JP4550505B2 - データ処理ユニットの同期化方法 - Google Patents

Description

本発明は，ネットワーク内の多数のデータ処理ユニットを同期化する方法及びその方法を適用可能なネットワークに関する。

自動車技術における制御機能の進歩し続ける電子化は，たとえばセンサやアクチュエータ，制御ユニットのような電気的，電子的なユニットが最近の自動車内において様々な機能のために使用される数をますます増加させている。これらのユニットの数につれて，その配線のための手間が増大する。配線の手間とそれに結びついたコストを限界内に抑えるために，センサの検出信号の処理または操作部材のための操作信号の供給を行う制御ユニットと各個々のセンサまたは各個々の操作部材とを個別の信号線を介して接続するのではなく，この種の多数のセンサや操作部材をそれぞれ適切なインタフェース回路を介して共通のバスに接続することが好ましいことが明らかにされている。そのバス上でアドレスされたメッセージの形式の信号を制御ユニットと種々のインタフェースとの間で時間多重で伝達することができる。

バスの使用は，配線の手間を著しく削減するが，この利点は，種々のセンサやアクチュエータの時間的調整が困難にされることによって，購われる。バスに支えられるネットワーク内で種々の接続されているデータ処理ユニット（これは特に，センサやアクチュエータとそれに対応づけられたインタフェース回路との組合わせとすることができる）の時間的に調整された処理を実施するために，これらのユニットに実施すべき処理の開始前に，処理内容とそれを実施する時点を詳細に示す指令を送信しなければならない。というのは，時間多重駆動の結果として，所望の処理を即座に実施する指令を所望のデータ処理ユニットへ送信する場合には，当該データ処理ユニットに処理を実施させる所望の時点でバスが空いていることが保証されないからである。しかし，処理の時点を詳細に示す指令が，データ処理ユニットへ前もって送信される場合には，実施すべき処理の時間的調整のために，ユニットが共通の時間基準を有していることが，不可欠である。

すべてのデータ処理ユニットについて共通の時間標準を確立できる方法は，バス上で伝達されるクロック信号を使用することである。クロック信号の周期は接続されているユニットによって一緒に数えられる。しかしこの解決策は，専用の信号線または個々のバス線の伝送帯域幅の大部分を必要とし，かつ個々のデータ処理ユニットにバス上の伝送障害により生じる可能性のあるカウントエラーを面倒な付加措置によってしか除去できない限りにおいて，満足できるものではない。

共通の時間標準を確立できる他の方法は，各データ処理ユニットに専用の時間信号発生器を設けることである。しかし，この時間信号発生器の作業周波数の不可避のばらつきによって，初期の同期が時間の経過において失われてしまうため，ここでも個々のユニットによって実施すべき処理の正確な時間的調整は，容易には保証できない。

そこで，本発明はこのような問題に鑑みてなされたもので，その目的とするところは，簡単な方法で，かつユニットを接続するバスの伝送容量に多大な負担をかけることなく，ユニットの正確な同期を可能にする，データ処理ユニットの同期化方法を提供することにある。

上記課題を解決するために，本発明のある観点によれば，複数のデータ処理ユニットが接続される第１のネットワークにおいて，複数のスレーブユニットのローカルなタイミングジェネレータをマスターユニットのローカルなタイミングジェネレータと同期させる方法が提供される。かかる同期化方法は，マスターユニットによって，マスターユニットの時間測定値およびタイミングマークを含む同期化メッセージが第１のネットワーク上に送信されるステップと，上記複数のスレーブユニットが，各々のスレーブユニット内に記録されている時間測定値とマスターユニットから受信した時間測定値との間の差を算出し，スレーブユニットの実際の時間測定値を算出された差に基づいて補正するステップと上記マスターユニットおよび複数のスレーブユニットが，タイミングマークを受信した時点における各々の時間測定値を記録するステップと，上記マスターユニットが，記録された時間測定値を次の同期化メッセージへ挿入するステップとを含む。

