JP2004514321A - データ伝送 - Google Patents
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Abstract
Description
技術分野
本発明は、請求項1の上位概念に記載の受動的伝送装置を介して接続された複数の装置を備えたネットワークに関する。たとえばプロセス自動化の分野では機器(図2参照、機器には参照符号1が付されている)をネットワークでつなぐため、この適用分野のために専用に開発され設計されたフィールドバスシステム(図2の参照符号2)が用いられる。ここで機器とはたとえば制御装置、駆動装置、入力システムまたは出力システムである。フィールドバスシステムの優れている点は機械的な堅牢性、電気的な障害に対する強さ、ならびに設置や稼働および保守が簡単なことである。過酷な周囲条件の分野においてまさにフィールドシステムはその適性が実証されてきた。
【0002】
従来の技術
とはいうもののフィールドバスシステムの使用にあたりユーザにとって生じる問題点とは、多種多様なフィールドバスシステムが存在することであり、それらがすべて互換性のないことである。フィールドバスシステムの境界を越えた通信は技術的に非常に手間がかかり、したがってほとんど効率的ではない。しかも現場のエンドユーザにとってある特定のフィールドバスシステムを選択するということは、エンドユーザが単一メーカと関係をもつことになるという欠点を有しており、さらにこのことで調達や維持ならびにサービスにおけるコストに関する欠点がもたらされることになる。フィールドバスシステムの場合には現在、データ伝送のための標準技術(たとえばANSI−TIA−EIA−485−A)が存在しており、これらの標準技術がたとえば伝送装置へのアクセス方式、ケーブルおよびプラグコネクタに対する機械的および電気的な要求、プラグの割り当て、データレート、フィールドバスに設けられる機器の最大数、ならびに許容線路長などのような別の規定によって補われている。
【0003】
フィールドバスシステムと並行してたとえばオフィス通信の分野ではETHERNETというコンピュータネットワークが存在しており、これはIEEE 802.3/Iso/IEC 8802−3という標準規格に従って動作する。この標準規格はTCP/IPプロトコルファミリーとともに開発され主要な技術となっており、これによりインターネットの枠組みにおいて様々な機器(たとえば種々のオペレーティングシステムを用いたPC、ワークステーション、メインフレーム)間で全世界に及ぶデータ通信が実現される。これはたとえば図3に示されているようなアクティブな分配装置をもつバスシステムに係わるものである。このようなバスシステムの場合にはポイント・ツー・ポイントコネクションが行われ、これによれば参照符号の付された機器は接続ライン2を介して1つのアクティブな分配装置と接続されている。その際、ある機器から別の機器へのデータ転送はこのアクティブな分配装置5によって行われる。
【0004】
この種のアクティブな分配装置はプロセス自動化において、あるいは一般的にいえば自動化技術の利用において使用されない。その理由は、このような分配装置は余分なコストの要因を成すからであり、また、システム全体の信頼性を低減させるからである。
【0005】
発明の開示
したがって本発明の課題は、複数の機器が接続されたネットワークにおいてフィールドバスシステムの利点とイーサネットの利点を兼ね備えるようにすることである。
【0006】
この課題は請求項1の特徴部分に記載の構成により解決される。
【0007】
本発明によれば、伝送装置に接続されたすべての手段はたとえば変換器などの手段を有しており、この手段によって伝送装置から機器へ送出されるデータおよび/または機器から伝送装置へ送出されるデータのデータ転送が制御される。これによって、プロセス自動化(たとえばデータライン、接続技術、電子コンポーネント)において実証済みでありしたがって堅牢性のあるコンポーネントを使用することができるとともに、高いデータレートと世界規模のデータ通信ならびにイーサネットとの共存性を維持することができる。複数の機器がいっしょに伝送装置に接続されるので、アクティブな分配装置のないパッシブでロバストなネットワークが形成され、それによりコストも下げることができる。伝送媒体(伝送装置)はたとえばツイストペアケーブルであり、これは好適なコストで調達することができ簡単に敷設することができる。
