JP2008011123A - 冗長なデータ通信を行う通信装置 - Google Patents

Abstract

【課題】２本の物理回線を利用してノード間で冗長なデータ通信を行う通信システムにおいて、受信ノードにおける電源変動等の障害が発生した場合に、低価格な部品により短時間で正常なデータを取得する。
【解決手段】第１の通信装置１０１の送信制御手段１１１は、第１の送信データを第１の回線１０３に送出する。第１の遅延手段１１２は、第１の送信データを所定時間だけ遅延させ、遅延送信データを第２の送信データとして第２の回線１０４に送出する。第２の通信装置１０２の第２の遅延手段１２１は、第１の回線１０３から入力される第１の送信データを上記所定時間だけ遅延させ、遅延受信データを出力する。受信制御手段１２２は、第２の回線１０４から入力される第２の送信データと、第２の遅延手段１２１から出力される遅延受信データの一方を選択して出力する。
【選択図】図１

Description

本発明は、２本の物理回線を利用してノード間で冗長なデータ通信を行う通信装置に関する。

近年、車載システム等の制御が多機能化されるのに伴って、デジタル化によるノード間の双方向同期通信が普及している。従来の双方向同期通信システムでは、ノード間に２本の物理回線を設けて同時にデータを送信することで、物理的な回線障害に対処している（例えば、下記の特許文献１を参照）。また、無線通信等においては、１回線で同一データを複数回送受信することで、回線障害に対処している（例えば、下記の特許文献２を参照）。
特開平０８−０８８６２１号公報 特開２００２−０７７１０９号公報

上述した従来の双方向同期通信システムには、次のような問題がある。
２回線の同時送信を行うシステムでは、受信ノードにおいて２回線のデータを同時に受信しているため、受信ノードの電源変動等の障害が発生すると、２回線ともにデータが異常となってしまう。この場合、送信ノードからデータを再送する必要があり、最短でも次のサイクルまで待つ必要がある。ここで、サイクルとは、複数ノードが共有する送受信スケジュールの時間単位を意味する。この再送処理のため、正常なデータを取得するのに１サイクル以上の時間がかかるという問題がある。

したがって、受信ノードで障害が発生した場合でも、短時間で正常なデータを取得することが求められている。
１回線で同一データを複数回送受信するシステムでは、物理的な回線障害には対応することができない。また、同一サイクル内で同一データを複数回送信する場合、データを１回のみ送信する場合と比較して、通信速度を同じにするとサイクル時間が長くなるため、通信時間が増大する。一方、サイクル時間を同じにすると、通信速度を向上させる必要があり、そのために高速動作可能な部品が必要となる。しかし、このような部品は一般に高価なため、通信装置の価格が高騰するという問題がある。

したがって、受信ノードで障害が発生した場合でも、低価格な部品で正常なデータを取得することが求められている。
本発明の課題は、受信ノードにおける電源変動等の障害が発生した場合に、低価格な部品により短時間で正常なデータを取得することである。

図１は、本発明の第１および第２の通信装置の原理図である。
第１の通信装置１０１は、送信制御手段１１１および第１の遅延手段１１２を備え、第１の回線１０３および第２の回線１０４を利用して、第２の通信装置１０２に冗長なデータを送信する。

送信制御手段１１１は、第１の送信データを第１の回線１０３に送出する。第１の遅延手段１１２は、第１の送信データを所定時間だけ遅延させ、遅延送信データを第２の送信データとして第２の回線１０４に送出する。

第２の通信装置１０２は、第２の遅延手段１２１および受信制御手段１２２を備え、第１の回線１０３および第２の回線１０４から、第１および第２の送信データを受信する。
第２の遅延手段１２１は、第１の回線１０３から入力される第１の送信データを上記所定時間だけ遅延させ、遅延受信データを出力する。受信制御手段１２２は、第２の回線１０４から入力される第２の送信データと、第２の遅延手段１２１から出力される遅延受信データの一方を選択して出力する。

第１の遅延手段１１２と第２の遅延手段１２１の遅延時間を同じ時間に設定することで、第１の回線１０３および第２の回線１０４上では、冗長な２つのデータが所定時間だけずれて転送され、受信制御手段１２２は、それらのデータを同時刻に受け取ることができる。したがって、第１の回線１０３および第２の回線１０４上で同時に障害が発生した場合でも、第１の通信装置１０１から送信された２つのデータの一方はエラーにならずに、第２の通信装置１０２により正常に取得される。

第１の通信装置１０１および第２の通信装置１０２は、例えば、後述する図２のノード装置２０１−１〜２０１−４の１つに対応し、第１の回線１０３および第２の回線１０４は、例えば、図２の物理回線ＡｃｈおよびＢｃｈに対応する。

