JP2012029250A - 電子装置及び電子装置の制御方法 - Google Patents

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Abstract

【課題】通信路における伝送誤りを検出するだけでなく、ハード故障に伴う誤りを検出可能にする。
【解決手段】通信路上に送出するデータフレームを構成するデータを、メインメモリに書き込む際に、同時に誤り検出符号を付加してメモリ上に記録し、その後送受信用フレームを構成する際に同時に送出する。その後、受信側にて送受信フレームを受信した後、誤り検出符号を付加してメインメモリに格納した後誤り検出を行う。この処理により、通信路だけでなくメモリ等を含めたハード故障を検出可能となる。
【選択図】 図1

Description

本発明は、電子装置及び電子装置の制御方法に関する。
原子力プラントや化学プラントなど潜在的な危険性の高いプロセス設備では、万が一の事態に作業員及び周辺環境への影響を低減するため、隔壁等の防護設備による受動的な対策及び緊急停止装置等の安全装置を用いる能動的な対策が講じられる。このうち、安全装置等の制御には、従来リレー等の電磁的・機械的な手段により実現されていた。
しかし、近年、プログラマブル電子装置(Programmable Logic Controller:PLC)に代表されるプログラム可能な制御機器における技術の発展に伴い、これらを安全制御システムの制御手段として利用するニーズが高まっている。
IEC61508は、そのような動向に対応して発行された国際規格であり、電気的/電子的/プログラム可能な電子的装置を安全制御システムの一部に利用する場合の要件が規定されている。例えば、このような技術は非特許文献1に記載されている。
IEC61508では、安全制御装置を構成する要素部品の種類ごとに、各々適用される自己診断技法を紹介し、それぞれの技法の有効性を診断率という形で示している。診断率は、各構成要素における全故障のうち、その診断技法を採用したとき検出可能な故障の割合を示す。例えば、RAMの診断技法“abraham”では、最高99%の診断率を主張可能であるとされている。例えば、このような技術は特許文献2に記載されている。
また、PLC等の電子装置の構成要素の一つである通信路における故障検出手段として、制御対象からの制御データ等を取得する際に、通信路におけるデータ誤りにより誤制御を行うことを防止するため従来より誤り検出機能を備えることが一般的である。
これら通信路における誤り検出機能としては、特許文献1にあるように、通信路における誤り検出を行うため、実際に送受信を行う機能を有する部分(送受信部)において、通信路に対し送出するフレームを構成するデータを生成する際に、誤り検出符号を付加することが一般的に行われている。例えば、このような技術は特許文献1に記載されている。
特開平9−36841号公報 米国登録6779128号公報 IEC61508−1〜7,"Functional safety of electrical/electronic/programmable electronic safety-related systems"part1〜part7
上記の上来技術では、通信路における誤り検出は可能であるが、送受信部に入出力される部分までに発生すると想定される誤り、例えば記憶手段としてのメモリにおいて発生した誤りは検出できず、メモリなどのハード的要因による故障を検出することができない。
メモリ上のデータ化け等を検出する手段としては、例えば、ECC(Error Correcting Code:誤り訂正符号)が知られているが、しかし、ECCは誤り検出及び誤り訂正の処理が行われ、誤り訂正の際にデータを書き換える処理が発生する。先述のIEC61508においては、この誤り訂正に伴うデータ書き換え処理の安全性を担保する必要があるが、この要求を満たすことができない。
本発明は、上記課題を解決するためになされたものであり、記憶手段としてのメモリ,データ送受信部及びそれらを結ぶデータバス部分等のハードウェアの故障に伴う誤りが検出可能な電子装置及び電子装置の制御方法を提供することにある。
