JP2009516432A - イーサネット（登録商標）を介したデイジーチェーン接続用デバイスサーバ - Google Patents

Abstract

シリアル装置をネットワークに接続するためのデバイスサーバが、複数のデバイスサーバが、「デイジーチェーン」または直列パターンとして接続されるように、イーサネット（登録商標）通信手段と、イーサネット（登録商標）スイッチと、シリアル通信機能とを含む。ハウジングおよび通信ポートからの電源の電気的絶縁と、ねじ込み端子およびモジュラ接続と、ＤＩＮレール取付け、広い電源電圧範囲または「パワーオーバイーサネット（登録商標）」と、パルス伸長機構を用いたオペレータから見える指示ランプとにより、インストールと使用法が大幅に簡略化される。

Description

本発明の分野は、イーサネット（登録商標）を介したシリアル通信である。

計器、特に、シリアルインタフェースを備える計器および装置の遠隔通信および制御には長い歴史がある。初期には、制御要素が、直接直列接続を使って装置に接続されたが、ネットワークおよびワールドワイドウェブの普及と共に、Ｗｅｂブラウザを介した遠隔制御が実現可能になった（例として、米国特許第６１３９１７７号明細書および第６３７３８４１号明細書を参照されたい）。固有のＷｅｂインタフェースを用いて設計された装置は、コンピュータネットワークに直接接続することができるはずである。また、ネットワーク接続が内蔵されていない膨大な基盤となる既存の装置に対処するために、シリアル装置をネットワークに接続するアダプタが開発された。これらのシリアル−イーサネット（登録商標）変換器は、「デバイスサーバ」とも呼ばれ、無数の事前にプログラムされる機能、カスタマイズ可能な機能、およびプログラム可能な機能がサポートされるソフトウェアとしても、イーサネット（登録商標）シリアル接続の回路全体がネットワークコネクタ自体に組み込まれている（米国特許第６８８１０９６号明細書）ハードウェアとしても、高度に開発されている。

しかし、依然として実用上の問題が残る。最初は、高速ネットワークが、ネットワーク周辺装置用の複数のタップを有する長いワイヤとして実施されたものと考える。しかしながら、システムが発展するにつれて、最新のＩＴ装置が、複数のネットワークポートを有するイーサネット（登録商標）ハブ、スイッチまたはルータがポイントツーポイントで周辺の装置群と接続され、各接続装置によって中央ハブスイッチまたはルータ上の１つのネットワークポートが使用される「スター型」構成へと発展した。

システム互換性のために、デバイスサーバがこのアーキテクチャを組み込んだ。これには、ネットワーキング分野で十分に理解されている多くの利点があるが、いくつかの使用分野で、特に、産業およびビル自動化においては、この「スター型」トポロジは最適ではない。例えば、これらの分野では、センサおよび制御器の配線の標準実施法は、複数の装置を、単一の長いケーブル配線上に次々に直列で接続し（一般に、「デイジーチェーン接続」という）、ＲＳ４８５のようなシリアル通信規格を実施するものである。

したがって、特に、これら産業およびビル自動化の分野では、直列トポロジを維持するネットワークソリューションがある程度の支持を得ている。ＥｃｈｅｌｏｎによるＬｏｎＷｏｒｋｓ（登録商標）がその一例である。この直列トポロジは、これらの分野において配線および設置費用を最小限に抑えるのに有利ではあるが、イーサネット（登録商標）などの強力な統一規格の欠如により、これらの市場は、様々な独自のハードウェアおよびソフトウェアプロダクトで細分化されており、顧客は、結果として、特定の製造者のプロダクトにしばられ、顧客が新しいネットワーク技術革新を組み込み得る可能性が、その独自のベンダが実施し、サポートすることのできるものに制限されている。したがって、最近十年間にわたる世界のイーサネット（登録商標）コミュニティの劇的な発展と比べて、シリアル通信に基づく産業およびビル自動化システムははるかに遅れており、ギャップがますます大きくなっている。直列接続を、イーサネット（登録商標）規格に基づいて行うことのできる機能が組み込まれれば、相当に有利になるはずである。

