電圧記録計

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製作した動機

　ニッケル水素電池の放電器を製作した時、動作状態を確認するのに定期的に電池の電圧を測定する必要がありました。
　時々、テスターで電圧を記録するのは面倒な作業です。
　電圧を記録するデータロガーがあれば便利だと思いました。

仕様

　入力抵抗は、もう少し高くしたいところですが、アナログ回路に一般的な部品を使ったので、これ位が限度です。
　アナログスイッチのリーク電流とＯＰアンプの入力バイアス電流が問題になります。

　レンジはオートレンジではなく、設定したレンジに固定されます。
　オーバーフローした場合、表示器には”ＯＶＦ”と表示され、データは上限値、下限値が、そのまま記録されます。

　ＣＰＵにはＰＩＣ１６Ｆ８７７を使用しました。
　使用部品の精度により、計測誤差が１％以上になった場合、ＣＨ毎、レンジ毎にゲイン補正係数を書き込めます。
　他のパラメータ（件数、インターバル、計測レンジ）同様に液晶画面で編集され、ＥＥＰＯＲＭに書き込まれます。
　パラメータはＰＩＣ内蔵のＥＥＰＲＯＭに書かれ、計測データは外付けの２４ＬＣ２５６に書き込まれます。

　データの読み出しは、表示位置をプッシュスイッチでスキャンしながら表示します。
　スキャンスピードは３段変速で、８０００件を３０秒でスキャン出来ます。
　しかしながら、８０００件を読み出すのは大変です。
　そこで、パソコンに全データと計測パラメータを送信出来るようになっています。
　送信後の処理は、パソコン側のソフトに依存します。

負電圧も計測したい

　ＰＩＣ１６Ｆ８７７内蔵のＡ／Ｄコンバータは、そのままでは、正の電圧しか入力出来ません。
　負の電圧を測定するには
　１　バイポーラ入力のＡ／Ｄコンバータを外付けする。
　２　負電圧を正電圧にレベルシフトする。
　上記、２つの方法があると思います。
　精度を追求するには、１の方法が良いと思いますが、今回は簡易型という事で、２の方法を採用しました。

　まず、レンジ切り換えで、入力を−１．２８Ｖ〜＋１．２８Ｖにします。
　次に、レベルシフト回路で、入力を０〜＋２．５６Ｖに変換します。
　あとは通常通りにＡ／Ｄ変換して、ソフトで極性及びレンジを再現します。
　これで内蔵のＡ／Ｄ変換器が使える事になりますが、１０ＢＩＴしかない分解能が、さらに１／２になってしまいました。
　しかし、９ＢＩＴの分解能があれば、通常の計測には十分、使用出来ます。

　回路は複雑ではありませんが、抵抗は１％誤差の金属皮膜抵抗を選別します。
　抵抗を購入すると、一般的に値は−気味で、１％誤差の物は−０．３％〜−０．５％程度の物が多いです。
　この中から、絶対誤差が小さくて相対的な誤差が揃ったペアを選別します。
　又、レベルシフト回路とＡ／Ｄ変換器には基準電圧源が必要ですが、これらは電圧を微調整出来るようにしておきます。

装置の製作

入力部基板	ＣＰＵ基板	装置外観	装置内部	計測表示

入力部基板 　回路はユニバーサル基板で製作しましたが、都合により入力部とＣＰＵ部に分けて製作しました。
　入力部基板にはレンジ切り換えの為のアナログスイッチ、レベルシフトの為のＯＰアンプ等が載っています。
　負電圧はチャージポンプＩＣで作っています。

ＣＰＵ基板
　ＣＰＵにはＰＩＣ１６Ｆ８７７を使用しました。
　その他、ＲＳ２３２Ｃのレベルコンバータ、２５６ＫＢＩＴのＥＥＰＲＯＭ等が載っています。

装置外観
　ケースはタカチのプラスチックケースを」使用しました。
　加工が楽で、防水構造になっているので最近、よく使用します。
　不器用な為、液晶の角穴が綺麗に開けられません。

