JP4359860B2 - 分散型直列制御システム - Google Patents
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Description
発明の分野
本発明は、布線通信（wired communication）と制御システムに関し、特に、複数のセンサー、アクチュエータ、処理素子（processing element）を持つネットワークにおいて同一線にそって電力とメッセージ情報の同時分配（simultaneous distribution）をもたらす装置に関する。
発明の背景
分散型制御システム（distribted control system）として知られるものは、電力とデータの供給が行われるいくつかのインテリジェント「セル」を具備し、このセルには一つまたはそれ以上のセンサー、アクチュエーターなどの外部ペイロード素子が結合（coupled）され、またセルにおいて、アクチュエーターはプロセッサーが生成する制御信号に呼応して作動し、プロセッサー自体はデータ信号とセンサーで生成されるセンサー信号に反応（responsive）する。
かかるネットワークは例えば、Echelon Corporationに譲渡された米国特許４，９１８，６９０（Markkula, Jr.ら）にみられるが、この技術に関してEchelon Corporation名義の米国特許がこれら以外にもいくつかある。プログラム可能なセルには、それぞれ製造過程で、固有（unique）の４８ビットの識別番号（ＩＤ）が与えられており、この番号はセルにおいて不変に保たれる。セルは電力線（power line）、撚線対、無線周波数（radio frequency）など、異なる媒体に結合されてネットワークを形成することができる。
ネットワーク内のセルはグループを形成して、特定の機能を果たし、それぞれのＩＤを介してアドレスされる。セルの一部（アナウンサー）は例えばスイッチの状態を検出するタスクを与えられ、他のセル（リスナー））は照明（light）の制御などの制御をタスクとする。これらセルは複数のタスクを実行でき、ネットワーク内の異なるグループのメンバーになることができる。例えば、あるセルは、あるグループについてはリピーター（repeater）として、また他のグループについてはリスナーとして機能することができる。
図１に、Echelon Corporationに譲渡された米国特許５，４５４，００８（Baumannら）に記載されるような、典型的なネットワーク・コンフィギュレーション１を示す。セルは複数のノード２によって示し、ノードは撚線対３によって互いに接続している。線は多数の分岐を形成し、それぞれに単一のノードが接続されて、すべて中央の電力サプライ４から撚線対を通って電力を受ける。電力サプライ４は電源結合器５（source coupler）を通ってネットワークと接続する。このような配置においては、それぞれのノードは有効な線成端（line termination）を形成するため、追加分岐を必要に応じて接続して、新しいノードでそれぞれの分岐を終端させれば、より多くのノードをネットワーク内に収める（accommodated）ことができる。
このネットワーク・コンフィギュレーションでは、既知の星型トポロジー（star topologies）に比べ、ケーブリング・オーバーヘッド（cabling overhead）を少なくすることで、追加ノードを収納するための拡張（extension）が比較的容易にできる。しかし、図１に示すバス・トポロジーの場合、それぞれのセルあるいはノードを個々にアドレスするには、複雑なアドレス操作（addressing）が必要である。さらに、伝送ノード（transmistting node）は全ネットワークをつなぐ（ties up）ため、２つ以上のノードが同時にデータ伝送を行うのを妨げることになる。
さらに、上記米国特許４，９１８，６９０ならびにその他の先行技術のノードあるいはセルは一般に中央管理方式（centralized management）を採用しており、そのため各ノードはノード自体にとっては外部の論理に従って作動している。
記述したような制御ネットワークの展開は、これもEchelon Corporationに譲渡された米国特許５，１４８，１４４（Sutterlinら）に記載される方式によるデータの電力信号へのスーパーインポジション（superimposition of data on a power signal）に端を発している。このようなトポロジーは、各電力出口（power outlet）が中央分電盤（central distribution board）に放射状に接続される、放射状すなわち星型トポロジーを主として採用してきた家庭用ならびに産業用配線分配システム（wiring distribution system）のトポロジーによって決まる。したがって、このようなシステムにおいては、それぞれのセルをそれぞれの電力出口に結合するようにすると、星型トポロジーをもつ非分散型ネットワークを必然的に形成することになる。
先行技術のコンフィギュレーションにいくつかの欠点があることは明白であろう。一般に、通信はあるセルの出力（output）と、これに接続された複数のセルの対応する入力（input）との間で成立（effected）する。これはシステム内での限定的なデータ伝送（limited data transfer）という結果をもたらす。さらに、ネットワークの一部に結合されたノイズなど（noise coupled to a part of the network）、通信に問題がある場合、いくつかのセルが並列接続していて、ノイズがネットワーク全体の劣化をもたらすため、問題の出所を突き止めるのがより困難になる。
加えて、このようなコンフィギュレーションでは、隣りあう分岐間の接合部（junction）で入手可能な電力が分割（split）され、各分岐に届くのは電源から供給されるパワーの一部にすぎないため、コンフィギュレーションは電力不足（power-limited）になる。
最後に、先に述べたように、製造過程でセルに焼き付けるか（burnt into）あるいは設置時に手で取り付けるかした固有ＩＤを用いてアドレスしなければならない。これには、各セルのネットワーク内での位置があらかじめコントローラーにわかるようにコントローラーをプログラムしなければならないため、ネットワークの柔軟性が失われる。そのため、セルを互いに交換する、追加する、取り除くなどすると、それに応じてコントローラを再度プログラムし直さなければならず、この種のトポロジーではリアルタイムで処理中に「その場で」（“on the fly”）アドレスを割り当てるための用意がない。
米国特許５，５３５，３３６（Smithら）にも、基本的には電力とデータをネットワーク中の別個の線に沿って通信するためのバストポロジーを用いるコンピューターネットワークが記載されている。ネットワーク中のノードを電気的に相互に区別できないことから生じる、バストポロジーにまつわるアドレス操作の問題に対応するために、追加の「デージーチェーン」接続ネットワークを設けて、初期化中のパワーオン時に（up on powe-on during initilization）ネットワーク中のすべてのセルに対する「１回きり」（one time only）の制御信号伝送を可能にする。これにより、ネットワークセルに論理的アドレス（logical addresses）を割り付ける（assign）ことができ、製造時あるいはシステムインスタレーションの一環として手動で、固有アドレスをあらかじめ割り付ける（pre-assign）必要がなくなる。
Ｓｍｉｔｈらが記述するネットワークや、その他バストポロジーに基づくデータ伝送など、類似のネットワークにまつわる主な欠点は、２つのセル間の通信が、ワイヤ不足（short in the wires）あるいは過剰誘導ノイズ（exessive induced noise）のために落ちる（fall）場合、ネットワーク全体が崩壊することである。このことはネットワークの通信経路（communication paths）間の依存性を強めることになり、その結果ネットワークの異なる区分（different segments of the network）が独立の動作ができなくなる。
従来技術によるネットワークは、ある特定のセルが独立して１つ以上の隣接セルと通信できるようにするために、２つの独立した通信経路（communication routes）を同時に採用できるような仕組みになっていない。
これら欠点はネットワークの無防備性（vulnerability）にさらに衝撃を加える（further impinges on the network vulnerability）。ネットワーク中のいずれか２つの導電体にまたがる単一のショートの場合（single short across the two conductors anywhere in the network）、Ｓｍｉｔｈらのネットワークは崩壊し、そのシステムではそれ以上通信ができなくなる。さらに、既知の従来ネットワークでは、誤りの箇所を切り離す（isolate）のが難しい。
発明の要旨
したがって本発明の目的は、外部の制御マネジャーのかわりに、あるいはこれに加えて、セル内に一体的に記憶させた（stored integrally therein）制御論理によって各セルを制御できるようにし、かつセルを直列接続させてケーブル配線（cabling）を少なくできるようにした、分散型トポロジー（distributed topology）を提供することにある。
