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Smart-USB製品の概要

Smart-USBを利用した開発設計の

メリットとデメリット

有限会社プライムシステムズ 2016.11

USBインタフェースの利点

開発機器の小型化、低消費電力化が可能

◦ PCIeバスに比べて小型化できて設計しやすい

基板サイズに制限がない

据え置き型：デスクトップが必要 可搬型：ノート・タブレット・デスクトップいずれも対応

データ転送速度が高速で、 バス・マスタとして動作可能 PCIeバスレートは、Gen1で5Gbps PCIeの基板サイズに制限がある

データ転送速度が高速で、 バス・スレーブのみ対応 USBバスレートは、USB3.0で5Gbps 基板サイズに制限なし

PCI Express USB

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USB-IF実現方法（１）

USB-UART変換ICを利用する

◦ 長所：USBを単純に仮想COMポートとして扱える

TeraTerm等のターミナルソフトで通信できる 専用デバイスドライバや、ファームウエアを設計する必要がない

◦ 短所：データ転送速度が低速、Max.230Kbps程度

UARTを備えたIC(マイコン等）が必要

FTDI社の専用IC等…

USB-IF実現方法（２）

マイコン内蔵のUSB機能を利用する ◦ 長所：GPIOやその他の機能を自由に設定できる

◦ 短所：USBプロトコル機能の開発が必須 デバイスドライバの開発や、マイコンUSBソフトの開発が必要

（デバイスドライバはマイコンメーカの汎用デバイスドライバを利用できることがある）

USB2.0でもFull Speed（12Mbps)の場合が多い （USBで大規模なデータ転送をすることを考慮していない？）

開発に時間がかかりすぎる USBの実効データ

転送レートを簡単に向上できない

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USB-IF実現方法（3）

FTDI社の汎用USB製品を利用する

◦ 長所：デバイスドライバやUSBファームウエアを開発不要

◦ 短所：USBバルク転送だけサポート、レジスタアクセスなどに使えるUSBコントロール転送はユーザ解放されていない。

実効データ転送レートは高速だが、FPGA回路の設計や制御アプリの設計次第でデータレートにばらつきが出る。

スレーブFIFO方式…

USB制御IC

FPGA

USB-IF実現方法（4）

Smart-USBを利用する

◦ 長所：USB機能をすべて提供、通信速度が高速

USB機能を開発不要。

だれが使っても常に一定の性能を得られる。

USB3.0ならSuperSpeed、USB2.0ならHighSpeedで運用

◦ 短所：ユニットコストが高め

大量生産用途には不向き->

USBの実効データ転送レート

350MB/s(USB3.0) 40MB/s(USB2.0)

少量生産には最適

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専用デバイスドライバ 制御アプリ

＋ USBプロトコルを実現

する専用API群

Smart-USBとは（概要）

PCと連携した計測・制御機器の開発に最適

◦ USB-IFとFPGAを組み合わせた汎用開発システム

FPGA USB

制御IC

システム開発ボード(既製品）

無償FPGAサンプル回路（HDL)