上記目的を達成するために、本発明では、送信データを演算する演算部と、前記送信データに基づいて誤り符号を演算する誤り符号演算部と、前記送信データと前記誤り符号を対にして記憶する記憶部と、前記対となった送信データと前記誤り符号を前記記憶部から読み出し前記送信データと前記誤り符号に基づいて送信フレームを作成してデータ送信用記憶部に記憶し、前記記憶された送信フレームを物理的な信号に変換して送信するデータ送信部とを有するように構成した。
また、送受信路を介して送られた物理的な信号を変換し受信フレームとして受信用記憶部に記憶するデータ受信部と、前記受信フレームに含まれる誤り符号と受信データを対にして記憶する記憶部と、前記誤り符号と前記受信データを前記記憶部から読み出して前記受信データに誤りがないか判断する誤り検出部と、前記判断された受信データを演算処理する演算部とを有するように構成した。
本発明によれば、ハードウェアの故障に伴うデータ誤りを検出することが可能となる。
本発明を示す全体構成図である。 コントローラに実装の記憶手段のメモリマップ一例である。 記憶手段に格納される通信データの一実施形態である。 データ送受信部にて生成される、通信フレームの一実施形態である。
以下、発明を実施するための形態(以下、「実施の形態」とする)について以下の順序で説明を行う。
図1は、発明の一実施形態である制御システム101を示すブロック図である。本発明は、プラント制御用コントローラに係るものであり、同コントローラにおける通信路を含めたシステム全体に係るものである。
制御システム101は、コントローラ1とコントローラ2よりなる。この構成はシステム規模に応じて拡張可能である。コントローラ1とコントローラ2は通信路31にて接続されており、制御情報等をお互いに送受信することが可能である。また、コントローラ2は制御対象41と外部入出力制御部27を介して接続されており、コントローラ1からの制御指示を制御対象41に与えたり、あるいは制御対象41からの制御情報をコントローラ1に伝えることが可能である。
コントローラ1は、マイクロプロセッサ11と、誤り検出符号付加回路12と、記憶手段13と、データ送受信部14と、誤り検出回路15、及びデータ送受信用記憶手段16から構成される。
コントローラ1に搭載されるマイクロプロセッサ11は、本発明の実施例における通信制御に用いるだけでなく、プラント制御に必要な各種演算等を行うメインプロセッサである。
図2は、コントローラ1に搭載される記憶手段13のメモリマップの一形態を表す図である。記憶手段13は、本発明の実施例における通信に用いるだけでなく、プラント制御に必要な演算データ、ソフトウェア及びプラント制御情報等を格納するメインメモリとしても使用する。図2に一形態を示すように、記憶手段13には、コントローラ1が動作するために必要なプログラムが格納されているプログラム領域131と、オペレーションシステム(以下OS)が管理し使用するOS領域132と、各種イベント及び障害情報等を格納するログ領域133と、コントローラ2が制御する制御対象に関するデータを格納する制御対象データ領域134、及びコントローラ2との通信を行うデータを格納するために使用する通信データ領域135から構成される。
コントローラ2は、コントローラ1と基本的に同一構成であり、マイクロプロセッサ21と、誤り検出符号付加回路22と、記憶手段23と、データ送受信部24と、誤り検出回路25、及びデータ送受信用記憶手段26から構成される。加えて制御対象41に対し制御情報をやり取りするための外部入出力制御部27を備える。以下、システム拡張時に増設するコントローラも同一構成となる。
実施例1として、データを送出するまでの実施例を示す。
最小構成例として、図1に示したコントローラ1とコントローラ2の間にて通信し、制御対象41に対して命令を与える場合について記載する。
コントローラ1は、送信するデータをマイクロプロセッサ11から記憶手段13に記憶する。この記憶手段13は図2に示すように、送受信に使用するデータのみならず、ソフトウェア及び制御対象からのデータを格納する機能を有する。これら各機能にて使用するため、記憶手段13上は予め各機能ごとにメモリマッピングがなされているため、マイクロプロセッサ11は送信データを通信データ領域135に記憶させる。
この送信データは、記憶手段13のプログラム領域131に格納された演算用プログラムに従ってマイクロプロセッサ11が動作することによって用意される。
ここで、この記憶手段13のプログラム領域131に格納された演算用のプログラムは、いわゆるOSI階層モデルでいうアプリケーション層として動作するものである。また、後述するマイクロプロセッサ21においても同様である。
