JPH1019606A - 多チャンネルディジタル信号同時連続記録装置とその電気回路設計方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】この多チャンネルディジタル信号同時連続記録
装置は、多数の発生源から別個に発生するデジタル化さ
れた信号を、多チャンネルのまま、同時に、高速に、一
定時間間隔で長時間、欠損なく連続的に検出・記録し、
コンピューターに転送するものである。本発明は、生体
からの多数の神経活動の信号の記録・解析等、医療・医
学研究・生理学研究・神経科学研究の分野で利用されう
る機器である。 【構成】この多チャンネルディジタル信号同時連続記録
装置は、半導体集積回路素子等を用いた電気回路構成に
よる機器であり、図１に示すようにタイマー部（１）、
制御部（２）、入力部（３）、バス（４）、一時記憶素
子として用いるプリンターバッファー（５）、およびカ
ウンター部（６）から構成される。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は半導体集積回路素子
等を用いた電気回路構成による機器である。

【０００２】

【産業上の利用分野】本発明は、生体からの多数の神経
活動の信号の記録・解析等、医療・医学研究・生理学研
究・神経科学研究の分野で利用されうる機器である。

【０００３】

【従来の技術】従来の多チャンネル信号記録技術は多チ
ャンネルアナログ信号の記録を扱うものである。本発明
は、これとは別に、チャンネル数無制限の多チャンネル
ディジタル信号の高速連続検出・記録を行うもので、本
発明と同等の機能を備える装置は存在しない。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】多数の発生源から別個
に発生する信号で、出現の有無によって発生源ごとにデ
ジタル化して表現できるものを扱う。ここで開発した多
チャンネルディジタル信号同時連続記録装置（以下本装
置とする）は、そのデジタル化された信号を、多チャン
ネルのまま、同時に、高速に、一定時間間隔のサンプリ
ングで長時間、欠損なく連続的に記録し、コンピュータ
ーに転送する。入力は、サンプリング期間内の現象発生
の有無を検出する方式である。

【０００５】本装置の入力チャンネル数、すなわち入力
できる信号源の個数は、本装置入力部分を増設すること
によりほぼ無制限に増やせる。本装置の信号取り込み速
度は、スイッチによって１６０ｋＨｚから２０Ｈｚの間
で切り替えられる。このようにして、必要チャンネル
数、必要速度が異なるいろいろな条件での生体からの多
チャンネル信号記録に適用可能である。

【０００６】本装置は、内部に一時的にデータを保存す
るメモリーを持つことにより、コンピューターへの転送
が断続的に行われても、データの取り込みを欠損なく連
続的に行うことができる。これにより、コンピューター
のプログラム開発が非常に容易になる。

【０００７】本装置は、全チャンネル共通の制御信号を
用いることによって、チャンネル間での信号取り込みの
タイミングにずれがないようにしている。入力段はサン
プリング周期の間に現象が発生するか否かを検出する。
これらは生体からの信号記録において要求される機能で
ある。

【０００８】本装置は、エラー表示機能により、動作の
異常を知らせる。使用チャンネル数が多い時に、速い取
り込み速度で動作が不安定になるのはやむを得ないが、
この時にはエラー表示がなされる。

【０００９】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
に、本発明は、市販のディジタル半導体集積回路素子等
からなる独自の電気回路を構成し、また、市販のいわゆ
る「プリンターバッファー」（５）を、本来の使用法か
ら離れて、先入れ先だし式（ＦＩＦＯ）の一時記憶素子
として回路構成要素の一つとして利用した。

【００１０】本装置は個数無制限の多チャンネルの信号
を記録するものであるが、入力信号のチャンネルに対し
て、「アドレス」という概念を与える。すなわち、チャ
ンネルは８個ごとにアドレス番号が０、１、２、と割り
当てられる。８個というのは本装置で利用したプリンタ
ーバッファー（５）のビット数であり、もし、ビット数
が多ければ（例えば複数のプリンターバッファーを並列
にして使用して）、そのビット数ごとに各チャンネルに
アドレス番号が割り振られる。例えば、８ビットバッフ
ァーで９６チャンネルの信号を記録する場合、アドレス
番号は０から１１となり、第１チャンネルはアドレス０
のビット０となる。

