Head sensor board

🧠 Serpens Head Sensor Board

Prototype head sensor PCB for the Serpens snake-shaped pet robot.

Serpensの頭部に搭載するために設計している、 試作用センサ基板です。

XIAO ESP32S3 Senseを中心に、

• VL53L1X ToFセンサ ×2
• NSSW157T 白色LED ×2
• MOSFET PWM駆動
• I2C
• Test Points
• 外付けLEDヘッダ

をまとめています。

主な目的は、

• 床端・崖の検出
• 頭部周辺の距離センシング
• LEDによる表現・照明試験

です。

⚠️ 現在は設計・製造データ生成まで完了していますが、 実基板はまだ発注・製造していません。

📊 Current Status

🖼 PCB Preview

Top / Angle View

※ 実物写真ではなく、KiCad上の3Dレンダリングです。

⚙️ Main Components

• XIAO ESP32S3 Sense
• VL53L1X ×2
• NSSW157T ×2
• AO3400A / MOSFET
• I2C pull-up
• Test points

📐 Board

• Size: 44 × 28 mm
• Layers: 2
• M2 mounting holes ×2
• GND plane on both layers
• USB-C access from board edge
• ToF headers on long edges
• LED / external LED headers on right side

🔬 Verification

現在までに、

• ERC: 0 errors
• DRC: 0 violations
• Unconnected: 0
• Schematic / PCB mismatch: 0
• Silkscreen clearance check
• Gerber verification

を行っています。

ただし、 実機に接続しての電源・ToF・LED動作確認は未実施です。

⚠ 電源の運用上の注意（User 指示 2026-10-01。回路図の注記 H にも同じ内容）

1. 5V は試験用の選択肢で、既定は 3V3。 5V にしたときの合計 493 mA は USB 2.0 の 500 mA ぎりぎり（余裕 7 mA）。XIAO の 5V ピンの電流能力は未確認。
2. 3V3 は、Wi-Fi 送信・撮影・LED 100 %・ToF ピークを同時にしない運用が必要。 実機で XIAO の 5V 入力電流を測るまで。（Seeed の条件不明の 0.65 A を上限と見ると 3V3 の合計は 808 mA = Seeed の「700 mA」の 115 %。docs/spec.md §4.3）

進み具合

配線後の配置（Stage 4）

• 44 × 28 mm、角 R1、M2 穴 ×2（右の 2 つの角、縁から 2.1 mm）。2 層。python tools/make_board.py --width W --height H で、外形・配置・配線・DRC まで作り直せる（再生成と検証）。
• USB-C は左の縁（左下に矢印と「USB-C」の刻印）、LED（D1/D2）と外付け LED ヘッダ（J3/J4）は右寄りの縁、ToF ヘッダ（J1/J2）は上下の長辺の縁（6 本の信号名を刻印）、TP は上面。「L」「R」の刻印あり。
• 下半分 = L チャンネル、上半分 = R チャンネル（上面から見て USB-C を左にしたとき）。基板上の L/R はロボットの左右とは限らない（ジャンパー線で左右は自由に決められる）。
• 配線: 電源（+3V3・+5V）0.5 mm、LED の電流の経路 0.4 mm、信号 0.25 mm。GND は両面のベタ。ビア 28 個。I2C の長さは SDA 32 mm・SCL 38 mm。
• DRC: 違反 0 件（クリアランス 0.2 mm・縁 0.5 mm・未接続 0・回路図との不一致 0。プロジェクトで「無視」にしていた 4 種の検査も有効にして 0 件）。docs/drc_report.txt
• 刻印の検査（tools/check_board.py）: 上面の刻印 137 個が、ランド・ほかの刻印と 0.15 mm 以上、ヘッダの樹脂部（2.54 mm 角）と 0.05 mm 以上、XIAO の外形・基板の縁と離れている。シルクの線は全部 0.15 mm 以上、文字の高さは 0.8 mm（2026-10-05 に 0.12 → 0.15 mm に直した。発注先 4 社の公開仕様との照合 → docs/fab_check.md。JLCPCB の標準の文字（高さ 1.0 mm 以上）だけは未達で、注文画面の「高精度の文字」を選べば通る。PCBWay・Elecrow・Seeed Fusion は通る）。J1/J2 の信号名は樹脂部の外に 2 段で置き、奥の段には樹脂部の手前までの引き出し線を引いた。
• XIAO の下（ソケットの内側）に小さい部品を置き、裏面は GND ベタ。Sense 拡張ボード（カメラ・microSD）は XIAO の上面に載り、基板側の部品とは干渉しない（出っ張りは未確認。docs/spec.md §6.5）。