送信制御手段１１１、第１の遅延手段１１２、第２の遅延手段１２１、および受信制御手段１２２は、例えば、後述する図４の送信制御部４１３、バッファ４１１、バッファ４１２、および受信制御部４１４に対応する。

本発明によれば、２回線の冗長構成により回線障害に対処できる点に加えて、回線間の送受信タイミングをずらすことで、受信ノードにおける障害発生時に、再送処理より短時間で正常なデータを取得することが可能になる。

また、１回線で同一データを複数回送受信するシステムのように高価な部品を使用する必要がないため、通信装置の価格を抑えることが可能になる。

以下、図面を参照しながら、本発明を実施するための最良の形態を詳細に説明する。
図２は、実施形態の双方向同期通信システムの構成図である。この通信システムは、４個のノード装置２０１−１〜２０１−４から構成され、各ノード装置は２本の物理回線ＡｃｈおよびＢｃｈに接続されている。ノード装置の数は４個に限られることはなく、一般には２個以上である。

例えば、車載システムの場合、各ノード装置は、ハンドル制御回路、ブレーキ制御回路等に接続され、制御に必要なデータを送受信する。以下の説明では、データ送信側のノード装置を送信ノード装置と記し、受信側のノード装置を受信ノード装置と記すことにする。

図３は、図２の回線間における送信データの位相関係の例を示している。従来の通信システムでは、データ信号３０１および３０２に示すように、送信ノード装置から同じデータを同位相でＡｃｈとＢｃｈに送出していた。このため、受信ノード装置で電源ノイズ３０５のような障害が発生すると、いずれの回線のデータを選択してもエラーとなってしまう。

これに対して、データ信号３０３および３０４に示すように、ＡｃｈとＢｃｈにデータを送出するタイミングをずらせば、同じデータを異なる位相で送出することができる。これにより、電源ノイズ３０５のためにＡｃｈのデータ信号３０３がエラーとなっても、電源ノイズ３０５の影響を受けないＢｃｈのデータ信号３０４を、正常なデータとして選択することができる。

図４は、図２の各ノード装置の構成例を示している。ノード装置２０１−ｉ（ｉ＝１，２，３，４）は、バッファ４１１、４１２、送信制御部４１３、受信制御部４１４、およびマイクロコンピュータ４１５を備える。

バッファ４１１および４１２は、例えば、フリップフロップ回路またはシフトレジスタ回路で構成され、入力信号を遅延させて出力する。送信制御部４１３は、送信データを２つに分岐して出力し、受信制御部４１４は、２つの受信データの一方を選択して出力する。

マイクロコンピュータ４１５は、プロセッサ４２１、メモリ４２２、インタフェース（ＩＮＦ）４２３、４２４、およびアナログ／デジタル（Ａ／Ｄ）変換器４２５を含み、インタフェース４２４およびアナログ／デジタル変換器４２５は、周辺回路４０１およびセンサ４０２にそれぞれ接続されている。

車載システムの場合、周辺回路４０１は、例えば、ハンドル制御回路、ブレーキ制御回路等に対応し、センサ４０２は、例えば、レーザ装置、レーダ装置等の距離センサに対応する。周辺回路４０１は、マイクロコンピュータ４１５からの制御信号に従って、ハンドル制御、ブレーキ制御等を行い、センサ４０２は、車両周辺の物体の距離情報を含むアナログ信号を、マイクロコンピュータ４１５に出力する。

ノード装置２０１−ｉは、データ送信時に、次のようなソフトウェア（ＳＷ）処理とハードウェア（ＨＷ）処理を行って、データをＡｃｈおよびＢｃｈに送出する。
（１）ＳＷ処理
アナログ／デジタル変換器４２５は、センサ４０２から入力されるアナログ信号をデジタル信号に変換する。プロセッサ４２１は、そのデジタル信号の値を用いた演算処理を行って、通信フレームにマッピングする値を算出し、インタフェース４２３に対してライト要求を転送する。
（２）ＨＷ処理
インタフェース４２３は、プロセッサ４２１からのライト要求に応じて、送信レジスタ４３１の値を更新する。送信制御部４１３は、送信レジスタ４３１の値を送信データとして２つの通信フレームにマッピングし、一方をＡｃｈに送出し、他方をバッファ４１１に転送する。バッファ４１１は、通信フレームを所定時間ΔＴだけ遅延させてから、Ｂｃｈに送出する。こうして、図３に示したように、異なる位相のデータ信号がＡｃｈとＢｃｈに送出される。

一方、データ受信時には、ノード装置２０１−ｉは、回線間の位相を調整した後に正常なデータを選択する。このとき、バッファ４１２は、Ａｃｈからの通信フレームをΔＴだけ遅延させてから、受信制御部４１４に転送する。

これにより、図５に示すように、Ａｃｈからのデータ信号５０１がΔＴだけ遅延し、データ信号５０３として受信制御部４１４に出力される。したがって、データ信号５０３とＢｃｈからのデータ信号５０２が整列し、２つのデータ信号の位相を合わせることができる。