第１のネットワークに接続されている種々のデータ処理ユニットのうち，その時間を他のユニットのための基準とされるユニットを，マスターユニットと称し，その時間をマスターユニットの時間に適合させるユニットを，スレーブユニットと称する。

マスターユニットとスレーブユニットとの間の同期化は，第１のネットワーク上で，タイミングマークとマスターユニットのローカルのタイミングジェネレータの時間値とを含む同期化メッセージを伝達することによって行われる。

タイミングマークは，第１のネットワーク内の伝播遅延を無視すると，すべてのユニットに同時に提供可能であり，各ユニットのローカルなタイミングジェネレータのその時の，つまりタイミングマークが提供された時の時間測定値を記録するために，利用される。後の同期化メッセージ内でマスターユニットが自分が記録した時間測定値をスレーブユニットに伝達する場合に，スレーブユニットはそのローカルなタイミングジェネレータとマスターユニットのそれとの間の偏差を，自分が記録した時間測定値と伝達された時間測定値とを比較することによって認識し，補正することができる。

この方法においては，補正の精度は，マスターユニットによる同期化メッセージの作成と第１のネットワーク上でのその伝達との間にどれくらいの時間が経過したかには依存されない。従ってこの方法は，特に，この時間が正確に決定されず，または特にＣＡＮネットワークのように，それぞれネットワーク負荷に従って変化する可能性のあるネットワークに適している。

好ましくは，この同期化メッセージは，第１のネットワーク上でサイクリックに送信される。

ローカルなタイミングジェネレータの補正に基づいて，スレーブユニットの所定の事象または所定の処理のために設けられている時点が，スレーブユニットの時間測定内で二重に発生し，あるいは抜け落ちることを排除するために，マスターユニットが同期化メッセージ内で，スレーブユニットのタイミングジェネレータの補正のための時点を詳しく指示すると効果的である。詳しく指示されたその時点は同期化メッセージの受信の時点からずれることがあり得る。この時点は，好ましくは，発明の具体的な利用状況に従って，スレーブユニットに処理を実行させる時点から十分な間隔で選択される。

スレーブユニットは，自分の中で記録した時間測定値とマスターユニットから伝達された時間測定値との間の差を算出することによって，自分のローカルなタイミングジェネレータとマスターユニットのタイミングジェネレータとの偏差を認識する。スレーブユニットは，自分のローカルなタイミングジェネレータ自体を補正する前に，補正のために詳しく示された時点を上記算出によって得た差に基づいて補正することができる。このようにして，すべてのスレーブユニットはそのローカルなタイミングジェネレータを，マスターユニットのタイミングジェネレータに対するその偏差に関係なく，マスターユニットによって詳細に示された時点に対して正確に補正することができる。

第１のネットワークのスレーブユニットは，また，第２のネットワーク内でマスターユニットとなることができる。第２のネットワーク内でマスターユニットとなった第１のネットワークにおけるスレーブユニットを，サブマスターユニットと称する。サブマスターユニットは，第２のネットワーク内でスレーブユニットのタイミングジェネレータを，第２のネットワーク上で伝達される同期化メッセージによって制御する。

この第２のネットワークにおいては，伝達すべき同期化メッセージの形成と第２のネットワーク内でのその伝達との間の期間を定めることができる場合には，第２のネットワーク内でスレーブユニットを同期化するために比較的簡単な方法を使用することができる。その方法においては，サブマスターユニットはそれぞれ，そのローカルなタイミングジェネレータの時間測定値から導き出された値を含む同期化メッセージをスレーブユニットへ伝達する。スレーブユニットは，伝達された値から自分のタイミングジェネレータ内で引き継ぐべき時間測定値を導き出す。スレーブユニットが引き継ぐべき時間測定値を導き出すには特に以下の２つのプロセスが含まれる。２つのプロセスの一方は，サブマスターユニットのローカルなタイミングジェネレータからメッセージ内へ，あるいはメッセージからスレーブユニットのタイミングジェネレータ内へ同一の時間測定値を引き継ぐプロセスである。他方は，サブマスターユニット内での時間測定値の出力とスレーブユニットへのメッセージの伝達との間に要する既知の一定の期間に基づいて上記プロセスで引き継がれた時間測定値を補正するプロセスである。

