JP3699722B2 - 中継器 - Google Patents

Description

発明の背景
１．発明の分野
本発明は、トランシーバおよびトランシーバモジュールの分野に関し、具体的にはツイストペア線とインテリジェント・セルとをインタフェースさせ、データ伝送媒体を介した給電を行うトランシーバおよびトランシーバモジュールに係わる。
２．従来の技術
米国特許第４９１８６９０号で述べられているネットワークのような、検出、通信、および制御を行う分散インテリジェンス・ネットワークが知られている。このネットワークは複数のノードを含み、各ノードはツイストペア線などの共通媒体に接続されたセルとトランシーバを備えている。
このようなネットワーク用のトランシーバおよび関連構成要素については、米国特許第５１４８１４４号および１９９１年８月にＥｃｈｅｌｏｎ Ｃｏｒｐｏｒａｔｉｏｎから刊行された刊行物「Ｉｍｐｌｅｍｅｎｔｉｎｇ Ｔｗｉｓｔｅｄ−Ｐａｉｒ Ｔｒａｎｓｃｅｉｖｅｒｓ ｗｉｔｈ Ｎｅｕｒｏｎ（Ｒ） Ｃｈｉｐｓ」で述べられている。
後述するように、本発明は１本のツイストペア線で電力と通信信号の両方が伝送される単一のツイストペア線で動作する改良型トランシーバモジュールを提供する。
発明の概要
ツイストペア線などの線路によって相互接続された複数のノードを有するネットワークにおける改良について述べる。そのネットワークでは線路を介してパケットを伝送することによって通信が行われ、パケットの終わりが第１のパルスの伝送によって示される。第１のパルスは、周知の極性を有するほかに、パケット内のデータを表すために用いられるパルスの長さよりも長い所定の長さを有する。第１のパルスが線路に伝送された後、第２のパルスが線路に伝送される。この第２のパルスは第１のパルスとは極性が反対であり、長さは第１のパルスとほぼ等しい。第２のパルスの後に線路はクランプされる。この方法によって、パケット間のデッドタイム中に発生する線路内の過渡現象が減衰する。
また、後述するように本発明のトランシーバモジュールを相互接続して、ネットワーク間でパケットを中継する中継器を形成することもできる。
さらに、後述するように、各トランシーバモジュールはモジュール内の電力を減少させるために休眠モードで動作することができる。このモードは、セルが条件または事象を断続的に検出するだけで済む場合には特に有用である。
本発明の他の態様は、以下の詳細な説明から明らかになろう。
【図面の簡単な説明】
第１図は、ネットワークの全体図である。この図は、本発明の方法および装置とともに使用することができる自由トポロジを示すために用いる。
第２図は、第１図のネットワークの各ノードに関連する主要構成要素を示すブロック図である。
第３図は、本発明に従ったトランシーバモジュールのブロック図である。
第４図は、本発明に従ったトランシーバモジュールの結線を示すブロック図である。
第５図は、中継器を構成するために用いられる本発明の２個のトランシーバモジュール間の結合を示す図である。
第６図は、本発明の休眠モードに関連する一連のステップを示す図である。
第７図は、本発明の教示に従って、エネルギーを消散させ、線路上のリンギングを防止するために、線路上のデータ・パケット間に結合される信号を説明するための波形を示す図である。
発明の詳細な説明
分散インテリジェンスを有するネットワークで用いるトランシーバモジュールについて説明する。以下の説明では、本発明が十分に理解されるように、特定の電圧レベルなど多くの具体的な詳細を記載する。当業者には、これらの詳細を用いなくても本発明を実施できることは明らかであろう。他の実施形態では、本発明が無用に不明確にならないように、周知の回路および方法については詳細には記載していない。
ネットワークの概要
