JP4616370B2 - シリアルデータの劣化検出回路を有する制御回路 - Google Patents

Description

本発明は、受信したシリアルデータの劣化を検出する回路を有する制御機器に関する。

図１０は数値制御装置やロボットコントローラとサーボアンプを光ファイバケーブルで接続しデータ通信する状態を示す図である。数値制御装置１１０とサーボアンプ１２０あるいはサーボアンプ同士を光ファイバーケーブルによるシリアルバスに接続したモータ制御システムでは、光ファイバーケーブルの折損などにより、光信号が劣化し、それによって光信号として受信したシリアルデータに歪みが発生することがある。歪みが多少あったとしても、受信したシリアルデータをパラレルデータに変換するために使用されるクロック・データ・リカバリー（ＣＤＲ：Ｃｌｏｃｋ Ｄａｔａ Ｒｅｃｏｖｅｒｙ、特許文献１等で開示）の追従範囲内であれば正しくデータを受信できるが、歪みがＣＤＲの追従範囲を超えるほど大きくなれば、データエラーが発生する危険がある。このため、予防保守の観点から、実際にエラーが発生する前に、光信号の歪みを検出し、ワーニングを出力する仕組みが望まれている。

しかるに、光通信において、受信した光信号の劣化検出装置に関する先行技術として、特許文献２に開示された技術がある。特許文献２に記載の発明は、光信号の劣化状態を検出することを目的とし、光から電気に変換された信号から抽出した伝送路クロックと基準クロックとを位相比較器で比較し、伝送路クロックと基準クロックの位相のずれの変化量が所定の基準値より大きいとき、光信号の劣化を検出するものであるが、光から電気に変換された信号の位相を直接評価するものではない。このため、特許文献２の発明では、抽出後の伝送路クロックに異常（クロック抜けや周波数変動）が発生して始めて光信号の劣化を検出することができる。しかし、これでは受信した光信号に異常が発生するまで、光信号が劣化したか否かが分からないという問題が生じる。

特開２００３−１６８９７３号公報（特許請求の範囲の［請求項１］、明細書の段落番号［００３４］〜［００４５］および図面の［図１］、［図１１］参照）。 特開平８−７９３１５号公報（明細書の段落番号［００１４］〜［００１６］、［００２５］および図面の［図１］参照）。

これに対し、本発明は、受信した光信号に異常が発生するまで光信号が劣化したか否かが分からないという問題を解決するためになされたものであり、光信号から電気信号に変換された信号の位相を直接評価することによって、例えばクロック・データ・リカバリー（ＣＤＲ）から出力されるクロックに異常が発生するより前に光信号の劣化を検出し、予防的に保守することを可能とする制御機器の提供を目的とする。

端的には、本発明は受信した光信号に異常が発生する前に光信号の劣化を検出することを目的とする。

上記目的を達成する本発明による制御機器は、シリアル通信機能を備えた制御機器において、前記シリアル通信機能により受信したシリアルデータの立上りあるいは立下りエッジの位相を検出し、該シリアルデータの立上りあるいは立下りエッジの位相と基準クロックの位相との間の位相差を位相データとして出力する位相検出回路と、前記位相検出回路から出力される前記位相データが予め設定された範囲を超えたか否かを判定し、該位相データが予め設定された範囲を超えたと判定したときワーニングを出力する位相判定回路と、を備えたことを特徴とする。

上記制御機器において、前記基準クロックの位相が前記シリアルデータの立上りあるいは立下りエッジの位相と同一位相になるように追従制御される。

上記制御機器において、前記基準クロックは、前記シリアルデータの転送レートと同一周波数である。

上記制御機器において、前記位相データの移動平均と前記位相データの差を修正位相データとして算出し、該修正位相データを出力する調整回路を備え、前記位相判定回路は前記修正位相データが予め設定された範囲を超えたときワーニングを出力する。