装置内部
　装置内部と結線状態を示します。

計測中の表示
　表示器は秋月で販売している２０字×４行のものを使用しました。
　写真は３３２件目を計測したところです。

トラブル

メモリ不足
　ＰＩＣ１６Ｆ８７７はメモリが少なく、Ｃコンパイラ（ＣＣＳＣ）でソフトを組むと、よくメモリ不足になります。
　特に浮動小数点を使ったりするとメモリを多く消費します。
　今回は１０００行程度でメモリ不足になってしまいました。
　プログラムメモリが４バンクに分割されているので、Ｃで組むと、メモリが余っていても入らない場合があります。
　この場合は、プログラムの全体構造を変更すると入る場合があります。
　今回も、内容を削り、全体の構造を変更して、やっと納める事が出来ました。
　スタックも８レベルしかないのでギリギリです。
　これらの問題はＰＩＣ１８Ｆシリーズを使えば改善されると思いますが、そこまで投資出来ません。

液晶表示でハマる
　ＰＩＣに関してはデバッガを持っていません。
　構造の簡単なＰＩＣでは、それほど複雑な処理はしないし、組み込み関数の多いＣＣＳＣでは記述が簡単で済む為です。
　液晶表示器があれば、表示状態でミスが判るし、仮に変数の内容を表示する事も可能です。
　今回は、その液晶表示で２日近くハマりました。
　表示位置が変だし、２行目と４行目が表示されません。
　原因は、ある箇所で文字列を表示する関数を間違えて、コマンドを送る関数を使ってしまった事にありました。
　ＣＣＳＣは特殊なコンパイラでｉｎｔが８ＢＩＴであり、文字列定数にポインタが使えません。
　これを補う為、引数がｉｎｔの関数に”＊＊＊＊＊”と文字列を送るとコンパイラが繰り返し処理を展開します。
　これは便利ですが、引数がｉｎｔの関数に文字列を送ってもエラーにならない事を意味します。
　つまり、液晶に変なコマンドを繰り返し、送ってしまった為、以後の動作が不安定になってしまったのです。

型変換
　今回、電圧を記録するのに実際の値の１００倍の符号付き整数で保存しました。
　ＥＥＰＲＯＭはＩＩＣバスですので８ビットに分解して保存しなければなりません。
　読み取る時は８ビットを１６ビットの符号付きに復元します。
　この過程で、よく間違いを発生します。
　Ｃの教科書で型変換の規則を読み直せば、どうという事は無いのですが、他の原因を疑うと長引きます。
　この例ではデバッガが有れば簡単に発見できると思います。

パソコン側ソフト

画面表示	印字サンプル

　この装置は単独で使用でき、計測データは全点を読み出して液晶画面に表示可能です。
　しかし、８０００点を読み出すのは容易ではありません。
　そこでパソコンにデータを送信し、グラフ表示し、ファイルとして保存出来るようにしました。

　ソフトはビジュアルＣ＋＋６．０のＳＤＫで作成しました。
　Ｗｉｎｄｏｗｓ９８ＳＥ、Ｍｅ、ＸＰ（ＳＰ２）で動作を確認しています。
　ＰＣ９８２１のＷｉｎｄｏｗｓ９５ではファイルの読み書きやグラフ表示は出来るのですが、通信が出来ませんでした。

　表示画面はウインドウではなく、ダイアログです。
　ＶＢのピクチャーボックスのような便利なコントロールが無いので、ダイアログにウインドウを貼り付けています。
　メインのダイアログは寸法が大きいのでリソースエディタでは綺麗にコントロールを配置出来ません。
　まず、大雑把に配置し、各コントロールのＩＤから、ハンドルを取得し、プログラムで位置と大きさを数値で 微調整しています。
　スタティックエディットのような簡単なものまで全て位置合わせするので、結構面倒です。
　ＸＰのタイトルバーは９８やＭｅのタイトルバーより、高さが高いのでダイアログの全体の寸法は若干、大きくなります。
　９８やＭｅで作成した場合、丁度良い寸法で製作すると、ＸＰで動作させた時、画面の下部が切れてしまいます。

