JP2018088210A - サイクリック通信システム - Google Patents
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Description
特許文献1は、サイクリック用メモリをプロセッサが読出し/書込みをする際、通信フレームの受信/送信を停止させることにより、プロセッサが読み出したデータの同時性を保証している。
また、特許文献2では、プロセッサが読出し/書込みした時、通信フレームが受信/送信している場合は、読出し/書込みを停止させることにより、プロセッサが読み出したデータの同時性を保証している。
このため、混在したサイクリックデータをプロセッサが読み出して、プロセッサ上のアプリケーションが処理して、誤った動作を引き起こす問題が解消されている。
しかし、プロセッサが読み出したデータの同時性を保証している反面、同時性を保障するため、読み出しが遅れるため、高優先の通信フレームが遅れる問題があった。
保証している。しかし、通信フレームの受信/送信を停止させるため、高優先の通信フレームの受信/送信が待たされて、通信システムの性能が低下する問題があった。
また、特許文献2では、プロセッサが読出し/書込みした時、通信フレームが受信/送信している場合は、読出し/書込みを停止させることにより、プロセッサが読み出したデータの同時性を保証している。しかし、読出し/書込みを停止させた後、しばらく待ってから、プロセッサが最初から読出し/書込みを行うため、プロセッサ性能が低下する問題があった。
しかし、ひとつの通信フレーム単位で受信/送信する毎に、1面/2面を切り替えてデータの同時性を保証するので、複数の通信フレームに分割された大容量データの同時性を保証する際、プロセッサが複数の通信フレームのデータ内容を解析してから、データを処理することとなり、複数の通信フレーム時にはプロセッサ性能が低下する問題が残っている。
しかし、特許文献3と同様に、一つの通信フレーム単位で受信する毎に、3面を切り替えてデータの同時性を保証するので、複数の通信フレーム時にはデータの同時性を保証できない。このため、複数の通信フレーム時にはプロセッサ性能が低下する問題が残っている。
しかしながら、同時性保障するために面切り替えが待たされて、通信システムの性能が低下する問題があった。
図1は、この発明の実施の形態1によるサイクリック通信システムを示す全体構成図である。
図1において、通信ノードである端末A1、端末B2、端末C3は、伝送路のネットワーク4を介して、サイクリック通信フレームの送受信を行うとともに、アプリケーションを実行してシステムを稼働させている。端末A1、端末B2、端末C3の内部構成は、後述するように全て同じである。
端末A1、端末B2、端末C3は、それぞれサイクリック通信のデータを格納するサイクリック用メモリ11a、11b、11cをもっている。
なお、以下では、サイクリック通信フレームを受信フレームまたは送信フレームとも称する。
図2において、端末Aからみた場合、自身(端末A)が送信するデータを111a〜113aで示し、他端末である端末B/Cで受信し格納されたデータは111b〜113b/111c〜113cで示す。
同様に端末Bが送信するデータを114b〜116b、端末Aで受信し格納されたデータを114a〜116aで示す(端末Cが送信する場合も同様で、それぞれ117c〜119cと117a〜119aで示す)。
なお、一つの端末が送信するデータは複数個のデータを含んでいるため、図2上ではアドレスが連続したデータを#1〜#3で示す(例:端末Aが端末Bから送信されたデータは#1が114a、#2が115a、#3が116a)。
以上のように、サイクリック通信では、一つの端末上のサイクリック用メモリ11aを参照することで、ネットワーク4上に接続されている全ての端末のデータが、メモリイメージで参照できることを特徴としている。
図3において、図2のサイクリック通信イメージの通り、サイクリック通信では、一つの端末上のサイクリック用メモリ11aを参照することで、ネットワーク4上に接続され
ている全ての端末のデータが、メモリイメージで参照できることを示している。
なお、サイクリック通信フレームは、送信する端末それぞれで持つ非同期タイミングで送信され、全ての端末は全ての通信フレームを受信し、サイクリック用メモリ11aに格納することを示している。
