JP2003046479A

JP2003046479A - トランスデューサネットワークバス

Info

Publication number: JP2003046479A
Application number: JP2001203869A
Authority: JP
Inventors: Alexis G Karolys; アレクシス・ジー・カロリス; Fernando F Gen-Kuong; フェルナンド・エフ・ゲンクォング; Eldon E Eller; エルドン・イー・エラー
Original assignee: Endevco Corp
Current assignee: Meggitt Orange County Inc
Priority date: 2001-07-04
Filing date: 2001-07-04
Publication date: 2003-02-14

Abstract

(57)【要約】【課題】各センサを小型化したセンサ通信システムを
提供する。【解決手段】センサ通信システムは、２線分岐トラン
スデューサバス３０上のマスタモジュール７０に接続さ
れて多重通信チャネルを提供する各種センサモジュール
５０を有する。センサモジュール５０は、マスタモジュ
ール７０との間の信号の送受信を行う。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、複数のセンサのセ
ンサモジュールと分析システムに連結したマスタモジュ
ールとの信号を接続する通信バス、およびこれらを備え
たセンサ通信システムに関する。

【０００２】

【従来の技術および発明が解決しようとする課題】トラ
ンスデューサとしても知られているセンサは、温度、加
速度、圧力および流量のような各種タイプの現象を測定
し、これらの現象をアナログ電圧に変換する。従来は、
航空機用の振動監視装置は搭載量監視、動力伝達系路振
動監視および機体振動監視のような機能に対してアナロ
グセンサを用いてきた。大型航空機の製造には、広範囲
にわたる試験手順が採用され、数百、さらには数千に及
ぶセンサが機体全体に配備される。アナログセンサを使
用すると、センサ毎に、専用のポイントツーポイントの
ワイヤハーネス（組配線）、大量の電力を消費する大型
の計測装置（即ち信号調整、データ多重化およびデータ
収集）が必要となる。典型的な試験構成においては、個
別のワイヤ対を設けているデータ収集・分析システムに
各センサが接続されるので、航空機全体にわたりケーブ
ルの大きな束が出来上がる。この専用のケーブルおよび
アナログインタフェースハードウエアは、航空機の重
量、コストおよび信頼性に影響を及ぼす。モード解析お
よび工場環境は別の応用例であり、この場合は一般に、
分散したセンサ群に、個別にデータ分析システムに接続
された各センサが配備されている。

【０００３】

【課題を解決するための手段】本発明は、マスタモジュ
ールとスレーブセンサモジュール間の信号を接続する通
信バスに関し、マスタモジュールとスレーブセンサモジ
ュールを接続する２線バスを含む。２線バスは、同時に
複数のディジタル通信チャネルを提供する。

【０００４】センサ通信システムは、少なくとも２つの
ディジタル通信チャネルを有する通信バスを備える。複
数のスレーブセンサモジュールは通信バスに接続され、
少なくとも２つのディジタル通信チャネルで、スレーブ
センサ信号を送信し、マスタコントロール信号を受信す
る。マスタモジュールは通信バスに接続され、少なくと
も２つのディジタル通信チャネルでマスタコントロール
信号を送信し、スレーブセンサ信号を受信する。

【０００５】２線分岐トランスデューサバスは、マスタ
モジュールによって送信される電力・クロック・コント
ロールマスタ信号と、スレーブセンサ／トランスデュー
サスレーブモジュールによって送信されるスレーブセン
サ信号とを伝送するものであり、下記の特徴を持つ。１）バスは分岐ディジタル通信ネットワークの一部であ
り、ディジタルスマートセンサが同時に（同期的に）セ
ンサのアナログ出力をサンプリングし、シーケンス的に
（時分割多重化）ディジタルデータをマスタバスコント
ローラに送り返すことを可能にする。マスタモジュール
は、同期化クロック信号を全スレーブセンサモジュール
に配信する。２）一つのスレーブセンサモジュールからサンプリング
されたデータを送信するコマンドは、マスタモジュール
が別のセンサモジュールからデータを受信している間に
も同時に送出される。３）バスシステムは少ない電力で作動する。トランスデ
ューサバスは電力を分散して、各モジュールのコネクタ
数を最小にする。各モジュールの消費電力は非常に少な
く、ラインのＩＲ低下を最小にする。太いケーブルの使
用は、サイズと重量の犠牲を払うことになる。４）小さいサイズは、重量を減らし、センサの性能（即
ち加速計の周波数応答）に対する影響を最小にするため
に望ましい。コネクタは通常、最大の構成要素であるの
で、コネクタのピン数およびセンサモジュールのコネク
タ数は最小にされる。５）装置の製造コストを引き下げることができる。

【０００６】

【発明の実施の形態】本発明の前記およびその他の目
的、形態および利点は、添付図面を用いた以下の説明で
明らかになるであろう。添付図面では、同一の参照符号
は異なる図面においても同一部品を示す。図面は必ずし
も縮尺通りではなく、本発明の原理を示すために強調さ
れている。

