UVをセンサで計測してみよう!⑦ ～外で実際に動作を確認してみよう ~実験編 | ディー・クル―・テクノロジーズブログ

UVをセンサで計測してみよう!⑦ ～外で実際に動作を確認してみよう　~実験編

2024年10月21日 3 〇〇作ってみた

なかなか実験の日程の調整ができず、実験日は2024/9/26(木)。夏？のぎりぎりになってしまいました。作成したUVセンサを傘につけ実験気象庁の計測値でみると、こんな感じです。 12時から20分ほど、会社近くの日産スタジアムに行くまでの見晴らしがよいところで実験しました。ただ当日は晴れではあったのですが、太陽の周辺に雲がありまた風もあったのでなかなか同環境での実験ができませんでした。秋晴れ! […]

UVをセンサで計測してみよう!⑥ ～外で実際に動作を確認してみよう　~準備編Ⅲ

2024年10月17日 3 〇〇作ってみた

組み立てたLeafonyをケースに入れよう組み立てたLeafonyを目立たないようケースに入れて外で実験できるようにしたいと思います。ケースに入れなくても実験はできますが、都会は人の目も多いですし、持ち歩いて怪しまれないように。さて、普段の業務だとケースというと”タカチケース”を購入して加工しているのですが、　「今回はスピード重視で簡単に加工できる」　「失敗してもすぐやり直せる」　をテーマ […]

システムLSIのブレイクスルー技術② DVFSの動作原理とSoC構成：プロセスばらつきを考慮した次世代設計

2024年10月11日 2 システムL S I 教室

こんにちは。今日はDVFS機能搭載プロセッサとDVFSの動作原理についてお伝えします。前回の記事はこちら DVFS機能搭載プロセッサのブロック図まず、DVFS機能搭載プロセッサについてです。図1に弊社が電源ＩＣで用いているDVFS機能搭載プロセッサのブロック図を事例として示します。 CPU内にクロック周波数/電源テーブルが配置され、負荷の大きさに対応するクロック周波数及び電源電圧Vddの指示情 […]

こんにちは。今日はDVFS機能搭載プロセッサとDVFSの動作原理についてお伝えします。

前回の記事はこちら

システムLSIのブレイクスルー技術① 動的電圧周波数スケーリング（DVFS）の基礎知識と負荷検出の仕組み

DVFS機能搭載プロセッサのブロック図

まず、DVFS機能搭載プロセッサについてです。図1に弊社が電源ＩＣで用いているDVFS機能搭載プロセッサのブロック図を事例として示します。

CPU内にクロック周波数/電源テーブルが配置され、負荷の大きさに対応するクロック周波数及び電源電圧Vddの指示情報をテーブルから出力します。

指示情報に基づきPLL及び可変電源を制御し、DVFSを実行します。すなわち、負荷の大きさに適合したクロック周波数、電源電圧を用いてDVFSが最適な値を選択実行することになります。

半導体企業の可変電源（DVFS対応電源IC）の製品例

半導体企業の可変電源（DVFS対応電源IC）の製品例を以下に示します。

半導体企業	製品例
1. TI	LM25066A
2. リニアテクノロジー	LTC3886
3. ダイアログ・セミコンダクタ	DA9063
4. ルネサス	ISL69269
5. オンセミコンダクタ	NCP81022
6. ADI	LTM4680
7. ディークルーテクノロジーズ	DCT013C（開発品）

半導体企業のDVFS対応製品（2024年9月弊社調べ）

また、Appleは、iOSなどのソフトウェアとAシリーズチップなどのハードウェアを密接に統合し、DVFSを効果的に活用しています。

Apple Mobile Processor における動的電圧スケーリング技術（DVFS）（2024年9月弊社調べ）

プロセッサの負荷監視: プロセッサ内部のセンサーやモニタリング機能が、プロセッサの負荷状況を定期的に監視する。これには、タスクの実行中の処理負荷や電力消費の推定が含まれる。
電圧と周波数の調整: 負荷の高い場面では、プロセッサの動作周波数を上げ、同時に電圧も増加させることで性能を最大限に引き出す。一方、負荷が低いときには、動作周波数を下げ、電圧を低く保ちながらも十分な処理能力を維持する。
スケーリングアルゴリズム: モバイルプロセッサには、動的電圧スケーリングを行う専用のアルゴリズムが組み込まれている。これらのアルゴリズムは、プロセッサの状態を評価し、最適な電圧と周波数の組み合わせを決定する。
バッテリー管理: バッテリーの残量や充電状態なども考慮に入れながら、電圧と周波数を調整する。

