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(野村さんへのメモ)
・Appendix4として、企画案で「Appendix　ケーブル由来ノイズと無線伝送のメリット」と「Appendix　フォトカプラによる電気的分離」の2つを合体させてまとめました
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■第4部　マイコンでトライ！ 生体情報の信号処理の基礎■

第2章　mbedによる筋電情報システムの例

2-2　Arduinoシールド上に筋電センサ回路を作る　

Appendix4　信号線ノイズ、フォトカプラ分離、光ファイバ、無線伝送

●信号線(ケーブル)由来ノイズ

筆者の専門の一つ「ノイズ対策」において、「信号ノイズ」というのは厄介な部類に属します。例えば「電磁誘導ノイズ」であれば、磁気的なシールドで電磁誘導をカットすると簡単に防止できます。「静電誘導ノイズ」についても、静電シールドで分離すれば防止できます。要するに「ノイズ源」と「ノイズ被害者」とを「分離」する、というのがその基本的指針です。

ところが「信号ノイズ」の場合には、伝えるべき信号があって信号ケーブルで電気的に結合されていて、これをノイズ対策だからといって切り離せません。必要な信号とともに、そのケーブルをノイズも伝わってくるのです。グラウンドループのように両者が共有している「接地」が電気的に「回路」を構成するのも、一種の「信号ノイズ源」として含まれます。本稿で扱っている生体信号の場合には、生体センサからの出力信号レベルがとても微弱であり、さらに最近の電子機器は電源電圧や信号電圧レベルが小さくなっているのに、自然現象である外来ノイズの電圧レベルは変わらないので、相対的にノイズトラブルの可能性が時代とともに増大しています。

そんな「信号ノイズ」、すなわち「ケーブル由来ノイズ」については、必要な信号とノイズ信号との電気的特性の違いに着目して、たとえば電圧レベルが極端に大きなノイズはサージ対策部品でカットしたり、必要な信号の周波数帯域と異なる周波数成分のノイズ信号をカットするLPF・HPF・BPFなどフィルタを活用します。しかし、必要な(伝えたい)信号とほぼ同じレベルの電圧で、ほぼ同じような周波数成分を持っているノイズ信号というのは、乗ってしまえば原理的に除去がとても困難です。

ある意味では生体信号の情報処理の本質ともなりますが、生体センサ信号から応用に必要な情報を抽出するというアプローチと、生体センサ信号に乗ってしまっているノイズ情報をなんとか不要なものと解釈して除去するアプローチは、かなり似たものとなります。そのためにも、「信号ノイズ」、すなわち「ケーブル由来ノイズ」を避けるためには、可能であれば「電気的に分離しつつ情報を伝える」という方法が推奨されるわけです。以下、「フォトカプラによる分離」と「無線伝送」について紹介します。
(詳しくは→ 1-1コラムの「参考情報Webページ」を参照して下さい)

●フォトカプラによる電気的分離

フォトカプラというのは、デジタル信号の伝送経路において、信号で発光デバイスを駆動し、これを受光デバイスで受けて電気信号にする、というものです。多数の機器ノイズが飛び交うFA(工場)の製造機器などで活用されているだけでなく、民生機器分野では、1983年から現在でも世界中に電子楽器が共通規格としている「MIDI規格」という、電子楽器の演奏情報プロトコルが有名です。

MIDI以前の電子楽器では、A社の製品群を相互に接続する信号体系と、B社やC社・・・の製品群を相互に接続する信号体系とは、それぞれ独自規格で互換性がありませんでした。しかし技術の進展によって多数の電子楽器を接続・合奏できる時代に、たまたまA社とB社の製品を繋いだら故障した・・・などという状況は、誰にとっても不幸なことです。そこで゜世界中の楽器メーカが共同してMIDI規格が生まれたのですが、ここに「MIDI受信はフォトカプラを経由する」と規定したところは、まさに先見の明だったと思います。

これにより、複数の電子楽器のMIDI端子をケーブルで接続しても、それぞれの信号線は電気的には分離されました。例えばある機器が故障(漏電)したとしても、その悪影響が接続した他の機器に伝わる事が無く、責任の所在も、明確に分離します。筆者はこのMIDI規格をハードウェアとして活用しつつ、情報プロトコルは独自に拡張して、いろいろなシステム制御に利用しています。図Appendix4-1は、NucleoF401REを使って製作したシステム(→ 2-6)の回路図の一部ですが、MIDIというのはこの程度の簡単な回路で実現でき(TLP552がフォトカプラ)、これによりどんな周辺装置と組み合わせても信号ノイズのリスクから解放される(電気的に結合されていない)、というメリットがあります。