【0008】
換言すれば、慣用のフィールドバスシステムの伝送技術がイーサネットデータの伝送に用いられるという利点が得られ、つまりフィールドバスシステムの世界がイーサネットの世界と結合され、したがってフィールドバスシステムの環境がイーサネットの環境と結びつけられる。このため本発明によれば変換器が設けられており、これによって両方の環境が相互に接続され、フィールドバスシステムにおいては通常の配線技術が使用される。
【0009】
本発明の実施形態によれば上述の手段により伝送データが符号化される。符号化たとえば線路符号化はユーザデータを搬送する送信信号の特性を伝送装置に整合するために用いられ、さらにこれにより受信側の機器をネットワークデータに合わせて同期させることができる。この場合、たとえばイーサネットであればマンチェスター符号化が使用され、これにより送信信号のスペクトルエネルギーが5MHzよりも上の領域で分散される。フィールドバスシステムのデータレートは毎秒約10Kbitから数Mbitの範囲にあるので、フィールドバスシステム用に設計されたデータラインはイーサネットデータラインよりも低い信号周波数で伝送が行われるように構成されており、したがって変換器はNRZ符号化を用いるのが有利であり、それゆえデータラインの所要帯域幅が半減される。これにより伝送装置を介して到来する高いデータレートのデータを接続された機器に伝送することができ、その機器においてやはり高い速度で処理することができる。これと同時に、接続された機器から発せられた高いデータレートのデータを伝送装置を介して接続された別の機器へ必要な速度で伝送することができる。
【0010】
本発明の実施形態によれば前述の手段は、少なくとも2つの機器が同時にネットワークにアクセスしたときに衝突を検出してそれに応答する。衝突が発生するのは、少なくとも2つの接続された機器がネットワークに同時にアクセスしようとし、これによりそれらの機器の送信データが互いに壊し合うときである。このような衝突は、送信過程を規定どおりに中止して所定の期間後に繰り返すことができるよう、アクセスしようとする機器によって検出しなければならない。したがってここで考えられるのは、送信データをハイインピーダンスで電流源を介してフィールドバスに供給することである。衝突が発生した場合、ぶつかり合った機器の送信信号が重畳されて信号電圧の中間値まで高まり、適切な手段によってそれを検出することができる。
【0011】
本発明の実施形態によれば、適切なフィールドバスターミネータにより規定の静止レベルがデータラインに加えられる。また、送信を行っていない接続機器はラインドライバを高抵抗状態ないしはハイインピーダンス状態に移す。送信を行っている機器だけが、静止レベルとは異なる論理レベルをアクティブかつ低抵抗ないしはローインピーダンスでデータラインに加える。静止レベルと同じ論理レベルを送信すべきときにはラインドライバはハイインピーダンス状態に移され、所望の論理レベルがラインターミネータにより比較的ハイインピーダンスでデータラインに加えられる。これによりドミナント(dominant)論理レベルとレセッシブ(recessive)論理レベルが生じ、したがって衝突が発生した場合、ローインピーダンスで形成される論理レベルがデータライン上でドミナントとなりないしは優勢となり、送信側の機器はこれを送信データと受信データの比較により識別することができる。この目的で、送信データと受信データを比較する手段が設けられている。
【0012】
本発明の実施形態によれば、所定のビットパターンから成り特定の機器が受信すべきデータパケットに対し、そのデータパケットの始端に機器の可変のビットパターンを割り当て、もしくはそのデータパケットに対しその始端に可変のビットパターンを前置する手段が設けられている。
【0013】
これまでに知られている(たとえばIEEE 802.3に準拠する)データパケットは、たとえば7byteのプリアンブルと、1byteのフレーム開始デリミタと6byteの宛先アドレスと、6byteの発信元アドレスと、46〜1500byteのデータと、4byte長のチェックサムから成る。このような構造のデータパケットの欠点は、ぶつかり合う2つの機器のデータは早くても発信元アドレスのところでしか確実に区別されないことである。しかしながらこの時点ではすでに20byteが伝送されてしまっている可能性があり、それから2つの機器間の衝突が検出されるので、その結果として許容できないほど長い衝突検出時間が生じてしまう。
