第１回：開発ステップとシステム設計段階の留意事項

A) 開発ステップ

マイコンで量産する製品を開発する際、初めて使うデバイスや、まだ機能確認をしていないアルゴリズムなどのPoC（Proof of Concept：概念実証）を、マイコンではなくRaspberry Pi（以降ラズパイ）などを使って短期間で効率よく行いたいということがよくあります。

ラズパイはLinux上で動作する高性能なシステムであり、メモリ容量や処理能力に余裕があります。一方、マイコンはリソースが限られ、リアルタイム制御が前提となります。この違いを考慮しないPoCは、マイコンへの移植時に大きな問題を引き起こします。

確かにラズパイを使えばPoCは短期間にできます。しかし、手っ取り早くできるからとラズパイの機能をいろいろ使って検証を実行してしまうと、ラズパイでの試作結果をマイコンに移植する場合、予定外の長時間の開発になったり、最悪マイコンでは実現できないということになったりしてしまうことがしばしばあります。

このように開発計画に大きな影響を与えないようにするためには、図１のようなステップで、システム設計の段階からPoCとマイコンへの移植を考慮することが重要です。以降では、このそれぞれのステップで留意すべきことについて解説していきます。

B) システム設計段階の留意事項

ここではまず製品コンセプトを決めます。　目的、機能、対象ユーザー、使用環境などを想定して、性能要件や環境条件、入出力、機能、さらにコストなどの制約条件を決めていきますが、いずれも通常のシステム設計の手順で進めます。

この段階では設計のみを行いますが、あくまでもマイコンを使った最終製品を意識して決めていきます。主に決めるべき内容は次のようになります。

• 機能要件（何をするか）
• 性能要件（速度・精度・応答時間）
• 環境条件（温度・湿度・振動・電源）
• 制約条件（コスト・サイズ・消費電力）
• 保守条件（使用年数、メンテナンス方法、更新方法）

ここで曖昧なまま先の段階に進むと、PoCでは動いたがマイコンでは動かないとか、量産コストが合わないとか、信頼性が足りないとかという根本的な失敗につながります。実際の開発でも、この段階の不備が後工程で数倍の工数増加につながることがしばしばです。

これらの制約条件のもとでハードウェアとソフトウェアのシステム設計を進めます。

(１) ハードウェアシステム設計

ハードウェアシステム設計での留意点は次のようになります。

ブロック構成図を作成することで、抜けのない設計となりますし、新規開発が必要な部分も明確になります。さらに図にすることで、チーム内の認識を統一することができます。

PoCでラズパイを使う前提の場合、新規デバイスをラズパイに接続する方法も、この時点で確認しておくことが必要です。PoCの段階で接続が難しくなって評価できないということが無いようにします。

(２) ソフトウェアシステム設計

ソフトウェアシステム設計での留意点は次のようになります。

ソフトウェアもブロック構成図とすることで、開発が必要な部分と新規に検証が必要な部分が明確になります。そしてそれぞれの開発規模も推定が可能になりますから、全体の開発量を推定することができるようになります。これでチーム内の分担の割り振りも可能となります。

ブロック図を作成する段階で、全体構成をベアメタル構成とするか、RTOSを使う構成とするかを決める必要があります。センサ取得、通信処理、UI処理など複数の処理を同時に安定して実行する必要がある場合には、RTOSの採用を検討します。どちらの構成にするかにより、設計が全く異なることになりますから、システム設計の早い時点で決めることが必須です。どのRTOSを使うかの選択も早めに決めます。

(３) 新規開発部の代替案の作成

システム設計段階で想定された新デバイスや新機能、新アルゴリズムなどがある場合は、PoC試作の段階で検証します。

最悪PoC試作の段階で仕様を満足しなかったり、実現不可能となったりした場合には、システム設計まで手戻りすることになりますから、その最悪のケースも想定して、アルゴリズムを軽量化したり、デバイスを変更したりなどの代替案も組み込んでおくことが必須です。

次回はアーキテクチャ設計での留意事項を解説します。

著者プロフィール

後閑　哲也 Tetsuya Gokan

経歴	1971年　東北大学卒業後　大手通信機メーカにて各種の制御装置を開発 2003年　有限会社マイクロチップ・デザインラボ設立
現在の活動	マイコンや計測制御システムの開発コンサルタント、グローバル電子（株）顧問 神奈川工科大学　非常勤講師としてモノづくりの基礎を指導 書籍や雑誌記事の執筆
書籍 （技術評論社）	電子工作の素（改定新版） MCC、C言語によるPICプログラミング大全 マイコンの使い方がよくわかる本 逆引きPIC電子工作やりたいこと事典 IoT電子工作やりたいこと事典