図4において、データ♯1、♯2、♯3の受信タイミングがずれることにより、3回目データと4回目データの新旧データが混在する期間が生じる。この混在期間にプロセッサが読出した場合、サイクリック通信データの中で新旧データの混在状態で読出される。
データ#1の114aでは新データを読み出しているが、データ#2の115aでは旧データを読み出したため、データの同時性が保証できなくなり、プロセッサ内のアプリケーションが誤動作するタイミングがあることを示している。
このように、データ同時性確保のための機能を持たない場合には、同時性が保証できないタイミングが生じている。
図5において、符号1〜3、11a、11b、11cは図1におけるものと同一のものである。図5は、図1の端末A1の内部構成を示している。なお、端末B2、端末C3も同じ構成である。
図5では、基本的には、サイクリック通信による受信データは、サイクリック用メモリ11aに格納され、プロセッサ14aがプロセッサ制御部1015aに指示して、データの同時性を保証するための構成及びメモリ制御部12aを介して読出す。
自端末が送信する送信データは、プロセッサ14aが、プロセッサ制御部1015aに指示して、データの同時性を保証するための構成及びメモリ制御部12aを介してサイクリック用メモリ11aに書込むようになっている。
通信制御部13aは、ネットワーク4からサイクリック通信により受信した受信フレーム内のデータ及び後述するカウンタ値を、メモリ制御部12a経由でサイクリック用メモリ11aへ書込むとともに、サイクリック用メモリ11aから送信データの読出しを行い、送信フレームを生成して、自端末の周期でネットワーク4へ送信する。
プロセッサ14aは、アプリケーションを実行するとともに、プロセッサ制御部1015aに対し、サイクリック用メモリ11aに対するデータの読出し/書込みを指示する。
プロセッサ制御部1015aは、プロセッサ14aの指示を受けて、サイクリック用メモリ11aに対するデータの読出し/書込みを行い、読出したデータをプロセッサ14aに返す。
送信データメモリ23aと、送信データメモリ24aとは一対で、送信データ切替部22aによって一方を読出し側(読出し側メモリ)、他方を書込み側(書込み側メモリ)とする切替え(面切替え)が行われる。書込み側のときは、プロセッサ制御部1015aによりサイクリック通信データが書込まれる。読出し側のときは、後述するデータ監視制御部2021aによりサイクリック通信データが読出され、サイクリック用メモリ11aにコピーされる。
受信データ切替部25aは、データ監視制御部2021aのコピー処理とは無関係に、後述する受信マップ29aを参照して、受信データメモリ26aと受信データメモリ27aとの面(書込み側と読出し側)の切替えを行う。
データ監視制御部2021aは、サイクリック通信データの送信データメモリの書込み側への書込み処理とは無関係な一定周期で、読出し側の送信データメモリのデータを読出し、サイクリック用メモリ11aにメモリ制御部12a経由でコピーする。
図6において、受信フレーム2005は、ネットワーク4上に流れるサイクリック通信フレームのフォーマットである。
ノードID5aは、受信する端末を示すが、サイクリック通信の場合は、全ての端末を示すALL−Fとする。ブロックNO5bは、各端末ごとかつサイクリック通信データごとにユニークに付与されたサイクリック通信データの番号、オフセット5cは、サイクリック用メモリ11aに格納する先頭アドレス、サイズ5dは、その受信フレーム2005のデータサイズ、データ5eは、サイクリック用メモリ11aに格納すべきデータである。
さらに、受信フレーム2005の最後にFCS(Frame Check Sequence)値5h(CRC(Cyclic Redundancy Check)などのフレームチェックシーケンス)を設けることで、受信時にFCS値5hのチェックをして、受信フレーム2005内のデータの正当性を保証できるようにしている。
図6では、受信フレーム2005が、複数フレーム間のデータ同時性を不要とし、且つ優先的に通信速度を向上させたい高優先フレームであることを示す高優先フラグ5kを、データ領域の先頭に配置させることで、データ監視制御部2021aが、この高優先フラグ付の受信データを面切替えに関わらず、プロセッサ14aが読み出す面の受信データメモリにコピーできるようにする。
図7において、送信マップ28aは、自端末が送信する全てのサイクリック通信データについて、通信フレーム内の格納するブロックNO5bとオフセット5cとサイズ5dを対応付けて、通信フレーム毎に登録している。