上記制御機器において、前記位相データの２乗値あるいは絶対値の一定時間あたりの積算値を修正位相データとして算出し、該修正位相データを出力する調整回路を備え、前記位相判定回路は前記修正位相データが予め設定された範囲を超えたときワーニングを出力する。

上記構成により、光信号から電気信号に変換された信号のデータエッジの位置の変動を直接観測することで、クロック・データ・リカバリ（ＣＤＲ）から出力される再生データあるいは再生クロックに異常が発生するより前に光信号の劣化を検出できる。

図１は本発明による光信号の劣化検出回路の一実施形態を示す図である。図１全体に示す劣化検出回路１において、光通信で受信した光信号のシリアルデータは、まず、光／電変換回路１１によって電気信号のシリアルデータに変換されると、位相検出回路１２に送られる。位相検出回路１２では、入力されたシリアルデータが位相比較器１２１に入力され、位相比較器１２１に別途入力されている基準クロック１２０との間で位相の比較が行われ、シリアルデータの立ち上がり／立下りエッジの位相と、基準クロックとの位相差が位相データとして出力される。

位相比較器１２１は、例えば、基準クロック１２０の数倍の周波数のカウント用クロックによって、シリアルデータと基準クロックの立ち上がりとの間が、カウント用クロックの何周期分であるかをカウントする。その際に、シリアルデータの位相が基準クロック１２０の位相に対して進んでいればプラス、遅れていればマイナスのカウント値を出力する。

基準クロックが、劣化の無い理想的なシリアルデータの立ち上がり／立下りエッジの位相と同一の位相であれば、位相比較器１２１から出力される位相データは、光信号の位相の理想値からの位相差、即ち、光信号の劣化を表わす。

図２は図１の劣化検出回路におけるシリアルデータの位相が通常は基準クロックの位相とずれていない例を示す図である。図１に示す位相検出回路１２から出力された位相（差）データは位相判定回路１３に送られる。位相判定回路１３は、予め設定された値、図２に示す例では「９」に対して位相がずれている、すなわち通常で「０」の位相データの絶対値が「９」を超えたとき位相がずれている、と判断し、ワーニングを出力する。

図３は図１の劣化検出回路におけるシリアルデータの位相が通常で基準クロックの位相とずれている例を示す図である。基準クロックが光信号の通信レートと全く同じ周波数のクロック発生回路（不図示）の出力であった場合、位相検出回路１２からは、一定のオフセットを含んではいるが、光信号の歪の情報を含む位相データが出力される。位相検出回路１２から出力された位相データは位相判定回路１３に送られる。位相判定回路１３は通常で「＋８」の位相データが予め設定された範囲、図３に示す例では「−１」からはずれていたら、ワーニングを出力する。

ところで、基準クロックとして通信レートと全く同じ周波数のクロックを生成することが難しい場合、基準クロックはわずかではあるが周波数偏差のある、クロック発生回路の出力とせざるを得ない。

図４は図１の劣化検出回路における基準クロックと通信レートの間に周波数偏差がある場合の基準クロックとシリアルデータの位相を表した図であるが、この図に示すように、光信号の歪が無くても、周波数偏差のために位相データは時間の経過と共に変化してしまう。このため、位相判定回路１２において、固定の閾値を設定することはできないという問題がある。

これに対応するために、２つの方法が考えられる。一つ目は、基準クロックの位相をシリアルデータの位相に追従するように制御されたクロックを用いる方法である。

シリアルデータから受信クロックを生成するためのクロック・データ・リカバリー（ＣＤＲ）の内部の位相検出器に入力されている再生クロック（特許文献１の図１１参照）は、立上りエッジの位相が、シリアルデータの立ち上がり／立下りエッジの位相と同一になるように制御されることでシリアルデータに追従しており、また、光信号の劣化などで発生する突発的な波形歪みによって位相がロックした状態から外れないように、追従時の特性が調整されており、緩やかな位相の変化には追従するが、突発的な位相変化には追従しないようになっている。この再生クロックを図１の基準クロックとすれば、図４のように周波数の偏差によって基準クロックとシリアルデータとの位相差が拡大することは無くなる。

