TX improved

AquaBeacon TX/RX — 回路改良・シミュレーション検証・KiCad基板化

200kHz超音波トランスデューサ TD04A を用いた水中ビーコンの送信(TX)/受信(RX)/メイン基板一式。 LTspiceで定量検証した回路を、KiCad 10の回路図+2層PCBまで全自動生成パイプライン(pcb/build_*.py)で実装している。

SPRESENSE SBL派生版の選定調査（2026-09-14）

SPRESENSE 1台、20m、最大基線1m、位置精度10cm以下を目標とする低コスト派生版は 振動子選定資料 を参照。 SMC20D17H5を少数評価の第一候補とし、3受信＋送信監視1chの構成を検討中。 最終採用・回路検証・基板生成・20m/10cmの実証は未完了。 メーカー駆動定格と防水後の実負荷・帯域が必要。合成データの検証を実回路のPASSとは扱わない。

システム全体像

• 目的: 光(角度)+音(距離)+テザー(時刻同期)で藻場のマッピング/位置推定。親機(水上) と 子機(水中ドローン) の2ユニット構成。
• 測距方式: 親機が音を出した瞬間にテザー経由で電気トリガを送り、子機は「トリガ到達→音響受信」のΔtだけを測る(距離=Δt×音速)。両機の時計合わせは不要。
• テザーは信号のみ(電源は流さない): 1ペア=有線トリガ(MAX3485)、1ペア=デバッグRS-485(Waveshare TTL-RS485(C))。両端に120Ω終端、SHLDは1点接地。
• 給電: 子機は自前LiPo 3S(44–55Wh)。共通電源チェーンは LiPo3S → 3Aヒューズ → 電源SW → BUCK 5V → NJU7223F33 LDO(3.3V)。
• 50kHz将来対応: 振動子コネクタ化+RXのBPF段ソケット化で、基板改版なしに差し替え可能とする方針。

基板一覧と設計方針

TX_improved — 送信・標準版 (v1.1: TC4427ゲートドライバ化 2026-07-19)

• 構成: TC4427CPA(DIP-8, ch.Aのみ使用) + 2SK4017(TO-251) 1石 + 直列同調L1(470µH, 購入済品) + 保護一式(SMBJ48A/15A TVS、G-S GDZJ15Cクランプ)。C1=470µF/25V(購入済ルビコンPX)。
• 方針: 購入済み部品優先。MCU 3.3V PWM → TC4427(VIH max2.4Vで直結可)→ 12Vスイングでゲート駆動し、実デバイスのVthばらつきでも確実にフルエンハンス。
• 検証(v1.1): 12V通常 Vds=45.1V(<48V derate)/Vgs=12.1V/XD=45.7Vpp、故障(振動子外れ)でもTVSクランプ53.4V<60V。旧版の「5Vパルス必要・9V推奨」制約は解消。
• コネクタ(2026-07-19統一): J1電源=XT30(基板用横型XT30PW-M、基板端から開口が突き出す実装。KiCadパッド1='-'=GND/パッド2='+'=V12なのでピンマップ注意)、J2 PWM=JST XH 2P、J3 TD04A=端子台(従来通り)。
• MOSFET温度監視(2026-07-20追加): 外付けNTC(Vishay NTCLE100E3103GB0, 10k/B=3977K)を Q1の樹脂モールド面に絶縁性熱伝導接着剤で貼付し、2芯線で J4(XH 2P)へ戻す。基板上は R6=10k 1%(3V3基準の分圧)+C5=100n平滑+R7=1k(ADC保護)+C6=1n(DNP)。J5(XH 3P: 3V3/TEMP_ADC/GND)でメイン基板と接続する。温度上昇でTEMP_ADCは低下(25℃≈1.65V、85℃≈0.33V @3.3V基準)。断線≈3.3V/短絡≈0Vで異常判定できるので、ファーム側で 過熱・断線・短絡いずれでも送信停止すること。金属タブへの貼付は厳禁。
• 基板サイズ変更: 温度ブロック追加に伴い 70×50mm → 74×50mm(アウトラインは (-4,0,70,50)。左へ4mm延長し、縦は元のまま)。取付穴H1/H3を (0,4)/(0,46) へ移動(筐体設計は要追従)。J4(NTC引き出し)はQ1の真上でTH1までの2芯線が約4mm、J5と分圧回路(C5/R6/R7/C6)は左端に縦一列。R6/R7は縦立て実装(P2.54)で省スペース化。
• 未確定: TEMP_ADCの受け側(メイン基板のADC)は未実装。メイン基板は3.3VフルスケールでないSPRESENSEなので、接続時に分圧比の再設計かレベル調整が必要。R7(直列1k)・C6は指示書ではPico直近配置だが、ADC側未定のため暫定でTX基板側に実装している。

