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明細書 :プログラマブル計測汎用モジュール並びにそれらを用いた計測システム

発行国 日本国特許庁(JP)
公報種別 特許公報(B2)
特許番号 特許第3806734号 (P3806734)
公開番号 特開2004-061251 (P2004-061251A)
登録日 平成18年5月26日(2006.5.26)
発行日 平成18年8月9日(2006.8.9)
公開日 平成16年2月26日(2004.2.26)
発明の名称または考案の名称 プログラマブル計測汎用モジュール並びにそれらを用いた計測システム
国際特許分類 G01W   1/02        (2006.01)
G01D  21/00        (2006.01)
FI G01W 1/02 Z
G01D 21/00 G
請求項の数または発明の数 22
全頁数 35
出願番号 特願2002-218968 (P2002-218968)
出願日 平成14年7月26日(2002.7.26)
審査請求日 平成14年7月29日(2002.7.29)
特許権者または実用新案権者 【識別番号】501203344
【氏名又は名称】独立行政法人農業・食品産業技術総合研究機構
発明者または考案者 【氏名】平 藤 雅 之
【氏名】深 津 時 広
個別代理人の代理人 【識別番号】110000051、【氏名又は名称】特許業務法人共生国際特許事務所
審査官 【審査官】福田 裕司
参考文献・文献 田中康一郎,SHOKE2000:PCI-Based FPGA Cardの開発とその評価,電子情報通信学会論文誌D-1,2001年 6月 1日,P.540-547
田中康一郎,プログラマブルデバイスを用いたアナログ/ディジタル混在回路,電子情報通信学会技術研究報告,1998年 8月21日,P.47-54
平藤雅之,超分散モニタリングシステム用フィールドサーバの設計と試作,農業情報学,2002年 3月20日,第4号,p.53-56
調査した分野 G01W 1/00-1/18
JICSTファイル(JOIS)
特許請求の範囲 【請求項1】
気象・生物・農産物・食品に関する環境データ計測対象に用いるプログラマブル計測用モジュールであって、
CPU、DAコンバータ、メモリから少なくともなり、第1のプログラムによって決められた周波数合成波形信号を出力するデジタルシンセサイザと、
2つの入力電圧の積を電圧として出力する乗算器と、
オペアンプ、抵抗、コンデンサを少なくとも含む電子回路基本素子を複数有し、さらにそれらの定数と結線選択にクロスバースイッチ機構を用いる第2のプログラムにより変更できる素子とからなるFPAA(フィールド・プログラマブル・アナログ・アレイ)と、
前記デジタルシンセサイザ、乗算器、FPAAも含めた総てを制御するCPUコアとなるコンピュータ部、DAコンバータ、ADコンバータを少なくとも有し前記第1及び第2のプログラムをデジタルバスを介して指令信号を出力するプログラマブル機能を有するFPGA(フィールド・プログラマブル・ゲート・アレイ)とを有する4回路要素から構成されるモジュールであって
前記計測対象である被検体からの検出信号のアナログ入力端子及び、被験体への印加信号のアナログ出力端子を前記FPAAに備え、
前記FPGAのコンピュータ部は前記4回路要素間の配線選択前記FPAAのクロスバースイッチ用いる第3のプログラムにより組替える手段をさらに備え、
前記アナログ入力/出力端子に接続された被検体の計測条件に合致する前記第3のプログラムを前記コンピュータ部より起動して前記4回路要素間の配線を定め、前記被検体の計測の必要性に対応して第1又は/及び第2のプログラムを起動して周波数合成波形信号を出力させるか又は/及び前記FPAAの各素子の結線と素子定数を定めて、被検体の計測処理ができ、さらに前記FPGAコンピュータ部はWebサーバの機能を備えれば複数の計測地点に設置された前記モジュールそれぞれのインターネットコントローラによりLANを経由して、計測者のクライアント端末が通信回線に接続し、計測制御できる汎用性のあるモジュールであることを特徴とするプログラマブル計測汎用モジュール。
【請求項2】
前記4回路要素にさらにDC-DCコンバータを設け、前記DC-DCコンバータから前記4回路要素への安定電源としてそれぞれ接続配線されると共に、前記ADコンバータのリファレンス電圧及び前記乗算器の定数として用いることを特徴とする請求項1記載のプログラマブル計測汎用モジュール。
【請求項3】
請求項1又は2記載のプログラマブル計測汎用モジュールの前記FPAAのアナログ出力端子に容量性の被検体を接続して、その端子に印加する交流電圧により前記被検体中を流れる交流電流の大きさ及び位相のずれの検出信号を前記アナログ入力端子に接続し、
前記モジュールのFPGAコンピュータ部は、前記被検体へ印加すべき電圧値及び周波数の交流電圧を前記デジタルシンセサイザへバスを介して生成を指令するデジタルシンセサイザ電圧生成手段と、
前記FPAAとバスを介して指令し増幅回路を生成すると共に、デジタルシンセサイザとFPAA間の配線を選択し、前記生成電圧を前記増幅回路に入力し増幅させる配線設定/増幅回路生成手段と、
前記アンプ出力を前記アナログ出力端子へ出力する被検体への電圧印加手段と、
前記容量性の被検体に直列に接続された分割抵抗器の所定の分割端子における前記検出信号を前記アナログ入力端子から取得するためFPAA内に所定の増幅回路及びローパスフィルタの電子回路の生成と結線をバスを介して指令し、その検出信号を入力する電子回路生成/検出信号入力手段と、
そのローパスフィルタの出力をバスを介して指令し、アナログ信号線によりFPGAのADコンバータに入力し、被検体を流れる電流と位相のずれを検出する電流・位相検出手段とを備え、
その検出結果より被検体の誘電率、電気伝導度又は誘電率損失、イオン濃度の少なくともいずれかの物理的性質を計測することを特徴とするプログラマブル計測汎用モジュールを用いた計測システム。
【請求項4】
前記分割抵抗器は、前記FPAA内の電子回路基本素子により前記FPGAコンピュータ部が、バスを介してFPAA内に生成する分割抵抗器生成手段を備えることを特徴とする請求項3記載のプログラマブル計測汎用モジュールを用いた計測システム。
【請求項5】
請求項1又は2記載のプログラマブル計測汎用モジュールの前記FPAAのアナログ入力端子に計測センサの電圧出力端子を接続し、
前記モジュールのFPGAコンピュータ部は、前記計測センサからの計測信号電圧を前記FPAAを介して前記FPGAのADコンバータに入力するに際して、そのADコンバータの入力レンジの範囲とセンサの計測信号電圧の範囲とを一致するようにバスを介して指令しFPAA内の前記電子回路基本素子によりゲイン回路及びオフセット回路を生成するゲイン/オフセットの回路生成手段と、
その回路生成手段により一旦その範囲内で計測を行い、次にその計測値を中心として前記範囲を所定のより狭い範囲に設定するためバスを介して指令し前記ゲイン回路及びオフセット回路を調整し、計測値をADコンバータに入力させる回路調整手段とを備え、
再計測を行うことで、分解度機能における精度を向上させることを特徴とするプログラマブル計測汎用モジュールを用いた計測システム。
【請求項6】
請求項1又は2記載の複数のプログラマブル計測汎用モジュールをそれぞれ計測地点に設置し、それら各プログラマブル計測汎用モジュールのアナログ入出力端子と対応する被検体とをそれぞれ線で結線し、各プログラマブル計測汎用モジュールのFPGAコンピュータ部はそれぞれWebサーバの機能を備えると共に、各自のモジュールにはそれぞれ付加又は内蔵するイーサーネットコントローラと、
それらイーサーネットコントローラよりLANを経由して通信回線或はインターネット回線に接続する計測者のクライアント端末とを備え、
前記モジュールのFPGAコンピュータ部は、前記被検体を計測するに際し、その計測に適合した周波数、電圧値、アンプの増幅率を少なくとも含む電子回路のデータ条件を前記コンピュータ部のメモリ部に記憶する計測条件記憶手段と、
前記コンピュータ部のメモリ部に記憶されたデータ条件によりデジタルシンセサイザ、FPAAへバスを介して指令し所定の電子回路を生成し、指令周波数及び電圧をアナログ出力端子へ出力する計測条件設定/出力手段と、
前記アナログ入力端子より入力した計測データをアナログ演算処理するFPAA内の電子回路の生成を指令し、それを介してADコンバータに入力し、そのデジタル計測データをWebサーバメモリ部に記憶する電子回路生成/計測データ蓄積手段と、
前記計測者のWebブラウザ或はエージェントソフトを備えるクライアント端末より前記各プログラマブル計測汎用モジュールに対するアクセスに応答して、コンピュータ部のメモリ部に蓄積された計測データをそのクライアント端末へ送信するアクセス応答/計測データ送信手段とを備え、
前記計測者はそのクライアント端末より通信回線を介してアクセスし、複数計測地点に設置されている被検体から収集した各プログラマブル計測汎用モジュールに蓄積した計測データを逐次受信し収集できることを特徴とするプログラマブル計測汎用モジュールを用いた計測システム。
【請求項7】
前記請求項6記載のプログラマブル計測汎用モジュールを用いた計測システムにおいて、
各被検体に接続する計測アナログ入出力端子に加えて、複数の計測汎用モジュール間の計測情報データ交信のための交信アナログ入出力端子を設け、それらの交信アナログ入出力端子と接続する一本の単一アナログケーブルを備え、
各モジュールのFPGAコンピュータ部はデジタルシンセサイザ及び乗算器によりバスを介して指令し、周波数多重化信号を生成させる生成周波数変調波生成手段と、
各FPAAにその周波数多重化用信号を出力させるために、クロスバースイッチを含む多重化用電子回路を生成する多重化用電子回路生成手段と、
前記信号を受信して、コンピュータ部メモリ部を書換える転送指令受信/書換手段とを少なくとも備え、
複数の計測汎用モジュールの中でWebサーバ機能及びデジタル通信機能が少なくとも1台以上あれば、他のモジュールのWebサーバ機能及びデジタル通信機能が無くとも、1台のWebサーバ機能及びデジタル通信機能のある計測汎用モジュールを介して、総ての計測汎用モジュールを制御可能とすることを特徴とするプログラマブル計測汎用モジュールを用いた計測システム。
【請求項8】
前記モジュールのFPGAコンピュータ部は、さらに、前記計測条件記憶手段でコンピュータ部のメモリ部に記憶されているデータ条件内容の書換アクセス信号を、前記クライアント端末から通信回線を介して受付ける書換信号受付手段と、
前記受付に際し、クライアント端末からの少なくともID番号又はパスワードがそのモジュールのID番号又はパスワードと一致していればメモリ書換を許可し、書換信号によるデータ条件の上書を行う書換信号許可手段とを備え、
次回の計測に際しては、その更新されたデータ条件により前記FPAA、FPGA、デジタルシンセサイザの機能を定義するデータプログラムを書換え、計測条件・信号処理工程を変更し計測することを特徴とする請求項6又は7記載のプログラマブル計測汎用モジュールを用いた計測システム。
【請求項9】
前記計測データはコンピュータ部のメモリ部へHTML(Hyper Text Markup Language)ファイル及びXML(Extensible Markup Language)ファイルとして蓄積することを特徴とする請求項6又は7記載のプログラマブル計測汎用モジュールを用いた計測システム。
【請求項10】
前記データ条件内容はXMLファイルとして定義し、このXMLファイルはコンピュータ部のメモリ部に保存することを特徴とする請求項6又は7記載のプログラマブル計測汎用モジュールを用いた計測システム。
【請求項11】
請求項1又は2記載のプログラマブル計測汎用モジュールのアナログ入力端子と、交流電圧を印加する電極、又は電磁波を受信するアンテナ、又は音波を検出するマイクロホン、又は振動波を検出する振動センサ等のプローブ又はトランスジューサの電気信号電圧端子とを接続し、
前記モジュールのFPGAコンピュータ部は、前記デジタルシンセサイザに対して、前記電気信号電圧の計測すべき周波数帯域の下限から上限へ所定の周波数間隔で、一定時間ずつ交流電圧sin(ω)t(ω=周波数:t=時間)を生成する指令を送る計測周波数生成指令手段と、
