JP4903876B2 - 通信メッセージを操作するための装置および方法 - Google Patents

Description

本発明は、通信システム内で通信メッセージを操作するための装置および方法に関する。通信システムは、データバスと、データバスに接続された複数のノードとを含んでいる。さらに、通信システムは、所定の通信周期でメッセージフレームによりメッセージを伝送するための手段を有している。操作されるべきメッセージは、通信システム内の１以上のノードに宛てられている。

さらに、本発明は、データバスと、データバスに接続されたネットワークノードとを含む通信システムに関する。さらに、通信システムは、ノード間でデータバスを介して所定の通信周期でメッセージフレームによりメッセージを伝送するための手段を有する。

データバス等の形態の通信システムおよび通信接続を利用した、制御装置、センサおよびアクチュエータのネットワーク化は、近年では特に自動車分野において、機械工学、特に機械工作分野において、さらにオートメーション化領域においても著しく進展している。通信システム上でデータバスに複数の加入者またはノードを接続することにより、複数のノードに対して機能を分散させて相乗効果を達成することができる。ここでは、分散型システムが関わっている。

このような通信システム上の異なる加入者間での通信は、データバスを介して行なわれる。バスシステム上での通信トラフィック、アクセスおよび受信のしくみ、ならびにエラー処理は、データ伝送プロトコルまたは通信プロトコルを介して制御される。所定の通信周期でメッセージフレームによりメッセージ伝送を可能にする従来公知のプロトコルとして、例えば、ＦｌｅｘＲａｙプロトコルが挙げられる。ＦｌｅｘＲａｙには、特に車両で使用するための、高速で、決定論的でフォールト・トレラントなバスシステムが関わっている。ＦｌｅｘＲａｙプロトコルは、時分割多重アクセス（ＴＤＭＡ）の原則に従って機能する。その際、加入者または伝送されるべきメッセージには、固定のタイムスロットが割り当てられる。固定のタイムスロットにおいて、加入者または伝送されるべきメッセージは、データバスへの排他的アクセス権を有する。その際、タイムスロットが所定の通信周期で繰り返されるので、データバスを介してメッセージが伝送される時点を正確に予測することができる。従って、バスアクセスが決定論的に行なわれる。

データバスによるメッセージ伝送のための帯域幅を最適に利用するために、ＦｌｅｘＲａｙでは、通信周期が静的部分と動的部分とに区分される。その際、固定のタイムスロットは、通信周期の先頭の静的部分に位置する。動的部分では、タイムスロットのサイズが動的に設定される。タイムスロット内では、短時間、つまり１以上のミニスロットの間で排他的なバスアクセスが可能になる。ミニスロット内でバスアクセスが行なわれる場合に、タイムスロットが必要な時間だけ延長される。従って、帯域幅は、情報伝達のために実際に必要な範囲で利用される。ＦｌｅｘＲａｙでは、通信周期の動的部分によって、決定論的な特性にもかかわらずイベントドリブン型のメッセージ伝送も可能となる。

ＦｌｅｘＲａｙでは、データ伝送のために２つの異なるチャンネルが設けられている。その際、ＦｌｅｘＲａｙでは、チャンネル毎に１または２の物理的に異なるラインを介して、最大１０Ｍｂｉｔ/ｓのデータ速度で通信が行われる。もちろん、ＦｌｅｘＲａｙでは、さらに低いデータ速度でも通信が行われる。その際、両チャンネルのラインは、特にＯＳＩ（Open System Architecture）参照モデルの物理層に相当する。冗長化されたフォールト・トレラントなメッセージ伝送のために、両チャンネルを利用することができる。その際、両チャンネルを介して同じデータが同時に伝送される。選択的に、両チャンネルを介して互いに異なるメッセージを伝送することも可能であり、この場合にＦｌｅｘＲａｙ通信システム内でのデータ速度が２倍となる。接続線を介して伝送される信号が、２ラインを介して伝送される信号の差異から生成されてもよい。データ伝送のために、一方のチャンネルを利用することも可能であり、その際には、他方のチャンネルは利用されずに解放されている。現在、典型的なＦｌｅｘＲａｙアプリケーションは、１チャンネルで構成され、または２チャンネルで冗長化されて構成されている。物理層は、２以上のラインを介して、電気的方法、光学的方法、または他の方法により１以上の信号を伝送可能に形成されている。

通信システム内で同期機能を実現し、２つのメッセージ間の伝送間隔（解放時間）を最小化して帯域幅の利用を最適化するために、通信ネットワーク内のノードは、共通の時間基準、つまりグローバル時間を必要とする。ノードのローカル時計を同期化するために、周期の静的部分で同期化メッセージが伝送される。その際、ＦｌｅｘＲａｙ仕様に対応して、加入者のローカル時間は、特別なアルゴリズムにより、全てのローカル時計がグローバル時計に同期して稼動するように修正される。

ＦｌｅｘＲａｙ加入者またはＦｌｅｘＲａｙノードは、プロセッサと、通信制御部と、バス監視が実現されている場合にバスガーディアンとを含んでいる。その際、プロセッサは、通信制御部を介して受信または送信されるデータを伝達し、処理する。さらに、ＦｌｅｘＲａｙ加入者は、物理層にアクセスするためのバスドライバを含んでいる。ＦｌｅｘＲａｙネットワーク内の通信のために、例えば２５４データバイトまでのメッセージを構成することができる。

