汎用型データロガーの製作
金野茂男
１．はじめにＨＩＤ（Ｈｕｍａｎ Ｉｎｔｅｒｆａｃｅ Ｄｅｖｉｃｅ）の１つとして、今回、汎用性のあるデーターロガーシステムを製作した。データーロガーは、メーカーから各種の型が販売されている。小さいものでは数万円からのものもある。それはそれとして、本研究室で今回製作したデータロガーは、使用者の必要性に答えるように、システムを変更することができる。ただし、ＰＩＣワンチップマイコンと、Ｖｉｓｕａｌ Ｂａｓｉｃに関する知見が必要であるが。本論文を参考とすれば、５千円〜１万円以内でシステムを再構築でき、使用至便なアナログデータ測定システムを自前で準備できることになる。本研究室では、かってアナログデータロガーシステムを開発し、小山高専当研究室のホームページで、そのシステムを一般公開している（１）、（２）、（３）。それらの内、（１）、（２）で製作したシス
テムは、学生実験の１テーマで使用し、現在でも現役で働いている。
文献（１）、（２）、（３）で紹介しているアナログデータロガーは、高速現象の測定を考慮して、ハード部の高速動作を保証するため、測定時はハードだけを駆動させ、測定データはハード内部のメモリに記録させた。測定終了後、データをハード部から、ＶＢプログラムを実行中のホストのパソコンに送り出し、その後、ＶＢプログラムでデータのグラフ表示、その他の処理を行っていた。これに対して、今回のアナログデータメモリは、高速処理の機能を採用せず、測定とデータ表示をリアルタイムで行わせることとした。ＶＢプログラムで、ハード部での測定条件を設定する。その条件下で測定を実行しているハード部から、逐次測定して得られたデータをパソコンへ送信し、ＶＢプログラムは、ディスプレイ上に測定データをリアルタイムで表示する。高速処理の機能がないが、このようなシステムは、リアルタイムでデータをモニタリングできるので、それなりの利用価値がある。
図１に、本データロガーシステムの概略図を示している。パソコンにはＶＢプログラムをインストールしておく。ハード部とパソコンの間は、ＵＳＢケーブルで接続する。ハード部には信号入力端子があり、この端子に測定素子からの電圧信号を入力させる。パソコンでＶＢのソフトを実行し、画面に従ってハード部の動作設定を行う。測定実行にはいると、ディスプレイ上には測定データグラフがリアルタイムで表示され続ける。測定終了、或は中断後、設定パラメータと、得られた測定データは、ファイルとして保存することができる。この保存ファイルは、別にＶＢで作成したデータ処理プログラムで、読み出し、様々なグラフ処理ができる。グラフのプリンタへの印刷機能も持っている。

本データー
ロガーハード部
ＵＳＢケーブル

図１

測定素子（センサー等）

本データーロガーシステムの概略図

写真１，写真２に、シャーシケースに収めたハード部を示している。右端に電源スイッチと電源用ＬＥＤ。その左側に、ＢＮＣ型の入力端子と、ＡＣ／ＤＣモード切替スイッチ。中央付近に線が伸び出している。信号モニタ用の配線である。その左に増幅用のボリューム。左端には、入力信号がＡＣモードの時に機能する、平滑の時定数設定用ロータリスイッチである。本ハード部はＡＣ１００Ｖ使用である。電源にはＡＣ１００Ｖ／ＤＣアダプタを利用し、ハード部に＋９ＶＤＣを供給している。
ケースの左端に、ＵＳＢ端子がある。基板に直結としている。その為、シャーシケースに若干の切り取り加工を行っている。
ＡＣ／ＤＣアダプタの代りに、＋９ＶＤＣの電源を、蓄電池や乾電池で供給すれば、本システムはＡＣ電源不用のシステムとなる。屋外等での計測が可能なシステムに簡単にすることができる。

