自律知能ロボット用制御システムの開発
（その２　電源制御ボード）

　ＭＩＲＳのＭＰＵボードとして、新たに、ＶＳＢＣ−１を用いることとなった。このことによって、今までより多くの電流が必要となる。またＶＳＢＣ−１には、通信機能としてＲＳ−２３２Ｃを備えている。そのため、±１２Ｖの電源が新たに必要である。そのため、これらの要求に対応した新たな電源制御ボードが必要となった。また、これまでは自分の存在を示すために、勝敗判定装置に豆電球を使用してきたが、実際に競技をすると、太陽や蛍光燈の光による誤動作が多かった。そのような弱点を克服するため、豆電球の光にかわり赤外線を用いることとなった。それに合わせて、勝敗判定装置も新たに開発することとなった。 　本研究では、これらの状況に対応した電源制御ボード及び勝敗判定装置を開発する。

討論 ◎西垣先生
　質問：赤外線を使用する事による大きな問題が（反射の他には）ないのか。
　返答：反射による問題以外には今の所は考えられない。あとは実際に使用してみないと分からない。

◎舟田先生
　質問：周波数特性の詳しい分布はどうなっているか。３０．５kHz〜４８kHz以外でどのようになっているか。
　返答：３０．５kHzから４８kHzを越えると出力が不安定で、HighとLowが入り乱れた状態の出力となる。
更にそれを越えると受光できなくなる。

目　次

１　はじめに・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・１
　　　１−１　目的・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・１
　　　１−２　旧型ＭＩＲＳの問題点・・・・・・・・・・・・・・・・１
　　　１−３　新型ＭＩＲＳに要求される性能・・・・・・・・・・・・１

２　ＭＩＲＳの機能のついて・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・２
　　　２−１　Ｖ−ｐｒｏｊｅｃｔＭＩＲＳの主な仕様・・・・・・・・２
　　　２−２　ＭＰＵボードおよびＩ／Ｏボードの仕様・・・・・・・・２
　　　　　　２−２−１　ＶＳＢＣ−１ の機能･・・・・・・・・・・・２
　　　　　　２−２−２　ＶＩＰＣ３１０ の機能･・・・・・・・・・・３
　　　　　　２−２−３　IP-digital 48 の機能 ･・・・・・・・・・・４
　　　２−３　システム構成・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・４

３　ボード設計・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・６
　　　３−１　Power Distributorﾎﾞｰﾄﾞの設計・・・・・・・・・・・・６
　　　　　　３−１−１　電源系統図・・・・・・・・・・・・・・・・６
　　　　　　３−１−２　Power Distributorﾎﾞｰﾄﾞ機能概要・・・・・・７
　　　　　　３−１−３　構成図・・・・・・・・・・・・・・・・・・７
　　　　　　３−１−４　回路設計・・・・・・・・・・・・・・・・・７
　　　　　　３−１−５　外部とのインターフェイス・・・・・・・・・９
　　　　　　３−１−６　回路実装・・・・・・・・・・・・・・・・・９
　　　３−２　勝敗判定装置の設計・・・・・・・・・・・・・・・・１０
　　　　　　３−２−１　勝敗判定装置機能概要・・・・・・・・・・１０
　　　　　　３−２−２　構成図・・・・・・・・・・・・・・・・・１０
　　　　　　３−２−３　回路設計・・・・・・・・・・・・・・・・１１
　　　　　　３−２−４　外部とのインターフェイス・・・・・・・・１１
　　　　　　３−２−５　回路実装・・・・・・・・・・・・・・・・１２

４　ボード作成・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・１３

５　ボード評価・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・１４
　　　５−１　Power Distributorﾎﾞｰﾄﾞの評価・・・・・・・・・・・１４
　　　５−２　勝敗判定装置の評価・・・・・・・・・・・・・・・・１７
　　　　　　５−２−１　周波数特性・・・・・・・・・・・・・・・１７
　　　　　　５−２−２　発光強度、Ｄｕｔｙ比と距離の関係・・・・１８
　　　　　　５−２−３　反射特性・・・・・・・・・・・・・・・・１８
　　　　　　５−２−４　総合評価・・・・・・・・・・・・・・・・１９

６　おわりに・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・２０

　　　謝辞・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・２０

　　　参考文献・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・２０

付録

１　はじめに

１−１　目的

1. Power Distributorボード、勝敗判定装置を完成させこれらを標準化する。
2. 赤外線発光ダイオード（以下、赤外線ＬＥＤ）の特性について調査し、実際の競技に使用できるようにする。

１−２　旧型ＭＩＲＳの問題点

• 標準Ｂｕｓを用いていない。
• 保守性が良くない。
• ＣＰＵクロックが遅い。(８MHz)
• Ｉ／Ｏにはパラレル入出力しかない。

１−３　新型ＭＩＲＳに要求される性能

• ＣＰＵは６８０００でＣＰＵクロックがより速いもの。
• 標準Ｂｕｓを装備したラックに収納する形のＭＰＵボードである事。
• パソコンＰＣ９８との通信を可能にするＲＳ２３２Ｃを備えている事。
• Ｂｕｓから直接ボードを制御するだけでなく、シリアルポートによっても制御できるように６８２３０を２つ備えたＩ／Ｏボードが接続されている事。

