PID制御は試行錯誤の連続

制御理論に挑戦したかったのです。例えば、ボイラーから特定の温度のお湯を得たいとか。特定の位置でタイヤや関節を止めるとか。全てに制御理論がある訳です。今回のリフロー炉もそうで、基本的にON/OFFしかできないヒーターで、いかに所望の温度プロファイルを実現するか、がカギな訳です。

上記は、ある表面実装部品の温度プロファイルです。140-170度の平坦部分がプリヒートとかソークとかいうクリームはんだの濡れ性を確保する領域で、少なくとも60秒必要。そこからガッとリフロー領域にはいって210-220度、但し183度以上は50秒しか許されていない、という感じです。

今回採用したPID制御には、Kp,Ki,Kdという3つのパラメータがあり、それぞれ比例制御、積分制御、微分制御のパラメータで、本当は決めるのにいくつも推定方法があるのですが、それらを真似してもあまりうまくいかず。場当たり的にパラメータを変えてはオーブンちーん！を繰り返しているところです。

まだリレー回路を組んでいないのでコンソールを見ながらの手動の温度コントロールですが、ここまで追い込んでいます。

しかし、色々問題が。今回買った小泉のオーブントースター、密閉性が良過ぎて冷えるのがとても遅いわけです。するとリフロー領域で180度以上の区間がとても長くなってしまうわけですね。実は暖めるより、高速に冷やす方が難しい気がします。とりあえず温度勾配を液晶にダンプするように改造したファームで観察する限り、ヒーターON時は2.5度/s、ヒーターOFF時の自然空冷は0.6度/sくらいなので、全然無理っぽい。いっそ上部天板を開けておく前提でパラメータを出した方が良い気がしてきました。

なかなか基板製造にはいれない……

トースターを買いました

もちろん焼くのはパンではなく基板です・・・・

コントロールキットも買ったが・・・・

スイッチサイエンスのリフロートースターコントロールキットも買いました。あくまでリフロー炉は表面実装部品をはんだ付けする手段に過ぎない！こんなところに手間かけたくない！

・・・・などと思っていたのですが、色々問題があって。組み合わせるソリッドステートリレーに秋月の大容量ＳＳＲを選択してしまって、コントロールキットのI/Oの電圧では動作せず。12V DCをMOSFET通してスイッチングしてSSRに・・・などと回路を組んでいたら、ブレッドボードが１枚増えた（汗；

やれやれ・・・とデフォルトのままで動かしてみると、テスト時点で超過熱状態になってしまい。ここで初めて「ああ、このコントローラのプログラムをいじる＝Arduinoの開発環境に慣れる」ことに気付くのでした。

そもそもArduinoがつまらなそうだからmbedで勉強始めたのに、もう本末転倒としかいいようがないです。そしてgithubのソースコードを読んでみたら、温度制御なのにPID制御のようなアルゴリズムが全く入っていない、所定の温度に到達したら次の段階に移るというだけの「素うどん」みたいなプログラムでした。

そこで自分で制御理論を勉強し、PIDのパラメータ出し・・・などとやっていると果たしてキットを買った意味があったのか、あやふやになってきます。素直に熱電対モジュールを買ってRaspberry Piにつなげて自前で作ればよかったんちゃうか！！

電子回路CAD Eagleのライセンス登録

「これしか使えない」という理由で、素人は電子回路CAD Eagleを使っています。無料ライセンスだと商用利用不可で、まあそれは大した問題じゃないんですが、schファイルを公開したりすると、シリアルが書き込まれているらしく、どこかで問題になる可能性があるとのこと。

それではライセンスを買うか仕方ないから、と、日本の代理店のページを見ると….なんか手作り感満載ですごい躊躇したので、本家から登録することにしました。

しかしハマりどころがいくつかあったのでちょっと残しておきたいと思います。

まずReference Number。そんな番号ねーよ？！と思ったのですが、１社で大量にライセンスを買う場合など、自分のための整理番号らしいので適当に入力。

paypalでlite editionの金額$69を払うと、Cadsoft社からPacking List PDFと Invoice PDFが送られてくる。Packing List PDFを開くと、ダウンロードURLとSerial NumberとDownload Codeが書かれているので、所定のURLにアクセスし、入力を行う。