これらの目的は、分散型検出、制御、通信（distributed sensing, control and communication）を可能にするネットワークトポロジーにより、本発明の好ましい実施例にしたっがて実現できるものであり、
電源と、
少なくとも３つのラインパワード直列インテリジェントセル（line-Powered, Serially connected Intelligent Cells（ＰＳＩＣｓ））であって、そのうち少なくとも一つは電源によって直接付勢（energized）され、前記ＰＳＩＣはそれぞれ少なくとも２つの導電体（electrical conductors）を具備する通信チャンネルを介してデージーチェーンフォーメーションをなして互いに結合される（coupled to the power source and to each other）インテリジェントセルと、
各ＰＳＩＣ内にあって、固有に参照符をつける（uniquely referencing）ためのアドレス手段と、
ＰＳＩＣの少なくとも一つは、前記ＰＳＩＣの一つに埋設されるか、又は供給される制御論理に従って作動するためにＰＳＩＣに結合されたペイロード素子を１つ以上持ち、
ＰＳＩＣの少なくとも一つは、それぞれ隣接するＰＳＩＣとは相互に独立した通信を、それぞれの通信チャンネルを介して実行するために、個別に制御される専用通信ポートを２つ以上持ち、
通信チャンネルの少なくとも一つは、双方向通信が可能である
ことを特徴とする。
セルの直列接続を可能にするこのようなトポロジーを用いることで、一つのセルと隣接するセルとの間でいずれの方向にもデータを送ることができる。
さらに、ある一組の隣接セル間の通信は、他の隣接セル間で同時に行われる通信とは独立している。これは星型あるいはバストポロジー（bus topology）を用いる従来システムではもちろん不可能である。
本発明の一実施例によれば、制御データは電力信号にスーパーインポーズされ、各セル内においてネットワーク内の先行セル（preceding cell）から受取られる電力信号から抽出されて、同じようにネットワーク内の後続セル（succeeding cell）に供給される電力信号にスーパーインポーズされる。
あるいは、バス型配置のネットワークの全セルに直接電力を供給し、データだけ直列式にセルからセルへ、いずれか一方または双方向に供給してもよい。
【図面の簡単な説明】
本発明を理解し、実地での実施方法を知るために、ここで好ましい実施例をいくつか非制限的な例を通して、かつ添付図面を参照して、説明する。図中、
図１は、典型的な従来技術による分散型ネットワークを概略的に示す。
図２は、本発明による分散型ネットワークを概略的に示す。
図３は、図１のネットワークで用いられるＰＳＩＣの主要構成部品を機能的に示すブロック図である。
図４は、かかるネットワークにおける個々のＰＳＩＣのアドレス操作を行うための主要操作ステップを示すフロー図である。
好ましい実施例の詳細な説明
図２は、全体を１０で表す分散型インテリジェントネットワークを示すもので、ネットワークはラインパワード直列インテリジェントセル（ＰＳＩＣ）１３と、撚線対１２を介して来れに電力を供給する電源１１を具備し、ＰＳＩＣ１３はそれぞれ（双方向通信チャンネルを構成する）撚線対１８、１９、１０を介して他のＰＳＩＣ１４、１５、１６、１７と直列に接続している。
以下の説明の目的上、ＰＳＩＣ１３、１４、１５、１６、１７はそれぞれ第１、第２、第３、第４、第５ＰＳＩＣとするが、事実、ＰＳＩＣはこの順序で個別にアドレスされ、その結果撚線対によって構成される双方向通信チャンネルに沿っていずれかの方向に逐次伝送されるデータは、適切なＰＳＩＣとの間で正しくやり取りされる
センサー２２が、第１ＰＳＩＣ１３の入力に接続され、一対のセンサー２３、２４が、第３ＰＳＩＣ１５のそれぞれの入力に、センサー２５が第４ＰＳＩＣ１５の入力の一つに接続される。同様に、一対のアクチュエータ２６、２７が第２ＰＳＩＣ１４のそれぞれの出力に、アクチュエータ２８が第５ＰＳＩＣ１７の出力に接続される。マネジャー２９は第３ＰＳＩＣ１５の入力に結合されて、ネットワーク内の他のＰＳＩＣに制御データを経由させる方法ならびに、これに結合されているアクチュエータを制御する方法をＰＳＩＣに指示（direct）するために、所定（predetermined）の論理をネットワークに供給し、またネットワークのＰＳＩＣ、アクチュエータ、センサーの状態をモニターする、外部論理制御とモニター素子を構成している。
ＰＳＩＣの動作（operation）とアドレス操作（addressing）1を説明する前に、図２を参照してＰＳＩＣの一般的な特長をいくつか明記しておく。まず、ＰＳＩＣ１３乃至１７は必ずしも同一ではない。たとえば、第１のＰＳＩＣ１３は、第２ＰＳＩＣの入力に接続する出力と第４ＰＳＩＣ１６の入力に接続する出力の２つの出力を持つ。他方、ＰＳＩＣはすべて、単一の電力入力しか持たないことを特徴とする。第２に、ＰＳＩＣに任意でセンサーまたはアクチュエータを接続してもよく、あるいはまた第４ＰＳＩＣ１６のようにまったく何も接続しなくてもよい。ＰＳＩＣにペイロード素子が接続されていない場合は、そのＰＳＩＣは通信チャンネル上の電力／データ信号を増幅して、長大な通信線上で信号が減衰するのを補償（compensate for）するための中継器（repeater）として機能する。普通長大な通信チャンネル全体に間隔を置いて設けられるこうした中継器は、それ自体公知であり、例えば上記で引用したBaumannらに対する米国特許５，４５４，００８に記載されている。
第３に、マネジャー２９により構成される外部論理制御ユニットは、任意でネットワーク１０のＰＳＩＣの一つに接続することができる点に注目されたい。その場合、マネジャー２９は各ＰＳＩＣに記憶されたディスクリート論理（discrete logic）を補完（supplement）することができ、あるいは必要であれば、ＰＳＩＣ内に設けるべき内部論理を省くこともできる。非常に単純なシステムでは、例えば、センサー２２を光依存抵抗子（lilght dependent resistor）とし、アクチュエーター２８をＰＳＩＣ１７によって制御される照明灯（illumination light）にして、センサー２２に投下される照明レベルの関数としての照明灯照度（brightness of illumination lamp）を制御することもできる。その場合、アクチュエーター２８は必要な照明レベルを表す制御信号に呼応することになり、この信号はＰＳＩＣ１７に内包される（contained the rein）ローカル論理（local logic）、またはマネジャー２９からネットワーク１０を通って伝送される論理、あるいはまたこれらの組合せに基づいて第５ＰＳＩＣ１７により生成される。
いずれのアプローチによる場合でも、センサー２２で生成されセンサー信号を表すデータは、第２、第３ＰＳＩＣ１４、１５をそれぞれ介して、第１ＰＳＩＣ１３によってマネジャー２９に、また第４ＰＳＩＣ１６を介して第５ＰＳＩＣ１７に供給される。このようにして、マネジャー２９およびアクチュエーター２８が接続された第５ＰＳＩＣ１７は、センサー２２の照明レベルに呼応してアクチュエーター２８を制御するための正しい制御信号を生成する。第５ＰＳＩＣ１７がマネジャー２９によって制御される場合は、制御信号は撚線対１９と１８に沿って、第１ＰＳＩＣ１３に逐次供給され、第１ＰＳＩＣ１３から撚線対２０、２１に沿って、逐次第５ＰＳＩＣ１７に供給される。いずれの場合も、状態データ（status data）がネットワーク内の各ＰＳＩＣによってマネジャー２９に供給されることで、マネジャー２９はネットワーク１０内のすべてのセンサーとアクチュエーターの状態をモニターすることができる。
したがって、このような単純なシステムの場合、アクチュエーター２８はセンサー信号に呼応するが、この信号自体はアクチュエーター２８から離れた場所で生成されるものでもよいことに留意されたい。他方、必要であれば、アクチュエーターをアクチュエーターと同じＰＳＩＣに接続したセンサーに呼応するようにしてもよい。事実、多重センサー（multiple sensors）と多重アクチュエーター（multiple actuators）を同一ＰＳＩＣに接続することもできるが、ただし十分なセンサーと、アクチュエーターインターフェースがその中に設けられていることが条件であることは言うまでもない。
第１ＰＳＩＣ１３ならびに第３、第５ＰＳＩＣ１５、１７（これらはそれぞれの分岐の最後のＰＳＩＣである）を除き、ネットワーク内のすべてのＰＳＩＣは先行ＰＳＩＣ（a preceding ＰＳＩＣ）から電力ならびにデータを受取り、電力とデータを後続ＰＳＩＣ（a succeeding ＰＳＩＣ）に供給する。第３、第５ＰＳＩＣ１５、１７はもちろん、それぞれ別のＰＳＩＣと接続するためのインターフェースを具備していてよいが、実際にはこのインターフェースは使われない。しかし、第１ＰＳＩＣ１３は、電力を電源１１から受けるものの、データはここから受けないという点で他のＰＳＩＣとは異なっている。同じように、後続ＰＳＩＣから受取るデータを電源１１に供給することはない。このことから、第１ＰＳＩＣ１３は一般的なＰＳＩＣアーキテクチャーを完全に具現しておらず、このアーキテクチャーについては第２ＰＳＩＣ１４についてよりよく説明されている。