２　機能割当

２−１　Ｖ−ｐｒｏｊｅｃｔＭＩＲＳの主な仕様

• 電源回路には、通常の回路に用いられる５Ｖに加えて、ＲＳ−２３２Ｃ通信ケーブル用の±１２Ｖ電源端子を作る。
• マンマシンインタフェースボードは情報の表示能力の向上のため７ＳｅｇＬＥＤの４桁表示にする。
• 駆動部には２輪独立式を採用する。２つの駆動輪の速度、方向は、ＰＷＭ信号で制御する。駆動輪の回転数は、２相式ロータリエンコーダで測定する。
• 超音波センサは、４対まで取付可能とする。
• 光センサは、まわりの明るさに影響されやすいため赤外線センサに変更する。赤外線受光素子数は、８つまで取付可能とする。それにともない勝敗判定装置には豆電球の代わりに赤外線発光素子を取りつける。
• タッチセンサは前面と左右への取付けを考え３つまで取付け可能とする。

２−２　ＶＳＢＣ−１ の機能

消費電力

　一般回路：入力電圧　５Ｖ±５％
　　　　　　最大消費電流　７５０mA
　ＲＳ−２３２Ｃ：入力電圧　±１２Ｖ
　　　　　　　　　最大消費電流　１００mA

時計機能(RTC)：

　　DP8573を搭載,１２／２４時間時計,
　 曜日カウンタ,アラーム,タイマ割り込み

割り込み：

　７つのレベルの割り込みが可能　（信号ＩＲＱ１〜ＩＱ７を利用）、割り込みマスクレジスタの設定が可能

ハードウェア監視機能：　

　ＭＡＸ６９１による。４００ｍｓ（変更可）ごとに合図がないと、異常が起きたとみなして、システムをリセットする。

タイムアウト機能：

　異常が発生して、データ転送が７μｓ停止した場合、信号を発生する。

ボード上のコネクタ：

　５０ピンＳＣＳＩコネクタ、４０ピンＰＩ／Ｔコネクタ

シリアルＩ／Ｏ

　２つのポートが使用可(68562 DUSCC提供）
　　オプション：それぞれのシリアルポートに１つずつ必要
　　ＲＳ−２３２Ｃ　５０〜７６８００ボー
　　光ファイバによる接続は最長１km
　　（光ファイバコネクタを含む）

パラレルＩ／Ｏ

　ＭＣ６８２３０ＰＩ／Ｔ 　　８ビット　×　２ポート
　　ハンドシェークピン　×４
　　ハードウェア割り込み、タイマ割り込みが可能
　　光セントロニクスアダプタが使用可能

ＶＭＥｂｕｓ　関係

　インターフェイス：A24D16/8,MASTER
　コネクタ：ＤＩＮ４１６１２ Ｃ 型、
　　　　　　９６ピン、Ｐ１コネクタ

２−２−２　ＶＩＰＣ−３１０ の機能

• 消費電力：入力電圧　５Ｖ
  　　　　　　最大消費電流　４６０mA
• インプット／アウトプット、メモリー、割り込みの働きを持つ。
• ＶＩＰＣ３１０は、３Ｕ（シングルハイト）の要素によってＶＭＥｂｕｓ　Specification C.1（ＩＥＥＥにより、P1014/D1.2またはIEC821 busとしても知られている）と結合する。
• ＩＰキャリアは、ＤＭＡボードや、６８０２０処理装置を乗せると様々な機能を利用できる。
• ＩＰキャリアは、他の標準的なIndustry ｂｕｓでの利用もできる。ＶＩＰＣ３１０は、ＩＰ　Ｌｏｇｉｃの接合方法に従う。
• ＩＰは互いに、ＶＩＰＣ３１０の前面を通って５０ピンのフラットケーブルによって接合される。
• 二つのＩＰは、”Ａ”及び”Ｂ”と名付けられている。
• インターフェースの接合は、基準寸法で、ケーブルでつながれたシステムであれば、ＩＰキャリア上にディレクトリを添え付けられる。
• 接合ケーブルは、ＶＭＥのシャーシから、ＶＩＰＣ３１０を動かさずに、差し込み、引き抜きができる。
• ＩＰは、Ｉ／Ｏからの信号に依らずに、オン／オフができる。
• どんなときでも、ＩＰはグリーンフロントパネルの指示器が点灯していればＶＭＥｂｕｓからアクセスされる。
• 二つの表示器があり、一つづつ、相互のＩＰに用いられる。
• どのアクセスに対しても活動の指示を明確にする為一つ又は複数の関係のあるＬＥＤを点灯させる（約1/3秒間）
• ＩＰのＩ／Ｏは、ＶＭＥｂｕｓＡ１６／Ｄ１６空間中に位置する。
• 使用者と、管理者のアクセスは共に、読み取り、修正、書き込み（テスト／セット）の作業を受ける。
• 相互のＩＰ上にあるＩ／Ｏ空間はＩＰの詳細書によって、１６ビットのワードが６４個と決められている。
• 相互のＩＰが、６４語を占有するＰＲＯＭの搭載ができる。
• こうして、二つのＩＰのＡ及びＢは、Ｓｈｏｒｔ　Ｉ／Ｏ空間のＶＭＥｂｕｓシステムの６４キロバイト中５１２バイトを占有する。
• 割り込みは、全面的に指示を受ける。
• 相互のＩＰは、二つに分割された割り込み要求により動作を行う。 ＶＩＰＣ３１０は、ＶＭＥ ｂｕｓのＩＲＱ１,３,４,５の支援をする。
• 割込み要求を受けた相互のＩＰは、自身に８ビットのvectorを供給しなければならない。
• このvectorは、ＶＭＥ ｂｕｓに受け取りを知らせるサイクルで、割込みバス間に供給される。
• ＶＩＰＣ３１０は、ＶＭＥ ｂｕｓ　ＢＥＲＲの操作を受けない。
• ソフトウェア上の、意味の無いアクセスは、動作していないＣＰＵボード上の停止回路バスによって停止される。
• ＶＩＰＣ３１０は、５Ｖ,±１２Ｖの電源をＬＣ　ｐｉフィルターを通して、相互のＩＰに供給する。これは、精密なデジタル作用とともにアナログＩＰの使用を可能にしている。