-1-写真１

シャーシの上蓋を外しての外観

写真２

正面からの撮影

２．ハード部の設計・製作
図２に、完成したハード部の回路図を示している。この回路図を利用しながら、設計・製作の中身を解説する。センサーなどの測定素子の出力電圧が、ＤＣモードの場合だけではなく、ＡＣモードの場合にも本システムが対応できるようにしている。回路の主素子として、マイクロチップ社のワンチップマイコンＰＩＣ１８Ｆ２５２を使用する。この素子の電源電圧は＋５．０Ｖ、内蔵しているＡＤ変換器は１０ビットである。又、外部との通信用に、ＵＳＡＲＴ機能（分かり易く言えば、ＲＳ２３２通信機能）を持っている。回路ではＯＰアンプを使用している。この素子の電源電圧は±６．０Ｖとする。センサーからの電圧信号は、通常±に変動するが、ＰＩＣは［０．０Ｖ〜＋５．０Ｖ］以内の電圧幅しか処理できない。その為、入力信号に＋２．５Ｖの電圧下駄を履かせることにした。これにより、ＤＣモードでの入力信号許容電圧範囲は［−２．５Ｖ〜＋２．５Ｖ］となっている。入力信号は適宜に増幅され、下駄回路を通過した後、ＰＩＣのアナログ端子に入力する。信号がＡＣモードの場合には、回路中で、検波そして平滑処理を行い、直流電圧に変換し、ＰＩＣのアナログ端子に入力させる。従って、ＡＣモードでの入力信号許容圧範囲は［−５．０Ｖ〜＋５．０Ｖ］となる。
回路中の入力段のＳＷ１と、ＰＩＣ近傍のＳＷ２は連動型であり、入力信号のＤＣモード／ＡＣモード切り替え用である。ＰＩＣ１８Ｆ２５２の通信端子はＲＳ２３２方式（パラレル方式）である。
一方、パソコンの使用する通信端子はＵＳＢ方式（シリアル方式）である。従って、これらの間に変換が必要である。ＦＴ２３２ＢＭが、その為の専用ＩＣである。
かってのパソコン通信で主流であったＲＳ２３２Ｃパラレル通信。最近ではごく普通になったＵＳ
Ｂシリアル通信。最近のパソコンからはＲＳ２３２Ｃ端子が消え、多くはＵＳＢ端子に置き換わっている。ＲＳ２３２Ｃ端子を持っている（古い）パソコンでも、ＵＳＢモードで通信を行いたい場合が未だ多い。その為の便利グッツがある。ＦＴ２３２ＢＭをソケット等に内蔵した「パラレル−シリアル変換」ケーブルである。市販されている。安いと思う。これを利用するのも良いであろう。その場-2-

合には、図２中のＦＴ２３２ＢＭ部分は不用となる。その上、表面実装型のＦＴ２３２が回路に不用となるので、製作も容易となる。

図２

完成した回路図-3-

本システムで使用したＦＴ２３２ＢＭは３２ＬＤ−ＬＧＦＰパッケージである。表面実装はいいのであるが、ピッチ間隔が非常に狭い。コテの先端が細い半田ゴテを使用しても、半田付けに工夫が必要である。本論文の最後で、その工夫方法を述べている。
回路への電源は、ＡＣ／ＤＣコンバータを使用し、ＡＣ１００ＶからＤＣ９Ｖ（０．６５Ａ）を供給する。ロジック電圧用として、３端子レギュレータ７８０５で＋５Ｖを供給する。ＯＰアンプ用電源は、３端子可変レギュレータＬＭ３１７で＋６．０Ｖを、ＤＣ／ＤＣコンバータであるＭＡＸ６３５で＋９Ｖから−６．０Ｖを供給する。
回路図中に、モータードライバー専用ＩＣであるＴＡ８４２８Ｋ、及び、その周りの部分回路がある。モーターの使用の場合を考慮して付加している。基板のマスク、及び基板にもこの回路が造られているが、現時点では、基板上に、部品類は実装していない。必要となったら実装しよう。

