新潟県パソコン計測用共通インターフェースボードNADVの紹介
１．はじめに
２．インターフェースボードキット化計画の動機
３．計測用ボードの回路構成と機能及び特徴
４．計測ボードと共に供給するソフト
５．計測ボードによる計測例
６．ＮＡＤＶブロック図
１．はじめに
『多くの人が同じ計測ボードを持つことでパソコン計測の経験を共有していこう』という趣旨でスタートした新潟県理化学協会研究部理科コンピュータグループによるパソコン計測用共通インターフェースボードの作製計画は、最初のプリント基板が完成し県内を中心に頒布を始めてからまる１年をむかえる。ＮＡＤＶと名付けられたこのボードは、試作段階での多くの試行錯誤の後、基板製造業者に発注され、研究会メンバーによる２度の製作会の経験をもとにパターンの改良、パーツの変更等を経て、現在では完成品の形で、県外を含めすでに２００セット以上の頒布がなされている。パソコン計測用共通インターフェースボード作製の目的、そのハード的性能の概要、それを用いた物理計測例等について、昨年の夏期研究大会でも紹介したが、今回、コンピュータ計測の検討のため再度発表の機会が与えられたので、一部昨年の紹介と重複するが、その後１年間かけて取り組まれた実践も含め、より具体的な紹介を行いたい。（最終的に約５００セットの頒布がなされた）
平成６年からスタートする新指導要領ではデータ処理や計測などにコンピュータの活用が明記されている。
本県でもデータ処理に関してはソフト開発や市販ソフトの利用についていくつか研究発表がなされてきた．また，コンピュータ計測についても先駆的な研究は進められていた。しかし，多くの労力とハードの専門的な知識を必要とするコンピュータ計測に関してはせっかくの研究成果もなかなか多くの人には広まらなかった。
そこで，キットでボードを供給できればコンピュータ計測に関する研究成果を多くの人で共有できるようになる，との考えが出された。キットは市販品に比べれば格段に安くできるし，製作の労力も汎用基板に組み込むよりははるかに小さい。企画する側には，回路図をプリント基板にするときの業者との交渉や，プリント基板をまとまった数量作ることによる経済的な負担などがあるが，それを上回るメリットがあるであろう。以上がキット化計画の動機であった。
対応パソコンの機種は、現在県内各校で最も多く導入されているＮＥＣのＰＣ−９８０１シリーズである。具体的な回路図は省略するが、ブロック図は図１に示す通りである。
機能は、音声入力を例にとれば、基本的には、オペアンプを通して取り込んだ音声電圧のアナログデータを高速のＡ／ＤコンバータＡＤ７８２４で８ビットパラレルのデジタルデータに変換（Ａ／Ｄ変換）し、Programmabule
Peripheral Interface（ＰＰＩ）と呼ばれる汎用入出力ポートＬＳＩである８２５５を通して、パソコンのデータバスに乗せられることである。また、パソコンのメモリーに８ビットデータの集合として取り込まれた電圧のデジタルデータは、同じくＰＰＩを通してＤ／ＡコンバータＤＡＣ０８０８に送られ、ここで再度アナログデータに変換（Ｄ／Ａ変換）され、アンプ、スピーカーを通して、音声として再生する事もできる。８２５３というＬＳＩはProgrammable
Interval Timer（ＰＩＴ）と呼ばれる汎用のプログラマブルタイマーで、サンプリングタイムといわれる一定の時間間隔でデータを取り込んだり出力したりするためのクロックパルスを作りだし、ＰＰＩに送り出している。その元になるクロックパルスは、ＰＣ−９８０１本体からの３０７．２ｋＨｚの信号であり、これをプログラムによる設定で分周することにより任意のサンプリング周波数を得ることが出来るようになっている。取り込めるデータは、もちろん音声のみに限らず、電圧値に変換できる物理量なら原理的には何でも可能である。本ボードの特徴をあげると次の通りである。
(1) ＡＤ７８２４を除けば、他はアドレスデコーダ、オペアンプ回りも含めて、その目的では最も一般的なＩＣを、最も基本的な回路構成で使用し、動作が理解しやすいものとなるように努めた。
(2) Ａ／Ｄコンバーターに、変換時間が2.5μｓ以下という高速変換が可能なＡＤ７８２４を用いた。このＡ／Ｄコンバーターはクロック信号を用いる必要がなく、アナログ入力の前段にサンプル＆ホールド回路を設ける必要もないため、回路をシンプルにすることが出来る。また、プログラミング上でも変換スタートや変換終了等の処理が必要なく、いきなり読み込み命令のみでよいため、取り込み部分のプログラムもシンプルにすることが出来る。
(3)
４チャンネル入力であり、それらをプログラムで選択することが出来る。
チャンネル１ ････
マイク入力用、基板上のスイッチの切り替えでO〜5Vの入力も可能。
チャンネル２ ････ レベルシフト回路で-2.5〜+2.5Vの入力用
チャンネル３ ････