２−２−３　IP-digital 48　の機能

• 消費電力：入力電圧　５Ｖ
  　　　　　　最大消費電流　２２０mA
• IP-digital 48には、MC68230PARALLEL INTERFACE/TIMER（ＰＩ／Ｔ）が２個搭載されている。
• ＭＣ６８２３０には、入出力ポートＡ，Ｂ，Ｃがあり、Ａ，Ｂは単方向または双方向の８ｂｉｔまたは１６ｂｉｔの入出力として使用できる。このポートはダブルバッファ内蔵である。ポートＣは、ＤＭＡ，タイマおよび割り込みの制御としても使用される。
• ＰＩ／Ｔはその内部にＴＩＭＥＲを持っているが、このＴＩＭＥＲは２４ｂｉｔのダウンカウンタを含む。このタイマの基本的な使い方として、　　 １．Periodic Interrup Generator　 ２．Square Wave Generator 　 ３．Device Watchdog 等がある。１は、設定周期毎のタイマ割り込みが可能であり、２は、設定周期の方形波をTOUTより出力できる。３は、TINが立ち上がると、設定値からカウンタがダウンしていき、TINが立ち下がると止まる。また、underflowになると、TOUTに一発パルスが発生する。

２−３　システム構成

• ＭＰＵボードのシリアルＩ／Ｏ（４０ピンＰＩ／Ｔコネクタ）の２つのポートをマンマシンインタフェースボードに割り当てる。
• IP-digital 48の１つのＰＩ／Ｔの内部タイマをDevice Watchdogとして、超音波センサのカウンタに用い、超音波センサの制御には、このＰＩ／ＴのＡポートを割り当てる。赤外線センサ回路は、残りのＢポートを割り当てる。また、もう１つのＰＩ／Ｔの内部タイマをSquare Wave GeneratorとしてＰＷＭ信号の基準クロックに用い、２つのポートはＰＷＭ信号発生回路に割り当てる。IP-digital 48とインタフェースを行う３つの回路を１つのボードにまとめる事にする。
• ＶＩＰＣ３１０に２つまで搭載可能なIndustry Packのうちの１つは空いているのでこれをロータリエンコーダ回路に用いる。カウンタの周期的な読込みにはＭＰＵボードのリアルタイムクロックを用いる。また、このIndustry Packに割り当てられた２つの割込み入力ピンをタッチセンサの割込みに用いる。よってロータリエンコーダ回路とタッチセンサ回路を１つにまとめる。
• ＭＰＵボードの持つＲＳ−２３２Ｃ通信機能を用いて、パソコンＰＣ９８を接続してボードのテストとメンテナンスを行えるようにする。
• これらのボードの電源＋５Ｖと、パソコンＰＣ９８との通信用のＲＳ−２３２Ｃのための±１２Ｖの電源端子を持つ電源回路を考える。
• 赤外線発光回路と相手ＭＩＲＳに押された事を感知する機能を持つ勝敗判定装置を考える。感知した信号はマンマシンインターフェイスを通してＭＰＵボードに送られる。

図２−１　システム構成図

本研究では、目的で述べたように電源制御ボードであるPower Distributorﾎﾞｰﾄﾞと勝敗判定装置を開発する。

３　ボード設計

３−１　Power Distribuorﾎﾞｰﾄﾞの設計

３−１−１　電源系統図

図３−１　電源系統図

３−１−２　Power Distribuorﾎﾞｰﾄﾞ機能概要

1. 各ボードの電源として＋５Ｖの電圧を出力する回路
2. ＲＳ−２３２Ｃのための±１２Ｖの電圧を出力する電源回路
3. ＭＩＲＳの実際の競技中のみモータと勝敗判定装置を動作させる回路

３−１−３　構成図

1. 定電圧電源回路
   ＋５Ｖの電圧を３Ａまで安定して出力できる電源回路を構成する。
2. ＲＳ−２３２Ｃ用電源回路
   ＲＳ−２３２Ｃのための、±１２Ｖ、１００ｍＡの電源回路を構成する。
3. ＯＮ−ＯＦＦ制御回路
   駆動用の電源を、スタートスイッチでＯＮ、勝敗判定装置が押されたことでＯＦＦになるようにする。