このマイクロプロセッサ11から記憶手段13に記憶する際に、誤り検出符号付加回路12を介して記憶させる。誤り検出符号付加回路12では、マイクロプロセッサ11より書き込まれるデータが通信データ領域に対し書き込まれるか否かを判断する。
この誤り検出符号付加回路12は専用のLSI(ASIC)として構成しても良いし、また、記憶手段13のプログラム領域131に格納された演算用プログラムをマイクロプロセッサ11に動作させることでその機能を構成しても良い。
この誤り検出符号付加回路12における通信データ領域か否かの判別方法について記載する。誤り検出符号付加回路12では、予め記憶手段13の複数領域のうち通信データ領域135に該当する領域を記憶している。この領域はマイクロプロセッサ1からの指示で任意に変更可能である。
誤り検出符号付加回路12は、マイクロプロセッサ11から出力される記憶手段13上の領域を表すアドレス情報を用いて、該当するアクセスが記憶手段13のうち通信データ領域135に含まれるか否かを判別する。
誤り検出符号付加回路12において通信データ領域135に含まれるアクセスであった場合、誤り検出符号付加回路12では、データ誤りを検出することが可能となる誤り検出符号を、送出データから生成し、送信データに付加して外部記憶手段13に記憶する。
誤り検出に用いる誤り検出符号は、誤りが検出可能であり、かつ通信に用いるフレーム内に含まれるデータに対し十分なハミング長を確保できるものが好ましい。本発明では、CRC(Cyclic Redundancy Check:巡回冗長検査)を想定している。
誤り検出符号付加回路12から記憶手段13に対し出力される、通信データの構成の一形態を図3に示す。マイクロプロセッサ11から出力される通信データと、通信データより誤り検出符号付加回路12にて算出されたCRCを付加した状態で記憶手段13に格納する。
データ送受信部14では、記憶手段13に格納された通信データと誤り符号のセットを読み出し、図4に一形態として示すように、通信に必要なヘッダ情報を通信データに対し付加した上で、データ送受信部14に付随のデータ送受信用記憶手段16に格納する。
データ送受信部14は、いわゆるOSI階層モデルのデータリンク層,ネットワーク層、あるいはトランスポート層として機能するものである。すなわち、ヘッダ情報である送信先アドレス(MACアドレス,IPアドレス等)及び送信元アドレス(MACアドレス,IPアドレス等)を、通信データと誤り符号のセットに付す。データ送受信部14はデータ送受信用記憶手段16に格納されたデータを物理的な信号に変換して通信路31を介してコントローラ2に送信する。また、語述するデータ送受信部24及びデータ送受信用記憶手段26においても同様である。
その後、データ送受信部14は、データ送受信用記憶手段16に格納された、図4に一形態として示す通信フレームを、通信路31を介して受信局となるコントローラ2に対しデータ送信する。
コントローラ1からの通信フレームを受信したコントローラ2は受信処理を行う。この処理の一形態を下記に示す。
データ送受信部24において、通信フレームをデータ送受信部24に付随のデータ送受信用記憶手段26に格納する。その後データ送受信部24は通信フレーム内に含まれるデータ及び誤り検出符号が含まれた、図3に示す通信データを記憶手段23に記憶する。記憶手段23は、記憶手段13と同様に各領域が分かれており、記憶手段13と同様に記憶手段23にも図2に示す通信データ領域があり、通信データは、その通信データ領域135に格納される。
その後コントローラ2に搭載のマイクロプロセッサは、通信フレーム上の通信データを読込むため記憶手段23に対し、誤り検出回路25を介してアクセスする。
誤り検出回路25では、マイクロプロセッサ21から出力される、記憶手段23に対するアドレス情報を判別し、記憶手段23に格納されている通信データ領域に対するアクセスであるか否かを判別する。
判別の結果、通信データ領域に対するアクセスでなかった場合、誤り検出回路25は動作しない。判別の結果、通信データ領域に対するアクセスであった場合、誤り検出回路25が動作する。以下、通信データ領域に対するアクセスであり誤り検出回路25が動作した場合の実施例について記載する。