現在、決定論的な通信システムでは、通信システム内の定義されたノードの視点から、通信システムを合目的的に操作することができない。かかる操作は、メッセージフレームにより伝送されるメッセージ、またはメッセージのユーザデータの操作、および／または、物理的データバスの操作（短絡、遮断、接触不良等）を含むことができる。通信システムの駆動状態の操作は、例えば、通信システムの設計、構築、および試験運転に関連して有効となりうる。その際、通信システムの特定ノードに関する操作によって、ノードまたは通信システムがどのように応答するか、および／または、ノードまたは通信システムが期待されるように応答するかを確認する、または検証することができる。通信システムの駆動状態の操作がその視点から行なわれるノードを、被試験装置（ＤＵＴ）とも呼ぶ。

現在、決定論的な通信システムで伝送されるメッセージの操作は、ビットレベルで行なわれている。この操作は、通信システムのための負荷試験として構成される。その際に、本来のユーザデータではなく、メッセージフレームのヘッダまたはトレーラ内の特定のビットが変更される。現在、伝送されるメッセージ、またはメッセージに含まれるユーザデータのそれ以上の操作は実用化されておらず、実現化もされていない。

通信システムの駆動状態の操作は、必要となれば、ノードのハードウェアおよび／またはソフトウェアの変更により可能となる。しかし、ノードおよび／またはデータバスを試験目的に操作した場合、試験後の通信システムは、（ノードおよび／またはデータバスでの変更がなければ）試験前の通信システムと対応しなくなることが予想される。そして、試験の結果を試験前の通信システムに適用しても有効ではなくなることが予想される。

従来技術を踏まえ、本発明の課題は、通信システム内のノードおよび／またはデータバスでのハードウェアまたはソフトウェアの変更を必要とせずに、通信システム内の特定のノードの視点から定義された駆動状態をシミュレートするために、可能な限り簡単な方法を用いて、決定論的な通信システムの駆動状態の任意の操作、特に合目的的に短絡、遮断、および／または、接触不良を可能にすることにある。

本課題を解決するために、従来技術を踏まえた上で、特許請求の範囲に記載の請求項１の特徴を有する、通信システムの駆動状態を操作するための装置が提案される。特に、装置は、物理的データバスと、物理的データバスに接続された複数のノードとを有する通信システムの構成要素として提案される。駆動状態の操作は、１以上のノードの視点から行なわれ、少なくとも物理的データバスの操作を含んでいる。通信システム内では、所定の通信周期でメッセージフレームによりメッセージが伝送される。装置は、通信システムの駆動状態が操作される視点を有する、通信システム内の１以上のノードと、通信システム内の１以上の残りのノードとの間で、データバス上に配置されている。装置は、データバスを短絡させるための手段、および／または、データバスを遮断するための手段を有している。

本発明によれば、簡単かつ低コストで、特に、後の大量生産に際して通信システムのハードウェアまたはソフトウェアを変更せずに、通信システムの駆動状態を合目的的に変更することができる。本発明に係る装置は、試験目的でデータバス内の所望の箇所に簡単に配置（接続）され、後に直列運転のためにデータバスから再び取り外される。その他に、通信システムの変更が行なわれない。このことは、通信システムの試験運転で取得された知識を、現実の通信システムに現実に転用可能とするための前提条件であり、かつ、その知識を通信システムの実際の使用のために有効とするための前提条件である。

通信システムの駆動状態の操作のために、データバスを短絡させるための手段、および／またはデータバスを遮断するための手段が、制御装置（マイクロコントローラ等）、または適切な形態の外部信号により駆動される。駆動に応じて、当該手段は、データバスの遮断、または、所定の抵抗器を介したデータバスの短絡、または、データバスの接触不良をシミュレートする。このことは、データバスを介したメッセージ伝送に同期して、またはデータバスを介したメッセージ伝送に同期せずに可能となる。１以上のノード（ＤＵＴ）の視点から行われる操作の形態に応じて、短絡、遮断、接触不良、または同様のものがデータバス内で生じる。操作された駆動状態に応じて１以上のノード（ＤＵＴ）が期待されるように応答するか、または、１以上のノード（ＤＵＴ）がどのように応答するかを、操作の間に合目的的に検査することができる。従って、特に簡単、確実、かつ、特に現実に即した状態で包括的に、通信システムの設計、構築および試験運転を行うことができる。これにより、異なる駆動状態において、特に安全かつ確実に稼動する通信システムが実現可能となる。

物理的データバスを短絡させるための手段、および／または物理的データバスを遮断するための手段は、特に単スイッチまたは複スイッチとして構成されるスイッチング素子を含むことが提案される。複スイッチは、マルチプレクサ／デマルチプレクサとも呼ばれる。複スイッチは、複数の入力および／または複数の出力を１以上の入力または出力に接続する。スイッチング素子は、半導体技術により実装可能であり、例えばＣＭＯＳ構成要素として構成されうる。

本発明の発展的な実施形態によれば、通信システム内の１以上の定義されたノード（操作されたメッセージを取得すべきノード）に宛てられたメッセージが伝送される特定のメッセージフレームで、本来の原メッセージの代わりに、操作されたメッセージが伝送される。メッセージの操作は、データバス上に配置された装置により行われる。装置は、宛先となるノードに到達する前に、伝送された原メッセージを奪取（abfangen）し、操作する。さらに、操作されたメッセージは、原メッセージの本来の宛先となるノードに転送される。このように、通信システム内のいずれかのノードでハードウェアおよび／またはソフトウェアの変更を必要とせずに、物理的データバスの操作の他に、メッセージ、またはメッセージに含まれるユーザデータの操作も簡単に実現可能となる。