この第２のネットワークは，特にＬＩＮ（Ｌｏｃａｌ Ｉｎｔｅｒｃｏｎｎｅｃｔ Ｎｅｔｗｏｒｋ）ネットワークとすることができる。

本発明の他の特徴と利点は，以下で添付図面を参照して行う実施形態の説明から明らかにされる。

以上説明したように本発明によれば，簡単な方法で，かつユニットを接続するバスの伝送容量に多大な負担をかけることなく，ユニットの正確な同期を可能にする，データ処理ユニットの同期化方法を提供できるものである。

以下に添付図面を参照しながら，本発明の好適な実施の形態について詳細に説明する。なお，本明細書及び図面において，実質的に同一の機能構成を有する構成要素については，同一の符号を付することにより重複説明を省略する。

図１は，階層構造のデータ処理ネットワークのブロック図であって，同図においてマスターユニット１と多数のスレーブユニット２の間に，ユニット３が挿入されている。これらのユニットはマスターユニット１に対してはスレーブとして，スレーブユニット２に対してはマスターユニットとして行動し，従ってここではサブマスターユニット３と称することにする。サブマスターユニット３は，ＣＡＮバス４を介してマスターユニット１と，そしてＬＩＮバス５を介してスレーブユニット２と通信する。

ここでＣＡＮバス４に関して，接続されている個々のユニットをマスターユニット１と称する場合には，これはマスターユニット１の特性のみに関するものである。マスターユニットはローカルのタイミングジェネレータを有しており，その時間測定値はＣＡＮバス４に接続されている他のすべてのユニットにとって拘束力がある。このバスに接続されているすべてのユニット１，３は，ＣＡＮバス４について支配権を時間多重で分かち合う。

それに対してＬＩＮバス５上では，それぞれサブマスターユニット３のみが，バス５上でメッセージを送信する権利を有している。スレーブユニット２からサブマスターユニット３へのデータの伝達は，それぞれサブマスターユニット３からの要請に応じてのみ行われる。

スレーブユニット２はそれぞれ，バス通信のためのインタフェースと，接続されている機器，たとえばウィンカーや自動車のウィンドウワイパーモータ，セントラルロックの錠などを制御する制御回路とから構成される。

システムワイドの同期化は，２つの段階で行われる。第１の段階では，すべてのサブマスターユニット３が，マスターユニット１との間で同期化され，第２段階では，スレーブユニット２が，それぞれ対応づけられているサブマスターユニット３との間で同期化される。

以下において，まず，ＣＡＮバス４を介してのマスターユニット１とサブマスターユニット３との同期化について説明する。

図２は，マスターユニット１の構造を概略的に示している。クロックジェネレータ６がクロック信号を制御プロセッサ７へ供給する。制御プロセッサ７は，プログラム制御され，外部の指令およびＣＡＮバス４を介して受信したデータに基づいて種々の制御機能を認識する。なお，その制御機能は本発明の対象ではないためここではこれ以上の説明は行わない。クロックジェネレータ６のクロック信号は，さらに，デジタルカウンタ形式のローカルのタイミングジェネレータ８を制御する。そのカウンタ状態はクロック信号の各周期によってインクリメント（またはデクリメント）され，従って時間測定値を示す。タイミングジェネレータ８の出力には，特に，タイミングジェネレータ８の時間測定値を読み取るために，制御プロセッサ７が接続されている。

バスインタフェース９は，制御プロセッサ７のコントロールの下でＣＡＮバス４と通信する。特に，バスインタフェースはＣＡＮバス４を，その上で伝送される同期化メッセージ内のタイミングマークの発生について監視する。バスインタフェースは，タイミングマークの発生に，制御プログラム７への割り込みというかたちで反応する。その後制御プログラム７はタイミングジェネレータ８の時間測定値を読み取って，レジスタ内または定められたメモリスペース１０内に格納する。メモリスペース１０の内容は，時間測定値として次の同期化メッセージ内へ挿入される。制御プロセッサ７がその同期化メッセージを形成して，ＣＡＮバス４上で送信する。