ライセンスファイルをダウンロードする前に罠が。画面上にInstallation Codeが出てくる。これはソフトの登録時に必要な番号であるにも関わらず、表示されるだけで、自分でメモしないとインスコできなくなるので注意！

これでやっとライセンスキーがダウンロードできる。これをソフトに読み込ませればOK。

まあ、わざわざ本家からライセンス買う人がどれだけいるか分かりませんが、何かの参考になれば。

Elecrow新基板とステンシル

Raspberry Pi2 用ソーラー電源基板RASP_PWR3のバージョンBを、Elecrowに発注していました。

Elecrowは最近のDIY基板作りでは一番人気のところのようです。基板のカラー指定が無料できるし、PCBステンシル（メタルマスク）が格安で作れるので、表面実装部品をリフローで載せる際には大変重宝します。

ユニクラフト＆FusionPCB版では、DIP部品を使っていたためギッチギチで、センサー類が一切載らなかったので、今回は表面実装部品を使いたかったのです。

基板はFusionPCBなどと同等の条件(10枚、1.6mm、HASL処理）で、PCBステンシルをつけてみました。基板は$31.90、今回は発送にDHLを使い($18.81)、合計$50.71となりました。

時間軸は以下の通りです。

• 10月8日 基板発注
• 10月9日 Processing
• 10月9日 In Production
• 10月13日 Traceable
• 10月16日 日本に到着(DHL)
• 10月18日 受け取り(佐川)

うーん速い・・・ちょっとDHLが馬鹿で、住所がわからないと発狂して佐川に丸投げされて到着が遅れましたが、それでも8日でステンシル付きの基板できちゃうんですから我々未来を生きていますよ、本当に。

それで品質はどうなのよ？

やっぱり長穴はずれてないよなあ！そうだと思ったんだよ。FusionPCBでずれてたのは不具合だろてめえ！！設計のせいではなさそうなので一安心ですけども。しかしElecrowはシルクが0.5mmくらいずれてるみたい（＾＾；というかシルク印刷が汚いですね、事前の噂通り。まあ、この値段で文句を言う筋合いもないですが。

世間では、リードタイムや、ガーバーデータ形式が全く同一であることなどから、FusionPCBとElecrowは全く同一の工場を使っているという見方が大勢なのですが、パッと見でも品質が異なるので私は不可解に思えます。同じ製造設備使ってても、現地担当者の質で変わっちゃうものなのかな、やっぱり。

あと、よく基板見比べると、FusionPCBもElecrowもHASL後のパッドに微妙な擦り傷がある基板があって、E-TESTを行っているのかもしれません。ユニクラフトはツルツルでしたので違いがわかります（※ユニクラフトは無料版だからE-TESTやっていないことはわかっているため）。

バージョンBの変更点

バージョンBでは、以下の3つを載せられるように設計しています。

• BME280（温度・湿度・大気圧センサー）
• ADXL345（3軸加速度センサー）
• M41T62（水晶内蔵リアルタイムクロック）

まだ仕様をきちっと決めていませんが、少なくともM41T62によるディープパワーダウンには挑戦しようと思っています。ソーラーパネル＋カーバッテリー運用を考えたとき、回路がつながっているだけで電力を消費してしまう問題、いわゆるバッテリードレイン問題への対処はやりすぎということはないと思うのです。

元々、Raspberry Piでバッテリー電圧を監視をする構造では、Raspberry Pi自体の電力消費が問題になるだろうと思い、より消費電力の少ないマイコン付き電源ボードを企画しました。まあ、この話を嫁にしたら「なんだコンピュータのスイッチ作ってんの？」って失笑された（血涙）んですけどね！

今回は、さらに時計機能だけの極小チップ(RTC)を載せて「コンピュータのスイッチのスイッチ」を作ろうと思っているわけです。つまり電圧が極端に低くなったような緊急時には、メインマイコンのLPC1114をディープパワーダウンで停止させ、数日間で待ってからRTCからH/W割り込みをかけてウェイクアップするというもくろみです。どのくらい違うかっていうとこんな感じになります。