(図Appendix4-1　MIDI通信のための回路例)

●光ファイバケーブルによる伝送

高速デジタル信号を10数m〜100mも伝送しているケーブルは、その信号線自体がある意味でノイズ送信・ノイズ受信の「アンテナ」です。上述のフォトカプラによる電気的分離は、機器の「水際」での電気的分離に過ぎないので、そこまでのケーブルが長い距離を引き回されていると(MIDI規格で最大15m)、周囲の電磁環境ノイズを受ける脅威となります。MIDIは電子楽器の規格ですが、MIDI機器を使ったコンサートのステージでは、多数の照明機器のサイリスタ/トライアック制御によって、電源関連の強烈な「ACスイッチングノイズ」に溢れているので切実です。

そこで筆者が使ったことがあるのが、光ファイバケーブルによる高速デジタル信号の長距離伝送です。このシステムは、デスクのコンピュータからおよそ30〜40メートルの距離にある上空まで64ビットのPWM制御データを伝送し、64個のLEDの輝度(PWM)制御を行う、というものでした。数メートルであればMIDIで簡単に出来るのですが、MIDIケーブルを2〜3本繋いで延長するのは、周囲の電磁的環境から避けたいケースです。

ここでは「七星科学開発センター」の「デジタル・パラレル光ファイバ伝送モジュール」(http://www.nnbs-develop.com/DPS/)を使いました。図Appendix4-2はその「送信側」で、パソコンからMIDIで与えられた64個のLEDの輝度制御情報は、秋月電子のAKI-H8によって64ビットの個別デジタルPWM信号として出力され、七星科学開発センターの32チャンネル送信モジュールDPSM-032T-001-OPTを2個並べて供給します。ここから細いタイプ(直径2mmほど)のプラスチック光ファイバで30メートル、太いタイプ(直径1cm以上)の光ファイバだと1000メートルも延ばせます。

図Appendix4-3はその「受信側」で、2個並んだ七星科学開発センターの32チャンネル受信モジュールDPSM-032R-001-OPTの出力はそのまま電流バッファの74HC245からLEDに接続され、こちら側はマイコンは不要、というシンプルなシステムとなりました。このシステムは10年以上たっても現役で稼働していて、光ファイバケーブルによる伝送の威力を実感しました。

(図Appendix4-2　デジタル・パラレル光ファイバ伝送モジュールの送信側)

(図Appendix4-3　デジタル・パラレル光ファイバ伝送モジュールの受信側)

●無線伝送のメリット

そしてフォトカプラよりも光ファイバケーブルよりも、信号伝送のノイズ対策として徹底しているのが、信号の無線伝送です。フォトカプラも光ファイバも、電気的分離のためにいったん「光」を経由しますが、光も電磁波の一種なので広く言えば全てが電磁波を利用しています。かつてはアナログ無線伝送でいろいろ苦労したのに対して、最近ではXBeeなどのWiFi、あるいはBluetoothなど、プラックボックスとして強力なデジタル無線伝送の「道具」が充実してきました。

第3章で紹介する生体信号計測システム「BITalino」はその典型で、各種の生体センサを搭載している基板のマイコン部分に、よくあるUSBコネクタが存在しません。このマイコン(Arduino互換のAVR)は、完成品でありファームウェアを書き込まないのでUSBは不要で、生体計測システムのためのプラットフォーム「BITalino」は、その生体情報のホストPCへの伝送はBluetooth専用、と見据えた設計となっています。

ここには以下の3つのメリット/特徴があります。
	・USB等に由来する信号ノイズを避ける
	・身体のセンサから邪魔なケーブルを出さない
	・無線+バッテリ駆動によってAC電源アダプタとも分離する
「BITalino」の詳細は第3章で述べますが、この発想を本システムでも採用して、NucleoF401REのArduinoシールド上にXBeeを搭載して、ホストPCとは完全に電気的分離を実現した、というわけです。
