JP2011526110A - 故障ノードの検出方法 - Google Patents

Abstract

バス(3)に接続されている故障ノード(2)を検出する方法であって、前記ノード(2)はエラーが検出されると通常作動状態において内部エラーカウンター(FZ)を加算し、前記ノード(2)の内部エラーカウンター(FZ)が所定のエラーしきい値を越えると、前記ノード(2)は前記バス(3)を介したメッセージの交換を行わない隔離作動状態に切り替わり、条件が満たされると前記ノード(2)は隔離作動状態から通常作動状態へ切り替わると共にその変化が検出され、検出された状態変化の割合が調整可能な変化割合を超えると又は検出された状態変化の数が調整可能な状態変化しきい値を越えると、前記ノード(2)は故障しているとして検出される。
【選択図】図２

Description

本発明は、バスに接続された故障ノードの検出方法に関し、特に、ＣＡＮバスに接続されている故障ノードの検出方法に関する。

DE 39 28 537 A1は、データ通信の際のエラーを検出又は突き止める方法を説明している。即ち、バスに接続されている故障ノードが検出される。エラーが検出されると、内部エラーカウンターが通常作動状態において加算される。ノードのエラーカウンターが所定のエラーしきい値を越えると、前記ノードは隔離作動状態へ切り替えられ、この場合、前記ノードはバスを介したメッセージの通信を一切行えなくなる。条件が満たされると、前記ノードは隔離作動状態から通常作動状態に切り替わる。

DE 10 2007 004 701は、暖房設備の混合機を操作する方法を開示しており、この中で状態変化が評価されている。

ＣＡＮバス（ＣＡＮ：コントローラ エリア ネットワーク）のノード又は構成要素は、ＣＡＮバスプロトコルに従って互いに通信する。ＣＡＮバスは、複数の制御装置をネットワーク接続する為の非同期式のシリアルバスシステムである。接続される構成要素又はノードの数は、使用されるバスドライバーモジュールに依存する。

ＣＡＮバスは、マルチマスター可能、即ち、バスシステムにおける個々のノードが通信を開始することができる。ＣＡＮバスは、ＣＳＭＡ／ＣＤ＋ＣＲ（搬送波多重アクセス／衝突検出＋衝突解決方式）の通信技術を用いている。バス通信は、バスを介して伝達されるメッセージの識別情報に基づいてアービトレーション(arbitration)によって実行される。複数のノード間の通信は、フレームとしても称されるメッセージ又は電信によって実行される。ＣＡＮバスにおいては、４つの異なるタイプのフレーム又はメッセージが伝達され得る。メッセージを伝達する為のデータメッセージに加えて、いわゆるリモートフレーム、オーバーロードフレーム及びエラーフレーム間の区別がなされる。リモートフレーム又はメッセージは、他の構成要素又はノードからデータフレームを要求する為に使用される。オーバーロードフレームは、データフレーム及びリモートフレーム間の強制的な中断として使用される。エラーフレームは、データ通信中に検出されたエラーのノードを通知する。

ノード又はＣＡＮコントローラは通信中にエラーの検出を行うことができる。例えば、電信中のビットエラー、ビットスタッフエラー、ＣＲＣエラー、フォーマットエラー及び認証エラーを検出することができる。これらのエラーの一つがノードによって検出されると、そのノードはバスシステムにおける残りのノードに通知し、そのノードにおける電信又はメッセージの送信器はエラーフレームを送信する。エラーフレームが受信されると、全ての構成要素又はノードは受信メッセージを評価し、エラーフレームの送信を開始する。