• Raspberry Pi2 動作時 → 300mA
• LPC1114通常待機時→ 30mA (1/10)
• M41T62+LPC1114パワーダウン時→ 0.3mA(1/100)

やりすぎですかね。まあ、別にこんな極端な動作条件だけでなくて、元々Raspberry PiにはRTCが搭載されておらず、毎回時計を忘れてしまうおちゃめさんな欠点を補うこともできます。

BME280は温度監視に使います。今回の設計では、P-ch MOSFETの回路を1組増やして、ペリフェラル電源を独立コントロールできるようにしてあります。BME280では温度／湿度を1チップで測れるので、屋外等の過酷な環境下では、温度や湿度を監視し、外部FANを自動で回して強制排気などできるようにする予定です。

実は温度を測るだけならもっとハンダ付けしやすくて安いセンサーが沢山あるのですが、これまたRaspberry Piから読めるのであれば大気圧とかも読めた方がいいかなと思って、わざわざ実装難易度の高くて値段も高いセンサーを採用しています。女性には有名な頭痛ーるの私家版を作る事もできますね。

リフロー炉が欲しい

TSSOPパッケージは意地で手ハンダしましたが、今回BME280はLGA、M41T62はLCC-8パッケージで、もうリフローができないとハンダ付けは殆ど絶望的であります。パッドがチップの真下にありますからね。

一応、オーブントースターを改造してホームリフロー炉を作るつもりではいますが、いつになるやら・・・・・ほんとうにハードウェア開発は金がかかる趣味でめっちゃ肩身が狭いです。

パトロンは随時募集中です！（ぐはぁ吐血）

間違いだらけの基板開発

だいたいの部品を実装して動作確認しています。

作ってみたらボロボロで。リセッタブルヒューズがコネクタに近すぎるとか、レギュレータのピン配置が左右逆とか、EEPROMをSOICとTSSOP発注し間違えて乗せられないとか、問題は様々ありました。でも一応動いた。

動画は、まだI/OピンをON/OFFするテストファームのときのものだけど、今はちゃんと12V電源の電圧を監視して、電源ONしたりシャットダウンしたりウォッチドック機能でリブートしたりすることができています。raspberry pi側でもWiringPiなどでデーモン開発しましたが、そこらへんのサンプルは機会があればいずれ公開します。

ここまでのまとめ

半田こても数年ぶりに握ったくらいのレベルの人間が、Raspberry Piのコンパニオン基板を企画し、回路をブレッドボードで試作しながら、40の手習いで覚えたCADソフトでガーバーデータを作成し、どこにドリルホールがあるのかさえわからないまま基板屋に発注し、TSSOPの手はんだをし、テスターだけで電気チェックをし、mbedでファームウェアを開発し、実基板に書き込んで、raspberry piを外部から電源供給できる基板ができた！というのは

ささやかな感動巨編

と言っても過言じゃないと思うんだ。うん、自己満足だけどネ（＾＾；

ここ最近はもっぱらサーバサイドのソフトウェア開発しかやっていなかったロートルとしては、技術者としての視野はだいぶ広がった気がします。

オシロくらいはないとダメだなとか、Eagleの部品ライブラリももっと充実させたいとか、DIP部品は手付けは確認しながらだと半日仕事だから表面実装部品とホームリフロー炉に変えたいとか、手半田の技術もまだまだだなとか、テストピンをもっと載せればよかった、あのセンサーも載せればよかった、それこそ大量に反省はあるけど・・・

いずれは他人が欲しがるようなハードウェアを開発してみたいもんですね。

FusionPCBから基板が届いた

時系列は以下の通り。

• 9月8日 発注
• 9月13日 Status: Processing
• 9月24日 Status: Traceable
• 9月28日 基板到着

・・・・・え？早いよね？！Air Parcel（単なる国際郵便）なのに中４日で中国本土から日本まで届いちゃうのか。あ、もちろんたまたま運が良かっただけだと思いますが。１０枚作成頼んで$22、送料$9合わせて$31で基板届いちゃうんだから爆安じゃないですかー

