MMIインタフェース


1、マン・マシン・インタフェースの機能について


 次の項目でも述べるが、本研究では、7Seg.−Led.を4桁に増やした。
 7Seg.−Led.を4桁に増やした理由としては、図3に示してあるように最上位桁を表示データの種類の表示用に用いて、残りの3桁をデータ表示用に用いた場合、データの種類は、0〜9の10種類あれば十分であり、データは、例えば、自機位置座標を表すのであれらばセンチメートル表示で3桁あれば十分である(競技場の大きさは、2m×2m)と考えられるからである。同様に、ディップスイッチを4ビットにした理由としては、動作モードの種類は、テストプログラムモード、競技本番用モード、ペナルティーモード等が上げられ、4ビット(=16種類)あれば十分足りると考えたからである。


2、マン・マシン・インタフェースボードの概要


図3 7Seg.-Ledの表示例        
図3 7Seg.-Ledの表示例


 2.1 構成 
 MMIボードの主な仕様は、図4にあるように7Seg.−Led.(データ表示用)が4個、4ビットディップスイッチ(モード設定用)が1個、Green,Red−Led.(状態表示用)が各1個、押しボタンスイッチ(表示切替用)が1個である。
図4 外観図        
図4 外観図


 MMIボードは、メインボードとフロントボードに分かれている。メインボードの大きさは、VMEラックに収納する事を考慮に入れて決定した。その大きさは、100mm×140mmである。フロントボードの大きさは、VMEラックの側面に取り付ける事を考慮に入れて決定した。その大きさは、60mm×140mmである。
図5 MMIボードの外観図        
図5 MMIボードの外観図

 今回、図4の外観図に示したように、MMIボードをフロントボードとメインボードに分けた。


 メインボードとCPUボードは、40ピンコネクタとケーブルで接続する。当初の予定では、図6の外観図のように両ボードを接続してVMEラック内に格納するはずであった。しかし、フロントボードの大きさの制約があり、7Seg.−Led.の小型のタイプが入手できない事がわかったために、ボードを分離してメインボードとフロントボードを60ピンのコネクタとケーブルで接続する。


図6 予定の外観図        
図6 当初の予定のが外観図


 2.2機能性能
   2.2.1 メインボード
 図7は、メインボードの回路構成図である。ここでは、メインボードの回路をつに分けてそれぞれの回路の機能等について説明する。

  • パルス点灯発生回路
     まず、今回、7Seg.−Led.をパルス点灯させる事となった理由とその詳細を示す。
    図7 メインボードの回路構成図        
    図7 メインボードの回路構成図


     いままでのマン・マシン・インタフェースボードでは、7Seg.−Led.の数が少なく、あまり多くの情報を一度に表示することができなかった。先程述べたように、今回MMIボードでは、7Seg.−Led.の数を4個にした。普通に表示を制御するには各Led.で4ビット合計16ビット必要であるが、ポートの制限もあり、図7の回路構成図にあるように68230のAポートの8ビットのうちPA0〜PA5までの6ビットを使って表示をするようにした。そこで、ラッチ機能を持つデコーダを使用することにし、6ビットのうちの4ビットをLed.のデータ用に使い、残りの2ビットを桁の選択用に使うように工夫した。
     ここで、問題となったのは、7Seg.−Led.の消費電流の増加である。Led.の消費電流は、1segment当り約20mAなので7Seg.−Led.が全部点灯したとすると約0.56Aもの電流が流れることになる。これは、電池で駆動するMIRSシステムにとっては大きな負荷になる。
     そこで、図8に示すように4つの位相の異なる方形波を作り、7Seg.−Led.をパルス点灯させることにより消費電流を約1/4にするようにした。一つの桁が点灯して再び点灯する間隔が短い為、見た目には、すべての桁が点灯しているように見える。また、これにより7Seg.−Led.の電流は、最大で約0.14Aになる。
     この回路は、74LS161(4ビットバイナリ(2進化16進)カウンタ)、74LS00(2入力NANDゲート)、74LS08(2入力ANDゲート)からなり、7Seg.−Led.の下位の桁から順に上位の桁へと、パルス信号を送る機能を持つ。
    図8 パルス点灯用信号回路        
    図8 パルス点灯用信号回路