【０００７】発明の好ましい実施形態を次に記す。図１
には、本発明の原理を示すディジタルトランスデューサ
システム１０が示されている。トランスデューサバスコ
ントローラ（ＴＢＣ）２０は、トランスデューサバス３
０とホストコンピュータ４０との間のゲートウエイを提
供する。従来のコンピュータシステムバス３２がＴＢＣ
２０をホストコンピュータ４０に接続して、ホストコン
ピュータ４０がデータ収集および分析を行う。ＴＢＣ２
０はディジタル的に、トランスデューサバス・インタフ
ェースモジュール（ＴＢＩＭ）５０、２−チャネルＴＢ
ＩＭ５２、…、Ｎ−チャネルＴＢＩＭ（図示せず）、
ネットワークトランスデューサ（ＮＴ）５４および２−
チャネルＮＴ５６、…、Ｎ−チャネルＮＴ（図示せ
ず）と全二重ディジタルバスを介して通信する。ＴＢＩ
Ｍ５０、２−チャネルＴＢＩＭ５２およびＮチャネル
ＴＢＩＭ（図示せず）は、トランスデューサバス３０上
でＴＢＣ２０に逆方向通信するセンサまたはトランスデ
ューサ５８に接続されている。ＴＢＣ２０は、ＴＢＩ
Ｍ５０、２−チャネルＴＢＩＭ５２、ネットワークト
ランスデューサ（ＮＴ）５４および２−チャネルＮＴ
５６に直流電力を供給し、またマスタクロックを提供す
ることによって、トランスデューサバス上のすべてのＴ
ＢＩＭ５０、２−チャネルＴＢＩＭ５２、ネットワー
クトランスデューサ（ＮＴ）５４および２−チャネルＮ
Ｔ５６の間の同期／同時データサンプリングを可能に
する。

【０００８】図２のブロック図は、測定計測システム
と、統合電子回路を有するピエゾ電気トランスデューサ
（ＩＥＰＥ）６０、ＴＢＩＭ５０およびＮＴ５４との
関係を示し、例えばイソトロン(Isotron)、ＩＣＰ(誘導
結合プラズマ)、またはデルタトロン(Deltratron)装置
にできる。ＩＥＰＥ６０は、センサもしくはトランス
デューサ５８およびアナログ信号調整モジュール６２を
一体化している。ＴＢＩＭ５０は、（１）アナログ信
号調整モジュール６２、（２）アナログディジタル変換
モジュール６４、（３）ディジタル信号処理モジュール
６６、および（４）スレーブディジタル通信モジュール
（ＳＤＣＭ）６８を一体化している。ＮＴ５４は、ＴＢ
ＩＭ５０と共に一体化されたアナログトランスデュー
サである。

【０００９】センサ５８は基本トランスデューサ（米国
規格，ＡＮＳＩＭＣ６．１−１９７５により規定され
た）であって、各種の検出技術（即ちピエゾ電気、ピエ
ゾ抵抗、容量、誘導、磁気抵抗）を利用し、物理的に測
定される量、物性または状態に応答して電気出力（即
ち、電圧、電流、電荷）を発生する。アナログ信号調整
モジュール６２は内部のプロセスおよびステップを参照
して、適切なアナログ出力信号（即ち増幅信号、フィル
タリングされた信号）をアナログディジタルコンバータ
（Ａ／Ｄ）６４に供給する。アナログディジタルコンバ
ータ（Ａ／Ｄ）モジュール６４は、アナログ信号調整モ
ジュール６２で生成されるサンプリングされた波形から
ディジタル出力を生成する。ディジタル信号処理（ＤＳ
Ｐ）モジュール６６は、各種ＤＳＰ技法（即ちディジタ
ルフィルタリング、マルチレートフィルタリング、平均
化、ＲＭＳ、イベント検出）を使用して、離散時間領域
のサンプリングされたアナログ波形を処理する。スレー
ブディジタル通信モジュール（ＳＤＣＭ）６８は、必要
なすべての機能を実行し、この機能は、（１）アナログ
／ディジタル処理されかつサンプリングされた信号、ま
たはＴＢＩＭ５０もしくはネットワークトランスデュー
サ（ＮＴ）５４のいずれかを記述するトランスデューサ
電気データシート（ＴＥＤＳ）のいずれかを送信し、
（２）後述するＭＤＣＭ７０（図８）からのコマンドを
受け取るのに必要な機能である。

【００１０】図３は、分岐ディジタルトランスデューサ
システム１０（ＴＢＩＭ５０およびＴＢＣ２０は、スレ
ーブディジタル通信モジュール６８およびマスタディジ
タル通信モジュール７０の詳細を示すのみ）の簡単な実
施例を示す。システム１０は、４本のより対線、即ち
（１）送信（ＴｘＭ／ＲｘＳ）７４、（２）受信（Ｒｘ
Ｍ／ＴｘＳ）７２、（３）クロック（Ｃｌｋ）７６およ
び（４）電力７８、を必要とする。テンベースティー
（１０BASE−Ｔ）イーサネット（登録商標）（Ｅｔｈｅ
ｒｎｅｔ（登録商標））に用いられる非シールドより線
対（ＵＴＰ）４−対カテゴリ５ケーブルを使用して、ト
ランスデューサバス３０を相互接続できる。ＲＳ−４８
５差動ドライバは、ＴｘＭ、ＴｘＳおよびクロック（Ｃ
ｌｏｃｋ）信号に使用される。

【００１１】ＵＴＰ４−対ケーブルに関する一つの困
難は、センサモジュールを相互接続するためのロジステ
ィックスである。図４に、実現可能なデイジーチェーン
構成を示す。この方法の持つ問題点は、ＴＢＩＭ５０
ごとに２つのコネクタ８０を必要とし、その結果ＴＢＩ
Ｍ５０が大きくなることである。図５に、Ｔ−接続８２
を用いる４線または４差動線の４つの通信チャネルを示
す。残念なことに４線または４差動線Ｔ−接続８２は、
現在入手可能な在庫品が知られていない。コネクタはＴ
ＢＩＭ５０のコストの大きな部分（１５〜３０％）を
占めるので、バスのワイヤ数を最小にすることが、ＴＢ
ＩＭ５０およびトランスデューサバス３０のサイズ、
重量およびコストを低減することになる。

