JP2014187442A

JP2014187442A - 同期制御装置

Info

Publication number: JP2014187442A
Application number: JP2013059273A
Authority: JP
Inventors: Yasuta Shinohara; 康太篠原
Original assignee: Mitsubishi Electric Corp
Current assignee: Mitsubishi Electric Corp
Priority date: 2013-03-22
Filing date: 2013-03-22
Publication date: 2014-10-02

Abstract

【課題】複数のユニット装置で構成される同期制御装置において、ユニット装置の数が多数となっても、内蔵する時計により円滑に装置間の同期を取る同期制御を行うことを目的とする。
【解決手段】同期に用いる基準信号を生成する信号生成部１１０と、基準信号を各ユニット装置３０ａ、３０ｂ、３０ｃへ送信するために、折り返し点２２０を有するケーブル２１０と、基準信号の到達時間を計測する到達時間計測部２０，２１，２２と、計時装置１０，１２，１３を備え、到達時間計測部２０，２１，２２は基準信号の到着時間の差の半分の値を、基準信号が折り返し点２２０で折り返し到着したタイミングで時計に設定する。
【選択図】図１

Description

この発明は、計時装置を有した複数の装置間で、計時装置の同期を取る同期制御装置に関する。

電気信号による情報伝達では、信号伝播の遅延時間が生じる。例えば、ケーブルで接続される複数のユニット装置において、一つのユニット装置から他のユニット装置にケーブルを介して信号伝送する場合に、ケーブルの長さや電気特性の違いによって、信号を受信するタイミングがユニット装置ごとに異なる。

計時装置（時計）を内蔵し、その計時装置の発生するクロック信号を元に動作している装置は、複数の装置間の同期を取って動作するために、計時装置のクロック信号の発生タイミングを調整する。例えば、ユニット装置間を繋ぐ伝送ケーブルによる信号伝播の遅延時間を計測し、遅延時間を調整することで、高い精度で異なる装置を同期させることができる（例えば、特許文献１参照）。

また、伝送ネットワークを介してパケット通信を行う装置間において、データパケットを受信した時刻と受信したデータパケットに付加されている時刻情報とから同期誤差を演算し、異なる装置間の同期調整を行う方法がある（例えば、特許文献２参照）。このような方法で異なるユニット装置間の同期を取るには、異なるユニット装置を結ぶ伝送線路の遅延時間についての時間的な変動量が、要求する同期精度に対して十分小さいことが必要となる。

特開２０１２−１９１３６１号公報特開２０１２−２２７６８８号公報

特許文献１に記載の従来の同期装置は、マスタ装置とスレーブ装置を繋ぐ複数のケーブルの伝播特性が等しく、一つのマスタ装置にて複数のスレーブ装置との間の伝送路の遅延時間をそれぞれ計測している。特許文献１（例えば図１）において、スレーブ装置からマスタ装置への接続はバス接続構成による１本のケーブルであり、マスタ装置はマスタ装置とスレーブ装置との伝送路の遅延時間の計時装置を１つしか有していない。

つまり、スレーブ装置からマスタ装置への接続をバス接続構成による１本のケーブルとし、かつマスタ装置からスレーブ装置への接続をバス接続構成による１本のケーブルとしたとき、ユニット装置の数によらず同期制御装置を構成するケーブルの本数は２本となり、計時装置が１であることから、ユニット装置の数だけ同期調整に時間を要するという問題が生じる。もっとも、各スレーブ装置に遅延時間を計数する個別の計時装置を持たせてスレーブ装置間の同期動作を取ることができれば、このような問題は解消する。しかしながら、特許文献１、２には、それぞれのスレーブ装置に遅延時間の計時装置を持たせてスレーブ装置間の同期動作を実現する方法については、何ら示されていない。

この発明は係る課題を解決するためになされたものであり、個別の計時部を有する各装置間をバスで接続し、装置の数が多数あっても同期に要する調整時間の増加を抑えることのできる、同期制御装置を得ることを目的とする。

