[論文レビュー] Low Cost PC Based Real Time Data Logging System Using PCs Parallel Port For Slowly Varying Signals

Nungleppam Monoranjan Singh, Kamal Sarma|arXiv (Cornell University)|Jul 11, 2012

Sensor Technology and Measurement Systems被引用数 7

ひとこと要約

本論文では、温度や湿度などのゆっくり変化する信号をモニタリングするために、並列ポートを用いた低コストでPCベースのリアルタイムデータロギングシステムを提示する。LM35センサーとADC0808を用い、C言語でプログラミングされたインターフェースにより、0.2°Cの分解能で1秒間に2サンプルの速度でデータを記録し、CSV形式で保存する。このデータはExcel分析に適しており、リアルタイムでのグラフィカル表示および相対湿度と mildew点の自動計算が可能である。

ABSTRACT

A low cost PC based real time data logging system can be used in the laboratories for the measurement, monitoring and storage of the data for slowly varying signals in science and engineering stream. This can be designed and interfaced to the PCs Parallel Port, which is common to all desktop computers or Personal Computers (PCs). By the use of this data logging system one can monitor, measure and store data for slowly varying signals, which is hard to visualise the signal waveforms by ordinary CRO (Cathode Ray Oscilloscope) and DSO (Digital Storage Oscilloscope). The data so stored can be used for further study and analysis. It can be used for a wide range of applications to monitor and store data of temperature, humidity, light intensity, ECG signals etc. with proper signal conditioning circuitry.

研究の動機と目的

• 温度や湿度などのゆっくり変化する物理的パラメータをモニタリングする低コストでリアルタイムのデータ取得システムを開発すること。
• 高価なデータ取得ハードウェアを避けるために、PCの並列ポートをコスト効率の良いインターフェースとして活用すること。
• 標準的なソフトウェア（例：Excel）を用いた後続分析を可能にするために、センサーのデータをリアルタイムでグラフィカルに表示し、長期保存すること。
• 乾き球と湿り球の温度読み取り値を用いて、相対湿度と露点を自動的に計算し、記録すること。
• 広く利用可能な並列ポートインターフェースを活用することで、新旧のPC（デスクトップおよびラップトップ）との互換性を確保すること。

提案手法

• LM35センサーからのアナログ温度信号は、オフセットが小さく、高利得の演算増幅器を用いて0–5 Vにスケーリングされる。
• スペクトル歪みを防ぎ、ADC変換前の信号の忠実性を保つために、アーリアシング防止用のローパスフィルタが適用される。
• ADC0808がアナログ信号を8ビットのデジタル値（分解能 ≈19.6 mV または 0.2°C）に変換し、サンプリングレートは1秒間に2サンプルである。
• IC 7414、抵抗、セラミックコンデンサを用いたクロック回路が、安定したクロック信号（周波数 f = 1/(1.1RC)）を生成し、ADCの制御に使用される。
• ジーナーダイオードを用いた電圧制限回路が、出力が5 Vにクランプされるようにして、ADCへの過電圧を防止する。
• C言語でプログラミングされたアプリケーションが並列ポートを制御し、デジタルデータを読み取り、リアルタイムでの温度グラフ表示、およびExcel互換性のある.csv形式でのデータ保存を実行する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 並列ポートを低コストな設定で、ゆっくり変化するアナログ信号のリアルタイムデータ取得に再利用することは可能か？
• RQ2 PCの並列ポートを介してADC0808とLM35センサーを用いたデータロガーで、達成可能な分解能と正確性はどの程度か？
• RQ3 このようなシステムにおいて、乾き球と湿り球の温度読み取り値を用いて、相対湿度と露点をどの程度正確に計算できるか？
• RQ4 通常の環境条件下でも、このシステムがデータの整合性とリアルタイム性能をどの程度維持できるか？
• RQ5 この低コストシステムは、教育現場や基本的な産業モニタリングにおいて、商業用データロガーの実用的代替手段として成立するか？

主な発見

• 8ビットのADC0808と5 V基準電圧を用いることで、温度分解能が約0.2°C（LSBあたり0.0196 V）に達する。
• データロギングシステムは安定した1秒2サンプルのサンプリングレートで動作し、ソフトウェアの変更により調整可能である。
• 乾き球と湿り球の温度入力値を用いて、相対湿度（85.18%）と露点（17.36°C）をリアルタイムで正確に計算し、記録している。
• 測定データは水銀温度計の読み取り値と良好に一致しており、ノイズやシールドの制限があるものの、妥当な正確性を確認した。
• リアルタイムでの温度グラフィカルモニタリングと、Microsoft Excelと直接互換性のある.csv形式でのデータ保存が可能である。
• ジーナーダイオードを用いた過電圧保護により、ADCの損傷が効果的に防止され、システムの信頼性が向上した。