有利に、メッセージフレーム間の解放時間（チャンネル・アイドル時間）の間に、原メッセージの代わりに、操作されたメッセージが後続のメッセージフレームで試験ノードに伝送されるように、装置の適切なスイッチング素子が切り替えられる。操作されたデータが絶対値／一定値である場合には、タイムスロットへの割り当てに関して時間的な制約が生じない。つまり、操作されたメッセージを、原メッセージが伝送されるべきタイムスロットと同一のタイムスロットで、伝送することができる。ただし、時間的に変化する信号を操作する必要がある場合には、操作された値は、対応する先行メッセージの元の値から、つまり、先行するタイムスロットの対応するメッセージから計算される必要がある。これは、操作された信号が装置により１以上の試験ノードに送信されるタイムスロットで初めて、目下の信号値が装置により読み込まれるためである。従って、操作されたメッセージは、本来の原メッセージよりも遅延して、１以上の試験ノードにより受信される。遅延は、信号の繰返し率（メッセージの繰返し率）、特に１以上の通信周期に対応する。メッセージの遅延は、着目される信号変化率に比べて、信号の繰返し率が十分大きければ、通信システムの適正な運転に影響を及ぼさない。メッセージの遅延は、大部分の機械システムにとって制約とならない。一般的に、大部分の機械システムは、信号変化率に比べて、メッセージの繰返し率が十分大きいほどの不応性（Traegheit）を有するためである。

以下、本発明は、添付の図を基にしてさらに詳細に解説される。
一実施形態に係る装置を有する通信システムを示す図である。 他の実施形態に係る装置を有する通信システムを示す図である。 図２の通信システムの回路構成を示す図である。 更に他の実施形態に係る装置を有する通信システムを示す図である。 図４の通信システムの回路構成を示す図である。 更に他の実施形態に係る装置を有する通信システムを示す図である。 図１、２、４または６に示す通信システム内での通信周期の推移例を示す図である。

本発明は、図１に示され、全体が符号１で示されている通信システムに関する。通信システム１は、特にチャネル毎に２つの異なる物理的ラインを有する物理的データバス２を含んでいる。図１では、簡略化のためにデータバス２が１本の線として示されている。データバス２には、複数のノードまたは加入者３、４が接続されている。通信システム１の設計、構築、および／または試験運転の間に、１以上の構成要素４；４’、４’’、４’’’（被試験装置；ＤＵＴ）の視点から定義された駆動状態をシミュレートすることが有効となる。ここでは、例えば、物理的通信レベルでの合目的的な操作、特に、データバス２の短絡および／または遮断、または、データバス２内での接触不良のシミュレーションを含んでいる。同様に、特定の駆動状態のシミュレーションは、ＤＵＴ構成要素４；４’、４’’、４’’’に送信または受信されるメッセージフレームの操作を含むことができる。

通信システム１の駆動状態の操作のために、データバス２は、通信システム１のＤＵＴ構成要素４；４’、４’’、４’’’と、通信システム１の残りの構成要素３との間の箇所６で遮断され、その間に操作装置１０が挿入される。装置１０は、ＤＵＴ構成要素４；４’、４’’、４’’’のメッセージまたはメッセージ内容、特にユーザデータを操作するための手段１１、１２、１３を含んでいる。さらに、装置１０は、スイッチ、またはマルチプレクサ／デマルチプレクサの形態のスイッチング素子４０を含んでいる。スイッチング素子４０によって、データバスを遮断することが可能となり（端子４１）、所定の抵抗器４２を介して短絡させることが可能となり、または、データバス２の接触不良をシミュレートすることができる。これらは、データバス２を介したデータ伝送に同期して、または、データバス２を介したデータ伝送に同期せずに行なわれることができる。以下、図２〜図７を参照して、本発明をさらに詳しく解説する。しかし、以下の実施形態は、適切な形態で図１の実施形態にも適用される。

図２では、本実施形態においてＦｌｅｘＲａｙ通信システムとして構成される本発明に係る通信システムが符号１で示されている。さらに、本発明がＦｌｅｘＲａｙ通信システムを例としてより詳細に記載される。その際、このことは、通信システムの特性が本発明の前提条件となるという点で限定的とみなされる。他の通信システムでも、本発明の前提条件が満たされている場合には、本発明を適用することができる。従って、本発明は、一般的に通信分野のバスシステム、特に、伝送されるべき情報がメッセージフレームによりバスシステムを介して決定論的に（所定の時点に）伝送される通信システムに適用することができる。

通信システム１は、データバス２と、データバス２に接続された複数の通信加入者３、４とを含んでいる。複数の通信加入者３、４は、ノードとも呼ばれる。データバス２は、２つのチャンネルＣｈＡ、ＣｈＢを含み、さらにチャンネルごとに２つのラインＢＰ（Ｂｕｓ−Ｐｌｕｓ）、ＢＭ（Ｂｕｓ−Ｍｉｎｕｓ）を含んでいる。上記の実施形態では、データバス２およびノード３、４は、すべて車両５内に配置されている。もちろん、データバス２およびノード３、４は、機械工作もしくは工作機械分野、またはオートメーション化領域に関連する構成にも配置することができる。加入者３、４には、車両５の特定機能を開ループ制御および／または閉ループ制御するための制御装置が関係している。その際、アンチロック・ブレーキシステム、トラクションコントロールもしくは車両力学システムの、エンジンもしくはトランスミッションのための制御装置、または、車両内の任意のコンフォート機能（シートアジャスタ、車内温度調節器等）を実現するための制御装置が関係している。制御装置３、４は、ＦｌｅｘＲａｙデータバス２を介して情報を相互に交換する。情報は、ＦｌｅｘＲａｙ通信システム１内で所定の通信周期でメッセージフレームにより伝送される。ＦｌｅｘＲａｙプロトコルは、時分割多重アクセス（ＴＤＭＡ）の原則に基づいて機能する。その際、ノード３、４または伝送されるメッセージには、メッセージフレーム内の固定のタイムスロットが割り当てられる。固定のタイムスロットにおいて、ノード３、４または伝送されるメッセージは、データバス２への排他的アクセス権を有する。その際、タイムスロットは、通常では通信周期に対応する固定の周期で繰り返される。しかし、タイムスロットの繰返し周期は、２、３、または４以上の通信周期に対応してもよい。繰り返し周期の間の通信周期では、他のメッセージ、または他のノード３、４のメッセージを、対応するメッセージフレームにより伝送することができる。これは、通信システム１の多重化方式とも呼ばれる。従って、データバス２を介してメッセージが伝送される時点を正確に予測することができる。つまり、バスアクセスが決定論的に行なわれる。

