BeagleBone

概要

BeagleBoneはBeagleBoard.org財団（Texas Instruments支援）が開発するオープンソースのSBC（シングルボードコンピュータ）シリーズです。産業・研究・教育用途を主なターゲットとし、豊富な入出力ピン・リアルタイム処理能力・産業グレードの信頼性が特長です。

最も普及しているモデルがBeagleBone Black（BBB）です。Texas InstrumentsのAM335x SoC（ARM Cortex-A8、1GHz）を搭載し、**PRU（Programmable Real-time Unit）**と呼ばれる独自のリアルタイムコプロセッサを2基内蔵しています。PRUは最大200MHzで動作し、マイクロ秒以下のリアルタイムI/O制御をLinuxとは独立して実行できます。

Raspberry Piと比べるとコミュニティ規模は小さいですが、産業用途での実績・PRUによるリアルタイム性・豊富なGPIOがあり、工場自動化・産業通信・研究プロジェクトで採用されています。

歴史・背景

BeagleBoardの歴史は2008年にさかのぼります。Texas InstrumentsのOMAP3530（ARM Cortex-A8 + PowerVR SGX GPU）を搭載したBeagleBoardが登場し、低消費電力でLinuxが動くシングルボードとして研究コミュニティに普及しました。

2011年にBeagleBone（初代）が登場。AM3358 SoCを搭載し、2×46ピンのP8/P9ヘッダー（合計92ピン）という大量のI/Oピンと、クラウドIDEからブラウザ経由でプログラムできる「Cloud9 IDE」を採用しました。

2013年にBeagleBone Blackが発売。eMMC（4GB）内蔵・HDMIポート追加・45ドルという価格で普及が加速。産業機器・CNCマシン・3Dプリンター制御・ドローンに採用されました。

近年はBeagleBone AI（AM5729、ARM Cortex-A15×2 + 4×C66x DSP + 4×MXP）・BeagleBone AI-64（TDA4VM、ARM Cortex-A72×2 + 6×C7x DSP + AI推論エンジン）と高性能モデルも展開しています。

技術仕様

BeagleBone Black（BBB）の主要スペック

項目	値
SoC	Texas Instruments AM3358 (Sitara)
CPU	ARM Cortex-A8 @ 1GHz（NEON SIMD）
PRU	2× PRU（200MHz、4KB命令RAM・各8KB データRAM）
RAM	512MB DDR3L @ 400MHz
eMMC	4GB（オンボード）
SDカード	microSDカードスロット（拡張・ブート用）
HDMI	Micro HDMI（1280×1024@60fps）
Ethernet	10/100 Ethernet（内蔵MAC + SMSC LAN8710A PHY）
USB	USB2.0ホスト × 1、USB2.0 OTG × 1
UART	6本（TTLレベル）
SPI	2本
I2C	3本
CAN	2本（DCAN）
ADC	7ch（12bit、最大200ksps）
PWM	8本（ePWM）
GPIO	65本（P8/P9ヘッダー経由）
I2S	McASP（8ステレオ入出力）
JTAG	ヘッダー経由でデバッグ可能
RTC	内蔵（バックアップ電源用コネクタあり）
動作電圧	5V（USB またはバレルジャック）
消費電流	約210〜460mA（5V）
サイズ	86.4mm × 53.3mm
OS	Debian Linux（公式）

PRU（Programmable Real-time Unit）

BeagleBoneの最大の特徴がPRUです：

項目	値
コア数	2基（PRU0 / PRU1）
クロック	200MHz（5nsサイクル）
命令メモリ	8KB × 2
データメモリ	8KB × 2（PRU間で共有可能）
共有RAM	12KB（CPU・PRU間共有）
I/O直結	GPIOを直接制御（OSのスケジューリング影響なし）
DMA	直接DMA可能

PRUはGPIO入出力を1サイクル（5ns）で制御できるため、以下の用途で活用されます：

WS2812（NeoPixel）LED制御（厳密なタイミングが必要）
PWM信号の精密生成・計測
ステッピングモーターのリアルタイムステップ出力
RS-485 / Modbus のソフトウェア実装
超音波センサーのエコー計測（マイクロ秒精度）

P8/P9ヘッダーピン配置

BeagleBone Blackは2×46ピン（P8: 46ピン、P9: 46ピン）を持ちます：

P9ヘッダー（抜粋）:
P9.1 / P9.2  : GND
P9.3 / P9.4  : 3.3V出力（最大250mA）
P9.5 / P9.6  : 5V出力（最大1A）
P9.11        : UART4_RX（またはGPIO30）
P9.13        : UART4_TX（またはGPIO31）
P9.17        : I2C1_SCL（またはGPIO5）
P9.18        : I2C1_SDA（またはGPIO4）
P9.21        : UART2_TXD（またはGPIO3）
P9.22        : UART2_RXD（またはGPIO2）
P9.39〜P9.46 : ADC入力（最大1.8V）