DVFSの動作原理

図2にDVFSの原理を示します。

まず上段の説明です。一般に低消費電力化を図るため、SoCではゲーテッドクロックが用いられます。Gated Clockは負荷が軽い場合、所要の処理が終了するとクロックを止めます。これで、タスク処理割当時間後半にはクロックを止めるので、１動作時間を半分＝消費電力1/2を図れます。

次に下段の説明です。DVFSではタスク処理割当時間丁度で処理が終了する様に、1/2の電源電圧、1/2のクロック周波数でSoCを動作させます。すなわちDVFSはゲーテッドクロックに比べて、さらに1/4の消費削減を図れます。

なお、CMOSの特性から、クロック周波数に比例して電源電圧を下げる事ができます。

プロセスバラツキを考慮したDVFS機能搭載SoC/MPU/GPU

次に図3にプロセスバラツキを考慮したDVFS機能搭載SoC/MPU/GPUのブロック図を示します。

リングオシレータ（Ring Osc）の発振周波数からMOSトランジスタの閾値（Vth）を推定します。例えばVthが低い方向に0.05Vばらついた場合、回路の動作周波数が上がります。同一周波数で動作させる場合、電源電圧（Vdd）を下げる事ができるので、消費電力を更に低減できます。一般にVthが低下するとトランジスタのリーク電流が増加しますが、Vdd低減による低消費電力化により相殺できます。こうした工夫によりプロセスバラツキを考慮した設計ができます。

なお、SoCの作りに応じて、リングオシレータは複数個所に挿入されることがあります。

参考までに各CMOS世代におけるVthのプロセスバラツキを示します。

いかがでしょうか。
次は、動的電圧スケーリング（DVS）開発の背景をお伝えしようと思います。

システムLSIのブレイクスルー技術③ 動的電圧周波数スケーリング（DVFS）(3)

曽根田光生

電気通信大学卒業。ソニー（株）で画像信号処理用LSI、ビデオメモリ、A/Dコンバータ、MPEG2チップの設計/商品化、低消費電力技術及びプレイステーション用セル回路設計などに尽力し、システムLSIに関連する特許を240件出願。ISSCC及びVLSI Circuitsのプログラム委員を歴任。工業所有権協力センター（財団）にて特許の先行技術調査を担当。 2023年ディー・クルー・テクノロジーズ（株）に入社。特許、半導体設計、技術人材育成等の業務に携わっている。

LSIに関するご相談はこちら

システムLSI教室目次へ

UVをセンサで計測してみよう!⑤ ～外で実際に動作を確認してみよう　~準備編Ⅱ

2024年10月7日 3 〇〇作ってみた

ついにセンサー情報をBLEで飛ばし、無線化しますよ～動作結果イメージ今回は、こんな風にUVインデックスが出てくるようにしたいですね。ハードウェア使用するLeafonyのリーフが１枚、追加になります。 AZ01 USBは、ソフトウェア書き込み時のみ使用し、動作時には外します。AV01 CR2032は前回同様、ねじ止めとして使用します。 leafの積み重ね方重ね方は、こんな感じです。ソフト […]

ソフトウェア書き込み時	ソフトウェア書き込み後
上から順に 29pin header, USB, AVR MCU, BLE Sugar, CR2032の順につなげてねじ止めします。	上から順に 29pin header, 4-Sensors, AVR MCU, BLE Sugar, CR2032の順につなげてねじ止めします。

変更箇所	➡変更後
センサのイネーブルピンにHigh出力	setupPort()　関数内に追加
・センサの出力ピンからアナログ値を取得・取得した値を電圧値に変換・電圧値からUVインデックス値に変換	loopSensor() 関数内に追加

