Xilinx Zynqの設計プロセス

Xilinx Zynq システムオンチップは、ARM Cortex-A9 デュアルコア プロセッサとプログラマブル ロジック ファブリックを組み合わせた、柔軟で高性能のガジェットです。 Zynq SoC を中心としたシステムを設計するには、ザイリンクスが提供するデバイス アーキテクチャ、設計ツールおよびプロセスを詳細に理解する必要があります。

システム要件とアーキテクチャ設計

システムのニーズとアーキテクチャを決定することは、Zynq SoC を中心としたシステム開発の最初の段階です。 これには、システムの高レベルのアーキテクチャだけでなく、システムが満たさなければならない個々の機能とパフォーマンスの要件も指定する必要があります。 たとえば、システムがビデオ処理プログラムであると仮定します。 その場合、要件には、特定のフレーム レートで高解像度ビデオを処理する能力と、いくつかのビデオ形式のサポートが含まれる可能性があります。

アーキテクチャ設計プロセスには、システム要件を達成するための適切なハードウェアおよびソフトウェア コンポーネントの選択が含まれます。 これには、Zynq SoC のインスタンスに必要な、イーサネット、USB、HDMI インターフェイスなどのペリフェラルの数と種類の決定が含まれる場合があります。 さらに、コア数やクロック速度など、適切な ARM Cortex-A9 プロセッサ構成を選択する必要がある場合があります。

モジュラーPCBとは何ですか?

モジュラー PCB は、特定の機能を備えたハードウェアです。 この回路は他の回路の一部として接続できます。 モジュラー PCB は、1 つの完全なセットアップではなく、モジュールに分割された回路です。 これは、完全なプリント基板を複数の回路に分割することを指します。 これらの複数の回路を相互に接続するには、コネクタまたはケーブル経由が使用されます。

モジュラー PCB 設計は、エレクトロニクス設計における新しい概念ではありません。 良い例はコンピューターの組み立てです。 コンピュータ用のモジュラー PCB は、サウンド カードとグラフィックス カード用のスロットを備えた単一のマザーボードで構成されます。 BeagleBoard や Arduino などのプラットフォームはモジュラー設計のトレンドを強調しており、エコシステム内で独立したモジュールの接続を可能にします。

さらに、モジュラー PCB 設計により、設計者がいくつかのタスクを実行する際の柔軟性が向上します。

モジュラー PCB 設計とは何ですか?

モジュラー PCB 設計は、さまざまなアプリケーション向けの回路基板を設計する際に統合されます。 この設計方法は、組み込みシステム、ミックスドシグナルシステム、およびマルチボードシステムに有益です。 他の高機能回路基板もこの設計から恩恵を受けることができます。

一貫性のないデータ形式や統一されていないために、一部のデザイン ツールが使用できないことに気づくでしょう。 ただし、一部の設計ソフトウェアは、モジュラー PCB 設計の要求を満たすためにツールをアップグレードしています。 また、PCB 設計者は、これらの設計ソフトウェア パッケージに完全にアクセスできます。 モジュラー PCB 設計用のツール セットを備えた統合 PCB 設計ソフトウェア パッケージがいくつかあります。

当時の PCB 設計には、電子システムの各部品を個別に扱うことが含まれていました。 設計プロセスでは、複雑なボードが作成される場合を除いて、システムのさまざまな部分間の接続はほとんど考慮されませんでした。

しかし、エレクトロニクス業界は、エレクトロニクスが接続され、よりスマートになるにつれて常に進化しています。 消費者は現在、機能の向上を求めています。 したがって、PCB 設計者は、これをデバイスに機能的に組み込む方法を模索しています。

モジュラー PCB 設計は、設計者が現在統合しているアプローチの 1 つです。 この設計方法論は、電子システムの階層的な観点を取り入れています。 また、さまざまなボード上で機能を分離できるマルチボード設計手法でもあります。