その測定周波数生成電圧sin(ω)tを前記乗算器に入力する配線を選択する配線設定手段と、
前記アナログ入力端子からの計測電気信号電圧を前記乗算器へ出力するようにその信号電圧を、入力する受信回路の生成をFPAAに指令すると共に、その出力を乗算器へ入力する配線を選択する受信回路生成/配線設定手段と、
前記乗算器における前記2つの入力電圧の乗算値をFPAAに入力させる配線を選択すると共に、その乗算値を前記一定時間積分する積分回路をFPAA内に生成を指令する配線設定/積分回路生成手段と、
その積分回路の出力の直流成分を取出ためにFPAA内にローパスフィルタ及びその信号の増幅するアンプの生成を指令すると共に、その直流値を計測する直流値計測手段と、
以上の直流値の計測を、所定の周波数間隔毎に行い各周波数毎の直流値を計測し、FPGAのメモリに記憶する周波数対直流値記憶手段とを備え、
前記プローブ又はトランスジューサで検出された電気信号を周波数別に計測することを特徴とするプログラマブル計測汎用モジュールを用いた計測システム。
【請求項12】
前記モジュールのFPGAコンピュータ部は、さらにWebサーバの機能を備えると共に、そのモジュールには付加又は内蔵するイーサーネットコントローラと、そのコントローラよりLANを経由してインターネット回線に接続する計測者のクライアント端末とを備え、
そのFPGAコンピュータ部は前記周波数毎の計測直流値を前記Webサーバのメモリ部へ蓄積させるWebサーバ蓄積手段と、
前記計測者のWebブラウザを備えるクライアント端末より前記モジュールに対するアクセスに応答して、Webサーバメモリ部に蓄積された計測直流値を送信する計測直流値送信手段とを少なくとも備えることを特徴とする請求項11記載のプログラマブル計測汎用モジュールを用いた計測システム。
【請求項13】
請求項1又は2記載のプログラマブル計測汎用モジュールのアナログ入力端子と逆方向直流電位が印加されたダイオードとを接続し、
前記モジュールのFPGAコンピュータ部は、前記アナログ入力端子からの前記ダイオードのノイズを受信・増幅するためのアンプをFPAA内部に生成させるアンプ生成手段と、
前記A/Dコンバータに取得された所定時刻毎の電圧値の数列を乱数としてFPGA内メモリ部へ蓄積させる数列蓄積手段とを備え、
前記ダイオードの時間的にランダムにゆらいでいるショットノイズの電圧をシーズとして乱数を発生させる周期性のない完全な乱数を生成することを特徴とするプログラマブル計測汎用モジュールを用いた計測システム。
【請求項14】
前記ダイオードのショットノイズをアナログ入力端子より取得する代わりに、FPAA内部に半導体素子を設定し、その半導体素子に逆方向直流電位を印加して、その半導体素子から出力するノイズを用いて乱数を生成することを特徴とする請求項13記載のプログラマブル計測汎用モジュールを用いた計測システム。
【請求項15】
前記モジュールのFPGAコンピュータ部は、さらにWebサーバの機能を備えると共に、そのモジュールには付加又は内蔵するイーサーネットコントローラと、そのコントローラよりLANを経由してインターネット回線に接続する計測者のクライアント端末を設け、
そのFPGAコンピュータ部は前記特定周波数成分の所定時刻毎の電圧値の数列とする乱数をFPGAのWebサーバの一時メモリ又はシフトレジスタへ入力する乱数列入力手段と、
前記計測者のクライアント端末より、そのモジュールに対するアクセスに応答して、Webサーバの一時メモリ又はシフトレジスタメモリより前記乱数を送信する生成乱数送信手段とを備えることを特徴とする請求項13又は14記載のプログラマブル計測汎用モジュールを用いる計測システム。
【請求項16】
請求項1又は2記載のプログラマブル計測汎用モジュールのアナログ出力端子と、高周波電力を幅射電磁波に変換するアンテナ、又は交流電圧を音波に変換する超音波・音波・振動波発振器、交流電圧を光波に変換するイルミネーション・表示器を含む発光器を含むトランスジューサとを接続し、
前記モジュールのFPGAコンピュータ部は、前記デジタルシンセサイザに対してバスを介して前記トランジューザの動周波数帯域内の特定の周波数の搬送電圧波生成を指令すると共にその電圧波を乗算器へ入力するための配線選択を指令する搬送電圧波生成/配線設定手段と、
送信したい情報データをアナログ値としてFPGA内部のDAコンバータから出力させ、その出力電圧を前記乗算器へ入力させる配線選択を指令する情報データ出力/配線設定手段と、
前記乗算器における前記デジタルシンセサイザ及びFPGAからの2つの電圧値の乗算値を前記FPAAに取得させるため、そのFPAAと乗算器間の配線選択と、取得した乗算値をハイパスフィルタを通過させその出力電力増幅を行うための電子回路生成をFPAAへ指令する配線設定/電子回路生成手段とを備え、搬送波を送信したい情報データにより変調した変調高周波或は交流電圧を前記アナログ出力端子から出力し、前記トランスジューサへ送り、トランスジューサから少なくとも電磁波又は音波又は光が出力することを特徴とするプログラマブル計測汎用モジュールを用いた計測システム。
【請求項17】
請求項16記載のプログラマブル計測用モジュールを用いた計測システムの構成の複数台の送信装置を、予め、既知座標の各地点にそれぞれ設置し、それら送信装置には、それぞれ、前記送信アンテナ、超音波・音波発振器、赤外線を含む発光器の少なくともいずれかのトランスジューサをアナログ出力端子へ接続し、
一方、請求項11記載のプログラマブル計測用モジュールを用いた計測システムの構成の複数台の受信装置を、予め既知座標の各地点にそれぞれ設置し、それら受信装置には、それぞれ、受信用アンテナ、マイクロホン、圧力センサ、加速度センサ、光センサ、温度センサ、電界計測プローブのいずれか複数を一体化した検出モジュールとしてアナログ入力端子へ接続し、
前記送信装置と前記受信装置の間で、あるエリアの地表面上で超高周波帯を含む電磁波、超音波を含む音波、赤外線を含む光の各周波数を搬送波として所定情報データで変調して送受信を行い、
受信装置のFPGA内コンピュータ部は、その受信データをメモリ部に記録し、その時間経過に従って変化が計測されたときは、変化のある周波数帯の伝搬状況の変化から天候・周囲状況変化・風・物の速度、人・動物の移動を推定する解析手段を備えることを特徴とするプログラマブル計測汎用モジュールを用いた計測システム。
【請求項18】
設定点座標がそれぞれ既知の前記複数の送信装置が、その接続されたトランスジューサが音波発振器であり、音波を放射し、一方、他の複数の設定点座標がそれぞれ既知の前記受信装置が、その接続された計測センサがマイクロホンであり、音波を受信する計測システムであって、
前記受信装置のFPGAコンピュータ部は、そのメモリ部にある通常(風速=0)の場合の検出音波と、移動変化している検出音波を比較してそのドップラー効果又は伝搬速度の差により装置間に吹いている風速を計測する手段を備えることを特徴とする請求項17記載のプログラマブル計測汎用モジュールを用いた計測システム。
【請求項19】
設定点座標がそれぞれ既知の前記複数の受信装置が、そのアナログ入力端子に接続された前記検出モジュールは少なくとも振動センサであり、振動波を受信するシステムであって、
人・動物が地面を歩行するときの各時刻毎の振動波を前記複数の受信装置を計測し、各振動波が各装置に到達する時刻経過をそれぞれのFPGAのコンピュータ部は、そのメモリ部へ記憶する手段を備え、
各メモリ部に記憶された振動の到達する時刻の差より歩行者の2次元位置を推定することを特徴する請求項17記載のプログラマブル計測汎用モジュールを用いた計測システム。
【請求項20】
前記複数の受信装置は、それぞれ各前記モジュールのFPGAコンピュータ部12は、さらに、Webサーバの機能を備えると共に、各モジュールには付加又は内蔵するイーサーネットコントローラとLANとを経由してインターネット回線に接続する計測者のWebブラウザを備えたクライアント端末を備え、
FPGAコンピュータ部はそのメモリ部に記憶された各時刻毎の振動波をWebサーバのメモリ部に蓄積し、その時刻経過毎の振動の振巾をインターネットを介してクライアント端末へ収集し、歩行者の2次元位置を推定することを特徴とする請求項19記載のプログラマブル計測汎用モジュールを用いた計測システム。
【請求項21】
設定点座標がそれぞれ既知の前記複数の受信装置では、そのアナログ入力端子に接続された前記検出モジュールは少なくともマイクロホンであり、
一方、設定点座標がそれぞれ既知の前記複数の送信装置では、そのアナログ出力端子に接続された前記トランスジューサは少なくともスピーカを含む音波発生器であり、
前記複数の受信装置及び送信装置は、それぞれ各前記プログラマブル計測汎用モジュールのFPGAコンピュータ部には、さらに、Webサーバの機能を備えると共に、そのモジュールには付加又は内蔵するイーサーネットコントローラとLANとを経由してインターネット回線に接続する計測者のWebブラウザを有するクライアント端末を備え、
各送信装置から出力される音波発生器の音波を各受信装置のマイクロホンで受信するシステムにおいて、
前記複数の送信装置のFPGA内の前記Webサーバのメモリ部にそれぞれ送信音量及び位相を時刻毎に記録する送信記録手段と、一方前記複数の受信装置のFPGA内の前記Webサーバのメモリ部にそれぞれ受信音量を時刻毎に記録する受信記録手段とを少なくとも備え、
前記計測者のクライント端末は、インターネットを介して受信装置の各Webサーバのメモリ部にある音量データを収集し、予め端末のメモリに設定されているそのエリアに定めた特定地点の音圧レベルと比較して、異なっていれば、その音圧レベルに一致するようにその周辺の送信装置の音量及び位相を調整する音量位相調整手段を備え、その特定地点の音圧レベルを増大又は減少させることができることを特徴とする請求項17記載のプログラマブル計測汎用モジュールを用いた計測システム。
【請求項22】
前記複数の受信装置では、そのアナログ入力端子に接続された前記検出モジュールは超高周波帯まで含む受信アンテナ、マイクロホンを含む超音波検出器、赤外線を含む光センサであり、
前記複数の送信装置では、そのアナログ出力端子に接続された前記トランジューサは超高周波帯送信アンテナ、超音波を含む音波発振器、赤外線、レーザを含む発光器であり、
前記複数の受信装置及び送信装置は、それぞれ各前記プログラマブル計測汎用モジュールのFPGAコンピュータ部には、さらにWebサーバの機能を備えると共に、そのモジュールに付加又は内蔵するイーサーネットコントローラとLANを経由してインターネット回線に接続するWebブラウザを有するクライアント端末を備え、
各地点に配置された前記送信装置から各地点に配置された前記受信装置への通信周波数及び電圧値(放射電力値)を前記クライアント端末からの指令によりインターネットを介し変更できるようにするため、前記送信装置は、FPGAコンピュータ部のWebサーバ内に通信周波数及び電圧値を記憶させるメモリ部を設け、
そのコンピュータ部は、前記メモリ部にある通信周波数と電圧値を読取り、その通信周波数が動作する前記トランジューサを選択して、読取った電圧値で送信する送信手段と、
クライアント端末からのアクセスに応答して、そのメモリ部の内容の変更を許可し、通信周波数と電圧値を更新させる通信周波数/電圧値更新手段とを少なくとも備え、
前記クラインアント端末は各前記受信装置のWebサーバメモリ部へ蓄積された時刻毎の受信電圧値をインターネットを介して取得し、予め設定している受信電圧値と比較し、位置・天候に関連して伝播状況により受信電圧値が低い場合には他の通信周波数に切替え、最もよい通信周波数で動作させる通信周波数切替手段と、
最良の通信周波数にセットされたときは、さらにその電圧を変化させ、必要最小限の電圧で動作させる電圧調整手段とを少なくとも備えることを特徴とする請求項17記載のプログラマブル計測汎用モジュールを用いた計測システム。
発明の詳細な説明 【0001】
【発明の属する技術分野】
周波数合成及び再定義可能な回路から構成される各種の信号処理が行えるプログラマブル計測汎用モジュール回路並びにそれらの汎用モジュールを1以上用い、計測システムに関する。その計測システムは気象環境等の観測及び監視、農産物のための土壌水分などの計測及び観測、それら観測値の通信回線を介するデータ収集、乱数発生回路などの利用分野に関する。