ピン変更箇所	➡ピン変更後
センサ値の入力ピン　　　　　　A0	A3
センサへのイネーブル出力ピン　D7	D5

UVをセンサで計測してみよう!④ ～外で実際に動作を確認してみよう　~準備編Ⅰ~

2024年10月3日 3 〇〇作ってみた

こんにちは。あたふた仕事に追われていたら、10月になっていました💦相変わらず外は30℃超える日もあってアチチ。。秋っぽい高い青空が待ち遠しい～ ## センサ値を無線で飛ばそうさて、前回は、PCでセンサ値を表示することができましたが、実際に外で実験する場合、PCを持ち歩かないといけないというのは大変なので無線化して、スマートフォンで確認できるようにしたい！と申しておりました。 (PC持ち歩いてした […]

変更前	➡　変更後
#include <HTS221.h>	#include <Arduino_HTS221.h>
#include <ST7032.h>	#include <LCD_ST7032.h>
ST7032 lcd;	LCD_ST7032 lcd;
lcd.begin(8, 2);	lcd.begin();
lcd.setContrast(30);	lcd.setcontrast(30);
smeHumidity.begin();	HTS.begin();
dataTemp = (float)smeHumidity.readTemperature();	dataTemp = (float)HTS.readTemperature();
dataHumid = (float)smeHumidity.readHumidity();	dataHumid = (float)HTS.readHumidity();

システムLSIのブレイクスルー技術① 動的電圧周波数スケーリング（DVFS）の基礎知識と負荷検出の仕組み

2024年10月1日 2 システムL S I 教室

久々にシステムLSI記事を更新します。今回は動的電圧周波数スケーリング（DVFS）の概要についてお伝えします。 DVFSとは動的電圧周波数スケーリング（Dynamic Voltage and Frequency Scaling, DVFS）は、プロセッサの処理量（負荷）の大小に応じて、電源電圧およびクロック周波数を動的（適応的）に切り替える技術です。これにより、必要な性能を維持しつつ、消費電力を […]

久々にシステムLSI記事を更新します。今回は動的電圧周波数スケーリング（DVFS）の概要についてお伝えします。

DVFSとは

動的電圧周波数スケーリング（Dynamic Voltage and Frequency Scaling, DVFS）は、プロセッサの処理量（負荷）の大小に応じて、電源電圧およびクロック周波数を動的（適応的）に切り替える技術です。これにより、必要な性能を維持しつつ、消費電力を最適化し、発熱を抑えることができます。

このDVFSによるクロック周波数/電源電圧の動的切り替えについて、表１に示します。

各種システムLSI（SoC）やプロセッサでは低消費電力化を図るために動的電圧周波数スケーリング（DVFS）が広く導入されています。例えば、SoCの負荷が低いときには動作周波数及び電源電圧を下げ、低消費電力化を図ります。一方、高負荷時には高性能を必要とするアプリケーションに対して、周波数及び電源電圧を上げて高速処理を可能にします。DVFSは負荷の大小に応じて動的に最適な電圧/周波数を割り当て、低消費電力化を図る手法です。

各クロック周波数/電圧における具体的なアプリケーションは概ね下記の通りです。

2GHz/1.2V:	AIモデルの学習や推論、ゲーム、ビデオ編集、画像認識、画像生成、画像処理タスク（高解像度）など、高負荷の作業時に切り替えます。
1.5GHz/1V:	自然言語処理や音声認識など、中程度の負荷の作業時に切り替えます。
0.8GHz/0.5V:	画像処理タスク（低解像度）、長時間かけて良い推論、Office作業、Web閲覧、スリープモードなど、低負荷の作業時に動的切り替えを実施します。

DVFSで用いられている負荷検出手段（MPUの例）

MPUにおいてDVFSで用いられている負荷検出手段を表2に示します。DVFSはMPUのみならず、モバイルプロセッサ、GPU, ECU 等で広く実用化されています。