　最初、ダイアログにメニューを付ける方法が分からず、悩みましたが、リソースのプロパティーシートで作成済みのメニュー の名称を選定するだけで付きました。
　メニューの下の境界線を引く方法が分からなかったので、ピクチャーコントロールの高さを１にしたもの を貼り付けました。

　まず、本体からＲＳ２３２Ｃで計測パラメータと計測データを読み込みます。
　ＣＯＭポートは起動時にはＣＯＭ１になっていますので（レジストリに書き込んでいません。）設定用のダイアログで ＣＯＭ１〜ＣＯＭ９の中から選択します。
　読み込み時間は８０００件サンプリングした場合、２０秒近く、かかります。
　この間、タイトルバーの表示が一時的に、「通信中」に変更されます。
　計測パラメータの一部はエディットボックスに表示したり、グラフを描くために使用します。
　数値を表示する一部のエディットコントロールには、起動時にメッセージを送って、フォントを変更しています。
　デフォルトのシステムフォントでは小数点が非常に見にくい為です。

　データの受信終了で、グラフが描かれます。
　表示モードは３種類を選択出来ます。
　例えば８０００件の計測をしても、グラフの横軸は５００ドットです。
　＊重ねモードの場合、横軸１ドットに１６点が重ね描きされ、場合により、線が太く見えます。
　＊平均モードの場合、１６点毎の平均が５００ドット、描画されます。
　＊拡大モードの場合、下部の頁送り釦が有効になり、５００件×１６頁が表示されます。

　表示レンジは２．５Ｖ〜２５Ｖの４レンジあり、変更するとグラフが描き変わります。
　計測レンジと表示レンジは連動していません。（２ＣＨある為です。）
　手動で、任意のレンジに変更します。
　当然ながら、１０Ｖのデータを２．５Ｖのレンジで表示させるとスケールオーバーします。

　計測データはダイアログで数値表示することが可能です。
　ダイアログには−１０００、−１００、．．．＋１、．．．＋１０００の８個の位置送り釦が付いています。
　任意の位置を比較的簡単に選定出来ます。

　読み込んだデータには、説明用のテキストを付加して保存出来ます。
　テキストはメニューからテキスト入力用のダイアログを出して書き込みます。

　ファイル→名前を付けて保存で、ファイル保存用のダイアログが出ます。
　ファイル名を入力すると拡張子．ｖｌｄを付けて保存されます。
　照合用の文字列、説明用のテキスト、計測パラメータ、計測データの順に保存されます。
　テキスト形式ですのでエディタに送れば内容の確認は出来ますが、手で修正すると、次回に読み込んだ時、実行エラー が発生します。
　読み込みは拡張子が．ｖｌｄのものだけが選別されます。
　拡張子が一致しても照合用の文字列が一致しなければエラーとなります。

　印刷は現在、表示されている表示モードや頁位置、表示レンジのグラフが印刷されます。
　問題は印字のスケールです。
　プリンタドライバより、フォントの大きさを読み出し、これを基準にしています。
　自分のプリンタでテストしただけなので、他のプリンタでグラフが大きくなったり、小さくなったりしないか心配です。
　印刷を実行すると、プリンタ固有のダイアログが出ますので、ＯＫ釦を押せば印刷が開始されます。

　サンプルは１０００ＵＦの電解コンデンサーを約１０Ｖで充電し、２２０ＫΩの抵抗で放電した時の端子電圧を 計測したものです。
　電気回路の教科書に出ているような綺麗な曲線が描かれています。
　パソコン画面が、古いウインドウズクラシックですが、ＸＰの画面は角が丸くて切り取りにくいので、 こちらを使いました。
　それに、我が家では、未だにＷｉｎｄｏｗｓ９５，９８ＳＥ、Ｍｅ等のパソコンが現役です。
　仕事で使う場合、シンプルな古いＯＳで十分です。
　ＸＰのパソコンは、ほぼインターネット専用になっています。

