JP2015144353A - 通信システム - Google Patents

Abstract

【課題】回路素子に高耐圧性が要求される低速な差動通信路において、高速な通信を実現可能とする通信システムを提供する。【解決手段】通信ノード２ａ，２ｂは、差動通信路１に直接接続される低速トランシーバ３と、差動通信路にコンデンサカップリングされる高速トランシーバ４とを有し、送信側の通信ノード２は、低速トランシーバ３による低速通信を行っている際に、高速通信へ切替えるためのコマンドを送信してから高速トランシーバ４による高速通信を開始する。【選択図】図１

Description

本発明は、差動通信路における通信速度を切り替え可能な通信システムに関する。

現在、車載通信ネットワークの１つに通信速度が１Ｍｂｐｓ程度のＣＡＮ（Controller Area Network；登録商標）がある。近年は、車両に搭載されるＥＣＵ（Electronic Controller Unit）の数が増加しているため、通信速度の向上が要求されている。高速な通信プロトコルとしては、例えば１００Ｍｂｐｓ程度の車載Ethernet（登録商標）がある。しかし実際に、車載Ethernetを導入しようとすると、別途専用の通信路が必要となり、開発コストも含めコストが問題となる。

また、最大通信速度が８Ｍｂｐｓ程度であるＣＡＮ−ＦＤ（CAN with Flexible Data rate；登録商標）も提案されている。ＣＡＮ−ＦＤでは、データ及びＣＲＣ（Cyclic Redundancy Check）の転送のみ高速化することで、低速なＣＡＮの通信路をそのまま使用することを可能にしている。

特開２０１２−６５０９６号公報

ＣＡＮ−ＦＤの場合、通信速度が速くなるだけで、信号振幅等のＤＣ特性はＣＡＮと同じであるから、トランシーバは同様な回路で構成される。自動車の場合、通信路がバッテリ電源電圧に短絡してもトランシーバが破壊されないことが必要であるため、トランシーバを構成する回路には高耐圧の素子が使用される。そして、通信速度の上限は、回路素子の周波数特性によっても制限される。
車載Ethernetのような１００Ｍｂｐｓオーダーの高速通信を行うには、トランシーバを微細化した高速な素子で構成する必要があるが、そのような素子は耐圧が低く、ＣＡＮのような通信路には直接接続することができないという問題がある。

本発明は上記事情に鑑みてなされたものであり、その目的は、回路素子に高耐圧性が要求される低速な差動通信路においても、高速な通信を実現可能とする通信システムを提供することにある。

請求項１記載の通信システムによれば、複数の通信ノードは、差動通信路に直接接続される低速通信用トランシーバと、差動通信路に交流結合される高速通信用トランシーバとを有している。尚、低速通信用トランシーバしか備えていない通信ノードが混在していても良い。そして、送信側の通信ノードは、低速通信用トランシーバによる低速通信を行っている際に、高速通信へ切替えるためのコマンドを送信してから、高速通信用トランシーバによる高速通信を開始する。

このように構成すれば、高速通信用トランシーバは差動通信路に交流結合されているので、差動通信路が直流電源に短絡したとしても、高速通信用トランシーバを構成している高速で動作する低耐圧の回路素子が破壊されることが無い。したがって、通信速度を従来よりも大幅に向上させることができる。

請求項２記載の通信システムによれば、送信側の通信ノードは、高速通信を終了すると、低速通信へ切替えるためのコマンドを送信して低速通信に切り換えるので、受信側の通信ノードは高速通信から低速通信への移行を確実に認識できる。

請求項３記載の通信システムによれば、通信ノードは、プリアンブルと、データと、誤り検出用符号との転送を高速通信で行う。
そして、請求項４記載の通信システムによれば、高速通信用トランシーバの受信部に備えたクロックデータリカバリ回路が、プリアンブルを受信している期間に当該プリアンブルよりクロック周波数を検出してロックし、以降の高速通信に使用するクロック信号を供給する。したがって、受信側の通信ノードは、高速通信における通信速度が任意であっても対応して受信処理を行うことが可能になる。

