JP2014220640A - シリアル通信制御回路 - Google Patents

Abstract

【課題】通信時のマーク率を改善し、受信信号のジッタが増加しないようにするシリアル通信回路を提供することを目的とする。
【解決手段】シリアル通信制御回路において、送信処理部からの切り替え信号に応じて、前記送信処理部から送信されるシリアルデータを前記マーク率改善データ生成部で生成されたデータに切替えてデータを送信する。これにより、送信信号にマーク率改善用のデータを挿入して通信時のマーク率を改善して、受信信号のジッタが増加することを未然に防ぐことが可能となる。
【選択図】図１

Description

本発明は、シリアル通信制御回路に関する。

工作機械やロボット等の産業機器と、それらを制御する制御装置との間では種々のデータ転送を行うのに、シリアル通信が用いられることがある。この際に、受信したデータからデータ再生用のクロックを生成するための符号化の手法として、４Ｂ５Ｂや、８Ｂ１０Ｂといった符号化手法がある。

４Ｂ５Ｂは、４ビットのデータを５ビットのシンボルデータで表現するものであり、５ビットのシンボル中には最低１つ以上の１が存在するようにして、ＮＲＺＩと併せて４ビット以上同じ値が連続しないように構成されている。また、８Ｂ１０Ｂは、８ビットのデータを上位３ビットと下位５ビットに分け、上位３ビットに対して３ビットのデータを４ビットのシンボルデータにする３Ｂ４Ｂ変換、下位５ビットに対して５ビットのデータを６ビットのシンボルデータにする５Ｂ６Ｂ変換を行い、それぞれで得られた４ビットと６ビットのデータをつなげて１０ビットのシンボルデータとする。これにより、同じビットが連続することが５ビット以下となるため、信号周波数の広がりが抑制され、安定性が向上する。

これらの符号化が行われた後のデータは、一連の転送のデータセットに含まれる１と０の数の割合が全体として等しい状態を保つように設計されている。以下、これらの一連の転送のデータセットにおける”１”の占める時間の割合のことをマーク率（％）ということがある。また、一連のデータセットに含まれる１と０の数が均等である状態のことを、ＤＣバランスということがある。

８Ｂ１０Ｂにおける１０ビットのシンボルデータには、１と０が５個ずつ含まれているもの、１が６個と０が４個のもの、１が４個と０が６個のものがある。８Ｂ１０Ｂは、それまでに送信した１と０の累積の数を加味して、ＤＣバランスを保つように次に送信するコードを選択するランニングディスパリティという機能を備えている。しかしながら、４Ｂ５Ｂにおいては、そのような機能を有していないため、同一の送信データが連続すると、１と０の個数差が蓄積され、ＤＣバランスを完全に保つことができないことがある。

特許文献１には、受信回路がマーク率が高かったり低かったりするデータを受信したときに、閾値を高く又は低く制御しようとし、それにより結果としてパルス出力がひずむこと。また、パルス出力の歪みが最も大きくなる時の劣化判定情報を得るために、マーク率の高い又は低いデータを十分長い時間送受信する必要があることが開示されている。

特開２０１２−５４８７０号公報

シリアル通信では、仕様の互換性の確保やノイズマージンの向上のため、ＡＣ結合（データ信号線上にキャパシタが直列に挿入される容量性結合）の終端形態を取る場合がある。このＡＣ結合においては、ＤＣバランスを維持できないと、信号の平均レベルを振幅の半分の電圧に維持することができないため、受信側で信号のジッタが増加することがある。
特許文献１に開示されている技術は、位相データの判定により劣化部位の判定を行うことはできるが、データのマーク率を調整したりするものではないため、受信信号のジッタが増加する場合がある。

そこで本発明では、通信時のマーク率を改善し、受信信号のジッタが増加しないようにするシリアル通信回路を提供することを目的とする。

本願の請求項１に係る発明では、符号化されたデータを送信および受信するシリアル通信制御回路において、送信されるシリアルデータを生成する送信処理部と、該生成された送信データとは別にマーク率改善用のデータを生成するマーク率改善データ生成部と、前記送信処理部から切り替え信号が出力された時、前記送信処理部から送信されるシリアルデータを前記マーク率改善データ生成部で生成されたデータに切替えてデータを送信する送信データ切り替え部とを有することを特徴とするシリアル通信制御回路が提供される。

すなわち、請求項１に係る発明では、送信信号にマーク率改善用のデータを挿入することで通信時のマーク率を改善して、受信信号のジッタが増加することを未然に防ぐことができる。