基板の品質は？

それでは肝心の基板の品質はどーでしょう？

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ズ・レ・テ・ル(´・ω・`)！

ずれてるよ！・・・0.8mm以上

最初シルク印刷のずれかなと思ったのですが、各部品の穴位置とシルクは寸分違わずユニクラフト版と同じ。改めてガーバーデータを確認したけどシルクと外形データはずれてない。よく見ると、四隅のホールと長穴だけずれているから、より不可解。

素人考えですが、向こうが勝手に大基板の一部（たとえば大手の生産委託分の隅っこ）に面付けをして生産して、かつ、その面付けが間違っていた、とかですかねえ？？？

ユニクラフトさんは無料お試しで、長穴加工とか省略しているから、直接比較はできないんだけど、もちろん四隅のホールは全くずれていない。FusionPCB安い裏には何かある、って感じでしょうか。

それともこんなことは普通にあることなのかなあ・・・・正直、英語でクレーム言えるならやり直してもらいたいレベルなのだが。こっちのガーバーデータのミスかもしれないんで、せめてなぜズレが生じたか教えてもらえないかなあ。

あーお金ないのに憂鬱だー

基板に部品をハンダ付けしました

基板製造のユニクラフトさんから早めに基板が届いたので、一念発起して最低限の部品をハンダ付けしました。最大の難関はTSSOP28ピンのCPU(LPC1114)でした。この部品、わずか1cm弱のパッケージの片端に0.65mmピッチで14本ピンが生えています。定規を沿わせるとこんな感じ。

・・・・・・・( ﾟдﾟ)ﾎﾟｶｰﾝ

この！老眼に！見えるカッつーの！

必要なものと手順

色々試行錯誤しましたが、結果的に以下のものがあればハンダ付けできます。

手順としては以下のようになります。

1. ルーペで見ながらメンディングテープで厳密にチップ位置を修正
2. 足が基板に設置している箇所にたっぷりフラックスを塗る
3. こてを1秒くらい当てながら連続的にハンダ付け
4. ブリッジ箇所のピンの根元に吸い取り線を当てて吸い取る
5. こて先を良く掃除しつつ、１ピンずつタッチしてハンダ盛り

重要だと思ったのがハンダこてのワット数。このピンピッチだと、多少細いハンダを使ったところで必ずブリッジします(0.65mmしかないのですから)。ブリッジを解消するには、吸い取り線本体と、吸い取り線の下のハンダを溶かさなければなりません。この場合、暖める量が多いのでワット数が重要となります。私は通常HAKKO SR-40という40Wの半田ごてを常用しているのですが、どうやっても綺麗に吸い取れませんでしたので、仕方なく60W級のこてを買いました。

YoutubeにはいくつかTSSOP手付けの動画があがっているのですが、正直これらを見たところで、自分の老眼は何ともならんし、手はぶるぶる震えるし、綺麗にハンダも吸い取れないし、如何ともし難いですね。もっと練習すればウマクなるのかもしれませんが…

やはり、正道はPCBステンシル(メタルマスク)を作り、クリームハンダを塗布して、表面実装部品をリフローマシンで一気に溶かし付けることでしょうが、それにかかる費用をどうにも工面できないので、手付けしかないかな、と思っておるところです。カッティングマシンで紙のステンシル作るとか、ホットプレートリフローとかも興味あるんですけどね。

無料サービスに申し込んでみた

株式会社ユニクラフトさんの「unicraft紹介キャンペーン」に申し込んでみました。ブログで紹介すると、以下の条件の基板をタダで作ってくれるというあまりの太っ腹企画にめまいがしましたが、電子工作初心者としては十分な条件です。

• 基板サイズ100mm四方まで
• 両面（2層）まで
• 発注枚数3枚まで
• 基板形状長方形・正方形のみ

私はすでにFusionPCBに発注済みですが、ユニクラフトさんの品質を見てみたいという希望もあったので利用してみました。Raspberry Pi用HAT基板だと長穴加工があるので、普通の長方形基板に設計変更しました。