その後、ノード装置２０１−ｉは、次のようなＨＷ処理とＳＷ処理を行う。
（１）ＨＷ処理
受信制御部４１４は、バッファ４１２からの通信フレームとＢｃｈからの通信フレームのうち一方を選択し、その通信フレームに含まれる受信データをインタフェース４２３の受信レジスタ４３２に書き込む。

例えば、ノード装置２０１−ｉにおける電源ノイズ等の発生により、ＡｃｈとＢｃｈの２本の回線上で同時にエラーが生じた場合でも、Ｂｃｈの通信フレームは、同じデータを含むＡｃｈの通信フレームよりΔＴだけ遅れているため、同じデータを含む両方の通信フレームがエラーになることはない。したがって、整列後の２つの通信フレームの一方のみがエラーを含み、他方は正常なデータを含んでいる。

そこで、受信制御部４１４は、例えば、巡回冗長検査（ＣＲＣ）により双方の通信フレームの受信データを検証し、正常な方のデータを選択して、インタフェース４２３に転送する。双方が正常な場合は、あらかじめ決められた回線のデータをインタフェース４２３に転送する。

プロセッサ４２１は、インタフェース４２３にリード要求を転送し、インタフェース４２３は、受信レジスタ４３２の値をプロセッサ４２１に転送する。
（２）ＳＷ処理
プロセッサ４２１は、インタフェース４２３から転送された値を用いた演算処理／優先処理を行い、処理結果を制御信号としてインタフェース４２４に転送する。インタフェース４２４は、その制御信号を周辺回路４０１に出力する。

図６は、図２の通信システムにおけるノード間の通信仕様の例を示している。この例では、ノード装置２０１−１〜２０１−４が共有する送受信スケジュールの１サイクルの長さを５ｍｓとし、ノード毎の１０Ｍｂ／ｓのデータ群を伝送する１通信フレームの長さを１００μｓとしている。Ｎ１〜Ｎ４は、それぞれノード装置２０１−１〜２０１−４用のデータを含む通信フレームを表す。

ノード間の通信仕様では、データ受信時のＨＷ処理とＳＷ処理の合計時間を１サイクル以内に収める必要がある。ＨＷ処理とＳＷ処理の時間制約を考慮すると、回線間の位相差ΔＴは、最短で１フレーム（１００μｓ）程度、最長でも半サイクル（２．５ｍｓ）程度が妥当と考えられる。障害発生時にデータの再送処理を行うと、少なくとも１サイクル（５ｍｓ）遅延することになるが、ΔＴ＝２．５ｍｓであれば、高々半サイクルの遅延で正常なデータを取得することができるため、復旧時間は短くなる。

図６では、比較のため、ΔＴ＝０、１００μｓ、２．５ｍｓの３つの場合について、受信ノード装置２０１−１における通信フレームＮ１のＨＷ処理時間およびＳＷ処理時間が示されている。
（１）ΔＴ＝０の場合
受信ノード装置２０１−１は、ＡｃｈとＢｃｈのデータ信号を同時に受信する。そして、時刻ｔ１において通信フレームＮ１のＨＷ処理を開始し、続いてＳＷ処理を行う。
（２）ΔＴ＝１００μｓの場合
受信ノード装置２０１−１は、Ａｃｈのデータ信号より１フレーム遅れてＢｃｈのデータ信号を受信する。そして、時刻ｔ２において通信フレームＮ１のＨＷ処理を開始し、続いてＳＷ処理を行う。
（３）ΔＴ＝２．５ｍｓの場合
受信ノード装置２０１−１は、Ａｃｈのデータ信号より半サイクル遅れてＢｃｈのデータ信号を受信する。そして、時刻ｔ３において通信フレームＮ１のＨＷ処理を開始し、続いてＳＷ処理を行う。

なお、図４の構成では、各ノード装置が送信および受信の両方の機能を備えているが、いずれか一方の機能のみを備えることも可能である。送信専用のノード装置であれば、バッファ４１２および受信制御部４１４を省略することができ、受信専用のノード装置であれば、バッファ４１１および送信制御部４１３を省略することができる。