第１実施形態であり、通信システムの構成を示す図 低速，高速トランシーバの具体的構成を示す図 高速通信を行う際に使用する通信フレームを含む通信手順の例を示す図 図３に示す手順に対応した受信ノード側の処理を示すフローチャート 低速通信，高速通信の差動信号波形を示す図 第２実施形態を示す図５相当図 第３実施形態を示す図６相当図

（第１実施形態）
以下、第１実施形態について説明する。図１に示すように、本実施形態の通信システムは、一対の通信線１Ｈ，１Ｌからなる差動通信路１と、この差動通信路１に接続される複数の通信ノード２ａ，２ｂ，２ｃ，…で構成されている。これらのうち、通信ノード２ａ，２ｂは、低速トランシーバ３（低速通信用トランシーバ），高速トランシーバ４（高速通信用トランシーバ）及び制御回路５を備えており、通信ノード２ｃは、低速通信トランシーバ３及び制御回路５のみを備えている。また、図示しないが、通信線１Ｈ，１Ｌの両端は、終端抵抗により終端されている。

低速トランシーバ３は通信線１Ｈ，１Ｌに直接接続されているが、高速トランシーバ４は、コンデンサ６Ｈ，６Ｌを介して通信線１Ｈ，１Ｌに接続されており、交流結合されている。制御回路５は、マイクロコンピュータにより構成され、トランシーバ３及び４の何れか一方を使用して他の通信ノード２に信号を送信したり、他の通信ノード２から送信された信号を受信する。

図２に示すように、低速トランシーバ３は、制御回路５より出力された二値信号に応じて通信線１Ｈ，１Ｌをドライブし、差動信号を送信するドライバ３Ｔと、通信線１Ｈ，１Ｌより受信した差動信号を二値レベル信号に変換して制御回路５に出力するコンパレータ３Ｒとで構成されている。また、高速トランシーバ４は、同様のドライバ４Ｔ及びコンパレータ４Ｒを備えているが、コンパレータ４Ｒの出力信号は、クロックデータリカバリ回路（以下、ＣＤＲ回路と称す）７を介して制御回路５に出力されている。

低速トランシーバ３は、高耐圧で動作速度が遅い回路素子で構成されている。ここでの「高耐圧」とは、本実施形態の通信システムが、例えば車載通信に適用され、差動通信路１が車両のバッテリ電源に短絡した場合でも、回路素子が破壊されない程度を言う。一方、高速トランシーバ４は、低耐圧で動作速度が速い回路素子で構成されている。そして、制御回路５は、通信を低速で行う場合は低速トランシーバ３を使用し、通信を低速で行う場合は高速トランシーバ４を使用する。

次に、本実施形態の作用について説明する。低速トランシーバ３により低速通信を行う場合は、例えばＣＡＮに準拠して、ＳＯＦ，アービトレーションフィールド，コントロールフィールド，データフィールド，ＣＲＣフィールド，ＡＣＫ，ＥＯＦなどを含む通信フレームを送信する。そして、低速通信から高速通信に切り換える（通信モード切り換え）場合は、図３に示す手順で通信を行う。

（１）先ず、低速トランシーバ３により、通信速度を低速から高速に切り替えるためのコマンドを送信する。
（２）次に、所定のアイドル期間を設ける。このアイドル期間では、差動通信路１の信号状態を一定に維持する。例えばＣＡＮの場合は、リセッシブ（非ドライブ状態），ドミナント（ドライブ状態）の何れかを維持する。これは、高速トランシーバ４が差動通信路１にコンデンサカップリングされているので、その容量分を含む時定数を超えて、高速トランシーバ４の直流レベルを安定させることが目的である。また、この間に、受信ノード側では高速通信モードに移行する。

（３）そして、送信ノードは、高速トランシーバ４を用いて高速通信を開始し、プリアンブルを送信する。プリアンブルは、高速通信における通信レートに対応した周波数を提示するため、前記周波数を示す信号形態で送信を行う。この時、受信ノードは、ＣＤＲ回路７によりプリアンブルから前記周波数情報や位相情報を抽出してロックし、制御回路５に通信レートに応じたクロック信号を供給する。