加えて、実際上の制約条件として、従来のＩＴネットワークで使用される種類の電源および通信コネクタを製作し、設置するのに必要とされる装置、工具および技術も、例えば、建設業界などで見られる一般的な実施法および技能とは大きく異なる。この不一致が、ネットワークの物理的設置および維持をより難しくしている。

上記およびその他すべての参照特許および出願は、参照によりその全体が本明細書に組み込まれる。さらに、参照により本明細書に組み込まれる参照文献中の用語の定義または使用法が、本明細書に示す用語の定義と一致せず、またはそれに反する場合、本明細書に示す用語の定義が適用され、参照文献中の用語の定義は適用されないものとする。

したがって、その設計に際してこれらの非ＩＴ環境を考慮し、しかも、イーサネット（登録商標）規格の利益ももたらすデバイスサーバが、依然として求められている。

本発明は、回路基板がイーサネット（登録商標）スイッチ機能と、第１および第２のイーサネット（登録商標）接続と、シリアル通信ポートとを含む、第１の装置と第２の別の装置との間のデイジーチェーン接続を円滑に行わせる装置、システムおよび方法を提供する。

企図される実施形態において、サービスサーバは、それぞれが回路基板に動作可能に結合され得る、第２のシリアル通信ポート、第２のシリアル通信ポート、第３のイーサネット（登録商標）接続、および無線ネットワーク接続のうちの１つまたは複数を含むことができる。

デバイスサーバは、交流または直流電力を受け入れるように構成され得るが、好ましくは、両方を受け入れるように構成される。交流電力は、好ましくは、９から２４ボルトＲＭＳの範囲に入り、直流電力は、好ましくは、９から３０ボルトの範囲に入る。また、電力は、パワーオーバイーサネット（登録商標）（ＰＯＥ）によっても提供され得る。イーサネット（登録商標）接続は、好ましくは、他の内部回路から少なくとも１５００ボルトは電気的に絶縁され、より好ましくは、電源入力から少なくとも２０００ボルトは電気的に絶縁される。

また、好ましい実施形態では、電源接続が、ねじ込み端子を介して行われる。また、通信接続も、有利には、ねじ込み端子および／または多接点式コネクタによって行われ得る。

回路基板は、好ましくは、プロダクトを、例えば、ＤＩＮレールなどを備えることのできる支持構造に取り付けるための機構を有するハウジングに収容される。回路基板は、有利には、ハウジングの外部から見える受信指示器および送信指示器を含むことができる。このような指示器は、好ましくは、回路基板から、パルス伸長信号を受け取る。

イーサネット（登録商標）スイッチ機能は、機能的には、イーサネット（登録商標）ハブ機能、および／またはイーサネット（登録商標）ルータ機能と実質的に等価である。

特に好ましい実施形態では、シリアル−イーサネット（登録商標）変換器が、少なくとも２つのシリアルポートが、第１のポートに到達する情報が内部でデバイスサーバを介して第２のポートに渡され、第２のポートに到達する情報が内部でデバイスサーバを介して第１のポートに渡されるという点で論理的に接続されている複数のシリアルポートを有する。

本発明の様々な目的、特徴、態様および利点は、以下の本発明の好ましい実施形態の詳細な説明を、添付の図面と併せて読めば、より明らかになる。図中、同様の番号は同様の構成要素を表す。

図１では２つのトポロジを比較している。図１（ａ）にはイーサネット（登録商標）「スター型」トポロジが示され、図１（ｂ）には、各デバイスが、デイジーチェーン接続された各デバイス上の２つのイーサネット（登録商標）ポートを使って、直線的に次々に直列で接続されている「デイジーチェーン」トポロジが示されている。

