I / O Sub ボード

(１.1)　超音波センサ回路の機能概要

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]の矩形波を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ＰＩＴに内蔵されているタイマを利用している。このタイマは、トリガを受け取った時点でカウントを開始し、受信を感知すると停止する。このカウンタ値を読み込む事により障害物迄の距離を知ることができる。すなわち、タイマのクロック周波数は８×１０６／３２[Hz]であるので、障害物までの距離Ｌは、
Ｌ＝
＊　Ｌ：距離　v:音速　Count：カウント値
で与えられる。最後の1/2は、超音波が障害物までの距離を往復することを考慮しているためである。
　しかしながら、音速ｖは一定値ではなく、周囲の温度で変化するため、この方法では、ある程度の誤差は覚悟しなければならない。しかし温度によるＬの誤差は非常に小さいので、、ＭＩＲＳ競技に使用するには問題はないと思われる。

(1.２)　回路構成

図１に回路構成図を示す。図１より�@から�Eのブロックの機能について説明する。

　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である。この回路では正確に40[kHz]の周波数を作り出すことは難しいが、40[kHz]近い周波数で安定していれば動作に支障はない。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が、回路周辺の設計に注意すればこの問題は解消される。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、タイミングパルスは、比較回路の項で述べる事にする。

　ＰＩＴ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きてから、送信、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フリップフロップで行い、タイマのスタート信号のＯＮ−ＯＦＦ制御をする。
　ＰＩＴ内臓のタイマは、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」という設定を選んだ。

　この回路では、主にノイズの除去と回り込み波による影響の無視をおこなう。受信回路から送られてきた受信波と、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、回り込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あげることで対処する。この時間はタイミングパルスによって決められる。さらに送信開始から一定時間受信そのものを無視する方法をとり、二重の対策をとっている。

　超音波は波の性質を持っているため、スピーカから発信された超音波が、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行われることのなる。回りこみはを受信するタイミングがわかっていれば、その間だけ基準電圧を５Ｖに引き上げれば、回りこみ波による影響をコンパレータによって打ち消すことができる。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。

　搭載されている４対のセンサのうち、一度に距離計測ができるのは一対だけである。計測をおこなうときには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までの２ビットの信号により成り立っている。

　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、方向データととも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。

(２.2)　回路構成

　図１に回路構成図を示す。右速度・方向データは68230のpartA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から得ている。ＰＷＭ信号発生回路は、カウンタより得られた８ビットのカウント値と７ビットの速度データとの比較によりＰＷＭ信号を形成している。ＰＷＭ信号波形形成原理を図２に示す。Ｄｕｔｙ比は０％から５０％で、これを１２８段階に分けている。速度データをｎとするとＰＷＭ信号のパルス幅ＴとＤｕｔｙ比Ｄは次式で計算できる。

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

(3.1) 赤外線センサ回路の機能概要

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変化が起きたときに、割り込み要求信号をＭＰＵに送る機能を持つ。またその時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に割り込み要求をする割り込み信号発生部から成る。図１に回路構成図を示す。

(3.2) 回路構成