サブマスターユニット３におけるクロックジェネレータ６，制御プロセッサ７，タイミングジェネレータ８，バスインタフェース９およびメモリ１０を有する回路構造は，マスターユニット１におけるのとほぼ同様であるため改めて説明はしない。２つのタイプのユニットは，以下で図３のタイミングチャートを用いて説明するように，その制御プロセッサの作業方法においてだけ区別される。

（第１実施形態）
このグラフ内の３本の平行な時間軸Ｍ，Ｃ，ＳＭは，それぞれマスターユニット１のタイミングジェネレータ８，ＣＡＮバス４およびサブマスターユニット３のタイミングジェネレータ８を象徴している。このグラフは，ＣＡＮバス４上の，ＳＹＮＣで示される同期化メッセージから開始される。垂直の一点鎖線ｔ１で示されているこのメッセージの最終部は，タイミングマークを表している。マスターユニット１とサブマスターユニット３は，図において１クロック周期を示す各六角形の上方に数値で示されている，そのカウンタの時間測定値をそのレジスタ１０内に格納することによって，タイミングマークに反応する。時点ｔ１で，記入されている値は両方ともゼロであり，それは，マスターユニット１とサブマスターユニット３のタイミングジェネレータが±１のクロック周期に同期していることを意味している。

後の任意の時点で，たとえばマスターユニット１のタイミングジェネレータのカウンタ値２５０が発生するたびに，マスターユニットは新しい同期化メッセージを生成して，それを，ＣＡＮバス４上で送信させるために，バスインタフェース９へ伝達する。この時点で，ＣＡＮバス４は他のメッセージＭＳＧによって占有されているので，新しい同期化メッセージＳＹＮＣはバスが空くことによって初めて送信することができる。バスインタフェース９が同期化メッセージを送信することができるようになる時点は，マスターユニット１の制御プログラム７がメッセージを形成する際にはわからない。

新しいメッセージＳＹＮＣの伝達が時点ｔ２で終了した場合に，マスターユニット１のタイミングジェネレータは値２５５を有し，サブマスターユニット３のタイミングジェネレータは値２５４を有している。２つの値は，それぞれのユニットのそのために設けられているメモリスペース１０内に記録される。

次の同期化メッセージ内へ，マスターユニット１のタイミングジェネレータの計数値２５５が挿入される。このメッセージＳＹＮＣの伝達は，時点ｔ３において終了する。終了時点において，図示のように，マスターユニット１のタイミングジェネレータの数値は４であり，サブマスターユニット３の数値は３である。サブマスターユニットは，受信した同期化メッセージＳＹＮＣに含まれているマスターユニットの数値２５５と，自らがメモリスペース１０に記録している数値２５４の間の差を算出して，自分が１クロック周期遅れていることを認識する。それに続いてサブマスターユニット３は自己のタイミングジェネレータの現在の数値を，検出された差だけ高める。それによってサブマスターユニット３のタイミングジェネレータはマスターユニット１のタイミングジェネレータと再び完全に同期化される。

（第２実施形態）
図４は，図３と同様に，本実施形態にかかる同期化方法が適用された他の実施形態に基づく同期化の時間的シーケンスを示している。ここでは，４本の時間軸，Ｃで示されるＣＡＮバス４のためのものと，Ｍで示されるマスターユニット１のためのものと，ＳＭ１とＳＭ２で示される２つのサブマスターユニット３のための時間軸に基づいて説明する。ＣＡＮバス４上で伝達される第１の同期化メッセージＳＹＮＣは，２つのデータフィールドを持っており，ここでは各々２５５と１２７とが格納されている。なお，その機能については後に詳細に説明する。同期化メッセージＳＹＮＣの伝達の最終部はタイミングマークを示す。時点ｔ１’におけるＣＡＮバス４上でのタイミングマークの発生に従って，マスターユニット１と２つのサブマスターユニット３は，各々のローカルなタイミングジェネレータの現在の時間測定値を記録する。図示のように，マスターユニット１におけるＲＭ＝４と２つのサブマスターユニット３におけるＲＳＭ１＝３およびＲＳＭ２＝５が各々記録される。