     表示試験の結果、ちらつきが気にならなくなるのは約200Hz以上の時であった。この信号は、MC14513Bのに入力される。これは、入力が、ロウレベルになると、他入力に関係なく(ただし、のみハイレベル)、全セグメント出力がブランク(非点灯)になることを利用するためである。(付録:回路図参照)

  • 桁選択回路
     この回路は、74LS04(NOTゲート)からなり、2進2ビットのデータ書き込み桁選択信号を各桁のデータラッチON/OFF回路へと振り分ける機能を持つ。(付録:回路図参照)


  • 勝敗判定信号処理回路
     この回路は、74LS14(インバータシュミットトリガ)、PC817(光アイソレータ)からなり、勝敗判定装置からのON/OFF信号を電気的に絶縁し、レベルの判別をしてCPUボードに送る機能を持つ。(付録:回路図参照)  また、勝敗判定装置とは、フロントボードの3ピンコネクタを用い接続される。(付録:回路図、3.4インタフェース参照)


  • チャタリング防止回路
     この回路は、74LS00(2入力NANDゲート)からなり、フロントボードの押しボタンスイッチからの信号のチャタリングを防止し、CPUボードに機能を持つ。(付録:回路図参照)


  • データラッチON/OFF及びデータ処理回路
     データラッチON/OFF回路は、74LS10(3入力NANDゲート)からなり、桁選択回路からの桁選択信号とHandshake2からの信号を用いてデータを書き込むデコーダのラッチ機能をOFFし、データが書き込まれた後ラッチ機能をONさせる。つぎに、データ処理回路であるが、これは、MC14513Bからなり、BCDコードで入力されたデータを7Seg.−Led.用の信号7ビット(a〜f)に変換する。また、データをラッチする機能を持つ。(付録:回路図参照)


  • Green,Red−Led. ON/OFF回路
     この回路は、74LS06(インバータ(オープンコレクタ))からなり、CPUボードから送られてくるそれぞれのLed.のON/OFF信号を反転させてフロントボードのLed.へ送る機能を持つ。(付録:回路図参照)


    2.2.2 フロントボード


     フロントボードの回路構成図を図9に示す。ここでは、フロントボードの各回路について説明する。

  • 7Seg.−Led.回路
     メインボードのデータラッチON/OFF及びデータ処理回路から出力されたデータ信号は、メインボードとフロントボードをつなぐケーブルを通り7Seg.−Led.の対応するピンに入力される。(付録:回路図参照)


  • Green,Red−Led.回路
     メインボードのGreen,Red−Led.ON/OFF回路から送られてくる各Led.のON/OFF信号は、メインボードとフロントボードをつなぐケーブルを通り各Led.に入力される。(付録:回路図参照)
  • 4ビットディップスイッチ回路
     4ビットディップスイッチにより入力されたON/OFF信号は、メインボードとフロントボードをつなぐケーブルを通り、4ビットディップスイッチ信号処理回路に送られる。(付録:回路図参照)


  • 4ビットディップスイッチ信号処理回路
     この回路は、74LS04(NOTゲート)からなり、フロントボードでの4ビットディップスイッチのスイッチングに対応した信号をCPUボードへ送る機能を持つ。(付録:回路図参照)
    図9 フロントボード回路構成図        
    図9 フロントボード回路構成図


  • 押しボタンスイッチ回路
     押しボタンスイッチにより入力された信号は、メインボードとフロントボードをつなぐケーブルを通り、チャタリング防止回路に送られる。(付録:回路図参照)


