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2024-05-14 現在

ハードウェア開発

TWELITEのハードウェア開発に関連する細かな情報を集めています。

1: 省電力性能について

1.1: 電池運用とバッファ用コンデンサ

2: アンテナ実装

2.1: 逆F型アンテナの実装

2.2: SMAコネクタの実装

2.3: ワイヤアンテナの実装

3: 信頼性のための検討

4: 特殊ピンの取り扱い

4.1: 特殊ピンの取り扱い (TWELITE BLUE / RED)

5: UART-USBケーブルでの書き込み

1 - 省電力性能について

TWELITE を電池で長期運用するには

モノをつなぐ無線マイコンモジュールとして低消費電力を実現するためには各処理の消費電流を抑えることが必要ですが、起動時間と処理時間を短縮することも非常に重要です。消費電流が小さくても処理時間が長ければ低消費電力は実現できません。

消費電力（電流）

以下は1パケットを30バイトで送信した時の標準的な消費電流です。

標準出力 BLUE-ブルー

高出力 RED-レッド

高出力 RED-レッドは標準出力 BLUE-ブルーに比べて送信時の消費電流が大きいですが、処理時間が短いので1パケットを送信時の消費電流は同等です。

TWELITE は低消費電流、瞬速起動、高速処理により省電力を実現しています。

受信時の消費電流はBLUE 17.0mA、RED 14.7mAです。連続受信が必要な場合は常時給電または容量の大きな電池が必要です。

開発時にはセンサー等の周辺回路の消費電力も考慮してください。

出荷時にインストールされている超簡単！標準アプリは省電力設計ではありません。省電力を追求する場合はアプリを変更してください。

消費電力例

TWELITE の消費電力を最小限にした無線タグの例です。この例ではセンサーは使用しておらず、4バイトのIDデータを内蔵タイマーで周期的に送信しています。送信相手からの受信確認（ACK）は行っていません。1パケット送信時の平均消費電流は11.6mA、処理時間は2.5msです。

起床中のみ考えた平均消費電流

11.6[mA] * (2.5/1000)[ms] = 29[uA]

スリープ（RAMオン）時間を含めた平均消費電流

29[uA] + 1.5[uA] = 30.5[uA] = 0.0305[mA]

１秒毎に送信した場合の電池寿命はCR2032の容量を220mAhとして、

220/( 0.0305 ) = 約7213[時間] = 300[日] = 10ヶ月

下のグラフはコイン型電池（CR2032）を使用した場合の電池寿命です。30秒毎にデータを送信した場合の電池寿命は10年を超えます。

5秒以下の間隔で送信する場合は、RAMをオンにしてスリープした方が寿命が長くなります。

この計算で得られた値は概算値であり、電池の性能や使用温度等で変化します。

コイン電池（電池の詳細は電池メーカーのデータシートを参照ください）の電流供給能力では、無線モジュールを連続稼働させることはできません。コイン電池を使用する場合はスリープ込みの間欠動作を行わせてください。詳細情報

ここでご紹介した電池寿命は参考値で実際には値よりも長い場合や短い場合があります。電池はその性能と使用条件によって寿命が変化するためです。（パルス的な負荷[一般的に寿命向上]、瞬間的な過負荷電流[寿命低下]、温度条件[高温時に寿命低下、低温時に電圧降下]）詳細はご使用になる電池の特性をご確認ください。特に内部抵抗の高い電池での電圧降下にはご注意ください。

1.1 - 電池運用とバッファ用コンデンサ

TWELITE を小容量の電池で運用する際にはバッファ用のコンデンサを使用します

小容量の電池を使う場合、十分な電流が取れないことがあります。例えば、CR2032 の定格上の電流は 0.2mA 程度で、最大でも 2~3mA 程度しか想定していません。

例えば TWELITEで、無線パケットを送信する場合、瞬間的ですが 20mA 程度消費する事もあり、このとき電流の供給不足、電圧降下などが発生し、システムが正常動作しない事が考えられます。