図３−２　電源制御ボード構成図

３−１−４　回路設計

各機能について詳しく述べる。

�@定電圧電源
　この部分では、ＭＩＲＳ上の全ての回路に電力を供給するための回路である。電源としては、ラジコン用の７．２Ｖのニッカド充電用電池を用いる。これはフル充電では８Ｖほどまであるが、そのうち電圧は落ちてくる。通常の定電圧レギュレータＩＣを用いると、５Ｖを発生させる為には７Ｖ近く必要となり、これでは電圧が落ちてきた時に安定した電力を供給することができなくなってしまう。そのため今回は、抵損失のレギュレータ（最低入力電圧６．０Ｖ）を用いる。また、今回は３Ａというかなり大きな電流が必要となり、ここではそれだけの電流を流しだす事が出来るようにする。

�AＤＣ−ＤＣコンバータ
　この部分は、ＲＳ−２３２Ｃを使用するための電源となる。必要な電圧および電流は、±１２Ｖ、１００ｍＡである。

�BＯＮ−ＯＦＦ制御部
　この部分では、スタートスイッチが押されたら、勝敗判定装置及びモータに電力を供給し、勝敗判定装置が押されたら、それらをＯＦＦにするための回路である。また。ＭＰＵボードにそのＯＮ，ＯＦＦの信号を送信する機能も兼ねている。ここは、リレーによる１ビットのデータ保持機能を持つ回路となっている。

（２）　部品選択

次に特殊な部品について述べる。

�@ＳＴＲ９００５（サンケン）
　この部品は、抵損失リニアレギュレータＩＣと呼ばれている部品である。最低６．０Ｖの入力電圧を５Ｖの出力電圧にする。また最大出力電流も４Ａであり、今回の規格に適当である為、使用する。以下に内部の等価回路図３−３に示す。この中で、ドライブ用トランジスタＴｒ１及び可変シャントレギュレータにより最低入力電圧６．０Ｖを実現している。

図３−３　ＳＴＲ９００５等価回路図

�AＳＱ−１２Ｄ−２５０（アジア電子）
　この部品は、ＤＣ−ＤＣコンバータと呼ばれる部品である。入力電圧は４．５Ｖ〜９Ｖなので、バッテリーをそのまま入力しても安全である。出力も±１２Ｖ、±２５０ｍＡで今回の規格には充分である。

�B53259-0*20（ＭＯＬＥＸ）
　今回電源基板は３Ａという大電流を流さなければならないしかし、これまで使用してきた電源用のコネクタは大きく、今回開発しようとするボードに載せる事は困難である。そこで、今回はこのＭＯＬＥＸを用いる事となった。これは、２ピンのものでこれまでより１０％、４ピンのもので４０％小さくなる。また、このＭＯＬＥＸは５Ａまで流す事ができ、今回開発する基板に適当である。

�C放熱板
　この部品は、ＳＴＲ９００５の仕様書から計算して寸法を決定した。
　今回の使用条件は、以下のような場合を考えた。

1. 最大入力電圧：８Ｖ
2. 出力電圧：５Ｖ
3. 出力最大電流：３Ａ
4. 周囲温度：２５℃

図３−４　Ta-Pd特性

　今回は部品の関係でPower Distributorボードを２種類作った。２種類の基板はサイズやピンアサイン等の性能は等しい。しかし、基板の形や放熱板に違いがある。来年から使用する時は、自分たちの使いたいほうを使って欲しい。以下に２種類の基板の違いを述べる。
なお、２種類の基板の名前はそれぞれPower Distributor/1、Power Distributor/2である。

�@Power Distributor/1

• 基板全体が比較的薄い。
• 特殊な部品が少ない。

• 部品点数が少ない
• 放熱板を既製品を使うので作るのが比較的容易である。

３−１−５　外部とのインターフェイス

コネクタ１,３

No.	信号名	方向	内容
1	Vin	←	+7.2Vの電源（バッテリー）を入力する。
2	GND	--

コネクタ２

No.	信号名	方向	内容
1	Vout	→	+7.2Vの電圧を持つ電力を供給する。(モータ用)
2	GND	--

コネクタ４

No.	信号名	方向	内容
1	V+	→	+12Vを出力	ＭＰＵ，センサ系のボードの電源となる。
2	GND	--	ＧＮＤ
3	Vcc	→	+5Vを出力
4	V-	→	-12Vを出力

コネクタ５

No.	信号名	方向	内容
1	SWA	→	勝敗判定装置からのデータを得る。
2	SWB	←
3	Vsig	→	スタートから勝敗判定SWを押されるまで+5Vを出力
4	GND	--

コネクタ６

No.	信号名	方向	内容
1	OPEN	--	信号なし
2	Vsig	→	スタートから勝敗判定SWを押されるまで+5Vを出力
3	GND	--

　←はボードへの入力、→はボードからの出力、--は方向が無いことをあらわす。

３−１−６　回路実装

図３−５　基板配置図(Power Distributor/1)

図３−６　基板配置図(Power Distributor/2)

コネクタの品名

CN1:MOLEX（53259-0220)：9.1 × 14.2 (mm)
CN2:MOLEX（53259-0220)：9.1 × 14.2 (mm)
CN3:MOLEX（53259-0220)：9.1 × 14.2 (mm)
CN4:MOLEX（53259-0420)：16.1× 14.2 (mm)
CN5:MOLEX（5046-04A） ：9.5 × 13.3 (mm)
CN6:MOLEX（5046-03A） ：7.0 × 13.3 (mm)