図３は、電力とデータが一緒に伝送される場合に、ＰＳＩＣ１４に設けられる機能構成部品（functional components）を示すブロック図である。データ通信ネットワーク内で電力とデータを同一ケーブル束（cable bundle）によりデータ通信ネットワーク内の複数の通信ノードに送る方法そのものは既知であり、先に説明したSutterlinらの米国特許５，１４８，１４４の冒頭部分に記述される電話方式でも長年用いられている。
第２ＰＳＩＣ１４は、第１ＰＳＩＣ１３と結合することで、ここから第１の入力電力とデータ信号をうけとる第１のポートを構成するラインインターフェース３０を含む。入力する結合信号（incoming combined signal）は、入力電力信号からの第１の入力データ信号を減結合（decouple）させる電力／データ結合器／減結合器３１に送られる。分離された（separated）第１のデータ信号は、モデム３２に送られ、直流または交流電力信号そのものは電力ハンドリングユニット３３に送られて、ここから第１の出力電力信号を生成して、これに結合された電力サプライ３４に電力を供給し、電力サプライ３４は必要に応じていくつかの出力チャンネルを持っていて、ＰＳＩＣ１４内のローカル回路（local circuitry）に電力を与える（powering）。
モデム３２で受取った第１の入力データ信号はアナログであり、デジタルの形に変換されて処理制御ユニット３５に送られ、処理制御ユニット３５はこの第１入力データ信号を、ユニットに記憶させた制御論理に従って、あるいはこれに代えてまたはこれに加えて、処理制御ユニット３５に結合された通信ポート３６を介して３６マネジャー２９によって、処理制御ユニット３５に供給される外部論理に従って、処理する。
同様に、処理制御ユニット３５はそれぞれのセンサーインターフェース３７を介してユニット３５に送られるさまざまなセンサー信号に呼応することもでき、上記で説明したように、それぞれのアクチュエーターを処理制御ユニット結合させるために、複数のアクチュエーターインターフェース３８に処理制御ユニット３５を結合させてもよい。
処理制御ユニット３５は第１の入力データ信号を処理して、第１の出力データ信号を生成し、この信号はモデム３９によってアナログ信号に変換されて第２の電力／データ結合器／減結合器４０（第２の結合／減結合手段を構成する）に送られ、第２の電力／データ結合器／減結合器４０は、交流又は直流電力信号を第２の電力／データ結合器／減結合器４０が結合されている電力ハンドリングユニット３３から受取り、第１の出力データ信号を第１の出力電力信号と結合して（combines）、第１の出力電力／データ信号を生成し、この信号はラインインターフェース４１に送られる。ラインインターフェース４１は第２のポートを構成していて、ＰＳＩＣ１４と対応する後続ＰＳＩＣとの接続を可能にしている。必要であれば、それぞれがモデム３９と第２の電力／データ結合器／減結合器４０に接続させたラインインターフェース４１を具備した、対応する第２のポートを介して、多数のＰＳＩＣをＰＳＩＣ１４に結合させることもできる。
上記の配置では、センサーインターフェース３７とアクチュエーターインターフェース３８はそれぞれペイロードポートを構成していて、それぞれのペイロード素子を処理制御ユニット３５に接続することを可能にしている。
それぞれのアクチュエーターインターフェース３８を介して処理制御ユニット３５に接続されるさまざまなアクチュエーターと、場合によっては（possibly）、それぞれのセンサーインターフェース３７を介してこれに接続されるセンサーの少なくともいくつかに対しても、効果的な操作のために処理制御ユニット３５によって生成されるデータ信号に加え、電力信号も供給する必要があることが明らかであろう。この目的のために、センサーインターフェース３７とアクチュエーターインターフェース３８はそれぞれ、対応するペイロードパワーインターフェース４２と関連しており（associated）、ペイロードパワーインターフェース４２自体は、電力ハンドリングユニット３３と結合するとともに、処理制御ユニット３５から制御信号を受取ってモニター信号をこのユニット３５に送信するために処理制御ユニット３５に作動可能に（operatively）結合されている。このような手段により、各センサー、アクチュエーターの要件に対応するさまざまな電圧レベルが、処理制御ユニット３５内の制御論理にしたがって、あるいは外部からマネジャー２９を介してユニットに印加される制御論理にしたがって、対応するインターフェースに正しく与えられる。
上記説明では、ラインインターフェース３０は第１入力電力とデータ信号が供給される受信インターフェース（receiving interface）とみなされており、一方ラインインターフェース４１は対応する第１出力電力とデータ信号を、これに接続される後続ＰＳＩＣに供給する。しかし、上記でみてきたように、ネットワーク１０内の通信チャンネルは双方向性であり、ＰＳＩＣ１４はそのため、同じように後続ＰＳＩＣからの第２の入力データ信号を受取るのに適している。この場合、電力／データ結合器／減結合器４０は、第１の出力電力信号からの第２の入力データ信号を減結合させ、モデム３９は、処理制御ユニットに供給するために、アナログの第２入力データ信号をデジタル信号に変換する。モデム３２はついで、デジタル信号をアナログ信号に再変換し、電力／データ結合器／減結合器３１がアナログ信号を入力電力信号にスーパーインポーズして、第２出力信号をラインインターフェース３０に供給する。
したがって、第１モデム３２が第１入力データ信号と第２出力データ信号の同時二重ハンドリング（full duplex handling）を可能にする一方、同時に、第２モデム３９が第１出力データ信号と第２入力データ信号の同時二重ハンドリングを可能にすることがわかる。したがって、ＰＳＩＣ１４は４種類の独立した通信を同時に実行できる。
本発明はＰＳＩＣを直列接続することで、ＰＳＩＣの一つから前後いずれかの方向に隣り合うＰＳＩＣにデータを送ることができるという特徴を持つが、データを電力信号にスーパーインンポーズさせることは要件ではない。必要であれば、電力は共通の電力バスを介してネットワークのＰＳＩＣそれぞれに供給することもでき、あるいは、既知の星型トポロジーを用いて放射状に各ＰＳＩＣに供給してもよい。いずれの場合も、電力信号、データ信号はディスクリートに扱われる（discretely handled）ため、電力／データ結合器／減結合器３１、４０は省略することができる。事実、データと電力が同じ撚線対によって供給される場合でも、第１ＰＳＩＣ１３は電源１１から電力のみをうけとり、一方データは第２ＰＳＩＣ１４を介してのみ第１ＰＳＩＣ１３に供給されることがわかる。この目的のために、先に指摘したように、第１ＰＳＩＣ１３の内部アーキテクチャーの一部は、他のＰＳＩＣのものとは異なっている。特に、電力信号は電力ハンドリングユニット３３に直接供給されるため、電力／データ結合器／減結合器３１は省略してもよい。同じような理由から、必要であれば、最後のＰＳＩＣ（すなわち、図２に示す例では第５ＰＳＩＣ１７）には後続ＰＳＩＣが接続されていないので、この中の電力／データ結合器／減結合器４０は省略できる。他方、ネットワークを拡張する必要がある場合は、簡略化した第５ＰＳＩＣ１７は電力／データ結合器／減結合器４０に接続したラインインターフェース４１を持つものと交換する必要がある。
ＰＳＩＣの内部アーキテクチャーを説明し終わったところで、そのアドレス操作を説明する。アドレスを行うと、受取り側ＰＳＩＣ（receiving PSIC）はデータをどの後続ＰＳＩＣを経由（to route）させればよいかがわかり、またどのセンサーからデータが送られたのかを特定する。この目的のために、各データパケット（data packet）は、本技術分野で周知の通り、所定のプロトコールに従って発信源（source）と目的地（destination）アドレスを定義するヘッダーを含んでいる。
図４は、ネットワークのトポロジーに従って、ネットワーク１０に示すＰＳＩＣのそれぞれを、ディスクリート（discretely）にかつ個別にアドレスする際の主要ステップをフロー図として示す。ネットワークトポロジーによって、第１、第２、第３ＰＳＩＣ１３、１４、１５で構成される主分岐のＰＳＩＣの数が決まる。第１ＰＳＩＣ１３は電源１１に直接接続されていることを「確かめ」（“sees”）、自らに内部アドレスＩ＝１を割り当てる（assigns）。これに続く（subsequent）ＰＳＩＣは、ＰＳＩＣが先行ＰＳＩＣの第１出力に、あるいは分岐が２つしかない単純なケースではその第２出力に、接続されているかどうかによって作動する。この場合、先行ＰＳＩＣの第１出力に接続されているＰＳＩＣは、先行ＰＳＩＣのインデックス＋１、すなわちＩN-1＋１に等しい内部アドレスＩNを自らに割り当てる。
他方、現行ＰＳＩＣが先行ＰＳＩＣの第１出力に接続されていない場合、図２に示すネットワーク１０の場合のように分岐が２つしかないと仮定して、現行ＰＳＩＣのインデックスＩNは１プラス主分岐のＰＳＩＣの数に設定される。その結果、主分岐に３つのＰＳＩＣ（１３、１４、１５）を持つネットワーク１０では、第４ＰＳＩＣのインデックスは（１＋３）すなわち４に設定される。
図４に示す論理が、図２に示す特定ネットワーク構成に適合させたものであるが、しかし追加分岐が設けられる場合、簡単な適応構造（simple adaptation）に修正可能であることが明らかであろう。このプロセスは、たとえばシステムのパワリングアップに当たって（on powering up the system）独立して実施できる。