この発明による同期制御装置は、同期用信号を送信する信号生成部と、時間を計測する計時部、及び当該計時部の動作時刻を設定する到達時間計測部を有した複数のユニット装置と、上記信号生成部と全ての上記ユニット装置の間を共通して接続する信号ケーブルと、を備え、上記信号ケーブルは、上記信号生成部と上記各ユニット装置の間にある共通の折り返し点を中間点とするそれぞれの第１、第２の接続点で、当該それぞれの第１の接続点と共通の折り返し点の距離と当該それぞれの第２の接続点と共通の折り返し点との距離が等しくなるように、上記各ユニット装置にそれぞれ二度接続され、上記到達時間計測部は、上記それぞれのユニット装置におけるそれぞれの第２の接続点から上記同期用信号が到着した時刻と、上記それぞれのユニット装置におけるそれぞれの第１の接続点から上記同期用信号が到着した時刻に基いて、上記それぞれのユニット装置の計時部の動作時刻を設定することを特徴とするものである。

この発明によれば、装置の数が多数あっても、同期に要する調整時間の増加を抑え、より精度の高い同期制御を行うことができる。

図１は、実施の形態１に係る同期制御装置の構成例を示す図である。図２は、実施の形態１に係る同期制御装置における、信号到達時間の算出方法及び各ユニット装置の同期動作を例示した図である。

実施の形態１．
図１は、この発明に係る実施の形態１による同期制御装置の構成例を示す図である。図において、同期制御装置１００は、信号生成部１１０と、複数のユニット装置であるユニット装置ａ３０，ユニット装置ｂ３１，及びユニット装置ｃ３２と、共用の信号ケーブルであるケーブル２１０を備えている。信号生成部１１０とユニット装置ａ３０、ユニット装置ｂ３１、及びユニット装置ｃ３２は、１本の共用のケーブル２１０によりバス接続される。なお、この実施の形態１では、３つのユニット装置をケーブル２１０でバス接続した同期制御装置１００を例示するが、２つのユニットもしくは４つの以上のユニット装置をバス接続した同期制御装置についても同じようにして構成され、動作することは言うまでもないので、以下ではその説明を略す。

図１において、ケーブル２１０は信号生成部１１０と接続される。ケーブル２１０は、ケーブルの折り返し点２２０よりも手前で、ユニット装置ａ３０、ユニット装置ｂ３１、及びユニット装置ｃ３２の順に、それぞれ異なる第１の接続点３０１，３１１，３２１でバス接続される。また、ケーブル２１０は、ケーブルの折り返し点２２０で折り返した後、ユニット装置ｃ３２、ユニット装置ｂ３１、及びユニット装置ａ３０の順に、再度それぞれ異なる第２の接続点３０２，３１２，３２２でバス接続される。すなわち、ユニット装置ａ３０、ユニット装置ｂ３１、及びユニット装置ｃ３２は、ケーブル２１０と２度バス接続されるが、便宜上、一度目のバス接続から共通のケーブル折り返し点２２０までの区間を送信用ケーブルと呼び、二度目のバス接続から共通のケーブル折り返し点２２０までの区間を折り返し用ケーブルと呼ぶ。ケーブル２１０に関して、ユニット装置ａ３０とユニット装置ｂ３１の区間の送信用ケーブルと折り返し用ケーブルの長さは等しいとする。同ように、ユニット装置ｂ３１とユニット装置ｃ３２の区間の送信用ケーブルと折り返し用ケーブルの長さは等しいとする。また、ユニット装置ｃ３２とケーブル折り返し点２２０の区間の送信用ケーブルと折り返し用ケーブルの長さは等しいとする。

信号生成部１１０は、ユニット装置ａ３０、ユニット装置ｂ３１、及びユニット装置ｃ３２へ伝送する基準信号を生成し、ケーブル２１０を伝送媒体として、各ユニット装置ａ３０，ｂ３１，ｃ３２に対し、それぞれ生成した基準信号を同期用信号として伝送する。

