JP4987090B2

JP4987090B2 - 制御・監視信号伝送システムにおける信号伝送方式

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Publication number: JP4987090B2
Application number: JP2010004980A
Authority: JP
Inventors: 善胤齋藤; 憲治錦戸
Original assignee: 株式会社エニイワイヤ
Priority date: 2010-01-13
Filing date: 2010-01-13
Publication date: 2012-07-25
Anticipated expiration: 2030-01-13
Also published as: JP2011146855A

Description

本発明は、単一の制御部と複数の被制御装置を備え、制御部及びデータ信号線に親局が接続され、複数の被制御装置に対応する複数の子局が、共通のデータ信号線及び対応する被制御装置に接続される構成の制御・監視信号伝送システムに好適な、信号伝送方式に関する。

単一の制御部と複数の被制御装置（制御部の指示に応じて動作する被制御部と制御部に情報を送信するセンサ部とで構成されるもの）を備える制御システムにおいて、配線の数を減らすことは、配線スペースの低減、配線工数の低減、装置製作工期の低減、或いは設備の小型化に繋がり、これによって、設備の信頼性向上、コスト低減などを図ることができる。

そこで、上記のような制御システムにおいて配線の数を減らす試みがなされている。具体的には、電源を含むクロック信号の線路に、各クロックに対応する１つ（１ビット）の制御信号やセンサ信号（被制御装置からの入力信号）を重畳する信号伝送方式を採用することで、制御部と被制御装置の間の省配線が実現されている。

また、この信号伝送方式において、制御部と被制御装置との間における信号伝送速度を高めるための手法が特開２００２−１５２８６４号公報に開示されている。ここで開示されている制御・監視信号伝送システムは、制御部及び共通のデータ信号線に親局が接続され、複数の被制御装置に対応する複数の子局が、共通のデータ信号線及び対応する被制御装置に接続される構成となる。そして、クロックの１周期毎の後半又は前半を更に制御信号エリア及び監視信号エリアとに時分割し、各々に制御信号及び監視信号を重畳し検出する。これにより、電源を含むクロック信号に、制御部から被制御部への制御信号に加えて、センサ部から制御部への監視信号をも重畳することができる。従って、制御部と被制御部およびセンサ部間の双方向の高速な信号伝送を実現することができると共に、制御信号と監視信号とを共通のデータ信号線に出力し、かつ、これらを同時に双方向に伝送することができる。この結果、共通のデータ信号線において制御信号又は監視信号を伝送する期間を別々に設ける必要をなくすことができ、信号伝送の速度（レート）を従来の２倍に高速化することができる。

特開２００２−１５２８６４号公報

上記の制御・監視信号伝送システムで採用されている伝送方式においては、各子局はスタート信号を起点とする伝送クロックを、アドレスデータとして順次カウントすることにより、自局に対する制御信号を抽出するとともに自局からの監視信号を重畳すべきタイミングを把握するものとなっている。そのため、親局と子局との間で、データ送受信の確認等のコマンドを授受する必要が無く、省配線下における信号伝送速度の高速化が可能となっている。また、上記伝送方式においては、伝送クロックの１周期毎に、電圧レベルの変化、すなわちパルス信号の変化を各子局が認識することで、実質的に双方向の信号伝送（全二重）が可能となっている。

ところが、子局におけるアドレスのカウントには、パルス信号が変化する時間、すなわち立上り点、または立下り点を利用しているため、ノイズなどによる電圧変化が生じると、その変化が極めて短い時間のものであったとしてもパルス信号の変化とみなされ、アドレスデータの同期ずれが生じ、本来意図するデータとは異なるデータとして認識されるという問題があった。

更に、パルス信号の立上り点は、その直前の状態、例えば、監視信号の重畳の有無などにより時間的なずれを生じたり、或いは立上り速度が遅くなり波形が変化したりする場合があり、このような場合にも、パルス信号の変化が正常に検出されず、異なるデータとして認識される問題があった。

そこで本発明は、単一の制御部と複数の被制御装置を備えた制御・監視信号伝送システムにおいて、親局と子局との伝送信号におけるノイズや信号の重畳状態による影響を受けることなく、データ値を正確に伝送できる信号伝送方式を提供することを目的とする。