【００１１】本装置は、大きく、クロック部（１）、制
御部（２）、入力部（３）、バス（４）、プリンターバ
ッファー（５）、およびカウンター部（６）の６つの部
分から鳴る（図１）。クロック部（１）、制御部
（２）、プリンターバッファー（５）、およびカウンタ
ー部（６）は装置あたり１個である。入力部（３）は３
２チャンネル分（４アドレス分）が同じ１枚のボード上
に配線され、使用チャンネル数に応じて並列的に幾つも
増設されうる。制御部（２）が本装置の心臓部であり、
ここと各部分が信号線で接続される。

【００１２】制御部（２）とクロック部（１）およびカ
ウンター部（６）、は図１で示されるように小数の信号
線で接続される。制御部（２）とプリンターバッファー
（５）とは、データ信号線とハンドシェーク信号線で接
続される。制御部（２）から、入力部（３）の接続のた
めにバス（４）の信号線が出ている。入力部は、同じ回
路が３２チャンネル並列になって１枚のボード上に配列
されて１単位となるが、これを何単位も並列にバス
（４）上に配列することができ、「多チャンネル」の記
録を実現する。

【００１３】バス（４）には、信号取り込みのタイミン
グを制御する制御バス（７）、アドレスを指定するアド
レスバス（８）、データを乗せるデータバス（９）の３
種類が平行している。制御バス（７）はリセット信号
（１０）、ホールド信号（１１）の２信号線からなる。
データバス（９）のビット数Ｎはプリンターバッファー
のビット数であり、アドレスバス（８）、は８ビット
（チャンネル数は２５４×Ｎ以下）、または１６ビット
（チャンネル数は６４５１６×Ｎ以下）またはそれ以上
が可能である。

【００１４】本装置のクロック部（１）は、水晶発振器
によって作られる１６ＭＨｚの矩形波を分周することに
より、規則的なパルスを形成する。このパルスは、制御
部（２）において、一定間隔の連続的信号取り込みのタ
イミングを作るのに利用され、また、カウンター部
（６）に供給される。図３の回路では、周波数は、切り
替えスイッチによって１６０ｋＨｚ、８０ｋＨｚ、４０
ｋＨｚ、２０ｋＨｚおよびそれらの１／１０、１／１０
０、１／１０００の計１６種類から選べるようになって
いる。クロック部（１）を動作させるか止めてリセット
するかを指示するクロック作動命令信号（１２）は制御
部（２）から供給される。

【００１５】本装置の制御部（２）は、幾つかの機能を
持つ。まず、信号取り込みの開始と終了を認識し、取り
込みの最中、クロック作動命令信号（１２）を出して
（レベルをＬにして）クロック部を作動させる。開始・
終了はスイッチで指示できるほか、外部からの信号を使
うことができる。

【００１６】次に制御部（２）は、タイマー部（１）か
ら供給されるパルスの立ち下がりに同期して、ホールド
信号（１１）を発生させ、その直後にリセット信号（１
９）を発生させる。ただし、クロック動作命令信号が出
た直後にはリセット信号（１２）のみ発生させ、クロッ
ク動作命令信号がオフになったときにはリセット信号
（１２）もホールド信号（１１）も出さない。このホー
ルド信号（１１）とリセット信号（１２）は図２に示さ
れているように入力部（２）の検出回路、ホールド回路
の動作タイミングに利用される。

【００１７】次に制御部（２）は、プリンターバッファ
ー（５）とハンドシェークを行ってデータ転送を制御す
る。

【００１８】また、制御部（２）は、アドレスバス
（８）の信号を出力する。このアドレスバス（８）の信
号は、信号取り込みの開始の瞬間、また、クロック部か
らのクロック出力の発生の瞬間に０にリセットされる。
そして、データバス上のデータがプリンターバッファー
（５）に転送されるごとに、ハンドシェークの信号を利
用して、アドレスバス（８）の信号を１ずつ大きくして
行く。制御部（２）内の最高アドレス設定スイッチ（１
７）によって設定された値まで大きくなると、このアド
レスバスの値の更新動作は終了する。アドレスバスの信
号を１ずつ大きくして行くことが、入力部（３）でのデ
ータの並べ替えに利用されるが、これが多チャンネルの
記録を可能にする原理である。