差動アンプの入力回路でO〜5Vの入力用
チャンネル４ ････
ボルテージフォロア回路でO〜5Vの入力用
(4) Ｄ／Ａコンバータも組み込まれている。
(5) マイク入力のためのプリアンプや、スピーカー出力のためのオーディオアンプが組み込まれているため、マイクとスピーカーを取り付けるだけで音声の取り込み、再生が容易にできる。
(6)
上位８ビットのアドレスがディップスイッチにより任意に設定できるため、他のボードとの共用の面で自由度があり、本ボード複数の利用も可能である。
下位の使用アドレスは下記の通りである。
Ｄ０Ｈ ････ 8255 Ａポート（入力）
Ｄ２Ｈ ････ 8255 Ｂポート（出力）
Ｄ４Ｈ ････ 8255 Ｃポート（上位：入力 下位：出力）
Ｄ６Ｈ ････ 8255 ｺﾝﾄﾛｰﾙﾜｰﾄﾞﾚｼﾞｽﾀｰ
Ｄ８Ｈ ････ 8253 カウンタ１
ＤＡＨ ････ 8253 カウンタ２
ＤＣＨ ････ 8253 カウンタ３
ＤＥＨ ････ 8253 ｺﾝﾄﾛｰﾙﾜｰﾄﾞﾚｼﾞｽﾀｰ
(7)８２５５の使用されていないポートＰＣ６、ＰＣ７が入力として利用可能なため、アナログデータの入力のみでなく、デジタルデータの取り込みも適当な若干の回路を付加すれば可能である。たとえば、フォトセンサーを入力センサーとして運動物体の位置を検出し、それを８２５３と連動させて速度、加速度を求めるような形で、物体の運動の解析を行なうことも可能である。これについては岡山県高等学校理科協議会物理部会による多くの実践報告がある。基本的にはセンサーの出力を８２５５のポートに取り込むだけなので、簡単なセンサー部分の回路の付加により岡山県グループの大部分のものが本ボードでもソフトの対応により実現可能のはずである。
(2),(3),(6)に関連してチャンネル１からデータを取り込み、それを画面に表示する最も基本的なＢＡＳＩＣのプログラムを次に紹介する。
10 OUT &H00D6,&H98 :'8255ﾓｰﾄﾞ設定
20 OUT &H00D4,&H0 :'入力にﾁｬﾝﾈﾙ1を設定
30 PRINT INP(&H00D0) :'ﾃﾞｰﾀの取り込み
40 GOTO 30 :'繰り返し
次の(1)〜(3)のソフトがキットと共にフロッピーディスクで供給されている。これらのソフトがボードのハード的性能を十分に引き出しているとは言えないかもしれないが、その概要を示すことにより、この計測ボードの可能性を実感していただけたらと思う。
(1) ＮＡＤＣ．ＥＸＥ
第１チャンネルから第４チャンネルまで全てのチャンネルを通した測定に対応する。特に第１チャンネル（音声信号入力）取り込みデータ用には６４Ｋバイトのメモリーを３個持っていて、そのメモリーとサンプリング周波数を指定して、データの取り込みを行なう。取り込まれたデータは、横軸時間、縦軸電圧のグラフに表示される（メモリ付きオシロスコープとして利用できる）。また、それをＤＡコンバーターを通して再生させることもできる。以下、ソフトの特徴は次の通りである。
(a)
できるなら、生徒に自由に使わせたいということから、直感的なものを大切にし、操作はできるだけ簡単に、表示も常にグラフを主に表示するようにした。
(b)
取り込み対象を音声に限定せず、できるだけ汎用性のある、多目的なものとなるように努めた。あともう少しのプログラムの追加は必要だが、基本的にはこれで運動の解析にも対応できるはずである。
(c)
入力は、ファイル名の入力以外はすべてマウスで、すべての場面でその基本操作は共通である。すなわち、左クリックでポップアプメニューの表示と選択またはポイント設定、右クリックでキャンセルである。
(d)
サンプリング周波数は１〜３０ｋＨｚの範囲から選択できる。取り込み継続時間は、たとえば、メモリーの大きさ最大６４ｋＢの場合、１０ｋＨｚサンプリングで６．４秒間である。
(e)
グラフ表示の場合、時間軸の一目盛りを０．１ｍｓから５ｓの広い範囲で変化させることができ、これにより波形の細かい観察、運動解析においては時間の測定に利用できる。
(f)
高速フーリエ変換（ＦＦＴ）を行い、そのスペクトル分布のグラフを表示できる。
(g)
取り込んだ二つの波の重ね合わせを行い、それを実際に音で聞くことができる。
(h)
チャンネル２〜４については、リアルタイムで画面いっぱいの大きな数字でその値を表示すると同時にグラフ表示する。数値のみの表示、グラフのみの表示もできる。測定時間間隔は０．１秒から１秒の範囲で選択できる。ＮＡＤＶは８ビットのＡＤコンバーター登載なので内部では０（００Ｈ）〜２５５（ＦＦＨ）の数値で処理されるが、それらを任意の数値幅に対応させて表示することができる。すなわち、たとえば００Ｈを０Ｖに、ＦＦＨを５Ｖに対応させれば、０〜５Ｖの数値を直接表示し読み取ることができる。したがって各種センサーからの出力をＯＰアンプで調整すれば新たにプログラムを組まなくともとりあえず測定値を読み取ったりグラフ表示したりできる。