【００１２】図６は本発明の一実施形態を示しており、
２線Ｔ−接続８４および同軸ケーブル８６（１つの中心
導体と外側シールド導体）を用いて相互接続された分岐
２線ディジタルトランスデューサバスである。同軸ケー
ブル８６は、ツイストペアケーブルよりも広い帯域幅
（０．５〜２．０ＧＨｚ）を有するので、同一のケーブ
ル長さで多くの通信チャネルを持つか、または長い距離
にわたって高い通信速度を達成できる。市販されている
同軸ケーブル８６には、１４−２２ＡＷＧの中心導体が
あるので、３０４．８ｍ当たり１０〜２０Ω（１，００
０ｆｔ当たり１０〜２０Ω）の小さい導線抵抗と、小さ
いＩＲ低下による高効率の電力配給とが可能となる。同
軸ケーブル８６は、また、低い電磁放射と磁化率を示
す。同軸ケーブルと共に用いられる在庫がある市販品
（ＣＯＴＳ）コネクタの幾つかの例としてＢＮＣ（試験
計測装置およびシンネットイーサネット(Thin Net Ethe
rnet)に用いられる）、ＴＮＣ、ＳＭＡ、ＳＭＢおよび
ＳＭＣ（ビデオおよび電気通信機器に用いられる）があ
る。ＢＮＣコネクタ用のＴ−接続８４は、低コストで入
手が容易である。

【００１３】図７に、２線、即ち（１）トランスデュー
サバスライン（ＴＢＬ）８０および（２）アース８２を
用いる一般的な分岐ネットワークを示す。ＴＢＬ８０
は次の信号、（ａ）多重ディジタル通信チャネル（Ｔｘ
Ｍ８５、ＴｘＳ１、…、ＴｘＳｎ８６）、（ｂ）クロ
ック信号（ＣＬＫ）８８および（ｃ）ＤＣ電力（Ｐｗ
ｒ）９０を伝送する。この物理層形態の特徴は、多くの
複雑なハードウエアを可能な限りＴＢＣ２０のＭＤＣ
Ｍ７０に配置して、ＴＢＩＭ５０におけるＳＤＣＭ
６８の複雑なハードウエアを簡素化することである。一
般にＭＤＣＭ７０は、（１）ＡＣバス終端９４、
（２）パワー結合器１００、（３）エンコーダ変調器１
１０、（４）デコーダ／復調器１３０、（５）加算素子
１５０および（６）電流ドライバ１６０を有する。一般
にＳＤＣＭ６８は、（１）パワー分離器１７０、
（２）エンコーダ変調器１１０、（３）デコーダ／復調
器１３０、（４）ＴｘＭ／Ｃｌｋセパレータ１８０およ
び電流ドライバ１６０を有する。

【００１４】ＭＤＣＭ７０は、コマンドと同期クロッ
ク信号８８を含むマスタコントロール信号をＳＤＣＭ
６８に同時に送る。一方、1つまたは複数のＳＤＣＭ６
８は応答を含むスレーブセンサ信号をＭＤＣＭ７０に
送信する。ＳＤＣＭ６８は同期クロックを使用して同
期ディジタル通信を実現し、トリガコマンドを利用して
分散されたＴＢＩＭ５０それぞれの内部のアナログデ
ィジタル（Ａ／Ｄ）コンバータを同期化する。なお、パ
ワー結合器１００はトランスデューサバスライン８０に
送出する信号に電力を結合させ、パワー分離器１７０は
トランスデューサバスラインから受け取る信号から電力
を切り離す。

【００１５】ＲＳ２３２およびＲＳ４８５のようなディ
ジタル通信ポートに従来用いられている電圧ドライバの
代わりに電流ドライバ１６０を用いることによって、多
重ディジタル通信チャネルおよびクロックを衝突せずに
ＴＢＬ８０に同時送信できる。ＴＢＬ８０上のＡＣ電
圧は、すべてのＡＣ電流ドライバの合計によって発生
し、ライン終端抵抗９４に流れ込む。電流ドライバは廉
価で、実施が容易であり、電圧ドライバの使用の際には
必要とされる変圧器よりも小型である。

【００１６】ベースバンドディジタル信号は、周波数変
換せずに（高周波搬送波の変調なしに）送信される。こ
れによりＲＦモデムの必要性がなくなり、ハードウエア
は簡単化される。本発明の一実施形態においては、直接
拡散スペクトラム拡散（ＣＤＭＡ（コード分割多重アク
セス）としても知られている）を使用して、各ディジタ
ル通信チャネルをコード化し、同時多重アクセスを実現
する。疑似ランダムノイズを使用してデータを拡散す
る。拡散レートは、ＴＢＬ８０が伝送する同時ディジ
タル通信チャネル数に依存する。

【００１７】ＴＢＣ２０によって送信されるクロック
信号の振幅は、同時に送信するすべてのディジタル通信
チャネルの和よりも大きい。これにより、ＴＢＬ８０
によって伝送される複合信号の「ゼロクロス」がクロッ
ク信号８８によってだけ発生することが保障される。Ｓ
ＤＣＭは、単純な「ゼロクロス」レベル検出器を用いる
ことによりＴＢＬ８０からクロックを抽出できる。

【００１８】図８は、ＴＢＣ２０およびＴＢＩＭ５０
におけるディジタル通信モジュールを示す。ＴｘＭ８
５は直交ウォルシュコード００（２００）を用いてコー
ド化／拡散され、ＴｘＳ８６は直交ウォルシュコード
０１（２００'）を用いてコード化／拡散される。コー
ド００（２００）を用いてＴｘＭ８５を拡散すること
は、電流ドライバ１６０を使用してＴｘＭ８５をＴＢ
Ｌ８０に直接（拡散せずに）出力できることを意味す
る。コード０１（２００'）を用いてＴｘＳ８６を拡散
することは、復元したクロック信号８８を用いてＴｘＳ
を拡散した後、電流ドライバ１６０を使用してＴｘＳ
８６をＴＢＬ８０に出力できることを意味する。クロ
ック信号８８は、ＴｘＭ／Ｃｌｋセパレータモジュール
１８０内の単純なしきい値検出器１８１を用いて復元さ
れる。ＴｘＭ８５とＴｘＳ８６の両方を、拡散コード
を用いてコード化する前に、エンコーダ変調器内でマン
チェスタコード化（ＣＬＫ／２によりＸＯＲを行う）し
て、高周波数狭帯域幅パワースペクトラム密度を持つ信
号を形成し、ＤＣ成分を抑制する。