（４）続いて、データ及び（５）ＣＲＣ（Cyclic Redundancy Check，誤り検出符号）を送信する。
（６）高速通信を終了すると、再び所定のアイドル期間を設け、差動通信路１の直流れレベルを安定させる。
（７）最後に、低速トランシーバ３により、通信速度を高速から低速に切り替えるためのコマンドを送信する。
尚、何れかの通信ノード２が再度高速通信を開始する場合は、上記（１）〜（８）の手順を繰り返す。

図４に示すように、受信ノード側は、低速トランシーバ３により高速通信へのモード切り換えコマンドを受信する（Ｓ１）。この時、高速トランシーバ４が待機状態（例えば、動作用電源が遮断されている状態）となっている場合は、動作状態に切り替える（Ｓ２）。次に、高速通信で送信されたプリアンブルを受信し、ＣＤＲ回路７で周波数情報や位相情報を抽出すると、その周波数をロックする（Ｓ３）。そして、ＣＤＲ回路７で前記周波数のクロック信号を生成すると共に、受信データを再生する（Ｓ４）。

受信ノードは、ＣＲＣを受信完了した段階で、高速トランシーバ４を待機状態にする場合は、高速トランシーバ４の動作モードを「待機状態」に切り換える（Ｓ５）。それから、制御回路５において、受信したＣＲＣに基づきエラーの有無を確認し（Ｓ６）、その有無に対応した処置を、低速トランシーバ３によって行う（Ｓ７）。すなわち、エラーが無ければアクノリッジを返し、エラーがあれば再送要求を送信するなどの処置を行う。そして、通信速度を高速から低速に切り替えるためのコマンドを受信する（Ｓ８）。

図５に示すように、低速通信は、例えばＣＡＮに準拠して行い、差動通信路１を非ドライブ状態とするリセッシブ（差動信号のローレベル，データ値「１」）と、差動通信路１をドライブ状態とするドミナント（差動信号のハイレベル，データ値「０」）とを送信する。低速通信におけるリセッシブでの通信線１Ｈ，１Ｌの電位は、例えば何れも２．５Ｖ（中心電圧）であり、ドミナントでの通信線１Ｈ，１Ｌの電位は例えばそれぞれ３．５Ｖ，１．５Ｖである（差電圧２．０Ｖ）。そして、低速通信から高速通信へ移行する際のアイドル期間は、リセッシブの状態を所定期間維持する。

この場合、高速通信での差動信号振幅は、リセッシブを判定するための差動信号の閾値を超えない範囲に設定して行う。例えば、前記閾値が０．５Ｖであるとすれば、高速通信の各信号線１Ｈ，１Ｌの振幅変化が２．２５Ｖから２．７５Ｖの範囲を超えないように設定する。

ここで、高速通信では、例えば通信線１Ｈがハイレベル，通信線１Ｌがローレベルの状態をドミナントとし、通信線１Ｈがローレベル，通信線１Ｌがハイレベルの状態をリセッシブとする。前記ハイレベルを２．７Ｖ，ローレベルを２．３Ｖとすれば、ドミナントでの差電圧は０．４Ｖ，リセッシブでの差電圧は−０．４Ｖとなる。このように設定すれば、低速通信におけるリセッシブの判定閾値を超えることはないので、高速通信の実行中に低速トランシーバ３を動作させていても、差動通信路１の信号状態が変化した、と認識されることはない。

以上のように本実施形態によれば、通信ノード２ａ，２ｂは、差動通信路１に直接接続される低速トランシーバ３と、差動通信路にコンデンサカップリングされる高速トランシーバ４とを有し、送信側の通信ノード２は、低速トランシーバ３による低速通信を行っている際に、高速通信へ切替えるためのコマンドを送信してから高速トランシーバ４による高速通信を開始する。このように構成すれば、高速トランシーバ４が差動通信路１コンデンサカップリングされているので、差動通信路１が例えば車両に搭載されているバッテリの電源電圧に短絡しても高速トランシーバ４を構成している回路素子が破壊されることが無い。したがって、高速トランシーバ４を用いて通信速度を従来よりも大幅に向上させることができ、例えば１００Ｍｂｐｓを超えるような高速通信も実行可能になる。

