1 要 旨 *1 倉 島 孝 行 近 年, 家 庭 用 燃 料 電 池 や 車 両 用 バッテリの 性 能 向 上 に 向 けた 開 発 が 進 み, 多 点 の 電 圧 温 度 測 定 の 必 要 性 が 高 まっている.メモリハイロガーLR8400/LR8401/LR8402は,これらのニーズに 応 えるべく, 高 耐 圧, 高 速 スキャ ン, 持 ち 運 べる 多 チャネルのロガーをコンセプトに 開 発 された.ここに 製 品 の 概 要, 特 長, 構 成 などについて 解 説 する. 1. はじめに 燃 料 電 池 や 二 次 電 池 などセルが 積 層 されコモン モード 電 圧 が 高 くなるようなスタック 電 池 の 各 セル 電 圧 測 定 には, 高 耐 圧 な 絶 縁 入 力 が 必 須 となっている. 高 耐 圧 な 絶 縁 入 力 は 冷 蔵 庫,テレビ, 複 写 機 など 家 電 製 品 の 開 発 で 内 部 回 路 の 高 電 圧 部 分 の 温 度 測 定 にも 必 要 な 要 素 である. また, 最 近 のハイブリッドシステム 車 など 電 子 化 さ れた 自 動 車 の 開 発 においては, 負 荷 の 急 変 に 対 応 した 測 定 が 要 求 されるため, 多 チャネルを 高 速 サン プリングする 能 力 が 必 要 とされている. メモリハイロガーLR8400/LR8401/LR8402 ( 以 下 LR8400 シリーズ)は,これら 高 耐 圧, 高 速 スキャンを 満 足 した, 持 ち 運 べる 多 チャネルのロガーをコンセプ トに 開 発 された. LR8400 の 外 観 (30 チャネル 標 準 ) 2. 概 要 LR8400 シリーズは,アナログ 入 力 種 類 の 異 なる 2 種 類 の 端 子 台 ユニットの 組 み 合 わせ 構 成 により 3 モ デル 用 意 されている. 端 子 台 ユニットは 電 圧, 熱 電 対, 湿 度 を 15 チャネ ル 入 力 できる M3 ネジ 端 子 台 の 電 圧 温 度 ユニットと, 電 圧, 熱 電 対, 湿 度, 測 温 抵 抗 体, 抵 抗 を 15 チャネ ル 入 力 できる 押 しボタン 端 子 台 のユニバーサルユニ ットがある. データロガーに 要 求 される 機 能 を, 小 型 A4 サイズ の 筐 体 にコンパクトにまとめている 点 が 評 価 され, 2010 年 度 グッドデザイン 賞 を 受 賞 した. 3. 特 長 LR8402 の 外 観 (60 チャネル 増 設 ) (1) ポータブル 30 チャネル 小 型 A4 サイズながら M3 ネジ 端 子 台 30 チャネル を 装 備 (LR8400)し, 必 要 に 応 じて 60 チャネルまで 増 設 できる. 増 設 ユニットの 種 類 に 制 約 はない. ポータブルサイズのため,さまざまな 現 場 に 持 ち 込 んで,その 場 で 5.7 インチ TFT カラー 液 晶 により 波 形 や 測 定 値 を 観 測 できる. LR8400 シリーズは 以 下 の 特 長 がある. *1 技 術 1 部 技 術 1 課
2 30セル 直 列 300 V CH1とCH30の 間 に DC300 Vかかる チャネル 間 最 大 電 圧 DC300 Vが 必 要 LR8400シリーズ CH30 CH29 CH28 単 セル 10 V アースとCH30の 間 に DC300 Vかかる 対 地 間 最 大 電 圧 DC300 Vが 必 要 CH3 CH2 CH1 アース 図 1 スタック 電 池 の 各 セル 電 圧 測 定 (2) PC 連 携 標 準 装 備 の LAN および USB 通 信 を 使 って, 離 れ た 場 所 にある PC にデータを 取 り 込 んだり 解 析 するこ とができる. 付 属 の PC アプリケーションソフト ロガー ユーティリティ を 用 いてリアルタイムに PC にデータ 収 集, 波 形 観 測 ができる 他,LAN 接 続 時 には HTTP (HyperText Transfer Protocol)サーバ 機 能 による 遠 隔 操 作,FTP (File Transfer Protocol)によるデータ 取 得 や 送 信, 警 報 時 などのメール 送 信 もできる. (3) 高 耐 圧 チャネル 間 最 大 電 圧 および 対 地 間 最 大 電 圧 300 V を 実 現 させたことで, 燃 料 電 池 や 二 次 電 池 などセ ルが 積 層 されたスタック 電 池 の 各 セル 電 圧 をより 多 く のセルまで 測 定 することが 可 能 となった. 