また、この基準クロックは前述のように突発的な位相変化には追従しないため、図２での光信号の劣化による波形歪みが発生した場合でも、再生クロックの追従制御によって位相検出回路の出力する位相データが失われることは殆ど無い。少なくとも、基準クロックが追従可能な範囲以上の波形歪みがシリアルデータに発生すれば、歪みが観測可能である。したがって、上記再生クロックは完全ではないが、光信号の理想的な基準クロックの代替となり得る。

２つめの方法は、位相検出回路から出力される位相データの移動平均を求めて位相データから差し引くための調整回路を設けることで、基準クロックの周波数偏差をキャンセルするものである。

図５は図１に示す光信号の劣化検出回路の一部の詳細を示す図である。図５に示すように、位相判定回路５３の前段に基準クロックの周波数偏差をキャンセルする調整回路５２を設けてシリアルデータ劣化検出回路５０を構成する。位相検出回路５１から出力された位相データは、調整回路５２に入力され、調整回路５２からは、クロックの周波数偏差をキャンセルされた修正位相データが出力され、位相判定回路５３に入力される。位相判定回路５３は、予め設定された閾値の範囲を超えた修正位相データが入力されたら、ワーニングを出力する。

図６は図５に示す調整回路５２の詳細を示す図である。調整回路５２内の移動平均回路６１は、入力された位相データからその位相データの移動平均データを取り、差分回路６２は位相データと移動平均データとの差分を修正位相データとして出力する。

図７は図５に示す調整回路５２の動作の第１具体例を示す図である。ここでは、移動平均として、過去6回の位相データの平均値を取るようにしている。修正移動データは、位相データから移動平均データをマイナスすることで得られる。修正移動データには、修正の際に生じた揺らぎが存在するが、揺らぎは、一定の範囲内（例えば±３以内）に収まっている。

図８は図５に示す調整回路５２の動作の第２具体例を示す図であり、図７の光信号が歪んだ場合を示す図である。光信号の劣化に対して、一定の閾値、例えば「１０」で判定が可能であることを示している。

以上述べてきたように、本発明によれば、シリアルデータの立上りあるいは立下りエッジの位相と基準クロックの位相との間の位相差を位相データとして出力する位相検出回路により、波形歪みによる位相のずれを検出することが可能であるが、波形歪みによる位相のずれが突然大きな値になるのではなく、ゆっくりと小さいずれでゆらいでいる場合、単純に位相差の大きさを閾値とすると、ワーニングが出力されない。

図９は図５に示す調整回路５２の動作の第３具体例を示す図であり、修正位相データとして、位相データ４個毎に、位相データの絶対値の積算値を修正位相データとした場合の例を示す図である。

図８に示すように波形歪みによる位相のずれが突然大きな値になるのではなく、ゆっくりと小さいずれでゆらいでいる場合、位相データとして、位相差の２乗値または絶対値の一定時間あたりの積算値を位相データとした修正位相データを図５の位相判定回路５３に出力することで、位相判定回路５３はワーニングを出力することが可能となる。すなわち、図５の調整回路５２において、入力された位相データの２乗値または絶対値の一定時間あたりの積算値を修正位相データとして出力するように構成ことで波形歪みによる位相のずれがゆっくりと小さいずれでゆらいでいる場合でも位相判定回路５３で位相データの絶対値の積算値が閾値「１０」を超えたときワーニングを出力する。

以上、図１〜図９を用いて説明した実施形態では、例として数値制御装置やロボットコントローラとサーボアンプとのシステムを揚げたが、サーボアンプは、数値制御装置やロボットコントローラの表示器、あるいは、ＩＯやセンサ入力機器とすることも可能である。