３．ソフト部の作成
パソコンで実行するソフトプログラムは、マイクロソフト社の「Ｖｉｓｕａｌ Ｂａｓｉｃ ６．
０ Ｐｒｏｆｅｓｓｉｏｎａｌ Ｅｄｉｔｔｉｏｎ」で書き上げた。なを、母プログラムとして、参考文献（１）で使用しているプログラムを用いた。母プログラムは「Ｖｉｓｕａｌ Ｂａｓｉｃ ５．
０ Ｐｒｏｆｅｓｓｉｏｎａｌ Ｅｄｉｔｔｉｏｎ」で書き上げたものである。母プログラムも、母プログラムを編集して書き上げた今回のプログラムも「Ｖｉｓｕａｌ Ｂａｓｉｃ ６．０ Ｐｒｏ
ｆｅｓｓｉｏｎａｌ Ｅｄｉｔｔｉｏｎ」で、何の問題もなく正常に動作する。
使用したパソコンは、Ｄｅｌｌ社のディスクトップ型パソコン「ＯＰＴＩＰＬＥＸ ７５５」、Ｏ
ＳはＷｉｎｄｏｗｓ ＸＰである。
作成したプログラムの説明は、ここでは割愛する。今までと同じく、プログラム中に注釈を多用してしているので、それを読んでほしい。
ソフトプログラムは２つ作成した。実測を制御するプログラム「ＧＤＬ−ｖ１」と、測定データグラフ処理及び印刷出力用の「ＧＤＬ−ＡＤＭ７」である。測定時は「ＧＤＬ−ｖ１」を実行する。保
存されたデータファイルを読み出し、グラフ処理及び印刷出力する時に「ＧＤＬ−ＡＤＭ７」を実行する。ＧＤＬ＝Ｇｏｌｄｅｎ Ｄａｔａ Ｌｏｇｇｅｒ であり、ｖ１はその通り第１版のプログラムである事を意味している。ＡＤＭ７は参考文献（１）で使用しているとおり、ＡＤＭ＝Ａｎａｌｏ
ｇ Ｄａｔａ Ｍｅｍｏｒｒｙ である。参考文献（１）の発表以降、何度もＶＢのプログラムの修正・改良等を加えていたので、今回のプログラムは第７版に相当するということで「７」を使用している。

４．使用方法本システムの使用方法を、図３に示している測定例を用いて説明をする。本論文を参考にして、ハード部を作成し、提供しているＶＢプログラム（ＧＤＬ−ｖ１とＧＤＬ−ＡＤＭ７）をパソコンにインストールする。測定だけならば、インストールはＧＤＬ−ｖ１だけでよい。測定素子のダミーとして、適当な発振器を使用する。他の物で代用しても結構である。図３に示しているように、各装置を接続する。

ＵＳＢケーブル
図３

本データー
ロガーハード部

発振器

測定の例

測定開始に先立って、テキスト形式（拡張子 ｔｘｔ）のパラメータファイルを作成しておく必要がある。ＶＢプログラムはこのファイルを読み出し、プログラム、及びハード部に必要なパラメータを設定する。表１にファイルの例を示している。表の上半分の５行が、設定データ行である。下半分に、注釈として上の５行のデータの内容を説明している。ＶＢプログラムは、このファイルを読み出すが、必要なデータは文字「注釈」の前までなので、これ以降には何を書いていても良い。これらのデータは、どのデータがかけても、正常にシステムは動作しない。使用になれるまで、表１のファイルを作成して、利用した方が安全であろう。忘れていなければ、このファイルも提供しているはずである。
-4-

500
100,ms0, 1023
0,50,

測定時間,

‑2.5,+2.5, 電圧 , Vｓ

注釈
１行目

測定点数（＝サンプリング件数）

２行目

サンプリング時間の数値（１〜２５５の内の数値）、サンプリング時間の単位（ｓ又はｍｓ）
注意（６６５３５（２バイト分）以下の数値）

５ｍｓ以下の設定では不可かも知れない。

３行目

最少値、最大値（ＡＤ変換値

４行目

横軸の左端の値、横軸の右端の値、横軸の物理量名、その単位 （例として 測定時間、 ｓ）

５行目

縦軸の下端の値、縦軸の上端の値、縦軸の物理量名、その単位 （例として 電圧

表１

０〜１０２３（１０ビット分）の範囲の数値）、Ｖ）

パラメータ設定ファイルの内容

ＧＤＬ−ｖ１を実行すると、図４の画面が表示される。

図４

初期画面。後は、開始ボタンを押すだけ。終了ボタンを押してもよい。

開始ボタンをマウスでクリックすると、図５の画面となる。「測定パラメータの設定」窓が使用可となる。今の所、ファイルからの入力を選択する。

-5-

図５

「測定パラメータの設定」窓が使用可となる。

「ファイルのデータで諸パラメータの設定」窓が使用可となる。図６。横軸、縦軸の数値、文字などは一応ダミーである。表１で作成したファイルを選択する。ファイルを正常に読み込めば、ダミーは書き換わる。

図６

読み込みファイルを選択する-6-

図７の画面となり、ｐｉｃｔｕｒｅ領域内に、選択したファイル名、その他のパラメータが表示される。表１のファイル内容が、ここでは表示されている。グラフ中の各パラメータ名、パラメータ値が、読み込んだファイルの内容と一定しているか、ここで確認できる.不調である場合の第一の原因は、読み込みファイルの内容にある。終了ボタンを押して、データファイルの修正を行い、最初からやり直す。
本システムでは、ここで測定に必要なパラメータを決めている。ハード部のＰＩＣには、サンプリ
ング時間、時間単位、サンプリング点数がこのプログラムより、ＵＳＢを経由して送られる。開発中
では、データが正確に送信されたのかどうかを確認するため、受け取ったデータをＰＩＣからエコーバックさせ、フォーム画面上に印字させていた。正常に送受信がなされることを確認できた後には、フォーム画面への印字の命令文はを先頭に付加して、注釈行とした。プログラムの改編などで、もし印字の必要があれば、実行文とすればよい。

