開発事例
Raspberry Pi®
カスタムキャリアボード

導入領域:

設計

開発/実装

提供種別:

組込み製品

設計支援サービス

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Raspberry Pi® カスタムキャリアボード

関連製品・サービス

開発課題

  • PCのUSBから給電する場合、ラズベリーパイ自体のUSB出力電圧がドロップする
    (入力側の電力不足で、ラズベリーパイ自体が低電圧状態に陥る事も…)
  • ラズベリーパイの電源入力端子がmicroUSBコネクターの為、振動で接触不良を起こしやすい(抜けやすい)
  • CPU負荷が高くなると熱暴走を起こす(CPU周波数が落ちても熱暴走する場合あり)
    CPUだけでなく、USB HUB(+LANブリッジ)も熱に弱い
    → 適切な冷却機構が必須
  • 電源シャットダウン時に正しくOFFしないとファイルシステムが壊れる
  • SDカードは寿命部品なので工夫が必要(産業用グレード選択、リードオンリー対応等)
  • ラズベリーパイ基板が静電気に弱い(基板GNDが弱く静電気不良を起こしやすい為、ケースでの対策必要)
  • 最終製品として、HDMIを出力する製品とする場合はロイヤリティの支払いが必要
  • Raspberry Pi OSインストール時にラズベリーパイ財団のMACアドレスが自動で付与される
  • その他、ロゴ、フォントに関してトレードマークルールの遵守が必要
アイコン:お悩みごと

課題解決

課題事項の解消を考慮しながら、ラズベリーパイ用カスタムキャリアボードを試作開発。
※  試作基板自体を販売する事はできませんが、試作した事によるノウハウを受託開発サービスにフィードバックしています

Raspberry Pi カスタムキャリアボード

推奨環境

コンピュートモジュール「Raspberry Pi® CM3+」及びキャリアボードでの使用を推奨。
※  必要に応じて通常のラズベリーパイを使用した受託開発の相談も承ります

コンピュートモジュール「Raspberry Pi® CM3+」について

ラズベリーパイ財団より、組込み用途のラズベリーパイとして販売中。
基板上にはCPU、メモリー、eMMCのみが実装されており、SO-DIMMのフォームファクタに対応したモジュール。
ラズベリーパイ3B+に対応。

  • 通常のCM3+・・・4GB eMMC実装
  • CM3+ライト・・・eMMC未実装
Compute-Module3+

基板設計

回路設計、パターン設計(パターンシミュレーション、電源GND共振解析)、試作基板の作成まで実施(一部、協力外注による対応)。
今までの受託開発のノウハウから、バイパスコンデンサの配置、外部I/O用フレームGNDの島分け等、EMC(EMI/EMS)を考慮した部品の配置指示から行う、安心の設計対応。
※  パターン設計、試作基板作成は外注で対応

必要電源の供給

ACアダプターからの電源供給とすることで、安定した電源供給を実現。
キャリアボード上のUSBコネクターからの出力電流をUSB2.0の規格どおり500mAに制限することで、出力電流過多による電圧ドロップも抑制。
また、端子台型のコネクターでACアダプターからの電源供給をすることで、振動によるコネクター接触不良対策も行った。

放熱処理

筐体に熱を逃がせるよう、基板裏面にコンピュートモジュール用のコネクターを配置。

eMMC実装

SDカードの持ち去りや振動による接触不良対策に、産業用eMMCを実装。
キャリアボード上のmicro USBコネクターを経由して、eMMCへの書き込みを行える設計を実施。

静電気保護

キャリアボード上のコネクターには、静電気保護用のダイオードを実装。

MACアドレス

自社のMACアドレスをOS側に書き込み。

HATインタフェース

ラズベリーパイ用にサードパーティーが作成したHAT対応基板を実装可能。

LTEモジュール対応

mini-PCIエクスプレスコネクターを実装(信号はUSBでの接続)し、LTEモジュールに対応可能とした。
別途SIMスロットも準備。

オプション

ラズベリーパイカメラ 取り付け可能。

Raspberry Pi カスタムキャリアボード:パターン図

仕様

  • 基板サイズ 100x85mm
  • DC in 12V (端子台)
  • RTC (コイン電池 or 樽型電池)
  • HDMI出力
  • 2xUSB2.0 Type-A
  • USB2.0 4pin Header
  • 10/100 Ethernet®
  • eMMC ・・・ 8GB実装
  • HAT connector
  • LTE ・・・ mini PCI Express slotで対応(コネクターのみ実装)
  • Camera I/F ・・・ CSI(cam0)
Raspberry Pi カスタムキャリアボード:仕様

外形イメージ図

通常のラズベリーパイは2方向に外部I/Oがあるので組み立て性が悪く、筐体設計も難しくなっている。
試作基板では、ケース設計を考慮し 外部I/Oを基板片側に集約。
また、基板の取付穴にもGNDを用意し、ケースとGNDを接続することでシールド性能の向上を確保。

Raspberry Pi カスタムキャリアボード:外形イメージ図

開発を通じてわかったこと

  • Raspberry Pi® 3B+で使用されているGbit LANチップそのものを購入できない
    → USB2.0からGbit LANへ変換するチップは購入可能であるが USB-HUBが内蔵されない為、2チップ構成になる
  • コンピュートモジュールのデータシートに情報が少ない
    → 高温に弱いが、CPUパッケージ温度等の情報が記載されていない
      実験をしながらヒートシンク選定を行う必要がある
  • コンピュートモジュールの供給期間
    → ラズベリーパイ財団の公表によると、CM3 は2023年1月まで販売、CM3+ は2026年1月まで販売
  • キャリアボード上のeMMCとコンピュートモジュールのeMMCは同時アクセスできない
    → 物理的にセパレートされている
      起動ストレージ用のSDカードインタフェースは、ひとつしかないので、仕様検討時にどのようなストレージ構成にするか予め決定しておく必要がある
Raspberry Pi カスタムキャリアボード:CM3

抵抗 未実装
内部eMMCとCPUは接続されている
外部eMMCとは接続されない

Raspberry Pi カスタムキャリアボードCM3L

抵抗実装
内部eMMCは未実装
外部とは抵抗で接続される



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