誤り検出回路25は、記憶手段23内の通信データ領域内に含まれた、コントローラ1から送出された通信データを参照する。このとき、誤り検出回路25は記憶手段23から読み出した通信データ(誤り検出符号を含まない)から誤り検出符号を再生成する。
その後、誤り検出回路25は、通信データに付加された誤り検出符号と、誤り検出回路25にて通信データから再生成した誤り検出符号を比較する。
通信データに誤りが含まれない場合、通信データに付加された誤り検出符号と、誤り検出回路25にて通信データから再生成した誤り検出符号が一致する。
通信データに誤りが含まれる場合、通信データに付加された誤り検出符号と誤り検出回路25にて通信データから再生成した誤り検出符号が不一致となる。通信データに誤りが含まれる経路としては、データを送出した、コントローラ1に構成される誤り検出符号付加回路12から、記憶手段13と、データ送受信部14と、データ送受信用記憶手段16、及び通信路31、加えてコントローラ2に構成されるデータ送受信部24,記憶手段23と、誤り検出回路25までが含まれる。
よって、前記経路内におけるデータ誤りが検出可能となり、通信路31における外来ノイズに起因すると想定されるデータ誤りだけでなく、コントローラ1/2を構成するハードウェアにおいて発生した故障を検出することが可能となる。
不一致を検出した誤り検出回路25は、マイクロプロセッサ21に対しデータに誤りが含まれることを通知し、マイクロプロセッサ21にて当該データを破棄することにより、誤りを含む制御指示を制御対象41に与えない。このことにより、誤ったデータを用いて誤制御することを防止することが可能となる。
コントローラ2からコントローラ1に対してデータ送信する際も同様に、コントローラ1側に搭載の誤り検出回路15にて通信データに誤りが含まれるか否かを検出することにより可能である。コントローラ2からコントローラ1に対してデータ送信する方法を実施例2に示す。
実施例2として、データを送出するまでの実施例を示す。説明を省略した他部分は同様である。最小構成例として、図1に示したコントローラ2とコントローラ1の間にて通信し、制御対象41からの制御情報をコントローラ1に送出する際の処理について記載する。
コントローラ2に搭載のマイクロプロセッサ21は、制御対象41から取得したデータを外部入出力制御部26を介して取得する。その後、マイクロプロセッサ21は、送信するデータを記憶手段23に記憶する。この記憶手段23は図2に示すように、送受信に使用するデータのみならず、ソフトウェア及び制御対象からのデータを格納する機能を有する。これら各機能にて使用するため、記憶手段23上は予め各機能ごとにメモリマッピングがなされているため、マイクロプロセッサ21は送信データを通信データ領域135に記憶させる。
このマイクロプロセッサ21から記憶手段23に記憶する際に、誤り検出符号付加回路22を介して記憶させる。誤り検出符号付加回路22では、マイクロプロセッサ21より書き込まれるデータが通信データ領域に対し書き込まれるか否かを判断する。
この誤り検出符号付加回路22における通信データ領域か否かの判別方法について記載する。誤り検出符号付加回路22では、予め記憶手段23の複数領域の内通信データ領域135に該当する領域を記憶している。この領域はマイクロプロセッサ21からの指示で任意に変更可能である。
誤り検出符号付加回路22は、マイクロプロセッサ21から出力される記憶手段23上の領域を表すアドレス情報を用いて、該当するアクセスが記憶手段23のうち通信データ領域135に含まれるか否かを判別する。
誤り検出符号付加回路22において通信データ領域135に含まれるアクセスであった場合、誤り検出符号付加回路22では、データ誤りを検出することが可能となる誤り検出符号を、送出データから生成し、送信データに付加して外部記憶手段23に記憶する。
誤り検出に用いる誤り検出符号は、誤りが検出可能であり、かつ通信に用いるフレーム内に含まれるデータに対し十分なハミング長を確保できるものが好ましい。本発明では、CRC(Cyclic Redundancy Check:巡回冗長検査)を想定している。
誤り検出符号付加回路22から記憶手段23に対し出力される、通信データの構成の一形態を図3に示す。マイクロプロセッサ21から出力される通信データと、通信データより誤り検出符号付加回路22にて算出されたCRCを付加した状態で記憶手段23に格納する。
