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1 EE Times 2010 年 11 月 17 日版より引用 PLC アプリケーション用 nvsram の設計 著者 Immanuel Rathinam, iwave System 翻訳アイウェーブ ジャパン株式会社 nvsram の非揮発性記憶性能及び高速アクセスが最新の高性能 PLC システムの中で いかに重要な役割を果たすのかを説明致します PLC はリアルタイム産業用制御処理や組立製造ラインを制御するために幅広く使用される特殊なコンピューティングシステムです 一般的な PLC のブロックダイアグラムは図 1 の通りです 図 1:PLC のブロックダイアグラム PLC は 入力状態をスキャンし CPU を介して出力を制御します CPU を制御するユーザープログラムは プログラムメモリに保存されます 入力は スイッチ プッシュボタンや近接 温度 圧力等のセンサーがあります 出力は リレー バルブ ソレノイド アクチュエータ モーター ファン アラーム等があります また システムには他のターミナルとの通信インターフェイスがあります マシーンの働きを制御する産業オートメーション PLC システムの大半は 入力条件に対応して限定された時間内に出

2 力する必要があるため リアルタイムシステムです もし出力が遅れると 予期しない動作をし それが生産性に直接的な影響を及ぼすとともに 収益を悪化させる原因になります その様なリアルタイムの産業オートメーション PLC は マシーンを制御するプログラムを保存するためにバッテリーバックアップもしくは nvsram が必要です 最新型の高性能 PLC は 電源故障時の迅速なデータバックアップおよび2Mバイトオーダーの大容量バックアップストレージが必要です 電源故障時には 処理中のデータは最小限可能な時間内に外部からの妨害を受けることなく nvsram に保存されなければなりません 本稿では nvsram の非揮発性記憶性能 及び 高速アクセスタイムが 如何にして最新型の高性能 PLC システムの中で重要な役割を果たすのかを説明致します 環境にやさしい PLC プログラム保存用 nvram PLC システム用の半導体メモリを考えるとき システム設計者はバッテリーバックアップの SRAM(BBSRAM), nvsram その他の不揮発性の RAM 技術等 多くのオプションを持っています 既存の BBSRAM を使用した PLC システムは 適度のデータ保存性能を持ち容易に使用できます BBSRAM の最大の欠点は バッテリーが必要なことです そのため システムは常時モニターをし 定期的なバッテリー交換が必要となります 更に BBSRAM は高価でサイズが大きく 比較的アクセスが低速であり 環境破壊のため RoHS 対応も面倒です PLC システムのバックアップメモリとして 広く用いられている NOR flash も考えられますが 固有のコマンド指向のアーキテクチャのため PLC アプリケーションには不適です nvsram を使用すれば 低コストと環境へのやさしさの両者を満足し 更にメンテナンス問題も解決できます 今日のように環境問題が問われる時代においては nvsram はバッテリー交換の必要が無く 廃棄バッテリーや副産物が殆ど無く より一層環境問題に貢献致します また nvsram ベースのシステムではバッテリーが無いため設計者は PLC システムを小さくでき コストの低減が可能となります nvsram のアーキテクチャ nvsram はセルとセルを積み重ねた SRAM で 不揮発性のセル構造です そして ビルトインのマイクロコントローラおよび電源変動や電源故障をモニターする電源コントロール回路を備えています ( 図 2 参照 ) 電源故障若しくは変動の場合 チップはこの状態を検出する情報を持っており SRAM の内容は ストアコマンドを使って NV セルに自動的に送られます