図２を参照すると、好ましい実施形態において、デバイスサーバ回路基板１０が、デバイスサーバ回路を相互接続している。制御マイクロプロセッサ１１は、ＤＳＴｎｉ−ＥＸという、システムオンチップ（ＳＯＣ）集積回路である。ＤＳＴｎｉ−ＥＸは、シリアル通信ポート、オンボードＲＡＭおよびＲＯＭ、イーサネット（登録商標）ＭＡＣおよびＰＨＹ、ならびに照明およびＧＰＩＯピンを接続し、制御するアンプルアドレスおよびデータ線を含む。直流−直流変換器３０は、３ワットの負荷を供給することができ、入力から出力まで、２０００ボルトの破壊定格だけ電気的に絶縁されている。保護回路２１は、余分なエネルギーのジュールを吸収し、放散することによって変換器の電気的過大応力を防止する。また、保護回路は、交流および直流入力を受け入れ、ダイオードステアリングを用いて変換器の入力に直流を提供する。許容される広範な入力、すなわち、９から３０ボルトの直流と９から２４ボルトの交流は、単一のデバイスサーバＰＣＢ１０を用いた様々な外部供給に対応することができる。電源入力線上には、静電気放電（ＥＳＤ）およびノイズフィルタリングコンデンサ２７が設けられている。

直流−直流変換器出力からの電力は、さらに、フィルタにかけられ、３．３ＶとしてＤＳＴｎｉ−ＥＸ１１に提供され、また、変換器出力は、ＤＳＴｎｉ−ＥＸへのコア電圧のための１．８Ｖリニアレギュレータ１２も駆動する。３．３Ｖ電源から電力供給されるＰＣＢ上の他の構成要素には、様々な量のＳＲＡＭ１３およびフラッシュメモリ１４、ＲＳ２３２および４２２／４８５プロトコル２９用シリアルラインドライバ、イーサネット（登録商標）スイッチ１７、小型ＥＥＲＯＭ１８、リセットＩＣ１９、パルス伸長回路２０、ならびに状況および活動指示用ＬＥＤ１５が含まれる。

図３は、ハウジング２５内のデバイスサーバの斜視図を示す。デイジーチェーン接続デバイスサーバの好ましい実施形態の基本をなすのは、シリアルポート２２の少なくとも１つと、イーサネット（登録商標）ポート２４の少なくとも２つであり、すべてが、ハウジングの壁を貫通して露出したものとして示されている。シリアルインタフェースの物理的性質および実施される通信プロトコルは、様々なものとし得ることが明らかである。例えば、やはり図示されているのがＲＳ４ＸＸ（ＲＳ４２２またはＲＳ４８５規格の略記）シリアルポート２３である。活動および状況指示器１５は、ハウジングの外部から見えるものとして示されている。ハウジングは、さらに、支持構造への取付けを容易にする取付け用機構２６を備えてもよい。電力用接続は図示されていない。

図４は、ハウジング２５を取り外した、デバイスサーバの内部図を示す。回路基板１０は、イーサネット（登録商標）ポート２４、シリアルポート２２、活動および状況指示器１５、プロセッサ１１ならびにハードウェアイーサネット（登録商標）スイッチ１７を含む。

１．動作
デバイスサーバ機能は、最も広い意味では、シリアルポートとイーサネット（登録商標）ポートとの間で情報を変換するものである。そのために、ＤＳＴｎｉ−ＥＸプロセッサは、フラッシュメモリに格納されたソフトウェア命令を実行する。これらのソフトウェア命令は、論理的に、デバイスサーバアプリケーション、Ｗｅｂサーバ、オペレーティングシステム、およびハードウェア要素用ドライバに編成されている。加えて、ＨＴＭＬやＪａｖａ（登録商標）アプレットなど他のソフトウェアが、フラッシュまたはＲＡＭに格納され、Ｗｅｂサーバモジュールによってイーサネット（登録商標）ポートの１つを介してリモートクライアントに送られてもよい。フラッシュに格納されたソフトウェアを変更することも可能であり、一般に、デバイスサーバアプリケーションコードのカスタムバージョンが、特定の必要または目的のために作成される。デバイスサーバアプリケーションのための開発用ソフトウェアと、選択されたソースおよびオブジェクトコードを含むキットが利用可能であり、訓練を受けたプログラマにより、そのキットを使って、そのようなカスタムデバイスサーバアプリケーションが作成され、ロードされ、実行され、デバッグされ得る。