すぐにガーバーをアップしたのですが、受注等のやりとりのメールが（あたりまえだが）すべて日本語というのが、私のように英語読むのが苦手な人間にはなによりありがたい。

そしていきなり届いた

ちなみに、この紹介キャンペーンでは「納期：最大２０営業日」となっていますから、普通に考えれば１か月かかるなーって思うわけです。しかし９月１１日にガーバーデータをアップロードして、９月１９日にはヤマトの配達メールが来ました。早くない？！FusionPCBはやっとStatus: Processingになったところだというのに・・・・もちろん、これが紹介キャンペーンの「普通」という意味ではありませんので念のため（あくまで最悪は１か月かかるよ）。

届いた基板の品質は？

・・・・・なかなかに美しいではありませんか。表面実装部品用のパッドの半田盛り（HASL処理？）がやや過剰にも見えますが、これはDIPとSMD混在基板を書いてしまった私のせいだと思います。導通チェックは行ってくれないので、先ほどまでシコシコ短絡チェックしていましたが、特に問題なさそうであります。めでたい。

で、結局私が払ったのは宅急便の着払い代金656円だけでした。なんか申し訳ないですねコレ・・・ちなみに元の見積もりだと10,526円(送料無料)という条件のようなので、十分海外メーカーと渡り合えると思うのですがいかがでしょうか？どーしても激安でなければならない！ということでなければ。条件がかなり違いますがP板.comの1/16の値段ともいえます。

余談

ユニクラフトさん向けに設計し直している時に、こんなメールが来ていました。

設計を変更しました。部品実装サービスもできないので、表面実装部品を極力無くし、唯一LGAパッケージのボッシュの大気圧センサーは….とても手付けできるものではないので省略しました（；＿；）

あれ？気合いれてアニメGIFにしたのにWordpressだとうまく表示されないや。まあいっか。

海外業者の選定、悩んだんですがFusionPCBにしました。最安ではないものの、国内のアマチュア勢から発注実績があるのが大きいかなあーと。

情報が古いページが多かったのですが、今は基本的にWebページだけで、ガーバーデータの提出から決済まで何から何まで済んでしまうようです。メール介したりする必要性なし。

しかしすごいよねー2層基板、10cm角、基板厚1.6mm, 面付け無し、10枚作成で、$21.90。送料込みで$30.97だから3800円くらいP板.comの1/43の価格だよ！

１か月くらいかかるかな？それでも値段考えれば納得できる。できあがりが楽しみ・・・

今日は文字ばかりです。慣れないゆえの愚痴ばかりです。
ここまでの流れを整理すると以下のようになります。

* Raspberry piのHAT基板は65mm x 57mmしかない
* 600mil(15.24mm)のDIP版LPC1114が載せられなかった
* 仕方ないからLPC810x2を使おうかと思ったが無駄すぎる
* そうだTSSOP28ピン版LPC1114を使おう

何分にも基板など作ったこともないズブの素人、英語で海外業者に発注できるようには 思えなかったので、国内有名どころのP板com(http://www.p-ban.com/)さんの設計ルールで 作ってきました。部品実装サービスもあるみたいだから、表面実装部品はつけてもらおうかなーとか 不埒なことを考えていたのです。

やっと設計が終わり、ガーバーデータを作成して、いよいよ発注です。
ここで初めて（これが大失敗なのだが）Quick見積もりで、基板5枚分の
見積もりもらってみました。納期は一番急がないタイプで。

162,500円でしたwwwwwww

一瞬桁が間違ってるかと思いましたが、国内業者の少量生産はこんなものらしい。
到底、アマチュアには負担不可能な金額だわ。

自分で設計してからわかったことですが、パターン幅やパターン間のクリアランスなどの デザインルールは、業者さんの期待品質によってかなり異なるようなんです。運の悪いことに（？）P板さんは高品質な業者であり、その高品質向けに設計してしまった今の基板は、そのままでは海外業者には出せません。

もうね・・・・誰か教えておいてくださいよー（；＿；）