【0014】
そこで本発明によれば、たとえば10シーケンスから成り情報を含まないデータパケットの最初のバイトが可変のビットパターンで置き換えられる。このビットパターンは任意の可変のビットパターンによって構成することができ、その際、機器に割り当てられるビットパターンが衝突に関与している他のすべての機器のビットパターンと区別される。これにより衝突を検出する手段と関連して(請求項4)、送信データと受信データを単純に比較することで衝突検出を行うことができる。なお、データ受信の際に機器内でこの可変のビットパターンを再び10シーケンス殊にもともとの10シーケンスに置き換える手段を設けることだけは留意する必要があり、そのようにすれば制御装置にとってこのプリアンブルはそのまま変わらない。
【0015】
本発明の実施形態によれば、可変のビットパターンの生成ならびに割り当てが自動的に行われる。ランダム方式に従い可変のビットパターンを自動生成することで、機器のユーザはこのプロセスを自身でトリガする必要がなくなり、バックグラウンドで自動的に実行される。しかもランダム方式に従う生成により得られる利点によれば、2つの機器に同じ宛先アドレスが与えられないことが保証されるようになり、したがって衝突検出を効果的に実行できるようになる。
【0016】
本発明の実施形態によれば、レセッシブ論理レベルがデータパケットのデータビットの冒頭でビット期間の一部分にわたりやはりローインピーダンスで形成される。
【0017】
ドミナント論理レベルとレセッシブ論理レベルに基づく衝突検出を適用する場合に生じる可能性のある問題点とは、レセッシブ論理レベルがハイインピーダンスで加えられることにより、著しく多数の機器をデータラインに接続しそれに付随して大きい容量性負荷が生じたときに殊に、信号レベルの経過特性が激しく減衰され、そのことでデータ伝送の品質が損なわれるおそれのあることである。本発明によればこの問題点は次のようにして解決されている。すなわちレセッシブ論理レベルはデータビットの冒頭においてビット期間の一部分にわたりやはりローインピーダンスで加えられる一方、データビットの残りの期間については機器内に、そのデータビット期間をハイインピーダンスに切り替える手段が設けられている。このようにすれば衝突検出動作を損なうことなく、ビット期間のこの一部分の時間を適切に選定することによって信号減衰を効果的に回避することができる。
【0018】
本発明の実施形態によれば前述の手段により、送出すべきまたは受信すべきデータのシリアル/パラレル変換またはパラレル/シリアル変換が行われる。これにより「フィールドバスの世界」から「イーサネットの世界」へおよびその逆方向でデータを伝送することができる。この変換は送信データについても受信データについてもあてはまる。
【0019】
以下では1つのネットワークについて図面を参照しながら説明する。とはいうものの本発明はこのネットワークに限定されるものではなく、基礎とする着想の範囲内で変形が可能である。
【0020】
図面の簡単な説明
図1は本発明によるネットワークを示す図である。
【0021】
図2は従来技術によるフィールドバスをもつネットワークを示す図である。
【0022】
図3は従来技術によるアクティブな分配装置をもつイーサネットネットワークを示す図である。
【0023】
実施例
図1には複数の機器1を備えたネットワークが示されており、これらはたとえばツイストペアケーブルとして構成された伝送媒体を介して接続されている。接続された機器1において、データ伝送およびネットワークの制御に必要とされるコンポーネントについて説明する。なお、機器における適用事例固有のコンポーネント(たとえばセンサ、アクチュエータ、入力手段、駆動装置等)は、みやすくするため省略した。ここで機器1とはたとえば、プロセス自動化という状況においてつまり一般的には自動化技術において使用される機器である。機器1をPCとしてもよい。
【0024】
機器1には送受信装置3が設けられており、この送受信装置3を介して機器1のデータが伝送装置2へ送出され、個々の機器1のためのものと指定されたデータが伝送装置2を介して受信される。送受信装置3はトランシーバとも呼ばれ、ANSI−TIA−EIA−485−Aという標準規格に従い構成することができる。同様に送受信装置3は有利には電位分離機構ないしは導電分離機構を備えている。