但し、サイクリック通信データが大容量になった場合、サイクリック通信データを分割して通信フレームが複数になるため、通信フレーム内のオフセット5cとサイズ5dは通信フレームによって変化する。
送信データ切替部22aは、送信データメモリ23a/24aに送信データを書込みする都度、送信マップ28aに登録されたオフセット5cとサイズ5dの連続アドレス領域が全て書込みされたことを判断すれば、送信データメモリ23a/24aの面を瞬時に切り替えて、データ監視制御部2021aが常に同時性を確保したデータを送信データメモリ23a/24aから読出しできるようにする。
図8において、受信マップ29aは、自端末が受信する全てのサイクリック通信データについて、オフセット5cとサイズ5dを対応付けて、サイクリック通信データの連続アドレス領域毎に登録している。
受信データ切替部25aは、データ監視制御部2021aの動作とは無関係に一定周期で書込み側の受信データメモリ27aを参照して、オフセット5cとサイズ5dからカウンタ値5f/5gのアドレスを計算して読出し、連続アドレス領域内の全てのカウンタ値5f/5gが一致した時に、受信データメモリ26a/27aの面を瞬時に切り替えて、プロセッサ制御部1015aが常に同時性を確保したデータを受信データメモリ26a/27aから読出しできるようにする。
例えば、サイクリック通信データのサイズが12Kbyteであった場合、通信フレームは三つとなり、カウンタ値5f/5gは先頭と最後が三つあるので全6つのカウンタ値5f/5gを全て参照することになる。
(1)まず、高優先フラグ付きでない受信フレームの場合の処理について説明する。
通信制御部13aは、通信フレームを受信する毎に、通信フレーム内のFCS値5hを使って通信フレーム内の正当性を保証できた通信フレームを、メモリ制御部12a経由でサイクリック用メモリ11aに転送することで、通信フレーム内のデータ5eとカウンタ値5f/5gを書き込む。
データ監視制御部2021aは、この通信フレームの受信処理とは無関係な一定周期で
サイクリック用メモリ11aを読み出し、書込み側の受信データメモリ27aに、通信フレーム内のデータ5eとカウンタ値5f/5gをコピーする。
そして、プロセッサ14aは、プロセッサ制御部1015a経由で読出し側の受信データメモリ26aに読出し要求すると、常に受信マップ29aに登録されたサイクリック通信データ単位で同時性を確保したデータを読み出せる。
データ監視制御部2021aは、サイクリック通信データの書込み処理とは無関係な一定周期で読出し側の送信データメモリ24aを読み出し、サイクリック用メモリ11aにメモリ制御部12a経由で、通信フレーム内のデータ5eをコピーする。
通信制御部13aが自端末のサイクリック送信周期に従い、メモリ制御部12a経由でサイクリック用メモリ11aを読み出して、サイクリック通信フレームを送出する。この時に、送信周期毎に加算するカウンタ値5f/5gを、通信制御部13aが通信フレーム内に配置する。
このような送信データメモリ23a/24aの面切替えにより、サイクリック通信データ単位で同時性を確保したデータを自端末から送信できるようになる。
複数の通信フレーム(図9のデータ#1〜データ#3)をサイクリック用メモリ11aに格納するまでの時間がかかるため、データ監視制御部2021aが、一定周期でサイクリック用メモリ11aを読み出すタイミングによっては、旧データ(図9の3回目)と新データ(図9の4回目)が混在したサイクリック通信データを読み出すことがある。
すなわち、受信データ切替部25aは、一定周期で書込み側の受信データメモリ27aを読み出し、受信マップ29aに登録されたオフセット5cとサイズ5dを元にカウンタ値5f/5gが全て同じ値になった時に、受信データメモリ26a/27aの面を切り替えるが(図9では2回目から3回目のデータに切り替えている)、カウンタ値5f/5gが全て同じ値にならない時には、受信データメモリ26a/27aの面を切り替えないようにする。
その後、カウンタ値5f/5gが同じ値の受信データが、書込まれた際に、カウンタ値5f/5gの小さい値の受信データを上書きし、カウンタ値5f/5gが全て同じ値になった時に、受信データメモリ26a/27aの面を切り替える。
図9で、高優先フラグ付きのデータ#2に限っては、プロセッサ制御部1015aが即座に読み出せるように、データ監視制御部2021aが受信データメモリ26a/27a両面ともに書込む。すなわち、読み出す面の受信データメモリにも書込むようにする。