　このボードはＶＭＥラックに直接搭載する事を考えて作られている。次に、ＶＭＥラックへの搭載方法について示す。

　固定用のアルミ板を基板のねじ穴に取り付ける。ＶＭＥラックの裏のねじ穴に図３−７のように固定用のアルミ板を固定する事で基板を固定する。

図３−７　取付実装図

３−２　勝敗判定装置の設計

３−２−１　勝敗判定装置機能概要

1. 相手ＭＩＲＳに押されたことを感知する機能。
2. 自分の存在を示すための赤外線ＬＥＤを発光させる機能。

３−２−２　構成図

1. 勝敗判定用スイッチ
   ここを押された時、そのことを電源制御ボードに伝える。
2. ＬＥＤ発光回路
   通常のＬＥＤを発光させる。　　　　
3. 赤外線ＬＥＤ発光回路
   赤外線ＬＥＤを、パルスによって発光させる。

図３−８　勝敗判定装置構成図

３−２−３　回路設計

各機能について詳しく述べる。

�@勝敗判定用スイッチ
　 　この部分は、相手ＭＩＲＳに押された事を感知するための装置である。回路としては、ノーマルコネクトのスイッチを用いて、押された事によってこのスイッチが切られた時にPower Distributorﾎﾞｰﾄﾞに押された事が伝わるようになっている。

�AＬＥＤ発光回路
　この部分は、通常のＬＥＤを発光させるための回路である。赤外線は人の目には見えないので、この機能をつけた。

�B赤外ＬＥＤ発光回路
　この部分は、赤外線ＬＥＤを発光するための回路である。今回使用した赤外線受光素子IS1U60は、３８kHzでパルス発光された赤外線しか受光しないようになっている。この事は、余分な赤外線を遮断する上で大切な機能である。しかし、そのため、３８kHzでパルス発光しなければならない。また、この受光素子は、３８kHzでパルス発光された赤外線でも常に発光され続けているものはノイズとみなしてしまう。そのため、さらにこの赤外線を６００μsで変調する。これらの発振回路はタイマＩＣμPD5555を用いている。また、赤外線ＬＥＤのドライバＩＣとして、SN75453（デュアルぺリフェラルＯＲゲートＩＣ）を用いた。

（２）　部品選択

次に特殊な部品について述べる。

�@ＴＬＮ１０５Ｂ（東芝）
　この部品は、赤外線を発光するために使用した。この素子の特性を以下の示す。

最大定格（Ta=25℃）

項　　　目	記号	定格	単位
直流順電流	IF	100	mA
直流順電流低減率 （Ｔa>25℃）	ΔIF/℃	-1.33	mA/℃
パルス順電流	IFP(注)	1	A
直流逆電圧	VR	5	V
許容損失	PD	150	mW
動作温度	Topr	-20〜75	℃
保存温度	Tstg	-30〜100	℃

(注)パルス幅≦100μs，繰返し周波数=100Ｈz

電気的特性（Ta=25℃)

項目	記号	測定条件	最小	標準	最大	単位
順電圧	VF	IF=100mA	--	1.35	1.5	V
逆電流	IR	VR=5V	--	---	10	μA
放射強度	IE	IF=50mA	12	20	---	mW/sr
光出力	PO	IF=50mA	--	11	---	mW
端子間容量	CT	VR=0,f=1MHz	--	20	---	pF
Ëß°¸発光波長	λP	IF=50mA	--	950	---	nm
½Í߸ÄÙ半値幅	Δλ	IF=50mA	--	50	---	nm
半値角	θ1/2	IF=50mA	--	±23.5	---	°

波長特性（標準値）　　　(IF=50mA,Ta=25℃)

図３−９　波長特性

指向特性（標準値）
（Ta=25℃）

図３−１０　指向特性

３−２−４　外部とのインターフェイス

No.	信号名	方向	内容
1	SWA	←	Power Distrubutorへデータを送る。
2	SWB	→
3	Vsig	←	電源＋５Ｖを入力。
4	GND	--

←はボードへの入力、→はボードからの出力、--は方向が無いことをあらわす。

３−２−５　回路実装

図３−１１　基板配置図（勝敗判定装置）

コネクタの品名
MOLEX（5046-04A）：9.5 × 13.3(mm)

４　ボード作成

表４−１　Power Diestibutorﾎﾞｰﾄﾞ仕様書

��	登録物	登録先	̧²Ù名
1	Power Distributor /1回路基板回路図(OrCAḐ²Ù)	V94-CARD-206	PD1.1
2	Power Distributor /1回路基板部品表	V94-CARD-306	PD1P.SAM
3	Power Distributor /1回路基板ÊßÀ°Ý実装図、穴開図（ÊßÀ°ÝCAḐ²Ù)	V94-CARD-406	PD1.DBH
4	Power Distributor /2回路基板回路図(OrCAḐ²Ù)	V94-CARD-207	PD2.1
5	Power Distributor /2回路基板部品表	V94-CARD-307	PD2P.SAM
6	Power Distributor /2回路基板ÊßÀ°Ý実装図、穴開図（ÊßÀ°ÝCAḐ²Ù)	V94-CARD-407	PD2.DBH
7	放熱板部品図１	V94-PART-006	HEAT1.ZWD
8	固定用板部品図	V94-PART-007	STAND.ZWD
9	放熱板部品図２	V94-PART-008	HEAT2.ZWD
10	作成手順書(Power Distributor/1)	V94-SPEC-004	PD1M.SAM
11	作成手順書(Power Distributor/2)	V94-SPEC-005	PD2M.SAM
12	検査手順書	V94-SPEC-006	PDC.SAM
13	取扱説明書	V94-SPEC-007	PDT.SAM