本発明に係る信号伝送方式は、制御部および共通のデータ信号線に接続された親局と、前記共通のデータ信号線および対応する被制御装置に接続された複数の子局を備えた制御・監視信号伝送システムにおいて使用されるものである。前記被制御装置は、前記制御部の出力指示に応じて動作する被制御部および／または前記制御部へ入力情報を伝えるセンサ部を有する。前記親局は、所定の周期の伝送クロックに同期した所定のタイミング信号を発生するためのタイミング発生手段を有する。また、前記親局は、前記タイミング信号の制御下で、前記制御部からの制御データの値に応じて、制御データ信号として一連のパルス状信号を、前記データ信号線に出力すると共に、前記タイミング信号の制御下で、前記伝送クロックの１周期毎に、前記一連のパルス状信号に重畳された監視データ信号のデータ値を抽出し、これを前記制御部に引き渡す。前記複数の子局の各々は、前記タイミング信号の制御下で、前記伝送クロックの１周期毎に、前記制御データ信号の各データの値を抽出して、前記各データの値の中の自局に対応するデータを対応する前記被制御部に引き渡し、および／または、前記タイミング信号の制御下で、前記伝送クロック信号の１周期毎に、対応する前記センサ部の監視データの値に応じて、前記監視データ信号を前記一連のパルス状信号に重畳する。そして、前記子局の各々は、所定のパルス幅を有するスタート信号の終了を起点とし、自局において前記タイミング信号に同期した擬似タイミング信号を生成し、前記擬似タイミング信号のパルスをカウントし、前記一連のパルス状信号から、自局に対応するアドレスにおける所定のタイミングのときのみに前記制御データを抽出し、または前記監視データ信号を前記一連のパルス状信号に重畳する。

本発明に係る信号伝送方式では、子局の各々が自局において、親局で生成されるタイミング信号に同期した擬似タイミング信号を生成し、この擬似タイミング信号のパルスをカウントし、自局に対応するアドレスにおける所定のタイミングのときのみに前記一連のパルス状信号から前記制御データを抽出し、または前記監視データ信号を前記一連のパルス状信号に重畳することとしている。そのため、親局と子局との間で伝送される一連のパルス状信号においてパルス信号の立上りや立下りをカウントする必要が無い。すなわち、子局は、自局内で得たタイミングで必要な情報のみ（データ値そのもの）を抽出すればよい。従って、親局と子局との間の伝送過程で発生したノイズや、信号の重畳状態の影響を受けることなく、データ値を正確に伝送することが可能となる。

本発明に係る信号伝送方式の実施例において親局と子局との間で授受される伝送信号と、子局で生成される擬似タイミング信号を対比させて示すタイムチャート図である。同信号伝送方式が採用された制御・監視信号伝送システムの概略構成を示すシステム構成図である。親局のシステム構成図である。子局出力部のブロック図である。子局入力部のブロック図である。親局と子局との間で授受される信号のタイムチャート図である。従来の信号伝送方式による、子局において伝送信号から抽出される信号を示し、（ａ）は伝送信号にノイズがのっていない場合に抽出される信号のタイムチャート図、（ｂ）は伝送信号にノイズがのっている場合に抽出される信号のタイムチャート図である。監視データの表現形式として電圧レベルの高低を採用した更に他の実施例において親局と子局との間で授受される信号のタイムチャート図である。

図１〜６を参照しながら、本発明に係る信号伝送方式の実施例を説明する。
まず、この信号伝送方式が採用されている制御・監視信号伝送システムの構成について説明する。この制御・監視信号伝送システムは、図２に示すように、制御部１および共通のデータ信号線ＤＰ、ＤＮ（以下、データ信号線ＤＰ、ＤＮとする）に接続された親局６と、前記データ信号線ＤＰ、ＤＮおよび対応する被制御装置５に接続された複数の子局２を備える。被制御装置５は、制御部１の出力指示に応じて動作する被制御部５１、または、制御部１へ入力情報を伝えるセンサ部５２を有している。なお、図示はしないが、被制御装置５は被制御部５１とセンサ部５２の双方を有するものとしてもよい。被制御部５１は、被制御装置５を構成する種々の部品、例えば、アクチュエータ、（ステッピング）モータ、ソレノイド、電磁弁、リレー、サイリスタ、ランプ等からなる。一方、センサ部５２は、対応する被制御部５１に応じて選択され、例えば、リードスイッチ、マイクロスイッチ、押釦スイッチ、光センサ等からなり、オン、オフの状態（２値信号）を出力する。