【0002】
【従来の技術】
気象・生物・農産物・食品の計測では,土壌水分,湿度,植物体の水分など水に関する計測項目が多い。また,気象や環境に関するセンサは,半導体温度センサ,熱電対,風速計,日射量センサ等の電圧やインピーダンスがまちまちであり,それぞれに専用の回路を用意する必要があった。計測項目が増えると回路は非常に複雑となった。
【0003】
これらのデータをコンピュータで処理及び記録するためには,センサ出力をADコンバータ入力の電圧範囲及びサンプリング周波数に合わせて,アンプ,ローパスフィルタ,非線形性補正回路などを用意する必要がある。
アンプの増幅率,ローパスフィルタのカットオフ周波数などを適切な値にするためは,カットアンドトライを繰り返す必要がある。そのため,従来の計測用回路を屋外に設置する観測システムに組み込んで使用する場合,その調整作業やメインテナンスは非常に大変であった。
【0004】
また,0~90%の土壌水分を計測する場合と0~1%の水分を精密に計測する場合ではアンプのゲイン等を大幅に変える必要がある。そのため,オンライン計測の場合には2つの観測装置を設置しなければならなかった。
【0005】
例えば,1kHz,振幅0~1Vの正弦波入力を要求するセンサから0~1mV,DC~1kHzの信号と1kHz以上のノイズが重畳する信号を入力信号の範囲が0~5VのADコンバータでデータを得るとき,1000倍のゲインを持つアンプとカットオフ周波数1kHzのローパスフィルタが必要である。
このとき,別のセンサでは1~100kHz,振幅0~2Vの正弦波の入力を要求し,そのセンサは0~10mV,DC~100kHzの信号と100kH以上のノイズの重畳した信号を出力するとする。
【0006】
従来の方法では,この2つのセンサが要求するそれぞれの特性を持つ回路を個別に作製しなければならない。しかも,所定の特性が得られるように抵抗やコンデンサの値をカットアンドトライで決めて作製する必要があった。
FPGA(フィールド・プログラマブル・ゲート・アレイ)はデジタル回路を,FPAA(フィールド・プログラマブル・アナログ・アレイ)はアナログ回路をソフトウェアで柔軟に変えることが出来る。FPGA,FPAAは単独で利用されてきたため,内部の結線やプログラムを変更するための周辺回路や開発用機器が必要であり,運用現場で書き換えることは困難であった。そのため,研究開発や試作用に用いられることがほとんどであり,その柔軟性が十分利用されていないのが現状であった。
【0007】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は前述の問題点に鑑みてなされたものであり、その目的とするところは、アンプ,ローパスフィルタ,非線形回路などの計測に必要となる煩雑なアナログ回路を比較的単純な回路の組み合わせで構成し,その構成をソフトウェア的に変更できるようにする。
【0008】
これを単一の汎用の基本デバイス(プログラマブル計測汎用モジュール)として作成し,プログラマブル計測汎用モジュールを単独または多数組み合わせて利用することで,計測システムの大幅な小型化,低廉化,汎用化を図れるようにすることにある。
【0009】
例えば、土壌水分,湿度,植物体の水分など水に関する計測を行うセンサはキャパシタンスの変化として計測するものが多い。キャパシタンス計測と電圧計測する一つの回路で計測できる計測システムを提供するにある。
【0010】
また、インターネット等の通信回線を経由して,この回路の結線及び回路定数を遠隔地から変更できる計測システムにする。
これにより,単一の回路を多目的に利用できる。また,遠隔地から回路構成を容易に変更できる計測システムにする。
【0011】
これにより,計測対象の変更,回路中で故障した部分を取り除いて他の回路に代替できる計測システムを提供するにある。
【0012】
【課題を解決するための手段】
前記課題を解決するため、本発明のプログラマブル計測汎用モジュールは、気象・生物・農産物・食品に関する環境データ計測対象に用いるプログラマブル計測用モジュールであって、
CPU、DAコンバータ、メモリから少なくともなり、第1のプログラムによって決められた周波数合成波形信号を出力するデジタルシンセサイザと、
2つの入力電圧の積を電圧として出力する乗算器と、
オペアンプ、抵抗、コンデンサを少なくとも含む電子回路基本素子を複数有し、さらにそれらの定数と結線選択にクロスバースイッチ機構を用いる第2のプログラムにより変更できる素子とからなるFPAA(フィールド・プログラマブル・アナログ・アレイ)と、
前記デジタルシンセサイザ、乗算器、FPAAも含めた総てを制御するCPUコアとなるコンピュータ部、DAコンバータ、ADコンバータを少なくとも有し前記第1及び第2のプログラムをデジタルバスを介して指令信号を出力するプログラマブル機能を有するFPGA(フィールド・プログラマブル・ゲート・アレイ)とを有する4回路要素から構成されるモジュールであって
前記計測対象である被検体からの検出信号のアナログ入力端子及び、被験体への印加信号のアナログ出力端子を前記FPAAに備え、
前記FPGAのコンピュータ部は前記4回路要素間の配線選択前記FPAAのクロスバースイッチ用いる第3のプログラムにより組替える手段をさらに備え、
前記アナログ入力/出力端子に接続された被検体の計測条件に合致する前記第3のプログラムを前記コンピュータ部より起動して前記4回路要素間の配線を定め、前記被検体の計測の必要性に対応して第1又は/及び第2のプログラムを起動して周波数合成波形信号を出力させるか又は/及び前記FPAAの各素子の結線と素子定数を定めて、被検体の計測処理ができ、さらに前記FPGAコンピュータ部はWebサーバの機能を備えれば複数の計測地点に設置された前記モジュールそれぞれのインターネットコントローラによりLANを経由して、計測者のクライアント端末が通信回線に接続し、計測制御できる汎用性のあるモジュールであることを特徴とする。
【0013】
また、前記4回路要素にさらにDC-DCコンバータを設け、前記DC-DCコンバータから前記4回路要素への安定電源としてそれぞれ接続配線されると共に、前記ADコンバータのリファレンス電圧及び前記乗算器の定数として用いることを特徴とする。
【0014】
一方、本発明のプログラマブル計測汎用モジュールを用いた計測システムはプログラマブル計測汎用モジュールの前記FPAAのアナログ出力端子に容量性の被検体を接続して、その端子に印加する交流電圧により前記被検体中を流れる交流電流の大きさ及び位相のずれの検出信号を前記アナログ入力端子に接続し、
前記モジュールのFPGAコンピュータ部は、前記被検体へ印加すべき電圧値及び周波数の交流電圧を前記デジタルシンセサイザへバスを介して生成を指令するデジタルシンセサイザ電圧生成手段と、
前記FPAAとバスを介して指令し増幅回路を生成すると共に、デジタルシンセサイザとFPAA間の配線を選択し、前記生成電圧を前記増幅回路に入力し増幅させる配線設定/増幅回路生成手段と、
前記アンプ出力を前記アナログ出力端子へ出力する被検体への電圧印加手段と、
前記容量性の被検体に直列に接続された分割抵抗器の所定の分割端子における前記検出信号を前記アナログ入力端子から取得するためFPAA内に所定の増幅回路及びローパスフィルタの電子回路の生成と結線をバスを介して指令し、その検出信号を入力する電子回路生成/検出信号入力手段と、
そのローパスフィルタの出力をバスを介して指令し、アナログ信号線によりFPGAのADコンバータに入力し、被検体を流れる電流と位相のずれを検出する電流・位相検出手段とを備え、
その検出結果より被検体の誘電率、電気伝導度又は誘電率損失、イオン濃度の少なくともいずれかの物理的性質を計測することを特徴とする。
【0015】
また、前記分割抵抗器は、前記FPAA内の電子回路基本素子により前記FPGAコンピュータ部が、バスを介してFPAA内に生成する分割抵抗器生成手段を備えることを特徴とする。
【0016】
また、プログラマブル計測汎用モジュールの前記FPAAのアナログ入力端子に計測センサの電圧出力端子を接続し、
前記モジュールのFPGAコンピュータ部は、前記計測センサからの計測信号電圧を前記FPAAを介して前記FPGAのADコンバータに入力するに際して、そのADコンバータの入力レンジの範囲とセンサの計測信号電圧の範囲とを一致するようにバスを介して指令しFPAA内の前記電子回路基本素子によりゲイン回路及びオフセット回路を生成するゲイン/オフセットの回路生成手段と、
その回路生成手段により一旦その範囲内で計測を行い、次にその計測値を中心として前記範囲を所定のより狭い範囲に設定するためバスを介して指令し前記ゲイン回路及びオフセット回路を調整し、計測値をADコンバータに入力させる回路調整手段とを備え、
再計測を行うことで、分解度機能における精度を向上させることを特徴とする。
【0017】
また、複数のプログラマブル計測汎用モジュールをそれぞれ計測地点に設置し、それら各プログラマブル計測汎用モジュールのアナログ入出力端子と対応する被検体とをそれぞれ線で結線し、各プログラマブル計測汎用モジュールのFPGAコンピュータ部はそれぞれWebサーバの機能を備えると共に、各自のモジュールにはそれぞれ付加又は内蔵するイーサーネットコントローラと
それらイーサーネットコントローラよりLANを経由して通信回線或はインターネット回線に接続する計測者のクライアント端末とを備え、
前記モジュールのFPGAコンピュータ部は、前記被検体を計測するに際し、その計測に適合した周波数、電圧値、アンプの増幅率を少なくとも含む電子回路のデータ条件を前記コンピュータ部のメモリ部に記憶する計測条件記憶手段と、前記コンピュータ部のメモリ部に記憶されたデータ条件によりデジタルシンセサイザ、FPAAへバスを介して指令し所定の電子回路を生成し、指令周波数及び電圧をアナログ出力端子へ出力する計測条件設定/出力手段と、
前記アナログ入力端子より入力した計測データをアナログ演算処理するFPAA内の電子回路の生成を指令し、それを介してADコンバータに入力し、そのデジタル計測データをWebサーバメモリ部に記憶する電子回路生成/計測データ蓄積手段と、
前記計測者のWebブラウザ或はエージェントソフトを備えるクライアント端末より前記各プログラマブル計測汎用モジュールに対するアクセスに応答して、コンピュータ部のメモリ部に蓄積された計測データをそのクライアント端末へ送信するアクセス応答/計測データ送信手段とを備え、
前記計測者はそのクライアント端末より通信回線を介してアクセスし、複数計測地点に設置されている被検体から収集した各プログラマブル計測汎用モジュールに蓄積した計測データを逐次受信し収集できることを特徴とする。
【0018】
プログラマブル計測汎用モジュールを用いた計測システムにおいて、
各被検体に接続する計測アナログ入出力端子に加えて、複数の計測汎用モジュール間の計測情報データ交信のための交信アナログ入出力端子を設け、それらの交信アナログ入出力端子と接続する一本の単一アナログケーブルを備え、
各モジュールのFPGAコンピュータ部はデジタルシンセサイザ及び乗算器によりバスを介して指令し、周波数多重化信号を生成させる生成周波数変調波生成手段と、
各FPAAにその周波数多重化用信号を出力させるために、クロスバースイッチを含む多重化用電子回路を生成する多重化用電子回路生成手段と、
前記信号を受信して、コンピュータ部メモリ部を書換える転送指令受信/書換手段とを少なくとも備え、
複数の計測汎用モジュールの中でWebサーバ機能及びデジタル通信機能が少なくとも1台以上あれば、他のモジュールのWebサーバ機能及びデジタル通信機能が無くとも、1台のWebサーバ機能及びデジタル通信機能のある計測汎用モジュールを介して、総ての計測汎用モジュールを制御可能とすることを特徴とする
【0019】
また、前記モジュールのFPGAコンピュータ部は、さらに、前記計測条件記憶手段でコンピュータ部のメモリ部に記憶されているデータ条件内容の書換アクセス信号を、前記クライアント端末から通信回線を介して受付ける書換信号受付手段と、
前記受付に際し、クライアント端末からの少なくともID番号又はパスワードがそのモジュールのID番号又はパスワードと一致していればメモリ書換を許可し、書換信号によるデータ条件の上書を行う書換信号許可手段とを備え、
