簡易 SDカード・データロガーの製作

初版公開：2014/08/14
最終更新： 2023/05/26

AVRマイコンと 14 セグメント VFD（蛍光表示管）を使って、SDカードに 4 系統までのアナログデータを同時に記録できる、スタンドアローン動作の「SD カード・データロガー」を製作しました。

ログデータは CSV 形式で保存されるため、表計算ソフトを用いたグラフ描画や統計処理が容易です。

機器内にバッテリ動作の RTC（リアルタイムクロック）を組み込んでいるので、データと同時に時間を記録できるため、大変便利です。

また、MCU として安価なマイコンを使用しているので、同様の機能を持つ市販品に比べるとローコストで製作することができます。

仕様 (Specification)

電源：　DC +5V 300mA 以内
ディスプレイ： 14セグメント 8桁 VFD
メモリーカード： SD カード / SDHC カード
入力信号
- アナログ 4ch
- 電圧レンジ 0 - VREF (2.5V)
- 周波数帯域 DC - 1 Hz 程度
サンプリング周期：設定可能（1 秒 - 5 分）
ログ期間：基本的に無制限（ファイルサイズによる）
RX THRU 機能
バッテリによる計時動作

注意点 (Limitation)

パソコンなどであらかじめ十分なファイルサイズを持つログファイルを作成する必要があります。デバイス側にファイル作成の機能はありません。

プロジェクトファイル・ダウンロード

ソースコード（AVR-GCC）

Petit FatFs ソースコードを同梱していますので、それらはそのライセンスに従います。それ以外は Simplified BSD ライセンスとします。

回路図
応用回路
記録データ例

プロジェクトの構成

今回の製作では、配線数の最適化と設計の再利用のために、表示器のドライブ回路とメイン基板を分けて設計を行いました。
両基板の間のデータ転送はシリアル通信で行うので、1-MCU 構成とくらべて、配線の大幅な効率化が実現できます。

この「簡易 SDカード・データロガー」は、「シリアル VFD ドライバ」と「SD データロガー・コントローラ 」の2つの独立したパートによって構成しています。
「シリアル VFD ドライバ」は、非同期シリアル(UART)信号によって VFD をコントロールするデバイスとして設計したので、他のプロジェクトにも汎用的に応用できます。

「シリアル VFD ドライバ」の詳細は 別ページにまとめました。

⇒詳細

以下は SDデータロガーのコントローラ部分の説明です。

主な使用部品

・ATmega88V
MCU として ATMEL の 8bit AVR を使用します。28 ピンの 8 bit AVR マイコンから、ATmega88V を使用します。
8kB の ROM を一杯に使用しているので、機能拡張には ATmega168 など、もう少し ROM の大きいマイコンを使用する必要があるでしょう。

・MSM62X42B (MSM62X42BRS)
沖電気製の RTC（リアルタイムクロック）です。
昔の Z80 や 8085 のシステムでしばしば使用されていたものだと思います。
水晶発振子内蔵で、ランク A 品なので誤差 20ppm と、良く手に入る RTC より若干精度が良いのが少し自慢です。
本来は +5V 電源用の製品ですが、 CMOS なので +3.3V でも動作します。
ただし仕様外の動作なので、事前に動作テストしたうえで、タイミングに余裕を持たせて制御しています。

SII や EPSON からも同様の 4bit I/F の IC が出ていたと思います。

・uPC29M33T
NEC の +3.3V 0.5A LDO 電圧レギュレータです。
手持ちの都合で使用しましたが、すでにディスコンのようです。
代わりとしては、100mA 以上の出力が可能な LDO レギュレータが使用可能です。

・CR2032
+3V リチウムバッテリです。
はんだ付けできるタブ付きバッテリを使用すると便利です。
電源が入っていない状態でも、このバッテリにより RTC の計時動作を継続します。
RTC の実測消費電流から、少なくとも 9 年以上の連続計時動作が可能な計算です。

詳細説明

基本的に、ログをしていない場合は時計として機能します。また、ロギング中はアナログ電圧のモニタ動作を行います。

ログファイルのフォーマット

メモリーカードに書き込まれるログファイルは、1行が1つの時刻のデータを表す、以下のようなフォーマットになります。

20yy/mm/dd,hh:mm:ss,d1,d2,d3,d4

yy/mm/dd : 年月日
hh:mm:ss : 時刻
dN : チャンネル N の ADC 生データ (0-1023)

メモリカードとして、SD カード、MMC カードおよび SDHC カードが使用できます。
今回はファイルシステム（FAT）制御のために Petit FatFs を使用しました。

操作方法

[MENU] [OK] [+] [-] の 4 つのボタンによって操作を行います。

☆状態遷移表

表示画面と動作説明

・時計動作

・時刻設定
時計動作の状態で [OK] を長押しします。
[+] [-] [OK] でチャンネルの切り替えを行います。

・アナログ電圧モニタ動作
センサの接続状況確認のために、ADC で変換された値を表示するモードです。

A-D 変換された生のデータ　（0-1023）が表示されます。
[+] [-] でチャンネルの切り替えを行います。

・ログ動作
ログを記録する前に、PC での前処理が必要です。

（前処理）
SD カードのルートに "log.csv" というファイルをあらかじめ用意する必要があります。
このファイルには、必要なログを書き込むのに足りるだけのサイズを確保します。
必要なファイルサイズの計算式は以下の通りです。
N = 42 * Tdur / Tint
N = ファイルサイズ [byte]
Tdur = ログを取る期間 [sec.]
Tint = サンプリング周期 [sec.]

（操作）
「LOGGING」画面で [OK] ボタンを押下します。

ログを取る周期を [+] [-] により設定して、[OK] ボタンを押下します。

ログを取っている最中は、アナログ電圧のモニタリングを行います。
[+] [-] でチャンネルの切り替えを行います。
ロギングが終了したら、[MENU] ボタンを押下して終了します。