負荷検出手段	内容
CPU使用率	プロセッサがどれだけ稼働しているかを示す指標
命令カウント	一定時間以内に実行した命令の数
キャッシュミス率	高いキャッシュミス率はメモリアクセスが頻繁に
コンテキストスイッチの頻度	プロセッサが異なるタスク間で切替を行う頻度を測定
メモリバンド幅の使用率	メモリに対するデータの読み書きの頻度
パフォーマンスカウンタ	命令の実行数、分岐予測ミス（例外、割り込み）、キャッシュミス
センサーデータのモニタリング	温度センサ、電力センサ(IVセンサ)の監視

表2 DVFSで用いられている負荷検出手段(MPUの例）

各半導体企業のソリューション例

各半導体企業が得意なアプリケーション、ハードウェアの競争力を高めるDVFS技術を提供しています。それぞれ簡単に説明します。

DVFSの種類	概要
NVIDIA 「GPU Boost」	GPUの電力管理を実現のための技術で、一部のGPUシリーズに搭載されています。
AMD GPU 「PowerTune」	AMDの「PowerTune」は、エネルギー消費の削減に加え、コンピュータの冷却によって発生する騒音レベルを下げ、モバイルデバイスのバッテリー寿命を延ばすのに役立ちます。(wikipedia)
Intel MPU, GPU「DVFS」	Intelは、MPU（マイクロプロセッサユニット）およびGPU（グラフィックスプロセッサユニット）においてDVFS技術を採用しています。これにより、プロセッサの動作周波数と電圧を動的に調整し、効率的な電力管理を実現しています。
Appleスマホ用プロセッサ Aシリーズ「DVFS」	AppleのAシリーズプロセッサもDVFS技術を活用しています。これにより、iPhoneやiPadのパフォーマンスを最適化しつつ、バッテリー寿命を延ばすことができます。

DVFSは、現代のプロセッサにおいて不可欠な技術であり、各企業が独自のソリューションを提供しています。これにより、パフォーマンスと電力効率のバランスを取ることが可能となり、ユーザーにとって快適な使用体験を提供します。

次回はDVFSのブロック図、及び動作原理についてご説明します。

システムLSIのブレイクスルー技術② 動的電圧周波数スケーリング（DVFS）(2)

曽根田光生

電気通信大学卒業。ソニー（株）で画像信号処理用LSI、ビデオメモリ、A/Dコンバータ、MPEG2チップの設計/商品化、低消費電力技術及びプレイステーション用セル回路設計などに尽力し、システムLSIに関連する特許を240件出願。ISSCC及びVLSI Circuitsのプログラム委員を歴任。工業所有権協力センター（財団）にて特許の先行技術調査を担当。 2023年ディー・クルー・テクノロジーズ（株）に入社。特許、半導体設計、技術人材育成等の業務に携わっている。

LSIに関するご相談はこちら

システムLSI教室目次へ

UVをセンサで計測してみよう!③ ～センサを実際に動かしてみる

2024年9月28日 3 〇〇作ってみた

では、さっそくセンサを動かしてみましょう! ## ハードウェア ML8511使用紫外線センサーモジュール: オプトエレクトロニクス秋月電子通商-電子部品・ネット通販 (akizukidenshi.com) 久しぶりの半田付けで少しドキドキしました(苦笑) 感覚忘れないように定期的にしないとダメですね。頑張ります! こちらは、以前のテーマ↓で使用したデバイスを流用しています。そして、手軽に紫外線 […]

UVをセンサで計測してみよう!②～UVセンサとは?

2024年9月20日 3 〇〇作ってみた

こんにちは。UV計測ガジェットを作るシリーズの２回目です。紫外線を計測できるお手頃なモジュールはいろいろありますが、今回は ML8511使用紫外線センサーモジュール: オプトエレクトロニクス秋月電子通商-電子部品・ネット通販 (akizukidenshi.com)このセンサーモジュールを使用します。約10mm角のコンパクトでとっても使いやすそうな形状です。 ## ML8511のセンサ特性この […]

こんにちは。UV計測ガジェットを作るシリーズの２回目です。

紫外線を計測できるお手頃なモジュールはいろいろありますが、今回は

ML8511使用紫外線センサーモジュール: オプトエレクトロニクス秋月電子通商-電子部品・ネット通販 (akizukidenshi.com)
このセンサーモジュールを使用します。約10mm角のコンパクトでとっても使いやすそうな形状です。