図４に関連して説明したような論理を採用することの利点は、アドレス操作論理（addressing logic）を変える必要が全くないまま、第４、第５ＰＳＩＣ１６、１７からなる第２分岐にＰＳＩＣを追加したり除去したりできる点である。事実、分岐が一つしかないより単純な場合では、上記のようなアドレス論理を用いることで、単一の分岐からＰＳＩＣを容易に追加したり除去したりでき、ネットワークが完全にフレキシブルになる。
アドレス操作論理を得る他の方法として、各ＰＳＩＣにエンコーダを設け、マネジャー２９が設けられている場合はマネジャー２９にも知られている（known also to the Manager 29）ディスクリートアドレスに手動で設定する。エンコーダはネットワークカード（network cards）で普通に用いられるＤＩＰスイッチの形式を取ってもよく、あるいＲＯＭに記憶させた固有のアドレスコードの形式であってもよい。必要であれば、組み合わせを用いることで、アドレスコードの一部をＰＳＩＣ内部に記憶させるとともに、他のアドレスを図４に示す論理に従ってネットワークトポロジーに基づいて「その場で」（on the fly）割り当てることもできる。このような配置は多数の分岐が用いられているような場合に特に好適であって、その結果、たとえば各分岐の第１ＰＳＩＣは、これに続く分岐における第１ＰＳＩＣのそれぞれのアドレスと矛盾することなく、ＰＳＩＣをさらに追加できるように適切にオフセットされた特定アドレスをプログラムしたハードウェアとすることができる。たとえば、第１分岐の第１ＰＳＩＣ１３には通常の方法で１というアドレスを与える一方、第２分岐の第１ＰＳＩＣ１６には１００に等しいアドレスを与えることができる。これにより、第２分岐の第１ＰＳＩＣ１６にあらかじめ設定したアドレスと矛盾することなく、最大９６の追加ＰＳＩＣを主分岐に接続することができる。ここまで終えたところで、各分岐のＰＳＩＣそれぞれのアドレス操作（addressing of each of the PSICs）を、図４に関連して説明した上記ネットワークトポロジーに基づいて決定することができる。
マネジャー２９の形式で外部制御ユニットが設けられている場合は、２９はあらかじめプログラムしておくことで、マネジャー２９がＰＳＩＣのぞれぞれについていかなる行動（action）を取るべきかを知ること、その目的のためには、各分岐の第１ＰＳＩＣについて知っている（is a ware of the first PSIC）ことが必要であることは明らかである。しかし、マネジャー２９が省略されているような場合には、それぞれのＰＳＩＣは自身のアドレスを知っているだけでよく、各ＰＳＩＣに接続されている１つ又はそれ以上のアクチュエーターを作動させるために各ＰＳＩＣに送られるデータは、正しいＰＳＩＣアドレスによって適切にエンコードされる。
多数のセンサーやアクチュエーターをＰＳＩＣに接続することについて、典型的なネットワークを通して一般性をもたせて説明してきた。しかし、本発明は発明から逸脱することなく修正を行うことを想定していることが理解される。たとえば、最も単純な形をとった場合、ネットワークにはペイロード素子を一つ設けるだけでよい。これをアクチュエーターにして、このアクチュエーターが接続されるＰＳＩＣ、あるいはその中に論理が記憶されたＰＳＩＣに供給される論理に呼応するようにしてもよい。あるいは、このペイロード素子としてセンサーを用い、このセンサーが生成するセンサー信号によってネットワーク中の異なるＰＳＩＣに、それぞれの制御信号を中継する（for relaying a respective control signal）ようにしてもよい。このような配置は、たとえば、ネットワークで生成される制御信号に呼応するアクチュエーターをもつ遠隔システムにネットワークを結合させるのに有用であろう。また、センサーはセンサーの状態に従って１つ以上の固定出力信号を生成するものであればどのような装置（device）でもよい。したがってたとえば、センサーはどのスイッチ位置が選択されたかによって出力が決まる手動セレクタースイッチでもよい。
処理制御ユニットによって生成される制御信号は、ネットワークに直接あるいは間接に接続されたデータベースに最終的に入力されるデータによって、その一部又は全部を構成されていてもよいことは理解される。
また、本発明は特に双方向データ通信に適しているが、必要であれば、一方向のみにデータを供給するためにネットワークを利用できることも理解される。
さらにまた、本発明と添付のクレームの文脈内において、ＰＳＩＣについて用いられる「先行する」という語句は隣接ＰＳＩＣに結合され、これに電力を供給するＰＳＩＣを表すことに留意されたい。同じように、ＰＳＩＣについて用いられる「後続」なる語句は、隣接するＰＳＩＣに結合されてこれから電力を受取るためのＰＳＩＣを表す。
本発明はこのように、複数のインテリジェントセルが双方向通信チャンネルを介して直列に接続されて、データ（ならびに任意で電力）をネットワークに沿ってＰＳＩＣの一つから他のＰＳＩＣに任意でいずれの方向にも供給できるようになっているインテリジェント分散型ネットワーク（intelligent,distributed network）を提供する。
本発明は、布線通信（wired communication）と制御システムに関し、特に、複数のセンサー、アクチュエータ、処理素子（processing element）を持つネットワークにおいて同一線にそって電力とメッセージ情報の同時分配（simultaneous distribution）をもたらす装置に関する。
発明の背景
分散型制御システム（distribted control system）として知られるものは、電力とデータの供給が行われるいくつかのインテリジェント「セル」を具備し、このセルには一つまたはそれ以上のセンサー、アクチュエーターなどの外部ペイロード素子が結合（coupled）され、またセルにおいて、アクチュエーターはプロセッサーが生成する制御信号に呼応して作動し、プロセッサー自体はデータ信号とセンサーで生成されるセンサー信号に反応（responsive）する。
かかるネットワークは例えば、Echelon Corporationに譲渡された米国特許４，９１８，６９０（Markkula, Jr.ら）にみられるが、この技術に関してEchelon Corporation名義の米国特許がこれら以外にもいくつかある。プログラム可能なセルには、それぞれ製造過程で、固有（unique）の４８ビットの識別番号（ＩＤ）が与えられており、この番号はセルにおいて不変に保たれる。セルは電力線（power line）、撚線対、無線周波数（radio frequency）など、異なる媒体に結合されてネットワークを形成することができる。
ネットワーク内のセルはグループを形成して、特定の機能を果たし、それぞれのＩＤを介してアドレスされる。セルの一部（アナウンサー）は例えばスイッチの状態を検出するタスクを与えられ、他のセル（リスナー））は照明（light）の制御などの制御をタスクとする。これらセルは複数のタスクを実行でき、ネットワーク内の異なるグループのメンバーになることができる。例えば、あるセルは、あるグループについてはリピーター（repeater）として、また他のグループについてはリスナーとして機能することができる。
図１に、Echelon Corporationに譲渡された米国特許５，４５４，００８（Baumannら）に記載されるような、典型的なネットワーク・コンフィギュレーション１を示す。セルは複数のノード２によって示し、ノードは撚線対３によって互いに接続している。線は多数の分岐を形成し、それぞれに単一のノードが接続されて、すべて中央の電力サプライ４から撚線対を通って電力を受ける。電力サプライ４は電源結合器５（source coupler）を通ってネットワークと接続する。このような配置においては、それぞれのノードは有効な線成端（line termination）を形成するため、追加分岐を必要に応じて接続して、新しいノードでそれぞれの分岐を終端させれば、より多くのノードをネットワーク内に収める（accommodated）ことができる。
このネットワーク・コンフィギュレーションでは、既知の星型トポロジー（star topologies）に比べ、ケーブリング・オーバーヘッド（cabling overhead）を少なくすることで、追加ノードを収納するための拡張（extension）が比較的容易にできる。しかし、図１に示すバス・トポロジーの場合、それぞれのセルあるいはノードを個々にアドレスするには、複雑なアドレス操作（addressing）が必要である。さらに、伝送ノード（transmistting node）は全ネットワークをつなぐ（ties up）ため、２つ以上のノードが同時にデータ伝送を行うのを妨げることになる。
さらに、上記米国特許４，９１８，６９０ならびにその他の先行技術のノードあるいはセルは一般に中央管理方式（centralized management）を採用しており、そのため各ノードはノード自体にとっては外部の論理に従って作動している。