また、送信ノードは、高速通信を終了すると、低速通信へ切替えるためのコマンドを送信して低速通信に切り換えるので、受信ノードは高速通信から低速通信への移行を確実に認識できる。そして、通信ノード２は、プリアンブルと、データと、ＣＲＣとの転送を高速通信により行うので、例えば既存のＣＡＮ−ＦＤなどの通信プロトコルにそのまま適用できる。

更に、高速トランシーバ４の受信部に備えたＣＤＲ回路７が、プリアンブルを受信している期間に当該プリアンブルよりクロック周波数を検出してロックし、以降の高速通信に使用するクロック信号を供給するので、受信ノードは、高速通信における通信速度が任意であっても対応して受信処理を行うことが可能になる。

加えて、高速トランシーバ４は、高速通信を行う際の差動信号の振幅変化が、低速トランシーバ３により低速通信を行う際の差動信号の判定閾値を跨がないように設定した。具体的には、高速通信を開始する直前のアイドル期間に差動通信路１をリセッシブ状態にしておき、高速通信を行う際の差動信号の振幅変化を、前記リセッシブの判定閾値未満に設定する。したがって、高速通信の実行中に低速トランシーバ３を動作させていても、差動通信路１の信号状態が変化したと認識されることが無く、特段の処置を行う必要が無いので制御が簡単になる。

（第２実施形態）
以下、第１実施形態と同一部分には同一符号を付して説明を省略し、以下異なる部分について説明する。第２実施形態では、図６に示すように、低速通信から高速通信に移行する際のアイドル期間において差動通信路１をドミナント状態にする。この場合、高速通信での差動信号振幅は、ドミナントを判定するための差動信号の閾値を超えない（下回らない）範囲に設定して行う。例えば、前記閾値が０．９Ｖであるとすれば、高速通信での信号線１Ｈの振幅変化は２．９５Ｖ超となるように、信号線１Ｌの振幅変化は２．０５Ｖ未満となるように設定する。

ここで、高速通信では、例えば通信線１Ｈがハイレベル，通信線１Ｌがローレベルの状態をドミナントとし、通信線１Ｈがローレベル，通信線１Ｌがハイレベルの状態をリセッシブとする。但し、第２実施形態では、通信線１Ｈ，１Ｌそれぞれのハイレベル，ローレベルが異なる。例えば、以下のように設定する。
ハイレベル ローレベル
通信線１Ｈ ３．７Ｖ ３．３Ｖ
通信線１Ｌ １．７Ｖ １．３Ｖ
すると、ドミナントに対応する差電圧は２．４Ｖ，リセッシブに対応する差電圧は１．６Ｖとなる。したがって、低速通信におけるリセッシブの判定閾値を超えることはない。

以上のように第２実施形態によれば、高速トランシーバ４は、高速通信を開始する直前のアイドル期間に差動通信路１をドミナント状態にしておき、高速通信を行う際の差動信号の振幅変化を、前記ドミナントの判定閾値を上回る状態に設定した。したがって、この場合も第１実施形態と同様の効果が得られる。

（第３実施形態）
第３実施形態は、図７に示すように、低速通信の場合のドミナント，リセッシブの関係が、第１実施形態における高速通信と同じパターンとなる場合である。すなわち、通信線１Ｈがハイレベル（３．５Ｖ），通信線１Ｌがローレベル（１．５Ｖ）の場合がドミナントであり（差電圧２．０Ｖ）、通信線１Ｈがローレベル，通信線１Ｌがハイレベルの場合がドミナントである（差電圧−２．０Ｖ）。
この場合も、低速通信から高速通信に移行する際のアイドル期間において差動通信路１をドミナント状態にすることで、高速通信は第２実施形態と同様の信号振幅変化によって実現できる。