## ML8511のセンサ特性

このML8511はUV-AおよびUV-Bに対する光センサで、センサ値はアナログ値で出力されます。

## UV-A,UV-Bの定義

ちなみに、前回の記事でお肌に影響のある紫外線の波長にはUV-AとUV-Bの２種類あると触れましたが、定義がいくつかあるようで、気象庁ではこういう分け方をしています。

UV-B 280-315nm（ナノメートル）
UV-A 315-400nm

ちなみにML8511はUV-AとUV-B両方が合わさった値が出力されます。せっかくなのでそれぞれの値も知りたかったところですが、まあ今回はUV対策グッズの効果をみるのが目的ですので全く問題ないですので、このセンサで評価していこうと思いますm(__)m

## UV対策グッズの効果の評価指標

ML8511が計測したセンサ値をわかりやすく表示するために指標があると便利ですね。WHOが提示した紫外線の人体への影響度合いに関する指標として”UVインデックス”というものがありますので、センサ値からこのUVインデックスを求めて、UV対策グッズを使用した場合どう表示が変わるのか確認する装置を作っていきましょう。

ML8511から出力されるセンサ値は電圧値が出力されるので、電圧値からこのUVインデックスを求めることになるのですが、今回のテーマはここの作り方に気を付ける必要がありそうです。

### UVインデックス　（環境省紫外線環境保健マニュアル）

（引用） UVインデックスとは、日常生活で使いやすい数値(影響度合いの一つの目安)とするため、地上に達する紫外線の波長毎の強さと、人体への影響度(紅斑作用スペクトル)を掛け合わせた数値を、使いやすい数値(0~11+)に指標化したものです。（引用ここまで）

WHOの基準を基に、UVインデックスに応じた対策が定義されていますが、12段階あるインデックス値を、環境省はさらにシンプルに5段階に分け対策指標化していますね。

次回は、実際にセンサーを使ってUV計測を行います！

UVをセンサで計測してみよう!③ ～センサを実際に動かしてみる

ユキグマ

工作＆モノづくり系好き女子。電子工作グッズは無地のメイクボックスに入れてお部屋の雰囲気を保ちます。フランボワーズケーキに目がないです。

UVをセンサで計測してみよう!① ～UVとは？

2024年9月11日 3 〇〇作ってみた

お盆もとうに過ぎ、もうすぐ衣替えの季節というのに、燦々と輝く太陽の光はいまだ真夏の様。会社帰りに好きなブランドのウィンドウショッピングしてると、どの店ももう秋物の新作ばかり並べています。めちゃくちゃ欲しいけど、暑さが和らぐ気配もみじんもなく、一体いつ着られるようになるかしらと、購入には二の足三の足？踏んでます。あら私、今日はUV対策のお話をしたかったのですが、話が秋物選びに飛んでしまいました笑 […]

お盆もとうに過ぎ、もうすぐ衣替えの季節というのに、燦々と輝く太陽の光はいまだ真夏の様。

会社帰りに好きなブランドのウィンドウショッピングしてると、どの店ももう秋物の新作ばかり並べています。めちゃくちゃ欲しいけど、暑さが和らぐ気配もみじんもなく、一体いつ着られるようになるかしらと、購入には二の足三の足？踏んでます。

あら私、今日はUV対策のお話をしたかったのですが、話が秋物選びに飛んでしまいました笑　

皆さんはUV対策としてどんなことをされていますか?