故障メッセージは、バスシステムの外部の中断外部原因又はＣＡＮ構成要素の故障によって生じ得る。ネットワーク全体又はバスシステム全体がメッセージを正確に受信できない故障ノードから分離されることを保証する為に、故障時にバスシステムの各ノード又は各ＣＡＮコントローラ内で実行されるアルゴリズムが用意されており、これによって、そのノードはバスの活動から徐々に取り除かれる。ＣＡＮコントローラ又はノードがエラーフレームを送信した最初のネットワーク構成要素又はノードであることを検出すると、内部エラーカウンターＴＥＣ（送信エラーカウンター）のカウントを加算させる。エラーカウンターの値がしきい値を下回っている限り、ＣＡＮコントローラはエラーの発生に応じてエラーフレームを送信する。エラーカウンターのしきい値は例えば１２７とされる。この作動状態はノードの通常作動状態であり、エラーアクティブ作動状態とも称される。エラーカウンターＴＥＣの値が１２７のしきい値を越えると、ＣＡＮコントローラはいわゆるエラーパッシブ作動状態へ切り換える。この作動状態においては、ＣＡＮコントローラは劣化信号レベルの６ビットエラーフレームを送信する。エラーカウンターＴＥＣが２５５の状態に到達すると、ＣＡＮコントローラはバスオフ作動状態に移行され、ＣＡＮバスを介した通信に参加できなくなる。バスオフ作動状態においては、そのノードは隔離作動状態とされ、そのノードはバスを介した如何なるメッセージの交換も許可されない。他の構成要素又はノードが最初にエラーを検出した場合には、エラーカウンターは減算されるから、ＣＡＮコントローラはエラーパッシブモードから自身を解除し得る。

図１は、従来のＣＡＮコントローラにおける例外処理又はエラー処理を示す模式図である。ＣＡＮコントローラは２つのカウンター、即ち、ＴＥＣカウンター（ＴＥＣ：送信エラーカウンター）及びＲＥＣカウンター（ＲＥＣ：受信エラーカウンター）を有している。ＣＡＮノードは、正確さをチェックするメッセージ又は電信を送受信する。送信メッセージにエラーが発生した場合には、内部のＴＥＣカウンターは検出エラーの数をカウントし、そのノードは図１に示される状態移行を行う。ノードが隔離作動状態（バスオフ）とされている場合には、そのノードは、通常の作動状態（エラーアクティブ）への切換の為の条件が満たされるまで、通信に参加しない。

図１に示されるＣＡＮバスデータ通信プロトコルのエラー処理（エラーハンドリング）は、通信の最小化を保証する。このエラー処理は、機能しているＣＡＮバスが一又は複数の故障ノードと通信することを保証する。

しかしながら、従来技術における図１に示すエラー処理は多くの欠点を有している。図１に示されるように、バスシステムにおける故障ノード又は故障構成要素は、その故障動作が記録又は表示されること無く、比較的に長い時間に亘ってバスを介した通信を遮断し得る。従来のエラー処理においては、エラー頻度の評価も行われず、因果関係と共にエラー発生の定性的評価も行われていない。常に故障するノードは、故障動作が適切な時間内に検出されること無く、図１に示される３つの作動状態を移行する。常に故障するＣＡＮバスノードに対するエラー評価が行われないから、そのノードの選択的な交換もあり得ない。常に故障するノードが直ぐに検出され得ないから、特に、安全性を重視する用途においては追加の余分なノードが備えられることになる。従って、ＣＡＮバスが輸送手段内で用いられる場合には、余分な追加ノードの数量によって輸送手段のトータル重量が増加する。トータル重量の増加は、輸送手段の燃料消費量の増加を招く。ＣＡＮバスノードの恒常的な故障動作は、さらに、装置の故障を招き、対応するバスシステムの有用性を減少させる。

本発明の目的は、バスにおける故障ノードを適切な時間内に検出する方法を提供することである。

前記目的は、請求項１に規定された発明特定事項を有する本発明に係る方法によって達成される。

本発明は、バスに接続されている故障ノードを検出する方法であって、前記ノードは、エラーが検出されると通常作動状態において内部エラーカウンターを加算し、前記ノードの内部エラーカウンターが所定のエラーしきい値を越えると前記ノードは前記バスを介したメッセージの交換を行わない隔離作動状態に切り替わり、条件が満たされると前記ノードは隔離作動状態から通常作動状態へ切り替わると共に、その変化が検出され、検出された状態変化の割合が調整可能な変化割合を超えると、又は、検出された状態変化の数が調整可能な状態変化しきい値を越えると、前記ノードは故障しているとして検出されることを特徴とする故障ノードの検出方法を提供する。