TX_advanced — 送信・高出力版

• 構成: TC4427Aゲートドライバ(SOIC-8, MIC4427ピン互換) + 2SK4017×2プッシュプル + センタータップ1:5トランス(手巻きEEコア、2.54mm 5ピンヘッダ実装)。12V対応、±150V級駆動。
• JLCPCB表面実装対応(2026-07-19): R/C/ツェナーを0805/1206/2512/SOD-323にSMD化(ほぼBasic部品)。MOSFET(TO-251)・トランス・L1(470µH, Bourns RLB0912-471KL)・端子台はTHT手はんだ。
• 方針: 詳細設計書の「MIC4427直結プッシュプル」は動作しない(トーテムポール出力がハイZにならず巻線スイングを阻止、アイドル時に巻線へDC印加)ことをLTspiceで確認 → MIC4427をゲートドライバ専任とし2SK4017×2で駆動する方式に修正。
• 制約: J2は3.3V PWM入力可(MIC4427が12Vへレベル変換)。A/B同時High禁止・デッドタイム≥100nsは駆動側ファームウェアで担保(SPRESENSEのPWMにデッドタイム機能が無いため)。
• コネクタ(2026-07-19統一): J1電源=XT30(XT30PW-M横型。パッド1='-'=GND/パッド2='+'=V12)、J2 PWM=JST XH 3P(A/B/G)、J3 TD04A=端子台(従来通り)。T1はコネクタではなくトランス実装穴なのでピンヘッダのまま。

RX_improved / RX_improved_mini — 受信・標準版

• 構成: クランプ → 初段×21 → MFB 2次BPF → 後段×25 → 包絡線検波 → コンパレータ。計60dB。3.3V単電源、VMID=1.65Vバイアス。
• フルサイズ版 v1.1 (購入済み部品優先化 2026-07-19): NJM2137D×2(DIP-8, GBW200MHz) + LM393GN(DIP-8, OC出力→R18=10kプルアップ追加)。MFBは購入済1000pF C0Gで再設計(C=1n, 1k/180/3.9k → f0=206.3kHz=TX共振と整合, Q=2.53)。検波はBAT43、C7=1n×2(τ=20µs)。SHDN廃止のためJ2ピン5はNC(ピン順は従来互換)。NJM2137は非RRO(ENV最大~0.5V)・CM=1.3〜2.0V@3.3Vに注意。
• mini版(2026-07-19全面改版): RX_improved v1.1 のミニ版(68×46mm、元130×80mm)。回路トポロジ・ネットはv1.1と完全同一(NJM2137D×2 + LM393 + R18プルアップ、MFB=1k/180/3.9k C=1n C0G → f0=206.3kHz、包絡線2nF、J2.5=NC)。
• mini版の実装方針: SMD化は抵抗・コンデンサ(0805)のみ。IC(DIP-8)・ダイオード(DO-35)・トリマ・コネクタは購入済み部品を手はんだ(jlc_exportのBOARD_EXCLUDEで自動除外)。
• mini版コネクタ(2026-07-19統一): J1 TD04A=端子台(5.08mm MKDS互換、ピンヘッダから変更)、J2 TO_PICO=JST XH 6P(ピン順は従来のピンヘッダと同一)。advanced_miniも同様。
• ゲイン半固定化(improved_mini): 固定5.1k + 購入済み3362P 100k半固定(秋月103283)の直列でG=6.1〜106を実装後調整可(NJM2137はユニティゲイン安定なので下限制約なし)。3362PはKiCad標準の3386P縦型パターンを使用(1-3間5.08mm+ピン2オフセット2.54mmで互換、Bournsデータシート確認済)。