第１図を参照すると、ツイストペア線で相互接続されたノード１６、１７、１８などの複数のノードを備えたネットワークが図示されている。図のように、線路は分岐１１、１２、１３、１４、および１５などの多くの分岐を形成している。本発明のトランシーバモジュールでは、分岐を事実上任意の場所に配置することができる。すなわち、ネットワークのトポロジが制約されない。分岐は、必要に応じて簡単に付加することができる。成端は不要であり、たとえば終端１９は成端されていない。さらに、後述するように、ノード間のこの２つの線路相互接続は極性に無関係である。また、様々なゲージ線を使用することができ、たとえば線路１１を１２ゲージ線とし、線路１５を２２ゲージ線とすることもできる。単一分岐、環状、星状またはこれらの組み合わせで構成することができるこの自由トポロジは、理想的な二重成端伝送線を必要とする、一部のツイストペア・トポロジとは好対照を成す。
現在のところ好ましい実施形態では、すべてのノードがツイストペア線を介して中央電源９から電源を受け取る。電源９は、ソース結合器１０を介してネットワークに結合されている。ソース結合器１０は、ツイストペア線と電源とを分離する。ソース結合器１０によって、電源９から電流を流すことができると同時に、ツイストペア線で高周波通信信号を流すことができる。結合器１０の現在のところ好ましい実施形態については、１９９３年７月１４日に米国出願され、本出願の譲受人に譲渡された出願第０８／０９１，８７７号「Power Coupler For Coupling Power From A Transmission Line To A Node Thereon」（米国特許第５４２４７１０号）に記載されている。現在のところ好ましい実施形態では、４２ボルト（またはそれ以下）の直流電位を使用し、ソース結合器１０によって調整して、ツイストペア線１１に供給し、電源９からネットワークのすべてのノードに給電する。
第１図のネットワークは、ほぼ米国特許第４９１８６９０号で述べられている通りに動作する。たとえば、ノード１７にライトのスイッチを付随させ、スイッチ位置が変わるとそれを検出し、分岐を介して適切な１つまたは複数のパケットを、ライトを制御することができるノード１６に伝送することができる。
ツイストペア線２３とセル２７とをインタフェースさせる点線４０内に図示されたトランシーバモジュールを備えた、第１図の典型的なノードを第２図に示す。米国特許第４９１８６９０号で述べられているように、セルは線路２１を介して制御や検出を行うことができる。現在の好ましい実施形態では、トランシーバモジュール４０はノード結合器２４、電源２６、および信号のトランシーバ２５を備えている。結合器２４は、高周波通信パケットを線路２３からトランシーバ２５に結合させると同時に、線路２３から直流電力を電源２６に結合させる。トランシーバ２５は、着信データを検出し、それをセルに伝達する。また、トランシーバはセル２７からの送出データを受け、ネットワーク内での伝送に適合する波形を作成して、その送出データを結合器を介して線路２３に結合する。電源２６は線路２３から線間電圧（たとえば４２ボルト）の電力を受け取り、＋５ボルトに変換してトランシーバ２５とセル２７に電力を供給する。
本発明のトランシーバの現在の好ましい実施形態
第２図のトランシーバモジュール４０を、第３図に詳細に図示する。極性ブリッジ３０はツイストペア線に直接結合されており、ネットワークからの正の直流電位が確実に線路６０に結合されるようにし、ツイストペア線の他方の線が線路６１に結合されるようにしている。
現在のところ好ましい実施形態では、電源２６はツイストペア線からの直流電位を＋５ボルトに変換する。現在の好ましい実施形態のＤＣ−ＤＣ電源２６は、１８ないし４２ボルトの電圧を受け取って、トランシーバ２５とセルに電力を供給するために＋５ボルトに変換することができる。電源２６は、２つのノード電力アイソレータ３１および３２を介して線路２３に結合される。この２つのアイソレータは、その出力端でコンデンサ３４の両端間の直流電位を出力し、その電位はＤＣ−ＤＣ電源２６で＋５ボルトに変換される。実際において、アイソレータ３１および３２は直流電位をコンデンサ３４に渡すと同時に、線路６０および６１上の高周波通信信号が電源２６によって減衰されるのを防ぐ。したがって、アイソレータ３１および３２は、理想的にはたとえば直流から最大１ｋＨｚまではゼロ・インピーダンスを有し、１ｋＨｚから１００ｋＨｚまで実質インピーダンスを供給する。アイソレータは、当技術分野で周知の離散型受動素子で実現することができる。現在の好ましい実施形態では、アイソレータはバイポーラ技術を用いて（インダクタを用いずに）実現し、実際にはアイソレータ３１、３２およびＤＣ−ＤＣ電源２６を単一の基板上にバイポーラ集積回路として作製する。