図 1 はスタックされた 電 池 の 各 セル 電 圧 を 測 定 す るのに 必 要 なチャネル 間 最 大 電 圧 および 対 地 間 最 大 電 圧 の 説 明 図 である. 単 セル 10 V の 電 池 が 30 セ ル 直 列 につながっている 場 合, 最 も 側 のセル 電 圧 には 対 地 間 に DC300 V の 電 圧 がかかるため, 対 地 間 最 大 電 圧 300 V を 満 足 する 測 定 器 を 用 いる 必 要 がある.また 30 セルすべてのセル 電 圧 を 測 定 しようと する 場 合, 最 も 側 のセルと 側 のセルの 間 には DC300 V の 電 圧 差 が 生 じるためチャネル 間 最 大 電 圧 300 V を 満 足 する 測 定 器 を 用 いる 必 要 がある. 0.1 V 200 ms 10ms msサンプリング 100ms msサンプリング 図 2 燃 料 電 池 の 電 池 電 圧 実 測 波 形 (4) 高 速 サンプリング 最 高 サンプリング 10 ms はより 急 激 な 変 化 を 捉 える のに 有 効 である. 図 2 に 無 負 荷 時 電 圧 1 V の 単 セル 燃 料 電 池 の 実 測 波 形 を 示 す. 負 荷 電 流 を 05 A で 急 変 させたとき の 電 圧 波 形 で 上 段 が 10 ms サンプリング, 下 段 が 100 ms サンプリングで 同 時 測 定 した 波 形 である. 従 来 機 種 に 相 当 する 100 ms でのサンプリングでは 追 い きれなかった 電 圧 変 化 にも 追 従 することができ, 高 速 サンプリングの 優 位 性 が 確 認 できる.
3 本 体 CH11 入 力 UNIT1 アッテネータ ATT 可 変 ゲインアンプ AMP A/Dコンバータ ΔΣADC 絶 縁 素 子 CH12 入 力 CH115 入 力 ATT 切 替 ゲイン 切 替 シリアル/パラレル 変 換 ADC 用 クロック データ 転 送 用 クロック 絶 縁 素 子 FPGA UNIT4 CH41 入 力 CH42 入 力 CH415 入 力 図 3 ブロック 図 (アナログ 入 力 部,スキャン 制 御 部 ) (5) 耐 ノイズ 性 能 A/D コンバータにノイズ 除 去 効 果 の 高 いΔΣ 型 A/D コンバータを 採 用 した 他, 回 路 構 成 や 基 板 上 の パターン 構 成, 部 品 配 置 などにおいて 従 来 機 種 から 蓄 積 した 耐 ノイズ 設 計 のノウハウを 生 かして 設 計 した. よって, 耐 ノイズ 性 に 優 れ 外 来 ノイズや 電 源 ノイズの 影 響 を 極 力 受 けずに 測 定 することができる. (6) 測 定 データの 保 護 測 定 中 停 電 があっても CF (CompactFlash)カード /USB メモリにデータ 書 き 込 みが 終 了 するまで 動 作 電 圧 を 保 持 する 設 計 や, 外 部 メディアと PC のハードデ ィスクに 同 時 に 測 定 データを 保 存 する 設 計 により, 大 切 なデータを 守 る 仕 組 みを 実 現 している. 4. 計 測 部 の 構 成 4.1 アナログ 入 力 部,スキャン 制 御 部 の 構 成 アナログ 入 力 部,スキャン 制 御 のブロック 図 を 図 3 に 示 す. アナログ 入 力 部 は,1 つの 増 幅 回 路 および A/D コ ンバータなどから 成 るアナログ 回 路 に 対 して,30 チャ ネル(ユニット 増 設 により 60 チャネルまで)の 入 力 信 号 をリレーで 切 り 替 えるスキャニング 方 式 を 採 用 してい る. 入 力 信 号 は 半 導 体 リレーから 構 成 されるスキャナ 回 路 を 経 た 後, 入 力 インピーダンス 1MΩのアッテネ ータ, 可 変 ゲインアンプを 経 て A/D コンバータに 入 力 されディジタル 変 換 される.