表４−２　勝敗判定装置仕様書

��	登録物	登録先	̧²Ù名
1	勝敗判定装置基板回路図(OrCAḐ²Ù)	V94-CARD-208	JS.1
2	勝敗判定装置基板部品表	V94-CARD-308	JSP.SAM
3	勝敗判定装置基板パターン図、部品配置図（ÊßÀ°ÝCAḐ²Ù)	V94-CARD-308	JS.DBH
4	作成手順書	V94-SPEC-016	JSM.SAM
5	検査手順書	V94-SPEC-017	JSC.SAM
6	取扱説明書	V94-SPEC-018	JST.SAM

５　ボード評価

５−１　Power Distributorﾎﾞｰﾄﾞの評価

　評価方法

図５−１　評価回路図

　図５−１のような装置で摺動抵抗に１Ａ，２Ａ，３Ａの電流を流し続け３０秒ごとに電圧，電流を記録する。バッテリーはフル充電してあるものを使用した。使用機器は次の通りである。

使用機器
　　バッテリー：タミヤ　７．２Ｖ
　　　　　　　　レーシングパック
　　電圧計(テスター)：SANWA　CD-720C
　　電流計：class　0.1
　　負荷器：摺動抵抗(３Ａ用、２個並列)

摺動抵抗を２個つないだ理由は１つの場合、過電流が流れた時に破壊してしまう恐れがあるからである。

評価結果

　評価の結果は、下の表５−１及び図５−１，図５−２のようになった。

表５−１　評価結果

時間(分)	１Ａ		２Ａ		３Ａ
	入力電圧(V)	出力電圧(V)	入力電圧(V)	出力電圧(V)	入力電圧(V)	出力電圧(V)
0	8.24	4.99	7.97	4.97	7.94	4.96
0.5	8.19	4.99	7.84	4.97	7.84	4.96
1	8.16	4.99	7.79	4.97	7.77	4.96
1.5	8.12	4.99	7.74	4.97	7.71	4.96
2	8.09	4.99	7.69	4.97	7.66	4.96
2.5	8.08	4.99	7.66	4.97	7.61	4.96
3	8.06	4.99	7.62	4.97	7.58	4.96
3.5	8.03	4.99	7.59	4.97	7.55	4.95
4	8.02	4.99	7.56	4.97	7.52	4.95
4.5	8	4.99	7.55	4.97	7.49	4.95
5	7.98	4.98	7.53	4.97	7.46	4.95
5.5	7.97	4.98	7.52	4.97	7.44	4.95
6	7.96	4.98	7.51	4.97	7.4	4.95
6.5	7.94	4.98	7.5	4.97	7.38	4.95
7	7.94	4.98	7.49	4.97	7.35	4.95
7.5	7.91	4.98	7.47	4.96	7.34	4.95
8	7.9	4.98	7.47	4.96	7.33	4.95
8.5	7.89	4.98	7.46	4.96	7.32	4.95
9	7.87	4.98	7.45	4.96	7.3	4.95
9.5	7.86	4.98	7.44	4.96	7.27	4.95
10	7.85	4.98	7.44	4.96	7.27	4.95
10.5	7.84	4.98	7.43	4.96	7.23	4.95
11	7.83	4.98	7.43	4.96	7.22	4.95
11.5	7.82	4.98	7.42	4.96	7.2	4.95
12	7.81	4.98	7.42	4.96	7.18	4.95
12.5	7.8	4.98	7.42	4.96	7.16	4.95
13	7.8	4.98	7.41	4.96	7.14	4.95
13.5	7.78	4.98	7.4	4.96	7.13	4.95
14	7.77	4.98	7.4	4.96	7.1	4.95
14.5	7.77	4.98	7.4	4.96	7.07	4.95
15	7.76	4.98	7.39	4.96	7.05	4.95
15.5	7.75	4.98	7.39	4.96	7.02	4.95
16	7.74	4.98	7.38	4.96	7	4.95
16.5	7.73	4.98	7.38	4.96	6.98	4.95
17	7.73	4.98	7.37	4.96	6.95	4.95
17.5	7.72	4.98	7.37	4.96	6.91	4.95
18	7.71	4.98	7.36	4.96	6.89	4.95
18.5	7.71	4.98	7.35	4.96	6.85	4.95
19	7.7	4.98	7.35	4.96	6.81	4.95
19.5	7.69	4.98	7.34	4.96	6.73	4.95
20	7.68	4.98	7.34	4.96	6.6	4.95
20.5	7.68	4.98	7.33	4.96	4.89	4.06
21	7.67	4.98	7.32	4.96	3.38	2.76
21.5	7.67	4.98	7.32	4.96	2.17	1.35
22	7.66	4.98	7.31	4.96
22.5	7.66	4.98	7.3	4.96
23	7.66	4.98	7.29	4.96
23.5	7.65	4.98	7.28	4.96
24	7.64	4.98	7.28	4.96
24.5	7.64	4.98	7.27	4.96
25	7.63	4.98	7.27	4.96
25.5	7.62	4.98	7.26	4.96