データ送受信部24では、記憶手段23に格納された通信データを読みだし、図4に一形態として示すように、通信に必要なヘッダ情報を通信データに対し付加した上で、データ送受信部24に付随のデータ送受信用記憶手段26に格納する。
その後、データ送受信部24は、データ送受信用記憶手段26に格納された、図4に一形態として示す通信フレームを、通信路31を介して受信局となるコントローラ1に対しデータ送信する。
コントローラ2からの通信フレームを受信したコントローラ1は受信処理を行う。この処理の一形態を下記に示す。
データ送受信部14において、通信フレームをデータ送受信部14に付随のデータ送受信用記憶手段16に格納する。その後データ送受信部14は通信フレーム内に含まれるデータ及び誤り検出符号が含まれた、図3に示す通信データを記憶手段13に記憶する。通信データは、図2に示す通信データ領域に格納される。
その後コントローラ1に搭載のマイクロプロセッサは、通信フレーム上の通信データを読込むため記憶手段13に対し、誤り検出回路15を介してアクセスする。
誤り検出回路15では、マイクロプロセッサ11から出力される、記憶手段13に対するアドレス情報を判別し、記憶手段13に格納されている通信データ領域に対するアクセスであるか否かを判別する。
判別の結果、通信データ領域に対するアクセスでなかった場合、誤り検出回路15は動作しない。判別の結果、通信データ領域に対するアクセスであった場合、誤り検出回路15が動作する。以下、通信データ領域に対するアクセスであり誤り検出回路15が動作した場合の実施例について記載する。
誤り検出回路15は、記憶手段13内の通信データ領域内に含まれた、コントローラ2から送出された通信データを参照する。このとき、誤り検出回路15は記憶手段13から読み出した通信データ(誤り検出符号を含まない)から誤り検出符号を再生成する。
その後、誤り検出回路15は、通信データに付加された誤り検出符号と、誤り検出回路15にて通信データから再生成した誤り検出符号を比較する。
通信データに誤りが含まれない場合、通信データに付加された誤り検出符号と、誤り検出回路15にて通信データから再生成した誤り検出符号が一致する。
通信データに誤りが含まれる場合、通信データに付加された誤り検出符号と誤り検出回路25にて通信データから再生成した誤り検出符号が不一致となる。通信データに誤りが含まれる経路としては、データを送出した、コントローラ2に構成される誤り検出符号付加回路22から、記憶手段23と、データ送受信部24と、データ送受信用記憶手段26、及び通信路31、加えてコントローラ1に構成されるデータ送受信部14,記憶手段13と、誤り検出回路15までが含まれる。
よって、前記経路内におけるデータ誤りが検出可能となり、通信路31における外来ノイズに起因すると想定されるデータ誤りだけでなく、コントローラ1/2を構成するハードウェアにおいて発生した故障を検出することが可能となる。
不一致を検出した誤り検出回路15は、マイクロプロセッサ11に対しデータに誤りが含まれることを通知し、マイクロプロセッサ11にて当該データを破棄することにより、誤りを含む制御情報を制御対象41から取得しない。このことにより、誤ったデータを用いて誤制御することを防止することが可能となる。
これら実施の形態は、本発明である制御装置は、第1コントローラに第2コントローラに対し送信する第1情報に関し、第1コントローラに実装のマイクロプロセッサから記憶手段へ第1情報を格納する前に、誤り検出符号付加回路を介して誤り検出符号を付加した状態で格納し、第1コントローラに実装のデータ送受信部が誤り検出符号を合せて第2コントローラに出力する構成とした。
第1コントローラからの第1情報を受信した第2コントローラは、第2コントローラに実装のデータ送受信部から記憶手段に誤り検出符号を合せて格納し、マイクロプロセッサが記憶手段から第1情報を読み出す際に誤り検出回路を介してマイクロプロセッサが読み出した第1情報に誤りが含まれるか否かを判定する。誤りが含まれる場合には、第1情報は破棄する。
第2コントローラから第1コントローラに対し送信する第2情報に関しても、同様である。第2コントローラに実装のマイクロプロセッサから記憶手段へ第2情報を格納する前に、誤り検出符号付加回路を介して誤り検出符号を付加した状態で格納し、第2コントローラに実装のデータ送受信部が誤り検出符号を合せて第2コントローラに出力する構成とした。