バス４上で伝達される第２の同期化メッセージは，その前にマスターユニット１によって記録されたマスターユニット１の時間測定値ＲＭ＝４を第１のデータフィールド内に格納している。このデータ値を受信したサブマスターユニットは，それぞれ自己のカウンタ偏差Δｔｉ＝ＲＭ−ＲＳＭｉ，ｉ＝１，２を計算する。同時に，第２の同期化メッセージＳＹＮＣの最終部，時点ｔ２’において，すべてのユニットにおいて新しく時間測定値ＲＭ＝５４，ＲＳＭ＝５３またはＲＭＳ２＝５５が各々記録される。

同期化メッセージ内に含まれる第２のデータ値，ここでは１２７は，恣意的に定めることのできる時点である。具体的には，サブマスターユニット３のタイミングジェネレータの補正が行われるべき，マスターユニット１のタイミングジェネレータの計数状態を示している。サブマスターユニット３は，このデータ値をそれぞれ定められた偏差Δｔｉだけ補正して，それによって第１のサブマスターユニット３のための補正時点ｔｃ１＝１２７−Δｔ１＝１２６と第２のサブマスターユニット３のための補正時点ｔｃ２＝１２７−Δｔ２＝１２８を得る。

サブマスターユニット３のローカルなタイミングジェネレータが各々，上記の如く計算された数値ｔｃ１，ｔｃ２の値に至った時に（すなわち図４のｔ３’において），これらの数値がエラーΔｔ１ないしΔｔ２だけ補正される。従って，後続のクロックサイクルにおいてはすべてのタイミングジェネレータは正確に同期している。同時に，次の同期化演算のために記憶されている時間測定値ＲＳＭ１，ＲＳＭ２が同様に（もちろん逆の符号で）補正されるので，両者とも値５４をとる。マスターユニット１の時間測定値として値５４を有する次の同期化メッセージが伝達された場合に，すべてのユニットのタイミングジェネレータが同期していることが確認され，新たな補正は行われない。

図５は，ＬＩＮバス５を介してサブマスターユニット３とスレーブユニット２の間で行われる同期化のシーケンスを，それぞれサブマスターユニット３，バス５またはスレーブユニット２に対応づけられている３本の時間軸ＳＭ，Ｌ，Ｓを用いて示している。それぞれサブマスターユニット３自体がマスターユニット１によって同期化される度に，−この同期化が図に示されている場合におけるようにサブマスターユニットのタイミングジェネレータの補正をもたらしたか否かに関係なく（番号１２７を有するクロックサイクルのスキップ）−サブマスターユニット自体はそれに接続されているスレーブユニット２の同期化を実施する。サブマスターユニット３は，ＬＩＮバス５の支配権を有しているので，サブマスターユニット３は自らが決定した各時点でＬＩＮバス５上で同期化メッセージＳＹＮＣ’の送信を開始することができる。同期化メッセージはパラメータとして送信が開始されるクロックサイクルの番号，ここでは１２８を含んでいる。

同期化メッセージＳＹＮＣ’の伝達は，定められた数のクロックサイクルを要求するので−本実施形態においては３つのクロックサイクルの期間と仮定する−，クロック１３１においてスレーブユニット２へ同期化メッセージが完全に伝達される。スレーブユニットは，サブマスターユニット３から受信したクロックサイクル番号に既知の伝達期間（上述の通り本実施形態においては３つのクロックサイクルの期間）を加算して，自己のローカルなタイミングジェネレータをその結果に，ここでは１３１（１２８＋３）にセットする。

以上，添付図面を参照しながら本発明の好適な実施形態について説明したが，本発明は係る例に限定されないことは言うまでもない。当業者であれば，特許請求の範囲に記載された範疇内において，各種の変更例または修正例に想到し得ることは明らかであり，それらについても当然に本発明の技術的範囲に属するものと了解される。