記述したような制御ネットワークの展開は、これもEchelon Corporationに譲渡された米国特許５，１４８，１４４（Sutterlinら）に記載される方式によるデータの電力信号へのスーパーインポジション（superimposition of data on a power signal）に端を発している。このようなトポロジーは、各電力出口（power outlet）が中央分電盤（central distribution board）に放射状に接続される、放射状すなわち星型トポロジーを主として採用してきた家庭用ならびに産業用配線分配システム（wiring distribution system）のトポロジーによって決まる。したがって、このようなシステムにおいては、それぞれのセルをそれぞれの電力出口に結合するようにすると、星型トポロジーをもつ非分散型ネットワークを必然的に形成することになる。
先行技術のコンフィギュレーションにいくつかの欠点があることは明白であろう。一般に、通信はあるセルの出力（output）と、これに接続された複数のセルの対応する入力（input）との間で成立（effected）する。これはシステム内での限定的なデータ伝送（limited data transfer）という結果をもたらす。さらに、ネットワークの一部に結合されたノイズなど（noise coupled to a part of the network）、通信に問題がある場合、いくつかのセルが並列接続していて、ノイズがネットワーク全体の劣化をもたらすため、問題の出所を突き止めるのがより困難になる。
加えて、このようなコンフィギュレーションでは、隣りあう分岐間の接合部（junction）で入手可能な電力が分割（split）され、各分岐に届くのは電源から供給されるパワーの一部にすぎないため、コンフィギュレーションは電力不足（power-limited）になる。
最後に、先に述べたように、製造過程でセルに焼き付けるか（burnt into）あるいは設置時に手で取り付けるかした固有ＩＤを用いてアドレスしなければならない。これには、各セルのネットワーク内での位置があらかじめコントローラーにわかるようにコントローラーをプログラムしなければならないため、ネットワークの柔軟性が失われる。そのため、セルを互いに交換する、追加する、取り除くなどすると、それに応じてコントローラを再度プログラムし直さなければならず、この種のトポロジーではリアルタイムで処理中に「その場で」（“on the fly”）アドレスを割り当てるための用意がない。
米国特許５，５３５，３３６（Smithら）にも、基本的には電力とデータをネットワーク中の別個の線に沿って通信するためのバストポロジーを用いるコンピューターネットワークが記載されている。ネットワーク中のノードを電気的に相互に区別できないことから生じる、バストポロジーにまつわるアドレス操作の問題に対応するために、追加の「デージーチェーン」接続ネットワークを設けて、初期化中のパワーオン時に（up on powe-on during initilization）ネットワーク中のすべてのセルに対する「１回きり」（one time only）の制御信号伝送を可能にする。これにより、ネットワークセルに論理的アドレス（logical addresses）を割り付ける（assign）ことができ、製造時あるいはシステムインスタレーションの一環として手動で、固有アドレスをあらかじめ割り付ける（pre-assign）必要がなくなる。
Ｓｍｉｔｈらが記述するネットワークや、その他バストポロジーに基づくデータ伝送など、類似のネットワークにまつわる主な欠点は、２つのセル間の通信が、ワイヤ不足（short in the wires）あるいは過剰誘導ノイズ（exessive induced noise）のために落ちる（fall）場合、ネットワーク全体が崩壊することである。このことはネットワークの通信経路（communication paths）間の依存性を強めることになり、その結果ネットワークの異なる区分（different segments of the network）が独立の動作ができなくなる。
従来技術によるネットワークは、ある特定のセルが独立して１つ以上の隣接セルと通信できるようにするために、２つの独立した通信経路（communication routes）を同時に採用できるような仕組みになっていない。
これら欠点はネットワークの無防備性（vulnerability）にさらに衝撃を加える（further impinges on the network vulnerability）。ネットワーク中のいずれか２つの導電体にまたがる単一のショートの場合（single short across the two conductors anywhere in the network）、Ｓｍｉｔｈらのネットワークは崩壊し、そのシステムではそれ以上通信ができなくなる。さらに、既知の従来ネットワークでは、誤りの箇所を切り離す（isolate）のが難しい。
発明の要旨
したがって本発明の目的は、外部の制御マネジャーのかわりに、あるいはこれに加えて、セル内に一体的に記憶させた（stored integrally therein）制御論理によって各セルを制御できるようにし、かつセルを直列接続させてケーブル配線（cabling）を少なくできるようにした、分散型トポロジー（distributed topology）を提供することにある。
これらの目的は、分散型検出、制御、通信（distributed sensing, control and communication）を可能にするネットワークトポロジーにより、本発明の好ましい実施例にしたっがて実現できるものであり、
電源と、
少なくとも３つのラインパワード直列インテリジェントセル（line-Powered, Serially connected Intelligent Cells（ＰＳＩＣｓ））であって、そのうち少なくとも一つは電源によって直接付勢（energized）され、前記ＰＳＩＣはそれぞれ少なくとも２つの導電体（electrical conductors）を具備する通信チャンネルを介してデージーチェーンフォーメーションをなして互いに結合される（coupled to the power source and to each other）インテリジェントセルと、
各ＰＳＩＣ内にあって、固有に参照符をつける（uniquely referencing）ためのアドレス手段と、
ＰＳＩＣの少なくとも一つは、前記ＰＳＩＣの一つに埋設されるか、又は供給される制御論理に従って作動するためにＰＳＩＣに結合されたペイロード素子を１つ以上持ち、
ＰＳＩＣの少なくとも一つは、それぞれ隣接するＰＳＩＣとは相互に独立した通信を、それぞれの通信チャンネルを介して実行するために、個別に制御される専用通信ポートを２つ以上持ち、
通信チャンネルの少なくとも一つは、双方向通信が可能である
ことを特徴とする。
セルの直列接続を可能にするこのようなトポロジーを用いることで、一つのセルと隣接するセルとの間でいずれの方向にもデータを送ることができる。
さらに、ある一組の隣接セル間の通信は、他の隣接セル間で同時に行われる通信とは独立している。これは星型あるいはバストポロジー（bus topology）を用いる従来システムではもちろん不可能である。
本発明の一実施例によれば、制御データは電力信号にスーパーインポーズされ、各セル内においてネットワーク内の先行セル（preceding cell）から受取られる電力信号から抽出されて、同じようにネットワーク内の後続セル（succeeding cell）に供給される電力信号にスーパーインポーズされる。
あるいは、バス型配置のネットワークの全セルに直接電力を供給し、データだけ直列式にセルからセルへ、いずれか一方または双方向に供給してもよい。
【図面の簡単な説明】
本発明を理解し、実地での実施方法を知るために、ここで好ましい実施例をいくつか非制限的な例を通して、かつ添付図面を参照して、説明する。図中、
図１は、典型的な従来技術による分散型ネットワークを概略的に示す。
図２は、本発明による分散型ネットワークを概略的に示す。
図３は、図１のネットワークで用いられるＰＳＩＣの主要構成部品を機能的に示すブロック図である。
図４は、かかるネットワークにおける個々のＰＳＩＣのアドレス操作を行うための主要操作ステップを示すフロー図である。
好ましい実施例の詳細な説明
図２は、全体を１０で表す分散型インテリジェントネットワークを示すもので、ネットワークはラインパワード直列インテリジェントセル（ＰＳＩＣ）１３と、撚線対１２を介して来れに電力を供給する電源１１を具備し、ＰＳＩＣ１３はそれぞれ（双方向通信チャンネルを構成する）撚線対１８、１９、１０を介して他のＰＳＩＣ１４、１５、１６、１７と直列に接続している。
以下の説明の目的上、ＰＳＩＣ１３、１４、１５、１６、１７はそれぞれ第１、第２、第３、第４、第５ＰＳＩＣとするが、事実、ＰＳＩＣはこの順序で個別にアドレスされ、その結果撚線対によって構成される双方向通信チャンネルに沿っていずれかの方向に逐次伝送されるデータは、適切なＰＳＩＣとの間で正しくやり取りされる
センサー２２が、第１ＰＳＩＣ１３の入力に接続され、一対のセンサー２３、２４が、第３ＰＳＩＣ１５のそれぞれの入力に、センサー２５が第４ＰＳＩＣ１５の入力の一つに接続される。同様に、一対のアクチュエータ２６、２７が第２ＰＳＩＣ１４のそれぞれの出力に、アクチュエータ２８が第５ＰＳＩＣ１７の出力に接続される。マネジャー２９は第３ＰＳＩＣ１５の入力に結合されて、ネットワーク内の他のＰＳＩＣに制御データを経由させる方法ならびに、これに結合されているアクチュエータを制御する方法をＰＳＩＣに指示（direct）するために、所定（predetermined）の論理をネットワークに供給し、またネットワークのＰＳＩＣ、アクチュエータ、センサーの状態をモニターする、外部論理制御とモニター素子を構成している。