アイソレータおよび関連回路の現在のところ好ましい実施形態は、１９９３年７月２０日に米国出願され本出願の譲受人に譲渡された出願第０８／０９４，４５９号「Apparatus and Method for Providing AC Isolation While Supplying DC Power」（米国特許第５４９１４０２号）で開示されている。
トランシーバ２５は、コンデンサ３５および３６を介してツイストペア線と交信し、線路４２を介してセルと交信する。第１図のネットワークで可能な自由トポロジのため、トランシーバ２５から線路に伝送されるパルスの波形は、たとえばリンギングや反射などを減らすような形状になっている。現在のところ好ましいトランシーバ２５は、相補金属酸化膜半導体（ＣＭＯＳ）技術を用いて単一の基板上に作製される。使用する具体的な波形およびトランシーバ２５のその他の詳細については、１９９３年７月１４日に米国出願され、本出願の譲受人に譲渡された出願第０８／０９２，２５２号「Transceiver for Transmitting And Receiving Stair-Stepped Sinusoidal Waveforms」（米国特許第５４０８４９７号）で開示されている。
現在のところ好ましい実施形態では、第３図の素子はすべて、第４図にトランシーバモジュール４０として図示されている単一のモジュールにまとめて実装されている。モジュール４０はツイストペア２３に結合されて図示されている。モジュール４０は線路６５に＋５ボルトを供給する。この電位はセル２７に結合される。外部のインダクタ５６およびコンデンサ５７はＤＣ−ＤＣ電源２６の一部である。電力の帰線は線路６６である。この電力は、ノードに関連する他の素子を動作させるためにも使用される。たとえばこの電力は、線路３７を介してセル２７に結合されるセンサや制御素子によって使用される。
セル２７の外部の回路４１には水晶が組み込まれており、セル２７とトランシーバモジュール４０の両方のためにクロック信号を発生する。モジュール４０の端子６６および６７が＋５ボルトの電位または接地に相対的に結合され、モジュールの動作のための周波数を選択する。たとえば、端子６６および６７の両方を接地に結合することによって１０ＭＨｚが選択され、端子６６を＋５ボルトに接続し、端子６７を接地に接続することによって２．５ＭＨｚが得られる。さらに、トランシーバモジュールのビット伝送速度は、端子６８および６９を接地または＋５ボルトの電位に接続することによって選択可能である。たとえば、両方の端子６８および６９を接地に結合することによって７８ｋｂｐｓが得られ、両方の端子を＋５ボルトに結合することによって最小ビット伝送速度９．８ｋｂｐｓが得られる。
セル２７がデータ伝送可能になると、線路７２で許可信号を送り、その信号がモジュール４０のＴＸＥ端子に結合される。この伝送許可信号によって、モジュールは線路７０でデータのパケットを受信できるようになり、パケットをツイストペア線２３に伝送することができるようになる。ツイストペア線でデータが送られるときは、モジュール内で搬送波検出が行われ、端子７３に信号が与えられる。第４図の実施形態の場合この信号は使用されない。線路２３からのデータは、ＲＸＤ端子から線路７１を介してセルに結合される。
セル２７は線路７４を介してモジュール４０に休眠信号を送る。この信号によってトランシーバモジュール４０の電力が低下する。すなわち、電力消費量が少なくなる。休眠時には、モジュール４０は線路２３上のデータを検知することができない。しかし、モジュールの電源は動作して、セルおよび覚醒回路などモジュール４０の一部の回路に電力を供給する。モジュール４０の覚醒回路は、外部コンデンサ７６に結合されている。コンデンサの容量は、休眠期間をどの程度の長さにするかに応じて選択される。休眠期間の終了時に、モジュール４０から線路７７を介して覚醒信号がセル２７に伝送される。休眠モードの動作については、第６図と関連させて説明する。モジュール４０にはコンデンサ７５も結合されており、電源フィルタリングを行う。線路７８を介してモジュールにリセット信号が結合される。