　電圧記録計その後

　２０２０年１１月　追補　

　上記の記事は１４年前にＵＰされました。
　最近はツールとして、あまり使用していませんでしたが久々に活躍の場がありました。
　その時、アップした記事を見たのですが回路図が載っていないことに気が付きました。
　私の使っている回路図エディタは回路図を画像ファイル（ｊｐｇやｇｉｆ）として出力しません。
　回路図をＵＰする方法として最初の頃は印字した回路図をスキャナーで読み込んで画像ファイルを作成していました。
　この方法は汚い割にはファイル容量が大きいので、その後、画面コピーに変更しました。
　ただ、サイズの大きい回路はエディタの１画面に収まりません。
　エディタで画面サイズは縮小出来るのですが文字や細部が見えないと意味が無いので限度があります。
　対策として
１　回路図を書くとき出来るだけ詰めて書き、最後に寸法が最小になるように清書する。
２　ライブラリーを自作し、小型化する。（今回はＣＰＵ、その他）
３　システムフォントをＭＳゴシックに変更すると縮小したとき視認性が良くなる。
　これでも１画面に収まらない時は
４　回路をブロック分けして複数の図面にする。
　又は
５　エディタ画面を分割してコピーし、大きい白紙上でつなぎ合わせる。
　今回、上記の項目１〜項目４を使ってＵＰする回路図を作成しました。
　回路は１４年前から変わっていませんが長い年月が経過しているので再現性に問題があるかもしれません。
　１４年前は面倒で先送りしたと思われます。

回路図（入力部）

　回路図をクリックすると拡大表示されます。
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　このブロックは入力電圧の分圧とレベルシフトを行います。
　入力電圧は±１．２８Ｖに分圧されます。
　分圧はアナログマルチプレクサを使い、ＣＰＵで分圧比を切り換えます。
　ＣＰＵ内蔵のＡＤ変換器は負の電圧を計測出来ないので±１．２８Ｖを０〜２．５６Ｖにレベルシフトします。
　回路はゲイン１の差動増幅器ですが反転入力に常に−１．２８Ｖが入力されているので１．２８Ｖが常に加算されます。
　回路図中のＶＲは２０回転の半固定です。

回路図（ＣＰＵ周辺）

　回路図をクリックすると拡大表示されます。
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　ＣＰＵは当時、主流のＰＩＣ１６Ｆ８７６を使いましたが、現在ならＰＩＣ１８Ｆ等、もっと使い易いＣＰＵがあり、 メモリやスタックの不足に悩まされる事も無いと思います。

ファームウエア

　ＰＩＣを使い始めた頃、私はＣＣＳＣを使用していました。
　このファームウエアもＣＣＳＣで書かれています。
　その後、ＰＩＣ１８ＦをＣ１８でコンパイルするようになりました。
　現在、私にはＣＣＳＣを使う環境がありません。
　ここでダウンロード出来るプロジェクトは、そのままでは使えませんが必要があればソースを他の環境に移植することに なります。
　全く同じ物ならコンパイル済みの実行ファイルを焼けば動作するはずです。
　ファームウエアのダウンロード

ウインドウズアプリ

　このプロジェクトはＶＣ６のＳＤＫで作成されています。
　現在、ＶＣ６は何台かあるＸＰのＰＣにインストールされていて、現在でもビルド可能です。
　ビルドされた実行ファイルはＷｉｎｄｏｗｓ９８ＳＥ以降のＰＣで動作するはずです。
　Ｗｉｎｄｏｗｓ１０ｐｒｏ６４ｂｉｔのＰＣで動作を確認しています。
　ＶＣ６はＷｉｎｄｏｗｓ１０にはインストール出来ません。
　アプリのダウンロード