（付記１）第１および第２の回線を利用して冗長なデータを送信する通信装置であって、
第１の送信データを前記第１の回線に送出する送信制御手段と、
前記第１の送信データを所定時間だけ遅延させ、遅延送信データを第２の送信データとして前記第２の回線に送出する遅延手段と
を備えることを特徴とする通信装置。
（付記２）前記遅延手段は、障害発生時におけるデータ再送処理時間より短い時間だけ、前記第１の送信データを遅延させることを特徴とする付記１記載の通信装置。
（付記３）前記遅延手段は、通信フレームの長さに相当する時間だけ、前記第１の送信データを遅延させることを特徴とする付記２記載の通信装置。
（付記４）第１および第２の回線から冗長なデータを受信する通信装置であって、
前記第１の回線から入力される第１の受信データを所定時間だけ遅延させ、遅延受信データを出力する遅延手段と、
前記第２の回線から入力される、前記第１の受信データより前記所定時間だけ遅延した第２の受信データと、前記遅延手段から出力される前記遅延受信データの一方を選択して出力する受信制御手段と
を備えることを特徴とする通信装置。
（付記５）前記遅延手段は、障害発生時におけるデータ再送処理時間より短い時間だけ、前記第１の受信データを遅延させることを特徴とする付記４記載の通信装置。
（付記６）前記遅延手段は、通信フレームの長さに相当する時間だけ、前記第１の受信データを遅延させることを特徴とする付記５記載の通信装置。
（付記７）前記受信制御手段は、前記第２の受信データと前記遅延受信データの各々が正常か否かを検証し、正常な方の受信データを選択することを特徴とする付記４、５、または６記載の通信装置。
（付記８）第１の通信装置と第２の通信装置の間で、第１および第２の回線を利用して冗長なデータを送受信する通信システムであって、
前記第１の通信装置は、
第１の送信データを前記第１の回線に送出する送信制御手段と、
前記第１の送信データを所定時間だけ遅延させ、遅延送信データを第２の送信データとして前記第２の回線に送出する第１の遅延手段とを備え、
前記第２の通信装置は、
前記第１の回線から入力される前記第１の送信データを前記所定時間だけ遅延させ、遅延受信データを出力する第２の遅延手段と、
前記第２の回線から入力される前記第２の送信データと、前記第２の遅延手段から出力される前記遅延受信データの一方を選択して出力する受信制御手段とを備えることを特徴とする通信システム。

本発明の第１および第２の通信装置の原理図である。 通信システムの構成図である。 回線間の位相関係を示す図である。 ノード装置の構成図である。 受信データの整列を示す図である。 ノード間の通信仕様を示す図である。

符号の説明

１０１ 第１の通信装置
１０２ 第２の通信装置
１０３ 第１の回線
１０４ 第２の回線
１１１ 送信制御手段
１１２ 第１の遅延手段
１２１ 第２の遅延手段
１２２ 受信制御手段
２０１−１、２０１−２、２０１−３、２０１−４、２０１−ｉ ノード装置
３０１、３０２、３０３、３０４、５０１、５０２、５０３ データ信号
３０５ 電源ノイズ
４０１ 周辺回路
４０２ センサ
４１１、４１２ バッファ
４１３ 送信制御部
４１４ 受信制御部
４１５ マイクロコンピュータ
４２１ プロセッサ
４２２ メモリ
４２３、４２４ インタフェース
４２５ アナログ／デジタル変換器
４３１ 送信レジスタ
４３２ 受信レジスタ

Claims (5)

1. 第１および第２の回線を利用して冗長なデータを送信する通信装置であって、
   第１の送信データを前記第１の回線に送出する送信制御手段と、
   前記第１の送信データを所定時間だけ遅延させ、遅延送信データを第２の送信データとして前記第２の回線に送出する遅延手段と
   を備えることを特徴とする通信装置。
2. 前記遅延手段は、障害発生時におけるデータ再送処理時間より短い時間だけ、前記第１の送信データを遅延させることを特徴とする請求項１記載の通信装置。
3. 第１および第２の回線から冗長なデータを受信する通信装置であって、
   前記第１の回線から入力される第１の受信データを所定時間だけ遅延させ、遅延受信データを出力する遅延手段と、
   前記第２の回線から入力される、前記第１の受信データより前記所定時間だけ遅延した第２の受信データと、前記遅延手段から出力される前記遅延受信データの一方を選択して出力する受信制御手段と
   を備えることを特徴とする通信装置。
4. 前記遅延手段は、障害発生時におけるデータ再送処理時間より短い時間だけ、前記第１の受信データを遅延させることを特徴とする請求項３記載の通信装置。
5. 第１の通信装置と第２の通信装置の間で、第１および第２の回線を利用して冗長なデータを送受信する通信システムであって、
   前記第１の通信装置は、
   第１の送信データを前記第１の回線に送出する送信制御手段と、
   前記第１の送信データを所定時間だけ遅延させ、遅延送信データを第２の送信データとして前記第２の回線に送出する第１の遅延手段とを備え、
   前記第２の通信装置は、
   前記第１の回線から入力される前記第１の送信データを前記所定時間だけ遅延させ、遅延受信データを出力する第２の遅延手段と、
   前記第２の回線から入力される前記第２の送信データと、前記第２の遅延手段から出力される前記遅延受信データの一方を選択して出力する受信制御手段とを備えることを特徴とする通信システム。