本発明に係る方法の一形態においては、隔離作動状態から通常作動状態への状態変化が検出されると状態変化カウンターが加算される。

本発明に係る方法の一形態においては、各ノードに状態変化カウンターが備えられる。

本発明に係る方法の他の形態においては、各ノードとそれぞれ共働する状態変化カウンターがマスターノードに備えられる。

本発明に係る方法の一形態においては、ノードは、隔離作動状態から通常作動状態への状態変化を、バスを介して送信されるメッセージによって又はバスとは別体のコミュニケーションチャネルによってマスターノードに通知する。

本発明に係る方法の一形態においては、前記バスを介したメッセージの通信中にエラーが検出されると、前記ノードは前記バスを介してエラーメッセージを送信する。

本発明は、さらに、エラーが検出されると加算される内部エラーカウンターを有し、バスに接続されるノードであって、前記内部エラーカウンターが所定のエラーしきい値を越えると通常作動状態から隔離作動状態へ切り替わり、復帰条件を満たすと前記隔離作動状態から前記通常作動状態に復帰するノードにおいて、前記ノードと共働し且つ前記隔離作動状態から前記通常作動状態への状態変化毎に加算される状態変化カウンターが備えられ、前記状態変化カウンターが調整可能な状態変化しきい値を越えると故障として検出されるノードを提供する。

本発明に係るノードの一形態においては、前記状態変化カウンターは前記ノードに組み込まれる。

本発明に係るノードの他の形態においては、前記状態変化カウンターは前記バスを介して前記ノードに接続されるマスターノードに組み込まれる。

本発明に係るノードの一形態においては、前記ノードは輸送手段内に備えられるＣＡＮバスに接続されるＣＡＮノードとされる。

本発明に係るノードの一形態においては、前記輸送手段は航空機とされる。

さらに、本発明は、バスに接続されている故障ノードを検出する方法であって、前記ノードはエラーが検出されると通常作動状態において内部エラーカウンターを加算し、前記ノードの前記内部エラーカウンターが所定のエラーしきい値を越えると前記ノードは前記バスを介したメッセージの交換を行わない隔離作動状態に切り替わり、条件が満たされると前記ノードは隔離作動状態から通常作動状態へ切り替わると共にその変化が検出され、検出された状態変化の割合が調整可能な変化割合を超えると又は検出された状態変化の数が調整可能な状態変化しきい値を越えると前記ノードは故障しているとして検出される故障ノードの検出方法を実行する為のプログラムコマンドを有するコンピュータプログラムプロダクトを提供する。

さらに、本発明は、前記コンピュータプログラムプロダクトを収容するデータキャリアを提供する。

図１は、従来技術に係るＣＡＮバスにおけるエラー処理を示す状態図である。 図２は、故障ノードを検出する為の本発明に係る方法の第１実施の形態におけるエラー処理を示すブロック図である。 図３は、故障ノードを検出する為の本発明に係る方法の他の実施の形態におけるエラー処理を示すブロック図である。 図４は、故障ノードを検出する為の本発明に係る方法のさらに他の実施の形態におけるエラー処理を示すブロック図である。 図５は、本発明に係る方法を示す状態図である。

本発明の本質的な特徴を説明する為に、下記においては本発明に係る方法及び本発明に係るバスノードの好ましい形態について添付図面を参照しつつ説明する。

図２は、本発明の第１実施の形態に係るバスシステム１を示している。複数のノード２−１、２−２、２−３、・・・、２−Ｎが共通バス３に接続されている。さらに、前記バス３には少なくとも一つのマスターノード４が接続されている。前記バス３は、例えば、フィールドバス、特にはＣＡＮバスとされ得る。複数のノード２−ｉは、例えば、ＣＡＮコントローラによって形成される。これらのＣＡＮコントローラは種々の装置内に組み込まれ得る。

