プリント基板を早く動かす方法 ― ゼロから作らないという選択肢
English Summary
A Faster Way to Build PCBs: Do Not Start Everything from Scratch
When a PCB needs to be brought up quickly, it is not always necessary to design every part of the system from scratch.
Existing development boards, compact FPGA modules, and SOMs can significantly reduce development time by providing many of the basic functions that would otherwise need to be designed separately.
For an FPGA-based system, a custom board usually requires much more than the FPGA device itself. Typical supporting circuits include:
- Power supplies
- Clock circuits
- JTAG or other programming interfaces
- USB interfaces
- Configuration circuitry
Designing all of these from scratch takes time.
By using an existing FPGA board, many of these functions are already available. In many cases, development can begin simply by supplying power, connecting a USB cable, and programming the FPGA.
Using a 5cm FPGA Board for Rapid Development
We are developing a series of compact 5cm × 5cm FPGA boards, including a Spartan-7 version and a Zynq version currently under development.
The goal is to make these boards easy to use as reusable development platforms.
External I/O signals are available through pin headers, so simple prototype circuits can be connected using hand wiring or universal prototyping boards.
For more advanced prototypes, only an application-specific expansion board needs to be designed.
This means that the FPGA device, power supply, clock, JTAG interface, and other basic circuits do not have to be redesigned every time.
As a result, the amount of custom hardware that needs to be developed can be greatly reduced.
Under suitable conditions, it may be possible to move from an idea to working hardware in approximately two weeks, including PCB manufacturing.
When Development Is Urgent, Build Less
In many projects, the first goal is not to create the final production board.
For example, the immediate objective may be to:
- Evaluate a new concept
- Test FPGA logic
- Verify communication with a sensor or external circuit
- Start software development early
- Build a debugging tool quickly
In these situations, using an existing FPGA board or SOM can be much faster than designing a complete custom PCB from the beginning.
Once the concept and functionality have been verified, the system can later be integrated into a dedicated final board if necessary.
Reduce Development Time by Reducing What Must Be Designed
Rapid PCB development is often discussed in terms of designing schematics and PCB layouts faster.
However, an even more effective approach can be:
Reduce the number of things that need to be designed at all.
By reusing proven hardware for power supplies, clocks, memories, programming interfaces, and other standard functions, engineering effort can be focused on the application-specific parts of the system.
For prototyping, evaluation, and debugging, building everything from scratch is not always the best solution.
Reusing existing hardware platforms is one of the most effective ways to shorten the overall development cycle.
プリント基板を短期間で動かしたい場合、必ずしもすべてをゼロから作る必要はありません。
既存の開発ボードや、小型の専用ボード、SOMなどをうまく活用することで、開発期間をかなり短縮できる場合があります。
特にFPGAの場合、FPGAのICだけを使って基板を作ろうとすると、FPGA本体以外にもいろいろな回路が必要になります。
例えば、
- FPGA用の電源回路
- クロック回路
- JTAGなどのプログラム端子
- USBインターフェース
- コンフィグレーション回路
などです。
FPGA単体では動かないため、これらを一つずつ準備していく必要があります。
しかし、FPGA開発ボードを使えば、こうした回路の多くが最初から搭載されています。
そのため、電源を接続してFPGAへプログラムを書き込めば、とりあえず動かせる状態まで非常に早く持っていくことができます。
5cm FPGAボードを使った短期間開発
当社でも、5cm角のFPGAボードシリーズを開発しています。
現在はSpartan-7版があり、Zynq版についても開発を進めています。
これらのボードは、できるだけ簡単に使い始められるように、USBケーブルを接続するだけでFPGAを書き換えたり、動作確認したりできる構成を考えています。
また、外部I/Oはピンヘッダーから引き出せるため、試作回路であればユニバーサル基板や手配線でも接続できます。
もう少ししっかりしたものを作りたい場合には、5cm FPGAボードを載せるための拡張基板だけを設計する方法もあります。
FPGA本体、電源、JTAGなどを改めて設計する必要がないため、専用基板を一から作る場合と比較して、かなり設計範囲を小さくできます。
基板製造を含めても、条件が合えば2週間程度で実機を動かせる可能性があります。
簡単な試作であれば、手配線を使うことでもっと早く確認することもできます。
急いでいるときほど「全部作らない」
開発では、最終製品用の基板を最初から作る必要がない場合も多くあります。
例えば、
- 新しい方式を試してみたい
- FPGAロジックを評価したい
- センサーや外部回路との接続を確認したい
- ソフトウェアを先に開発したい
- デバッグ用の装置を急いで作りたい
といった場合です。
こうした用途では、最初から専用基板をすべて設計するよりも、既存のFPGAボードやSOMを使って一度動かしてしまった方が早いことがあります。
そして動作が確認できてから、必要であれば最終的な専用基板へまとめていけばよいわけです。
開発期間を短くするには、作らない部分を増やす
短納期の基板開発というと、回路設計やパターン設計を速くすることを考えがちです。
もちろん、それも重要です。
しかし、それ以上に効果が大きい場合があるのが、
「そもそも設計しなくてもよい部分を増やす」
という考え方です。
FPGAボードやSOMを使えば、電源、メモリ、クロック、JTAGなどの面倒な部分を既存回路に任せることができます。
試作、評価、デバッグなど、まず早く動かしたい場面では、ゼロから基板を作ることだけが正解ではありません。
既存のボードをうまく利用することも、短期間で開発するための重要な方法の一つだと思います。
弊社では短期間基板開発を支援します
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