ちなみに私は、日焼け止めに日傘、帽子、手袋ってとこでしょうか。

最近は男女、大人も子供も関係なく日傘を差しているのをよく街でみますね。数年前まではここまで日傘人口をみなかったように個人的には感じてます。

実際私も日ごろ日傘には大変お世話になっています。最近はゲリラ豪雨も頻繁なので晴雨兼用の日傘を常に持ち歩いています。（便利ですね）

そこで今回は、日傘などのUV対策グッズで実際どれくらいのUVカットになっているのか、ガジェットを作って確認してみよう！と思います。

※今回の検証はあくまで個人的興味です。試した製品のUVカット効果を検証し賛否することが目的ではありませんのであしからずご了解ください。

以下、蛇足：

このブログを書くにあたって紫外線にしらべていたところ、環境省の紫外線環境保健マニュアルに日焼け止めについて記載されていて、詳しくて素晴らしかったのでご紹介しますね。

https://www.env.go.jp/content/900410650.pdf 紫外線環境保健マニュアル2020（環境省HP）

まず、紫外線に種類が３つあり、お肌に大敵なのはそのうち２つで、「UV-A」と「UV-B」と呼びます。

UV-A：降り注ぐ量は多いが、お肌への影響は比較的小さい。ただし長く当たりすぎるとNGのタイプ。
UV-B：降り注ぐ量は少ないが、お肌への影響が大きいので、短期間でも当たりたくないタイプ。

そして、日焼け止め。これも「紫外線吸収剤」「紫外線散乱剤」の２種類あるんです。これも知らなかったです。

さらに、日焼け止めクリーム等に記載されている紫外線を防ぐ強さを示すSPFやPAという指標。これもなんとなく「数字が大きいのがより防いでくれるものさ」といった程度の印象で使っていました。実際は、SPFがUV-Bに対する指標。PAがUV-Aに対する指標なのでした。

普段私が通勤で日焼け止めとして使用しているファンデーションはSPF 50のPA+++なので、炎天下のレジャー向きでした💦 平日は外に出るのは通勤とランチのみ、というような生活だと過剰防御かもしれませんね。

本論からどんどんずれますが💦マニュアルにあった日焼け止めの塗り方も目から鱗だったので載せておきます。皆さん、ファンデは丁寧に塗って、しっかり紫外線を防ぎましょうね！

さてさて次回は、センサモジュールの準備についてご紹介します。

UVをセンサで計測してみよう!②～UVセンサとは?

ユキグマ

工作＆モノづくり系好き女子。電子工作グッズは無地のメイクボックスに入れてお部屋の雰囲気を保ちます。フランボワーズケーキに目がないです。

ディジタル信号処理～高校数学で理解する離散フーリエ変換⑦　周波数成分の求め方４

2024年9月3日 5 ディジタル信号処理

さあ、今日は複素正弦波を使って具体的に離散フーリエ変換の計算の仕方をお伝えします。離散フーリエ変換の公式再び、離散フーリエ変換の公式です。左辺のX(k)は、ある周期の波kに対し計算実施した結果で、全部でN個分のデータとなります。右辺のx(n)は、”0～N-1の離散フーリエ変換対象の信号”です。このブログではx(n)を”時刻 0～N-1の時間信号&#82 […]

作成したUVセンサを傘につけ実験

試した日傘(私物)はこの2つ

実験結果

①裏地が黒で99.9%カットと保証がされていた日傘UVインデックス値の結果

②麻生地の日傘のUVインデックス値の結果

組み立てたLeafonyをケースに入れよう

ダイソーで発見した”便利ケース”

DVFS機能搭載プロセッサのブロック図

半導体企業の可変電源（DVFS対応電源IC）の製品例

DVFSの動作原理

プロセスバラツキを考慮したDVFS機能搭載SoC/MPU/GPU

動作結果イメージ

ハードウェア

leafの積み重ね方

ソフトウェア

Arduino側のプログラム動作手順概要：

UVインデックスの定期無線送信設定

動作結果

## センサ値を無線で飛ばそう

## Leafonyを動かしてみよう

## ハードウェア

## ソフトウェア

## 動作結果

DVFSとは

DVFSで用いられている負荷検出手段（MPUの例）

各半導体企業のソリューション例

## ハードウェア

## ハードウェア接続

## プログラム実装

Arduino側のプログラム動作手順概要：

## センサ動作結果

## ML8511のセンサ特性

## UV-A,UV-Bの定義

## UV対策グッズの効果の評価指標

### UVインデックス （環境省紫外線環境保健マニュアル）

離散フーリエ変換の公式

離散フーリエ変換公式による計算

### UVインデックス　（環境省紫外線環境保健マニュアル）