次回の計測に際しては、その更新されたデータ条件により前記FPAA、FPGA、デジタルシンセサイザの機能を定義するデータプログラムを書換え、計測条件・信号処理工程を変更し計測することを特徴とする。
【0020】
また、前記計測データはコンピュータ部のメモリ部へHTML(Hyper Text Markup Language)ファイル及びXML(Extensible Markup Language)ファイルとして蓄積することを特徴とする。
【0021】
また、前記データ条件内容はXMLファイルとして定義し、このXMLファイルはコンピュータ部のメモリ部に保存することを特徴とする。
【0022】
また、プログラマブル計測汎用モジュールのアナログ入力端子と、交流電圧を印加する電極、又は電磁波を受信するアンテナ、又は音波を検出するマイクロホン、又は振動波を検出する振動センサ等のプローブ又はトランスジューサの電気信号電圧端子とを接続し、
前記モジュールのFPGAコンピュータ部は、前記デジタルシンセサイザに対して、前記電気信号電圧の計測すべき周波数帯域の下限から上限へ所定の周波数間隔で、一定時間ずつ交流電圧sin(ω)t(ω=周波数:t=時間)を生成する指令を送る計測周波数生成指令手段と、
その測定周波数生成電圧sin(ω)tを前記乗算器に入力する配線を選択する配線設定手段と、
前記アナログ入力端子からの計測電気信号電圧を前記乗算器へ出力するようにその信号電圧を、入力する受信回路の生成をFPAAに指令すると共に、その出力を乗算器へ入力する配線を選択する受信回路生成/配線設定手段と、
前記乗算器における前記2つの入力電圧の乗算値をFPAAに入力させる配線を選択すると共に、その乗算値を前記一定時間積分する積分回路をFPAA内に生成を指令する配線設定/積分回路生成手段と、
その積分回路の出力の直流成分を取出ためにFPAA内にローパスフィルタ及びその信号の増幅するアンプの生成を指令すると共に、その直流値を計測する直流値計測手段と、
以上の直流値の計測を、所定の周波数間隔毎に行い各周波数毎の直流値を計測し、FPGAのメモリに記憶する周波数対直流値記憶手段とを備え、
前記プローブ又はトランスジューサで検出された電気信号を周波数別に計測することを特徴とする。
【0023】
また、前記モジュールのFPGAコンピュータ部は、さらにWebサーバの機能を備えると共に、そのモジュールには付加又は内蔵するイーサーネットコントローラと、そのコントローラよりLANを経由してインターネット回線に接続する計測者のクライアント端末とを備え、
そのFPGAコンピュータ部は前記周波数毎の計測直流値を前記Webサーバのメモリ部へ蓄積させるWebサーバ蓄積手段と、
前記計測者のWebブラウザを備えるクライアント端末より前記モジュールに対するアクセスに応答して、Webサーバメモリ部に蓄積された計測直流値を送信する計測直流値送信手段とを少なくとも備えることを特徴とする。
【0024】
また、プログラマブル計測汎用モジュールのアナログ入力端子と逆方向直流電位が印加されたダイオードとを接続し、
前記モジュールのFPGAコンピュータ部は、前記アナログ入力端子からの前記ダイオードのノイズを受信・増幅するためのアンプをFPAA内部に生成させるアンプ生成手段と、
前記A/Dコンバータに取得された所定時刻毎の電圧値の数列を乱数としてFPGA内メモリ部へ蓄積させる数列蓄積手段とを備え、
前記ダイオードの時間的にランダムにゆらいでいるショットノイズの電圧をシーズとして乱数を発生させる周期性のない完全な乱数を生成することを特徴とする。
【0025】
また、前記ダイオードのショットノイズをアナログ入力端子より取得する代わりに、FPAA内部に半導体素子を設定し、その半導体素子に逆方向直流電位を印加して、その半導体素子から出力するノイズを用いて乱数を生成することを特徴とする。
【0026】
また、前記モジュールのFPGAコンピュータ部は、さらにWebサーバの機能を備えると共に、そのモジュールには付加又は内蔵するイーサーネットコントローラと、そのコントローラよりLANを経由してインターネット回線に接続する計測者のクライアント端末を設け、
そのFPGAコンピュータ部は前記特定周波数成分の所定時刻毎の電圧値の数列とする乱数をFPGAのWebサーバの一時メモリ又はシフトレジスタへ入力する乱数列入力手段と、
前記計測者のクライアント端末より、そのモジュールに対するアクセスに応答して、Webサーバの一時メモリ又はシフトレジスタメモリより前記乱数を送信する生成乱数送信手段とを備えることを特徴とする。
【0027】
また、プログラマブル計測汎用モジュールのアナログ出力端子と、高周波電力を幅射電磁波に変換するアンテナ、又は交流電圧を音波に変換する超音波・音波・振動波発振器、交流電圧を光波に変換するイルミネーション・表示器を含む発光器を含むトランスジューサとを接続し、
前記モジュールのFPGAコンピュータ部は、前記デジタルシンセサイザに対してバスを介して前記トランジューザの動周波数帯域内の特定の周波数の搬送電圧波生成を指令すると共にその電圧波を乗算器へ入力するための配線選択を指令する搬送電圧波生成/配線設定手段と、
送信したい情報データをアナログ値としてFPGA内部のDAコンバータから出力させ、その出力電圧を前記乗算器へ入力させる配線選択を指令する情報データ出力/配線設定手段と、
前記乗算器における前記デジタルシンセサイザ及びFPGAからの2つの電圧値の乗算値を前記FPAAに取得させるため、そのFPAAと乗算器間の配線選択と、取得した乗算値をハイパスフィルタを通過させその出力電力増幅を行うための電子回路生成をFPAAへ指令する配線設定/電子回路生成手段とを備え、搬送波を送信したい情報データにより変調した変調高周波或は交流電圧を前記アナログ出力端子から出力し、前記トランスジューサへ送り、トランスジューサから少なくとも電磁波又は音波又は光が出力することを特徴とする。
【0028】
また、プログラマブル計測用モジュールを用いた計測システムの構成の複数台の送信装置を、予め、既知座標の各地点にそれぞれ設置し、それら送信装置には、それぞれ、前記送信アンテナ、超音波・音波発振器、赤外線を含む発光器の少なくともいずれかのトランスジューサをアナログ出力端子へ接続し、
一方、プログラマブル計測用モジュールを用いた計測システムの構成の複数台の受信装置を、予め既知座標の各地点にそれぞれ設置し、それら受信装置には、それぞれ、受信用アンテナ、マイクロホン、圧力センサ、加速度センサ、光センサ、温度センサ、電界計測プローブのいずれか複数を一体化した検出モジュールとしてアナログ入力端子へ接続し、
前記送信装置と前記受信装置の間で、あるエリアの地表面上で超高周波帯を含む電磁波、超音波を含む音波、赤外線を含む光を搬送波として所定の信号により変調して送信を行い、
受信装置のFPGA内コンピュータ部は、その受信データをメモリ部に記録し、その時間経過に従って変化が計測されたときは、変化のある周波数帯の伝搬状況の変化から天候・周囲状況変化・風・物の速度、人・動物の移動を推定する解析手段を備えることを特徴とする。
【0029】
また、設定点座標がそれぞれ既知の前記複数の送信装置が、その接続されたトランスジューサが音波発振器であり、音波を放射し、一方、他の複数の設定点座標がそれぞれ既知の前記受信装置が、その接続された計測センサがマイクロホンであり、音波を受信する計測システムであって、
前記受信装置のFPGAコンピュータ部は、そのメモリ部にある通常(風速=0)の場合の検出音波と、移動変化している検出音波を比較してそのドップラー効果又は伝搬速度の差により装置間に吹いている風速を計測する手段を備えることを特徴とする。
【0030】
また、設定点座標がそれぞれ既知の前記複数の受信装置が、そのアナログ入力端子に接続された前記検出モジュールは少なくとも振動センサであり、振動波を受信するシステムであって、
人・動物が地面を歩行するときの各時刻毎の振動波を前記複数の受信装置を計測し、各振動波が各装置に到達する時刻経過をそれぞれのFPGAのコンピュータ部は、そのメモリ部へ記憶する手段を備え、
各メモリ部に記憶された振動の到達する時刻の差より歩行者の2次元位置を推定することを特徴する。
【0031】
また、前記複数の受信装置は、それぞれ各前記モジュールのFPGAコンピュータ部12は、さらに、Webサーバの機能を備えると共に、各モジュールには付加又は内蔵するイーサーネットコントローラとLANとを経由してインターネット回線に接続する計測者のWebブラウザを備えたクライアント端末を備え、FPGAコンピュータ部はそのメモリ部に記憶された各時刻毎の振動波をWebサーバのメモリ部に蓄積し、その時刻経過毎の振動の振巾をインターネットを介してクライアント端末へ収集し、歩行者の2次元位置を推定することを特徴とする。
【0032】
また、設定点座標がそれぞれ既知の前記複数の受信装置では、そのアナログ入力端子に接続された前記検出モジュールは少なくともマイクロホンであり、
一方、設定点座標がそれぞれ既知の前記複数の送信装置では、そのアナログ出力端子に接続された前記トランスジューサは少なくともスピーカを含む音波発生器であり、
前記複数の受信装置及び送信装置は、それぞれ各前記プログラマブル計測汎用モジュールのFPGAコンピュータ部には、さらに、Webサーバの機能を備えると共に、そのモジュールには付加又は内蔵するイーサーネットコントローラとLANとを経由してインターネット回線に接続する計測者のWebブラウザを有するクライアント端末を備え、
各送信装置から出力される音波発生器の音波を各受信装置のマイクロホンで受信するシステムにおいて、
前記複数の送信装置のFPGA内の前記Webサーバのメモリ部にそれぞれ送信音量及び位相を時刻毎に記録する送信記録手段と、一方前記複数の受信装置のFPGA内の前記Webサーバのメモリ部にそれぞれ受信音量を時刻毎に記録する受信記録手段とを少なくとも備え、
前記計測者のクライント端末は、インターネットを介して受信装置の各Webサーバのメモリ部にある音量データを収集し、予め端末のメモリに設定されているそのエリアに定めた特定地点の音圧レベルと比較して、異なっていれば、その音圧レベルに一致するようにその周辺の送信装置の音量及び位相を調整する音量位相調整手段を備え、その特定地点の音圧レベルを増大又は減少させることができることを特徴とする。
【0033】
また、前記複数の受信装置では、そのアナログ入力端子に接続された前記検出モジュールは超高周波帯まで含む受信アンテナ、マイクロホンを含む超音波検出器、赤外線を含む光センサであり、
前記複数の送信装置では、そのアナログ出力端子に接続された前記トランジューサは超高周波帯送信アンテナ、超音波を含む音波発振器、赤外線、レーザを含む発光器であり、
前記複数の受信装置及び送信装置は、それぞれ各前記プログラマブル計測汎用モジュールのFPGAコンピュータ部には、さらにWebサーバの機能を備えると共に、そのモジュールに付加又は内蔵するイーサーネットコントローラとLANを経由してインターネット回線に接続するWebブラウザを有するクライアント端末を備え、
各地点に配置された前記送信装置から各地点に配置された前記受信装置への通信周波数及び電圧値(放射電力値)を前記クライアント端末からの指令によりインターネットを介し変更できるようにするため、前記送信装置は、FPGAコンピュータ部のWebサーバ内に通信周波数及び電圧値を記憶させるメモリ部を設け、
そのコンピュータ部は、前記メモリ部にある通信周波数と電圧値を読取り、その通信周波数が動作する前記トランジューサを選択して、読取った電圧値で送信する送信手段と、
クライアント端末からのアクセスに応答して、そのメモリ部の内容の変更を許可し、通信周波数と電圧値を更新させる通信周波数/電圧値更新手段とを少なくとも備え、
前記クラインアント端末は各前記受信装置のWebサーバメモリ部へ蓄積された時刻毎の受信電圧値をインターネットを介して取得し、予め設定している受信電圧値と比較し、位置・天候に関連して伝播状況により受信電圧値が低い場合には他の通信周波数に切替え、最もよい通信周波数で動作させる通信周波数切替手段と、
最良の通信周波数にセットされたときは、さらにその電圧を変化させ、必要最小限の電圧で動作させる電圧調整手段とを少なくとも備えることを特徴とする。
【0034】
【発明の実施の形態】
本発明の実施の形態を、以下、図に基づいて説明する。図1は本発明のプログラマブル計測汎用モジュール10の実施例を示す。