デバイスサーバの本発明要素がイーサネット（登録商標）スイッチ機能の内蔵であることが企図されている。実際には、イーサネット（登録商標）スイッチ機能は、ハードウェアとしてもソフトウェアとしても、あるいは両者の組み合わせとしても実施され得る。パケット処理機能については多くの推敲が行われており、「ハブ」機能、「スイッチ」機能、および「ルータ」機能に抽象化されることもあることに留意されたい。説明を簡単にするために、本明細書では、このようなすべてのパケット処理機能を「スイッチ」機能へと抽象化し、スイッチ機能という語で、パケットが、デバイスサーバのネットワークポートのいずれかに到達する際にパケットを処理し、経路制御するあらゆるやり方を意味するものとする。

好ましい実施形態では、スイッチ機能が、集積回路チップによって行われる。好ましい実施形態は、図３に示すような回路基板上に構成された、Ｍｉｃｒｅｌ ＫＳ８９９３Ｍなどの集積回路を使用することができる。この集積回路は、タグ−ポートベースのＶＬＡＮ、ＱｏＳ優先度、スイッチ管理、ＭＩＢカウンタおよびＭＩＩ（媒体独立型インタフェース）へのインタフェース、ならびに台頭しつつあるイーサネット（登録商標）アプリケーションに対処する設計柔軟性のためのＣＰＵを含む広範な機能セットを提供する。集積回路チップは、ＤＳＴｎｉ−ＥＸ上のＭＩＩ（媒体独立型インタフェース）ポートを介してＤＳＴｎｉ−ＥＸにインタフェースし、さらに、２つのイーサネット（登録商標）ポートを駆動する。これら２つのイーサネット（登録商標）ポートのために、また、スイッチ機能が、これらのポート間のパケット経路制御を処理するために、デバイスサーバは、類似のデバイスサーバまたはその他の互換性を有するネットワーク装置との「デイジーチェーン接続」としてインストールすることができる。動作に際して、スイッチ機能は、ＩＥＥＥ８０２．１ｄスパニングツリープロトコルに記載されている、標準の定評のあるイーサネット（登録商標）パケットスイッチング機能を実施することができる。スイッチ機能は、各デバイスサーバイーサネット（登録商標）ポート上で観測されるＭＡＣアドレスの表を構築し、維持するため、現在のデバイスサーバを対象としていないパケットを通過させるときに、どのイーサネット（登録商標）ポートを使用すべきか決定することができる。したがって、現在のデバイスサーバを対象としていない通常のネットワーク通信は、デイジーチェーン接続の上りと下り両方で、適切に、透過的に処理される。

より好ましい実施形態では、ＤＳＴｎｉ−ＥＸを走るソフトウェアが、代替として、スイッチ機能の一部または全部を実行し、ハードウェアスイッチ要素に対する要件を低減し、またはこれを無くすことができる。

必要に応じて、追加のイーサネット（登録商標）ポートがデバイスサーバに組み込まれてもよく、追加のスイッチ機能が、２つ以上のポートを用いて実施されてもよい。好ましい一実施形態は、一般のネットワーク装置に定義される関連するイーサネット（登録商標）規格に準拠するものである。

任意のまたはすべての有線イーサネット（登録商標）ポートの代わりに、無線イーサネット（登録商標）が、任意の既存の無線規格で使用され得ることを理解すべきである。また、あらゆる将来の無線ネットワーク規格についても企図されている。

