組込みハードウェアの入出力と電源

組込みシステムでは、センサーやアクチュエーターといった周辺機器をマイクロコントローラに接続し、限られた電力で動作させる必要がある。入出力の信号の扱い、電源の使い方、クロックの生成を適切に設計することが、信頼性と省電力性を両立させる前提になる。以下では、それぞれの原理と判断の基準、試験で区別すべき用語を順に整理する。

センサーとアクチュエーターの役割

センサーは、温度や位置などの物理量を検出し、電気信号に変換する装置である。マイクロコントローラはこの電気信号を読み取って、制御の判断に使う。

アクチュエーターは、電気、油圧、空気圧などのエネルギー源から得たパワーを、回転や直進といった動きに変換する装置である。モータが電気エネルギーを回転運動に変えることが代表例であり、機械を実際に動かす役割を担う。

制御装置は目標値と検出値を比較して操作量を決め、増幅器は微小な信号を大きくする。これらはセンサーやアクチュエーターとは役割が異なるため、構成要素ごとの機能を分けて理解しておく必要がある。

スイッチ入力の変化検出

押しボタンのようなスイッチは、周期的に読み込んだ値を使って状態の変化を判定する。今回の読込みで得た値と、前回の読込みで得た値の組合せによって、変化の向きを判別できる。放された状態から押された状態への変化は、今回が1かつ前回が0である条件で表せる。

逆向きの変化、すなわち押された状態から放された状態への変化は、今回が0かつ前回が1の条件で表せる。変化の向きごとに条件を分けておくと、押下と解放を取り違えずに処理できる。この考え方は、入力のエッジを検出する処理の基本である。

間欠動作と平均電流

消費電力を抑えるため、動作時間と待機時間を交互に繰り返す間欠動作が用いられる。平均電流は、動作時の電流と待機時の電流を、それぞれの時間で重み付けした値として求められる。待機時間を長くするほど平均電流は下がるため、目標とする平均電流から必要な待機時間を逆算する。

待機時間を必要以上に長くすると、データの送信が遅れるなど応答性が損なわれる。したがって、平均電流の条件を満たす範囲で、要件に合った最も短い待機時間を選ぶことが実務上の判断となる。