【0035】
図中、11はデジタルシンセサイザ、12は乗算器、13はFPAA、14はFPGA、15はDC・CDコンバータ、16はFPGA14とデジタルシンセサイザ11との間のデジタル信号バス、17はFPGA14とFPAA13の間のデジタル信号バス、18はアナログ出力端子、19はアナログ入力端子を示す。 FPGA14は、コンピュータ部14a、DAコンバータ14x、ADコンバータ14yを少なくとも含む。18、19の端子は複数の要素を計測する際には複数であるが、簡単のため図中では一本の矢印で示している。
【0036】
ここで、デジタルシンセサイザ11は、所謂周波数合成回路であり、内部にDAコンバータ、メモリとそれらを制御するCPU部があり、外部から指令されるプログラム(第1のプログラム)により決められた波形の信号を出力する。
【0037】
乗算器12は2つの入力電圧値の積を電圧値として出力する。FPAA13はプログラマブルアナログ回路であり、内部にオペアンプ、抵抗、コンデンサ、クロスバースイッチ機構による配線の切換スイッチなどの電子回路の基本素子を複数有し、それらの定数と結線を外部から指令されるプログラム(第2のプログラム)で選択・変更できる。
【0038】
FPGA14は、プログラマブルデジタル回路であり、その内部にコンピュータ部14a、DAコンバータ14x、ADコンバータ14yを有し、そのコンピュータ部14aは前記デジタルシンセサイザ11、乗算器12、FPAA13も含めた総ての制御をする。
【0039】
すなわち、デジタル信号バス16、17を介してそれぞれ第1及び第2のプログラムに対して、指令する手段を備える。
【0040】
また、FPAA13は計測対象である被検体からの検出信号のアナログ入力端子18と、被検体への印加電圧信号などのアナログ出力端子19を備える。
【0041】
FPGA14のコンピュータ部14aは、さらに、前記デジタルシンセサイザ11、乗算器12、FPAA13、FPGA14から構成されるモジュールの4回路要素間の配線選択をプログラマブルなクロスバースイッチによって第3のプログラムにより組替える手段をさらに備える。ただし、このクロスバースイッチはFPGA14に内蔵されたものを利用することができるため、別に用意する必要はない。
尚、規模の小さい計測汎用モジュールとして、前記第4要素のFPGA14をコンピュータ部14a、DAコンバータ14x、ADコンバータ14yからなる1チップコンピュータとしてもよい。また、前記デジタルシンセサイザ11は内部にDAコンバータ、メモリとそれらを制御するCPU部となることから、FPGA14内で構成してもよい。
【0042】
以上のプログラマブル計測汎用モジュール10は、以下のような動作の流れとなる。
【0043】
前記アナログ入力/出力端子19、18に接続された被検体の計測条件に合致する第3のプログラムをコンピュータ部14aより起動し、前記4回路要素間の配線を定め、次にその被検体の計測の必要性に対応して、第1又は/及び第2のプログラムを起動して周波数合成信号を出力させるか、又は/及びFPAA13の各素子の結線と素子定数を定める。よって、被検体の計測処理ができる。被検体からのセンサ信号は次のようになる。
【0044】
被検体からのセンサ信号は、入力端子19に入力される。FPAA13内部の結線はFPGA14内部のコンピュータ部14aからの指令によって決定される。FPAA13内部のオペアンプのゲインは精密な増幅を行う場合や変調など高速に増幅率を変化させる場合に乗算器12(アナログマルチプライア)を利用する。
【0045】
これらの結線はFPAA13のプログラマブルな結線変更機能を利用して,コンピュータ部14aからの指令によって決定される。
【0046】
たとえば,交流ブリッジ回路はデジタルシンセサイザ11で発生した交流電源又は電圧とFPAA13内部の抵抗で生成する。
センサ信号が微弱または過大な場合には,乗算器12(アナログマルチプライア)によってDAコンバータ14xで発生した電圧等と乗算し,必要となる値に調整する。これらの信号をADコンバータ14yでデジタルに変換するために必要となるアンプ及びローパスフィルタはFPAA13内部のオペアンプで生成する。その際に,それぞれのセンサに対して必要となる増幅率やカットオフ周波数などの回路定数はFPAA13の第2のプログラムを書き換えて行う。
【0047】
また,DC-DCコンバータ15によって各回路の電源を安定化させるとともに,ADコンバータ14yのリファレンス電圧及び乗算器12の定数として用いることで,計測精度及び回路の安定性を向上させる。
【0048】
ADコンバータ14y等の回路は電源電圧の影響を受けやすく,また本発明の使用は屋外での利用が多いためノイズや電源電圧がゆらぎやすい。特にデジタルシンセサイザ11やFPAA13の電源がゆらぐと計測値が不確かになり,また外部ノイズ等によって誤動作や回路の破断が起こる可能性がある。
そのため回路にDC-DCコンバータ15を内蔵して1つのモジュール(LSI)にすると,電源電圧が多様なPCや家電製品に容易に組み込むことが出来るようになる。また,DC-DCコンバータ15の入力電圧範囲を大きくすることで,電圧変動が大きい太陽電池,風力発電機、バッテリ等の屋外で使用する電源を容易に利用できる。
【0049】
図1に戻り、説明する。実線の矢印は、電圧が出力される方向を示すアナログ信号線である。ただし、FPAA内部のクロスバースイッチによって、この配線はプログラマブルに変更可能である。そのため、生成される回路によっては切断されている場合もある。両端に矢印のある幅の太い矢印は回路間のデジタル信号を伝送するための接続用バス16,17を示す。
【0050】
図中2重実線は、DC-DCコンバータ15から前記4回路要素への電源用配線を示す。
【0051】
さらに、詳しくは前述したようにDC・DCコンバータ15は,デジタルシンセサイザ11,FPGA14,FPAA13,乗算器12に電力を供給すると同時に,基準電圧としてADコンバータ14yに電圧を供給する。また,定数を示す電圧として乗算器12に信号を送る。
【0052】
なお,実装は用途によって変えて良い。例えば,FPGA14のコンピュータ部14a、DAコンバータ14x,ADコンバータ14yはそれぞれ個別のICを使って構成する場合や,逆にFPGA14内部にデジタルシンセサイザ11を組み込む場合,更に図1の回路全体を一つのLSIで実装する場合がある。
【0053】
複数のセンサを用いた多チャンネルの計測では,アナログ入力端子18を複数組用意して,特定のセンサを内部または外部に組み込んでおきマルチプレクサを付加して切り替える。または,マルチプレクサの代わりにFPAA13内部のクロスバースイッチの結線をプログラム(第2のプログラム)で変更してセンサを切り替えてもよい。
【0054】
図2は本発明のプログラマブル計測汎用モジュール10を用いた計測システム20の実施例を示す。
【0055】
図2の計測システム20は、FPGA14のコンピュータ部14aの命令によってデジタルシンセサイザ11で発生される交流電圧の電圧値及び周波数を変化させ,その交流電圧を計測対象である被検体に印加し,被検体を介して流れる電流の大きさ及び位相のずれをプログラマブル回路のFPAA13で信号処理し,被検体25の誘電率,電気伝導度,イオン濃度などの物理的性質を計測する計測システム20である。尚、被検体25の計測に関しては、絶縁体被覆された電極25a、b間の交流電流によって誘電率を計測する場合や、絶縁体被覆のない電極25a、b間を流れる交流電流によってインピーダンスを計測する場合、或いは湿度によってキャパシティが変化する湿度センサ等を含む。
【0056】
図2において、図中の符号番号が図1と同一番号は同一機能であり、その説明を省略する。
【0057】
25は被検体を示し電極25a、b間にある、アナログ出力端子18により交流電圧が印加される。26は分割抵抗器を示し、その抵抗を流れる電流とその位相等を計測するための中間タップとアナログ入力端子19を接続する。
【0058】
24はFPGAであり、そのコンピュータ部24aは図1のコンピュータ部14aに加えて、図2(b)に示す手段24b~24fを備える。
【0059】
ここで、手段24bは、被検体25へ印加すべき電圧値及び周波数の交流電圧をデジタルシンセサイザ11へバス16を介して生成を指令するデジタルシンセサイザ電圧生成手段である。
【0060】
手段24cは、FPAA13へバス17を介して指令し、アンプ電子回路を生成すると共に、デジタルシンセサイザ11とFPAA13間の配線27を選択し、その生成電圧を前記アンプに入力し、増幅させる配線設定/アンプ生成手段である。
【0061】
手段24dはアンプ出力をアナログ出力端子18へ出力する被検体25への電圧印加手段である。
【0062】
手段24eは容量性の被検体25に直列に接続された分割抵抗器26の所定の分割端子(中間タップ)における検出信号をアナログ入力端子19から取得するためFPAA13内に所定のアンプ及びローパスフィルタの電子回路の生成と結線をバス17を介して指令し、その検出信号を入力する電子回路生成/検出信号入力手段である。
【0063】
手段24fは、そのローパスフィルタの出力をバス17を介して指令し、アナログ信号線28によりFPGAのADコンバータ24yへ入力し、被検体25を流れる電流と位相のずれを検出する電流・位相検出手段である。
【0064】
尚、FPAA13内の電子回路基本素子により、FPGAコンピュータ部14aがバス17を介して指令し、FPAA13内と分割抵抗器を生成したときは、(分割抵抗器生成手段24g)図2(a)における分割抵抗器26はFPAA13内に入る。
【0065】
実施例20の計測システムの動作の流れを以下に示す。
FPGA24のコンピュータ部24aからデジタルシンセサイザ11に生成する信号の波形データを送る。
【0066】
デジタルシンセサイザ11は,その波形の電圧をFPAA13のアンプを経由して被検体25に印加する。なお,デジタルシンセサイザ11の出力が十分大きくFPAA13内の増幅回路が不要な場合には,FPAA13を介し、直接印加する。流れる電流を分割抵抗器26により電圧に変換してFPAA13の入力とする。
【0067】
FPAA13はADコンバータ24yが要求する電圧レベル及びフィルタリングを行ってADコンバータ24yに出力する。なお,図2中の抵抗26はFPAA13内部で生成すれば外付けする必要はない。したがって,その場合には図1の構成で図2がソフトウェア的に実現できる。
【0068】
この計測システム20は含有水分によってキャパシタンスが非線形に変化する湿度センサや土壌,植物体に適用して,水分を計測することができる。
湿度センサの場合は,湿度によって含水量が変化しキャパシタンスが変化する湿度センサを図2の被検体25の部分に接続する。
【0069】
土壌水分を計測する場合には,絶縁体で被覆された電極を土壌に挿入し,土壌中の水分をキャパシタンスの変化として計測する。
【0070】
植物体に含まれる水分を計測する場合には,絶縁被覆された電極の間に計測したい植物を配置し,水分をキャパシタンスの変化として計測する。
マルチプレクサによって上記の配線を適宜切換えることで,図2の回路一つで複数の被検体25に対する計測を行う。
尚、この場合入力端子19はFPAA内で切換える必要があるが、一方、出力端子18は被検体25に対しパラレルに印加し、切換える必要がない場合もある。
【0071】
絶縁体で被覆された電極を土壌等の被検体25に挿入し,被検体25に含まれる元素,イオン濃度等で変化するキャパシタンス及び位相のずれ及び周波数依存性に関するスペクトラム情報も計測できる。
尚、FPAA内のAMPは被検体25の印加電圧値によっては必要のない場合がある。この場合はAMP生成手段は不要となる。
【0072】
図3は本発明のプログラマブル計測汎用モジュール10を用いた計測システム30の実施例の一つを示す。
【0073】
図3の計測システム30は計測するレンジに応じて周波数や電圧、ゲインなどを柔軟に変更することで広範囲において精度の高い計測を行える計測システムである。
【0074】
図3において、図中の符号番号が図1と同一番号は同一機能であり、その説明を省略する。
【0075】
35は計測センサであり、その出力アナログ信号はアナログ入力端子19を介してFPAAへ入力する。
【0076】