計時部１０，１１，１２はクロック信号を生成する時計である。ユニット装置ａ３０は、到達時間計測部２０と、計時部１０を備える。また、到達時間計測部２０は、計時部１０の生成するクロック信号に基づいて、ケーブル２１０を介して信号生成部１１０から伝送された信号の到達時間を計測する。ユニット装置ａ３０は、計時部１０の生成するクロック信号に基づいて、演算処理、データの読み出し、記録及び書き換え処理、信号生成処理等の各種動作を行う。ユニット装置ｂ３１は、到達時間計測部２１と、計時部１１を備える。また、到達時間計測部２１は、計時部１１の生成するクロック信号に基づいて、ケーブル２１０を介して信号生成部１１０から伝送された信号の到達時間を計測する。ユニット装置ｂ３１は、計時部１１の生成するクロック信号に基づいて、演算処理、データの読み出し、記録及び書き換え処理、信号生成処理等の各種動作を行う。ユニット装置ｃ３２は、到達時間計測部２２と、計時部１２を備える。また、到達時間計測部２２は、計時部１２の生成するクロック信号に基づいて、ケーブル２１０を介して信号生成部１１０から伝送された信号の到達時間を計測する。ユニット装置ｃ３２は、計時部１２の生成するクロック信号及びその動作時刻に基づいて、演算処理、データの読み出し、記録及び書き換え換処理、信号生成処理等の各種処理動作のタイミング制御を行う。

次に、同期制御装置１００において、ユニット装置間の同期を行う手順を説明する。信号生成部１１０で生成された基準信号は、ケーブル２１０を介してユニット装置ａ３０、ユニット装置ｂ３１、及びユニット装置ｃ３２に到達する。ユニット装置ａ３０、ユニット装置ｂ３１、及びユニット装置ｃ３２において、それぞれ到達時間計測部２０、到達時間計測部２１、及び到達時間計測部２２が、送信用ケーブルから各第１の接続点３０１，３１１，３２１で入力される基準信号（以下、送信信号）と、折り返し用ケーブルから各第２の接続点３０２，３１２，３２２で入力される基準信号（以下、折り返し信号）の到達時刻とを、それぞれ計測する。

各ユニット装置ａ３０，ｂ３１，ｃ３２は、それぞれの到達時間計測部２０，２１，２２が計測した送信信号到達時刻及び折り返し信号到達時刻の結果に基づいて、その信号到達時間差を算出する。ここでの信号到達時間差とは、折り返し信号の到達時刻と送信信号の到達時刻の差である。各ユニット装置ａ３０，ｂ３１，ｃ３２の到達時間計測部２０，２１，２２は、折り返し信号の到達した時刻のタイミングで、各ユニット装置ａ３０，ｂ３１，ｃ３２内の計時部１０，１１，１２の動作時刻として、信号到達時間差の半分の値をセットする。

これにより、各ユニット装置ａ３０，ｂ３１，ｃ３２は、ケーブル２１０を通じて折り返し信号が到達すると、既に折り返し信号が到達している他のユニット装置（ａ３０，ｂ３１，ｃ３２の中で自己とは異なるもの）と同期して動作することができる。即ち、すべてのユニット装置（ａ３０，ｂ３１，ｃ３２）は折り返し信号が到達すると、同期制御装置内の他のすべての装置（ａ３０，ｂ３１，ｃ３２）と同期して動作することとなる。

ここで、信号到達時間差に基づく各ユニット装置の同期動作について具体例を用いて説明する。図２は、信号到達時間差の算出方法と各ユニット装置の同期動作の様子をタイムチャートで表したものである。図２において、（ａ）は信号生成部１１０から出力される基準信号の出力例を示す。（ｂ）はユニット装置ａへ入力される、信号生成部１１０からの基準信号による送信信号入力を示す。（ｃ）はユニット装置ａへ入力される、信号生成部１１０からの基準信号による折り返し信号入力を示す。（ｄ）はユニット装置ａの計時部１０のクロックタイミング及び時刻値を示す。図の例では５ビットのクロック信号を生成している。（ｅ）はユニット装置ｂへ入力される、信号生成部１１０からの基準信号による送信信号入力を示す。（ｆ）はユニット装置ｂへ入力される、信号生成部１１０からの基準信号による折り返し信号入力を示す。（ｇ）はユニット装置ｂの計時部１１のクロックタイミング及び時刻値を示す。図の例では５ビットのクロック信号を生成している。（ｈ）はユニット装置ｃへ入力される、信号生成部１１０からの基準信号による折り返し信号入力を示す。（ｉ）はユニット装置ｃへ入力される、信号生成部１１０からの基準信号による折り返し信号入力を示す。（ｊ）はユニット装置ｃの計時部１２のクロックタイミングを示す。図の例では１周期が５ビット（＝３２）のクロック信号を生成する例を示している。（ｋ）は信号生成部１１０から出力される基準信号の折り返し点での基準タイミングを示す。（ｌ）は同期セットした各計時部１０，１１，１２における基準タイミングからの時刻値を示す。