【００１９】図９は、ＴｘＭ８５がシーケンス０１１
０を、またＴｘＳ８６がシーケンス１０１０を同時に
１０Ｍｂｐｓレートで送信する場合のＴＢＬ８０の信号
タイミング図を示す。一方、４０ＭＨｚクロック信号
は、ＴＢＣ２０により、ＴｘＭ８５およびＴｘＳ８６
に使用される電流振幅の３倍の振幅で送出される。２０
ＭＨｚクロック信号８８を使用して、ＴｘＭ８５とＴ
ｘＳ８６をマンチェスタコード化する。送信は４０Ｍ
Ｈｚのチップレートで発生する。チップレートは、複数
ビットを表す離散信号レベルの数を増やすことにより、
回路の複雑性を犠牲にして減少させることができる（帯
域幅条件が少なくなる）（即ち００＝−２ｍＡ、０１＝
−１ｍＡ、１０＝＋１ｍＡ、１１＝＋２ｍＡ）。

【００２０】ＴＢＬ８０の信号は、常にクロック信号
８８と同一レートでゼロ（０）と交差する。ＳＤＣＭ
６８内のＴｘＭ／Ｃｌｋセパレータモジュール１８０
は、しきい値比較器またはシュミットトリガを用いてク
ロック信号８８を容易に復元できる。ＴＢＬ８０内の
ＤＣ信号（即ち直流電力）は、比較器のしきい値レベル
を変化させるか、または信号をＡＣ結合することにより
（マンチェスタコード化された信号はＤＣ成分を持たな
い）容易に生成できる。クロック信号８８は、同時に送
信するすべての電流ドライバにより発生したすべての電
流よりも大きい振幅で送信される。ＴｘＭ８５とＴｘＳ
８６用の電流ドライバ１６０は、各々±１ｍＡ（低＝−
１、高＝＋１）を送信する。したがってクロック信号８
８用の電流ドライバ１６０は±３ｍＡ（低＝−３、高＝
＋３）になるように選択された。ＴＢＬ８０の複合信
号の最大振幅は±５ｍＡである。

【００２１】受信器に入力する信号の最大信号振幅は、
ＴＢＬ８０からクロック信号８８を差し引いた±２ｍＡ
である。ＴＢＬ８０内のクロック信号を相関受信器に
出力する前に、クロック信号８８を抽出する必要はな
い。

【００２２】図１０は、ＭＤＣＭ７０とＳＤＣＭ６８
の両者用の逆拡散相関受信器１３０の詳細なブロック図
を示す。ＭＤＣＭ７０は、ＳＤＣＭ６８に用いられる
コード０１（２００'）を用いて信号をデコードする。
ＳＤＣＭ６８は、ＭＤＣＭ７０に用いられるコード０
０（２００）を用いて信号をデコードする。例えば図８
において、ＳＤＣＭ６８はコード＝０を設定し（スイ
ッチは恒久的に信号を反転なしに通過させ）、ＭＤＣＭ
７０はクロック信号８８を用いて信号をデコードする
（信号はＣｌｋ＝０の時は反転なしに通過し、Ｃｌｋ＝
１の時には反転する）。

【００２３】デコーダ１３５は、機能性を限定された２
入力アナログ乗算器と同等の機能を果たす。ＴＢＬ８
０から受け取った処理済みのアナログ信号は第１入力に
供給され、またその高(HIGH)／真(TRUE)状態および低(L
OW)／偽(FALSE)状態が＋１および−１の値と解釈される
ディジタルコードシーケンス（即ちウォルシュ、または
疑似ランダムノイズ）が第２入力に供給される。ディジ
タルコードが高のときには、デコーダ１３５は第１入力
に存在するアナログ信号に等しい出力を供給する（+1を
乗じる場合と同じ）。ディジタルコードが低のとき、デ
コーダ１３５は第１入力に存在する反転されたアナログ
信号に等しい出力を供給する（−１を乗じる場合と同
じ）。相関器１３１は、（１）アナログ積分器１３２
（ディジタル積分器を使用できるのは、アナログ信号が
Ａ／Ｄを用いて最初にサンプリングされる場合である）
と、（２）１または０を受取ったか否かを判定する比較
器と、（３）結果をラッチするD-フリップフロップ１３
６とから構成される。

【００２４】相関器１３１は、クロック信号８８のネガ
ティブエッジ（立下りエッジ）トリガにより５０ｎｓｅ
ｃ毎にリセットされる積分器１３２を用いて実行され
る。比較器１３４は、積分器１３２の出力をしきい値レ
ベル１３３と比較することにより高または低が検出され
たか否かの判定を行う。しきい値レベル１３３をゼロ
（０）に設定するのは、入力信号がクロック信号８０を
含まない場合である。しきい値１３３を非ゼロ値（クロ
ック信号８８の振幅に依存して）に設定する必要がある
のは、クロック信号８８を相関器１３１に供給する前
に、クロック信号８８が複合信号から前もって抽出され
ていない場合である。Ｄ−フリップフロップ１３６は、
積分器が次のビットを解決している間に、比較器の結果
を保持するのに用いられる。最後にマンチェスタデコー
ダ１３７は、反転したＣｌｋ／２信号を用いて出力をＸ
ＯＲすることにより、相関器の出力からマンチェスタコ
ード化を除く。