RX_advanced / RX_advanced_mini — 受信・高性能版

• 構成: BPFを4次スタガードMFB(2段をf01=177kHz/f02=232kHzにずらして合成)化し帯域外抑圧+12dB。入力保護強化(R_IN+R_IN2)。
• 部品: OPA2607×2(デュアル×2で3ユニット使用、mini版はOPA607不使用) + TLV3501。
• 方針: improved=簡素・低コスト、advanced=選択度優先という位置づけ。両者のPico側コネクタJ2はピン順統一(1=V3A, 2=GND, 3=TH_PWM, 4=ENV_ADC, 5=SHDN, 6=CMP_OUT)で、差し替え運用が可能(RX_improved v1.1はLM393化でピン5がNCになったが位置互換は維持)。
• ゲイン半固定化(2026-07-19, advanced_mini): 初段/後段のゲイン設定を「固定5.1k+SMDトリマ20k(TC33X-2-203E)」に変更し、実装後にG=6.1〜26.1で調整可能(固定分がOPA2607の最小安定ゲインG≥6を担保)。
• advanced_miniコネクタ(2026-07-19統一): J1 TD04A=端子台(ピンヘッダから変更)、J2 TO_PICO=JST XH 6P(ピン順不変)。

CHILD_MAIN — 子機メイン基板

⚠ 2026-07-28 改訂(v3.1) — 基板間コネクタの整合: RX_improved_mini は製造済み(基板到着済み)で 変更不可のため、本基板を RX の J2 に合わせた。J_RX1 を XH4→XH6 / ピン順 V3A・GND・TH_PWM・ ENV_ADC・NC・CMP_OUT（RX J2 と完全同一＝ストレート6芯1本）。RX に受け口の無い RX_EN を廃止し GP6 を TH_PWM(PWM3A)へ転用。RX には電源専用コネクタが無いので V3A は C-PWR J_RXA → 新設 J_RXA1(XH3) → 本基板を純パススルー → J_RX1 pin1 で渡す（本基板側に V3A 負荷は付けない）。 併せて C-PWR との電源/I2C コネクタ不整合も解消: J_PWR1 を C-PWR J_MAIN と同じ V5D/V5D/GND/GND/V3D/V3D へ、J_I2CP(XH5, C-PWR J_I2C と1:1)を新設し INA226 の ALERT を GP3 で受ける (R_AL 10k プルアップ)。詳細は pcb/RX_improved_mini/基板仕様書.md §5。

⚠ 2026-07-21 全面改訂(v2.0): 主制御をRaspberry Pi Pico 2 Wへ統一。IMUをBNO085(SPI0専用バス)へ、microSDをMolex 104031-0811 表面実装へ、RS485をWaveshare×2(DATA+TRIGGER、MAX3485直載せ廃止)へ、電源はC-PWRからV5D/V3D受電(オンボードレギュレータ廃止)へ変更。LCD/3ボタンはUI基板へ分離(J_UI)。確定ネット定義=../docs/AquaBeacon_MAIN_UI_GPIO_コネクタ表.md。以下の旧記述(BMI270/MAX3485/オンボード電源)は破棄。

