝｺﾚｸﾀ出力　buffer×６１４ﾋﾟﾝ）
　　　　　２０[mm]×６[mm]

　ＰＷＭ回路の先にある可逆powerﾎﾞｰﾄﾞにおいて、ﾌｫﾄｶﾌﾟﾗを使用しているため大電流を流すのに7407を用いている。この素子を使うには、pull-up抵抗（Ｒ１〜Ｒ4）が必要である。Ｒ１〜Ｒ４の値に関しては、以下の事から求められる。

　ﾌｫﾄｶﾌﾟﾗに組み込まれている
発光ﾀﾞｲｵｰﾄﾞの駆動電圧：1.3[V]
駆動電流：10[mA]
ＴＴＬのLow Level出力電圧：０．４[V]
電源電圧：５[V]

よってpull-up抵抗Ｒは次のようになる。

　　　　Ｒ＝(5-1.3-0.4)／10×10−３＝330[Ω]
　　　　ＩＣ２・ＩＣ４：74LS684
　　　　（8bit comparater×１　２０ﾋﾟﾝ）
　 　　　　　　２５[mm]×６[mm]

　速度ﾃﾞｰﾀは7bitのため１７ﾋﾟﾝ（Ｐ７）はＧＮＤに落とす。１８ﾋﾟﾝ（Ｑ７）にはｶｳﾝﾀの出力の最上位bitが入る。

ＩＣ１８：74LS04
　　　　　(NOT × ６　１４ﾋﾟﾝ）
　 　　　　　２０[mm]×６[mm]
　　ＩＣ３のCCLK（１１ﾋﾟﾝ）を反転させてRCLK（１３ﾋﾟﾝ）に入れる時に用いている。

Ｃ１〜Ｃ４：104　　（ﾊﾞｲﾊﾟｽｺﾝﾃﾞﾝｻ）
　　Ｖｃｃ−ＧＮＤ間のノイズ除去のため各ＩＣに取り付ける。

ＣＮ５：MOLEX　5ﾋﾟﾝｺﾈｸﾀ　（5046-05A)ｱﾝｸﾞﾙタイプを使用

３−３　赤外線センサ回路

ＣＮ４：航空電子１６ピン(ｱﾝｸﾞﾙﾀｲﾌﾟ)
　　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

参考文献
自律知能ロボット用制御システム開発
（園３　I/O　NOT-電子制御-9404-3)