26	7.62	4.98	7.25	4.96
26.5	7.62	4.98	7.24	4.96
27	7.62	4.98	7.24	4.96
27.5	7.61	4.98	7.22	4.96
28	7.6	4.98	7.22	4.96
28.5	7.59	4.98	7.2	4.96
29	7.59	4.98	7.19	4.96
29.5	7.59	4.98	7.19	4.96
30	7.58	4.98	7.18	4.96
30.5	7.58	4.98	7.16	4.96
31	7.57	4.98	7.15	4.96
31.5	7.57	4.98	7.14	4.96
32	7.57	4.98	7.13	4.96
32.5	7.55	4.98	7.12	4.96
33	7.55	4.98	7.1	4.96
33.5	7.55	4.98	7.09	4.96
34	7.55	4.98	7.08	4.96
34.5	7.54	4.98	7.06	4.96
35	7.53	4.98	7.05	4.96
35.5	7.53	4.98	7.04	4.96
36	7.53	4.98	7.03	4.96
36.5	7.52	4.98	7.02	4.96
37	7.51	4.98	7.01	4.96
37.5	7.51	4.98	6.99	4.96
38	7.51	4.98	6.98	4.96
38.5	7.5	4.98	6.97	4.96
39	7.49	4.98	6.95	4.96
39.5	7.48	4.98	6.93	4.96
40	7.48	4.98	6.91	4.96
40.5	7.48	4.98	6.89	4.96
41	7.48	4.98	6.87	4.96
41.5	7.47	4.98	6.86	4.96
42	7.46	4.98	6.84	4.96
42.5	7.46	4.98	6.8	4.96
43	7.45	4.98	6.75	4.96
43.5	7.44	4.98	6.67	4.96
44	7.44	4.98	6.57	4.96
44.5	7.43	4.98	6.3	4.96
45	7.42	4.98	5.03	4.65
45.5	7.42	4.98	4.66	4.3
46	7.41	4.98	3.45	2.96
46.5	7.4	4.98	2.21	2.06
47	7.39	4.98
47.5	7.38	4.98
48	7.38	4.98
48.5	7.37	4.98
49	7.36	4.98
49.5	7.35	4.98
50	7.34	4.98
50.5	7.34	4.98
51	7.33	4.98
51.5	7.33	4.98
52	7.32	4.98
52.5	7.32	4.98
53	7.31	4.98
53.5	7.3	4.98
54	7.29	4.98
54.5	7.28	4.98
55	7.28	4.98
55.5	7.28	4.98
56	7.27	4.98
56.5	7.27	4.98
57	7.26	4.98
57.5	7.25	4.98
58	7.25	4.98
58.5	7.24	4.98
59.00	7.23	4.98
59.50	7.22	4.98
60.00	7.21	4.98
60.50	7.21	4.98
61.00	7.19	4.98
61.50	7.19	4.98
62.00	7.18	4.98
62.50	7.17	4.98
63.00	7.16	4.98
63.50	7.15	4.98
64.00	7.14	4.98
64.50	7.13	4.98
65.00	7.13	4.98
65.50	7.12	4.98
66.00	7.10	4.98
66.50	7.09	4.98
67.00	7.08	4.98
67.50	7.07	4.98
68.00	7.06	4.98
68.50	7.03	4.98
69.00	7.01	4.98
69.50	7.00	4.98
70.00	6.99	4.98
70.50	6.95	4.98
71.00	6.91	4.98
71.50	6.87	4.98
72.00	6.74	4.98
72.50	6.33	4.98
73.00	5.41	4.98
73.50	4.61	4.05
74.00	4.08	3.96
74.50	3.52	3.20
75.00	2.31	2.18

図５−１　入力電圧特性

図５−２　出力電圧特性

　表５−１は計測結果、図５−１は電源であるバッテリーの電圧、図５−２はボードから出力された電圧を表している。図５−２より、１Ａでは７３分、２Ａでは４４.５分、３Ａでは２０分までは安定した出力であった。競技時間は１０分であることを考えるとこのボードはＭＩＲＳ競技をする上で十分な時間であると言える。また、この間放熱板は、かなり温度が上がるが、出力その他の機能には影響を及ぼさないことも確かめられた。これらの事より、このボードは実際のＭＩＲＳに使用しても問題はないと思われる。

４−２　勝敗判定装置の評価

• 周波数特性
  　３８kHzからどのくらいの範囲の周波数で受光器が働くか評価する。
• 発光強度、Ｄｕｔｙ比と距離の関係
  　 　発光強度と入力信号のＤｕｔｙ比を変化させた時の、ＬＥＤと受光器の距離とセンサの出力の関係の評価。
• 反射特性
  　壁やその他の材質による赤外線の反射についての評価。なお、赤外線ＬＥＤの発光方法は図５−３に従って行なった。