• 役割(旧): 詳細設計書§2.2のデジタル/電源部。アナログ受信は別基板(RX)に分離し、J_RXで接続するキャリア基板。全部品THT/モジュール実装方針。
• 構成: Raspberry Pi Pico(ピンソケット) + BUCK 5V + NJU7223F33 LDO、microSD SPIモジュール(V5)、DS3231 RTC、SparkFun Micro BMI270(Qwiic)、Waveshare TTL-RS485(C)、MAX3485(トリガ受信固定)+120Ω終端、テザー端子台。
• 電源レール: V5 / V3A(LDO由来クリーンアナログ、RX基板へ給電) / V3D(Pico内蔵SMPS)を分離。
• 主要な設計判断:
  • LDOはAP2112→NJU7223F33に変更。TO-220Fでピン順1=VOUT, 2=VIN, 3=GND(78xx系と逆)。
  • MAX3485のVCCはV3D(3.3V)。設計書のV5指定はIC仕様(3.0–3.6V専用)違反のため修正(設計書側は未修正)。
  • RS-485モジュールも3.3V給電(5VだとRXDが5VスイングしPicoが非トレラント)。自動方向切替品のため設計書のGP14方向制御は廃止。
  • R_SDA/R_SCL 4.7kは両MAIN基板に実装場所を残すが、モジュール側プルアップとの並列過多を避けるため既定DNP。 組立後、無通電でSDA/SCL–V3D間抵抗を測り、4.7kΩ超の場合だけ必要に応じて実装する。

PARENT_MAIN — 親機メイン基板

⚠ 2026-08-01 v5.3: LCD を I²C 品へ変更(ユーザ判断=配線簡素化)。Newhaven NHD-C12864WO-B1TFH#-M (128×64 グラフィック / 4線SPI / 30pin 0.5mm FFC) → NHD-C0216CiZ-FSW-FBW-3V3 (2×16 キャラクタ / I²C / AiP31032 / 8pin 1.5mm THT / I²C 0x3E(7bit))。 旧LCDは 30pin FFC + バックライト別線(PHR-2)で J_LCD1(XH9) と物理的に直結できなかった。 J_LCD1: XH9→XH7(GND/V3D/SDA/SCL/RST/LED_A/LED_K)、GP14(LCD_CS)/GP19(LCD_DC)を解放、 SPI1 は microSD 専用に。R_BL: 33Ω/V3D → 100Ω/V5D(新LCDの VLED=2.96V typ に対し 3.3Vでは余裕0.34Vしか無く電流が公差で2.3倍ばらつくため)。昇圧C(VOUT–VDD / C1+–C1− 各1µF)は LCD至近のキャリア基板側に置く。再ビルド結果: ERC合格 / netlist一致(34ネット) / DRC違反0・未接続0・孤立島0。 C-MAINも2026-08-02 v4.1で反映済み。親子で同じXH7ピン順・LCD・バックライト回路を使用する。

2026-08-02 v5.5: SPRESENSE拡張ボード対応。CXD5602PWBEXT1のJP1を必ず3.3V側に設定し、 J_SPRのPPS/Eventは各100Ω直列でArduino互換デジタル端子へ接続する。pin4はNCとし、SPRESENSEはUSB等の正規電源から給電する。

⚠ 2026-07-21 全面改訂(v3.0): 主制御をSPRESENSE→Raspberry Pi Pico 2 Wへ変更。SPRESENSEは独立IMUロガーとして J_SPR(PPS+EVENT_MARK)接続のみ。GNSS(NEO-M9N UART1+PPS)、P-TX制御(PWM_A/B+TX_EN+TRG_TX)、TX温度ADC入口(直列R+RCフィルタ+未接続検出)、microSD Molex、RS485×2(Waveshare)、I2C(DS3231/MS5837/LIS3MDL/Celsius/INA226)。電源はP-PWRからV5D/V3D受電。LCD/3ボタンはUI基板へ。確定ネット定義=../docs/AquaBeacon_MAIN_UI_GPIO_コネクタ表.md。以下の旧SPRESENSEキャリア記述は破棄。

CHILD_PWR / PARENT_PWR — 電源基板(2026-07-23新設・2026-07-24完成)