34はFPGAであり、そのコンピュータ部34aは図1のコンピュータ部14aに加えて、図3(b)示す手段34b、34cを備える。
【0077】
ここで、手段34bは、計測センサ35からの計測信号電圧をFPAA13を介してFPGA14のADコンバータ34yに入力するに際して、そのADコンバータ34yの入力レンジ範囲とセンサの計測信号電圧の範囲とを一致するようにバス17を介して指令し、FPAA内の電子回路基本素子によりゲイン回路、オフセット回路を生成するゲイン回路/オフセット回路生成手段である。
【0078】
また、その回路生成手段34bにより一旦その範囲内で計測を行い、次に、その計測値を中心として、前記範囲を所定のより狭い範囲(レンジ)に設定するため、バス17を介して指令し、前記ゲイン回路、オフセット回路を調整し、計測値をADコンバータ34yに入力させる回路調整手段である。これによって、分解機能における精度を向上させることができる計測システム30である。
【0079】
次に、具体的に以下に説明する。
【0080】
例えば、計測入力用のADコンバータ34yが0~5Vの範囲の時に、日射量や温度といったような計測値に比例するセンサを取り付ける場合、そのレンジを例えば0~50℃とした場合、ADコンバータの分解能に応じて計測値の精度が定まってしまう。そこで一旦その範囲内で計測を行い、例えば温度がおおよそ20~24℃の範囲の分解能で計測することができた後、FPAA13及びFPGA14の機能を用いてオフセットやゲインを変化させ、計測可能なレンジを例えば20~24℃になるよう調整し、再計測を行うことで分解能における精度を向上することができる。
【0081】
図4、図5は、本発明の複数のプログラマブル計測汎用モジュール10を用いた計測システムの40、50の実施例を示す。
ここで、システム40の計測汎用モジュールは総てWebサーバ機能を有し、システム50は少なくとも1台以上のWebサーバ機能を有する計測汎用モジュールを有する場合を示す。システム50は汎用モジュール間の情報交信のため単一アナログケーブルKが必要となる。
【0082】
図4の計測システム40、図5の計測システム50はいずれもそのプログラマブル計測汎用モジュール10のFPGA44、54のコンピュータ部44a、54aにそれぞれ、Webサーバの機能を有するWebサーバ部44w、54wを設けた汎用モジュール10´を備える。
さらに、図5計測システム50はWebサーバのない計測汎用モジュール10を備える構成となる。
【0083】
汎用モジュール10´は、Webサーバ部44wを設けたコンピュータ部44´a、54´a以外は図1の汎用モジュール10と全く同一の機能を有するので、同一符号は説明を省略する。
【0084】
計測システム40及び50はいずれも汎用モジュール10´を複数台、さらにシステム50は汎用モジュール10を複数台使用し、各地点に存在する被検体群45、55を計測するシステムである。
【0085】
図4の計測システム40は汎用モジュールは総てWebサーバのある汎用モジュール10´から構成される場合を示し、図5の計測システム50はWebサーバのある汎用モジュール10´は少なくとも1台で他は総て汎用モジュール10の場合を示す。
【0086】
計測システム50の場合は、汎用モジュール間の結線数が増加するので、各デジタルシンセサイザ11と乗算器12によりキャリア周波数の異なる被変調波を生成し、各計測汎用モジュール10、10´のアナログ信号を周波数多重化によって伝送する。これによって、単一アナログケーブルKを利用できる。
尚、単一アナログケーブルKの代わりに光ケーブル、あるいはアンテナ、あるいはLED及びフォトダイオードを用いた無線送受信機による交信としてもよい。
【0087】
図4では、コンピュータ部44aのWebサーバ部44wは各自のモジュール10´にそれぞれ付加又は内蔵するイーサーネットコントローラ46、56を備える。図4では、それを含めてモジュール10´´として示す。イーサーネットコントローラ46はLANに接続し、ルータなどを経由して、インターネット49を介してWebブラウザを備えた計測者のクライアント端末48、58と交信できる計測システム40である。
【0088】
計測システム40、50のここで、モジュール10、10´のそれぞれのFPGA44、54のコンピュータ部44a、54aは以下に示す手段44b~44i、54b~54j、54b~54jを備える。
【0089】
手段44b、54b、54´bは被検体45,55を計測するに際し、その計測に適合した周波数、電圧値、アンプの増幅率を少なくとも含む電子回路のデータ条件をWebサーバ44w、54wメモリ部に記憶する計測条件記憶手段である。
【0090】
手段44c、54c、54´cはWebサーバメモリ部に記憶されたデータ条件によりデジタルシンセサイザ11、FPAA13へバス16,17を介して指令し、所定の電子回路を生成し、指定周波数電圧をアナログ出力端子18へ出力する計測条件設定/出力手段である。
【0091】
手段44d、54d、54´dは、アナログ入力端子19より計測データを受信するFPAA14内の電子回路の生成を指令し、それを介してADコンバータ44y、54yに入力し、そのデジタル計測データをWebサーバ44w、54wメモリ部に記憶する電子回路生成/計測データ蓄積手段である。
【0092】
手段44e、54e、54´eは、計測者のWebブラウザ48a、58a或はエージェントソフトを備えるクライアント端末48、58よりモジュール10´に対するアクセスに応答して、Webサーバメモリ部に蓄積された計測データを、そのクラインアント端末48、58へ送信するアクセス応答/計測データ送信手段である。
【0093】
図4の計測システム40は、以上の手段44b~44eにより計測者はそのクライアント端末48より通信回線を介してアクセスし複数の計測地点に設置されている被検体45から収集した各プログラマブル計測汎用モジュール10´bに蓄積した計測データを逐次受信し、収集できるシステムである。
【0094】
従って、モジュール10´の一つが不良となっても測定は継続することができる。
【0095】
図5の計測システム50では、FPGA54、54´のコンピュータ部54a、54´aは手段55b~55e、55´b~55´eに加えて以下の手段55f、55´f、55g、55´gを備える。
【0096】
手段55f、55´fは各モジュール10、10´のアナログ入出力端子19、18と総ての被検体55とをそれぞれ結線すると共に、さらに入出力端子19、18を設けて、一本の単一アナログケーブルKに各アナログ入出力端子19、18と被検体55と結線してモジュール10、10´間の情報データの交信ができるように、各モジュール10、10´のFPGAコンピュータ部54a、54´aはデジタルシンセサイザ11及び乗算器12によりバスを介して指令し、多重化用周波数変調波を生成させる周波数変調波生成手段である。
【0097】
手段55g、55´gは、各FPAA14にその生成周波数変調を出力するための多重化用電子回路を生成させる電子回路生成手段である。
【0098】
図4の計測システム40及び図5の計測システム50はさらに、それぞれ手段45hと45i、手段55´hと55´iを備える。
【0099】
手段45h、55´hは、各モジュール10のFPGAコンピュータ部45a、55aに計測条件記憶手段45b、55´bでコンピュータ部のメモリ部に記憶されているデータ条件内容の書換アクセス信号をクライアント端末48、58から通信回線49、59を介して受付ける書換信号受付手段である。
【0100】
手段45i、55iは、前記受付に際し、クライアント端末48、58から少なくともID番号又はパスワードがそのモジュール10´のID番号又はパスワードと一致していれば、メモリ書換を許可し、書換信号によるデータ条件の上書を行う書換信号許可手段である。
計測システム50の場合は、さらにクライアント端末58から受信した指令信号を他のモジュール10へ転送するためモジュール10´は指令信号転送手段54´jを備え、一方モジュール10は転送指令/メモリ書換手段54jを備える。
【0101】
以上の手段45h~i、55h~iにより、次回の計測に際しては、その更新されたデータ条件により、FPAA13、FPGA14、デジタルシンセサイザ11の機能を定義するデータプログラムを書換え、よって計測条件、信号処理工程などを変更して計測できる計測システム40、50となる。
【0102】
ここで計測した計測データはコンピュータ部のメモリ部へHTML(Hyper Text Markup Language)ファイル及びXML(Extensible Markup Language)ファイルとして蓄積するので、ユーザのブラウザやエージェントソフトからアクセスできるようにすることで、ハードウェアの変更に伴うソフトウェアの処理の変更を必要最小限に抑えることができる。
【0103】
図4、図5の計測システム40、50は以下に示す機能を備える。
すなわち、計測点数が増えてもイーサーネットに接続するだけで配線できるため,設置が容易であり一部が故障しても全体にはその影響が及ばないというロバストネスがある。更に,ネットワークで接続されたプログラマブル計測汎用モジュール10からなる全体のシステムを一つの回路として動作させ,非常に複雑な電子回路を構成することができる。各要素は個別のサーバであると同時に回路部品の一つとなることで,高機能性,信頼性,柔軟性,ロバストネスを兼ね備えた電子回路を作ることが出来る。
【0104】
イーサーネット接続が利用の中心となる場合には,イーサーネットコントローラ46、56は計測汎用モジュール10と同一のLSIとして実装する。この際,計測データと同時に計測する際のハードウェア構成のデータ(アンプの増幅率,周波数など)をXMLファイルとして定義する。このXMLファイルはコンピュータ部44a、54aのメモリ上に必ずしも格納する必要はなく,外部サーバ上に保存しても良い。
【0105】
プログラマブル計測汎用モジュール10間の通信はインターネット等のネットワークで行い,アナログ信号は予め直接結線しておく。この結線数はプログラマブル計測汎用モジュール10の数の2乗に比例して増大するため,プログラマブル計測汎用モジュール10の機能を利用してデジタル信号に変換し,ネットワーク経由でリアルタイムに伝送する。
【0106】
ただし,図5に示すようにアナログ信号の周波数が高くネットワークのバンド幅が不足する場合には,プログラマブル計測汎用モジュール10内の乗算器とデジタルシンセサーザ11を用いて周波数変調し,アナログ信号を周波数多重化によって伝送する。これにより,単一のアナログケーブルを利用することができる。すなわち,ネットワークのためのデジタル信号を伝送するデジタル信号線とアナログ信号を伝送するアナログ信号線の2組のみの配線で非常に複雑な電子回路を組み上げることが出来る。
【0107】
図6は本発明のプログラマブル計測汎用モジュール10を用いた計測システム60の実施例を示す。
【0108】
図6の計測システム60は受信アンテナ、マイクロホン、振動センサ等の計測センサ等の計測センサで検出された電気信号を入力して、その電気信号を周波数別に計測する受信装置となる計測システムである。
【0109】
図6において、汎用モジュール10はコンピュータ部64a以外は図1の汎用モジュール10と全く同一の機能を有するので同一符号は説明を省略する。
【0110】
65は受信アンテナ、マイクロホン、振動センサなどのいずれかの計測センサを示す。その計測センサの電気信号出力端子はFPAA13のアナログ入力端子19と接続する。
【0111】
64aは、汎用モジュール10のFPGA64のコンピュータ部であり、図6(b)に示すように、手段64b~64gを備える。
【0112】
手段64bは、デジタルシンセサイザ11に対して、前記電気信号電圧の計測すべき周波数帯域の下限から上限へ所定の周波数間隔或は複数の周波数を指定し、一定時間ずつ交流電圧sin(ω)t(ω:周波数 t:時間)を生成する指令をバス17を介して送る計測周波数生成指令手段である。
【0113】
手段64cは、その測定周波数生成電圧sin(ω)tを乗算器12に入力する配線66を選択する配線66設定手段である。
【0114】