ワーニングが出力されたら、数値制御装置やロボットコントローラの画面に表示させたり、数値制御装置やロボットコントローラがＬＡＮ（Local Area Network）に接続されていれば、上位のコンピュータの画面にワーニングを表示することが可能である。勿論シリアルバスを経由して、サーボアンプのワーニング出力を数値制御装置やロボットコントローラに転送し、数値制御装置やロボットコントローラの画面や上位コンピュータの画面に表示することが可能である。

また、サーボアンプにコンピュータが接続可能あれば、このコンピュータの画面に表示することも可能である。

本発明による光信号の劣化検出回路の一実施形態を示す図である。 図１の劣化検出回路におけるシリアルデータの位相が通常は基準クロックの位相とずれていない例を示す図である。 図１の劣化検出回路におけるシリアルデータの位相が通常で基準クロックの位相とずれている例を示す図である。 図１の劣化検出回路における基準クロックと通信レートの間に周波数偏差がある場合の基準クロックとシリアルデータの位相を表した図である。 図１に示す光信号の劣化検出回路の一部の詳細を示す図である。 図５に示す調整回路５２の詳細を示す図である。 図５に示す調整回路５２の動作の第１具体例を示す図である。 図５に示す調整回路５２の動作の第２具体例を示す図である。 図５に示す調整回路５２の動作の第３具体例を示す図である。 数値制御装置とサーボアンプを光ファイバケーブルで接続しデータ通信する状態を示す図である。

符号の説明

１ 劣化検出回路
１１ 光／電変換回路
１２、５１ 位相検出回路
１３、５３ 位相判定回路
５２ 調整回路
６１ 移動平均回路
６２ 差分回路

Claims (3)

1. シリアル通信機能を備えた制御機器において、
   前記シリアル通信機能により受信したシリアルデータの立上りあるいは立下りエッジの位相を検出し、該シリアルデータの立上りあるいは立下りエッジの位相と基準クロックの位相との間の位相差を位相データとして出力する位相検出回路と、
   前記位相検出回路から出力される前記位相データが予め設定された範囲を超えたか否かを判定し、該位相データが予め設定された範囲を超えたと判定したときワーニングを出力する位相判定回路と、
   を備え、
   前記基準クロックの位相が前記シリアルデータの立上りあるいは立下りエッジの位相と同一位相になるように追従制御される、制御機器。
2. シリアル通信機能を備えた制御機器において、
   前記シリアル通信機能により受信したシリアルデータの立上りあるいは立下りエッジの位相を検出し、該シリアルデータの立上りあるいは立下りエッジの位相と基準クロックの位相との間の位相差を位相データとして出力する位相検出回路と、
   前記位相検出回路から出力される前記位相データが予め設定された範囲を超えたか否かを判定し、該位相データが予め設定された範囲を超えたと判定したときワーニングを出力する位相判定回路と、
   を備え、
   前記位相データの移動平均と前記位相データの差を修正位相データとして算出し、該修正位相データを出力する調整回路を備え、
   前記位相判定回路は前記修正位相データが予め設定された範囲を超えたときワーニングを出力する、制御機器。
3. シリアル通信機能を備えた制御機器において、
   前記シリアル通信機能により受信したシリアルデータの立上りあるいは立下りエッジの位相を検出し、該シリアルデータの立上りあるいは立下りエッジの位相と基準クロックの位相との間の位相差を位相データとして出力する位相検出回路と、
   前記位相検出回路から出力される前記位相データが予め設定された範囲を超えたか否かを判定し、該位相データが予め設定された範囲を超えたと判定したときワーニングを出力する位相判定回路と、
   を備え、
   前記位相データの２乗値あるいは絶対値の一定時間あたりの積算値を修正位相データとして算出し、該修正位相データを出力する調整回路を備え、
   前記位相判定回路は前記修正位相データが予め設定された範囲を超えたときワーニングを出力する、制御機器。

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