ディジタルデータは 絶 縁 素 子 で 絶 縁 され FPGA (Field Programmable Gate Array)に 転 送 されて 処 理 される. スキャナ 回 路 のリレー 切 り 替 えやアッテネータ, 可 変 ゲインアンプの 切 り 替 え,A/D コンバータの 制 御 は FPGA からの 信 号 で 制 御 される. A/D コンバータには,アナログ 入 力 信 号 をサンプリ ングしΔΣ 変 調 およびフィルタリング 処 理 したディジ タルデータを 出 力 するΔΣ 型 A/D コンバータを 採 用 した.
4 この 期 間 は,どの 入 力 チャネルとも 接 続 されない. 図 4 スキャンタイミング 図 設 定 した 測 定 周 期 に 応 じてクロック 周 波 数 を 制 御 することで, 測 定 周 期 内 で 全 チャネルのアナログ 入 力 を 取 り 込 む 中 でノイズ 除 去 効 果 の 最 も 高 くなる 最 適 なノッチ 周 波 数 に 自 動 設 定 している.これにより, アースと 入 力 端 子 間 に AC300 V (50/60 Hz)のコモン モード 電 圧 を 印 加 したときの CMRR(コモンモード 除 去 比 )はディジタルフィルタ ON 時 で 約 140dB,OFF 時 でも 約 100dB と 高 い 除 去 効 果 が 得 られている. チャネル 間 の 絶 縁 は, 各 チャネルの(マイナス) 入 力 端 子 をリレーによって 内 部 アナログ 回 路 コモンと 切 り 離 すことによって 実 現 している. スキャナ 回 路 のリレーには, 高 速 応 答 と 高 耐 圧 を 両 立 した 半 導 体 リレーを 採 用 し, 最 も 速 いサンプリン グ 設 定 時 には,10 ms の 間 に 1 ユニット(15 チャネル) のスキャンを 終 了 させることで, 最 速 10 ms/15 チャネ ルの 測 定 周 期 を 実 現 している. 使 用 ユニット 数 が 増 えた 場 合 には, 上 記 動 作 をユニットごとに 逐 次 行 い, 2 ユニット(30 チャネル)では 20 ms で,4 ユニット(60 チャネル)では 50 ms でデータ 更 新 している. 最 も 速 いサンプリング 設 定 時 のスキャンタイミング 図 を 図 4 に 示 す. 4.2 ディジタル 部 の 構 成 図 5 にディジタル 部 のブロック 図 を 示 す. 最 高 サンプリング 100 ms,チャネル 数 16 チャネル の 従 来 機 種 842150 に 対 し,LR8400 シリーズは 10 ms,15 チャネルという 10 倍 近 いデータ 処 理 が 要 求 さ れる. 加 えて, 外 部 メディアへのデータ 保 存,USB およ び LAN 通 信,LCD への 表 示 といった 複 数 のシステム 制 御 を 同 時 処 理 する 必 要 がある. このため 高 速 な 32 ビット CPU を 採 用 し, 内 部 300 MHz, 周 辺 バス 100 MHzで 動 作 させている. また, 熱 電 対 や 白 金 測 温 体 を 用 いた 温 度 測 定 や 湿 度 センサによる 湿 度 測 定 などを 行 う 場 合 には A/D コンバータからの 電 圧 データを 温 度 や 湿 度 データに 変 換 するリニアライズ 処 理 が 必 要 であるが, 従 来 機 種 の 842050 シリーズではソフトで 行 っていたこの 処 理 を LR8400 シリーズでは 測 定 対 象 に 応 じて FPGA が 自 動 的 に 変 換 を 行 っている. このような 負 荷 が 高 い 処 理 を FPGA に 分 担 させた ことで CPU の 処 理 能 力 を 他 の 処 理 に 割 り 当 てること ができ, 各 種 制 御 の 高 速 処 理 が 可 能 となった. なお FPGA には, 入 力 回 路 のスキャン 動 作 を 始 め としたアナログ 回 路 の 制 御,A/D コンバータとのイン タフェース 制 御, 外 部 バスとのバスブリッジといった 機 能 も 搭 載 されている.