手段64dはアナログ入力端子19からの計測電気信号電圧を乗算器12へ出力するようにその信号電圧を入力する受信回路の生成をFPAA13へバス17を介して指令すると共に、その出力を乗算器12へ入力する配線67を選択する受信回路生成/配線67設定手段である。
【0115】
手段64eは、乗算器12における2つの入力電圧の乗算値をFPAAに入力させる配線68を選択すると共にその乗算値を一定時間積分する積分回路をFPAA内に生成を指令する配線68設定/積分回路生成手段である。
【0116】
手段64fは、その積分回路の出力の直流成分を取出すためFPAA13内にローパスフィルタ及びその信号を増幅するアンプの生成を指令すると共に、その直流値を計測する直流値計測手段である。
【0117】
手段64gは、その直流値の計測値を所定の周波数間隔毎或は指定周波数毎に行い、それら周波数毎の直流値を計測し、FPGA64のメモリに記憶する周波数対直流値記憶手段である。
【0118】
次に、この測定システム60による測定センサからの電気信号の周波数別に計測する動作をより詳細に説明する。
【0119】
アンテナ等から入力される信号を
=xsin(ω)t+xsin(ω)t+・・・+xsin(nω)t
とする。ここで、xsin(ω)tを復調したい信号とする。図6においてFPGAコンピュータ部64aからの指令によってデジタルシンセサイザ11にsin(ω)tを出力させ,これを乗算器12に入力して,入力信号eと乗算し,一定時間積分すると,直流成分はxのみとなる。FPAA13内部でこの直流成分を取り出すローパスフィルタ及びその信号を増幅するアンプをFPGAコンピュータ部64aからの指令によって生成する。
【0120】
FPGAコンピュータ部64aからの指令によってデジタルシンセサイザ11が出力する信号を変化させることで,x~xの信号を順次,計測することができる。
【0121】
ここで,デジタルシンセサイザ11で生成される信号を
sin(ω)t+xsin(ω)t+・・・+xsin(nω)t
とすると得られる信号はx+ x+…x(n:整数)となる。これは,x~xの値を特定の組み合わせとしたとき,情報伝送に利用できる,x~xの値を特定の組み合わせを一つの符号としてノイズに対する弁別能を高める場合,例えば,x~xの値を全て1にすると和はn,-1にすると和は-n,1,-1,1,-1,…とすると和は0になることで3種類の符号を伝送できる。単純な和ではなく,重み付けする方法もある。
【0122】
例えば,コンピュータ部64a内部でx~xの信号とコンピュータ部64a内部に予め用意されたn次元のベクトルによる内積(ベクトルの成分で重み付けした和)を取るようにすると,このベクトルに平行な成分だけが取り出せる。これにより,検出できる情報量を増やすことができる。
【0123】
すなわち上記は図1の汎用モジュール10に図6の回路構成をプログラムすることで実現出来る。
【0124】
図7は本発明のプログラマブル計測汎用モジュール10を用いた計測システム70の実施例を示す。
【0125】
図7の計測システム70はダイオードなどに発生するノイズをバイナリ化し、それを用いて乱数を生成させる測定システム70である。
【0126】
図7において、汎用モジュール10はコンピュータ部74a以外は図1の汎用モジュール10と全く同一の機能を有するので同一符号は説明を省略する。
【0127】
75は、逆方向電位を印加したダイオードを示す。陰極側をアナログ入力端子19に接続する。
【0128】
74aは、汎用モジュール10のFPGA64のコンピュータ部であり、図7(b)に示すように手段74b、74cを備える。
【0129】
手段74bは、アナログ入力端子19からダイオードのノイズを受信、増幅するためのアンプをFPAA13内部に生成させ、そのアンプ出力を乗算器12へ出力させる電子回路の生成をさせる手段である。
【0130】
手段74bはA/Dコンバータ74yに取得された所定時刻毎の電圧値の数列を乱数としてFPGA内メモリ部へ蓄積させる数列蓄積手段である。
【0131】
以上の測定システム70は、ダイオード75の時間的にランダムにゆらいでいるショットノイズの電圧を単に数値に変換することで周期性のない完全な乱数を生成させることになる。
【0132】
尚、ダイオードのショットノイズは図7に示すようにアナログ入力端子19より取得する代わりに、FPAA13内部に半導体素子を生成させて、その半導体素子に逆方向直流電位を印加し、その半導体素子から出力するノイズを用いて乱数を生成する計測システム70としてもよい。
【0133】
また、図7の測定システム70において、FPGAコンピュータ部74aにさらにWebサーバ機能を備え、その汎用モジュール10にはイーサーネットコントローラを付加又は内蔵させ、そのイーサーネットコントローラよりLANの経由してインターネット回線に接続する計測者のクライアント端末を設けてもよい。(図示せず)
【0134】
以上のような測定システム70´では、FPGAコンピュータ部74aにさらに以下に示す手段74f及び74gを備える。
【0135】
手段74fは、前記所定時刻毎の電圧値を数列とする乱数をFPGAのWebサーバの一時メモリ又はシフトレジスタへ入力する乱数列入力手段である。
【0136】
手段74gは、計測者のクライアント端末より、そのモジュール10へ対するアクセスに応答して、Webサーバの一時メモリ又はシフトレジスタよりクライアント端末へ送信する生成乱数送信手段である。
【0137】
図8は、本発明のプログラマブル計測汎用モジュール10を用いた計測システム80の実施例を示す。
【0138】
図8の計測システム80はデジタルシンセサイザ11で発生させた高周波電圧をFPGA84のDAコンバータ80xの出力信号で乗算器12を介して変調し、FPAA13を経由してアナログ出力端子18に接続されたトランスジューサ85から送信させる送信装置となる計測システムである。
【0139】
図8において、汎用モジュール10はコンピュータ部84a以外は図1の汎用モジュール10と全く同一機能を有するので同一符号は説明を省略する。
【0140】
85は、高周波電力を輻射電磁波に変換する送信アンテナ、交流電圧を音波・超音波に変換する振動発振器、交流電圧を光波に変換するイルミネーション、表示器を含む発光器等のトランスジューサである。トランスジューサの入力端子はアナログ出力端子18に接続する。
【0141】
84aは、汎用モジュール10のFPGA74のコンピュータ部であり、図8(b)に示すように手段84b~84dを備える。
【0142】
手段84bはデジタルシンセサイザ11に対してバス16を介して、トランスジューサ85の動作周波数帯域内の特定の周波数の搬送電圧波生成を指定すると共に、その電圧波を乗算器12へ入力するための配線86選択を指令する搬送電圧波生成/配線86設定手段である。
【0143】
手段84cは、送信したい情報データをアナログ値としてFPGA14のDAコンバータ84xから出力させ、その出力電圧を乗算器12へ入力させる配線87選択を指令する情報データ出力/配線87設定手段である。
【0144】
手段84dは、乗算器12におけるデジタルシンセサイザ11及びFPGA14からの2つの電圧値の乗算値をFPAA13に取得させるため、そのFPAA13と乗算器間の配線88選択と、取得した乗算値をハイパスフィルタを通過させ、その出力電力増幅を行うための電子回路生成をバス17を介してFPAAへ指令する配線88設定/電子回路生成手段である。
【0145】
計測システム80は、搬送波を送信したい情報データにより変調した変調高周波或は交流電圧をアナログ出力端子18を経由してトランスジューサ85へ送り、電磁波又は音波又は光波を出力する送信装置となる。
【0146】
次に、測定システム90について述べる。
【0147】
図8における測定システム80の送信装置Tを複数台備え、一方図6における測定システム60の受信装置Rを複数台備え、組合わせれば以下のような測定システム90となる。
【0148】
すなわち、天候や周囲の状況変化によりサブミリ波を含む電磁波、音波、振動、赤外線を含む光、の伝搬状態が変わる性質を利用して、各複数台の送・受信装置で周波数毎の伝搬状況の変化から降雨、風速、人間・動物の接近等の計測システム90となる。
【0149】
そのためには、測定システム80の送信装置Tを複数台、予め、既知座標の各地点にそれぞれ設置し、それらの送信装置には送信アンテナ、超音波・音波発振器、赤外線を含む発光器、レーザの少なくともいずれかのトランスジューサ85をアナログ出力端子18へ接続する。
【0150】
一方、測定システム60の受信装置Rを複数台、予め、既知座標の各地点にそれぞれ設置し、それらの受信装置にはそれぞれ受信アンテナ、マイクロホン、圧力センサ、加速センサ、光センサ、温度センサ、電界計測プローブのいずれか複数を一体化した検出モジュールとしてアナログ入力端子へ接続詞、FPAA13内のマルチプレクサで入力信号を選択切換できるようにする。
【0151】
以上の構成の計測システム80は送信装置Tと受信装置R間で、ある所定エリアの地表面上で超高周波帯を含む電磁波、超音波を含む音波、赤外線を含む光、レーザの各周波数を搬送波として所定情報データで変調して送受信を行う。
【0152】
受信装置RのFPGA内コンピュータ部84aはその受信データをメモリ部に記録し、その時間経過に従って変化が計測されたとき、その変化のある周波数帯の伝搬状況の変化から天候・周囲状況変化、風・物の速度、人・動物の移動を推定する解析手段を備える計測システム80である。
【0153】
図9(a)は計測システム80における複数の送信及び受信装置T、Rを用いた風速の計測の説明図である。
【0154】
計測システム80において設定点座標がそれぞれ既知の複数の送信装置Tは、それと接続されたトランスジューサ85が音波発振器であり、音波を放射する。
【0155】
一方、他の複数の設定点座標がそれぞれ既知の受信装置Rは、それに接続された計測センサがマイクロホンであり、音波を受信する計測システム90である。
【0156】
計測システム90は受信装置のFPGAコンピュータ部はそのメモリ部にある通常(風速=0)の場合の検出音波と、空気が移動して変化している検出音波を比較して、そのドプラ-効果又は伝搬速度の差により装置間に吹いている風速を計測する手段を備えている。受信装置のデータは、インターネットを介して計測者のクライアント端末へ収集して解析してもよい。
【0157】
そのためには、FPGAコンピュータ部84aにWebサーバ80wを備え、イーサーネットコントローラを付加又は内蔵させ、LANを経由してインターネットを介してクライアント端末と交信するシステムとする。
【0158】
図9(b)は複数の受信装置Rを用いた人・動物の移動計測システム100の説明図を示す。
【0159】
この場合は、受信装置Rの振動センサであって、送信装置は不要の場合である。
【0160】
人・動物が地面を歩行するときの各時刻毎の振動波を複数の受信装置Rを計測し、各装置に到達する時刻経過をそれぞれのFPGAのコンピュータ部84aのメモリ部へ記憶する手段を備えて、その時刻の差により歩行者の2次元、或は3次元位置を推定できる。受信装置のデータはインターネットを介して計測者のクライアント端末へ収集し、解析してもよい。そのためには前述したようにWebサーバを備える。
【0161】
また,人間や動物の歩行による振動を複数の装置で計測し,振動が装置に到達する時刻の差から歩行者の位置を推定する。振動の伝搬速度が既知の場合には,歩行者の2次元位置を推定するためには少なくとも3台の装置を用いる。伝搬速度が未知の場合には。最低4台用いることで推定できる。装置がそれ以上に多い場合には,最小2乗法により位置を精度良く推定できる。車両等の騒音を発する音源があるとき,この方法でその位置及び移動速度が計測できる。
【0162】
電磁波,音波の伝搬は途中の障害物による遮蔽や反射によって変化し,この変化は周波数に依存する。その変化のパターンは非常に複雑であるが,流星の落下がFM放送等の放送波の反射によって検出されるように,周波数ごとにその変化を計測し,実際のイベントと比較することで人の通過等で生起するパターンを統計的に推定することが可能である。
【0163】
人・動物移動計測システム100は複数の送信装置Tに超音波発振器のトランスジューサを用い、その超音波を受信するセンサのある複数の受信装置Rからなる人・動物移動計測システム110であってもよい。
【0164】