図２に示されるように、各ノードは内部エラーカウンターＦＺを有している。ノード２が通常の作動状態にある場合には、そのノードの内部エラーカウンターＦＺはエラーが検出されると加算される。エラー検出は種々のレベルで実行され得る。メッセージレベルでは、例えば、エラー検出は、メッセージ内において送信されるＣＲＣチェック量（ＣＲＣ：巡回冗長検査）によって実行される。エラー検出は、物理的な送信レベルでも行われ得る。バスを介した通信の際にエラーが検出されると、一形態においては、ノード２がバス３を介してエラーメッセージ（エラーフレーム）を送信して、内部エラーカウンターＦＺを加算する。

ノード２の組み込まれたエラーカウンターＦＺが所定のエラーしきい値を越えると、そのノード２は隔離作動状態（バスオフ）に切り換えられ、この状態においては、前記ノード２は、図５に示すように、前記バス３を介した他のノードとの如何なるメッセージの通信も行わない。一形態においては、前記エラーしきい値は予め設定され、例えば、ＣＡＮバスにおいて２５５とされる。他の形態においては、前記エラーしきい値は調整され得る。異なるノードのそれぞれのしきい値は、用途に応じて同一又は異なるように調整され得る。他の形態においては、異なるノード２におけるエラーカウンターＦＺのそれぞれのしきい値は、バス３を介してマスターノード４によって調整され、この場合、マスターノード４から各ノード２に対応するメッセージが送信される。さらに他の形態においては、エラーカウンターＦＺのしきい値はインターフェースを介してそれぞれのノード２で直接に調整され得る。

エラーしきい値を越えると、そのノードは通信に参加することができず、隔離作動状態におかれる。隔離作動状態（バスオフ）とされているノード２は、隔離作動状態から通常の作動状態（エラーアクティブ）への状態の移行又は変化の条件が満たされるまで通信に参加できない。前記ノード又は構成要素の状態が隔離作動状態から通常作動状態へ変化又は切り替わる状態変化が、本発明に係る方法によって検出される。故障ノード２が隔離作動状態から通常作動状態への復帰を繰り返し行っているか否かが、本発明に係る方法によって検出される。これは、該当するノード２が情報を示す又は他のモードに送信する状態に構造的に無いか否かを他のノードが検出することによっても行われ得る。

本発明に係る方法においては、検出状態の変化割合が調整可能な変化割合を超えている場合に、そのノード２が故障状態にあるとして検出される。本発明に係る方法の他の形態においては、検出される状態変化の絶対数が調整可能な状態変化に関するしきい値を越えるとそのノード２が故障として検出される。その為に、本発明に係る方法の一形態においては、監視されるべきノード２の各々に共働する状態変化カウンターＺＷＺが備えられる。前記状態変化カウンターＺＷＺは、例えば、図２に示す実施の形態におけるように、マスターノード４内に備えられる。図２に示されるように、前記マスターノード４は、複数のレジスター又はカウント機構を含み、バスシステム１における監視されるべきＮ個のノード２のそれぞれと共働する状態変化カウンターＺＷＺが提供される。一のノード２の状態変化カウンターＺＷＺは、そのノード２の隔離作動状態から通常作動状態への状態変化が検出されると加算される。状態変化カウンターＺＷＺ又はＢＯＣカウンター（ＢＯＣ：バスオフカウンター）のカウント値は、マスターノード４内部のＣＰＵ又はマイクロプロセッサーによって読みとられて評価される。その為に、一形態においては、マスターノード４のＣＰＵは、対応するエラー処理プログラムを実行する。一形態においては、ノード２は、バス３を介して送信されるメッセージによって、隔離作動状態から通常作動状態への状態変化をマスターノード４に通知する。一形態においては、バスメッセージ信号通信プロトコルに従った信号が使用される。例えば、前記バス３がＣＡＮバスである場合には、ノード２は、ＣＡＮメッセージ内のビット又はフラグによって状態変化の発生を通知し得る。状態変化が検出されると通常はメッセージ内に設定されないビットが対応するノード２によって設定され、そのビットは、対応するノード２内に発生した状態変化をフラグの形態でマスターノード４に通知する。