これを回避するため、バッファ用のコンデンサを VCC-GND 間に接続します。（他にリセットICによる起動制御を行う必要があります）

電源が遮断された場合、電圧3.3V、平均電流が 10mA と仮定して、100uF のバッファーがあれば約10msシステムを動作できます。電源断直後からバッファーからの電流が供給され、無線モジュールが活動不能になる 2V 近傍までは無線モジュールは動作します。

間欠動作・送信時には有効な手段です。注意点として、再送などが発生した場合は送信完了までの時間が大幅に伸びます。１回の再送で数mS消費しますので、再送の回数分を加味したバッファーが必要です。

ただし受信待ちを行うような場合は連続的に大電流 (17.2mA) が消費されることになりますから、上記のようなバッファでの対処は難しく、供給能力の高い電池を利用してください。

コンデンサの容量と動作時間の目安

TWELITEシリーズのモジュールの消費電流は、電源電圧に依存しません。電流一定と言う点から、コンデンサの電荷でどの程度の稼働が見込めるか計算してみます。

静電容量 C のコンデンサに、電圧 v に相当する電荷が蓄積されている場合、一定電流 i で電圧 v から 0 まで降下する時間 t は t = Cv/i となります。

電流 i で 3.3V から 2.1V まで降下するのに必要な時間は、C(3.3-2.1)/i となります。i=10mA, C=100uF とした場合、12ms と計算できます。計算上は 3.3Vで動作していたモジュールの電源が突然断たれた場合、平均電流が 10mA なら 12ms 稼働延長することが期待できることになります。

電流が10mAというのは、あくまでも平均値の仮定です。実際の消費電流の計測値を参照してください。

2 - アンテナ実装

お客様設計・実装のRF回路やアンテナの認可適用について

お客様設計の無線回路やアンテナについての認可適用について注意点を記載します。

当社により認可を取得し設計情報をお客様に供給する場合
- 当社が提出した認可時の技術情報に従って設計並びに生産を行ってください。
- 当社利用の認可事業者に対してRF回路やアンテナについての技術情報を提出しています。お客様にはこの技術情報に基づいた認可のための必須要件や性能のためのコメントを提示します。
- 認可事業者の見解と異なる見解が存在する可能性があります。万が一、見解の際によって問題が生じた場合は、当社並びに認可事業者は、認可時の技術情報に基づく情報提示を実施しますが、以下については実施しません。
  - 当該の交渉を行う、または相当の行為。
  - この問題によって生じた補償。
- 海外認可については、お客様自身によって、適合状況をご確認ください。
  - 海外認可の要件等は更新されている場合があります。その時点で最新の情報を引用してください。
  - お客様の設計・実装について、当社からその是非について最終的な見解を述べることは致しかねます。
お客様が独自に設計される場合
- ほとんどの場合、独自の設計について認可が必要になります。
- 認可については技術書類等の取り扱いなどをスムーズに行うため原則として当社指定の事業者をご案内します。当社にお問い合わせいただくようお願いいたします。

2.1 - 逆F型アンテナの実装

逆F型アンテナの実装に関する注意事項

逆F型パターンアンテナ（TWELITE-SMD-ANT-REVF)の電波認証について注記事項を記載します。

リファレンスデザインを下記にて公開しています。

monowireless/PCB_REF_DESIGN_KICAD: Reference Schematic/PCB design data for KiCAD

要件

以下の条件を満足すること。

設計データ通りのパターン、スルーホールにより配線すること
- 設計データ中の変更禁止（配線禁止, DO NOT WIRE）領域を変更しないこと
指定のプリント基板であること
- プリント基板製造業者へは 1mm 厚を指定してください
- (1mm 以外の基板厚が必要な場合はこちらを参照下さい)
- 誘電率の関係でガラスエポキシ(FR-4)を指定します。他の材料は不可です
- 層構成は両面または4層です
- レジスト色、シルクの指定要件はありません
設計通りの製造・実装であることを確認していること
- 一般的に引用される公差を超える設計のずれが無いこと
- 無線モジュールが実装が適切であること

設計と性能

GND面積

逆F型アンテナは、逆F形状のエレメント部と、モジュール直下のGNDパターンから構成されます。GNDパターンの面積が性能に大きく影響します。最適な大きさは 20x20 ～ 40x40mmです。