斜め上から（XIAO・拡張ボードは簡易な箱。高さは仮）	真上から（XIAO を外した状態）

そのほか: 層ごとの配線（表面 F.Cu・裏面 B.Cu）、3D 真上、3D 裏面。

ToF 小基板のピン配置と、ジャンパー線の対応表（現物が届いたら埋める）

J1 / J2 の 6 本は、ToF 小基板（VL53L1X、Amazon B083Z316NC）へジャンパー線でつなぐ。小基板のピン配置は販売ページに記載がなく、未確認。 ヘッダの並び（上面に信号名を刻印）は仮で、小基板の並びが違っても基板の作り直しは要らない（線でつなぎ替える）。J1 = ToF L（下の縁）、J2 = ToF R（上の縁）。pin1 は右端（上面から見て、VIN）。

J1 / J2 の向き（Stage 3 から 180° 回した理由）と確認結果

• ピン 1（四角いパッド）は右端（上面から見て USB-C を左にしたとき）。刻印の並びは右から VIN, GND, SCL, SDA, XSHUT, GPIO1（左から読むと GPIO1, XSHUT, SDA, SCL, GND, VIN）。J1 と J2 は同じ向き・同じ x（ピン 1 = 基板の左端から 23.8 mm）。
• Stage 3 ではピン 1 が左端だった。Stage 4 で 180° 回した理由: XIAO では SDA（D4）が SCL（D5）の左にある。ヘッダも SDA が SCL の左になる向きにすると、I2C の線が交差せずに、層の乗り換え（ビア）も減る。ヘッダの信号の割り当て（pin1 = VIN … pin6 = GPIO1）は回路図のまま変えていない（並べ替えは物理的な向きだけ）。ジャンパー線で小基板につなぐので、向きは線の取り回しにしか影響しない。
• 確認（python tools/check_board.py、基板を直接読む）: J1/J2 の 6 パッドすべてで、基板のネット = 回路図のネット = 刻印の名前（pin1 +3V3/VIN、pin2 GND、pin3 SCL、pin4 SDA、pin5 XSHUT_L/R、pin6 TOF_L_INT/TOF_R_INT/GPIO1）。四角いパッドは pin1 だけ。

小基板の仕様（現物で確認して埋める）

対応表（J1 / J2 のピン ↔ 小基板のピン）

2 個の小基板は I2C アドレスが同じなので、XSHUT で 1 個ずつ起動して、片方のアドレスを変える（docs/spec.md §3）。

フォルダ構成

数値・部品名の出典

確認状態: ✅ 原本（データシート・公式図面）で確認 ／ 🟡 販売ページ・Wiki で確認 ／ 🔴 未確認・仮定。確認できていないものは、docs/spec.md の各表に「未確認」と書いてある。

ライブラリの出典

libs/ にあるのは、KiCad 標準ライブラリに無い（または標準を少し変えた）7 点だけ（python tools/gen_libs.py で生成）。

3D モデル: 標準ライブラリにある部品（ピンヘッダ、抵抗、MOSFET など）は標準のモデル。XIAO + Sense 拡張ボードと NSSW157T は 3dmodels/ の簡易な箱（高さは仮。見た目の確認用で、寸法の根拠にしない）。