制御部１は、例えばプログラマブルコントローラ、コンピュータ等であり、制御データ１３を送出する出力ユニット１１と、被制御装置５側からのセンサデータ（監視データ信号のデータ）１５を受け取る入力ユニット１２を有する。そして、これら出力ユニット１１と入力ユニット１２が親局６に接続されている。

親局６は、図３に示すように、出力データ部６１、タイミング発生部６３、親局出力部６４、親局入力部６５、入力データ部６６を備える。

出力データ部６１は、制御部１の出力ユニット１１から制御データ１３として受けた並列データを親局出力部６４へ引き渡す。この制御データ１３は、被制御部５１の動作指示を行うものである。

タイミング発生部６３は、発振回路（ＯＳＣ）７１とタイミング発生手段７２からなり、ＯＳＣ７１を基にタイミング発生手段７２が、この伝送システムのタイミングクロック（本発明のタイミング信号に相当する）を生成し親局出力部６４に引き渡す。親局出力部６４は、制御データ発生手段７３とラインドライバ７４からなり、制御データ発生手段７３が、出力データ部６１から受けたデータと、タイミング発生部６３から受けたタイミングクロックに基づき一連のパルス状信号である制御データ信号を生成し、ラインドライバ７４を介してデータ信号線ＤＰ、ＤＮに送出する。ここで、データ信号線ＤＰ、ＤＮに送出される制御データ信号は、本発明における、一連のパルス状信号に相当するものであるが、以下、データ信号線ＤＰ、ＤＮを流れる制御データ信号を伝送クロック信号というものとする。ラインドライバ７４は、また、ＤＣ電源７５から電源供給を受け、伝送クロック信号とともに、共通データ信号線ＤＰ、ＤＮを経由し、子局２の回路電源を供給する。

親局入力部６５は監視信号検出手段７６と監視データ抽出手段７７で構成され、入力データ部６６へ入力データを送出する。監視信号検出手段７６は、共通データ信号線ＤＰ、ＤＮを経由して子局２から送出された監視データ信号を検出する。子局２から送出される監視データ信号は、センサ部５２における検知対象の検知の有無が電流レベルとして表わされたもので、スタート信号が送信された後、各子局２から順次受け取るものとなっている。そして、監視データ信号の監視データは、タイミング発生手段７２の信号に同期して監視データ抽出手段７７で抽出され、直列の入力データとして入力データ部６６に送出される。

親局入力部６５から直列の入力データを受け取った入力データ部６６は、その直列の入力データを並列（パラレル）データに変換し、センサデータ１５として制御部１の入力ユニット１２へ引き渡す。

親局６は、また、伝送インターフェイス回路として、伝送ブリーダ電流回路６７を有している。伝送ブリーダ電流回路６７は、親局出力部６４内のラインドライバ７４に接続されており、データ信号線ＤＰとＤＮ間の伝送路を安定化させる。

子局２は、擬似タイミング発生部２０と、子局出力部３０または子局入力部４０を備える。ただし、対応する被制御装置５が被制御部５１とセンサ部５２の双方を有する場合、子局２は子局出力部３０と子局入力部４０の双方を備えることになる。子局出力部３０と子局入力部４０は、その各々がデータ信号線ＤＰ、ＤＮに接続される。そして、子局入力部４０は、センサ部５２から受けた信号を監視データ信号としてデータ信号線ＤＰ、ＤＮに送出する。一方、子局出力部４０は、データ信号線ＤＰ、ＤＮ上を伝送される伝送クロック信号から必要な情報を抽出し、被制御部５１を動作させる。

擬似タイミング発生部２０は、親局６のタイミング発生部６３と同様、図示しない発振回路（ＯＳＣ）とタイミング発生手段からなり、ＯＳＣを基に、前記タイミング発生部６３で生成されるタイミングクロックと同期する擬似タイミング信号を生成し、子局出力部３０と子局入力部４０に引き渡す。

