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SB103:フィジカルコンピューティング論・演習

科目番号、授業科目名

SB103、フィジカルコンピューティング論・演習/Physical Computing

科目区分、必修・選択、授業の方法、単位数

産業技術学部 専門教育系科目 専門教育科目、選択必修、講義・演習(対面)、3単位

履修年次、開設学期

2年次、2学期

受講対象

情報科学コース

担当教員

白石 優旗
米山 文雄


科目の到達目標

入出力インターフェイスやアナログ・ディジタル変換について学習することにより、フィジカルコンピューティングに関する基礎的な知識を習得できる。更に、C言語のプログラミングによる各種の演習を通してソフトウェアとハードウェアの関連性を理解することで、マイクロプロセッサ(MPU)をコアとする組込みシステムを構築するための基礎力を身に付けることができる。

学習の項目別目標

1.フィジカルコンピューティングと組込みシステム
フィジカルコンピューティングについて理解する。また、組込みシステムは、CPU、メモリ、入出力装置(入出力インターフェイス)で構成されることを理解する。
2.タクトスイッチと発光ダイオード(LED)
もっとも簡単な入出力機器を使って、IOポートを利用するMPU制御の基本を理解する。
3.7セグメントLEDへの文字表示
ヒトが読み取れる表示器を使うことで、MPU制御が身近なものとなることを確認する。
4.割り込み
外部割り込みやタイマ割り込みのプログラミング手法を習得する。また、各種の実験を通してその重要性を認識する。
5.アナログ-ディジタル(AD)変換、ディジタル-アナログ(DA)変換
ビット数と量子化精度、入出力特性と符号化、MPUとの接続について理解する。また、任意波形の出力、距離計測などの実験を通して、MPU制御の実用的価値を理解する。
6.モータの制御
ステッピングモータなどの制御について基本的な考え方を理解する。また、身近にあるモータの制御を題材にして、MPU制御の有効性を理解する。
7.フィジカルコンピューティングと組込みシステムの開発事例
実例を通して開発の流れを理解する。


授業概要

我々が生活している「現実空間」とコンピュータやインターネットからなる「仮想空間」を接続する知識と技術を身につけることを目標とする。具体的には、コンピュータのコアとなるCPUアーキテクチャを抑えた上で、それら2つの空間を繋ぐ「入出力インターフェイス」や「アナログ・ディジタル変換」等について学習する。更に、組込みボードを用いたプログラミング実験を通して、ハードウェアとソフトウェアの関係を理解するとともに、「組込みシステム」を構築するための基礎的な力を養う。

時間外学修に必要な学習時間の目安

目安 準備学修3.5時間
事後学修3.5時間

授業計画

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  • ガイダンス、実験システムの取り扱い
    (キーワード)フィジカルコンピューティング、実験システム、RAM、ROM
    (予習)新しく学習する分野に興味を持って授業に臨む
    (復習)学習目標について十分に理解する
  • フィジカルコンピューティングと組込みシステム、発光ダイオード(LED) の制御
    (キーワード)MPU、メモリ、バス、入出力インターフェイス、入出力ポート、発光ダイオード(LED)
    (予習)配布資料の該当ページを読む
    (復習)実験ノート・資料を見直しする
  • タクトスイッチによる外部LEDの制御(ディジタル入出力)
    (キーワード)タクトスイッチ、チャタリング
    (予習)配布資料の該当ページを読む
    (復習)実験ノート・資料を見直しする
  • C言語の割り込み(外部要因による割り込み)と応用実験
    (キーワード)外部割り込み、優先度
    (予習)配布資料の該当ページを読む
    (復習)実験ノート・資料を見直しする
  • 内蔵タイマによる割り込みと応用実験
    (キーワード)タイマ割り込み、PWM、アナログ出力
    (予習)配布資料の該当ページを読む
    (復習)実験ノート・資料を見直しする
  • 7セグメントLEDの原理と回路設計
    (キーワード)アノードコモン、カソードコモン、7セグメントデコーダ
    (予習)配布資料の該当ページを読む
    (復習)実験ノート・資料を見直しする
  • 7セグメントLEDへの数値表示とロジックアナライザを用いた解析
    (キーワード)パラレル出力、時計プログラム作成、ロジックアナライザ
    (予習)配布資料の該当ページを読む
    (復習)実験ノート・資料を見直しする
  • センサ(赤外線・光・温度・音センサ)の原理とインターフェイス法
    (キーワード)ビット数、量子化、符号化、入出力特性、逐次比較型、変換速度
    (予習)配布資料の該当ページを読む
    (復習)実験ノート・資料を見直しする
  • アナログ-ディジタル(AD)変換の実験
    (キーワード)距離センサを用いた距離測定
    (予習)配布資料の該当ページを読む
    (復習)実験ノート・資料を見直しする
  • ディジタル‐アナログ(DA)変換の原理
    (キーワード)電流加算型回路、ラダー回路
    (予習)配布資料の該当ページを読む
    (復習)実験ノート・資料を見直しする
  • ディジタル-アナログ(DA)変換の実験
    (キーワード)のこぎり波及び三角波の出力、数学関数を使った正弦波の出力、任意の波形出力、オシロスコープ
    (予習)配布資料の該当ページを読む
    (復習)実験ノート・資料を見直しする
  • モータの制御
    (キーワード)DCモータ、ステッピングモータ、サーボモータ
    (予習)配布資料の該当ページを読む
    (復習)実験ノート・資料を見直しする
  • リモコンカーの自動制御①
    (キーワード)回路設計、回路構築
    (予習)配布資料の該当ページを読む
    (復習)実験ノート・資料を見直しする
  • リモコンカーの自動制御②
    (キーワード)プログラミング設計、プログラム作成
    (予習)配布資料の該当ページを読む
    (復習)実験ノート・資料を見直しする
  • リモコンカーの自動制御③
    (キーワード)デバッグ、計測、評価
    (予習)配布資料の該当ページを読む
    (復習)実験ノート・資料を見直しする