    2.3 外形


     以下に、メインボードとフロントボードの外形図を示す。

  • メインボード
  • フロントボード
    図10 メインボード外形図        
    図10 メインボード外形図


    図11 フロントボード外形図        
    図11 フロントボード外形図


    2.4 インタフェース


     以下に、各コネクタのピンアサインを示す。


    CON1
    ピン番号方向※内容ピン番号方向※内容
     1←Vcc21−GND
     2→Handshake 1 22→4ビットディップスイッチON/OFF(0)
     3未使用TIN23−GND
     4←Handshake 2 ※※24→4ビットディップスイッチON/OFF(1)
     5←TOUT25−GND
     6(PA0)← 7Seg.-Led.data(0)26→4ビットディップスイッチON/OFF(2)
     7−GND27−GND
     8(PA1)←7Seg.-Led.data(1)28→4ビットディップスイッチON/OFF(3)
     9GND GND29−GND
    10(PA2)←7Seg.-Led.data(2)30←テスト信号入力
    11−GND31−GND
    12(PA3)←7Seg.-Led.data(3)32→テスト信号出力
    13−GND33−GND
    14(PA4)←7Seg.-Led.選択(下位)34←勝敗判定装置ON/OFF信号
    15−GND35−GND
    16(PA5)←7Seg.-Led.選択(上位)36未使用未使用
    17−GND37−GND
    18(PA6)←Red-Led.ON/OFF38未使用Handshake 3
    19−GND39←GND
    20(PA7)←Green-Led.ON/OFF40→Handshake 4 ※※※
    ※    方向は、”←”CPUボードからメインボードへの入力
             ”→”メインボードからCPUボードへの出力を表す。
    ※※  Handshake 2の信号は、デコーダのデータラッチのタイミング用である。
    ※※※ Handshake 4の信号は、押しボタンスイッチのON/OFF信号である。

    CON2
    番号方向※内容
    1未使用未使用
    2←勝敗判定装置ON/OFF信号
    3→勝敗判定装置ON/OFF信号(折り返し)
    ※    方向は、”←”勝敗判定装置からフロントボードへの入力
             ”→”フロントボードから勝敗判定装置への出力を表す。


    CON3(CON4)
    番号方向※内容番号方向※内容
     1未使用未使用31未使用未使用
     2未使用未使用32未使用未使用
     3未使用未使用33−GND
     4←押しボタンスイッチON/OFF信号34→7Seg.-Led.1信号(a)
     5←押しボタンスイッチON/OFF信号35→7Seg.-Led.1信号(g)
     6−GND36→7Seg.-Led.1信号(f)
     7未使用未使用37→7Seg.-Led.1信号(b)
     8未使用未使用38→7Seg.-Led.1信号(c)
     9←3ピンコネクタ(3)39→7Seg.-Led.1信号(d)
    10←3ピンコネクタ(2)40→7Seg.-Led.1信号(e)
    11未使用未使用41未使用未使用
    12−GND42未使用未使用
    13←4ビットディップスイッチON/OFF(343−GND
    14←4ビットディップスイッチON/OFF(2)44→7Seg.-Led.2信号(a)
    15←4ビットディップスイッチON/OFF(1)45→7Seg.-Led.2信号(g)
    16←4ビットディップスイッチON/OFF(0)46→7Seg.-Led.2信号(f)
    17−Vcc47→7Seg.-Led.2信号(b)
    18→Green-Led.ON/OFF信号48→7Seg.-Led.2信号(c)
    19−Vcc49→7Seg.-Led.2信号(d)
    20→Red-Led.ON/OFF信号50→7Seg.-Led.2信号(e)
    21未使用未使用51未使用未使用
    22未使用未使用52未使用未使用
    23−GND53−GND
    24→7Seg.-Led. 0信号(a)54→7Seg.-Led.3信号(a)
    25→7Seg.-Led. 0信号(g)55→7Seg.-Led.3信号(g)
    26→7Seg.-Led. 0信号(f)56→7Seg.-Led.3信号(f)
    27→7Seg.-Led. 0信号(b)57→7Seg.-Led.3信号(b)
    28→7Seg.-Led. 0信号(c)58→7Seg.-Led.3信号(c)
    29→7Seg.-Led. 0信号(d)59→7Seg.-Led.3信号(d)
    30→7Seg.-Led. 0信号(e)60→7Seg.-Led.3信号(e)
    ※      方向は、”←”フロントボードからメインボードへの入力
               ”→”メインボードからフロントボードへの出力を表す。