配線

逆F型は、外部への配線にも影響を受けやい性質があります。例えば、GND面にコイン電池ホルダーを配置し、外部配線無しといった無線タグ (TWELITE CUEなど) は理想に近い性能が得られます。

GND面に一部配線を行う場合は最小限にとどめてください。例えば1本だけ通す程度であれば、ほとんど影響はありません。

性能評価

お客様が設計された基板での無線性能（利得など）について、測定するサービスを提供しています（有償）。特に逆F型パターンアンテナについては、親基板や配線状況によって期待される性能を下回る場合があります。測定することで設計上おおよそ妥当な数値に入っているかどうかを判断できます。

お客様の方針で、最大利得等の性能評価を厳格に行う必要がある場合は、公的な計測結果が得られるサイト（認可事業者など）による計測を実施してください。

認可状況

日本国内

対象モジュール

TWE-L-WX
MW-R-WX

要件

上記要件を満足すること

北米 (FCC)

※ 海外認可については、お客様自身により適合性について十分ご確認ください。

対象モジュール

TWE-L-WX

要件

上記要件を満足すること
その他（表示要件）などは FCC の要件を参照すること

欧州 (EU)

※ 海外認可については、お客様自身により適合性について十分ご確認ください。

対象モジュール

TWE-L-WX

要件

上記要件を満足すること
その他（表示要件）などは CE の要件を参照すること

その他の地域

認可対応無し。

基板厚について

本設計において基板は FR-4 1mm に指定されています。この基板厚は電波認証での認可の根拠であるため、指定外の基板厚の場合、認可外となります。

ただし、日本国内認可に限り以下の基板厚でも認可されています。

t=0.5mm (当社で取得済みの海外認可での利用は不可)
t=0.8mm (当社で取得済みの海外認可での利用は不可)
t=1.6mm (当社で取得済みの海外認可での利用は不可)

アンテナパターンがt=1mmで最適化されているため、僅かながら特性が変化します。ただし変化は多くの場合ごく軽微です。理想GNDサイズに基づく基板上での特性パターンでは 1～3db 程度変化が見られます。

2.2 - SMAコネクタの実装

SMAコネクタの実装に関する注意事項

SMAコネクタ（TWELITE-SMD-SMA-CONN)の電波認証について注記事項を記載します。

リファレンスデザインを下記にて公開しています。

monowireless/PCB_REF_DESIGN_KICAD: Reference Schematic/PCB design data for KiCAD

要件

共通

設計データ通りのパターン、スルーホールにより配線すること
- 設計データ中の変更禁止（配線禁止, DO NOT WIRE）領域を変更しないこと
指定のプリント基板であること
- プリント基板製造業者へは 1mm 厚を指定してください
- 誘電率の関係でガラスエポキシ(FR-4)を指定します。他の材料は不可です
- 層構成は両面または4層です
- レジスト色、シルクの指定要件はありません
設計通りの製造・実装であることを確認していること
- 一般的に引用される公差を超える設計のずれが無いこと
- 無線モジュールが実装が適切であること
指定コネクタを実装すること

指定コネクタ

トーコネ SMA-LR4(Au)
https://www.to-conne.co.jp/products_search/sma/item_SMA100
COSMTEC RESOURCES S-037-TGG
https://akizukidenshi.com/catalog/g/gC-02569/
秋月電子通商取り扱い

認可状況

日本国内

対象モジュール

TWE-L-WX
MW-R-WX

要件

上記要件を満足すること

北米 (FCC)

認可対応無し。

欧州 (EU)

認可対応無し。

その他の地域

認可対応無し。

2.3 - ワイヤアンテナの実装

ワイヤアンテナの実装に関する注意事項

φ＝0.8mm 以下の導線を用いて、アンテナを作成することができます。

任意に折り曲げて使用可能ですが、直立に比べ性能が著しく低下する場合があります。アンテナ性能を維持する場合は「ワイヤアンテナの曲げパターン」をご参照ください。（寸法較差は 0.5mm 未満に収めてください。）