図７

諸パラメータの表示画面

パラメータ設定の確認を行ったならば、使用可となっている「測定状態」窓で、測定開始ボタンをクリックする。測定が開始される。図８が測定例である。測定中に、発振器の周波数を適当に変化させている。出力電圧も若干変化させている。測定が終了すると、「測定状態」窓に「測定終了」の文字が表示され、「データ類の保存」窓が使用可となる。保存したければ適当なファイル名を書き入れて保存する。保存したくなければ、終了ボタンをクリックすればよい。

-7-

図８

グラフ画面に測定データがリアルタイムで描写され続ける。そして、測定終了

画面のグラフの簡単な印刷は次の通りに行えば良いであろう.キーボードの「Ｐｒｉｎｔ Ｓｃｒｅｅｎ」を押す。ペイントのプログラムを実行する。編集で貼り付けを行う。印刷を行う。ただ、解像度は高くないが。
測定を中断したい場合もある。「測定状態」窓で、測定開始ボタンを押して、測定を開始すると。
測定中断ボタンが使用可となる。任意の時間で、このボタンを押せば、測定は中断される。図９に測定中断の例を表示している。「データ類の保存」窓が使用可となるので、これまでのデータを保存したければ、保存すればよい。

図９

測定中断時の画面-8-

ＧＤＬ−ＡＤＭ７の実行
ＧＤＬ−ＡＤＭ７は参考文献（１）、（２）で紹介しているプログラムとほぼ同じである。これらの文献を参照するのも良いであろう。ＧＤＬ−ｖ１で保存したデータファイルを読み出し、データグラフの処理をすることができるプログラムである。プログラムの実行初期画面が図１０である。続けるならば、開始ボタンをクリックする。

図１０

初期画面

図１１の画面となり、「データ読み出しファイル名決定」窓が開示される。ＧＤＬ−ｖ１で保存したファイルのどれかを選択し、決定する。

図１１

読み出すファイルを決定する画面-9-

図１２の画面が表示される。ＧＤＬ−ｖ１実行・測定で画面に表示されていたグラフが表示される。
種々のグラフ処理機能を利用できる。例えば、「グラフ表示領域指定」窓で、数値を入力すれば、それらの値を両端としてのグラフが描かれる。「グラフ処理」窓中のボタンを使用すれば、グラフを左右へ移動、拡大表示したグラフの復元、を行うことができる。

図１２

読み出したデータファイルからフラグを表示

マウスを拡大したい長方形領域の１つの頂点でダウンし、そのまま拡大したい領域の他の対頂点でアップすれば、その四角形領域が拡大されて表示される。図１３中の赤破線の四角形がマウスをダウン→アップした領域を示している。

図１３

部分拡大表示の指定。赤破線四角の領域。

図１３で示している赤破線四角形領域が、拡大表示される。図１４の如くである。
- 10 -図１４

部分拡大したグラフの表示

５．仕様・性能
開発環境は以下の通りである。
パソコン関係
ホストパソコンＤｅＬＬ社 ＯＰＴＩＰＬＥＸ ７５５
ＯＳＷｉｎｄｏｗｓ ＸＰ
ソフト
Ｖｉｓｕａｌ Ｂａｓｉｃ ６．０ Ｐｒｏｆｅｓｓｉｏｎａｌ板
ＰＩＣ関係
ライターＭｉｃｒｏｃｈｉｐ社製 ＰＩＣＳＴＡＲＴ ＰＬＵＳ
アセンブラ
ＭＰＡＳＭ ｖ５．３６
ドライバー
ＭＰＬＡＢ ＩＤＥ ｖ８．５３仕様・性能は以下の通りである。
（１）入力信号 直流（ＤＣ）／交流（ＡＣ）信号切り替え可能。
（２）許容入力信号電圧
ＤＣモード ［−２．５Ｖ〜＋２．５Ｖ］
ＡＣモード ［−５．０Ｖ〜＋５．０Ｖ］（３）サンプリング時間
約６ｍｓ（最速で）〜２５５ｍｓ、整数値で設計可能
１ｓ〜２５５ｓ、整数値で設定可能（４）サンプリング件数 最大で６５５３５件（８ビットの２バイト分）（５）ＡＣモードでの平滑時定数３．３ｍｓ、１０ｍｓ、３３ｍｓ、１００ｍｓ、０．３３ｓ、１ｓの６段切替可能