モジュラー PCB 設計プロセス

モジュラー設計について話すとき、デバイスを個別の機能に関して見る必要がある場合があります。 最も簡単な方法は、デバイスの機能ブロック図から始めることです。 設計者は、必要な機能を提供するためにデバイスのさまざまな部分がどのように機能するかを理解する必要があります。 また、この場合、必要な出力と入力を考慮する必要があります。

さらに、デバイスが中央処理を構成する場合は、設計プロセスの一部として機能ブロック図を考慮する必要があります。 したがって、PCB レイアウト プロセスを開始するときに、デザインにいくつかの変更を加えることが重要です。 PCB 設計者の大多数は、回路基板のレイアウトを開始する前に、デバイス内の機能ブロック間の相互作用を考慮しません。

設計者は、デバイスの各部分の機能を明らかにする、より優れたブロック図を開発する必要があるかもしれません。 これは、ボードの主要な機能を設計する際に階層的なアプローチが必要であることを意味します。

モジュラー PCB 設計に回路図を使用する方法

モジュラー PCB 設計の最初のステップは、回路図を作成することです。 モジュラー設計に関しては、図内のすべての機能ブロック内で PCB コンポーネント間の接続を作成できます。 これにより、モジュラー PCB 設計を開始できます。

階層回路図エディタは回路図の接続に役立ちます。 このツールは PCB 設計用に設計されています。 したがって、これにより、複数の回路図間の相互作用を定義できます。 また、これにより、設計プロセス全体を通じて整理された状態を維持し、設計の一部分に集中できるようになります。

さらに、上位レベルの親回路図内で複数の回路図を接続できます。 いくつかのシステムでは、PCB 設計の一部を再統合します。 このような場合、さまざまな回路図でボードの一部を再設計する必要はありません。 モジュラー PCB 設計により、設計の一部をさまざまな回路図に再統合できます。 したがって、同じコンポーネントを何度も再配置する必要はありません。

回路図間の関係が定義され、機能ブロック図が階層回路図に変換されたら、基板レイアウト段階に移行できます。 さらに、新しいボードに回路図をキャプチャする必要があります。 接続とコンポーネントをキャプチャしたら、コンポーネントを配置するプロセスを開始できます。

モジュラー PCB 設計のレイアウト段階

 

回路図をレイアウトとしてインポートした後、ボード上にコンポーネントを配置できるようになります。 適切な回路図キャプチャ ツールを使用すると、組織が回路図で定義された状態を維持するのに役立ちます。 また、コンポーネント間の接続も明らかになります。 一部の回路基板では、その機能が基板のさまざまな部分に分割されています。 たとえば、アナログ領域とデジタル領域が機能ブロックを作成するようにミックスシグナル システムを設計する必要があります。

このような場合、各ブロックの領域を分離する必要があります。 これは信号の完全性を確保するのに役立ちます。 ワイヤレス通信や Wi-Fi モジュールなどの機能を追加すると、レイアウトがその機能ブロック内に収まるはずです。 設計者は、信号の整合性を確保するために、あらゆるタイプの機能を回路基板の領域に割り当てる必要があります。

モジュラーPCB設計ソフトウェア

モジュラー PCB 設計は、いくつかの追加タスクを必要とするプロセスです。 したがって、この設計に統合されたソフトウェアは、他の設計パッケージが提供していないいくつかの機能を備えている必要があります。 モジュラー PCB 設計ソフトウェアは、マルチチャンネル回路図編集ツールを備えている必要があります。 ソフトウェアに回路図エディタと回路図キャプチャ ツールも備わっていると、PCB 設計者の生産性がさらに高まります。

モジュラー PCB 設計ソフトウェアが備えるべきもう 1 つの重要な機能は、コンポーネント管理です。 マルチチャンネル設計を実行する場合、設計者はボード全体のさまざまな場所でいくつかのコンポーネントを再利用する必要があります。 つまり、設計機能を構成するコンポーネント ライブラリが必要になります。

