PC計測・制御ソリューション

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 2015.04
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、Gen2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
PRIME SYSTEMS, INC. 2014.05
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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）やPLD/FPGAが必要
FTDI社の専用IC等…
PRIME SYSTEMS, INC. 2014.05
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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）
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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開発に時間が
かかりすぎる
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USB-IF実現方法（３）

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-UART変換ICと同様、USB機能を開発不要
 マイコン利用時に必要なUSBプロトコル機能の開発不要
◦ 短所：ユニットコストが高め
 大量生産用途には不向き->
少量生産には
最適
USBの実効データ転
送レート(平均）
350MB/s(USB3.0)
40MB/s(USB2.0)
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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
Windows
32b/64b
Linux 対応
無償FPGAサンプル回路（HDL)
システム開発ボード(既製品）
Memory
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
USB
制御IC
FPGA
Connector
USBプロトコルを実現する
USBファームウエア
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Smart-USB

USB2.0対応
製品ファミリ
Smart-USB Plus
◦ 小型（名刺サイズ）で機器への組込が容易

USB3.0対応
Smart-USB Sigma
◦ 平均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
FPGA
USB
制御IC
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ユーザ回路
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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
◦ 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転送も可能

レジスタ・アクセス
◦ 8/16/32/64bit単位の小規模データや最大64バイトのデー
タを一括転送
◦ 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
Windows
32b/64b
Linux 対応
•
•
Windows7/8 (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
•
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
専用デバイスドライバ
制御アプリ
製品に標準添付するアプリ画面
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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
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 FPGA（BGA)が無ければ、基板
層数も4～8程度で対応できる
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…
 必要な機能だけをモジュール化
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
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。
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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
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
ADコンバータ
 （HDDの空き容量に依存します）
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
USB2.0：40MB/s
USB3.0：350MB/s
外部機器
01001000111,
11001001001,
01001111001,
11101010100
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
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
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USBを利用したFPGAリコンフィグ
FPGA全体を書き換える場合=> USBコンフィグ機能
数十msでFPGAの回路機能を書き換え（P.9のUSBコンフィグを利用）
機能毎に用意したコンフィグデータにより、システム動作中に複数の機能を実現
FPGAのPLL機能だけ変更する場合
PLL設定を変更するので、数十種類以上のクロックを生成可能
アルテラFPGA => PLL設定ファイルを転送（P.9のメモリアクセスを利用）
ザイリンクスFPGA => PLL設定を制御（P.9のレジスタアクセスを利用）
C
B
A
B
コンフィグデータや
PLL設定ファイル
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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に対応したので、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
Windows
VB.net DLL
DelPhi
C#
C++Builder
LabVIEW
VBA
VC++
Linux/Solaris/MacOS
libusb
当社オリジナル
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GCC
etc...
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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
 System-Core3.0
PRIME SYSTEMS, INC. 2014.05
：USB2.0対応
：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
試作フェーズ
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
既存FPGAボードと子基板
でシステム開発
子基板
USB-IF
を移植
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
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。
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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
量産フェーズ
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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。
PRIME SYSTEMS, INC. 2014.05
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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
PRIME SYSTEMS, INC. 2014.05
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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
◦ Twitter

http://www.facebook.com/smartusb
http://www.twitter.com/samrtusb
お問い合わせ先
◦ [email protected]
PRIME SYSTEMS, INC. 2014.05
TEL 0266-70-1171
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