【００２５】図１１に、復元された信号ＲｘＳ８７の
タイミング図を示す。復元された信号ＲｘＳ８７は、
送信された信号ＴｘＭ８５と同一であるが、クロック
信号８８の１周期分だけ遅れる。これがマンチェスタデ
コードを実行するときＣｌｋ／２が反転されることの理
由である。

【００２６】図１２に、受信信号ＲｘＭ８９のタイミ
ング図を示す。復元された信号ＲｘＭ８９は、送信さ
れた信号ＴｘＳ８６と同一であるが、クロック信号８
８の１周期分だけ遅れる。

【００２７】図１３は、ＴＢＬ８０に接続されたＣＤ
ＭＡを使用するＭＤＣＭ７０とＳＤＣＭ６８の両者の
詳細なブロック図を示す。“＿”に続く記号は、ＤＭＣ
Ｍ７０およびＳＤＣＭ６８内のノードを指す（即ちＰ
ｗｒ＿Ｍ、Ｃｌｋ＿Ｍ、Ｐｗｒ＿Ｓ、等）。クロック信
号８８、ＴｘＭ８５および１つのＴｘＳ８６は同時に
ＴＢＬ８０に送信される。本発明の一実施形態において
は、クロック信号８８は、８ｍＡの電流シンクを用いて
１ＭＨｚで送信することが可能であり、ＴｘＭ８５は、
２ｍＡの電流シンクを用いてマンチェスタエンコーダ１
１０（１Ｍｃｐｓ）により０．５Ｍｂｐｓで送信され
る。一方、ＴｘＳ８６は、２ｍＡの電流シンクを用い
て長さ７（７Ｍｃｐｓ）の拡散ＰＮコード２００により
１Ｍｂｐｓで送信することができる。周波数乗算器２０
６は、入力クロック信号８８の整数倍の周波数を持つク
ロック信号８８を発生する。これは、ＭＤＣＭ７０に
より送信されるクロック信号８８の位相固定を維持する
ために行なわれ、極めて安定した水晶発信器の必要性を
解消する。ＰＮコード位相調節２０２を使用して、複数
のＳＤＣＭ６８をＴＢＬ８０に接続する。各ＳＤＣＭ
６８は、同一ＰＮコード２００の異なる位相バージョン
を用いて送信する。

【００２８】自動ゲインコントロール（ＡＧＣ）ブロッ
クの前段にあるキャパシタを使用して、ＤＣ電力９０を
阻止し、ＴＢＬ８０に存在する高周波複合信号だけを通
過させる。ＡＧＣブロックを使用して、ＴＢＬ８０内
の高周波複合信号を拡大縮小し、以後の処理に適切な振
幅にする。この拡大縮小は、ＴＢＬ８０内の損失を補
償するために必要である。ゲイン調節は、動的にまたは
損失の変化が極めて小さい場合は、パワーアップ時に１
回だけ行うことができる。

【００２９】ＭＤＣＭ７０内のＰＮコード位相調節２
０２は調節可能であり、ＭＤＣＭ７０がＰＮコード２０
０（１／２チップ内）の位相を選択して、ＳＤＣＭ６８
の１つで使用されるものに一致するようにできる。ＭＤ
ＣＭ７０内の積分器／相関器１３１に対するリセットパ
ルスの位相は、相関器リセット位相調節２０４により調
節可能であり、ＭＤＣＭ７０がその相関器１３１を同期
化して、ＴＢＬ８０の伝搬遅延を補償することができ
る。相関器リセット発生器１３８は、クロック信号８８
の高から低への、または低から高への移行を検出すると
細いパルス信号を供給する。このパルスは、相関器１３
１内の積分器１３２をリセットするのに用いられる。

【００３０】図１４に、図１３に示されたＭＤＣＭ７
０およびＳＤＣＭ６８の各種ノードにおけるタイミン
グ図を示す。各種ノードは次の通りである。１）Ｃｌｋ
＿Ｍ：ＴＢＣ２０によって送信される０．５ＭＨｚクロ
ック、２）ＴＢＬ：ＳＤＣＭ６８内のＡＧＣの出力で見
られる増幅されたＴＢＬ信号、３）Ｃｌｋ＿Ｓ：ＳＤＣ
Ｍ６８により復元されたＣｌｋ＿Ｍ、４）ＴＢＬ＿Ｃ
ｌｋ＿Ｓ：ＳＤＣＭ６８内のＴＢＬ信号からＣｌｋ＿Ｓ
を差し引くことにより得られた信号、５）ＲｘＳ＿Ｃｏ
ｒｒ：ＳＤＣＭ６８の〔ＴＢＬ＿Ｃｌｋ＿Ｓ〕信号を積
分することにより得られる信号、６）ＴｘＭ：０．５Ｍ
ｂｐｓでＭＤＣＭ７０によって送信されるディジタル信
号、７）ＲｘＳ：ＳＤＣＭ６８で受信されたディジタル
信号、８）ＴＢＬ−Ｃｌｋ−ＴｘＭ：ＭＤＣＭ７０内
のクロック信号とＴｘＭ８５を差し引くことにより得ら
れる信号、９）ＲｘＭ＿ｄ：ＭＤＣＭ７０の〔ＴＢＬ−
Ｃｌｋ−ＴｘＭ〕信号に疑似ランダムノイズ（ＰＮ）コ
ード２００（正しい位相を持つ）を適用することにより
得られる信号、１０）ＰＮ＿コード：ＭＤＣＭ７０の
〔ＴＢＬ−Ｃｌｋ−ＴｘＭ〕信号を復号するのに用いら
れる疑似ランダムノイズ（ＰＮ）コード２００、１１）
ＲｘＭ＿Ｃｏｒｒ：ＭＤＣＭ７０の〔ＴＢＬ−Ｃｌｋ−
ＴｘＭ〕信号を積分することにより得られる信号、１
２）ＴｘＳ＿Ｃ：ＳＤＣＭ６８により生成されたＰＣ
＿コード２００によりコード化されたＳＤＣＭ６８か
ら送信された信号ＴｘＳ８６、および１３）ＲｘＭ：Ｍ
ＤＣＭ７０により受信されたディジタル信号。