子局出力部３０は、図４に示すように、アドレス設定手段３１、アドレス抽出手段３２、子局データ出力手段３３、出力データ部３４、および制御データ信号抽出手段３６を備えている。また、接続端子ｏｕｔＮを備え、そこに被制御部５１が接続されている。

なお、この子局出力部３０には、マイクロコンピュータ・コントロール・ユニット（ＭＣＵ）３９が搭載されており、アドレス設定手段３１、アドレス抽出手段３２、子局データ出力手段３３、および出力データ部３４のそれぞれにおける処理は、ＭＣＵ３９により行われるものとなっている。そして、それぞれの処理において必要となる演算や記憶は、ＭＣＵ３９の備えるＣＰＵ、ＲＡＭおよびＲＯＭを使用して実行されるものとなっている。ただし、図４においては、それぞれの処理におけるＣＰＵ、ＲＡＭおよびＲＯＭとの関係は、説明の便宜上、その図示を省略するものとする。

データ信号線ＤＰ、ＤＮの伝送クロック信号は、制御データ信号抽出手段３６を経て、アドレス設定手段３１と擬似タイミング発生部２０に引き渡される。アドレス設定手段３１は、図示しないアドレス設定スイッチで設定されたアドレス値を認識し、そのアドレスと伝送クロック信号をアドレス抽出手段３２に引き渡す。なお、アドレスの設定は、スイッチ等による機械的方法に限定されず、例えば、予め設定された値を親局６から送信し、それを記憶させる方法で行ってもよい。

擬似タイミング発生部２０は、制御データ信号から引き渡された伝送クロック信号によって擬似タイミング信号の起点を認識したときに、アドレス抽出手段３２に対する擬似タイミング信号の引渡しを開始する。アドレス抽出手段３２は、この擬似タイミング信号に基づき自局のデータを抽出するタイミングを得て、伝送クロック信号から自局のデータを抽出し、そのデータを子局データ出力手段３３に引き渡す。子局データ出力手段３３に引き渡されたデータは、更に出力データ部３４に引き渡され、それらデータに基づき被制御部５１が動作する。

この子局出力部３０は、特に専用の電源を保有していないが、共通データ信号線ＤＰ、ＤＮから供給される、電源が重畳された伝送クロック信号から、子局出力部３０内部で使用する電源電圧を、ダイオードとコンデンサと三端子電源素子によって作り出している。

子局入力部４０は、図５に示すように、アドレス設定手段４１、アドレス抽出手段４２、子局データ入力手段４３、入力データ部４４、および制御データ信号抽出手段４６を備えている。また、接続端子ｉｎＮを備え、そこにセンサ５２が接続されている。更に、この子局入力部４０にも、子局出力部３０と同様にマイクロコンピュータ・コントロール・ユニット（ＭＣＵ）４９が搭載されており、アドレス設定手段４１、アドレス抽出手段４２、子局データ入力手段４３、および入力データ部４４のそれぞれにおける処理は、ＭＣＵ４９により行われるものとなっている。なお、アドレス設定手段４１、アドレス抽出手段４２、および制御データ信号抽出手段４６は、子局出力部３０のアドレス設定手段３１、アドレス抽出手段３２、および制御データ信号抽出手段３６とほぼ同一の構成であり、ほぼ同一の動作をするため、その説明は省略する。また、図６においては、図５と同様、それぞれの処理におけるＣＰＵ、ＲＡＭおよびＲＯＭとの関係は、説明の便宜上、その図示を省略するものとする。

入力データ部４４は、センサ部５２から入力された１又は複数の（ビットの）データ信号を子局データ入力手段４３に引き渡す。ここで引き渡されたデータは、子局データ入力手段４３において保持される。子局データ入力手段４３では、自局のデータを伝送クロック信号に重畳させるタイミングがアドレス抽出手段４２から入力されると、保持している１又は複数のデータに応じて、Ｉｏｕｔ０信号の出力を“ｏｎ”または“ｏｆｆ”とする。Ｉｏｕｔ０信号が“ｏｎ”の場合、トランジスタ４７は”ｏｎ”となり、データ信号線ＤＰ、ＤＮに監視データ信号が出力される。ここで子局データ入力手段４３は、監視データ信号についての並列／直列変換を行、出力される監視データ信号は直列の信号となる。このとき監視データ信号のデータ値は、既述のように、伝送クロック信号の１周期の前半（低電位レベルの期間）における電流レベルとして表現される。

