エンベデッドシステムスペシャリスト 2014年 午後1 問03

解答の導き方

1. マスタからの信号をいつでも受信できるようにするには、ローカル制御部は無線I/Fを受信できる状態にしておく必要があります。したがって、比較するのは表1の「受信動作」です。
2. 表1では、「受信動作」の動作電流は「30ミリA」です。一方、「制御動作」は「5ミリA」、「CPU停止」は「1マイクロA」、「スリープ」は「0.05マイクロA」です。受信動作の電流は、これらの状態と比べて大きいことが分かります。
3. 常に受信を待つと、この大きな電流が継続して流れます。これに対し、一定周期でポーリングを行えば、ポーリングのタイミング以外は受信状態を続けずに済み、消費電力を抑えられます。

誤りやすいポイント

• 「送信動作」の電流と比べて理由を説明しないようにします。常にポーリングを待つ場合に必要なのは、無線I/Fの受信状態です。
• CPUの動作だけに注目しないようにします。表1では、受信動作の無線I/Fが「受信だけ」となっており、その動作電流は「30ミリA」です。
• 「一定周期だから通信回数が減る」とだけ説明するのではなく、表1の動作電流が大きい受信状態を継続せずに済む点を理由として述べます。

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解答の導き方

1. まず、通常時にどの動作モードで待機するかを考えます。本文では「消費電力を抑えるために」クロックを停止し、CPUも停止するとあります。表1のスリープは、メインクロックを停止し、CPUも停止するモードです。一方、CPU停止ではメインクロックが発振したままです。したがって、停止する対象は メインクロックの発振 です。
2. メインクロックを停止している間も、RTCは動作させておく必要があります。本文には、スリープはRTCからの割込み要求で解除されるとあります。また、RTCは任意の時間で割込みを発生させられます。そのため、マスタのポーリング時刻より前にCPUを再開させる割込み元は RTC です。
3. RTC割込みでCPUが再開したら、無線I/Fを起動してマスタからのポーリング信号を待ちます。この時点では、ローカル制御部はマスタから信号を受信する側なので、表1の動作モードは 受信動作 です。ポーリング信号を受信した後に必要な情報を送信する、という順序になります。
4. 通信が終わったら、再び低消費電力で待機します。そのため、RTCに次の起動時刻までの待ち時間を設定し、メインクロックの発振を停止します。RTCに設定するのは 次の起動までの時間 です。

誤りやすいポイント

• CPU停止とスリープを混同しないようにします。CPU停止ではメインクロックが発振したままですが、スリープではメインクロックも停止します。
• マスタからのポーリングを待つ段階では、無線I/Fは送信ではなく受信の状態です。受信後に必要な情報を送信します。
• メインクロックを停止してもRTCまで停止するわけではありません。RTCが動作を続け、設定した時間に割込みを発生させることでCPUを再開できます。

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解答の導き方

誤りやすいポイント

• 光量を測定する専用センサが図にないため、光量検出に使う構成要素を見落としやすいです。図2では太陽電池がADCに接続されている点に注目します。
• ポーリングを一律に遅くするのではなく、各ローカル制御部の光量に応じて個別にタイミングを設定します。
• 光量が少ないときにポーリングを増やす、と逆に考えないようにします。問題文では、光量が少ないと水の消費と状態変化も少なくなると説明されています。

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解答の導き方

1. 水分センサはローカルMCUから離れた位置にあるため、センサの出力をローカルMCU内のADCまで伝えるには、距離に応じた長さの信号線が必要です。したがって、[e]には信号を伝える経路を表す語が入ります。
2. センサの出力をアナログ信号のまま長い信号線で伝送すると、線が外来ノイズの影響を受けやすくなります。その結果、ADCへの入力ではノイズの影響が大きくなります。
3. 長い信号線への対策として、外来ノイズを受けにくくするために信号線にシールドを施す方法があります。また、本文には信号の変化が緩やかとあります。急速に変化するノイズを抑え、緩やかな信号を通しやすくするには、ローパスフィルタ（又はフィルタ）を追加する方法が考えられます。
4. ただし、これらの対策では費用対効果が低いと問題文にあります。そこで、センサ部分に通信機能を搭載した専用ADCを置き、センサの出力を近くでA/D変換します。変換後の値は、ローカルMCUへディジタル信号として送ります。こうすれば、長い距離を伝えるのはノイズの影響を受けやすいアナログ信号ではなく、A/D変換後の信号になります。