新しい通信システム１の設計および構築の後に、通信システム１では、異なる駆動状態での機能性が試験される。その際、幾つかのノード３、４または全てのノード３、４に順々に、個別的または集合的に、合目的的に操作されたメッセージにより負荷が掛けられる。メッセージの操作には、特にメッセージのユーザデータの任意の変更、例えば、ステータス値、チェックサム値、オフセット値、オフセット・ランプ、感度値（Empfindlichkeitswert）、スケール値等の変更が含まれる。メッセージ、またはメッセージに含まれるユーザデータの操作によって、データバス２および／または通信システム１のノード３、４の異なる駆動状態を試験目的でシミュレートすることができる。本実施形態では、ノード３が通常駆動され、ノード４が試験される。従って、ノード４は、被試験装置（ＤＵＴ）とも呼ばれる。図３には、ＤＵＴ４の詳細が示されている。図３によれば、ＤＵＴ４は、通信制御部（ＣＣ）２２と、データバス２の各チャンネルＣｈＡ、ＣｈＢのバスドライバ（ＢＤ）２３とを含んでいる。

特に、通信システム１のノード４または他のノード３のハードウェアおよび／またはソフトウェアの変更および／または拡張を必要とせずに、簡単な方法で、操作されたメッセージによって、試験されるべきノード４に負荷を掛けることができるように、本発明に基づいて、図２に符号１０により示された特別な装置を使用することが提案される。試験されるべきノード４から通常駆動されるノード３を分離するために、装置１０は、データバス２が遮断された箇所６でデータバス２に挿入されている。（試験されるべき１以上のノードを含む）操作されるべきＦｌｅｘＲａｙクラスタ４と、残りのＦｌｅｘＲａｙクラスタ３との間でデータバス２を遮断するために、例えば、中間ボックスまたは遮断ボックス７を使用することができる。これらボックス７を介して、操作装置１０も、遮断されたデータバス２と接続可能となる。

装置１０のベースとして、ゲートウェイ機能ＦｌｅｘＲａｙ／ＦｌｅｘＲａｙを提供し、かつプログラム可能な装置を利用することができる。この目的のために、装置１０は、プログラム可能なゲートウェイ１４を有している。ゲートウェイ１４は、ゲートウェイ制御部１１と、２つの異なるノード１２、１３、つまり、本実施形態では２つの異なるＦｌｅｘＲａｙノードと、を有している。ゲートウェイ制御部１１は、２つのＦｌｅｘＲａｙインタフェース１２、１３を介して、分離箇所６の両側でデータバス２に接続されている。装置１０のノード１２、１３は、１つのプロセッサ、または相互通信する複数のプロセッサを介してソフトウェアにより操作することができる。パーソナルコンピュータ（ＰＣ）、または通信システム１に対する独自のインタフェースを有する組込みコントローラを用いて、ゲートウェイ機能を実現することもできる。従って、通信システム１の少なくとも２つの独立したノードが利用可能となる。

さらに、本発明に係る操作装置１０は、本実施形態では、各ＦｌｅｘＲａｙラインＢＰ、ＢＭに対応する２つの高速アナログマルチプレクサを含む、追加ハードウェア１５を有している。アナログマルチプレクサ１６、１７の配線は、図３に詳細に開示されている。図３には、両チャンネルＣｈＡ、ＣｈＢおよび両ラインＢＰ、ＢＭが通信システム１のチャンネル毎に示されている。データバス２の機能を妨げずに、メッセージフレーム間の解放時間（チャンネル・アイドル時間）で、対応するメッセージフレームの前または後で切り替え可能である程度に、マルチプレクサ１６、１７は高速動作可能である。図３には、装置１０のプログラム可能なゲートウェイ１４の両ＦｌｅｘＲａｙノード１２、１３は、通信制御部（ＣＣ）１９と、各チャンネルＣｈＡ、ＣｈＢのバスドライバ（ＢＤ）１８とを有することも示されている。図３に示されるように、各スイッチ１６、１７は、２つのアナログマルチプレクサ（２×２：１）を含んでいる。図１および図２の実施形態に係るスイッチ１６は、メッセージの操作が行なわれない場合、つまり、原メッセージが装置１０を通過して直接伝送される場合に、終端ネットワーク２１が残りのＦｌｅｘＲａｙネットワーク１に負荷を掛けることを防ぐ役割を果たす。終端ネットワーク２１は、操作装置１０が中間に配置されるネットワークトポロジに依存している。従って、マルチプレクサ１６、１７の切り替えに依存せずに、ソフトウェア等により終端部２１の作動または停止を制御することが提案される。さらに、終端ネットワーク２１は、物理的データバス２に対する妨害を最小化するために「バイアスを掛けられる」必要がある。そのために、場合によっては、メインＦｌｅｘＲａｙクラスタ３の追加的な保護回路が必要となる。