中継器
第４図の２つ以上のトランシーバモジュール４０を結合してセルを必要とせずにｎ路の中継器を形成することができる。第５図では、ツイストペア線４８と４９の間で信号を中継する必要があるものとする。中継器を形成するために、第５図に示すように２つのモジュール４４および４５を使用する。これらの各モジュールは、第４図のモジュール４０と同じものとすることができる。第５図には、中継器機能を説明するのに必要なモジュール端子だけが図示されている。
中継器を形成するために、モジュール４４の受信データ端子がモジュール４５の伝送データ端子に接続されている。同様に、モジュール４５の受信データ端子はモジュール４４の伝送データ端子に接続されている。モジュール４４の受信搬送波検出端子はモジュール４５の伝送許可端子に接続されている。同様に、モジュール４５の受信搬送波検出端子はモジュール４４の伝送許可端子に接続されている。これらの接続は、光アイソレータ４６を介して行われることが好ましい。
ツイストペア線４８上にデータがある場合、モジュール４４内で搬送波検出が行われ、これによってモジュール４５の伝送機能が作動可能になる。ツイストペア線４８からのデータは、モジュール４４のＲＸＤ端子からモジュール４５の伝送端子に結合され、線路４９に結合される。同様に、線路４９にデータ信号がある場合、モジュール４５によって搬送波が検出され、それによってモジュール４４の伝送が可能になる。線路４９から受信したデータはモジュール４４への伝送端子に結合され、線路４８に伝送される。
第５図に示すように、発振器５０がモジュール４４と４５の両方にクロック信号を送る。この発振器は第４図の発振器と同じものとすることができる。この発振器には、いずれか一方のモジュールから電力が供給される。
ｎ路中継器は、トランシーバモジュールの内部機構によって比較的簡単に作製される。この機構によって、モジュールのＲＸＣＤ信号がいったん活動状態（たとえば高）になると、その内部ＴＸＥ信号が非活動状態（たとえば低）を確実に保持するようになる。このため、ｎ路中継器はｎ入力路ＯＲゲートを２つしか使用しない。一方のＯＲゲートがすべてのＲＸＣＤ信号を入力信号として受信し、その出力端はすべてのＴＸＥ端子に結合されている。前述の機構のため、受信モジュールはそのＴＸＥ端子がＯＲゲートによって駆動されても伝送を行わない。他方のＯＲゲートは、すべてのＲＸＤ信号を入力信号として受信し、その出力端はすべてのＴＸＤ端子に接続されている。この場合も、第５図に示す２路の場合のように、光アイソレータを使用することができる。
休眠モード
使用例によっては、第４図のセル２７は断続的に動作するだけでよい場合がある。たとえば、セル２７が火災検知器、煙検知器、警備装置などを検知する場合は、そのような検知器の状態を２秒に１回検知すれば済む。この役割では、トランシーバモジュールは、セルによって判断された検知器の状態を単にネットワークに伝えるためにのみ使用され、ネットワークからのデータをセルに伝える必要はない。このような使用例で電力を節約するために、現在好ましい実施形態ではセルとトランシーバを休眠させることができる。
たとえば、セル２７が、センサに対する問い合わせを完了し、トランシーバモジュールを介してセンサの状態が報告されたものとする。（第６図の機能５３として図示されている）この機能が終了すると、セルは線路７４を介してモジュール４０に休眠信号を送る。次に、セル自体が電力低下状態になり、それによって電力節約の大半が実現される。線路７４上の信号によって、モジュールの電力が低下し、たとえばモジュールは線路２３上の通信信号を検知しなくなる。これは、第６図のステップ５４によって図示されている。
休眠期間の長さはコンデンサ７６の容量によって制御される。ステップ５１に示すように、モジュール４０はたとえば２秒後に再び動作を開始する。ステップ５２に示すように、線路７７を介してセル２７に覚醒信号が送られる。これによってセルが再起動し、検知器の状態の検知などの機能を再び実行し、検知器の状態に関する１つまたは複数のパケットをネットワークに伝える。
ツイストペア線上の漂遊信号の減衰