図２において、ユニット装置ａ３０の到達時間計測部２０は、計時部１０のクロック信号に基づいて計測した、送信信号の到達時刻をＴａ１（図２（ｂ）の例では時刻値が１０）とし、折り返し信号の到達時刻をＴａ２（図２（ｃ）の例では時刻値が３２）とする。ユニット装置ａ３０の計時部１０における信号到達時間差をＴａ２１とすると、折り返し信号の到達時刻Ｔａ２と送信信号の到達時刻Ｔａ１の差から、信号到達時間差Ｔａ２１はＴａ２−Ｔａ１と算出できる。ここで、図２（ｄ）の例ではＴａ２１の時刻値は２２となっている。

また、ユニット装置ａ３０の計時部１０における折り返し点２２０の信号到達時刻をＴａｘとすると、ユニット装置ａ３０から折り返し点２２０までの送信用ケーブルと折り返し用ケーブルの長さは等しいことから、折り返し点２２０の信号到達時刻Ｔａｘは（Ｔａ１＋Ｔａ２）／２と算出できる。ここで、図２（ｄ）の例ではユニット装置ａ３０のＴａｘの時刻値は２１となっている。

ユニット装置ｂ３１とユニット装置ｃ３２も同ように、計時部１１，１２の各クロック信号に基づいて計測した、送信信号の到達時刻をＴａ１（図２（ｅ）の例ではユニット装置ｂ３１の時刻値が１２、図２（ｈ）の例ではユニット装置ｃ３２の時刻値が２２）とし、折り返し信号の到達時刻をＴａ２（図２（ｅ）の例ではユニット装置ｂ３１の時刻値が２４、図２（ｈ）の例ではユニット装置ｃ３２の時刻値が２６）から、折り返し点２２０の信号到達時刻Ｔａ２１を算出する。また、ユニット装置ｂ３１とユニット装置ｃ３２の折り返し点２２０の各信号到達時刻Ｔａｘは（Ｔａ１＋Ｔａ２）／２と算出できる。ここで、図２（ｇ）の例ではユニット装置ｂ３１のＴａ２１の時刻値は１２、Ｔａｘの時刻値は１８となっている。また、図２（ｊ）の例ではユニット装置ｃ３２のＴａ２１の時刻値は４、Ｔａｘの時刻値は２４となっている。

このとき、各ユニット装置ａ３０，ｂ３１，ｃ３２の計時部１０，１１，１２における同期がずれていた場合、ユニット装置ａ３０で算出した折り返し点２２０の信号到達時刻と、ユニット装置ｂ３１で算出した折り返し点２２０の信号到達時刻と、ユニット装置ｃ３２で算出した折り返し点２２０の信号到達時刻はそれぞれ異なることとなる。同期制御装置１００が支配される絶対的な時間上では、それぞれの絶対的な信号到達時刻は本来同じタイミングである。このため、各ユニット装置ａ３０，ｂ３１，ｃ３２は、内蔵する計時部１０，１１，１２における折り返し点２２０の信号到達時刻を、同期を取るための基準タイミングとして用いる。