【0025】
機器1内部においてこの送受信装置3に本発明による変換器4が接続されており、この変換器によって「フィールドバスの世界」が「イーサネットの世界」と結びつけられる。この変換器4は機器1から伝送装置2へのデータ伝送および伝送装置2から機器1へのデータ伝送を送受信データのシリアル/パラレル変換、線路符号化/復号(NRZ)ならびに衝突検出、パルス整形によって制御する。
【0026】
変換器4にさらに制御装置5が接続されており、これはCPU6によって制御される。この制御装置5は、ネットワーク(伝送装置2)に対する機器1のアクセスおよびデータの受信を制御する。さらに制御装置5は機器1において関与する他の複数のコンポーネントのうちの一部またはそれらすべてと接続されており、したがってプロセスデータが制御装置5へ入力されることによりこのデータが変換器4において変換され、送受信装置3を介して伝送装置2へ送出されて、つながっている他の機器へと転送される。これとは逆に受信データが制御ユニット5を介して機器1の関与しているコンポーネントへ転送される。
【0027】
図1に示されている参照符号3〜6の付された手段は個別のものであってもよいし、グループにまとめたり、あるいはすべてをいっしょに1つの電子コンポーネントやマイクロプロセッサやマイクロコントローラに集積させてもよい。
【0028】
さらにフィールドバス2の一方の端部または両方の端部に1つのバスターミネータ7または2つのターミネータ7が設けられており、これにより正しい特性インピーダンスの終端が形成され、付加的に規定の静止レベルをフィールドバスに与えることができる。
【0029】
図2および図3については公知の従来技術の説明のところですでに説明した。
【図面の簡単な説明】
【図1】
本発明によるネットワークを示す図である。
【図2】
従来技術によるフィールドバスをもつネットワークを示す図である。
【図3】
従来技術によるアクティブな分配装置をもつイーサネットネットワークを示す図である。
Claims (10)
- 伝送装置(2)を介して接続された複数の機器(1)が設けられているネットワークにおいて、
接続されている機器(1)はたとえば変換器(4)などの手段を有しており、該手段により、伝送装置(2)から機器(1)へ供給されるデータおよび/または機器(1)から伝送装置(2)へ供給されるデータのデータ伝送が制御されることを特徴とするネットワーク。 - 前記手段は伝送されたデータを符号化する、請求項1記載のネットワーク。
- 前記手段は、少なくとも2つの機器(1)が同時にネットワークにアクセスしたときに衝突を検出しそれに応答する、請求項1または2記載のネットワーク。
- ドミナント論理レベルとレセッシブ論理レベルが生じるよう伝送装置(2)に規定の静止レベルを加える手段が設けられており、衝突が発生したときにはローインピーダンスで形成された論理レベルが伝送装置において優勢となり、送信側の機器(1)は該レベルを送信データと受信データの比較により識別する、請求項3記載のネットワーク。
- 特定の機器が受信すべきデータパケット(データ)に対しデータパケットの始端に可変のビットパターンを割り当てる手段が設けられている、請求項1から4のいずれか1項記載のネットワーク。
- 可変のビットパターンの生成および割り当ては自動的に行われ、たとえばランダム方式に従い行われる、請求項5記載のネットワーク。
- レセッシブ論理レベルはデータパケットのデータビットの開始にあたりビット期間の一部分にわたりやはりローインピーダンスで加えられる、請求項4から6のいずれか1項記載のネットワーク。
- 送出すべきデータまたは受信すべきデータをシリアル/パラレル変換またはパラレル/シリアル変換する手段が設けられている、請求項1から7のいずれか1項記載のネットワーク。
- 前記伝送装置(2)はたとえばツイストされたペアケーブルである、請求項1から8のいずれか1項記載のネットワーク。
- 前記手段は独自の電子コンポーネント、マイクロプロセッサまたはマイクロコントローラとして形成されている、請求項1から9のいずれか1項記載のネットワーク。
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