• 電流経路: J_BAT(XT30PW-M) → F1(3A速断) → Q1(2SJ349 Pch逆接保護) → SW_PWR(トグル 28VDC/3A) → R_SH(20mΩ/2512) → VBAT_M → 各系統。
• 電流検出: U_INA(INA226AIDGSR, MSOP-10 SMD直載せ, addr 0x40) を R_SH でKelvin検出。I2C/ALERTは J_I2C(XH5) でメイン基板へ。0.5mmピッチのため min_clearance=0.13mm(JLC 5mil)で発注。
• レール: BUCK 5V(LXDC55) → NJU7223F33 ×2 で V3D(デジタル)/V3A(アナログ)を分離。親機のみカメラポッド用に2系統目のBUCK(秋月 AE-MYMGK00506ERSR-5V0、自作FP AquaBeacon:MYMGK00506ERSR_AE)を搭載し、TX駆動基板へは VBAT_S を直結。
• 主要な設計判断(LTspice検証済み): C_BLK を 470µF→100µF に低減し突入電流を 31/40A まで下げた(トグルSWの3A接点保護)。F1は速断品が必須(標準品ではI²Tが足りない)。検証は座標ミスを避けるため .cir ネットリスト形式(LTspice/{CHILD,PARENT}_PWR{,_rev}.cir)。数値は sim/notes.md 2026-07-23節。
• 未反映: 購入リストExcelのINA226行が旧モジュール品のまま(基板はSMD直載せに変更済み)。

UI_BOARD — 共通表示操作基板(2026-07-21新設 → 2026-07-23廃止)

• 役割: 親機・子機共通。Newhaven NHD-C12864WO-B1TFH#-M(ST7567系128×64, 4線SPI)+ UP/ENTER/DOWN 3ボタン + バックライトPWM。メイン基板と J_MAIN(XH8: V3D/GND/SCK/MOSI/LCD_CS/LCD_DC/BL_PWM/BTN_ADC)で接続。

  • ※この節はUI基板廃止(2026-07-23)時点の記録。LCDは 2026-08-01 に NHD-C0216CiZ-FSW-FBW-3V3(I²C) へ変更済み。現行仕様は PARENT_MAIN 節と pcb/PARENT_MAIN/部品一覧.md §5 を参照。

• 設計判断: 3ボタンはADC抵抗ラダーで BTN_ADC 1本に集約(Pico GPIO節約)。LCD_RSTはRC電源投入リセット。BLは2SK4017でPWM調光。FFCピン順・LCD外形・取付穴はメーカー機械図で要確定(暫定9ピン表現)。

• 役割(旧): 設計書§2.3+§2.5。SPRESENSE拡張ボードとケーブル接続するキャリア/配電基板。

• 構成: J_SPR(拡張ボードArduinoヘッダへ: UART2/TRG_TX/PWM0・1/I2C0)、MAX3485(トリガ送信、DE=H固定)+120Ω終端、Waveshare TTL-RS485(C)、DS3231、予備I2C(将来の磁気センサ)。

• 電源系統: BUCKを2系統に分割(突入/ノイズ分離) — BUCK_A→拡張ボードJP3(5V_IN)+NJU7223F33でV3T生成、BUCK_B→カメラポッド(Pi Zero 2W)。TX駆動基板へはVBAT_S(≈11.1V)直結。V3Tは拡張ボードの3.3Vレールと接続しない(レール競合回避)。

• 主要な設計判断(SPRESENSE公式ドキュメント調査に基づく):

  • SPRESENSEメインボード単体はIO=1.8V(超過厳禁)・PWM非搭載 → 拡張ボードCXD5602PWBEXT1必須、JP1=3.3V設定。
  • SDログは拡張ボードのSDIOスロットを使用(子機と異なり基板上にSD無し)。
  • PWMはD06=PWM0/D05=PWM1。ハード相補・デッドタイム機能なし → FWで担保。

onlyTX — 手作業プロジェクト(パイプライン外)