操作されたメッセージを送信するために、対応するタイムスロットで各バスドライバ（ＢＤ）１８が作動または停止される場合にも、マルチプレクサ１６、１７が正確に作動または停止される必要がある。マルチプレクサ１６、１７の対応する制御信号は、通常、ハードウェア内に存在するが、ハードウェア内に存在しない場合に、（ハードウェア）ロジック部により生成される必要がある。しかし、ＦｌｅｘＲａｙ通信制御部（ＣＣ）１９およびＦｌｅｘＲａｙバスドライバ１８が異なる構成要素に収納されている限り、制御信号は、一般的に、制御部１９とドライバ１８との間で直接的に取得される。記載される実施形態では、マルチプレクサ１６、１７のための制御信号として、装置１０の送信ノード１３の通信制御部１９により両チャンネルＣｈＡ、ＣｈＢの対応するバスドライバ１８に伝達される信号ＴｘＥＮが取得される。制御信号ＴｘＥＮは、ライン２０を介してスイッチ１６、１７の対応する切り替え入力部ＳＷに導かれる。スイッチング素子４０も、ライン２０を介して制御信号ＴｘＥＮにより駆動可能となる（図１参照）。

図１の実施形態において、通信システム１の駆動状態の操作の作動もしくは停止、または、スイッチング素子４０の作動もしくは停止が、操作装置１０のノード１２、１３に含まれる通信制御部１９のソフトウェア制御により十分に機能しない場合には、以下のように処理することもできる。つまり、メッセージは、変更されずに複写される。これにより、構成は、何も変更されない。または、更なる別の制御可能なスイッチ／マルチプレクサ１６により、空白領域（Leere）４３に操作されたメッセージが送られ、試験されるべきＦｌｅｘＲａｙクラスタ４’、４’’、４’’’に原メッセージが供給される。このために、スイッチング素子１７の駆動ロジック部を変更する必要がある。または、追加的なスイッチ／マルチプレクサ１６が、元々のデータバス２に接続を切り替える。

通信システム１または対応する通信プロトコルがノード１２、１３内に（およびノード３、４内にも）バス監視、つまりバスガーディアンＢＧを有する場合に、スイッチング素子１６、１７を切り替えるための制御信号は、操作されたメッセージ、または（装置１０を通過して伝送される）原メッセージの送信がバスガーディアンと衝突しないように、生成される必要がある。さらに、制御信号は、データバス２の短絡または遮断等、スイッチング素子４０による物理的通信レベルでの操作がバスガーディアンと衝突しないように、生成される必要がある。

操作を目的とする選択的な切り替え（装置１０の作動／停止）に関する上記の原則は、複数のマルチプレクサ／スイッチ１６、１７またはクロスポイント・スィッチを使用することによって、メッセージまたはメッセージ内容の操作が両方向で可能となる程度まで拡張される。これにより、システム１の特に大規模でフレキシブルな現実に即した試験運転を実現することができる。

プログラム可能なゲートウェイ１４では、通信システム１のインタフェース、つまり、記載される実施形態でのＦｌｅｘＲａｙインタフェース１２、１３をサポートし、インタフェースに対応してプログラム可能なコンピュータプログラムを、ソフトウェアとして利用することができる。一方では、独自に作成された専用ソフトウェアを利用することができる。しかし、ベクターインフォマティーク社（７０４９９ シュトゥッツガルト、インゲルハイマーシュトラーセ２４）によるＣＡＮａｌｙｚｅｒまたはＣＡＮｏｅ等、市販の標準ソフトウェア、または、ＤｅＣｏｍＳｙｓ等、他の提供者による対応ソフトウェアを利用することもできる。特に有利に、Ｆｉｂｅｘデータを入力データとして利用可能なソフトウェアを利用することができる。ＦＩＢＥＸ（Field Bus Exchange Format）は、ネットワークの規格記述として利用される。Ｆｉｂｅｘデータには、特に、ネットワークトポロジに関する情報、および、ネットワーク内での情報伝達時の時間的動作に関する情報が含まれている。Ｆｉｂｅｘデータは、特に、いかなるタイムスロットにより、いかなるノードが他のいかなるノードと通信するかを示す情報、周期時間、通信制御部のセットアップ情報、伝送されるデータの物理的単位等を含んでいる。Ｆｉｂｅｘデータは、複数ノードのうちのいずれのノードが、いつ、同期化フレーム（Sync-Frame）を送信するかを示す情報も含んでいる。Ｆｉｂｅｘデータは、通常、ＸＭＬ（Extensible Markup Language：拡張マークアップ言語）形式であり、従って、特に容易に処理および編集することができる。ＸＭＬは、メタ言語であり、ＷＷＷまたはイントラネット上で構造化文書を作成するための準規格に相当する。

本発明を実現するために、Ｆｉｂｅｘデータが修正される必要はない。しかし、図１または図２に記載される実施形態では、Ｆｉｂｅｘデータは、装置１０の一方のＦｌｅｘＲａｙノード１２が読出し（監視機能）、かつ、他方のＦｌｅｘＲａｙノード１３が操作されたメッセージフレームもしくは操作されたメッセージ、またはメッセージに含まれる操作されたデータを、操作される原メッセージフレームが送信されるべきタイムスロットで送信するように、修正されている。更なる別のロジック部なしに、バスドライバ１８の有効化と同時に切り替え可能なマルチプレクサ１６、１７を切り替えることによって、試験されるべきノード４に、原メッセージの代わりに操作されたメッセージが送信される。選択的に、両ＦｌｅｘＲａｙノード１２、１３の特別なタスクを実行するために、（Ｆｉｂｅｘデータを修正せずに）Ｆｉｂｅｘデータの情報に基づいて、装置１０の両ＦｌｅｘＲａｙノード１２、１３を初期化することもできる。この場合、ノード１２は、読出しのみ行い、かつ、操作のために重要なメッセージフレーム（原メッセージフレーム）のメッセージ全体を一時格納するように初期化される。格納されたメッセージ、またはメッセージに含まれるデータ内容、特にユーザデータの内容に対して、ソフトウェア・ルーチンがアクセスする。ソフトウェア・ルーチンは、これらデータを操作し、メッセージ、つまり操作されたメッセージを再構成する。