ユニット装置ａ３０，ｂ３１，ｃ３２の各計時部１０，１１，１２における折り返し信号到達時刻Ｔａ２から折り返し点の信号到達時刻Ｔａｘを引くと、基準タイミングから折り返し信号到達までの時間（基準タイミングからの時刻）が算出される。これは信号到達時間差Ｔａ２１の半分の値に等しい。したがって、ユニット装置ａ３０，ｂ３１，ｃ３２の到達時間計測部２０，２１，２２は、それぞれの折り返し信号が到達し、計測が完了した時点で、信号到達時間差の半分の値を、各ユニット装置ａ３０，ｂ３１，ｃ３２内の計時部１０の動作時刻としてセットする。これにより、到達時間計測部２０は、上記基準タイミングを元に、図２（ｌ）に示すように当該基準タイミングでの動作時刻が０となるように、ユニット装置ａ３０の計時部１０の時刻を当該セットした条件に一致させることとなる。例えば図２（ｄ）の例では、ユニット装置ａ３０の折り返し信号到達時刻Ｔａ２の直後における計時部１０の時刻値は１１になる。同様にして、ユニット装置ｂ３１の折り返し信号到達時刻Ｔａ２の直後における計時部１１の時刻値は６になる。ユニット装置ｃ３２の折り返し信号到達時刻Ｔａ２の直後における計時部１１の時刻値は２になる。

かくして、ユニット装置ａ３０は折り返し信号が到達すると、同期制御装置１００内で共通な基準タイミングに同期するため、既に折り返し信号が到達している他のユニット装置ｂ３１，ｃ３２と同期する。よって、すべてのユニット装置ａ３０，ｂ３１，ｃ３２に折り返し信号が到達すると、すべてのユニット装置ａ３０，ｂ３１，ｃ３２の各計時部１０，１１，１２は、図２（ｌ）に示す基準タイミングで同期する。

以上説明したように、実施の形態１に係る同期制御装置１００は、信号生成部１００と、複数のユニット装置ａ３０，ｂ３１，ｃ３２で構成され、各ユニット装置ａ３０，ｂ３１，ｃ３２の内部に時計である計時部１０，１１，１２を有する。各ユニット装置ａ３０，ｂ３１，ｃ３２は、信号生成部１００の生成した基準信号を各ユニット装置ａ３０，ｂ３１，ｃ３２に送信するケーブル２１０を備えている。ケーブル２１０は、各ユニット装置ａ３０，ｂ３１，ｃ３２とそれぞれの第１の接続点で一度バス接続して、折り返し点２２０で折り返し、再度各ユニット装置ａ３０，ｂ３１，ｃ３２とそれぞれの第２の接続点でバス接続する構成をとる。ケーブル２１０は、信号生成部１００から折り返し点２２０までの距離と、折り返し点２２０から各ユニット装置ａ３０，ｂ３１，ｃ３２までの距離が等しい構成をとる。各ユニット装置ａ３０，ｂ３１，ｃ３２は、折り返し点２２０の前後における信号生成部１００の生成した基準信号の到達時刻をそれぞれ計測する到達時間計測部２０，２１，２２を備える。到達時間計測部２０，２１，２２は、この到達時刻に基いて他のユニット装置と同期する計時部１０，１１，１２をセットする。