【００１９】また、制御部（２）は、オーバーフローエ
ラーの検出を行う。上の段落に書いたアドレスバスの値
の更新動作は、次のクロックパルスの発生する前に完全
に終了していなくてはならない。それが終了していなか
った場合には、エラーの表示のＬＥＤ（１４）が点灯し
て動作の障害を示す。使用するチャンネル数と取り込み
クロックの周波数の積がプリンターバッファーの速度を
上回る時にこのエラーが発生し、これがこの装置の最高
動作スピードを決める。プリンターバッファーがデータ
で一杯になってしまったときにもこのエラー表示が行わ
れる。

【００２０】カウンター部（６）は、クロック部（１）
からの入力取り込み信号を数え、パネルに表示するとと
もに、取り込みデータ数が予め設定してある場合、それ
に達した際に、本装置の動作を一時停止させる信号を発
生させる機能をもつ。

【００２１】プリンターバッファーは、市販のセントロ
ニクスインターフェース仕様のプリンターバッファーを
用いる。これの入力側のハンドシェーク線は制御部につ
ながれて制御される。データ線はデータバス（９）につ
ながれる。このプリンターバッファーの出力側は、本装
置の出力となり、何らかのインターフェースを介して、
コンピューターと接続される。

【００２２】本装置の入力部（３）は、各チャンネル独
立して、かつ、全チャンネル同時に動作する。ここに供
給される制御バス（７）のリセット信号（１０）とホー
ルド信号（１１）は制御部（２）で作られる。ともにパ
ルス状の信号である。図２で示されるようにホールド信
号（１１）はクロックパルスと同期して作られ、リセッ
ト信号（１０）はその直後に発生するように回路が設計
されている。ただし、クロック作動命令信号（１２）発
生の直後には、ホールド信号は発生せず、リセット信号
のみ発生する。

【００２３】入力部（３）の初段、検出回路はＲ−Ｓ−
ＦＦを用いている。リセット信号（１０）ごとにリセッ
トがかかり、次のリセット信号までの間（サンプリング
時間）に現象が入力されれば、すなわち、入力レベルが
ＨからＬになることがあればセットされる。これが、全
チャンネル同時にディジタル信号を記録する仕組みであ
る。

【００２４】入力部（３）の第２段目ホールド回路は、
Ｄ−ＦＦを用いている。ホールド信号（１１）があった
瞬間に第１段目の出力を取り込み保持するが、ホールド
信号（１１）はリセット信号（１０）の直前に発生する
ので、それまでのサンプリング時間内においてＲ−Ｓ−
ＦＦがセットされたか否か、すなわち、入力に現象があ
ったか否かの情報が２段目のＤ−ＦＦに取り込まれ、次
のホールド信号までの間保存される。この入力方式は、
入力取り込み信号の瞬間の状態を入力するのではなく、
先行した入力取り込み信号以後の現象の有無をモニター
する訳で、神経活動の記録にははなはだ有効な方法であ
る。

【００２５】並べ替え回路は入力部の３段目である。こ
こでは、入力の多チャンネルをデータバス（９）のビッ
ト数ごとに区切ってアドレスの値が与えられる。例え
ば、データバス（９）が８ビット、入力チャンネル数が
３２ならば４個に区切られて、チャンネル１〜８がアド
レス０、チャンネル９〜１６がアドレス１等となる。一
方、入力部のボードごとの固有アドレスの範囲はボード
ごとにディップスイッチによって設定される。第１ボー
ドはアドレス０から３（チャンネルは１から３２）、第
２ボードはアドレス４から８（チャンネルは３３から６
４）等となる。このようにして、入力部のボードを何個
増設して多チャンネル記録を行う場合でも、各チャンネ
ルには、データバスのビット数ごとに、０、１、２、
３、４、、、と固有のアドレスが０から順番に与えられ
る。

【００２６】並べ替え回路の基本動作は、制御部で設定
されるアドレスバス（８）の値と固有アドレスが一致し
たときに、その入力チャンネルのホールド回路の出力を
データバス（９）に送り出すことである。アドレスバス
（８）の値は制御部の働きによって逐次更新されるの
で、それに合わせて、データバス（９）に出力される入
力チャンネルが切り替わる。これは、最初並列に入力さ
れた多チャンネルが、データバスのビット数ごとに区切
られて順々に並べ替えられることになる。アドレスバス
の値は、ホールド信号の発生の直後に０となり、その
後、プリンターバッファーとハンドシェークを取りなが
ら増えていくので（図２）、並べ替えられた入力データ
が次々プリンターバッファーに転送される。この転送は
次のホールド信号発生までの間に終了しなければならな
い。もし終了しなければ、制御部（２）においてエラー
表示がなされる。