履修条件

なし

学習に必要な知識・技能等

電気回路学やC言語プログラミングの知識。


成績評価方法

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期末試験小テストレポート発表作品学習計画その他合計
総合評価 40 0 40 0 0 0 20 100
総合力指標 知識 20 0 10 0 0 0 0 30
技能 10 0 20 0 0 0 0 30
応用 10 0 10 0 0 0 0 20
表現 0 0 0 0 0 0 0 0
協調 0 0 0 0 0 0 0 0
意欲 0 0 0 0 0 0 20 20
  • 知識:知識を取り込む力
  • 技能:技能を修得する力
  • 応用:想起・解釈・問題解決能力、思考・推論・想像する力
  • 表現:プレゼンテーション力(提示・発表・伝達する能力)、コミュニケーション力(思考・感情を伝達する能力)
  • 協調:コラボレーション力(共同・協調する能力)、リーダーシップ力(統率力、指導力)
  • 意欲:自ら考え行動する力(学習に取り組む姿勢・意欲、チャレンジ精神、自己管理能力)

成績評価基準

  • 知識:フィジカルコンピューティングに関する基本的な知識を正確に理解できる。
  • 技能:アドレス計算、論理計算、課題に合ったプログラムの作成、及び、回路の組み立てができる。
  • 応用:与えられた要求仕様を満たすシステムを設計することができる。また、自分で独自の機能を追加することができる。
  • 表現:
  • 協調:
  • 意欲:授業に欠かさず出席し、全てのレポートを期限までに提出するなどの積極性を持っている。

教科書・教材・参考文献・配布資料等

担当教員作成によるテキスト、教材を使用する。
また、参考文献は授業中に適時提示する。
副読本:「絵で見る組込みシステム入門 改訂新版」(一般社団法人組込みシステム技術協会、電波新聞社)、「組込みシステムのハードウェア設計入門講座」(坂巻佳壽美、電波新聞社)、「組込みシステム概論」(情報処理学会組込みシステム研究会、CQ出版社)など

授業における配慮

・手話、口話、板書、液晶プロジェクタなど多様なコミュニケーション手段を活用する。
・コミュニケーションツールを活用することで、授業時間外での質疑応答と、受講者間での情報共有を可能とする。
・電子ファイルによるレポート提出・添削・返却・再提出を行い、学生の技術文書作成能力を高める。

受講生に望むこと

・実験レポートは徹底的に添削するので、技術文書作成能力を磨いてほしい(このためにはレポートの未提出や遅延があってはならない。また、考察など自分の考えを記した文章をできるだけ多く書き、教員の目に触れさせることが大切である)。 ・学生によって課題終了までの時間に差が出るのはやむを得ない。時間がかかっても、粘り強く最後まで取り組んでほしい。

教員実務経験