(2) ＡＤＣ．ＥＸＥ
発想は異なるが、目指したものは上記(1)
のソフトと共通のものがある。操作はやはりすべてマウスで、画面上部にあるメニューバーの選択によるプルダウンメニューからすべての動作に入る。音声に対応するような高速取り込みは１つのチャンネルだけでなく、４つのチャンネルすべてについて可能であり、さらに複数チャンネルの同時取り込みも可能である。たとえば、電流と電圧を同時に測定したいときなどには、チャンネル３をメモリー１へ、チャンネル４をメモリー２へ取り込むというふうに、同時に２つのチャンネルを使うことも可能である。サンプリングタイムは１０μｓ〜１００ｍｓまで１２通りの選択ができるようになっている。ＦＦＴによるスペクトル分布のグラフ表示機能もあることは
(1)と同様であるが、さらにこのソフトでは、スペクトル分布のグラフ表示の振動数を順次クリックすることにより、ＦＦＴにより求めた各振動数成分の強度や位相の要素を再合成し、元の波形に近いものを作り出すこともできる。
(3) ＳＴＣＨＡＲＴ．ＢＡＳ
測定対象を０．１秒より遅い現象を想定し、記録紙にデータを記録する装置をイメージして作られている。リアルタイムで画面が右から左に横スクロールして電圧変化を画面に表示していく。ループになっている画面が１０ページあり、第１ページに戻ると画面が更新されていく。矢印キーで画面を前後に動かすことができ、メモリースコープの機能もはたしている。
本ボードにより取り込み解析できる現象は、基本的にその現象を電圧値に変換したデータであるが、そのためにはその現象に対応したセンサー及びそれを駆動またはボードの入力とマッチングさせるための付属回路が必要である。共通インターフェースボード作製の趣旨から、このセンサーや付属回路も特にエレクトロニクスやコンピュータに強い人のみができるというものではなく、理科の教員ならそれまでの蓄積をもとにだれでも実現可能なものでなければならないと考える。そのため自作の場合はできるだけシンプルなものを目指し、市販品で利用できるものならそれを利用し、他で発表されたものでも容易に我々のボードで使えるものならそれを利用する、ようするにあるものはなんでも利用しようと考えている。したがって、以下に研究中のも含めて本ボードによる計測例をいくつか示すが、その原理・方法は必ずしも新しいものばかりではなく、すでに他で発表されたものもある。先に述べたように、いかにしたら共通のインターフェースボードをもとにパソコン計測の経験を共有できるかに取り組みつつある我々の記録である。
(1) 音声の取り込みとその解析
計測ボード開発時にまず考えたのは音声の取り込みであった。なぜならハード的にもソフト的にも速くて技術的に難しい現象は音声であり、他の現象はこれより遅いからである。マイク入力のためのプリアンプやスピーカー出力のためのオーディオアンプが組み込まれているため、マイクとスピーカーを取り付けるだけで音声の取り込み、再生が容易にできる。
(2) 電圧変化のリアルタイムでの観察
電圧変化はO〜5Vにつてはチャンネル１、３、４、-2.5〜+2.5Vについてはチャンネル２の端子から直接取り込むことができて、３に紹介したソフトで数値を読み取ったり、グラフで観察することができる。コンデンサーの充放電やコイルの誘導記電力の観察は、特別な回路も必要なく、用意されたソフトですぐできることである。
(3) 温度の測定
温度センサーとしては、サーミスタ、白金抵抗、熱電対、ＩＣセンサー等いろいろ考えられるが、出力電圧が温度とともに直線的に変化し、０℃から１００℃程度まで簡単に測定できるＩＣ温度センサーの例を示す。
(4)
コイルと磁石による重力加速度の測定
佐賀県の東嶋先生が発表されたものであるが、我々のボードでも簡単に実現できるので紹介する。図のようにアクリル管に１本のエナメル線を切らずに１０回位ずつ等間隔に何箇所か巻き、その中を小さな磁石を落下させると、コイルに生ずる誘導起電力の時間的な間隔から重力加速度を求めることができる。ＮＡＤＶによる測定例を示す。
(5)
半導体圧力センサーによる気体の圧力測定
半導体圧力センサーを使った大気圧センサーユニットが、使用されている圧力センサー本体よりも安価に販売されている。気圧に応じた電圧が出力されるので、これを直接ＮＡＤＶに接続するだけで気圧が測定できる。注射器で圧力を変化させればボイルの法則も検証することができる。
(6)
コンデンサー容量のリアルタイム測定
タイマーＩＣ５５５を用いてコンデンサーの容量に応じたパルス幅を発生し、それを８２５５で取り込み、８２５３でそのパルス幅を数えることにより、容量を測定することができる。いろいろな大きさのアルミ板と、その間にはさむいろいろな厚さの絶縁板を用意することにより、Ｃ＝εＳ／ｄの関係を簡単に見せることができる。