【００２７】製作にあたっては、各部分は電気部品配線
用のボード上に作られる。プリンターバッファー（５）
と制御部（２）とはストローブ（１５）とビジー（１
６）のハンドシェーク信号をもつセントロニクス仕様の
インターフェースで接続される。制御バス（７）、アド
レスバス（８）、データバス（９）、からなるバスによ
って、制御部（２）のボードと入力部（３）のボードが
接続される。入力部（３）のボードは１枚で３２チャン
ネル分であるが、バス（４）に並列に増設できる。

【００２８】

【発明の実施例】図面３に示された通り、必要な電気回
路部品を調達して何枚かの電気回路素子配線用のボード
上に作成した。全体を電気装置用の箱に納めてネジ等に
よって固定し、本装置を作成した。「プリンターバッフ
ァー」としては、ロジテック社の「Ｑｕａｓｅｒシリー
ズＬＪＢ−Ｓ−４Ｍ」を使用した。本装置を動作させる
ためには、図面１に示されたように、「プリンターバッ
ファー」の出力側とコンピューターとを何等かのインタ
ーフェースで接続し、コンピューターから動作状況を観
察する必要がある。この実施例においてはＧＰＩＢイン
ターフェースを利用した。すなわち、「プリンターバッ
ファー」の出力側にエムシーアイエンジニアリング社の
「ＧＰＩＢセントロ変換ユニットＵＩＯ−４８８Ｓ」を
接続し、ＧＰＩＢケーブルを介してコンピューター（Ｎ
ＥＣ社の「ＰＣ９８０１ＲＡ５１」）に挿入されたＧＰ
ＩＢインターフェースボード（コンテック社の「ＧＰ−
ＩＢ（９８）Ｄ」）に接続した。自己開発のコンピュー
タープログラムによって動作を確認した。多数のデジタ
ル化された信号発生源としては人工の模擬信号として、
市販のファンクションジェネレーターを使用した。

【００２９】

【作用】上に書いた本装置の実施において、予定通りの
動作を確認した。すなわち、多数の発生源から別個に発
生するデジタル化された信号を、多チャンネルのまま、
同時に、クロック周波数の速さで欠損なく連続的に記録
し、コンピューターに転送することができた。

【００３０】

【発明の効果】本発明が、記録するべき多数の発生源の
例として想定しているのは、医科大学の研究室等におけ
る重要な研究対象である、脳の神経活動である。微小電
極によって細胞外から導出される神経活動にはスパイク
と呼ばれる信号が見られ、スパイク発生時を１、非発生
時を０とすれば神経活動は、まさにディジタル信号とし
て表現される。このような神経活動は、通常、１つの神
経細胞からしか記録できない。しかし、本発明は多数の
神経細胞の活動の同時記録を容易ならしめる効果があ
り、神経の研究に多大なる貢献をする可能性がある。神
経活動以外にも、多数の発生源からのディジタル信号の
記録、モニターのあらゆる場合に利用できる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本装置の各部分と主な信号線連絡の模式図 この図に示された通り、本装置の回路は、クロック部
（１）、制御部（２）、入力部（３）、バス（４）、デ
ータカウンター（５）、プリンターバッファー（６）か
らなる。本装置の出力としてのプリンターバッファーの
出力側はコンピューターにインターフェースを介して接
続される。

【図２】本装置の主な信号線の信号タイミングの模式図

【図３】本装置の試作品の回路図 データバス（９）は８ビット、アドレスバス（８）は１
６ビット、入力チャンネル数は３２である。カウンター
部（６）は一般的な回路なので省略した。プリンターバ
ッファーの出力側は省略されている。

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 図１、図２に示すようにタイマー部
   （１）、制御部（２）、入力部（３）、バス（４）、一
   時記憶素子として用いるプリンターバッファー（５）、
   およびカウンター部（６）から構成される多チャンネル
   ディジタル信号同時連続記録装置基本設計法。
2. 【請求項２】 請求項１の基本設計法に従う多チャンネ
   ルディジタル信号同時連続記録装置。
3. 【請求項３】 図３に示された、本装置の具体的回路。