【００３１】図１５は本発明の一実施形態であり、２つ
のディジタル通信チャネル（全二重）を持つ２線ネット
ワークを示す。時分割多重（ＴＤＭ）を使用して、複数
のＳＤＣＭ６８との通信ができる（１つだけのＳＤＣ
Ｍ６８でも伝送可能である）。クロック信号８８は、
変調なしでＴＢＬ８０に供給されるが、振幅が十分に
大きいのでＳＤＣＭ６８は単純なしきい値検出回路１
８０を用いて容易にクロック信号８８を復元できる。Ｔ
ｘＭ８５とＴｘＳ８６だけをコード化して、それらが
クロック信号８８と同一周波数スペクトラムを占めるよ
うにできる。

【００３２】ＥＤＣＭ７０によって送信されるＴｘＭ
８５信号は、コード０（２００）を用いてコード化さ
れ、ＳＤＣＭ６８によって受信されて、コード０（２
００）を使用して逆拡散される。ＥＤＣＭ６８によっ
て送信されるＴｘS ８６信号は、コード１（２００'）
を用いてコード化され、ＭＤＣＭ７０によって受信さ
れて、コード１（２００'）を使用して逆拡散される。
疑似ランダムノイズ（ＰＮ）コード化シーケンスは拡散
に用いられる。

【００３３】必要なコードが２つに過ぎないため、拡散
は最小にとどめられる。一般にＳＤＣＭ６８のサイ
ズ、所要電力、回路の複雑さおよびバス帯域使用量は拡
散量に正比例する。

【００３４】図１６は本発明の別の実施形態であり、３
つの同時ディジタル通信チャネルを持つ２線ネットワー
クを示す。ＳＤＣＭ６８からＭＤＣＭ７０への通信チ
ャネルは、送信器に用いられるＰＮコードを変更するだ
けでＳＤＣＭ６８の複雑さを増すことなく追加でき
る。

【００３５】ＭＤＣＭ７０は、多数の受信器１３０
（それぞれが異なったコードを受け取る）を備えること
により、同時に多数の通信チャネルを受け取る（即ちＮ
個のセンサモジュールが同時に送信を行う場合には、Ｔ
ＢＣはＮ個の受信器を使用する）。通信チャネルの数が
増加すると共に、ＭＤＣＭ７０から送出されるクロック
信号の振幅は増大し、クロック信号８８が復元できるこ
とは保障される。

【００３６】図１６に示したネットワークシステムの可
能な使用では、（１）ＭＤＣＭ７０はＳＤＣＭ６８の
グループをコード１（２００'）を用いて送信し、残り
のＳＤＣＭ６８をコード２（２００''）を用いて送信
するように割り当て、（２）ＭＤＣＭ７０は、アラーム
または他のイベントトリガのようなメッセージを送信す
るよう指定されている可能性のある１つのＳＤＣＭ６
８に対してコード１（２００'）の独占使用を割り当て
できる。

【００３７】図１７は本発明の別の実施形態であり、４
つの同時ディジタル通信チャネルを持つ２線ネットワー
クを示す。回路の複雑さ、所要電力およびバス帯域幅使
用量は、同時通信チャネル数の増大と共に増加する。

【００３８】ＳＤＣＭ６８の受信器１３０は、ＭＤＣ
Ｍ７０から送られた送信を容易に逆拡散する。何故な
らば積分時間情報はＭＤＣＭ７０から送られるクロッ
ク信号に含まれるからである。ＭＤＣＭ７０の受信器
１３０はより複雑である。何故ならばＴＢＬ８０と、
ＭＤＣＭ７０で生成されるクロック信号８８からＳＤＣ
Ｍ６８が非同期に送信するＳＤＣＭ６８とにおいて
は、遅延が起こるからである。

【００３９】図１７に示したネットワークシステムの可
能な使用では（図１６に記載したもの以外で）、（１）
ＭＤＣＭ７０はコード３（２００'''）を用いてＳＤＣ
Ｍ６８と通信する一方で、コード０（２００）を用いて
データの収集をトリガできる、（２）ＭＤＣＭ７０は
コード３（２００'''）を用いて、２つのＳＤＣＭ６８
の間の通信を確立することができる（ＳＤＣＭ６８内
の回路を最小にするために、ＳＤＣＭ６８の同期受信
器１３０はＭＤＣＭ７０以外の他のＳＤＣＭ６８から
は受信できない。

【００４０】図１８に、パルス振幅変調（ＰＡＭ）を使
用するＭＤＣＭ７０およびＳＤＣＭ６８の両者のブロ
ック図を示す。ＳＤＣＭ６８によって送信されるＴｘ
Ｓ８６信号は振幅１を持つのに対し、ＭＤＣＭ７０から
のＴｘＭ８５信号は振幅２である。ＳＤＣＭ６８は、
単一の比較器１３４を用いてＭＤＭＣ７０から送信さ
れたＴｘＭ８５信号を抽出する。ＭＤＣＭ７０は、Ｓ
ＤＣＭ６８から送信されたＴｘＳ８６信号を３つの比
較器１３４、１つのＡＮＤゲート、および１つのＯＲゲ
ートを用いで抽出する。ＭＤＣＭ７０から送信された
ＴｘＭ８５信号は、マンチェスタエンコーダ１１０で
マンチェスタコード化されている。ＳＤＣＭ６８はク
ロック信号８８をマンチェスタコード化された信号から
クロック抽出モジュール２２０内のＰＬＬ（位相ロック
ループ）を用いて抽出することができる。