こうすることで、受信データ切替部25aは、高優先フラグ付きでない受信フレームの場合の上述の処理を行っていても、プロセッサ制御部1015aが高優先フラグ付きのデータ#2を即座に読み出すことができる。
図10は、この発明の実施の形態2によるサイクリック通信システムの端末の構成を示すブロック図である。
図10において、符号1、11a〜14a、22a〜28a、1015aは図5におけるものと同一のものである。図10では、図11に後述する受信マップ3029aを有し、データ監視制御部3021aは、受信マップ3029aを参照して、単一フレームかどうかを判断する。
図11において、5c、5dは図8におけるものと同一である。図11では、受信マップ3029aに、送信マップ28aと同じブロックNO5bを付加している。自端末が受信する全てのサイクリック通信データにおいて、オフセット5cとサイズ5dを対応付けて、サイクリック通信データの連続アドレス領域毎に登録するだけでなく、ブロックNO5bも対応付けている。
データ監視制御部3021aは、受信データの通信フレーム内のブロックNO5bを抽出し、受信マップ3029a内の該当するブロックNO5bが一つしか登録されていない場合、単一フレームと判断する。
単一フレームと判断された場合、実施の形態1の高優先フラグ付きデータと同様に処理することで、受信データの同時性を確保したまま、単一フレームの通信性能を向上することができる。
図12は、この発明の実施の形態3によるサイクリック通信システムの端末の構成を示すブロック図である。
図12において、符号1、11a〜14a、22a〜28a、1015a、3029aは図10におけるものと同一のものである。送信衝突検出部4050aは、例えばCSMA/CD(Carrier Sense Multiple Access/Collision Detection)方式のように送信動作中に常に受信して自身が送信したデータと異なるデータを受信した場合に衝突と判断する。
送信衝突履歴情報4052a(送信衝突履歴情報部)には、衝突したフレームのフレー
ム送信情報が登録される。衝突検出信号4051aは、衝突が発生したことを示す信号であり、送信衝突検出部4050aからデータ監視制御部4021aに通知される。データ監視制御部4021aは、送信衝突履歴情報4052aの登録順序に従い、消失した通信フレームを再送信する。
図13において、送信衝突履歴情報4052aは、図7の送信マップと同じフォーマットであり、自端末が再送信するサイクリック通信データにおいて、ブロックNO5bとオフセット5cとサイズ5dを対応付けて、再送信するべきサイクリック通信データが登録される。
送信衝突検出部4050aは、例えばCSMA/CD方式のように送信動作中に常に受信して自身が送信したデータと異なるデータを受信した場合に衝突と判断し、送信動作を緊急停止して受信動作に切り替えて、衝突が発生したことを示す衝突検出信号4051aによりデータ監視制御部4021aに通知する。
この通知する手段として、送信衝突検出部4050aが送信衝突履歴情報4052aを生成し、衝突したフレームのブロックNO5b、オフセット5c、サイズ5dのように次回再送信できるフレーム送信情報を登録する。
データ監視制御部4021aは、送信マップ28aに登録された通信フレームを全て送信した後で、送信衝突履歴情報4052aの登録順序に従い、消失した通信フレームを再送信することで、フレーム衝突が多発する状態でも通信データを確実に送受信できるようにする。
データ監視制御部4021aが持つ送信周期タイミングに従い、送信開始する時刻になるまで待った後(ステップS1)、送信開始になれば、送信マップ28aを参照して、送信手順(ブロックNO5bとオフセット5cとサイズ5d)を取得する(ステップS2)。
この取得した情報を元に送信データメモリ(読出し側)24aから送信データを読み出して(ステップS3)、メモリ制御部12aに転送する(ステップS4)。
以上の処理を送信マップ28aに登録された回数まで繰り返して、送信完了させる(ステップS5)。送信完了後、衝突検出信号4051aの通知があった場合(ステップS6)、送信衝突履歴情報4052aを参照し、再送信するフレーム(ブロックNO5bとオフセット5cとサイズ5d)を全て取得し(ステップS7)、予め設定した時間を待った後、登録順序に従い送信手順を決定する(ステップS8)。
再送信が完了したら(ステップS11)、送信処理を終了し、送信開始待ちに戻る。