本願の請求項２に係る発明では、前記送信データ切り替え部から出力された送信データのマーク率を求めるマーク率検出部を有し、前記マーク率改善データ生成部は、前記マーク率検出部から出力されるマーク率を受信して、生成するマーク率改善用データのマーク率を決定することを特徴とする請求項１記載のシリアル通信制御回路が提供される。

すなわち、請求項２に係る発明では、送信データのマーク率を検出し、検出されたマーク率に応じてマーク率改善用データのマーク率を決定することで、より効果的に通信時のマーク率を改善して、受信信号のジッタが増加することを未然に防ぐことができる。

本発明により、通信時のマーク率を改善し、受信信号のジッタが増加しないようにするシリアル通信回路を提供することができる。

第１の実施形態におけるシリアル通信制御回路のブロック図を示した図である。 第１の実施形態におけるマーク率改善データの例を示した図である。 第１の実施形態における転送パケットの間にマーク率改善データを挿入した例を示した図である。 第１の実施形態におけるマーク率改善データの挿入によるマーク率の改善の様子を示した図である。 第２の実施形態におけるマーク率改善データの挿入方法を示した図である。 第３の実施形態におけるシリアル通信制御回路のブロック図を示した図である。 第３の実施形態におけるマーク率改善データの例を示した図である。 第３の実施形態におけるマーク率改善データの挿入によるマーク率の改善の様子を示した図である。

以下、本発明の実施形態を図面と共に説明する。
（第１の実施形態）
図１は、第１の実施形態におけるシリアル通信制御回路のブロック図を示した図である。１２は送信処理部であり、符号化した通信用送信データ３２及び後述する切り替え信号３６を生成し、送信データ切り替え部１６に送信する。１４はマーク率改善データ生成部であり、マーク率改善データ３４を生成して送信データ切り替え部１６に送信する。送信データ切り替え部１６では、送信処理部１２から送信される切り替え信号３６によって、送信処理部１２からの通信用送信データ３２と、マーク率改善データ生成部１４からのマーク率改善データ３４のいずれかを選択して送信部１８に送信し、いずれかのデータを受信した送信部１８は、外部にシリアル通信で送信する。

図２は、第１の実施形態におけるマーク率改善データ３４の例を示している。本実施形態においては、図２に示されているように、マーク率改善データ３４として、ディスパリティ（コード中の１と０の数の差）が０（ニュートラル）のマーク率５０％のデータを使用する。

図３は、ランダムな間隔の転送パケット３２の間にマーク率改善データ３４を挿入した例を示した図である。転送パケット３２には、データの他にデータ長や誤り訂正符号等の制御情報が付加されており、また、転送パケット３２は送信処理部１２において生成されているため、送信処理部１２は、いずれの時間帯に転送パケット３２が送られ、いずれの時間帯に転送パケット３２が送られていないかを把握することができる。そこで、転送パケット３２の送信開始時及び送信終了時に、送信処理部１２から送信データ切り替え部１６に切り替え信号３６を送信して、送信データ切り替え部１６に送信するデータを、送信処理部１２からの通信用送信データ３２と、マーク率改善データ生成部１４からのマーク率改善データ３４とで切り替えている。

図４は、本実施形態によるマーク率改善データ３４の挿入によるマーク率の改善の様子を示した図である。上段の例の転送パケット３２は１１０１０１０１０１で、１０ビットでマーク率が６０％であるが、転送パケット３２の間にマーク率改善データ３４として１６ビットの０１０１０１０１０１０１０１０１を挿入すると、トータルのマーク率は５３．８％（＝１４／２６）となり、挿入前の６０％と比較してマーク率が改善されている。下段の例の転送パケット３２は０１０１０１０１００で、１０ビットでマーク率が４０％であるが、転送パケット３２の間にマーク率改善データ３４として１６ビットの０１０１０１０１０１０１０１０１を挿入すると、トータルのマーク率は４６．２％（＝１２／２６）となり、挿入前の４０％と比較してマーク率が改善されている。このように、シリアル伝送路のトラフィックに応じて、マーク率改善データを送信し、受信側でのジッタ発生を抑制することが可能である。

なお、図４に示した例はマーク率改善データ３４の挿入の一つの例を示したものであり、転送パケット３２が１０ビット、マーク率改善データ３４が１６ビットと決められているわけではない。実際は転送パケット３２のデータ長は可変長で変化し、転送パケット３２の間の長さについても一定ではないが、転送パケット３２の間の期間になるべく多くのマーク率改善データ３４を挿入することで、よりＤＣバランスを保つ方向に改善される。