本発明は，複数のデータ処理ユニットのタイミングジェネレータを同期させる方法に適用可能である。

本発明の第１，第２実施形態における，階層的なネットワークを概略的に示すブロック図である。 同実施形態におけるネットワークのユニットのブロック図である。 本発明の第１実施形態における，マスターユニットとサブマスターユニットとの間の同期化のシーケンスを示すタイミングチャートである。 本発明の第２実施形態における，マスターユニットとサブマスターユニットとの間の同期化のシーケンスを示すタイミングチャートである。 本発明の第１，第２実施形態における，サブマスターユニットとそれに接続されているスレーブユニットの間の同期化を説明するタイミングチャートである。

符号の説明

１ マスターユニット
２ スレーブユニット
３ サブマスターユニット
４ ＣＡＮバス
５ ＬＩＮバス
６ クロックジェネレータ
７ 制御プロセッサ
８ タイミングジェネレータ
９ バスインタフェース
１０ メモリスペース

Claims (8)

1. 複数のデータ処理ユニットが接続される第１のネットワークにおいて，複数のスレーブユニットのローカルなタイミングジェネレータをマスターユニットのローカルなタイミングジェネレータと同期させる方法であって：
   前記マスターユニットが，前記マスターユニットの時間測定値およびタイミングマークを含む同期化メッセージを前記第１のネットワーク上に送信するステップと；
   前記複数のスレーブユニットが，各々のスレーブユニット内に記録されている時間測定値と前記マスターユニットから受信した時間測定値との間の差を算出し，前記スレーブユニットの実際の時間測定値を前記算出された差に基づいて補正するステップと；
   前記マスターユニットおよび前記複数のスレーブユニットが，前記タイミングマークを受信した時点における各々の時間測定値を記録するステップと；
   前記マスターユニットが，前記記録された時間測定値を次の同期化メッセージへ挿入するステップと；
   を含むことを特徴とする，データ処理ユニットの同期化方法。
2. 前記同期化メッセージが，周期的に送信されることを特徴とする，請求項１に記載のデータ処理ユニットの同期化方法。
3. 前記マスターユニットは，前記スレーブユニットに自己のタイミングジェネレータを補正せしめる時点を前記同期化メッセージ内で指示することを特徴とする，請求項１または２に記載のデータ処理ユニットの同期化方法。
4. 前記スレーブユニットは，前記指示された補正の時点を，前記算出された差に基づいて補正することを特徴とする，請求項３に記載のデータ処理ユニットの同期化方法。
5. 前記第１のネットワークが，ＣＡＮネットワークであることを特徴とする，請求項１から４のいずれかに記載のデータ処理ユニットの同期化方法。
6. 前記第１のネットワークに接続されている前記複数のスレーブユニットのうちの少なくとも１つのスレーブユニットは同時に第２のネットワークに接続されており，
   前記スレーブユニットは，前記第２のネットワークにおいてはマスターユニットとして機能するサブマスターユニットであって，
   前記サブマスターユニットに対応づけられたスレーブユニットは，前記第２のネットワーク上で伝達される同期化メッセージによって同期化されることを特徴とする，請求項１から５のいずれかに記載のデータ処理ユニットの同期化方法。
7. 前記サブマスターユニットは，自己のローカルなタイミングジェネレータの時間測定値から導き出した数値を前記第２のネットワーク上で伝達される同期化メッセージに含ませることによって伝達し，
   前記対応づけられた各スレーブユニットは，伝達された数値から導き出した時間測定値を各々のローカルなタイミングジェネレータに引継ぎ，
   前記サブマスターユニットが前記時間測定値から前記数値を導き出す際，または前記スレーブユニットが前記数値から前記時間測定値を導き出す際に，前記第２のネットワーク上での同期化メッセージの伝達に要する期間を考慮することを特徴とする，請求項６に記載のデータ処理ユニットの同期化方法。
8. 前記第２のネットワークが，ＬＩＮ（Ｌｏｃａｌ Ｉｎｔｅｒｃｏｎｎｅｃｔ Ｎｅｔｗｏｒｋ）ネットワークであることを特徴とする，請求項６または７に記載のデータ処理ユニットの同期化方法。
   

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