3 ユーザーは アプリケーションからストアコマンドを出すこともできます 全ての動作は 8ms もしくは それ以下の時間で終了します 電源が投入されると 記憶された内容は リコールコマンドを使って NV セルから SRAM に送り返されます これにより システムに電源が断になる前のデータが供給され システムはデータロス無しで運用を再開いたします ほとんどの多用途 nvsram はソフトウエア始動のストア / リコールコマンドおよびハードウエア始動のストアコマンドをサポートしております 図 2:nvSRAM のブロックダイアグラム nvsram はランダムアクセスで SRAM インターフェイスのように動作します 標準的な SRAM インターフェイスおよびタイミングを使ったリード / ライトのアクセス時間は 20ns までです NV エレメント及び SRAM 用に 100 万回までのストアサイクルが保証されており ライトサイクルは無限です データは 20 年間劣化致しません

4 表 1 に典型的な PLC システムにおける BBSRAM に対する nvsram の設計面及び機能面での優位性を要約しております 表 1:BBSRAM と nvsram の比較 BBSRAM バッテリーが必要 その結果環境破壊 廃棄問題を惹起時間を食う バッテリーがメンテナンスに休止時間が必要で労賃がかさむバッテリーは 湿気 衝撃 振動等の環境条件に対し脆弱大きなボードスペースが必要で 設計が複雑電源投入時のデータ再保存のため SRAM はバッテリーを VCC に切り替えるデータ保存期間 :7 年間アクセス時間 :70-100ns nvsram バッテリーが不要で 環境にやさしいグリ-ン設計バッテリーメンテナンスや交換が不要湿気 衝撃 振動等に強いバッテリースペースが不要で システムの設計に柔軟性不揮発性のデータが SRAM 内で使用可能データ保存期間 :20 年間アクセス時間 :20-45ns 動作モード オートストアは電源ダウン時 ゼロシステムタイムでストア動作をバックグラウンドで実行します 小さな外部コンデンサによって システム電源が最小動作範囲以下に下がった場合にストアコマンドを実行するために必要なエネルギーを保証します 電源が回復し最小動作レベルに達すると データは自動的に不揮発性エレメントから SRAM に戻されます ソフトウエアストア及びソフトウエアリコールは チップイネーブルに同期した 6 本のアドレスをリードすることにより起動します この機能は 新しいコードやデータの保存 または SRAM に書き込んだ後のソフトウエアリセットに用いることができます ハードウエアストアは HSB ピンをローにすることにより 起動します PLC システムにおける 不揮発性メモリのアクセスタイムの重要性 突然の電源トラブル時には どのような PLC システムにおいても システム RAM 内で処理中のリアルタイムデータは 不揮発性メモリに保存する必要があります このため 通常は PLC システムのバックアップ用に小さなバッテリーが必要です

5 最新の PLC システムでは メンテナンスや RoHS 問題から短時間のバックアップ用にバッテリーよりも大容量のコンデンサを用いています 大容量コンデンサは バッテリーに比較しメンテナンスの必要がありませんが バックアップ時間が随分短くなります 通常 合理的な大きさの大容量コンデンサによるバックアップ時間は約 100ms です 従って 電源トラブル時のデータバックアップを 100ms 若しくはそれ以下で実施することが課題です この要求は PLC システムが 2MB サイズのデータをシステム RAM から不揮発性 RAM にバックアップすることを求めていることから 更に増大しております 最小限 70ms で 2MB サイズのデータをシステム RAM から不揮発性 RAM に移すことが求められております 残りの 30ms で完全な 2MB のデータがコントローラから不揮発性メモリに書き込まれる必要があります これにより 不揮発性メモリから 25ms 以下という迅速なアクセスタイムが求められております 標準的な 32-bit nvsram のインターフェイス接続 図 3 は 標準的 PLC アプリケーション用システムメモリコントローラ付き 32-bit nvsram の接続を示しております 図 3:nvSRAM のインターフェイス接続図 Immanuel Rathinammp 紹介インド バンガロールにある iwave Systems technologies Pvt. Ltd のプロジェクトマネージャー Visvesvaraya Technological University(VTU) において マイクロエレクトロニクス及びコントロールシステムの修士号を取得 7 年間の組み込みハードウエアのPCB 設計及びテスト経験を保有 専門分野は組み込みシステム設計及び革新的な設計開発を担当

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