して、ネットワークのデータ損失を回避することができる。
また、ネットワーク上で送受信のどちらか一方しか処理できない半二重ネットワークにも対応することができる。
図15は、この発明の実施の形態4によるサイクリック通信システムの端末の構成を示すブロック図である。
図15において、符号1、11a〜14a、22a〜27a、1015a、3029a、4050a〜4052aは図12におけるものと同一のものである。図15の端末A1は、再送信する通信フレームの優先順位を有する送信マップ5028aと、この送信マップ5028aを参照するデータ監視制御部5021aを有している。
図16において、5b、5c、5dは図7におけるものと同一のものである。図16の送信マップ5028aは、再送信する順番を決めるための優先順位5mを有する。優先順位5mは、例えば、最高優先であれば1、最低優先であれば5に設定するものとし、同一であれば先頭行から順次送信するように決められている。
送信マップ5028aに登録された通信フレームを全て送信した後で、送信衝突履歴情報4052aに登録された全ての再送信フレームについて、送信マップ5028aの優先順位5mを取得して、その優先順位に従い、消失した通信フレームを再送信する送信手順を見直すようにした。
これにより、フレーム衝突が多発する状態でも、緊急度の高いデータを優先的に送受信できるようにする。
この優先順位5mは、再送信する順番を決めるもので、例えば、最高優先であれば1、最低優先であれば5に設定するものとし、同一であれば先頭行から順次送信する。
なお、図17のステップS1〜ステップS7、ステップS9〜ステップS11の処理は図14の処理と同一であり、その説明を省略する。
図17では、ステップS7に次いで、ステップS21とステップS22の処理を実行する。
送信完了後(ステップS5)、衝突検出信号4051aの通知があった場合(ステップS6)、再送信するフレーム(ブロックNO5bとオフセット5cとサイズ5d)を全て取得する(ステップS7)。
以下、ステップS9以降の処理により、再送信を実行する。
また、ネットワーク上で送受信のどちらか一方しか処理できない半二重ネットワークにも対応することができる。
図18は、この発明の実施の形態5によるサイクリック通信システムの端末の構成を示すブロック図である。
図18において、符号1、11a〜14a、22a〜28a、1015a、3029a、4050a〜4052aは図12におけるものと同一のものである。図18の端末A1は、データ監視制御部6021aに特徴を有している。
送信マップ28aに登録された通信フレームを順次送信している途中で、衝突検出信号4051aが通知されると、送信衝突履歴情報4052aに登録された再送信フレームを即座に読み出して、消失した通信フレームを連続的に再送信することで、フレーム衝突が多発する状態でも、優先度に無関係なシステムでも、確実に送受信できるようにしている。
なお、図19のステップS1〜ステップS11の各処理は図14の処理と同一であり、その説明を省略する。
図19では、ステップS4に次いで、ステップS6以降を実行し、ステップS11の再送信が完了したときに、ステップS5を実行するように、図14の実行順序を変更している。
次いで、決定した送信手順に従い、送信データメモリ(読出し側)24aから送信データを読み出して、設定した一定時間を待った後(ステップS9)。再送信する通信フレームをメモリ制御部12aに転送する(ステップS10)。
そして、再び衝突に伴うフレーム衝突が発生した場合でも再送信できるよう、再送信完了を確認した後(ステップS11)、送信マップ28aに従う次の通信フレームを送信する(ステップS5)ので、更に確実に送受信できるようにしてから送信開始待ちに戻ることができる。
、フレーム衝突が多発する状態でも、確実に送受信することができる。
また、ネットワーク上で送受信のどちらか一方しか処理できない半二重ネットワークにも対応することができる。
11a サイクリック用メモリ、11b サイクリック用メモリ、
11c サイクリック用メモリ、12a メモリ制御部、13a 通信制御部、
14a プロセッサ、22a 送信データ切替部、23a 送信データメモリ、
24a 送信データメモリ、25a 受信データ切替部、26a 受信データメモリ、
27a 受信データメモリ、28a 送信マップ、29a 受信マップ、
1015a プロセッサ制御部、2005 受信フレーム、