再生成と検証

python tools/led_budget.py        # LED 電流・3V3/5V の総電流の計算（docs/led_budget_output.txt）
python tools/gen_libs.py          # 自作ライブラリ（libs/）と sym-lib-table / fp-lib-table
python tools/gen_3d.py            # 簡易 3D モデル（3dmodels/）
python tools/gen_schematic.py     # 回路図（※KiCad で手直しした後は実行しない。手直しが消える）
python tools/check_netlist.py     # ネットリストを期待と照合、回路図のピン番号がフットプリントのパッドに存在するか
python tools/make_board.py [--width 44 --height 28] [--reuse-routes]
                                  # 外形・配置（gen_pcb.py）→ 自動配線（route.py、numpy + scipy）→ トラック・ビア・GND ベタ（apply_routes.py）→ DRC。
                                  # ※既存の基板を作り直す（KiCad で手で直した配線は消える）。約 30 秒
                                  # --reuse-routes: ランドの位置を変えず刻印だけ直したとき、配線をやり直さない（DRC で整合を確かめる）。自動配線は約 1〜10 分（CPU が空いていれば 1 分以内）
"C:/Program Files/KiCad/10.0/bin/python.exe" tools/check_board.py   # J1/J2 のネット・パッド・刻印の照合、刻印のすきまの検査（問題があれば終了コード 1）
"C:/Program Files/KiCad/10.0/bin/python.exe" tools/render_routed.py   # 配線後の配置図・層ごとの配線（docs/*.png）
python tools/render_3d.py         # KiCad の 3D ビュー（docs/board_3d_*.png）
python tools/make_outputs.py [--bom]   # ERC・DRC・回路図 PDF・BoardRepo 用 zip（--bom で BOM も）
python tools/make_fabrication.py  # gerbers/（ガーバー・ドリル・位置ファイル・BOM・ZIP）。**User の確認のあとにだけ**
python tools/verify_gerbers.py    # 出力した ZIP を別のライブラリ（gerbonara）で読み直して、基板と照合（pip install gerbonara）
python tools/compare_gerbers.py --current   # gerbers/ が今の基板から作り直した図形と同じか（古くなっていないか）。2 つの ZIP / git の ref の比較にも使える
"C:/Program Files/KiCad/10.0/bin/python.exe" tools/check_fab_rules.py [--md docs/fab_check.md]   # 発注先 4 社の公開仕様（tools/fab_rules.json）との照合
python tools/gen_bringup_tables.py   # 導通の確認表 docs/bringup_nets.md（回路図から）
python tools/run_all_checks.py    # 上の検査を全部まとめて回す（何も書き換えない。発注の前に）

KiCad は C:/Program Files/KiCad/10.0/bin/kicad-cli.exe（PATH には入っていない）。tools/pcb_template.kicad_pcb は空の基板（層・設定だけ。gen_pcb.py が毎回ここから作る）。 自動配線は KiCad の Python に scipy が無いため、基板の形状を docs/placement_geometry.json に書き出し → システムの Python で配線 → docs/routes.json → KiCad の Python で基板に書き戻す、の 3 段。

BoardRepo について

• BoardRepo は「アップロードのたびに番号つきの版ができる」方式で、閲覧・MCP は OAuth のサインインが要る（boardrepo.com）。Agent 側からは取り込みを確認できない。User が手動でアップロードする。
• snake-main-board の GitHub リポジトリにも、BoardRepo の Webhook・チェック・コミットステータスは残っていない（確認済み）。
• アップロード用の束: C:\2026\Serpens_Home AI\head-sensor-board_upload.zip（tools/make_outputs.py が作る。Git には入れない）。中身: .gitignore、README.md、.kicad_pro、.kicad_sch、.kicad_pcb（Stage 4: 44×28 mm、配線済み・GND ベタ。ガーバーではない）、sym-lib-table、fp-lib-table、libs/（自作ライブラリ）、3dmodels/（簡易 3D モデル）。別フォルダに展開して、ERC 0 件・DRC 0 件になることを確認する（make_outputs 後に実施）。
• アップロードして表示できたかは User の確認が要る。

注意

• *-backups/、fp-info-cache、*.kicad_prl、ロックファイル、自動保存、*_upload.zip は Git に入れない（.gitignore）。
• このフォルダは、親の serpens（ロボット制御のリポジトリ）とは別の Git リポジトリ（入れ子）。親側は .git/info/exclude で無視している。snake-main-board とも別。