図５−３　赤外線ＬＥＤ発光回路構成図

５−２−１　周波数特性

評価方法

　赤外線発光ＬＥＤと受光器との距離を５０cmの位置に設置する。入力信号の変調の周波数を変化させ、その時の受光素子からの出力信号をオシロスコープを用いて調べた。

評価結果

　評価結果を表５−２に示す。この表からわかるように、３０.５kHz〜４８kHzでは安定した出力が得られた。発信器としてタイマＩＣμPD5555を使用するが、このＩＣは抵抗とコンデンサの値によって発信周波数を決定する。抵抗、コンデンサには誤差があるが、これだけの周波数の幅があればその誤差を考慮しても十分である。そのため、部品表で指定した素子をそのまま使っても動作は正常に行われると考えられる。

表５−２　周波数特性

周波数[kHz]	出力状態
0〜30.5	不安定な出力(LowとHighの混在)
30.5〜48	安定した出力
48〜68	不安定な出力(LowとHighの混在)
68〜	受光不能

　ここで、抵抗、コンデンサによる発振周波数の誤差をＩＣの規格表に基づいて計算する。
　ＩＣμPD5555の発振周波数ｆの計算式は、抵抗値Ｒ_１、Ｒ_２およびコンデンサの値をＣとすると、

である。Ｄｕｔｙ比を１０％とすると、Ｒ１＝８Ｒ_２である。今、抵抗の誤差を５％、コンデンサの誤差を１０％とする。抵抗Ｒ_２の誤差の分をｒ、コンデンサの誤差をｃとする。これらの誤差の分によって変化した周波数をｆ’とすると、

となる。これを計算すると、実際の周波数の範囲は、 ３３ｋHz〜４４kHzである。

図５−４　μPD5555発信回路

４−２−２　発光強度、Ｄｕｔｙ比と距離の関係

評価方法

　図５−３に示されている回路によって赤外線ＬＥＤを発光させた。この時、入力信号のＤｕｔｙ比および抵抗Ｒの値を変化させ、受光器との距離と出力信号との関係をオシロスコープを用いて調べた。

評価結果

　評価の結果を表５−３に示す。この中から競技場の広さ等を考慮して、実際の仕様を決める。

表４−３　発光強度,Ｄｕｔｙ比と距離の関係

Ｄｕｔｙ比［%］	抵抗値 (Ｒ[Ω])	High最高距離[cm]	Low最低距離[cm]
50.00	51.00	370.00	930.00
10.00	51.00	230.00	470.00
50.00	200.00	210.00	620.00
10.00	200.00	135.00	325.00
50.00	820.00	95.00	280.00
10.00	820.00	50.00	150.00
10.00	1700.00	30.00	73.00
10.00	3436.00	20.00	60.00

５−２−３　反射特性

評価方法

　図５−５にしたがって、装置を配置する。距離Ｌ１、Ｌ２は変化させる。なお赤外線ＬＥＤは図４−４にしたがって発光させ、抵抗値Ｒと入力信号のＤｕｔｙ比はそれぞれ５１Ω、１０％とした。

図５−５　反射特性評価装置配置図

評価結果

　評価結果を、表５−４，表５−５に示す。表４−４はＬ１＝３０[cm]、Ｌ２＝３０[cm]の時 の反射の有無を表し、表４は反射の距離と出力の関係を表す。黒い布は非常によい効果を得たが、これは超音波を吸収する恐れがある為、使用しないほうが良い。そのため、壁による赤外線の反射は押さえられなさそうにない。反射がある場合、あまり強い赤外線を発光させると最悪の場合競技場のどこでも赤外線を受光してしまう事となる可能性がある。よって、赤外線はあまり強く発光させられない。

表５−４　反射特性１

材質	結果
壁（アクリル板）	反射した
つや消し黒で塗った紙	反射した
黒画用紙	反射した
木材（ベニア板）	反射した
黒い布（カーテン）	反射しなかった

表５−５　反射特性２

材質	Ｌ１ [cm]	Ｌ２[cm]
		High最高距離	Low最低距離
競技場(壁)	30.00	10.00	59.00
黒画用紙	30.00	32.00	79.00
木材	30.00	51.00	119.00
黒カーテン	30.00	測定不能	測定不能
	20.00	7.00	16.00

４−２−４　総合評価

• 入力信号Ｄｕｔｙ比：１０％
• 抵抗Ｒ＝１.７kΩ（Ｒは図５−３中）

６　おわりに

謝辞

参考文献

1. ＶＳＢＣ−１ Users　Manual,PEP　Modular　Computers, 1989
2. ＶＩＰＣ３１０　Users　Manual,　Green　Spring　Computers, 1989
3. IP-Digital48 Users Manual, Green Spring　Computers, 1993
4. 影山、斎藤、鈴木：１９９３年　卒業研究報告書（９３２０）;　　　　「標準型ＭＩＲＳのシステム開発」
5. トランジスタ技術SPECIAL �ｂQ８；「最新・電源回路技術のすべて」 トランジスタ技術１９９４年２月号；「パソコンからも制御できる赤外線学習リモコンの製作」
6. 赤外線発光ダイオード　　　　　　ＴＬＮ−１０５Ｂ規格表（東芝）
7. 産業用リニアＩＣ規格表：μPD5555

'94MIRS V-Project仕様書体系へ戻る