ＰＳＩＣの動作（operation）とアドレス操作（addressing）1を説明する前に、図２を参照してＰＳＩＣの一般的な特長をいくつか明記しておく。まず、ＰＳＩＣ１３乃至１７は必ずしも同一ではない。たとえば、第１のＰＳＩＣ１３は、第２ＰＳＩＣの入力に接続する出力と第４ＰＳＩＣ１６の入力に接続する出力の２つの出力を持つ。他方、ＰＳＩＣはすべて、単一の電力入力しか持たないことを特徴とする。第２に、ＰＳＩＣに任意でセンサーまたはアクチュエータを接続してもよく、あるいはまた第４ＰＳＩＣ１６のようにまったく何も接続しなくてもよい。ＰＳＩＣにペイロード素子が接続されていない場合は、そのＰＳＩＣは通信チャンネル上の電力／データ信号を増幅して、長大な通信線上で信号が減衰するのを補償（compensate for）するための中継器（repeater）として機能する。普通長大な通信チャンネル全体に間隔を置いて設けられるこうした中継器は、それ自体公知であり、例えば上記で引用したBaumannらに対する米国特許５，４５４，００８に記載されている。
第３に、マネジャー２９により構成される外部論理制御ユニットは、任意でネットワーク１０のＰＳＩＣの一つに接続することができる点に注目されたい。その場合、マネジャー２９は各ＰＳＩＣに記憶されたディスクリート論理（discrete logic）を補完（supplement）することができ、あるいは必要であれば、ＰＳＩＣ内に設けるべき内部論理を省くこともできる。非常に単純なシステムでは、例えば、センサー２２を光依存抵抗子（lilght dependent resistor）とし、アクチュエーター２８をＰＳＩＣ１７によって制御される照明灯（illumination light）にして、センサー２２に投下される照明レベルの関数としての照明灯照度（brightness of illumination lamp）を制御することもできる。その場合、アクチュエーター２８は必要な照明レベルを表す制御信号に呼応することになり、この信号はＰＳＩＣ１７に内包される（contained the rein）ローカル論理（local logic）、またはマネジャー２９からネットワーク１０を通って伝送される論理、あるいはまたこれらの組合せに基づいて第５ＰＳＩＣ１７により生成される。
いずれのアプローチによる場合でも、センサー２２で生成されセンサー信号を表すデータは、第２、第３ＰＳＩＣ１４、１５をそれぞれ介して、第１ＰＳＩＣ１３によってマネジャー２９に、また第４ＰＳＩＣ１６を介して第５ＰＳＩＣ１７に供給される。このようにして、マネジャー２９およびアクチュエーター２８が接続された第５ＰＳＩＣ１７は、センサー２２の照明レベルに呼応してアクチュエーター２８を制御するための正しい制御信号を生成する。第５ＰＳＩＣ１７がマネジャー２９によって制御される場合は、制御信号は撚線対１９と１８に沿って、第１ＰＳＩＣ１３に逐次供給され、第１ＰＳＩＣ１３から撚線対２０、２１に沿って、逐次第５ＰＳＩＣ１７に供給される。いずれの場合も、状態データ（status data）がネットワーク内の各ＰＳＩＣによってマネジャー２９に供給されることで、マネジャー２９はネットワーク１０内のすべてのセンサーとアクチュエーターの状態をモニターすることができる。
したがって、このような単純なシステムの場合、アクチュエーター２８はセンサー信号に呼応するが、この信号自体はアクチュエーター２８から離れた場所で生成されるものでもよいことに留意されたい。他方、必要であれば、アクチュエーターをアクチュエーターと同じＰＳＩＣに接続したセンサーに呼応するようにしてもよい。事実、多重センサー（multiple sensors）と多重アクチュエーター（multiple actuators）を同一ＰＳＩＣに接続することもできるが、ただし十分なセンサーと、アクチュエーターインターフェースがその中に設けられていることが条件であることは言うまでもない。
第１ＰＳＩＣ１３ならびに第３、第５ＰＳＩＣ１５、１７（これらはそれぞれの分岐の最後のＰＳＩＣである）を除き、ネットワーク内のすべてのＰＳＩＣは先行ＰＳＩＣ（a preceding ＰＳＩＣ）から電力ならびにデータを受取り、電力とデータを後続ＰＳＩＣ（a succeeding ＰＳＩＣ）に供給する。第３、第５ＰＳＩＣ１５、１７はもちろん、それぞれ別のＰＳＩＣと接続するためのインターフェースを具備していてよいが、実際にはこのインターフェースは使われない。しかし、第１ＰＳＩＣ１３は、電力を電源１１から受けるものの、データはここから受けないという点で他のＰＳＩＣとは異なっている。同じように、後続ＰＳＩＣから受取るデータを電源１１に供給することはない。このことから、第１ＰＳＩＣ１３は一般的なＰＳＩＣアーキテクチャーを完全に具現しておらず、このアーキテクチャーについては第２ＰＳＩＣ１４についてよりよく説明されている。
図３は、電力とデータが一緒に伝送される場合に、ＰＳＩＣ１４に設けられる機能構成部品（functional components）を示すブロック図である。データ通信ネットワーク内で電力とデータを同一ケーブル束（cable bundle）によりデータ通信ネットワーク内の複数の通信ノードに送る方法そのものは既知であり、先に説明したSutterlinらの米国特許５，１４８，１４４の冒頭部分に記述される電話方式でも長年用いられている。
第２ＰＳＩＣ１４は、第１ＰＳＩＣ１３と結合することで、ここから第１の入力電力とデータ信号をうけとる第１のポートを構成するラインインターフェース３０を含む。入力する結合信号（incoming combined signal）は、入力電力信号からの第１の入力データ信号を減結合（decouple）させる電力／データ結合器／減結合器３１に送られる。分離された（separated）第１のデータ信号は、モデム３２に送られ、直流または交流電力信号そのものは電力ハンドリングユニット３３に送られて、ここから第１の出力電力信号を生成して、これに結合された電力サプライ３４に電力を供給し、電力サプライ３４は必要に応じていくつかの出力チャンネルを持っていて、ＰＳＩＣ１４内のローカル回路（local circuitry）に電力を与える（powering）。
モデム３２で受取った第１の入力データ信号はアナログであり、デジタルの形に変換されて処理制御ユニット３５に送られ、処理制御ユニット３５はこの第１入力データ信号を、ユニットに記憶させた制御論理に従って、あるいはこれに代えてまたはこれに加えて、処理制御ユニット３５に結合された通信ポート３６を介して３６マネジャー２９によって、処理制御ユニット３５に供給される外部論理に従って、処理する。
同様に、処理制御ユニット３５はそれぞれのセンサーインターフェース３７を介してユニット３５に送られるさまざまなセンサー信号に呼応することもでき、上記で説明したように、それぞれのアクチュエーターを処理制御ユニット結合させるために、複数のアクチュエーターインターフェース３８に処理制御ユニット３５を結合させてもよい。
処理制御ユニット３５は第１の入力データ信号を処理して、第１の出力データ信号を生成し、この信号はモデム３９によってアナログ信号に変換されて第２の電力／データ結合器／減結合器４０（第２の結合／減結合手段を構成する）に送られ、第２の電力／データ結合器／減結合器４０は、交流又は直流電力信号を第２の電力／データ結合器／減結合器４０が結合されている電力ハンドリングユニット３３から受取り、第１の出力データ信号を第１の出力電力信号と結合して（combines）、第１の出力電力／データ信号を生成し、この信号はラインインターフェース４１に送られる。ラインインターフェース４１は第２のポートを構成していて、ＰＳＩＣ１４と対応する後続ＰＳＩＣとの接続を可能にしている。必要であれば、それぞれがモデム３９と第２の電力／データ結合器／減結合器４０に接続させたラインインターフェース４１を具備した、対応する第２のポートを介して、多数のＰＳＩＣをＰＳＩＣ１４に結合させることもできる。
上記の配置では、センサーインターフェース３７とアクチュエーターインターフェース３８はそれぞれペイロードポートを構成していて、それぞれのペイロード素子を処理制御ユニット３５に接続することを可能にしている。
それぞれのアクチュエーターインターフェース３８を介して処理制御ユニット３５に接続されるさまざまなアクチュエーターと、場合によっては（possibly）、それぞれのセンサーインターフェース３７を介してこれに接続されるセンサーの少なくともいくつかに対しても、効果的な操作のために処理制御ユニット３５によって生成されるデータ信号に加え、電力信号も供給する必要があることが明らかであろう。この目的のために、センサーインターフェース３７とアクチュエーターインターフェース３８はそれぞれ、対応するペイロードパワーインターフェース４２と関連しており（associated）、ペイロードパワーインターフェース４２自体は、電力ハンドリングユニット３３と結合するとともに、処理制御ユニット３５から制御信号を受取ってモニター信号をこのユニット３５に送信するために処理制御ユニット３５に作動可能に（operatively）結合されている。このような手段により、各センサー、アクチュエーターの要件に対応するさまざまな電圧レベルが、処理制御ユニット３５内の制御論理にしたがって、あるいは外部からマネジャー２９を介してユニットに印加される制御論理にしたがって、対応するインターフェースに正しく与えられる。