注意: ADCは最大1.8V。3.3V以上を入力すると破損！

動作原理

BeagleBone BlackはDebian Linux上で動作します：

# デフォルトでCloud9 IDEが起動（ブラウザでアクセス可能）
# http://beaglebone.local:3000/

# 起動メッセージ確認
journalctl -b

# PRU制御（remoteproc経由）
ls /sys/class/remoteproc/
# remoteproc0 (PRU0), remoteproc1 (PRU1)

# PRUファームウェアのロードと起動
echo stop > /sys/class/remoteproc/remoteproc1/state
cp pru_firmware.out /lib/firmware/pru-firmware.out
echo pru-firmware.out > /sys/class/remoteproc/remoteproc1/firmware
echo start > /sys/class/remoteproc/remoteproc1/state

# Pythonでのシステムfs経由GPIO制御（BeagleBone）
import Adafruit_BBIO.GPIO as GPIO
import time

GPIO.setup("P8_14", GPIO.OUT)  # P8ヘッダー14番ピンを出力に設定

try:
    while True:
        GPIO.output("P8_14", GPIO.HIGH)
        time.sleep(0.5)
        GPIO.output("P8_14", GPIO.LOW)
        time.sleep(0.5)
finally:
    GPIO.cleanup()

// PRUのC言語プログラム（pru-software-support-package使用）
#include <stdint.h>
#include <pru_cfg.h>
#include <pru_iep.h>
#include <sys_pwmss.h>

volatile register uint32_t __R30;  // 出力レジスタ（GPIOに直結）
volatile register uint32_t __R31;  // 入力レジスタ

void main(void) {
    // GPIOを1サイクル（5ns）ごとにトグルするPRUプログラム
    while(1) {
        __R30 |= (1 << 0);   // PRU0 GPIO0をHigh
        __delay_cycles(200); // 1µs待機
        __R30 &= ~(1 << 0);  // PRU0 GPIO0をLow
        __delay_cycles(200);
    }
}

用途・ユースケース

BeagleBoneが採用される主な用途：

産業用機械制御: CNCマシン・3Dプリンターのステッピングモーター制御（PRU活用）
産業ゲートウェイ: Modbus RTU/TCP・CAN・RS-485の複数プロトコル変換
PLCの代替・補完: オープンソースのBeagleboneベースPLC
電力モニタリング: エネルギー計測のデータ収集・Modbus通信
研究・教育: 大学の制御工学・組み込みLinux実験
ドローン・UAV: ArduPilot（オープンソース飛行制御ソフト）のサポートプラットフォーム
農業IoT: 温室・農地の多数センサー（I2C・SPI）のデータ収集

実装・開発のポイント

デバイスツリーオーバーレイによるピン設定

BeagleBone BlackではGPIOのピンマルチプレクサ設定をデバイスツリーオーバーレイで変更します：

# config-pinコマンドでピン機能を設定
config-pin P9.11 uart     # P9.11をUART機能に設定
config-pin P8.14 gpio     # P8.14をGPIO機能に設定
config-pin P9.14 pwm      # P9.14をPWM機能に設定

# 設定を確認
config-pin -q P9.11

Cape（拡張ボード）

BeagleBoneの拡張ボードをCapeと呼びます。4枚まで積み重ね可能で、EEPROM（I2C）による自動認識をサポートします：

Cape名	機能
Motor Cape	DCモーター・ステッピングモーター
LCD Cape	カラーTFT LCDディスプレイ
Relay Cape	4chリレースイッチ
RS485 Cape	RS-485通信
Wireless Cape	Wi-Fi + Bluetooth

ADCの注意点

BeagleBone BlackのADCは最大入力電圧が1.8Vです（3.3Vや5Vを入力するとチップが破損します）。センサーの電圧が3.3V出力の場合は分圧回路が必要です：

3.3V出力センサー → 分圧抵抗（例: 10kΩ + 20kΩ）→ BeagleBone ADCピン
出力電圧 = 3.3V × (20kΩ / (10kΩ + 20kΩ)) = 2.2V ... まだ高い！
正しい分圧: 10kΩ + 8.2kΩ → 3.3V × (8.2/18.2) ≈ 1.49V（安全範囲）

他技術との比較

BeagleBone Black vs Raspberry Pi 4

項目	BeagleBone Black	Raspberry Pi 4
CPU	Cortex-A8 1GHz	Cortex-A72×4 1.8GHz
RAM	512MB	2〜8GB
PRU（リアルタイムコプロセッサ）	あり（200MHz×2）	なし
GPIO数	65本（豊富）	26本
産業用途	強い	限定的
価格	〜55ドル	35〜75ドル
コミュニティ	中規模	巨大

リアルタイムI/O・産業通信・豊富なGPIOが必要な場合はBeagleBoneが優位です。一方、処理能力・コミュニティ・ソフトウェア資産ではRaspberry Piが有利です。

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