（第２の実施形態）
第２の実施形態は、シリアル制御通信制御回路の構成、及び挿入するマーク率改善データ３４のマーク率が５０％である点は第１の実施形態と同様であるが、転送パケット３２へのマーク率改善データの挿入方法が異なっている。
図５は、第２の実施形態におけるマーク率改善データの挿入方法を示した図であり、定期的なパケット転送において、パケット内部の不要部分にマーク率改善データを挿入した例を示している。

リアルタイム性を保証している通信プロトコルでは、仕様で決まっている周期内で全ユニットの通信を完了しなくてはいけない。例えば、前記周期で定期的に、全ユニットを一巡するようにパケットを転送するプロトコルが考えられる。この際に、ユニットの中に最短周期での転送が不要なユニットがある場合や、最大スレーブ数に対して接続台数が少ない場合など、多くのケースでいずれかのフィールドに空きが発生することがある。この空きフィールドに、プロトコルのフォーマットを満たしつつ、マーク率改善データを挿入する。

図５（ａ）に示されているように、本実施形態においては定期的に転送パケット３２が送信されている。そして、図５（ｂ）に示されているように、個々の転送パケット３２は、スタートシーケンス４２、アドレスフィールド４４、制御フィールド４６、情報フィールド４８、チェックシーケンス５０、及びエンドシーケンス５２とから構成されている。また、図５（ｃ）には、情報フィールド４８の内部構成の一例を示している。図５（ｃ）に示されているように、情報フィールド４８内には、最大スレーブ数として１０スレーブ分のフィールドが確保されているが、実際に接続されているスレーブ数が半分の５スレーブである場合などは、情報フィールド中の斜線部の部分のみが用いられて、残りの部分は空き状態となる。ここでは一例として情報フィールド４８において、最大スレーブ数よりも少ない数のスレーブが接続された場合で説明をしたが、ユニットの中に最短周期での転送が不要なユニットがある場合などにも同様にフィールド内に空きが発生する。また、情報フィールド４８のみではなく、制御フィールド４６やチェックシーケンス５０にも同様の理由で空きが発生するため、その空き部分にマーク率改善データ３４を挿入することが可能である。

転送パケット３２は送信処理部１２において生成されているため、空きフィールドを把握しており、送信データ切り替え部に切り替え信号を伝えることが可能である。
このように、パケット内のフィールドの空き状況に応じて、マーク率改善データを送信し、受信側でのジッタ発生を抑制することが可能である。

（第３の実施形態）
図６は、第３の実施形態におけるシリアル通信制御回路のブロック図を示した図である。１２は送信処理部であり、符号化した通信用送信データ３２及び後述する切り替え信号３６を生成し、送信データ切り替え部１６に送信する。１４はマーク率改善データ生成部であり、後述するマーク率検出部２２から送信されるマーク率を受信し、マーク率に応じたマーク率改善データ３４を生成して送信データ切り替え部１６に送信する。送信データ切り替え部１６では、送信処理部１２から送信される切り替え信号３６によって、送信処理部１２からの通信用送信データ３２と、マーク率改善データ生成部１４からのマーク率改善データ３４のいずれかを選択して送信部１８に送信し、いずれかのデータを受信した送信部１８は、外部にシリアル通信で送信する。

２２はマーク率検出部であり、送信データ切り替え部１６から送信される送信データから、マーク率を検出する。マーク率の検出は、デジタル的に０１の個数をカウントしたり、アナログ的に検出することもできる。マーク率検出部２２において検出されたマーク率は、マーク率改善データ生成部１４に送信される。また、外部からシリアル通信で送信されてきたデータは受信部２０で受信し、受信処理部２４に送信される。

本実施形態のシリアル通信制御回路は、第１の実施形態と比較して、符号化された送信データのマーク率を求めるマーク率検出部２２と、マーク率検出部２２から出力されるマーク率を受信して、挿入されるマーク率改善用データ３４のマーク率を決定し、マーク率改善用データ３４を出力するマーク率改善データ生成部１４を備える点が異なっている。
前述した４Ｂ５Ｂ符号の様に、符号としてランニングディスパリティを考慮していない符合においても、マーク率改善データ生成部にてランニングディスパリティを計算し、ＤＣバランスを保つようなマーク率改善データを生成、送信することが可能となり、受信側でのジッタ抑制に効果が期待できる。