【００４１】自動ゲインコントロール（ＡＧＣ）ブロッ
クの前段のキャパシタは、ＤＣ電力９０を阻止し、ＴＢ
Ｌ８０内に存在する高周波複合信号だけを通過させ
る。ＡＧＣブロックは、ＴＢＬ８０内に存在する高周
波複合信号を拡大縮小して、その後の処理に適正な振幅
にするのに使用される。この拡大縮小は、ＴＢＬ８０
の損失を補償するために必要である。ゲイン調節は、動
的に、または損失の変化が極めて小さい場合は、パワー
アップ時に１回だけ行うことができる。

【００４２】本発明を好ましい実施形態により図示し、
説明してきたが、形態および詳細に関しては、添付の特
許請求の範囲に包含される本発明の範囲から逸脱するこ
となく各種の変更が可能であることは、当業者には理解
されるであろう。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明によるディジタルトランスデューサシス
テムの概略ブロック図である。

【図２】計測機能の統合部の概略ブロック図である。

【図３】４−対（８線）トランスデューサシステムの概
略図である。

【図４】図３のシステムのデイジーチェーン実施を示す
概略図である。

【図５】図３のシステムのＴ−接続実施を用いる４線、
または４差動線の４通信チャネルの概略図である。

【図６】本発明の２線Ｔ−接続実施の概略図である。

【図７】本発明のシールド付き１線の実施形態を示す概
略図である。

【図８】直交ウォルシュコードを使用する本発明の実施
形態を示す概略図である。

【図９】図８の実施において、トランスデューサバスラ
インに現れる各種信号のタイミング図である。

【図１０】トランスデューサバスライン用の相関受信器
のブロック図である。

【図１１】受信されたセンサ信号ＲｘＳのタイミング図
である。

【図１２】受信されたマスタ信号ＲｘＭのタイミング図
である。

【図１３】ＣＤＭＡ（コード分割多重アクセス）プロト
コルを用いる本発明の図７のさらに詳細な概略図であ
る。

【図１４】図１３の概略図で発生する信号のタイミング
図である。

【図１５】クロックおよび２つのディジタル通信チャネ
ルを用いる本発明の実施形態の概略図である。

【図１６】クロックおよび３つのディジタル通信チャネ
ルを用いる本発明の実施形態の概略図である。

【図１７】クロックおよび４つのディジタル通信チャネ
ルを用いる発明の実施形態の概略図である。

【図１８】ＰＡＭ（パルス振幅変調）プロトコルを用い
る本発明の図７のさらに詳細な概略図である。

【符号の説明】３０…トランスデューサバス（通信バス）、５０…スレ
ーブセンサモジュール、７０…マスタモジュール、８０
…トランスデューサバスライン（２線バス）、１００…
パワー結合器、１１０…エンコーダ変調器、１３０…デ
コーダ復調器、１６０…電流ドライバ、１７０…パワー
分離器。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者フェルナンド・エフ・ゲンクォングアメリカ合衆国，カリフォルニア州 92677，ラグナニグエル，ムレレットドライブ 28561 (72)発明者エルドン・イー・エラーアメリカ合衆国，カリフォルニア州 92078，サンマルコス，ポッピーロード 732 Ｆターム(参考） 5K022 EE01 EE21 EE31 5K032 AA09 BA08 BA11 CC01 CC13 DA11 DB01 DB08 DB09 DB14 EA07