なお、子局入力部４０も、子局出力部３０と同様に、電源を重畳された伝送クロック信号から、子局入力部４０内部で使用する電源電圧を、ダイオードとコンデンサと三端子電源素子によって作り出している。

次に、この制御・監視信号伝送システムの信号伝送方式について説明する。
親局出力部６４からデータ信号線ＤＰ、ＤＮに送出される伝送クロック信号のデータ値は、伝送クロックの１周期における電圧レベルの高い期間の幅（電圧パルスの幅）により表現される。この実施例では、図１に示すように、１周期の後半が高電位レベル（この実施例では＋２４Ｖ）と、前半が低電位レベル（この実施例では＋１９Ｖ）とされている。そして、電圧パルスの幅は、制御部１から入力される制御データ１３の各データの値に応じて、図１の破線で示すように拡張される。また、この伝送クロック信号の１周期毎にはアドレス（図１ではＡＤＲ０、ＡＤＲ１、ＡＤＲ２と表示する）が割り当てられている。

図６に、伝送クロック信号の一例を示す。この実施例においては、各アドレス番号０、１、２、３における制御データの値（出力データ）はそれぞれ“０”、“０”、“１”、“０”を表わすものとなっている。一方、監視データの値（入力データ）は、伝送クロック信号の１周期の前半（低電位レベルの期間）における電流レベルとして表現される。この実施例では、監視データ信号のデータ値が“１”の場合には所定値Ｉｔｈ以上の電流（例えば、３０ｍＡ）を流し、“０”の場合にはブリーダ電流（例えば、１０ｍＡ）のみとして表現されている。従って、各アドレス番号０、１、２、３における監視データはそれぞれ“０”、“０”、“１”、“０”を表わすことになる。

なお、図６において図示は省略されているが、図１に示すように、伝送クロック信号には、一連のパルス状信号の始まりを示すスタート信号（ＳｔａｒｔＢｉｔ）が形成される。スタート信号は、伝送クロック信号の高電位レベルと同じ電位レベルであって、伝送クロック信号の１周期より長い信号とされる。

従来の伝送方式において、子局２は、スタート信号を起点とする伝送クロックを、アドレスデータとして順次カウントすることにより、自局が受信すべき制御信号を取り込むものとなっていた。そして、そのカウントは、パルス信号の立下りを利用して行われていた。そのため、伝送クロック信号にのったノイズをパルス信号の変化として誤認する場合があった。例えば、ノイズがのっていない状態であれば、図７（ａ）に示すような抽出信号となる場合であっても、検知の閾値電圧Ｖｔｈを超える電圧変化がノイズによって生じ、それがパルス信号の変化信号と判断されると、図７（ｂ）に示すように、伝送信号が意図するものと全く異なる信号が抽出され、アドレス番号が誤認されることになる。そこで、この実施例では、子局２の各々が自局において、親局６で生成されるタイミングクロックに同期した擬似タイミング信号を生成し、この擬似タイミング信号の制御下で、伝送クロック信号におけるパルス信号の変化によることなく、伝送クロック信号の各周期が開始するタイミングと、制御データを判断すべきタイミングを得ることとしている。

図１に示すように、親局６で生成されるタイミングクロックに同期している擬似タイミング信号において、パルス信号が立上るタイミングは、伝送クロック信号におけるパルス信号の変化のタイミングと一致することになる。図１の場合であれば、伝送クロック信号の始まりであるＰ０を起点とし、伝送クロック信号の各周期が開始するタイミングＰ１、Ｐ２、Ｐ３は擬似タイミング信号のパルスが４回立上る毎に出現する。また、制御データを判断すべきタイミングについては、最初の周期におけるタイミングＰ０１、Ｐ０２はパルスの２回目および３回目の立上りで、次の周期におけるタイミングＰ１１、Ｐ１２はその周期が開始するタイミングＰ１と一致するパルスから数えて２回目および３回目のパルスの立上りで出現する。そして、以降も同様に、その周期が開始するタイミングと一致するパルスから数えて２回目および３回目のパルスの立上りが、制御データを判断すべきタイミングとなる。