他の形態においては、状態変化はバス３を介して送信されるメッセージによっては通知されず、その代わりに、別の通信チャネル５を介して通知される。図３は、複数のノード２がバス３とは別体の通信コネクション５を介してマスターノード４に接続されている形態を示している。複数のノード２は、それぞれにおいて隔離作動状態から通常作動状態への状態変化が起こったという事実をバスとは分離されて配線されたコントロールライン５を介して、マスターノード４に通知し得る状態にある。前記別の通信チャネル５は、他のバス又はフィールドバスとされ得る。図３に示す実施の形態においては、通信チャネル５はワイヤとされる。異なる形態においては、前記通信チャネル５はワイヤレスで構成され得る。この場合、複数のノード２は、それぞれのノード２において状態変化が生じたことを示すメッセージを、ワイヤレスインターフェースを介して、マスターノード４へ送信する。図２及び３に示す実施の形態においては、状態変化カウンターＺＷＺはマスターノード４内に備えられ且つ評価される。

図４に示す実施の形態においては、複数のノード２のそれぞれの状態変化カウンターＺＷＺはそれぞれのノード２内に備えられている。ノード２は、その中に組み込まれている状態変化カウンターＺＷＺが調整可能な状態変化しきい値を越えると、故障しているとして検出される。図５に示すように、状態変化しきい値を越えると、ノード２が、例えば、ユーザーに必要なメンテナンス作業を通知する為に、バス３を介して対応するメッセージを送信する。図４に示す形態においては、全てのノード２が同じアクセスを有している。

図４に示す実施の形態において、バス３とは別体で配線される別の通信チャネルを介して状態変化が生じたことをノード２が通知するように構成することも可能である。さらに他の形態においては、ノード２−ｉは、それに組み込まれた状態変化カウンターＺＷＺがしきい値を越えたことをワイヤレスインターフェースを介して通知し得る。別の通信チャネル５を介して送信される信号は、デジタル、アナログ又は離散的信号とされ得る。一形態においては、状態変化の発生がカウントされるばかりではなく、その後の評価の為に記録され得る。その記録は、状態変化カウンターＺＷＺのカウント値を異なるタイミングで保存することによって達成され得る。その為に、一形態においては、ノード２−ｉは、長時間に亘って状態変化カウント値を記録する読み出し可能なメモリを有する。一形態においては、記録値は、バス３を介したメッセージとの交換で読み出され得る。他の形態においては、記録値は別の通信チャネルを介して読み出され得る。さらに他の形態においては、記録値は、ノード２から取り外し可能なローカルデータキャリアに保存される。

ノード２の通信性能がエラーの為に悪化した場合には、状態変化割合が上昇する。これにより、対応するノード２の状態変化カウンターＺＷＺの値が増加する。前記ノード２の状態変化カウンターＺＷＺがそのノード２の状態変化しきい値を越えると、図２に示されるマスターノード４は、例えば、故障ノード２を示すメンテナンスメッセージ又は情報を送信する。このメンテナンスメッセージ又は情報は、ネットワークを介してリモートメンテナンスサーバに送信され得る。前記ネットワークはワイヤ又はワイヤレスのネットワークとされ得る。

バスプロトコルエラーの連続的な記録によって、エラーの発生又は故障ノード２を明確に特定することができる。

本発明に係る方法は、バスシステム１における故障原因を機能制限したり又は完全に電源オフすること無く、前記故障原因の早期発見を可能とする。従って、エラーが報告されているにも拘わらず、制限されていない状態でバスシステム１が作動し続けることが可能である。さらに、メンテナンス作業が対象を絞った状態で計画し且つ実行することができる。