第2コントローラからの第2情報を受信した第1コントローラは、第1コントローラに実装のデータ送受信部から記憶手段に誤り検出符号を合せて格納し、マイクロプロセッサが記憶手段から第2情報を読み出す際に誤り検出回路を介してマイクロプロセッサが読み出した第2情報に誤りが含まれるか否かを判定する。誤りが含まれる場合には、第2情報は破棄する。
このように、通信路における外来ノイズ等による通信データ誤りを検出することが可能であると同時に、送信局のマイクロプロセッサからデータ送信用ドライバまで含めた回路上での誤りを検出することが可能となる。
送信局のマイクロプロセッサからデータ送信用ドライバまでの回路上において発生する誤りは、外来ノイズだけでなくハード的な故障も含まれる。
すなわち、本機能を備えることにより通信路上のデータ誤りだけでなく送信局側コントローラのハード故障を含めて検出が可能となり、故障検出が早期に可能となる。また、通信路上の誤り検出手段と、ハードウェア故障を検出する手段を別に設ける必要が無くなり、ハードウェア構成を小さくすることが可能となる。
以上に述べた実施の形態は、好適な具体例である。そのため、技術的に好ましい種々の限定が付されている。しかしながら、本発明の範囲は、上記の説明において、これらの形態に限られるものではない。例えば、以上の説明で挙げる各パラメータの数値的条件は好適例に過ぎず、説明に用いた各図における寸法,形状及び配置関係も概略的なものである。
1,2 コントローラ
11,21 マイクロプロセッサ
12,22 誤り検出符号付加回路
13,23 記憶手段
14,24 データ送受信部
15,25 誤り検出回路
16 データ送受信用記憶手段
31 通信路
27 外部入出力制御部
41 制御対象
131 プログラム領域
132 OS領域
133 ログ領域
134 制御対象データ領域
135 通信データ領域
301 通信データ
401 送受信データ

Claims (8)

  1. 送信データを演算する演算部と、前記送信データに基づいて誤り符号を演算する誤り符号演算部と、前記送信データと前記誤り符号を対にして記憶する記憶部と、前記対となった送信データと前記誤り符号を前記記憶部から読み出し前記送信データと前記誤り符号に基づいて送信フレームを作成してデータ送信用記憶部に記憶し、前記記憶された送信フレームを物理的な信号に変換して送信するデータ送信部とを有することを特徴とする電子装置。
  2. 請求項1において、前記送信フレームは、前記送信データと前記誤り符号にヘッダ情報が付加されて構成されることを特徴とする電子装置。
  3. 請求項1又は2において、前記演算部を動作させるプログラムが前記記憶部に格納されることを特徴とする電子装置。
  4. 請求項1乃至3のいずれかにおいて、前記送信データには制御対象を制御するための情報が含まれることを特徴とする電子装置。
  5. 請求項1において、前記演算部が演算したデータが送信データか否を判断する判断部を有し、前記判断に基づいて前記演算したデータを前記記憶部に記憶することを特徴とする電子装置。
  6. 送受信路を介して送られた物理的な信号を変換し受信フレームとして受信用記憶部に記憶するデータ受信部と、前記受信フレームに含まれる誤り符号と受信データを対にして記憶する記憶部と、前記誤り符号と前記受信データを前記記憶部から読み出して前記受信データに誤りがないか判断する誤り検出部と、前記判断された受信データを演算処理する演算部とを有することを特徴とする電子装置。
  7. 演算部が、送信データを演算し、誤り符号演算部が、前記送信データに基づいて誤り符号を演算し、記憶部が、前記送信データと前記誤り符号を対にして記憶し、データ送信部が、前記対となった送信データと前記誤り符号を前記記憶部から読み出し前記送信データと前記誤り符号に基づいて送信フレームを作成してデータ送信用記憶部に記憶し、前記記憶された送信フレームを物理的な信号に変換して送信する電子装置の制御方法。
  8. データ受信部が、送受信路を介して送られた物理的な信号を変換し受信フレームとして受信用記憶部に記憶し、記憶部が、前記受信フレームに含まれる誤り符号と受信データを対にして記憶し、誤り検出部が、前記誤り符号と前記受信データを前記記憶部から読み出して前記受信データに誤りがないか判断し、演算部が、前記判断された受信データを演算処理する電子装置の制御方法。
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