原メッセージフレームまたは原メッセージの代わりに、操作されたメッセージフレームまたはメッセージがノード１３から試験されるべきノード４に送信されるように、操作されたＦｌｅｘＲａｙメッセージがノード１３にデータ入力される。ＦｌｅｘＲａｙノード１３は、操作されるべき原メッセージフレームのタイムスロットの順番が到来した場合に送信者として作動されるように、初期化される必要がある。つまり、操作に関係するメッセージフレームを送信する予定であった送信ノード３が当該メッセージフレームを送信する順番でも、ノード１３が送信する順番となる。ノード３による送信の順番を示す情報は、Ｆｉｂｅｘデータから読み取られる。

全ての関与するネットワークノード３、４が互いに接続されているので、操作されたメッセージが伝送されるタイムスロット以外では、ネットワークまたは各構成要素３、４のローカル時計をグローバル時間に継続的に同期させることが妨げられない。操作装置１０は、初期化によって、原メッセージを送信するノード３のタスクを引き継ぐことさえ可能である。従って、送信ノード１３の通信制御部ＣＣ１９は、同期化フレームとして対応するタイムスロットで、メッセージフレームを送信する。これは、関連する全ての情報がＦｉｂｅｘデータで存在するソフトウェアにより決定される。

図４および図５に記載される更なる別の実施形態は、ＦｌｅｘＲａｙライン毎に１つのマルチプレクサ・チャンネルが必要となる点で、図１および図２の実施形態とは異なっている。従って、図４の本発明に係る操作装置１０では、スイッチ１７のみが使用され、スイッチ１６が使用されていない。これに対応して、図５の回路構成図には、２つのアナログマルチプレクサ、つまり、チャンネルＣｈＡ、ＣｈＢ毎に１つのマルチプレクサを含むスイッチ１７が示されている。スイッチ１７の各マルチプレクサは、図５の回路構成に基づいて配線されている。マルチプレクサを駆動するための信号は、通信制御部１９により送信ノード１３のバスドライバ１８に送信される信号ＴｘＥＮ（Transmit Enable）と同じである。スイッチ１７のマルチプレクサのための駆動信号ＴｘＥＮは、ライン２０を介してマルチプレクサの切り替え信号入力部ＳＷに印加される。スイッチ１７のマルチプレクサは、更なる別のロジック部なしに、バスドライバ１８の有効化と同時に切り替えられる。従って、原メッセージの代わりに、操作されたメッセージが試験されるべき装置４に送信される。

図６には、本発明の更に別の実施形態が示されている。図２〜図５の実施形態との本質的な違いとして、試験されるべきノード４以外に、サブクラスタの試験されるべき複数のノード４’、４’’、４’’’にも操作されたメッセージにより負荷を掛けるために、本発明に係る操作装置１０を使用することができる。いずれのノード４’、４’’、４’’’に宛てられたメッセージが装置１０により奪取され、操作される必要があるかを示す情報は、操作装置１０内に存在する必要がある。ノード４’のための操作されたメッセージは、ノード４’のために設けられた、対応する通信周期のタイムスロットで、装置１０のノード１３により送信される。試験されるべき他のノード４’’および４’’’宛ての操作されたメッセージは、原メッセージまたは試験されるべきノード４’’、４’’’に割り当てられた対応するタイムスロットおよび通信周期で、試験されるべきノード４’’、４’’’に伝送される。つまり、本発明に係る操作装置１０は、選択的に、データバス２上で伝送される複数のメッセージフレームまたはメッセージから、サブクラスタのノード４’、４’’、４’’’のうちの１つに宛てられたメッセージを取り出し、かつ、設定に基づいて、奪取されたメッセージまたは奪取されたメッセージ内容を操作し、かつ、サブクラスタの対応する試験されるべきノード４’、４’’、４’’’に操作されたメッセージを送信することができる。

以下、図７を参照して、本発明に係る方法の流れが詳細に説明される。図７は、ＦｌｅｘＲａｙ通信システム１の連続する複数の繰返し周期ｍ、ｍ＋１を示している。各繰返し周期ｍ、ｍ＋１は、複数の通信周期ｎ、ｎ＋１に区分される。各周期ｎ、ｎ＋１では、サイクルカウンタが１つ増分される。サイクルカウンタは、特に０から６３までカウントした後、再び０からカウントを開始する。選択的に、サイクルカウンタは、６３から０まで降順にカウントしてもよく、この場合に６３から再びカウントを開始する。繰返し周期は、０から６３まで、または６３から０までのカウンタの進行に対応する。もちろん、開始値または終了値である値６３の代わりに、値１以上の任意値を選択してもよい。各周期ｎ、ｎ＋１は、さらに複数のタイムスロットに区分されており、一例として図７にタイムスロットｘが示されている。周期の各タイムスロットは、通信システム１の特定ノード３、４、および／または特定メッセージに割り当てられる。図７に示される実施形態では、２周期毎に（ｎ、ｎ＋２、ｎ＋４、・・・）タイムスロットＸが含まれることで、一種のマルチプレキシングが機能している。タイムスロットＸが含まれない周期ｎ＋１、ｎ＋３、ｎ＋５、・・・では、他のメッセージを伝送するための対応するタイムスロット、または、他のノード３、４のメッセージを伝送するための対応するタイムスロットを利用することができる。