潜在的な故障を有するノードを早期発見することにより、安全を重視する用途における余分なノード２の数量を減らすことができる。バスシステムが輸送手段に装着されている場合には、その輸送手段の重量を低減できる。

故障しているＣＡＮバス構成要素又はノード２の早期発見及びその早期の修理又は交換によって、バスシステム１の有用性が上昇する。これにより、ノード１の故障動作に起因する装置障害を防止することができる。装置の故障動作の場合におけるメンテナンス操作は、本発明に係る方法によって相当に単純化且つ迅速化される。

Claims (12)

1. バス（３）に接続されている故障ノード（２）を検出する方法であって、
   前記ノード（２）は、エラーが検出されると、通常作動状態において内部エラーカウンター（ＦＺ）を加算し、
   前記ノード（２）の前記内部エラーカウンター（ＦＺ）が所定のエラーしきい値を越えると、前記ノード（２）は前記バス（３）を介したメッセージの交換を行わない隔離作動状態に切り替わり、
   条件が満たされると前記ノード（２）は隔離作動状態から通常作動状態へ切り替わると共に、その変化が検出され、
   検出された状態変化の割合が調整可能な変化割合を超えると、又は、検出された状態変化の数が調整可能な状態変化しきい値を越えると、前記ノード（２）は故障しているとして検出されることを特徴とする故障ノードの検出方法。
2. 前記ノード（２）の隔離作動状態から通常作動状態への状態変化が検出されると状態変化カウンター（ＺＷＺ）が加算されることを特徴とする請求項１に記載の故障ノードの検出方法。
3. 状態変化カウンター（ＺＷＺ）は各ノード（２）に備えられていることを特徴とする請求項２に記載の故障ノードの検出方法。
4. 各ノード（２）とそれぞれ共働する状態変化カウンター（ＺＷＺ）はマスターノード（４）内に備えられていることを特徴とする請求項１に記載の故障ノードの検出方法。
5. ノード（２）は、隔離作動状態から通常作動状態への状態変化を、バス（３）を介して送信されるメッセージ又はバス（３）とは別体のコミュニケーションチャネル（５）によってマスターノード（４）に通知することを特徴とする請求項４に記載の故障ノードの検出方法。
6. 前記バス（３）を介したメッセージの通信中にエラーが検出されると、前記ノード（２）は前記バス（３）を介してエラーメッセージを送信することを特徴とする請求項１に記載の故障ノードの検出方法。
7. エラーが検出されると加算される内部エラーカウンター（ＦＺ）を有し、バス（３）に接続されるノード（２）であって、前記内部エラーカウンター（ＦＺ）が所定のエラーしきい値を越えると通常作動状態から隔離作動状態へ切り替わり、復帰条件を満たすと前記隔離作動状態から前記通常作動状態に復帰するノード（２）において、
   前記ノード（２）と共働し且つ前記隔離作動状態から前記通常作動状態への状態変化毎に加算される状態変化カウンター（ＺＷＺ）が備えられ、
   前記状態変化カウンター（ＺＷＺ）が調整可能な状態変化しきい値を越えると故障しているとして検出されることを特徴とするノード。
8. 前記状態変化カウンター（ＺＷＺ）は前記ノード（２）又は前記バス（３）を介して前記ノード（２）に接続されるマスターノード（４）に組み込まれていることを特徴とする請求項７に記載のノード。
9. 輸送手段内に備えられるＣＡＮバスに接続されるＣＡＮノードとされていることを特徴とする請求項７又は８に記載のノード。
10. 前記輸送手段は航空機であることを特徴とする請求項９に記載のノード。。
11. 請求項１から６の何れかに記載の方法を実行するプログラムコマンドを有することを特徴とするコンピュータプログラムプロダクト。
12. 請求項１１に記載のコンピュータプログラムプロダクトを収容したことを特徴とするデータキャリア。

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