本発明は上記した、又は図面に記載した実施形態にのみ限定されるものではなく、以下のような変形又は拡張が可能である。
図２に示す通信ノード２の高速通信用トランシーバ４を、送信部のドライバ４Ｔは含まず、コンパレータ４Ｒ及びＣＤＲ回路７からなる受信部のみで構成される高速通信用レシーバに置き換えた通信ノードが１つ以上、別途差動通信路１に接続されていても良い。
通信速度を低速から高速に切り替えるためのコマンドに変えてコントロールフィールドのビットを割り当てても良い。
アイドル期間は必ずしも必要ではなく、低速通信／高速通信間の移行において、信号線１Ｈ，１Ｌの直流レベルを安定させる必要がある場合に設定すれば良い。

通信速度を高速から低速に切り替えるためのコマンドに替えて、高速通信の終了を示すコマンドを送信しても良い。例えばＥＯＦのビットを割り当てても良い。
誤り検出用符号はＣＲＣに限ることなく、その他の符号を用いても良い。
低速通信は、必ずしもＣＡＮのプロトコルに準拠する必要はない。
高速通信における通信レートが既知であれば、ＣＤＲ回路７は必ずしも必要ではない。
また、各信号状態に対応する電圧レベルの具体数値は、個別の設計に応じて適宜変更すれば良い。

図面中、１は差動通信路、２ａ，２ｂは通信ノード、３は低速トランシーバ（低速通信用トランシーバ）、４は高速トランシーバ、６はコンデンサを示す。

Claims (8)

1. 差動通信路（１）に直接接続される低速通信用トランシーバ（３）と、
   前記差動通信路に交流結合される高速通信用トランシーバ（４）とを有する通信ノード（２ａ，２ｂ）を複数備えてなる通信システムであって、
   送信側の通信ノードは、前記低速通信用トランシーバによる低速通信を行っている際に、高速通信への切替えを行うためのコマンドを送信してから、前記高速通信用トランシーバによる高速通信を開始することを特徴とする通信システム。
2. 前記送信側の通信ノードは、前記高速通信を終了すると、低速通信への切替えを行うためのコマンドを送信して前記低速通信に切り換えることを特徴とする請求項１記載の通信システム。
3. 前記通信ノードは、プリアンブルと、データと、誤り検出用符号との転送を前記高速通信で行うことを特徴とする請求項１又は２記載の通信システム。
4. 前記高速通信用トランシーバの受信部は、クロックデータリカバリ回路（７）を備え、
   前記クロックデータリカバリ回路は、前記プリアンブルを受信している期間に、当該プリアンブルよりクロック周波数を検出してロックし、以降の高速通信に使用するクロック信号を供給することを特徴とする請求項３記載の通信システム。
5. 前記通信ノードに加えて、
   前記低速通信用トランシーバと、前記差動通信路に交流結合されて受信処理を行う受信部のみを備える高速通信用レシーバとを有する通信ノードを１つ以上備えていることを特徴とする請求項４記載の通信システム。
6. 前記高速通信用トランシーバは、高速通信を行う際の差動信号の振幅変化が、前記低速通信用トランシーバにより低速通信を行う際の差動信号の判定閾値を跨がないように設定されていることを特徴とする請求項１から５の何れか一項に記載の通信システム。
7. 前記高速通信用トランシーバは、高速通信を開始する直前は、前記差動通信路を所定期間だけ前記差動信号のローレベル判定閾値を下回る信号状態にしており、高速通信を行う際の差動信号の振幅変化が、前記ローレベル判定閾値未満に設定されていることを特徴とする請求項６記載の通信システム。
8. 前記高速通信用トランシーバは、高速通信を開始する直前は、前記差動通信路を所定期間だけ前記差動信号のハイレベル判定閾値を上回るレベルの信号状態にしており、高速通信を行う際の差動信号の振幅変化が、前記ハイレベル判定閾値を超える範囲に設定されていることを特徴とする請求項６記載の通信システム。

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