次に、計測システム80において、各送信装置毎の音量及び位相を調整した音波を発生させ、特定地点での音圧レベルを増大又は減少させる計測システム120について述べる。
【0165】
この計測システム120では、複数の受信装置Rはアナログ入力端子19に接続された検出モジュールは少なくともマイクロホンである。
【0166】
一方、複数の送信装置Tはアナログ出力端子18に接続されたトランスジューサは少なくともスピーカを含む音波発生器である。
【0167】
いずれも、送受信装置T、Rは設定点座標が既知である。
【0168】
それぞれの汎用モジュール10はFPGAコンピュータ部84aにWebサーバ84wの機能を備え、イーサーネットコントローラをモジュール10に付加又は内蔵して、LAN、インターネットを介して計測者のクライアント端末と交信できる。
【0169】
送信装置TのFPGA内Webサーバメモリ部にはそれぞれ送信音量及び位相を時刻毎に記録する送信記録手段を備える。
【0170】
一方、受信装置RのFPGA内Webサーバメモリ部にはそれぞれ受信音量を時刻毎に記録する受信記録手段を備える。
【0171】
計測者のクラインアント端末は、インターネットを介して受信装置の各Webサーバのメモリ部にある音量データを収集し、予め、端末のメモリに設定されているエリアに定めた特定地点の音圧レベルと比較して、異なっていれば、その音圧レベルに一致するように、その周辺の送信装置の音量及び位相を逐次に、カットアンドトライによる調整を行う位相調整手段を備える。
【0172】
すなわち、多数の装置があるとき,各装置から出力される音量及び位相を調節することで特定地点での平均的な音量を大きくすることができる。装置間のイーサーネット等による通信速度が十分速い場合,各装置から出力される音波の位相を正確に調整することが可能である。既存のアクティブノイズコントロール法と組み合わせて利用することで,特定地点の音圧レベルを増大または減少させることができる。特定地点に騒音源があるとき,多数の装置を設置することでその騒音を弱めることが可能である。
【0173】
次に、測定システム80において、送受信装置間の位置、天候などの伝播状況に応じて周波数や電圧を変更し、最小の消費電力で信号を送信する計測システム130について述べる。
【0174】
測定システム80において複数の受信装置Rでは、そのアナログ入力端子19に接続された検出計測モジュールは超高周波帯まで含む受信アンテナ、マイクロホンを含む超音波検出器、赤外線を含む光センサである。
【0175】
一方、その複数の送信装置Tでは、そのアナログ出力端子18の接続されたトランスジューサは超高周波帯送信アンテナ、超音波を含む音波発振器、赤外線・レーザを含む発光器が少なくとも1つからなる。
【0176】
複数の受信装置R及び送信装置Tは、それぞれ各汎用モジュール10のFPGAコンピュータ部84aにはさらにWebサーバ機能を備える。さらに、そのモジュール10に付加又は内蔵してイーサーネットコントローラがあり、LANを経由してインターネット回線に接続する計測者のクライアント端末を備える。
【0177】
各地点に配置された送信装置Tから各地点に配置された受信装置Rへの通信周波数及び放射電力値(電圧値)をクライアント端末からの指令により、インターネットを介し変更できるようにするため、送信装置Tは、そのFPGAコンピュータ部のWebサーバ内に通信周波数及び電圧値を記憶させるメモリ部を設ける。
【0178】
そのコンピュータ部は、メモリ部にある通信周波数と放射電力値(或は電圧値)を読取り、その通信周波数が動作するトランスジューサを選択して、読取った放射電力値(電圧値)で送信する送信手段と、クライアント端末からのアクセスに応答して、そのメモリ部の内容の変更を許可し、通信周波と電圧値を更新させる通信周波数/電圧値更新手段を少なくとも備える。
【0179】
クライアント端末は各受信装置RのWebサーバメモリ蓄積された時刻毎の受信電圧値をインターネットを介し、取得し、予めクライアント端末のメモリに設定している受信電圧値と比較し、位置・天候に関連して伝播状況により受信電圧値が低い場合には、他の通信周波数に切替え、最もよい通信周波数で動作させる通信周波数切替手段と、最良の通信周波数にセットされたときは、さらにその電圧を変化させて、必要最小限の電圧で動作させる電圧調整手段を備える。
【0180】
図11に以上述べた計測システム130の構成を示してある。
【0181】
図10(a)は送信装置Tの動作周波数を変化させた場合の周波数の指向性が変わることを示す説明図である。動作周波数により受信装置Rの受信感度が大きく変化する。
【0182】
図10(b)は、送信装置Tの放射電力を変化させた場合、受信装置Rまでの到達距離が変化することを示す。
【0183】
以上のように送受信装置間の位置や天候などの伝播状況に応じて周波数や電圧を変更し,最小の消費電力で信号を送信する計測システム130であり、
電波、音波等の伝播は通信周波数に依存しており,直進性や回りこみなども異なる。また障害物などがある場合,通信状態が劣化する。そこで最初に装置間の通信を行う際、この装置の周波数や出力を任意に変化させて通信できる機能を用いて、周波数や出力を変化させ,これらと通信状態との関係を求め、設定通信速度が確保できるレベルまで周波数や出力を調整することで、消費電力を抑えた通信を行うことができるシステムとなる。通信手段を複数備えることは、LSIの集積度向上に伴って製作上の大きな障害要因とはならないが、太陽電池発電や熱電発電、あるいは受信した電波を電力源として、プログラマブル汎用計測モジュールを駆動する際には、消費電力を減らすことは非常に重要な要素となる。更に異なる通信手段を有することで、環境変化によって通信が切断されることが少なくなる。
【0184】
図12はプログラマブル計測汎用モジュール10を用い、そのメモリにある計測方向のプログラムをインターネットを介し、書換え、計測対象及び信号処理方法を変更することのできる計測システム140を示す。
【0185】
各要素は個別のサーバであると同時に回路部品の一つとなることで,高機能性,信頼性,柔軟性,ロバストネスを兼ね備えた電子回路を作ることが出来る。例えば,プログラマブル計測モジュール1を高周波アンプ,プログラマブル計測モジュール2を中間周波数へ変換するミキサー,プログラマブル計測モジュール3を中間周波数アンプ,プログラマブル計測モジュール4を検波回路,プログラマブル計測モジュール5を低周波アンプとすることで,スーパーヘテロダイン受信機を構成することが出来る。
【0186】
このとき,もしプログラマブル計測モジュール1が故障しても,プログラマブル計測モジュール2の内部回路に代替させることができる。更に深刻な故障の場合には,プログラマブル計測モジュール5を予備として用意しておき,これを故障したプログラマブル計測モジュールの代替に利用すれば良い。
【0187】
ラジオやテレビ等の音声信号や画像信号をプログラマブル計測モジュールで検出しそれをインターネット経由でパソコンに伝送することで視聴することができる。
【0188】
家電製品で利用されているアンプ等をプログラマブル計測モジュールに置き換えると,音量等の操作をインターネット経由できる。また,機能を変更できる。
【0189】
図13は本発明の各計測システムの組合わせと、デジタルカメラ、無線LANなどの追加で、図に示すように動植物、環境、人間や財産の監視等を行う小型で安価な観測装置を作ることができることを示す。
【0190】
【発明の効果】
本発明のプログラマブル計測汎用モジュール並びにそれらを用いた計測システムは、以下に示す効果を奏する。
【0191】
(1)回路の単純化と調整の容易さ
従来では、センサを利用する計測では,センサからの信号を増幅器や周波数フィルタなどで必要な強度と周波数の信号に調整する必要がしばしばあり,ゲインやフィルタ特性などの調整をカットアンドトライで行っていた。また、この作業は屋外では非常に困難な作業であったが、以下のように容易に作業を行うことができる。
【0192】
本発明によって、インターネット等を介して遠隔地において計測を行う場合でも現地に赴かずに離れたところから回路調整をソフトウェア的に行うことが出来る。また,回路の一部が故障した場合には,故障部位を切り離して他の正常な回路部分を組み換えることで機能を維持することができる。
【0193】
このような回路を,デジタルシンセサイザ,FPAA,FPGA(またはワンチップマイコン)必要ならば乗算器を加えた複数のLSIまたはモジュールだけで実現でき,さらに様々なセンサからの信号をインターネット経由で計測可能となる。
【0194】
(2)集積化が容易
デジタルシンセサイザ,FPAA,FPGA(またはCPU),乗算器、イーサーネットコントローラ等必要な回路は既に個別にはLSIまたはICとして実装されているためプログラマブル計測汎用モジュールとは,全体を1つのLSIとして集積化することが容易である。
【0195】
(3)量産化が容易
センサや計測用用途に応じて個別のハードウェアを設計するのではなく,同じハードウェアを作り,プログラムを変えることで様々な用途に適用できる。
【0196】
(4)小型化が可能
用途に応じてプログラムを書き換えることで限られたハードウェア資源を有効に利用でき,小さなチップ面積で実現できる。
また,汎用性が高いことから以下のような効果がある。
【0197】
(5)LSIに組み込むことが可能な温度,加速度センサ等はひとつのLSI内に実装することが出来るため,高機能なセンサ用チップとして利用できる出来る。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明のプログラマブル計測汎用モジュールの一実施例10の構成である。
【図2】本発明のプログラマブル計測汎用モジュールを用いた計測システムの一実施例20の構成である。
【図3】本発明のプログラマブル計測汎用モジュールを用いた計測システムの一実施例30の構成である。
【図4】本発明のプログラマブル計測汎用モジュールを用いた計測システムの一実施例40の構成である。
【図5】本発明のプログラマブル計測汎用モジュールを用いた計測システムの一実施例50の構成である。
【図6】本発明のプログラマブル計測汎用モジュールを用いた計測システムの一実施例60の構成である。
【図7】本発明のプログラマブル計測汎用モジュールを用いた計測システムの一実施例70の構成である。
【図8】本発明のプログラマブル計測汎用モジュールを用いた計測システムの一実施例80の構成である。
【図9】(a)は複数の送信装置を用いた風速計測の説明図である。
(b)は複数の受信装置を用いた人・動物移動計測の説明図である。
【図10】(a)は動作周波数を変化した場合の周波数指向性が変わる説明図である。
(b)は放射電力を変化した場合の到達距離が変わる説明図である。
【図11】本発明の光・音波・電磁波等の送信部・受信部を有する計測システム130の構成である。
【図12】本発明のインターネットを介し計測条件を変更できる計測システム140の構成である。
【図13】本発明の各種計測システムを組合わせた観測装置の一実施例の構成説明図である。
【符号の説明】
10、10´ プログラマブル計測汎用モジュール
11 デジタルシンセサイザ
12 乗算器
13 FPAA
14 FPGA、或いは1チップコンピュータ
14a コンピュータ部
14x DAコンバータ
14y ADコンバータ
15 DC・CDコンバータ
16 FPGA—デジタルシンセサイザ間バス
17 FPGA-FPAA間バス
18 アナログ出力端子
19 アナログ入力端子
20、30、40、50、60、70、80 モジュール10を用いた測定システム
24、34、44´、54、54´、64、74、84 測定システムのFPGA
24a、34a、44´a、54a、54´a、64a、74a、84a、 測定システムのFPGAコンピュータ部
44w、54w Webサーバ
25、45、55 被検体
35、65 計測センサ
48、58 計測者のクライアント端末
49、59 インターネット回線
46 イーサーネットコントローラ
75 ダイオード
85 トランスジューサ
図面
【図1】
0
【図2】
1
【図3】
2
【図4】
3
【図5】
4
【図6】
5
【図7】
6
【図8】
7
【図9】
8
【図10】
9
【図11】
10
【図12】
11
【図13】
12