従って、子局２は、擬似タイミング信号のパルスの立上りをカウントすることにより、伝送クロック信号におけるパルス信号の変化によることなく、伝送クロック信号のアドレスを把握することができる。そして、擬似タイミング信号のパルスの立上りをカウントすることで自局に対応するアドレス（自局のデータを重畳すべきタイミング）が到来したことを判断した場合は、監視データ信号を、伝送クロックの１周期の前半である低電位レベルに重畳するとともに、そこから２回目のパルスおよび３回目のパルスの立上りに対応して伝送クロック信号の電圧を検出し、自局が受信すべき制御データの値を得ることができる。例えば、２回目のパルスの立上りに対応した伝送クロック信号の電圧が高電位であれば制御データが”１”であり、２回目のパルスの立上りに対応した伝送クロック信号の電圧が低電位で３回目のパルスの立上りに対応した伝送クロック信号の電圧が高電位であれば制御データが”０”であると判断し、それぞれに応じた処理を行うことができる。

なお、この実施例では、制御データの表現形式として電圧パルスの幅を、監視データの表現形式として電流の有無を採用しているが、その表現形式に制限はなく、電圧パルスレベルや、電流パルスの幅或いはレベルなど、その他の表現形式を適宜採用してもよい。図８に、監視データの表現形式として電圧パルスレベルを採用した場合の実施例を示す。

１制御部
２子局
５被制御装置
６親局
１１出力ユニット
１２入力ユニット
１３制御データ
１５センサデータ
２０擬似タイミング発生部
３０子局出力部
３１アドレス設定手段
３２アドレス抽出手段
３３子局データ出力手段
３４出力データ部
３６制御データ信号抽出手段
３９、４９ＭＣＵ
４０子局入力部
４１アドレス設定手段
４２アドレス抽出手段
４３子局データ入力手段
４４入力データ部
４６制御データ信号抽出手段
４７トランジスタ
５１被制御部
５２センサ部
６１出力データ部
６３タイミング発生部
６４親局出力部
６５親局入力部
６６入力データ部
６７伝送ブリーダ電流回路
７１発信器
７２タイミング発生手段
７３制御データ発生手段
７４ラインドライバ
７５ＤＣ電源
７６監視信号検出手段
７７監視データ抽出手段

Claims

制御部および共通のデータ信号線に接続された親局と、前記共通のデータ信号線および対応する被制御装置に接続された複数の子局を備え、
前記被制御装置は、前記制御部の出力指示に応じて動作する被制御部および／または前記制御部へ入力情報を伝えるセンサ部を有し、
前記親局は、所定の周期の伝送クロックに同期した所定のタイミング信号を発生するためのタイミング発生手段を有し、前記タイミング信号の制御下で、前記制御部からの制御データの値に応じて、制御データ信号として一連のパルス状信号を前記データ信号線に出力すると共に、前記タイミング信号の制御下で、前記伝送クロックの１周期毎に、前記一連のパルス状信号に重畳された監視データ信号のデータ値を抽出し、これを前記制御部に引き渡し、
前記複数の子局の各々は、前記タイミング信号の制御下で、前記伝送クロックの１周期毎に、前記制御データ信号の各データの値を抽出して、前記各データの値の中の自局に対応するデータを対応する前記被制御部に引き渡し、および／または、前記タイミング信号の制御下で、前記伝送クロックの１周期毎に、対応する前記センサ部の監視データの値に応じて、前記監視データ信号を前記一連のパルス状信号に重畳する制御・監視信号伝送システムにおいて、
前記子局の各々は、所定のパルス幅を有するスタート信号の終了を起点とし、自局において前記タイミング信号に同期した擬似タイミング信号を生成し、前記擬似タイミング信号のパルスをカウントし、前記一連のパルス状信号から、自局に対応するアドレスにおける所定のタイミングのときのみに前記制御データを抽出し、または前記監視データ信号を前記一連のパルス状信号に重畳することを特徴とする信号伝送方式。