IoT検定対策５章 デバイス（１／２）

IoT IoT検定 資格

デバイス（１／２）

制御装置

マイクロコントローラー

入出力

  • GPIO：用途を限定しない汎用入出力PIN。High/Lowを切り替えて使用。基本的には矩形波出力だが、PWM制御により疑似的な正弦波の出力も可能。
  • UART（または SCI）：Universal Asynchronous Receiver Transmitterの略。RS-232cなどで使用。通信内容が長いメッセージ（GPSなど）の場合に使用されることがある。
  • SPI：Serial Peripheral Interfaceの略。Motolora社開発。IC同士の通信で使用されるインターフェイス。マスター・スレーブ方式で１：ｎ通信（マスター 1：スレーブｎ）の通信が可能。シリアルバス。SDカード（Micro SDも）がこのI/Fを使用。
    f:id:camelrush:20200822094220p:plain
  • I2C：Inter-Integrated Circuitの略。Royal Philips社開発。SPI同様、IC同士の通信I/F。低速デバイス(小型ディスプレイ、RTC（リアルタイムクロック）)で使用。SPIと異なり、マルチスター（複数マスターからひとつのスレーブに対して通信。マスター同士は不可）が可能。
    f:id:camelrush:20200822094236p:plain
  • 1-WIRE：Dallas Semiconductor社製。1本の信号線でデータ送受信、給電が可能。長距離の伝送が可能。デバイスに振られた個別IDで複数の同系デバイスを識別できる。

IoTデバイスを動かすための仕組み

  • デバイスの概要
    • CPU・RAM・レジスタを搭載したLSI（大規模集積回路）であるMPUやCPUなしのMCU、LSIと通信するIOPortで成り立っている。
      f:id:camelrush:20200822100510p:plain
    • IOPortには、デジタル入出力端子とアナログ入力端子がある。
  • 電圧とロジックレベル
  • 正論理と負論理
    • 正論理：1をHigh、0をLowとする考え方
    • 負論理：0をHigh、1をLowとする考え方
    • MIL記号表記(下図)では、○の端子が 負論理を示す。
      f:id:camelrush:20200822103735p:plain
    • NAND、NORについては、AND、ORの逆。 f:id:camelrush:20200822103805p:plain
  • 抵抗の系列とカラーコード
    • オームの法則：V=IR
    • リード線がついたものと、チップ抵抗(線を持たずに直接プリント基板につける)がある。
    • カラーコードの見方。例 茶 緑 橙 金 の場合。
      • No1、No2は値（茶：1、緑：5 → 15）
      • No3 は 指数（橙：3 → 10の3乗）
      • No4 は 誤差（金：±5%）
      • → 15 × 103 = 15KΩ（誤差 ±5%）
        f:id:camelrush:20200822110140p:plain

  • 語呂合わせで覚える
    f:id:camelrush:20200822110208p:plain

  • ダイオード、LED、太陽電池

    • ダイオード：電流を一方向だけに流す素子。P型(+)とN型(-)の半導体(導体と絶縁体の両方の特性を持つ)でできている。
    • LED：発光ダイオード。P型とN型が結合することで出る光を、効率的に発生させたもの。
    • 太陽電池：フォトダイオードとも。LEDの特性を逆に用い、光を当てることでP型とN型に(+)(-)を発生させて電流を流すようにしたもの。

  • トランジスタ

    • 電流を増幅する素子。コレクタ・ベース・エミッタの３端子。
    • （ここは正直さっぱり。別途勉強必要）
      f:id:camelrush:20200822130416p:plain

  • スイッチ入力とチャタリング

    • チャタリングは、電子回路のスイッチでVccとGNDの接点を物理的にONにする際、接点で「バウンド」または「擦れ」によって複数回細かなON/OFFが検知されること。
      f:id:camelrush:20200822131046p:plain

  • コンデンサ

    • 蓄電器。
    • 容量(C)と蓄積された電荷(Q)の関係は、Q = C × V。

  • 電圧の入力（A/D変換）

    • A/D変換は、サンプリング(標本化) → 量子化 → 符号化 の順に行う。
    • 標本化：アナログ信号から一定間隔で信号を抽出する。
      f:id:camelrush:20200822132939p:plain
      • 標準化には「標準化(サンプリング)定理」を用いる。曰く、
      • 「波形の最大周波数の2倍を超えた周波数で標本化すれば完全に元の波形に再構成される」
      • 例えば、電話の最大周波数は 4KHz（ナローバンド 0.3～3.1または3.4kHz） である。
      • つまり電話は、4kHz×2=8kHz、つまり標本化レートを1秒間に8000回にすることによって忠実に再現できる
    • 量子化：標本化した信号を量子化により数値化する。
      f:id:camelrush:20200822133028p:plain
    • 符号化：0と1の2進数（デジタルデータ）に変換する。
      f:id:camelrush:20200822133110p:plain