5 4ユニット (MAX) 端 子 台 ユニット CH 1 ATT AMP ADC CH 2 CH 15 S/P USB (ホスト) LCD(TFT) 640 480 マスター USBC IDE LCDC USB (ファンクション) USBC (ファンクション) ユニット1 LAN PHY LANC KEY CPU (SH4A) CH 1 CH 2 LED CPUバス CH 15 SDRAM (8MB) テーブルサーチ 用 SRAM 512KB バックアップRAM Localバス メインメモリ ワーク(16MB) ユニット4 CF FPGA FlashROM(4MB) ストレージ(16MB) SDRAM (32MB) 図 5 ブロック 図 (ディジタル 部 ) 5. 大 切 なデータを 守 る 技 術 LR8400 シリーズは, 外 部 記 憶 メディアとして, 入 手 が 容 易 で 安 価 な USB メモリと, 信 頼 性 の 高 い 工 業 用 の CF カード(オプション 品 として 用 意 )の 両 方 を 用 途 に 応 じて 使 用 できる. 5.1 リアルタイム 保 存 測 定 中 は 記 録 メディアに 随 時 測 定 データが 書 き 込 まれる. 記 録 間 隔 が 1 分 より 速 い 場 合 は 1 分 ごとにフ ァイルのヘッダ 部 にデータ 数 を 更 新 して 書 き 込 むと 共 に,ファイルのクローズとオープンを 行 っている.こ れにより 測 定 中 のファイルは,1 分 単 位 で 最 新 のデ ータを 保 持 する 構 造 となっている. 保 存 形 式 は, 独 自 のバイナリフォーマットの 他 に, Excel などの 表 計 算 ソフトで 処 理 できる CSV 形 式 も 選 択 できる. 5.2 停 電 時 のファイル 保 護 一 般 にデータロガーは 長 期 間 にわたって 測 定 する 場 合 が 多 いため, 電 源 トラブルに 遭 遇 する 可 能 性 が 高 い. 記 録 中 に 停 電 が 発 生 した 場 合, 外 部 記 憶 メデ ィアに 記 録 したファイルがなくなったり, 最 悪 の 場 合 全 ファイルが 読 めなくなる 場 合 もあるため, 外 部 記 憶 メディアへ 確 実 にデータ 保 存 できることが 求 められ る. LR8400 シリーズは, 小 型 ポータブルサイズであり ながら,ファイル 保 護 のため 大 容 量 電 気 二 重 層 コン デンサによるバックアップ 電 源 回 路 を 搭 載 している. 外 部 記 憶 メディアへのリアルタイム 保 存 中 に 停 電 が あっても,バックアップ 電 源 回 路 に 切 り 替 えてファイ ル 処 理 を 中 断 できる 箇 所 まで 処 理 を 進 める.その 後 バックアップ 電 源 回 路 から 通 常 電 源 回 路 に 切 り 替 え たとき, 停 電 状 態 であれば 動 作 を 停 止 し, 電 源 が 復 帰 していれば CPU をリセットして 動 作 を 再 開 する.フ ァイル 処 理 はファイルの 状 況 によっては 処 理 時 間 が 数 秒 ~ 数 十 秒 かかる 場 合 もあるが,このような 場 合 で も 処 理 を 中 断 できる 箇 所 をきめ 細 かく 設 定 して,1 秒 を 超 えない 程 度 の 短 時 間 でファイル 処 理 を 終 了 でき るようにソフトウェアを 実 装 している. 5.3 リアルタイム 記 録 中 のメディア 交 換 リアルタイム 保 存 中 に 測 定 を 停 止 させることなく,メ ディアを 交 換 することが 可 能 である.メディアを 交 換 し たい 使 用 者 が, 表 示 画 面 上 の 取 外 ボタンを 押 すと, ソフトウェアはファイルのクローズ 処 理 を 行 い,メディ アを 取 外 し 可 能 な 旨 のメッセージを 表 示 する. 内 部 メ