６．終わりに思うところを羅列形式で記載していこう。
（１）図２の回路図中には、必要に応じてＤＣモーターなどを駆動制御できるようするため、モータードライバ素子を取り付けられるようにしているが、現時点では実装していない。
（２）本システムは、現時点では１チャンネルである。オシロスコープなどのように、２チャンネルにするのには、それ程の困難さはない。ハード部分では、図２の回路図中で、信号入力端子からＳＷ２を含んだ回路を、２組準備すればよい。１組目は今まで通り、ＰＩＣのＡＮ０端子に入力し、付加する２組目はＰＩＣのＡＮ１端子に入力させる。ハード回路では、これだけの変更で２チャンネル化- 11 -

できる。
ＰＩＣのアセンブラは１チャンネル対応となっているので、これを２チャンネルに対応するように変更をする。ＡＮ０入力信号の処理部分（主にＡＤ変換、及びデータ送信）に似せて、ＡＮ１入力信号の処理部分を付加すればよい。ＰＩＣのアセンブラに知見があれば、難しくはない。
ＶＢプログラムでは、ＵＳＢポート経由で、測定データを受信している。今までは１チャンネル分だけであったが、ハード部からは２チャンネル分が送信されてくるようになる。１チャンネル分に引き続いて、２チャンネル分が送信されてくる。従って、プログラム中で１チャンネル分の受信箇所に似せて、２チャンネル分のプログラムを付加すればよい。これもＶＢに知見があれば、難しくはない。
１チャンネル分のデータを受信し、グラフに描く。引き続いて、２チャンネル分のデータを受信し、グラフに描く。
（３）表面実装型ＦＴ２３２ＢＭ（パッケージ ３２ ＬＤ ＬＱＦＰ）の基板上への半田付けの方法。
①基板の端子面に、素子を乗せ、テープ、或は「他人」の手で固定する。この時、取り付け位置をできるだけ正確に合わせる。
②対角線の２箇所ぐらいを仮でもよいので、半田付けをする。位置が確定したら、テープ、或は他人の手を外して良い。
③半田がブリッジになるのを気にせず、端子全ての半田付けを素早く行う。至る所で半田が端子間でブリッジになっていると思う。ＩＣの過熱防止のため、手早く行うこと。
④ここで、半田吸引線（テープ）を持ち出す。通常の半田吸引方法で、ブリッジになっている箇所の半田を吸い取る。これもできるだけ速く行った方がよい。
⑤ブリッジしている半田を吸い取った後、虫眼鏡などで端子の細部を確認し、ブリッジが無くなったことを確認する。
（４）実行フォーム画面中に、「手入力によるパラメータ設定」窓がある。が、現時点では使用不可状態としている。というのは、実行のたびに、幾つもの数値を入力するのは面倒であるからである。
パラメータデータファイルとして、前もってテキストファイルを作成し、実行時にファイル入力を選択する方が便利であろう。必要で、どうしても使いたいと思うならば、プログラム中で、この窓を使用可とすればよいと思うが、正常に使用できるか確認していない。
（５）直流入力信号だけを取り扱うならば、ＡＣモードは不用となる。図２の回路図中の、理想ダイオード回路と積分平滑回路は不用となる。また２連の切替スイッチ（ＳＷ１＋ＳＷ２）も不用となる。
少し回路は簡易となる。が、いざＡＣモードが必要となったときはお手上げである。

７．参考文献（１）「最強のＰＩＣ１７Ｃ７５６を用いたアナログデータメモリ（論文名 解析ソフト付きＡＤＭシステム）」、金野茂男、小山高専電子制御工学科、２００１年著者のホームページで公開発表。
（２）「データロガーの製作」、金野茂男、小山高専電子制御工学科、２００２年３月著者のホームページで公開発表。
（３）「１６ビットデータロガーの製作」、金野茂男、小山高専電子制御工学科、２００２年１０月
著者のホームページで公開発表。
２０１１年
付録（１）ＰＥＢＥパターン図（２）ＰＩＣ１８Ｆ２５２のアセンブラプログラム（３）ホストパソコン用Ｖｉｓｕａｌ

Ｂａｓｉｃプログラム- 12 -

９月