上記説明では、ラインインターフェース３０は第１入力電力とデータ信号が供給される受信インターフェース（receiving interface）とみなされており、一方ラインインターフェース４１は対応する第１出力電力とデータ信号を、これに接続される後続ＰＳＩＣに供給する。しかし、上記でみてきたように、ネットワーク１０内の通信チャンネルは双方向性であり、ＰＳＩＣ１４はそのため、同じように後続ＰＳＩＣからの第２の入力データ信号を受取るのに適している。この場合、電力／データ結合器／減結合器４０は、第１の出力電力信号からの第２の入力データ信号を減結合させ、モデム３９は、処理制御ユニットに供給するために、アナログの第２入力データ信号をデジタル信号に変換する。モデム３２はついで、デジタル信号をアナログ信号に再変換し、電力／データ結合器／減結合器３１がアナログ信号を入力電力信号にスーパーインポーズして、第２出力信号をラインインターフェース３０に供給する。
したがって、第１モデム３２が第１入力データ信号と第２出力データ信号の同時二重ハンドリング（full duplex handling）を可能にする一方、同時に、第２モデム３９が第１出力データ信号と第２入力データ信号の同時二重ハンドリングを可能にすることがわかる。したがって、ＰＳＩＣ１４は４種類の独立した通信を同時に実行できる。
本発明はＰＳＩＣを直列接続することで、ＰＳＩＣの一つから前後いずれかの方向に隣り合うＰＳＩＣにデータを送ることができるという特徴を持つが、データを電力信号にスーパーインンポーズさせることは要件ではない。必要であれば、電力は共通の電力バスを介してネットワークのＰＳＩＣそれぞれに供給することもでき、あるいは、既知の星型トポロジーを用いて放射状に各ＰＳＩＣに供給してもよい。いずれの場合も、電力信号、データ信号はディスクリートに扱われる（discretely handled）ため、電力／データ結合器／減結合器３１、４０は省略することができる。事実、データと電力が同じ撚線対によって供給される場合でも、第１ＰＳＩＣ１３は電源１１から電力のみをうけとり、一方データは第２ＰＳＩＣ１４を介してのみ第１ＰＳＩＣ１３に供給されることがわかる。この目的のために、先に指摘したように、第１ＰＳＩＣ１３の内部アーキテクチャーの一部は、他のＰＳＩＣのものとは異なっている。特に、電力信号は電力ハンドリングユニット３３に直接供給されるため、電力／データ結合器／減結合器３１は省略してもよい。同じような理由から、必要であれば、最後のＰＳＩＣ（すなわち、図２に示す例では第５ＰＳＩＣ１７）には後続ＰＳＩＣが接続されていないので、この中の電力／データ結合器／減結合器４０は省略できる。他方、ネットワークを拡張する必要がある場合は、簡略化した第５ＰＳＩＣ１７は電力／データ結合器／減結合器４０に接続したラインインターフェース４１を持つものと交換する必要がある。
ＰＳＩＣの内部アーキテクチャーを説明し終わったところで、そのアドレス操作を説明する。アドレスを行うと、受取り側ＰＳＩＣ（receiving PSIC）はデータをどの後続ＰＳＩＣを経由（to route）させればよいかがわかり、またどのセンサーからデータが送られたのかを特定する。この目的のために、各データパケット（data packet）は、本技術分野で周知の通り、所定のプロトコールに従って発信源（source）と目的地（destination）アドレスを定義するヘッダーを含んでいる。
図４は、ネットワークのトポロジーに従って、ネットワーク１０に示すＰＳＩＣのそれぞれを、ディスクリート（discretely）にかつ個別にアドレスする際の主要ステップをフロー図として示す。ネットワークトポロジーによって、第１、第２、第３ＰＳＩＣ１３、１４、１５で構成される主分岐のＰＳＩＣの数が決まる。第１ＰＳＩＣ１３は電源１１に直接接続されていることを「確かめ」（“sees”）、自らに内部アドレスＩ＝１を割り当てる（assigns）。これに続く（subsequent）ＰＳＩＣは、ＰＳＩＣが先行ＰＳＩＣの第１出力に、あるいは分岐が２つしかない単純なケースではその第２出力に、接続されているかどうかによって作動する。この場合、先行ＰＳＩＣの第１出力に接続されているＰＳＩＣは、先行ＰＳＩＣのインデックス＋１、すなわちＩN-1＋１に等しい内部アドレスＩNを自らに割り当てる。
他方、現行ＰＳＩＣが先行ＰＳＩＣの第１出力に接続されていない場合、図２に示すネットワーク１０の場合のように分岐が２つしかないと仮定して、現行ＰＳＩＣのインデックスＩNは１プラス主分岐のＰＳＩＣの数に設定される。その結果、主分岐に３つのＰＳＩＣ（１３、１４、１５）を持つネットワーク１０では、第４ＰＳＩＣのインデックスは（１＋３）すなわち４に設定される。
図４に示す論理が、図２に示す特定ネットワーク構成に適合させたものであるが、しかし追加分岐が設けられる場合、簡単な適応構造（simple adaptation）に修正可能であることが明らかであろう。このプロセスは、たとえばシステムのパワリングアップに当たって（on powering up the system）独立して実施できる。
図４に関連して説明したような論理を採用することの利点は、アドレス操作論理（addressing logic）を変える必要が全くないまま、第４、第５ＰＳＩＣ１６、１７からなる第２分岐にＰＳＩＣを追加したり除去したりできる点である。事実、分岐が一つしかないより単純な場合では、上記のようなアドレス論理を用いることで、単一の分岐からＰＳＩＣを容易に追加したり除去したりでき、ネットワークが完全にフレキシブルになる。
アドレス操作論理を得る他の方法として、各ＰＳＩＣにエンコーダを設け、マネジャー２９が設けられている場合はマネジャー２９にも知られている（known also to the Manager 29）ディスクリートアドレスに手動で設定する。エンコーダはネットワークカード（network cards）で普通に用いられるＤＩＰスイッチの形式を取ってもよく、あるいＲＯＭに記憶させた固有のアドレスコードの形式であってもよい。必要であれば、組み合わせを用いることで、アドレスコードの一部をＰＳＩＣ内部に記憶させるとともに、他のアドレスを図４に示す論理に従ってネットワークトポロジーに基づいて「その場で」（on the fly）割り当てることもできる。このような配置は多数の分岐が用いられているような場合に特に好適であって、その結果、たとえば各分岐の第１ＰＳＩＣは、これに続く分岐における第１ＰＳＩＣのそれぞれのアドレスと矛盾することなく、ＰＳＩＣをさらに追加できるように適切にオフセットされた特定アドレスをプログラムしたハードウェアとすることができる。たとえば、第１分岐の第１ＰＳＩＣ１３には通常の方法で１というアドレスを与える一方、第２分岐の第１ＰＳＩＣ１６には１００に等しいアドレスを与えることができる。これにより、第２分岐の第１ＰＳＩＣ１６にあらかじめ設定したアドレスと矛盾することなく、最大９６の追加ＰＳＩＣを主分岐に接続することができる。ここまで終えたところで、各分岐のＰＳＩＣそれぞれのアドレス操作（addressing of each of the PSICs）を、図４に関連して説明した上記ネットワークトポロジーに基づいて決定することができる。
マネジャー２９の形式で外部制御ユニットが設けられている場合は、２９はあらかじめプログラムしておくことで、マネジャー２９がＰＳＩＣのぞれぞれについていかなる行動（action）を取るべきかを知ること、その目的のためには、各分岐の第１ＰＳＩＣについて知っている（is a ware of the first PSIC）ことが必要であることは明らかである。しかし、マネジャー２９が省略されているような場合には、それぞれのＰＳＩＣは自身のアドレスを知っているだけでよく、各ＰＳＩＣに接続されている１つ又はそれ以上のアクチュエーターを作動させるために各ＰＳＩＣに送られるデータは、正しいＰＳＩＣアドレスによって適切にエンコードされる。
多数のセンサーやアクチュエーターをＰＳＩＣに接続することについて、典型的なネットワークを通して一般性をもたせて説明してきた。しかし、本発明は発明から逸脱することなく修正を行うことを想定していることが理解される。たとえば、最も単純な形をとった場合、ネットワークにはペイロード素子を一つ設けるだけでよい。これをアクチュエーターにして、このアクチュエーターが接続されるＰＳＩＣ、あるいはその中に論理が記憶されたＰＳＩＣに供給される論理に呼応するようにしてもよい。あるいは、このペイロード素子としてセンサーを用い、このセンサーが生成するセンサー信号によってネットワーク中の異なるＰＳＩＣに、それぞれの制御信号を中継する（for relaying a respective control signal）ようにしてもよい。このような配置は、たとえば、ネットワークで生成される制御信号に呼応するアクチュエーターをもつ遠隔システムにネットワークを結合させるのに有用であろう。また、センサーはセンサーの状態に従って１つ以上の固定出力信号を生成するものであればどのような装置（device）でもよい。したがってたとえば、センサーはどのスイッチ位置が選択されたかによって出力が決まる手動セレクタースイッチでもよい。
処理制御ユニットによって生成される制御信号は、ネットワークに直接あるいは間接に接続されたデータベースに最終的に入力されるデータによって、その一部又は全部を構成されていてもよいことは理解される。
また、本発明は特に双方向データ通信に適しているが、必要であれば、一方向のみにデータを供給するためにネットワークを利用できることも理解される。