USBプロトコルを実現する USBファームウエア

Windows 32b/64b

Linux 対応 Memory

Connector

Smart-USB 製品ファミリ

USB2.0対応 Smart-USB Plus

◦ 小型（名刺サイズ以下）で機器への組込が容易

USB3.0対応 Smart-USB Sigma

◦ 350MB/sのデータ転送が可能な高速ボード

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Smart-USBとは（特長）

USBプロトコルの開発が不要 ◦ デバイスドライバ、USBファームウエア、PC制御ソフトウエアをすべて提供

◦ 面倒なUSBプロトコルは、専用のAPIにして提供

USB-IFに必要な開発は、FPGAでUSB制御ICとのIF回路を構築するだけ ◦ サンプル回路（HDL)でらくらく接続

USB 制御IC

FPGA

ユーザ回路

Smart-USBの主な機能

FPGAのコンフィグ（プログラム） ◦ PC制御ソフトからFPGAを瞬間コンフィグ

30ms～500ms程度、FPGA規模（容量）に依存

メモリ・アクセス（USBバルク転送）

◦ メモリやボード外部からコネクタ経由で収集・生成する大規模なデータを高速に転送 FPGA内部メモリをバッファとしてデータの連続転送も可能

レジスタ・アクセス（USBコントロール転送）

◦ 8/16/32/64bit単位の小規模データや最大512バイトのデータを転送

◦ レジスタの入出力ポートをFPGA-I/Oに接続すれば、制御ソフトから直接I/O制御が可能

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Smart-USBのソフトウエア仕様

ソフトウエア仕様はすべての製品で共通

専用デバイスドライバ 制御アプリ

Windows 32b/64b

Linux 対応 • Windows7/8/10 (32/64bit) 対応 • Linux（ubuntu)対応

• 制御ソフトウエアはオープンソース

• USBプロトコルに関連する機能はAPI化 • レジスタ・データアクセスもAPIで簡単

• NI社のLabVIEWツールに対応

• サンプルアプリを無償配布

• Excel VBA • サンプルアプリを無償配布

• 無償提供するDLLにより、VC++,VC#, VB.net,

C++Builder, Delphi等の開発ツールで制御アプリをカスタマイズ可能

製品に標準添付するアプリ画面

アナログIF、 特殊なコネクタ、

メモリ、 ドライバ/レシーバIC

etc…

Smart-USBの利用方法

FPGA周辺回路とUSB-IFは完成済み

◦ ボードに不足する部分を追加することで、 短納期、低コストのシステム開発が可能

FPGA周辺回路は動作確認済み

データ収集、生成ができるサンプルFPGA回路を無償提供

制御ソフトもすぐに使える

エンジニアはFPGA設計に注力できる

システム開発のベース基板として扱える

FPGA（BGA)が無ければ、基板層数も4～8程度で対応できる

必要な機能だけをモジュール（子基板）化できる

子基板側を変更するだけで、様々なシステムに適応できる

最終的にFPGAボード側を取り込んだ1枚基板として、量産にも対応できる

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PCと連携したボード制御

1台のホストPCから最大127台のSmart-USBボードを制御できます

◦ I/Oが不足する場合にボードを追加したり、ケーブル等の送受信チェック、検査治具への応用が可能です

VB版やLabVIEW版サンプル制御ソフトでは、ボード選択パネルを用意しています。

ADコンバータ

連続したデータの収集

ADデータの収集や外部機器からのデータ収集など、連続したデータ収集が可能

◦ ボード上のメモリをバッファとし、ギガバイト単位のデータを収集

（HDDの空き容量に依存します）

HDDの空き USB2.0：40MB/s USB3.0：350MB/s

間欠エラーデータの収集など、 長時間のデータ収集も可能

リファレンス制御アプリで読み出したデータの保存先を指定し、READするだけでデータ転送が完了

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データジェネレータ

データパターンをファイル化し、ボードのメモリに転送後、FPGA回路でタイミング調整しながらデータ出力が可能

外部機器

01001000111, 11001001001, 01001111001, 11101010100

リファレンス制御アプリでファイルを読み込み、ボードにWriteするだけで、データ転送が完了

USB2.0：40MB/s USB3.0：350MB/s

メモリでバッファリングしながら、ハード的なタイミング規定でデータ生成が可能

PC制御ソフトウエアのカスタマイズ

USBプロトコルに関する制御はAPI化

◦ ファイルの転送、FPGAのコンフィグ、ボードの選択など、専用APIを利用できます

VC++/VC#/VB.net、C++Builder/Delphi対応

C++Builderプロジェクトを無償提供

VC++/VB.netプロジェクトを無償提供

LabVIEWから制御が可能

計測・データ解析がさらに簡単になりました

LabVIEWプロジェクトを無償提供

VC++

VB.net DelPhi

C# C++Builder LabVIEW

VBA

DLL 当社オリジナル

Windows

GCC etc...

libusb

Linux/Solaris/MacOS

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短納期が可能な開発サイクル

ハードウエア（FPGA・子基板）設計 と ソフトウエア（PCアプリ）設計の同時進行が可能

◦ Smart-USB Plus/Sigma製品には、汎用のRefApp7制御アプリが付属。 試作段階はこのアプリで対応。

一連の処理手順をバッチ処理できるTCLスクリプト機能対応

◦ カスタマイズする最終的な制御ソフトウエアは専用DLL（API）を利用して効率よくコーディング

ハード設計とカスタマイズしたソフト設計により、最終デバッグが可能

量産にも対応したSmart-USB

Smart-USB Plus/Sigma製品の短所は、ユニットコストの高さ

デメリットは以下のメリットに置き換わります

試作や数台～20台程度の生産

（USB-IF開発費やFPGA基板設計が不要、開発期間が短い）

年に何台出るかわからないような場合

量産計画が決まっている場合

◦ USB-IF部分をお客様のシステムにそっくり移植するシステムIP（ライセインス販売）を提供

System-Core2.0 ：USB2.0対応

System-Core3.0 ：USB3.0対応 台数が多ければ、ユニット当たりに占めるライセンス

費用は小さくなる

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量産への移行手順

既存FPGAボードと子基板でシステム開発

USB-IFを切り出したシステムIPをユーザ基板側に移植して基板製造

System Core

FPGAサイズやメモリ容量など最適化して、再設計 基板サイズ・形状も最適化

カスタマイズしたPC制御ソフトウエアは、量産システムでそのまま利用可能

USB-IFを移植

1機種に対するライセンス契約により、生産台数が多いほどコストメリットが得られます。 生産台数は無制限に対応。

子基板

試作フェーズ

量産フェーズ

まとめ（Smart-USB採用のメリット）

試作、少量生産にSmart-USB製品を適用すると、低コスト、短納期、低開発リスクでシステム開発ができます。

ソフトウエアのカスタマイズにより、自社最終製品に組み込んで利用することができます。

製品がヒットした場合など、システムIPの適用により量産への対応も可能です。

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まとめ（当社のデザインサービス）

既存製品に対するデザインサービス FPGA設計

ボード制御ソフトウエア設計

子基板設計・製造に対応

既存製品をベースとして、ユーザ仕様に100%対応するデザインサービス

FPGA設計

基板回路設計・基板製造

ボード制御ソフトウエア設計

製品ロードマップ

SX-USB4

KX-Card7

CX-Card5 AX-Card7

‘12.11

’14.06

’14.11

USB3.0対応システム開発ボード

‘16.08

高速・高性能

性能と価格のバランスを重視

価格と使いやすさを重視

小型化と低価格化を実現

高速AD変換ボード Cardシリーズの 共通オプション

’16.10

SX-Card6

mxcard

‘11.09

‘15.09

8ch同時サンプリング 16bitAD変換ボード SX-Card6/CX-card4

共通オプション

‘14.08

小型化と低価格化を実現

USB2.0対応システム開発ボード

ADD-16B8

SX-Card7

‘17.06

ローパワーと高性能を両立

HSAD500

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参考

製品情報サイト（オフィシャルサイト）

◦ http://www.prime-sys.co.jp

技術サポートサイト ◦ http://www.smartusb.info

ソーシャルネットワークサイト ◦ Facebook http://www.facebook.com/smartusb

◦ Twitter http://www.twitter.com/samrtusb

お問い合わせ先 ◦ info@prime-sys.co.jp TEL 0266-70-1171