デバイスサーバのインストールおよび使用法は、様々な度合いの電気的絶縁を設けることにより、高度に簡略化される。本明細書では、本発明の材料内に、１５００ボルト、２０００ボルト、およびさらに高いものが含まれている。

デバイスサーバのインストールおよび使用法のさらなる簡略化は、通信配線および電源配線にねじ込み端子接続を組み込むことによって達成される。また、ワイヤを余分に除去することなく接続および切断を簡略化するために、モジュラ端末または別の形のコネクタが設けられてもよい。

回路のためのハウジングが設けられていてもよく、このハウジングは、支持構造への取付けを容易にする幾何学的機構を備えてもよい。このような取付け機構には、留め具用の取付け耳、タブ、ブラケット、クリップ、その他の補助的形状および面が含まれ得る。また、磁気的および化学的取付け機構も企図されている。取付け機構は、一体型ＤＩＮレール取付け機構の装備など、既存の、または将来の規格に合わせて設計され得る。

受信および送信指示ランプは、ハウジングの外部から見ることができ、所与の状態との間の急速な信号遷移が目に見える期間に延長されるように、パルス伸長回路を用いて駆動される。

加えて、動作用電力は、ＩＥＥＥ規格８０２．３ａｆ（商標）（２００３）に記載されている、パワーオーバイーサネット（登録商標）（ＰＯＥ）を介してデバイスサーバに供給されてもよい。この文献では、イーサネット（登録商標）媒体依存型インタフェース（ＭＤＩ）を介して動作電力を受け取る装置の機能および要件を説明している。

シリアル通信ポート以外に、デバイスサーバは、ＵＳＢやファイアウォールといった他のインタフェース規格およびプロトコルを供給することもできる。アナログ信号が、アナログ−デジタル変換器入力、電圧および電流の監視、その他の感知および制御用途といったある特定の、または一般のアプリケーションのためにサポートされてもよい。加えて、デバイスサーバは、汎用プログラマブル入出力（ＧＰＩＯ）ピン、すなわち、入力、出力または双方向デジタルピンとして定義され得る、もしくは内部デバイスサーバソフトウェアによってサポートされるように、固定または可変の性質の定義が割り当てられ得るピンとして、より多くの入出力機能を実施することもできる。

本発明要素が、少なくとも２つのシリアルポートが、第１のポートに到達する情報が内部でデバイスサーバを介して第２のポートに渡され、第２のポートに到達する情報が内部でデバイスサーバを介して第１のポートに渡されるという点で論理的に接続されている複数のシリアルポートを備えるデバイスサーバまたはシリアル−イーサネット（登録商標）変換器を提供することが企図されている。これは、事実上、シリアル−イーサネット（登録商標）変換器のシリアルポート側で、ポート間の、「デイジーチェーン接続」機能を提供する。シリアル−イーサネット（登録商標）変換機能と整合するものとして、シリアルポート間で受け渡されるシリアル情報は、必要に応じて、さらに、イーサネット（登録商標）通信インタフェースと、単方向または双方向でリンクされ得る。

以上、イーサネット（登録商標）を介したデイジーチェーン接続用デバイスサーバの具体的実施形態および用途について開示してきた。しかしながら、本明細書における本発明概念を逸脱することなく、すでに説明したもの以外の多くの変更形態が可能であることが、当業者には明らかなはずである。したがって、本発明の主題は、添付の特許請求の範囲の精神に含まれるものを除いて、限定されるべきではない。さらに、本明細書と特許請求の範囲の両方を解釈するに際しては、すべての用語が、文脈と整合する可能な最も広い意味で解釈されるべきである。特に、「ｃｏｍｐｒｉｓｅｓ」および「ｃｏｍｐｒｉｓｉｎｇ」という語は、非排他的に要素、構成部分、またはステップに言及し、言及される要素、構成部分、またはステップが、存在し、または利用され、または明示的に言及されていない他の要素、構成部分、またはステップと組み合わされ得ることを示すものであると解釈されるべきである。本明細書各請求項で、Ａ、Ｂ、Ｃ．．．およびＮからなるグループから選択される何かのうちの少なくとも１つに言及する場合、このテキストは、ＡとＮや、ＢとＮなどではなく、そのグループからのただ１つの要素だけを必要とするものと解釈されるべきである。