    3、ソフトウェアビジビリティー


    ここでは、MMIボードのソフトウェアビジビリティーを68230のAポート、Bポートそれぞれ示す。


  • Aポート
    Address Read or
    Write
         Data
    D7 D6 D5 D4 D3 D2 D1 D0
    内容
    FDFC11
     GD RD C1 C0 DA DB DC DDGD:Grrenダイオード選択
    RD:Redダイオード選択
    C1:7SEG-LED選択(上位)
    C0:7SEG-LED選択(下位)
    DA:7SEG-LED Data信号(A)
    DB:7SEG-LED Data信号(B)
    DC:7SEG-LED Data信号(C)
    DD:7SEG-LED Data信号(D)
    Write

    Write

    Write

    Write

    0 0 * * * * * *

    0 0 * * * * * *

    0 0 * * * * * *

    0 0 * * * * * *

    Grenダイオード消灯
    Redダイオード消灯

    Greenダイオード消灯
    Redダイオード点灯

    Greenダイオード点灯
    Redダイオード消灯

    Greenダイオード点灯
    Redダイオード点灯

    Write

    Write

    Write

    Write

    * * 0 0 * * * *

    * * 0 1 * * * *

    * * 1 0 * * * *

    * * 1 1 * * * *

    2^0の7SEG-LEDを選択

    2^1の7SEG-LEDを選択

    2^2の7SEG-LEDを選択

    2^3の7SEG-LEDを選択

    Write

     ・

     ・

     ・

     ・

    Write

    * * * * 0 0 0 0

       ・

       ・

       ・

       ・

    * * * * 1 0 0 1

    D5,D4で選択した7SEG-LED
    に0を表示させる。

       ・

       ・

       ・

    D5,D4で選択した7SEG-LED
    に9を表示させる。


  • Bポート
    Address Read or
    Write
         Data
    D7 D6 D5 D4 D3 D2 D1 D0
    内容
    FDFC13
      PB SH TO TI S3 S2 S1 S0 PB:押しボタンスイッチON/OFF信号
    SH:勝敗判定装置ON/OFF信号
    TO:テスト信号出力
    TI:テスト信号入力
    S3:4bitスイッチON/OFF信号
    S2:4bitスイッチON/OFF信号
    S1:4bitスイッチON/OFF信号
    S0:4bitスイッチON/OFF信号
    Read

    Read

    0 * * * * * * *

    1 * * * * * * *

    押しボタンスイッチOFF信号

    押しボタンスイッチON信号

    Read

    Read

    * 0 * * * * * *

    * 1 * * * * * *

    勝敗判定装置ON信号

    勝敗判定装置OFF信号

    Read

    Read

    * * 0 * * * * *

    * * 1 * * * * *

    テスト信号の出力OFF

    テスト信号の出力ON

    Write

    Write

    * * * 0 * * * *

    * * * 1 * * * *

    テスト信号の入力OFF

    テスト信号の入力ON

    Read

     ・

     ・

     ・

    Read

    * * * * 0 0 0 0

       ・

       ・

       ・

    * * * * 1 1 1 1

    4bitスイッチによって0000
    (0:10進)が入力

       ・

       ・

    4bitスイッチによって1111
    (15:10進)が入力

    4、部品表


    型番名称
    pc817(シャープ)フォトカプラ
    74HC379D-FF
    74HC04NOT
    74HC103入力NAND
    μPD4513B(NEC)デコーダ+ラッチ回路
    GL5EG8(シャープ)Green Led.
    GL5HD8(シャープ)Red Led.
     抵抗(330Ω)
     抵抗(10K)
     CAPACITOR(10μ)
    8Pin(4cm×2cmぐらい)スイッチ(4Pin)
    PS-40PE-D4T1-PN1(航空電子)コネクタ(40Pin)
    5046-03A(MOREX)コネクタ(3Pin)
    TLRC336T(東芝)7SEG-LED
    2Pin(2cm×2cmぐらい)押しボタンスイッチ