現在のところ好ましい実施形態では、データストリームは直流電力に付加された±１ボルトの振幅を有するパルスとして伝送される。データはデータを伝送するセルによってパケットに編成される。パケットとパケットの間には最小限の所定の「デッド・タイム」が発生する。自由トポロジのため、このデッド・タイム中にツイストペア線内で過渡現象が発生する可能性がある。
第７図で、ビット７９はツイストペア線に伝送されるデータ・パケットの終わりに現れるデータ・ビットを表す。伝送終了時に、伝送を行うセルの伝送許可信号が非活動状態になる。これは第４図の線路７２で結合されている信号である。パケット伝送の終了時に、セルはデータパルス幅の２倍の幅を有するパルスを送る。これは第７図で「コードバイオレーション」として示されている。このようなコードバイオレーションは、たとえばイーサネット・ネットワークなどでパケットの終わりを示すために使用される。すべてのノードがこのコードバイオレーションを検出することができ、この情報を使用してタイミング・シーケンスを開始する。コードバイオレーションは、たとえば＋１ボルトなど、いずれかの極性の所定の長さを持つ。
本発明では、コードバイオレーションの直後にアンチコードバイオレーションが続く。これは、コードバイオレーションとは反対の極性のパルスであり、コードバイオレーションと同じ長さを持ち、たとえば第７図に示すように２ビット・タイムで−１ボルトである。アンチコードバイオレーションは、コードバイオレーションを送信したトランシーバモジュールによって送られる。アンチコードバイオレーションの目的は、コードバイオレーション信号の効果を無効にすることである。ツイストペア線がコードバイオレーションの終わりでトランシーバによって解放されるとすれば、ツイストペア線は帯電することになり、ネットワークで望ましくない過渡現象が発生する可能性があることに留意されたい。したがって、アンチコードバイオレーションを使用してコードバイオレーションを補正する。ただし、コードバイオレーションとは異なり、アンチコードバイオレーションはネットワークに情報を伝えるためには使用されない。
現在のところ好ましい実施形態では、アンチコードバイオレーションの後に少なくとも３００マイクロ秒間、低インピーダンススイッチによって２つのトランシーバ出力端子が一緒にクランプされる。これは第７図で「クエンチ」として示されている。これはさらに、線路上の望ましくない過渡現象を防止する役割を果たす。このクエンチは、パケットとパケットと間の保証デッドタイム期間全体にわたって持続することができる。
以上のように、ツイストペア線によって相互接続されたインテリジェントセルを有するネットワークで特に有用なトランシーバモジュールについて説明した。

Claims (3)

1. 第１の線路からのデータが結合される受信データ端子と、第１の線路に伝送されるデータを受信する伝送データ端子と、第１の線路への伝送を可能にする信号を受信する伝送許可端子と、第１の線路上で伝送が検出されると信号を送る信号検出端子とを有する、第１の線路に結合する第１のトランシーバと、
   第２の線路からのデータが結合される受信データ端子と、第２の線路に伝送されるデータを受信する伝送データ端子と、第２の線路への伝送を可能にする信号を受信する伝送許可端子と、第２の線路上で伝送が検出されると信号を送る信号検出端子とを有する、第２の線路に結合する第２のトランシーバと、
   第１のトランシーバの前記第１の受信データ端子と第２のトランシーバの前記伝送データ端子との間の第１の接続部と、
   前記第１のトランシーバの前記伝送データ端子と前記第２のトランシーバの前記受信データ端子との間の第２の接続部と、
   前記第１のトランシーバの前記伝送許可端子と前記第２のトランシーバの前記信号検出端子との間の第３の接続部と、
   前記第１のトランシーバの前記信号検出端子と前記第２のトランシーバの前記伝送許可端子との間の第４の接続部と
   を備えた中継器。
2. 前記第１および前記第２のトランシーバに結合されクロック信号を発生する発振器を備えた請求項１に記載の中継器。
3. 前記接続部内の分離を行う分離手段を備えた、請求項１に記載の中継器。

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