• TX_improvedと同一トポロジ(TC4427→2SK4017 1石)を手作業でKiCad化中。PCBは未着手(空)。
• onlyTX/REVIEW.md の机上レビューで判明した要修正点:
  • Q3のフットプリントがSOT-523(2SK3019用, 30V/0.1A)になっている → 実部品2SK4017はTO-251 THT(60V/5A)。動作時ドレインピーク33V(9V)/44V(12V)がSOT-523品の定格を即超過するため必ず修正。
  • ドレインTVS(SMBJ48A)と電源保護(SMBJ15A+バルク100µF)が未実装 → 振動子外れ時フライバック(53V@12V)対策に必須。
  • フットプリント未割当部品多数。検証済みの pcb/TX_improved/ の流用を推奨。

横断的な設計方針

1. 単一ソースからの全自動生成: 各基板は pcb/build_*.py の回路記述から sch/ERC/netlist照合/pcb/DRC/ガーバー/BOM/3Dレンダまで一括生成。不整合が構造的に起きない。座標・定数変更後も該当スクリプト再実行のみ。
2. GNDは両面ベタ(サーマルリリーフ)、給電・信号交差はB.Cu回廊。200kHzアナログは2層+ベタで十分。
3. JLCPCB発注方針(mini系): 受動・ダイオードはBasic品限定、ICのみ拡張部品。LCSC番号を回路定義に埋め込み。Basic化での定数変更は必ず原設計と周波数特性を数値比較。BPFコンデンサはC0G/NP0必須、フルサイズTHT版の抵抗はE96 1%金属皮膜。
4. TD04A C0=1260pF は仮定値: LCR実測後にTX両基板のL1とTX_advancedのR_DMPを再確定(pcb/TODO.md)。
5. リファレンスは必ず数字で終える(J_BAT1等)。でないとBOM/アノテーションで「?」になる。

ディレクトリ構成

• docs/ — 元仕様書(AquaBeacon 確定仕様/実験検証仕様/詳細設計)
• LTspice/ — 回路シミュレーション(TX_improved/TX_advanced/RX_improved/RX_advanced は .asc、電源基板 CHILD_PWR/PARENT_PWR は .cir ネットリスト)
• sim/ — 検証スクリプトと notes.md(設計判断の全記録)
• scripts/ltspice_sim.py — LTspiceバッチ実行ラッパー(PyLTSpice)
• pcb/ — KiCad生成パイプラインと10基板+廃止1(詳細は pcb/README.md、発注は ORDERING.md、組立は BRINGUP_BOARDS.md(電源/メイン4基板) と BRINGUP.md(TX/RX)、システム統合は SYSTEM_INTEGRATION.md)。footprints/AquaBeacon.pretty/ は自作フットプリント、datasheets/ は部品データシートPDFの保管先
• onlyTX/ — 手作業KiCadプロジェクト(独立、REVIEW.md 参照)
• tools/auto_continue.ps1 — Claude Code 5時間制限の自動再開スクリプト

再現方法

# LTspice検証(要: LTspice + pip install PyLTSpice)
python sim\tx_improved_verify.py
python sim\child_pwr_verify.py     # 電源基板: 突入 / 逆接 / 負荷ステップ
python sim\parent_pwr_verify.py

# KiCad基板の再生成(sch/ERC/netlist/pcb/DRC/renderまで一括)
& "C:\Program Files\KiCad\10.0\bin\python.exe" -u pcb\build_tx_improved.py

# GNDベタの孤立島を探す(密なSMD基板でDRC zone unconnectedが出たとき)
& "C:\Program Files\KiCad\10.0\bin\python.exe" -u pcb\probe_islands.py pcb\CHILD_MAIN\CHILD_MAIN.kicad_pcb

# JLCPCB発注用(ガーバーzip + BOM + CPL)
python pcb\jlc_export.py CHILD_PWR

開発とライセンス

開発ガイドにセットアップ・入口・確認方法をまとめています。自作部分は Apache License 2.0。第三者素材・依存の扱いも参照してください。