6 モリのデータがあふれる 前 に 再 度 新 しいメディアを 挿 入 すると,データの 欠 損 なしにデータをメディアに 送 ることができる. これにより, 測 定 を 続 けながら 記 録 した 時 点 までの データを 持 ち 帰 ることができる. 5.4 メディアと PC へ 同 時 記 録 LR8400 シリーズは LAN (100BASETX)および USB2.0 を 装 備 し, 専 用 のアプリケーションソフト(ロガ ーユーティリティ, 標 準 付 属 )により,リアルタイムに PC にデータを 転 送 し, 波 形 や 数 値 を 表 示 することが できる.この 際, 外 部 記 憶 メディアにも 同 時 に 測 定 デ ータをリアルタイム 保 存 できるので, 万 一 の 通 信 トラ ブルにより PC にデータが 転 送 されないときでも, 測 定 データの 紛 失 を 防 ぐことができる. 中 野 隆 彦 *2, 和 田 竜 也 *2 *2, 飯 島 匡 史 ( 注 ) CompactFlash は 米 国 サンディスク 社 の 登 録 商 標 です. Excel は 米 国 Microsoft Corporation の 米 国 および その 他 の 国 における 登 録 商 標 です. 6. その 他 の 役 立 つ 新 機 能 の 実 現 6.1 四 則 演 算 当 社 メモリハイロガーシリーズとしては 初 めてロガ ー 本 体 にチャネル 間 の 四 則 演 算 機 能 を 搭 載 した. リアルタイムに 四 則 演 算 しグラフ 表 示 が 可 能 である. 演 算 結 果 は 30 チャネル 分 を 内 部 メモリに 確 保 し, 独 立 した 入 力 チャネルとして 扱 えるので, 演 算 値 同 士 の 乗 算 といった 複 雑 な 式 の 演 算 も 行 うことができる. 6.2 指 定 時 間 ごとの 平 均 値 を 記 録 ロガー 本 体 に 時 間 区 切 り 演 算 機 能 を 搭 載. 指 定 時 間 ごとの 演 算 値 をテキスト 形 式 でリアルタイム 保 存 できる.これにより, 例 えば 記 録 間 隔 1 秒 で 取 得 し たデータの 30 分 ごとの 平 均 値 をデータとして 保 存 し ていくことができる. 7. おわりに 小 型 A4 サイズながら 電 圧 温 度 を 30 チャネル 測 定 でき,チャネル 間 最 大 電 圧 や 対 地 間 最 大 電 圧 300 V を 実 現 した LR8400 シリーズは, 温 度 の 多 チャネル 計 測 はもちろんのこと,バッテリの 各 セルの 電 圧 測 定 にも 適 した 仕 様 となっている. 燃 料 電 池 や 新 エネル ギーの 各 種 データ 取 得 に 本 器 を 活 用 いただき, 地 球 環 境 改 善 に 寄 与 できたら 幸 いである. *2 技 術 1 部 技 術 1 課