前回に引き続き、レクサスUXのワイパー＆ディマースイッチをレクサスNXに移植するプロジェクトの進捗状況です。
世間と同じく私も今週は夏休みなので、少しプロジェクトを進めています。
気分はまさに夏休みの自由研究。
今回製作するもの
UXの信号をNXの信号に変換
改めてになりますが、今回製作するものは、レクサスUXのスイッチ信号をNXの車両にあわせた形に変換するユニットです。
TNGAプラットフォームを採用した50系プリウス以降のトヨタ車、レクサスLC以降のGALプラットフォームのレクサス車では、プラットフォームだけではなく電子制御についても世代的に新しくなっています。
そのため、この最新世代の電子デバイスを、そのまま旧世代のクルマで動かすことができません。
信号形式を変換してやる必要があるのですが、回路自体が大幅に異なるので、配線組み換えでなんとかなるレベルではなく、新たに変換ユニットが必要になります。
余談ですが、最新世代のヘッドライト移植などをされているショップさんも同様にCAN通信の信号変換などされていますね。
変換ユニット製作の流れ
さて、前回紹介したユニット製作の流れは下記のような形でした。
①要件定義
②回路図の設計
③プログラミング
④基板設計（アートワーク）
⑤部品の実装
実際に進めて見ると、上記では上手く進まない、というか効率が悪いことが分かりました。
具体的には、③のプログラミングの前に、④の基板設計（アートワーク）をするべきで、正しい順番はこちらになります。
①要件定義
②回路図の設計
③基板設計（アートワーク）
④プログラミング
⑤部品の実装
理由としては、回路図がFIX（＝確定）していないと、プログラムもFIXできないためです。
最初は、回路図を書けば、回路図の通りにプログラミングし、基板設計をすればいいと思っていたので、回路図の後にプログラミングを入れていました（正確にはプログラミングと基板設計はどちらが先でもいいと思っていた）。
しかし、実際に開始してみると、基板設計をしていて回路図を変更したくなる場面が結構あることが分かりました。
回路図が変わると当然プログラムも変更しなければいけません。
例えば、「1番ピンに入力された信号を読み取り、その値によって2番ピン・3番ピンの出力信号切り替えを判断する」というプログラムを書いたとして、回路図で1番ピンと接続した信号の接続先を5番ピンに変えた場合、プログラムもそれにあわせて変更する必要があります。出力先の接続を変えた場合も同様ですね。
したがって、使用するピン番号と役割がFIXしない状態でプログラムを書いた場合、手戻りが発生することがあるので、回路図と基板設計を先に完成させたほうがいいということになります。
おそらく慣れている方であれば基板設計を意識した回路図作成もされているはずなので、プログラムと基板設計のどちらを先にしても問題はないと思いますが、自分のような不慣れな人間は確実に基板設計のあとプログラミングのほうがいいと思います。
回路図の設計
今回は最初に作成した回路図から2回書き直しレベルで回路図を変更しました。
最初（前回完成したと言っていた回路図）はこちら。
最初に作成した回路図
最終的にFIXバージョンがこちら。
FIXした回路図
レイアウトからしてガラっと違うのが分かるかと思います。使用しているCPUも変更していますし、部品も結構違ったりしています。また、実際に各種スイッチの配線を基板に繋げるためのコネクターを下に追加しています。
最初の回路で部品を基板上でレイアウトしてみたら、部品が大きすぎて当初想定したサイズには収まりきらなかったので、各種部品を小型化できる代替部品や回路に変更しました。これが1回目。
そして、小型化した部品で再度基板設計をしたところ、今度は配線経路に無理があることが分かり、回路構成を大幅に変更しました。これが2回目。
最初に作った回路図、1回目の修正後の回路図は電気的には正しかったのですが、実際のレイアウトや配線経路は考慮していなかったので、実際に基板上で各部品をパターンで繋ごうとしたら無理が発生しました。
最初から基板設計・部品実装までを考慮した部品選定、回路設計が重要だと反省。
基板設計（アートワーク）
2回の回路図の修正を経て、ようやく基板設計が完了しました。
下の画像はほぼ完成画像ですが、このあとGNDビアを増やしたり、配線のレイアウトを微調整したりしています。
完成した基板
配線は当然回路図通り作成する必要があると同時に、決められた配線や部品以外とは交差・接続できないので、どうしても配線同士が交差する場合は基板の表面から裏面に配線を通して交差させます（上の画像の赤が表面の配線、緑が裏面の配線）。まさにパズルみたいなイメージですね。
両面を使った交差は可能ですが、ある程度回路図の時点でレイアウトを意識しておかないと、基板の両面を使っても配線を結ぶことが困難になります。自分も1回目の修正後に配線パズルが詰んでしまい、CPUに入力させるピンやコネクタのピンアサインを実際の基板レイアウトにあわせて変更しています。特に画像の左側のエリアにある太い配線のパターン設計がきつかった…。
また、今回せっかくのオリジナル基板ですので、右下の空いたスペースロゴ画像を入れてみました。ロゴは白いインクでシルク印刷される予定です。
基板の色も自由に指定できるようなので、今回は青にしようと思っています。
プログラミング
C言語でプログラミング
プログラミングは最初の回路図作成時に作ってしまったのですが、回路変更に伴い若干の修正が必要ですが、それほど時間はかからない予定です。
完成イメージ
現在使用している回路図＆基板設計ソフトであるKiCad（無料のフリーソフトです）は、作成した基板を3Dにしてチェックできる機能があるので、出力してみました。
出力した3Dデータ
おおおっ。なんかめちゃくちゃカッコいい笑
シルク印刷のロゴが入るとメリハリが出ていい感じ。
部品の3Dデータがないものは、表示されないんですね。
基板サイズを小さくするために、2012チップの抵抗などを使っているので、半田付けに苦労しそうです…。
右にLEDが5個並んでいますが、手前3つは電源が入っているかなどを確認するインジケーターとしての役割があり、奥の2つはプログラムのデバッグをするときに使います。基板を実際に車両に繋いでテストするのは大変なので、ライトやワイパーの代わりをこのLEDに担ってもらう予定です。画像では赤ですが、用途によって青・緑・赤を使う予定。
また、実際に車両に組み込んだ場合（運転席フットパネルの上側に設置予定）はインジケーターを見ることができないので、ユニットの故障時に自動で鳴るブザーとそれを手動でOFFにするスイッチも取り付けました（スイッチがないとブザーが鳴り続けてしまいますから…）。
今後の進め方
ブレッドボードでテストをする予定
プログラミングの修正とあわせて、部品を購入し、問題なく動くかブレッドボードで検証する予定です。
ブレッドボードで問題なければ、基板を発注、部品の実装、車両での検証となります。
まだまだ先は長いですが、頑張って進めていきます。
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