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】マスタモジュールとＮ個のスレーブセン
サモジュールとの間の信号を接続する通信バスであっ
て、前記マスタモジュールと前記Ｎ個のスレーブセンサモジ
ュールを接続する２線バスを備え、この２線バスはＭ個
のディジタル通信チャネルを同時に提供する通信バス。
【請求項２】請求項１において、前記Ｍ個のディジタ
ル通信チャネルが、送信マスタ／受信スレーブ（ＴｘＭ
／ＲｘＳ）チャネル、送信スレーブ／受信マスタ（Ｔｘ
Ｓ／ＲｘＭ）チャネル、および同期化クロック（Ｃｌ
ｋ）チャネルを有する通信バス。
【請求項３】請求項２において、前記信号がＰＡＭ、
ＦＤＭＡ、ＴＤＭＡ、またはＣＤＭＡエンコードを用い
て変調されている通信バス。
【請求項４】請求項２において、前記信号が電流ドラ
イバを用いて、電流として送信される通信バス。
【請求項５】請求項２において、さらに、前記マスタ
モジュールから前記スレーブセンサモジュールに配信さ
れる電力信号を有する通信バス。
【請求項６】少なくとも２つのディジタル通信チャネ
ルを有する通信バスと、前記通信バスに接続され、前記少なくとも２つのディジ
タル通信チャネルで、スレーブセンサ信号を送信し、マ
スタコントロール信号を受信する複数のスレーブセンサ
モジュールと、前記通信バスに接続され、前記少なくとも２つのディジ
タル通信チャネルで、前記マスタコントロール信号を送
信し、前記スレーブセンサ信号を受信するマスタモジュ
ールとを備えたセンサ通信システム。
【請求項７】請求項６において、前記通信バスが、前
記マスタモジュールおよび前記複数のスレーブセンサモ
ジュールに接続された２線バスを備え、この２線バスが
少なくとも２つのディジタル通信チャネルを同時に提供
するセンサ通信システム。
【請求項８】請求項７において、前記ディジタル通信
チャネルが、送信マスタ／受信スレーブ（ＴｘＭ／Ｒｘ
Ｓ）チャネル、および送信スレーブ／受信マスタ（Ｔｘ
Ｓ／ＲｘＭ）チャネルを有するセンサ通信システム。
【請求項９】請求項８において、前記マスタモジュー
ルが、クロックチャネルで同期化クロック（Ｃｌｋ）信
号を送信するセンサ通信システム。
【請求項１０】請求項８において、前記信号がＰＡ
Ｍ、ＦＤＭＡ、ＴＤＭＡ、またはＣＤＭＡエンコードを
用いて変調されているセンサ通信システム。
【請求項１１】請求項８において、前記信号が電流ド
ライバを用いて、電流として送信されるセンサ通信シス
テム。
【請求項１２】請求項８において、さらに、前記マス
タモジュールから前記スレーブセンサモジュールに配信
される電力信号を有するセンサ通信システム。
【請求項１３】請求項６において、前記スレーブセン
サモジュールが前記少なくとも２つのディジタル通信チ
ャネルの一方でスレーブ信号を送信し、前記マスタモジ
ュールが前記少なくとも２つのディジタル通信チャネル
の他方でマスタコントロール信号を送信するセンサ通信
システム。
【請求項１４】請求項６において、各スレーブセンサ
モジュールが、前記少なくとも２つのディジタル通信チ
ャネルの第１チャネルで第１スレーブ信号を送信し、前
記少なくとも２つのディジタル通信チャネルの第２チャ
ネルで第２スレーブ信号を送信するセンサ通信システ
ム。
【請求項１５】請求項１４において、前記マスタモジ
ュールが前記少なくとも２つのディジタル通信チャネル
の第３チャネルで第１マスタコントロール信号を送信す
るセンサ通信システム。
【請求項１６】請求項１５において、前記マスタモジ
ュールが前記少なくとも２つのディジタル通信チャネル
の第４チャネルで第２マスタコントロール信号を送信す
るセンサ通信システム。
【請求項１７】請求項６において、前記マスタモジュ
ールが、前記通信バスの前記少なくとも２つのディジタル通信チ
ャネルの一方で送信するように、マスタコントロール信
号をエンコードおよび変調する少なくとも１つのエンコ
ーダ／変調器と、前記通信バスの前記少なくとも２つのディジタル通信チ
ャネルの他方で受信されるスレーブセンサ信号をデコー
ドおよび復調する少なくとも１つのデコーダ／復調器と
を備えたセンサ通信システム。
【請求項１８】請求項１７において、前記エンコーダ
／変調器およびデコーダ／復調器は、直接拡散スペクト
ラム変調／復調を用いるセンサ通信システム。
【請求項１９】請求項１７において、前記エンコーダ
／変調器およびデコーダ／復調器がパルス振幅変調／復
調を用いるセンサ通信ステム。
【請求項２０】請求項１７において、前記マスタモジ
ュールがパワー信号を通信バスに結合するパワー結合器
を有するセンサ通信システム。
【請求項２１】請求項６において、前記スレーブモジ
ュールが、前記通信バスの前記少なくとも２つのディジタル通信チ
ャネルの一方で送信するように、スレーブ信号をエンコ
ードおよび変調する少なくとも１つのエンコーダ／変調
器と、前記通信バスの前記少なくとも２つのディジタル通信チ
ャネルの他方で受信されるコントロール信号をデコード
および復調する少なくとも１つのデコーダ／復調器とを
備えたセンサ通信システム。
【請求項２２】請求項２１において、前記エンコーダ
／変調器およびデコーダ／復調器は、直接拡散スペクト
ラム変調／復調を用いるセンサ通信システム。
【請求項２３】請求項２１において、前記エンコーダ
／変調器およびデコーダ／復調器がパルス振幅変調／復
調を用いるセンサ通信システム。
【請求項２４】請求項２１において、前記スレーブモ
ジュールが、前記通信バスからパワー信号を切離すパワ
ー分離器を有するセンサ通信システム。
【請求項２５】ａ）複数のスレーブセンサモジュール
およびマスタモジュールを少なくとも２つのディジタル
通信チャネルを提供する通信バスに接続し、ｂ）前記複数のスレーブセンサモジュールにおいて、前
記少なくとも２つのディジタル通信チャネルでスレーブ
センサ信号の送信とマスタコントロール信号の受信とを
行い、ｃ）前記マスタモジュールにおいて、前記少なくとも２
つのディジタル通信チャネルで前記マスタコントロール
信号の送信と前記スレーブセンサ信号の受信とを行う通
信方法。
【請求項２６】請求項２５において前記送信を行う際
には、ＰＡＭ、ＦＤＭＡ、ＴＤＭＡ、またはＣＤＭＡエ
ンコードを用いて変調する通信方法。
【請求項２７】請求項２５において、前記工程ｃ）
が、前記通信バスの前記少なくとも２つのディジタル通信チ
ャネルの一方で送信するように、マスタコントロール信
号をエンコードおよび変調する工程と、前記通信バスの前記少なくとも２つのディジタル通信チ
ャネルの他方で受信されるスレーブセンサ信号をデコー
ドおよび復調する工程とを有する通信方法。
【請求項２８】請求項２５において、前記工程ｂ）
が、前記通信バスの前記少なくとも２つのディジタル通信チ
ャネルの一方で送信するように、スレーブ信号をエンコ
ードおよび変調する工程と、前記通信バスの前記少なくとも２つのディジタル通信チ
ャネルの他方で受信されるマスタコントロール信号を復
号および復調する工程とを有する通信方法。
【請求項２９】複数のスレーブセンサモジュールを少
なくとも２つのディジタル通信チャネルを提供する通信
バスに接続する手段と、前記少なくとも２つのディジタル通信チャネルで、スレ
ーブセンサ信号を送信し、マスタコントロール信号を受
信する手段と、マスタモジュールを通信バスに接続する手段と、前記少なくとも２つのディジタル通信チャネルで前記マ
スタコントロール信号を送信し、前記スレーブセンサ信
号を受信する手段とを備えた通信システム。