即ち、同期制御装置１００は、同期用信号としての基準信号を送信する信号生成部１００と、時間を計測する計時部１０，１１，１２、及び当該計時部１０，１１，１２の動作時刻を設定する到達時間計測部２０，２１，２２を有した複数のユニット装置ａ３０，ｂ３１，ｃ３２と、上記信号生成部１００と全ての上記ユニット装置ａ３０，ｂ３１，ｃ３２の間を共通して接続する信号ケーブル２１０と、を備え、上記信号ケーブル２１０は、上記信号生成部１００と上記各ユニット装置ａ３０，ｂ３１，ｃ３２の間にある共通の折り返し点２２０を中間点とするそれぞれの第１、第２の接続点３０１，３１１，３２１，３０２，３１２，３２２で、当該それぞれの第１の接続点３０１，３１１，３２１と共通の折り返し点２２０の距離と当該それぞれの第２の接続点３０２，３１２，３２２と共通の折り返し点２２０との距離が等しくなるように、上記各ユニット装置ａ３０，ｂ３１，ｃ３２にそれぞれ二度接続され、上記到達時間計測部２０，２１，２２は、上記それぞれのユニット装置ａ３０，ｂ３１，ｃ３２におけるそれぞれの第２の接続点３０２，３１２，３２２から上記同期用信号が到着した時刻と、上記それぞれのユニット装置ａ３０，ｂ３１，ｃ３２におけるそれぞれの第１の接続点３０１，３１１，３２１から上記同期用信号が到着した時刻に基いて、上記それぞれのユニット装置ａ３０，ｂ３１，ｃ３２の計時部１０，１１，１２の動作時刻を設定することを特徴とするものである。また、上記到達時間計測部２０，２１，２２は、上記それぞれのユニット装置ａ３０，ｂ３１，ｃ３２におけるそれぞれの第２の接続点３０２，３１２，３２２から上記同期用信号が到着した時刻と、上記それぞれのユニット装置ａ３０，ｂ３１，ｃ３２におけるそれぞれの第１の接続点３０１，３１１，３２１から、上記同期用信号が到着した時刻との時間差を算出し、当該時間差の半分の値を、上記それぞれのユニット装置ａ３０，ｂ３１，ｃ３２の計時部１０，１１，１２の動作時刻として設定する。

これにより、各ユニット装置ａ３０，ｂ３１，ｃ３２の計時部１０，１１，１２の時計を合わせ、各ユニット装置ａ３０，ｂ３１，ｃ３２が備える計時部１０，１１，１２の設定時刻に基づいて、各ユニット装置ａ３０，ｂ３１，ｃ３２が同期して動作することとなる。

この実施の形態１は以上のように構成されるので、各ユニット装置ａ３０，ｂ３１，ｃ３２は他のユニット装置とずれた時計をもっていても、各ユニット装置ａ３０，ｂ３１，ｃ３２が到達時刻の計測と算出を行うことで、信号生成部１００の生成する同期のための基準信号がすべてのユニット装置ａ３０，ｂ３１，ｃ３２に到達した時点から速やかに、精度の高いユニット装置ａ３０，ｂ３１，ｃ３２間の同期が可能となる。

かくして、複数のユニット装置で構成された同期制御装置において、装置の数が多数あっても、同期に要する調整時間の増加を抑え、複数のユニット装置間でより高い精度で同期した動作制御を行うことができる。

１００同期制御装置、１１０信号生成部、２１０ケーブル、２２０ケーブル折り返し点、３０、３１、３２ユニット装置、２０、２１、２２到達時間計測部、１０、１１、１２計時部。

Claims

同期用信号を送信する信号生成部と、
時間を計測する計時部、及び当該計時部の動作時刻を設定する到達時間計測部を有した複数のユニット装置と、
上記信号生成部と全ての上記ユニット装置の間を共通して接続する信号ケーブルと、
を備え、
上記信号ケーブルは、上記信号生成部と上記各ユニット装置の間にある共通の折り返し点を中間点とするそれぞれの第１、第２の接続点で、当該それぞれの第１の接続点と共通の折り返し点の距離と当該それぞれの第２の接続点と共通の折り返し点との距離が等しくなるように、上記各ユニット装置にそれぞれ二度接続され、
上記到達時間計測部は、上記それぞれのユニット装置におけるそれぞれの第２の接続点から上記同期用信号が到着した時刻と、上記それぞれのユニット装置におけるそれぞれの第１の接続点から上記同期用信号が到着した時刻に基いて、上記それぞれのユニット装置の計時部の動作時刻を設定することを特徴とする同期制御システム。
上記到達時間計測部は、上記それぞれのユニット装置におけるそれぞれの第２の接続点から上記同期用信号が到着した時刻と、上記それぞれのユニット装置におけるそれぞれの第１の接続点から上記同期用信号が到着した時刻との時間差を算出し、当該時間差の半分の値を上記それぞれのユニット装置の計時部の動作時刻として設定することを特徴とする請求項１記載の同期制御システム。