図７の上側に示す第１フローチャートは、ネットワーク１の操作されていないＦｌｅｘＲａｙメッセージを示している。下側に示す第２フローチャートは、ＦｌｅｘＲａｙメッセージが１以上の試験されるべきノード４に到達する過程を示している。また、第２フローチャートの下には、タイムスロットｘの拡大図が示されている。タイムスロットｘには、最初にチャンネル・アイドル時間３３が含まれており、その後にＦｌｅｘＲａｙメッセージフレーム３２およびビット・チャンネル・アイドル・デリミタ（ＣＩＤ）が続き、さらに、別のチャンネル・アイドル時間３３が続いている。ＦｌｅｘＲａｙメッセージフレーム３２は、ヘッダ、ペイロード（ユーザデータ）およびトレーラに区分されている。メッセージの操作されるべき情報は、ＦｌｅｘＲａｙメッセージフレーム３２に格納された情報、特にユーザデータを含んでいる。図７では、チャンネル・アイドル時間３３の間の一時点、つまり、装置１０の通信制御部１９がバスドライバ１８の作動／停止と同時にスイッチ１６、１７のアナログマルチプレクサを切り替える時点、つまり、メッセージ操作が作動または停止される時点が矢印３０により示されている。

通信の開始時には、通信システム１内の全ノード３、４が互いに接続されている（分離箇所６が存在しない）。これにより、通信システム１の初期化、および、全ノード３、４の同期化が、従来の通信システム１の場合と同様に行われる。操作されるべきメッセージが第１回目に送信される場合（繰返し周期ｍの周期ｎ）に、操作されるべきメッセージは、変更なしに、試験されるべき装置４に転送される。つまり、ノード４では、周期ｎで原メッセージが用いられる。つまり、操作装置１０のソフトウェア、またはプログラム可能なゲートウェイ１４のソフトウェアを保護する必要がある。同時に、変更なしに転送されたメッセージは、装置１０に一時格納され、操作され（機能ブロック３１）、かつ、タイムスロットｘの順番が次回に到来する次の周期ｎ＋２のために、装置１０の送信ノード１３の通信制御部１９に書き込まれる。つまり、周期ｎ＋２のために、周期ｎで伝送される原メッセージが装置１０により奪取される。周期ｎ＋２で奪取された原メッセージの代わりに、タイムスロットｘの順番が前回に到来した先行周期ｎで操作されたメッセージが、試験されるべき１以上のノード４；４’、４’’、４’’’に送信される。

タイムスケジュールに基づいて、操作されるべきメッセージのタイムスロットｘがメッセージ伝送の順番となった場合に、操作装置１０の送信ノード１３の通信制御部１９は、送信メッセージのためにバスドライバ１８を駆動する。この信号と同時に、スイッチ１７と、場合によってスイッチ１６のマルチプレクサが切り替えられる。従って、このタイムスロットｘ内の操作されたメッセージは、試験されるべきノード４またはサブクラスタ４’、４’’、４’’’に向けてＦｌｅｘＲａｙデータバス２上に提供される。

操作３１が停止されると、プログラム可能なゲートウェイ１４のソフトウェアは、操作されるべきタイムスロットｘのためのメッセージフレームの送信を停止する必要がある。これにより、マルチプレクサ１６、１７も切り替えられ、原データフレームまたは原メッセージが試験ノード４またはサブクラスタ４’、４’’、４’’’に転送される。

もちろん、本発明に係る操作装置１０のプログラム可能なゲートウェイ１４の操作ソフトウェアは、原メッセージの操作されるべき値を所定の形態で操作し、操作されたメッセージを生成するために、メッセージの構成を認識する必要がある。さらに、装置１０によって、場合によっては、例えばメッセージ番号が増分され、必要なチェックサム値が再計算される必要がある。これらの情報も、場合によっては、操作されたメッセージに格納される必要がある。試験されるべきノード４、４’、４’’、４’’’に不可視の状態で、操作装置１０が特定のメッセージを奪取し、所定の形態で操作し、通信システム１で利用されるプロトコル仕様に対応する操作されたメッセージを再構成することが重要である。通信システム１には、本発明に係る操作装置１０の使用が不可視であることが重要である。装置１０は、適正な通信のために必要なメッセージ内の情報を消去すること、および／または、通信システム１のエラーをもたらしうる誤りを含んだメッセージを生成することを禁止されている。試験されるべきノード４は、従来と同様に全く正常に、自身に宛てられたメッセージを取得する。ただし、メッセージの内容は操作されており、タイムスロットｘの繰返し率に従って、１以上の周期ｎ、ｎ＋１、・・・だけ遅延している。しかし、操作された信号で着目される信号変化率に比べて、タイムスロットｘの繰返し率が十分大きければ、遅延による影響は、試験されるべきノード４にとって重要とはならない。

Claims (13)