誤りやすいポイント

• [e]を「アナログ信号」とすると、長くなるものを問う文の形に合いません。長くなるのはセンサからの信号線です。
• 外来ノイズが「大きくなる」とは、ノイズそのものが発生源で強くなるという意味ではなく、長い信号線を通じてADC入力に現れるノイズの影響が大きくなるという意味です。
• [h]は、信号の変化が緩やかであることを利用して高周波のノイズを抑える対策です。ノイズ全般を遮断するシールドとは役割が異なります。
• 専用ADCをセンサ部分に置く目的は、アナログ信号を長い距離にわたって伝送せず、A/D変換後のディジタル信号を送ることです。

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解答の導き方

誤りやすいポイント

• 計測回数が100倍になったから、ノイズの影響を$\frac{1}{100}$とするのは誤りです。表2では、計測回数が4倍になると影響は半分になる関係が示されています。
• ノイズの影響は計測回数に反比例するのではなく、計測回数の平方根に反比例します。
• 四捨五入後は小数第3位まで示すため、0.1ではなく0.100とします。

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解答の導き方

誤りやすいポイント

• スリープのまま結果を待つと考える誤りです。スリープ中はシリアルI/Fが動作せず、シリアルI/Fからの割込みでも解除できません。
• 最初からCPU停止で待つのも、最初の区間では適切ではありません。スリープの動作電流は「0.05マイクロA」、CPU停止は「1マイクロA」なので、RTCで時間を決めて起こせる区間はスリープを使うほうが消費電力を抑えられます。
• RTCに2,500マイクロ秒後の割込みを設定するのではありません。RTCの割込み時間は1ミリ秒単位なので、まず2ミリ秒後に起こし、その後はシリアルI/Fからの割込みを待ちます。

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解答の導き方

誤りやすいポイント

• バルブの開閉量が一定なら、給水量も一定だと考えてしまうことがあります。比例関係が成り立つのは、水圧が一定の場合です。
• バルブの故障や詰まりを原因と考えないようにします。問題では、バルブの開閉量ではなく、ペットボトルの水位に着目します。
• 「通気は十分」とあるため、給水量の変化を空気の入りにくさだけで説明するのは適切ではありません。

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解答の導き方

1. 図3のⒸでは、水分量が時間に比例して増えています。したがって、この区間のグラフの傾きから、単位時間当たりに水分量がどれだけ増えるかが分かります。Ⓓの調整タイミングを決める材料となるのは、この水分量の「増加の割合」です。
2. 一方、Ⓑでは、バルブを操作しても水分量がほとんど変化しません。バルブ操作から実際に水分量が変化するまでには時間がかかるため、この間の「遅れ」も考慮する必要があります。遅れを無視すると、バルブを調整した後も水分量が上昇し続け、調整が遅れるおそれがあります。
3. つまりⒹでは、Ⓒで把握した増加の割合と、Ⓑで示されるバルブ操作から水分量の変化までの遅れを基に、調整後も水分量がどこまで上昇するかを見込みます。その見込みが「上限値」を超えないように、バルブを調整します。
4. Ⓔでは、水分量をできるだけ一定に保つため、バルブを完全に閉じるのではなく、開閉量を制御します。

誤りやすいポイント

• Ⓒで見るのは水分量の増加量そのものではなく、時間に対する「増加の割合」です。
• Ⓑは、水分量が変化し始めるまでの「遅れ」を表します。水分量がほとんど変わらないことだけを答えると、Ⓓの調整に必要な情報になりません。
• Ⓓでは、現在の水分量だけで判断するのではなく、バルブ操作後も水分量が上昇する可能性を見込んで上限値を超えないようにします。

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