さらにまた、本発明と添付のクレームの文脈内において、ＰＳＩＣについて用いられる「先行する」という語句は隣接ＰＳＩＣに結合され、これに電力を供給するＰＳＩＣを表すことに留意されたい。同じように、ＰＳＩＣについて用いられる「後続」なる語句は、隣接するＰＳＩＣに結合されてこれから電力を受取るためのＰＳＩＣを表す。
本発明はこのように、複数のインテリジェントセルが双方向通信チャンネルを介して直列に接続されて、データ（ならびに任意で電力）をネットワークに沿ってＰＳＩＣの一つから他のＰＳＩＣに任意でいずれの方向にも供給できるようになっているインテリジェント分散型ネットワーク（intelligent,distributed network）を提供する。
Claims (17)
- 分散型検出、制御および通信のためのネットワークであって、
電源と、
複数のラインーパワード直列インテリジェントセル（ＰＳＩＣｓ）と、からなり、
ＰＳＩＣの少なくとも一つは、電源によって直接電力供給され、
ＰＳＩＣは、第１、第２及び第３のＰＳＩＣを含み、
ＰＳＩＣは、それぞれの通信チャンネルを介してデージーチェーン構成として結合され、
ＰＳＩＣの各々は、固有のアドレスによって参照するためにその中にアドレス手段を持ち、
ＰＳＩＣの少なくとも一つは、制御論理に従って作動するために少なくとも一つのペイロード素子に関連付けられ、
ＰＳＩＣの少なくとも一つは、それぞれの通信チャンネルを介して、それぞれ隣接するＰＳＩＣと相互に独立した通信を実行するために、少なくとも２つの別個に制御される専用通信ポートを持ち、
通信チャンネルの少なくとも一つは、双方向通信を可能にし、
第１のＰＳＩＣは、
電源から入力電力信号を受取るよう構成された入力ポートと、
それぞれ、第２及び第３のＰＳＩＣに結合するよう構成された第１及び第２のポートと、
それぞれ、第１及び第２のポートに結合された第１及び第２の手段と、を含み、
第１の手段は、データ信号を与えるために第１のポートから入力データ信号を受取るよう構成され、
第２の手段は、出力データ信号を出力電力信号にスーパーインポーズし、
出力データ信号及び出力電力信号は、出力電力及びデータ信号を生成するためにデータ信号及び入力電力信号から生じ、
第２のポートへ出力電力及びデータ信号を与えるよう構成される、
ネットワーク。 - 第１のＰＳＩＣは、出力データ信号を生成するためにデータ信号を処理するよう構成された処理手段をさらに含む、請求項１のネットワーク。
- 処理手段は、所定の論理に従って制御信号を生成するよう構成され、制御論理に従って作動するために処理手段に結合された少なくとも一つのペイロード素子をさらに具備する、請求項２のネットワーク。
- 少なくとも一つのペイロード素子は、
制御論理が呼応して制御データを少なくとも一つの他のＰＳＩＣを経由させるセンサー信号を与えるためのセンサーと、
ＰＳＩＣに供給される制御データに呼応して作動するためにＰＳＩＣの一つに結合されたアクチュエーターと
のうち少なくとも一つを含む、請求項３のネットワーク。 - 制御論理が、少なくとも部分的にＰＳＩＣの一つに接続されるディスクリートマネジメントユニットに含まれるか、又は全面的にＰＳＩＣ内に含まれることを特徴とする、請求項１のネットワーク。
- ＰＳＩＣは、デージーチェーン構成として結合され、ＰＳＩＣの各々は、固有のアドレスに関連付けられる、請求項１から５のうち何れか１項のネットワーク。
- ＰＳＩＣの各々は、その中に少なくとも部分的にエンコードされたアドレス手段を含む、請求項６のネットワーク。
- 電源にもっとも近い位置にあって電力を直接電源から受取るＰＳＩＣが、第１のアドレスを割り当てられ、後続のＰＳＩＣがそれぞれ電源に対して結合されている順序に従って後続アドレスを割り当てられる、請求項７のネットワーク。
- 分散型検出、制御および通信のためのネットワークであって、
電源と、
複数のライン−パワード直列インテリジェントセル（ＰＳＩＣｓ）と、からなり、
ＰＳＩＣの少なくとも一つは、電源によって直接電力供給され、
ＰＳＩＣは、第１、第２及び第３のＰＳＩＣを含み、
ＰＳＩＣは、それぞれの通信チャンネルを介してデージーチェーン構成として結合され、
ＰＳＩＣの各々は、固有のアドレスによって参照するためにその中にアドレス手段を持ち、
ＰＳＩＣの少なくとも一つは、制御論理に従って作動するために少なくとも一つのペイロード素子に関連付けられ、
ＰＳＩＣの少なくとも一つは、それぞれの通信チャンネルを介して、それぞれ隣接するＰＳＩＣと相互に独立した通信を実行するために、少なくとも２つの別個に制御される専用通信ポートを持ち、
通信チャンネルの少なくとも一つは、双方向通信を可能にし、
電力及びデータは、通信チャンネル上でともに供給され、
第２のＰＳＩＣは、
第１のＰＳＩＣから入力信号を受取るよう構成された第１のポートと、
受取った入力信号に呼応して入力データ信号及び入力電力信号を出力するよう構成された第１の手段と、
入力データ信号に呼応して処理されたデータ信号を与えるよう構成された処理手段と、
それぞれ、処理されたデータ信号及び入力電力信号から生じた出力データ信号及び出力電力信号を含む出力信号を出力するよう構成された第２の手段と、
第３のＰＳＩＣに出力信号を与えるよう構成された第２のポートと、を含む
ネットワーク。 - 処理手段は、所定の論理に従って制御信号を生成するよう構成される、請求項９のネットワーク。
- 少なくとも一つのペイロードポートは、
処理手段からアクチュエーターに制御信号を与えるか、又は
センサーからセンサー信号を受取り、センサー信号を処理手段に与えるよう構成される、請求項１０のネットワーク。 - 第２のＰＳＩＣは、
外部論理制御素子に結合して、処理手段の状態をモニターするために処理手段に結合された通信ポート、及びそれに結合されたペイロード素子、又は
外部論理制御素子に結合して、前記所定の論理を処理手段に供給し、処理手段の状態をモニターするために処理手段に結合された通信ポート、及びそれに結合されたペイロード素子をさらに含む、請求項１１のネットワーク。 - 第２のポートは、第３のＰＳＩＣからもう一つの入力信号を受取るよう構成され、
第２の手段は、受取ったもう一つの入力信号に呼応してもう一つの入力データ信号を出力するよう構成され、
処理手段は、もう一つの入力データ信号に呼応してもう一つの処理されたデータ信号を与えるよう構成され、
第１の手段は、それぞれ、もう一つの処理されたデータ信号及び入力電力信号から生じたもう一つの出力データ信号及びもう一つの出力電力信号を含むもう一つの出力信号を出力するよう構成され、
第１のポートは、第１のＰＳＩＣにもう一つの出力信号を与えるよう構成される、請求項９から１２のうち何れか１項のネットワーク。 - 分散型検出、制御および通信のためのネットワークであって、
電源と、
複数のライン−パワード直列インテリジェントセル（ＰＳＩＣｓ）と、からなり、
ＰＳＩＣの少なくとも一つは、電源によって直接電力供給され、
ＰＳＩＣは、第１、第２及び第３のＰＳＩＣを含み、
ＰＳＩＣは、それぞれの通信チャンネルを介してデージーチェーン構成として結合され、
ＰＳＩＣの各々は、固有のアドレスによって参照するためにその中にアドレス手段を持ち、
ＰＳＩＣの少なくとも一つは、制御論理に従って作動するために少なくとも一つのペイロード素子に関連付けられ、
ＰＳＩＣの少なくとも一つは、それぞれの通信チャンネルを介して、それぞれ隣接するＰＳＩＣと相互に独立した通信を実行するために、少なくとも２つの別個に制御される専用通信ポートを持ち、
通信チャンネルの少なくとも一つは、双方向通信を可能にし、
電力及びデータは、異なるチャンネル上でＰＳＩＣに供給され、
第２のＰＳＩＣは、
第１のＰＳＩＣから第１の入力データ信号を受取るよう構成され、
受取った第１の入力データ信号を受取り、所定の論理に従って制御信号を生成するよう構成された処理手段と、
処理手段とペイロード素子との間の通信のためにペイロード素子を処理手段に結合するための第２のポートと、
第３のＰＳＩＣに結合するための第３のポートと、
処理手段及びペイロード素子へ電源によって電力を供給するための第４のポートと、を含む
ネットワーク。 - ペイロード素子は、アクチュエーター及びセンサーのうち少なくとも一つを含み、
制御手段は、
第２のポートを介してアクチュエーターに制御信号を与え、又は
第２のポートを介してセンサーからセンサー信号を受取る、請求項１４のネットワーク。 - 第２のＰＳＩＣは、
外部論理制御素子に結合して、処理手段の状態をモニターするために処理手段に結合された通信ポート、及びそれに結合されたペイロード素子、又は
外部論理制御素子に結合して、前記所定の論理を処理手段に供給し、処理手段の状態をモニターするために処理手段に結合された通信ポート、及びそれに結合されたペイロード素子をさらに含む、請求項１５のネットワーク。 - 第２のポートは、もう一つの入力信号を第３のＰＳＩＣから受取るよう構成され、
第２の手段は、受取ったもう一つの入力信号に呼応してもう一つの入力データ信号を出力するよう構成され、
処理手段は、もう一つの入力データ信号に呼応してもう一つの処理されたデータ信号を与えるよう構成され、
第１の手段は、もう一つの処理されたデータ信号から生じたもう一つの出力データ信号を含むもう一つの出力信号を出力するよう構成され、
第１のポートは、もう一つの出力信号を第１のＰＳＩＣに与えるよう構成される、請求項１４から１６のうち何れか１項のネットワーク。
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