1. 物理的データバス（２）と、前記物理的データバス（２）に接続された複数のノード（３、４；４’、４’’、４’’’）とを有する通信システム（１）の駆動状態を、１以上の前記ノード（３、４；４’、４’’、４’’’）の視点から操作するための装置（１０）であって、
   前記通信システム（１）は、所定の通信周期（ｎ、ｎ＋１、ｎ＋２、・・・）でメッセージフレーム（３２）によりメッセージを伝送する手段を有し、駆動状態の操作は、少なくとも前記物理的データバス（２）の操作を含み、
   前記装置（１０）は、前記通信システム（１）の駆動状態が操作される視点を有する、前記通信システム（１）内の前記１以上のノードと、前記通信システム（１）内の１以上の残りのノード（３）との間で、前記データバス（２）上に配置され、
   前記装置（１０）は、前記データバス（２）を短絡させるための手段、および／または、前記データバス（２）を遮断するための手段を備え、さらに
   前記装置（１０）は、前記通信システム（１）の構成および時間的動作に関する情報、特に、前記データバス（２）を介したメッセージ伝送に関する情報を有し、
   前記装置（１０）は、前記通信システム（１）に関する前記情報に従って、前記データバス（２）を短絡させるための手段および／または前記データバス（２）を遮断するための手段の作動および停止を促すことを特徴とする装置。
2. 前記データバス（２）を短絡させるための手段、および／または、前記データバス（２）を遮断するための手段は、１以上のスイッチング素子を含むことを特徴とする、請求項１に記載の装置。
3. 前記スイッチング素子は、スイッチ、または、マルチプレクサ／デマルチプレクサとして構成されることを特徴とする、請求項２に記載の装置。
4. 前記装置（１０）は、選択的に作動可能および停止可能であり、停止状態では、前記物理的データバス（２）を操作しないことを特徴とする、請求項１に記載の装置。
5. 前記装置（１０）は、
   前記１以上のノード（４；４’、４’’、４’’’）に到達する前にメッセージを奪取する手段（１２）と、
   前記奪取されたメッセージを操作する手段（１１）と、
   前記１以上のノード（４；４’、４’’、４’’’）に前記操作されたメッセージを送信する手段（１３）と、
   をさらに備える、請求項１に記載の装置。
6. 前記装置（１０）は、選択的に作動可能および停止可能であり、停止状態では、前記装置（１０）により前記データバスから分離された前記１以上のノード（４；４’、４’’、４’’’）に宛てられたメッセージを、操作せずに通過させることを特徴とする、請求項５に記載の装置。
7. 前記装置（１０）は、前記通信システム（１）の構成および時間的動作に関する情報、特に、前記データバス（２）を介したメッセージ伝送に関する情報を有し、
   前記装置（１０）は、前記通信システム（１）に関する前記情報に従って、前記メッセージを操作する手段（１１）の作動および停止を促すことを特徴とする、請求項５に記載の装置。
8. 前記メッセージフレーム（３２）間には、通信メッセージが伝送されない解放時間（３３）が設けられており、
   前記装置（１０）は、前記解放時間（３３）の間に前記メッセージを操作する手段（１１）を作動または停止させるための切り替え手段（１６、１７）をさらに備えることを特徴とする、請求項５に記載の装置。
9. 前記通信システム（１）に関する情報は、Ｆｉｂｅｘデータの形式を有することを特徴とする、請求項１〜７のいずれか1項に記載の装置。
10. 物理的データバス（２）と、前記物理的データバス（２）に接続された複数のネットワークノード（３、４；４’、４’’、４’’’）とを有する通信システム（１）であって、前記ノード（３、４；４’、４’’、４’’’）間で前記データバス（２）を介して所定の通信周期（ｎ、ｎ＋１、ｎ＋２、・・・）でメッセージフレーム（３２）により通信メッセージを伝送する手段を有する前記通信システム（１）において、
    前記通信システム（１）は、前記通信システム（１）内の１以上の前記ノード（４；４’、４’’、４’’’）と、１以上の残りのノード（３）との間で、前記データバス（２）上に配置された装置（１０）であって、前記装置（１０）により前記１以上の残りのノード（３）から分離された前記１以上のノード（４；４’、４’’、４’’’）の視点から前記通信システム（１）の駆動状態を操作するための装置（１０）を含み、
    前記装置（１０）は、前記データバス（２）を短絡させるための手段、および／または、前記データバス（２）を遮断するための手段を備え、さらに
    前記装置（１０）は、前記通信システム（１）の構成および時間的動作に関する情報、特に、前記データバス（２）を介したメッセージ伝送に関する情報を有し、
    前記装置（１０）は、前記通信システム（１）に関する前記情報に従って、前記データバス（２）を短絡させるための手段および／または前記データバス（２）を遮断するための手段の作動および停止を促すことを特徴とする、通信システム。
11. 前記通信システム（１）は、ＦｌｅｘＲａｙ通信システムとして構成されることを特徴とする、請求項１０に記載の通信システム。
12. 物理的データバス（２）と、前記物理的データバス（２）に接続された複数のノード（３、４；４’、４’’、４’’’）とを有する通信システム（１）の駆動状態を操作する方法であって、
    前記通信システム（１）の駆動状態は、１以上の前記ノード（４；４’、４’’、４’’’）の視点から操作され、前記通信システム（１）内では所定の通信周期（ｎ、ｎ＋１、ｎ＋２、・・・）でメッセージフレーム（３２）によりメッセージが伝送されており、
    前記通信システム（１）の駆動状態を操作するために、前記１以上のノード（４；４’、４’’、４’’’）と、前記通信システム（１）内の１以上の残りのノード（３）との間に、駆動状態を操作するための装置（１０）が挿入され、前記装置（１０）により少なくとも前記物理的データバス（２）が操作される、前記方法において、
    前記装置（１０）は、前記通信システム（１）の構成および時間的動作に関する情報、特に、前記データバス（２）を介したメッセージ伝送に関する情報を有し、
    前記装置（１０）は、前記通信システム（１）に関する前記情報に従って、前記データバス（２）を短絡させるための手段および／または前記データバス（２）を遮断するための手段の作動および停止を促すことを特徴とする方法。
13. 前記通信システム（１）の駆動状態の操作の枠組みで、前記通信システム（１）が操作される視点を有する前記１以上のノード（４；４’、４’’、４’’’）に宛てられたメッセージも操作され、
    前記操作されるべきメッセージは、前記１以上のノード（４；４’、４’’、４’’’）に到達する前に前記装置（１０）により奪取され、前記操作されたメッセージは、前記１以上のノード（４；４’、４’’、４’’’）に伝送されることを特徴とする、請求項１２に記載の方法。

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