これらの機能を 1 つのインターフェイスのみに統合できるため、レイアウトを簡単に生成し、システム全体でコンポーネントの配置を開始できます。 また、レイアウト エディターを使用するとコンポーネントをグループ化できるため、コンポーネントの再配置が簡単になります。 これにより、製造を開始する前にレイアウトのエラーを修正し、整理した状態を保つことができます。

効率的な PCB 設計ソフトウェアは、高度なツールにアクセスできる作業環境を提供します。 優れたモジュール設計を実現できる機能がいくつかあります。 モジュラー PCB 設計の重要な側面はシミュレーションです。 シミュレーションは、EMI 抑制とクロストークの重要な側面を確認するのに役立ちます。

統合された設計ソフトウェアにより、設計データをシミュレーション ツールに直接転送できます。 また、シミュレーションをシステム内の特定の機能ブロックに制限することもできます。 モジュラー設計の重要な側面は、すべての機能ブロックが適切に動作することを保証することです。 したがって、効率的な設計ソフトウェア パッケージは、これらすべてを達成するのに役立ちます。

モジュラー PCB が必要な理由は何ですか?

回路全体の回路基板を作成するときは、常にストレスが少なくなります。 ただし、モジュール式アプローチの統合が必要になる状況もあります。 このような場合には、モジュール式のアプローチがより良い選択となる可能性があります。 では、なぜモジュラー PCB が重要なのでしょうか?

スペースの制約

回路基板を製造する場合、基板に実装できるコンポーネントの数は限られています。 たとえば、スペースが限られている製品を設計する場合、エンクロージャにとって理想的ではない可能性があるため、単一の PCB 設計を統合できない場合があります。 したがって、モジュラー PCB 設計がより良い選択肢になる可能性があります。 これは、異なるモジュールで設計を共有すると、これらのモジュールを適切に適合させるのに役立つためです。

電子製品の小型化の進展に伴い、モジュール式 PCB は業界で一般的な概念になっています。 このコンセプトは、デザイナーが統合する必要があるものです。

再利用性

一部の電子製品には、複製可能な部品がいくつかあります。 たとえば、マイクロコントローラー モジュールは、湿度ロガーではなくアラーム コントローラーとして機能します。 したがって、さまざまな製品の同様のモジュールを簡単に再統合できます。 これは、再設計のコストを節約するのに役立ち、そのため、同じモジュールをより多く生産する場合のユニットあたりのコストが低くなります。

アップグレードの容易さ

一部の電子コンポーネントは他の電子コンポーネントよりもアップグレードが進んでいます。 たとえば、ネットワーク IC やマイクロコントローラーは 2 ～ 3 年ごとにアップグレードされます。 したがって、一部の電子コンポーネントは製品のライフサイクル中に廃止される可能性があります。 ただし、アップグレードが必要なコンポーネントを同じモジュール上に維持すると、アップグレードが必要になったときにボードの一部を再加工する必要があります。

トラブルシューティングとテスト

トラブルシューティングとテストのプロセスは、特に回路基板上に多数のコンポーネントがある場合、非常に困難になることがあります。 プロトタイプをテストする場合、その設計が非常に機能的かどうかを決定する未知の要素がいくつかあります。

モジュラーボードを開発すると、トレースを中断する必要がなく、テストを特定の部品に制限できます。 さらに、障害のあるモジュールを簡単に検出して交換できるため、メンテナンスとトラブルシューティングの実行がはるかに簡単になります。

結論

モジュラー PCB 設計には、新しい次元での設計の視覚化が伴います。 この設計方法は、組み込みシステム、ミックスドシグナルシステム、およびマルチボードシステムに有益です。 モジュラー PCB 設計は、いくつかの追加タスクを必要とするプロセスです。 この設計に統合されたソフトウェアは、他の設計パッケージが提供していないいくつかの機能を備えている必要があります。