イーサネット（登録商標）トポロジを示す図である。 デバイスサーバ回路基板を示す概略図である。 デバイスサーバを示す斜視図である。 デバイスサーバを示す内部図である。

Claims (21)

1. 第１と第２の別の装置との間のデイジーチェーン接続を円滑に行わせるデバイスサーバであって、イーサネット（登録商標）スイッチ機能と、第１および第２のイーサネット（登録商標）接続と、シリアル通信ポートとを含む回路基板を備える、デバイスサーバ。
2. 回路基板に結合された第２のシリアル通信ポートをさらに備える、請求項１に記載のデバイスサーバ。
3. 回路基板に結合された第３のイーサネット（登録商標）接続をさらに備える、請求項１に記載のデバイスサーバ。
4. 回路基板に結合された無線ネットワーク接続をさらに備える、請求項１に記載のデバイスサーバ。
5. 他の内部回路から少なくとも１５００ボルトは電気的に絶縁されているイーサネット（登録商標）接続をさらに備える、請求項１に記載のデバイスサーバ。
6. 電源入力から少なくとも２０００ボルトは電気的に絶縁されている直列接続をさらに備える、請求項１に記載のデバイスサーバ。
7. ねじ込み端子を介して行われる電源接続をさらに備える、請求項１に記載のデバイスサーバ。
8. ねじ込み端子を介して行われる通信接続をさらに備える、請求項１に記載のデバイスサーバ。
9. 嵌合する多接点式コネクタを介して行われる通信接続をさらに備える、請求項１に記載のデバイスサーバ。
10. 回路基板用ハウジングをさらに備える、請求項１に記載のデバイスサーバ。
11. ハウジング内にプロダクトを支持構造に取り付けるための機構をさらに備える、請求項１０に記載のデバイスサーバ。
12. ハウジング内にプロダクトをＤＩＮレールに取り付けるための機構をさらに備える、請求項１１に記載のデバイスサーバ。
13. ハウジングの外部から見える、回路基板に結合された受信指示器および送信指示器をさらに備える、請求項１０に記載のデバイスサーバ。
14. 指示器にパルス伸長信号を提供する、回路基板に結合された回路をさらに備える、請求項１３に記載のデバイスサーバ。
15. 交流と直流両方の電力を受け入れるように構成された回路基板をさらに備える、請求項１に記載のデバイスサーバ。
16. 回路基板が、９から２４ボルトＲＭＳの範囲内の交流電力を受け取る、請求項１５に記載のデバイスサーバ。
17. 回路基板が、９から３０ボルトの範囲内の直流電力を受け取る、請求項１５に記載のデバイスサーバ。
18. パワーオーバイーサネット（登録商標）（ＰＯＥ）を介して電力を受け取る、回路基板に結合された回路をさらに備える、請求項１に記載のデバイスサーバ。
19. イーサネット（登録商標）スイッチ機能が、機能的には、イーサネット（登録商標）ハブ機能と実質的に等価である、請求項１に記載のデバイスサーバ。
20. イーサネット（登録商標）スイッチ機能が、機能的には、イーサネット（登録商標）ルータ機能と実質的に等価である、請求項１に記載のデバイスサーバ。
21. 少なくとも２つのシリアルポートが、第１のポートに到達する情報が内部でデバイスサーバを介して第２のポートに渡され、第２のポートに到達する情報が内部でデバイスサーバを介して第１のポートに渡されるという点で論理的に接続されている複数のシリアルポートを有する、シリアル−イーサネット（登録商標）変換器。

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