2021a データ監視制御部、3021a データ監視制御部、
3029a 受信マップ、4021a データ監視制御部、4050a 送信衝突検出部、
4051a 衝突検出信号、4052a 送信衝突履歴情報、
5021a データ監視制御部、5028a 送信マップ、
6021a データ監視制御部
Claims (5)
- 複数の端末がネットワークを介してサイクリック通信を行うサイクリック通信システムであって、
上記端末は、
上記サイクリック通信に使用されるデータを格納するサイクリック用メモリ、
上記サイクリック用メモリの送信データから通信フレームを作成し、この作成した通信フレームを送信するとともに、上記ネットワークを介して受信した通信フレーム内の受信データを上記サイクリック用メモリに格納する通信制御部、
上記受信データが書き込まれる書込み側メモリと、上記受信データが読み出される読み出し側メモリとを有する受信データメモリ、
上記受信データメモリの書込み側メモリと読み出し側メモリとを互いに切り替える受信データ切替部、
および上記サイクリック用メモリから上記受信データを上記受信データメモリにコピーするデータ監視制御部を備え、
サイクリック通信データを複数の通信フレームによって送受信する場合の各データの同時性を確保するために、上記通信フレームには、サイクリック通信の周期ごとにカウントされるカウンタ値が付加されるとともに、優先的に処理する必要のある通信フレームには高優先フラグが付与され、
上記受信データ切替部は、上記カウンタ値を用いて、各データの同時性を確認してから上記書込み側メモリと読み出し側メモリとを切り替え、
上記データ監視制御部は、上記高優先フラグの付いていない受信データについては、上記受信データメモリの書込み側メモリにコピーするとともに、上記高優先フラグの付いた受信データについては、上記受信データメモリの読み出し側メモリにコピーすることを特徴とするサイクリック通信システム。 - 自端末が受信する全ての受信データについて、各端末ごとかつサイクリック通信データごとに付与されたブロック番号と、上記サイクリック用メモリに格納されるときの先頭アドレスであるオフセットと、当該受信データのデータサイズとを有する受信マップを備え、
上記受信データ切替部は、上記受信データメモリの切り替えを上記受信マップを参照して行い、
上記データ監視制御部は、上記受信マップの上記ブロック番号を参照して、当該受信データが単一フレームであることを判断するとともに、単一フレームと判断された受信データを、上記受信データメモリの読み出し側メモリにコピーすることを特徴とする請求項1記載のサイクリック通信システム。 - 自端末が送信する全ての送信データについて、各端末ごとかつサイクリック通信データごとに付与されたブロック番号と、上記サイクリック用メモリに格納されるときの先頭アドレスであるオフセットと、当該送信データのデータサイズとを有する送信マップ、
上記通信制御部が通信フレームを送信した場合に、ネットワーク上で当該通信フレームが他の通信フレームと衝突したことを検出する送信衝突検出部、
およびこの送信衝突検出部により、通信フレームの衝突が検出された場合に、衝突した通信フレームの情報を時系列で格納する送信衝突履歴情報部を備え、
上記データ監視制御部は、上記送信マップの送信データを送信するように制御するとともに、上記送信衝突検出部により、衝突検出された場合には、上記送信衝突履歴情報部を参照して、上記送信マップの送信データを送信した後に、上記衝突した通信フレームを再送信するよう制御することを特徴とする請求項1または請求項2記載のサイクリック通信システム。 - 上記送信マップは、上記通信フレームを再送信する順序を含み、
上記データ監視制御部は、上記送信衝突検出部により、通信フレームの衝突が検出された場合の通信フレームの再送信に当たって、上記送信マップを参照し、上記送信マップの再送信順序により再送信するように制御することを特徴とする請求項3記載のサイクリック通信システム。 - 上記通信制御部が通信フレームを送信した場合に、ネットワーク上で当該通信フレームが他の通信フレームと衝突したことを検出する送信衝突検出部を備え、
上記データ監視制御部は、上記送信衝突検出部により、通信フレームの衝突が検出された場合には、直ちに、衝突した通信フレームを再送信するよう制御することを特徴とする請求項1または請求項2記載のサイクリック通信システム。
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