図７及び図８に基づいて、本実施形態におけるマーク率改善データ３４について説明する。図７は、８Ｂ１０Ｂでのマーク率改善データ３４の例を示した図である。図７に示されているように、本実施形態では３種類のマーク率改善データ３４が用いられており、ディスパリティが０（ニュートラル）のマーク率５０％のデータ、ディスパリティが−２のマーク率４０％のデータ、ディスパリティが＋２のマーク率６０％のデータを備えている。

マーク率改善データ生成部１４では、マーク率検出部２２から送信されてくるマーク率の値に応じて、いずれのマーク率改善データ３４を用いるかを決定する。具体的には、マーク率が５５％以上のときはマーク率４０％のマーク率改善データ３４、マーク率が４５％以下のときはマーク率６０％のマーク率改善データ３４、マーク率が４５％より大きく５５％未満のときはマーク率５０％のマーク率改善データ３４を使用して、マーク率の偏りを解消するようにマーク率改善データ３４を選択する。

本実施形態におけるマーク率改善データ３４の挿入は、第１の実施形態のようにランダムな間隔の転送パケットの隙間にマーク率改善データ３４を挿入することもできるし、第２の実施形態のように定期的なパケット転送において、パケット内部の不要部分にマーク率改善データを挿入することもできる。

図８は、本実施形態によるマーク率改善データ３４の挿入によるマーク率の改善の様子を示した図である。上段の例の転送パケット３２は１１０１０１０１０１で、１０ビットでマーク率が６０％であるが、転送パケット３２の間にマーク率改善データ３４として１０ビットでマーク率４０％の０１０１０１０１００を挿入すると、トータルのマーク率は５０％（＝１０／２０）となる。また、下段の例の転送パケット３２は０１０１０１０１００で、１０ビットでマーク率が４０％であるが、転送パケット３２の間にマーク率改善データ３４として１０ビットでマーク率が６０％の１１０１０１０１０１を挿入すると、トータルのマーク率は５０％（＝１０／２０）となる。このように、シリアル伝送路のトラフィックに応じて、マーク率改善データを送信し、受信側でのジッタ発生を抑制することが可能である。

なお、図８に示した例はマーク率改善データ３４の挿入の一つの例を示したものであり、転送パケット３２が１０ビット、マーク率改善データ３４が１０ビットと決められているわけではない。実際は転送パケット３２のデータ長は可変長で変化し、転送パケット３２の間の長さについても一定ではないが、転送パケット３２の間の期間になるべく多くのマーク率改善データ３４を挿入することで、よりＤＣバランスを保つ方向に改善される。

１０ シリアル通信制御回路
１２ 送信処理部
１４ マーク率改善データ生成部
１６ 送信データ切り替え部
１８ 送信部
２０ 受信部
２２ マーク率検出部
２４ 受信処理部
３２ 通信用送信データ（転送パケット）
３４ マーク率改善データ
３６ 切り替え信号
４２ スタートシーケンス
４４ アドレスフィールド
４６ 制御フィールド
４８ 情報フィールド
５０ チェックシーケンス
５２ エンドシーケンス

本願の請求項１に係る発明では、転送パケットを含む符号化されたデータを送信および受信するシリアル通信制御回路において、送信されるシリアルデータを生成する送信処理部と、該生成された送信データとは別にマーク率改善用のデータを生成するマーク率改善データ生成部と、前記送信処理部から切り替え信号が出力された時、前記送信処理部から送信されるシリアルデータを前記マーク率改善データ生成部で生成されたデータに切替えてデータを送信する送信データ切り替え部と、を有し、前記送信処理部は、転送パケットが送られていない時間帯、又は、転送パケット内の空きフィールドにおいて前記切り替え信号を生成することを特徴とするシリアル通信制御回路が提供される。

Claims (2)

1. 符号化されたデータを送信および受信するシリアル通信制御回路において、
   送信されるシリアルデータを生成する送信処理部と、
   該生成された送信データとは別にマーク率改善用のデータを生成するマーク率改善データ生成部と、
   前記送信処理部から切り替え信号が出力された時、前記送信処理部から送信されるシリアルデータを前記マーク率改善データ生成部で生成されたデータに切替えてデータを送信する送信データ切り替え部と、
   を有することを特徴とするシリアル通信制御回路。
2. 前記送信データ切り替え部から出力された送信データのマーク率を求めるマーク率検出部を有し、
   前記マーク率改善データ生成部は、前記マーク率検出部から出力されるマーク率を受信して、生成するマーク率改善用データのマーク率を決定することを特徴とする請求項１記載のシリアル通信制御回路。

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