JP5003516B2

JP5003516B2 - 通信装置

Info

Publication number: JP5003516B2
Application number: JP2008021049A
Authority: JP
Inventors: 理恵木戸
Original assignee: Yokogawa Electric Corp
Current assignee: Yokogawa Electric Corp
Priority date: 2008-01-31
Filing date: 2008-01-31
Publication date: 2012-08-15
Anticipated expiration: 2028-01-31
Also published as: JP2009181431A

Description

本発明は、シリアルバスを介して二値信号の通信を行う通信装置に関する。

近年、通信技術の進展により、シリアルバスを介した各種情報の収集・管理や各種機器の制御・操作等を行う技術の進歩がめざましい。例えば、プラントでは、プラント内に設けられたフィールド機器と呼ばれる現場機器(測定器、操作器)と、これらを制御する制御機器（コントローラ）とがシリアルバスの一種であるフィールドバス（例えば、FOUNDATION FIELDBUS、PROFIBUS-DP、PROFIBUS-PA等）を介して接続されて分散制御システム（ＤＣＳ：Distributed Control System）が構築されており、この分散制御システムによりプラントが高度に自動化されて操業されている。また、例えば自動車等の車両では、ＣＡＮ（Controller Area Network）バスに代表されるシリアルバスが用いられており、エンジン制御、トランスミッション制御、ドアロック制御等の各種制御がシリアルバスを介して行われている。

ここで、上記のプラントに敷設されるフィールドバスを例に挙げると、フィールドバスの数及び長さ並びに１つのフィールドバスに接続されるフィールド機器の数は、プラントの規模が大きくなるほど増大する傾向がある。このため、プラントでは規模が大きくなる程フィールドバスの配線トラブルが生じやすい。ここで、フィールドバスの配線トラブルとしては、例えばフィールドバスを終端する終端装置であるターミネータの設置不足や設置過多、フィールドバスの物理的な切断、フィールドバスに接続される線路（スタブ）の長さ異常、フィールドバス自体の長さ異常等が挙げられる。

従来、フィールドバスに異常が生じた場合には、フィールドバスを介して伝送される信号波形をオシロスコープ等の専用解析ツールを用いて解析することによりその異常の発生原因を特定していた。また、以下の特許文献１には、一般的なプロトコルを用いて通信を行うフィールド機器（スマートフィールド機器）と、一般的なプロトコルを用いなくても良いコントローラとの間を接続してゲートウェイやブリッジとして機能するリンキングデバイスに診断機能を設けることで、配線不良を自動検出するシステムが開示されている。
特開２００３−４４１３３号公報

ところで、上述した特許文献１に開示された技術を用いれば配線不良の自動的検出が可能ではあるが、その検出はセグメント単位での検出に留まるため、セグメント内に複数のフィールド機器が接続されている場合には配線不良を特定することは困難である。このため、セグメント内に複数のフィールド機器が接続されている場合に異常が生じた場合には、依然としてオシロスコープ等の専用解析ツールによる信号波形の解析を行う必要があり、容易に異常原因を特定できずに長時間を要し、保守に要するコストの上昇を招くという問題があった。

本発明は上記事情に鑑みてなされたものであり、シリアルバスにおいて生ずる異常原因を専用解析ツールを用いることなく容易、短時間、且つ低コストで特定することができる通信装置を提供することを目的とする。

上記課題を解決するために、本発明の通信装置は、シリアルバス（Ｂ）を介して二値信号の通信を行う通信装置（３）において、前記シリアルバスで生ずる異常の種類に応じた前記二値信号の波形の特徴的な変化を示すデータであって、所定期間において前記二値信号の電圧値が前記二値信号に設定される上限電圧値及び下限電圧値に対してそれぞれ許容される電圧範囲である第１許容範囲及び第２許容範囲を超えた頻度及び程度の少なくとも一方を前記シリアルバスで生ずる異常の種類毎に示すデータである第１特徴データ（Ｄ１）を記憶する記憶部（１５）と、前記シリアルバスを介した前記二値信号の波形をサンプリングするサンプリング部（１３）と、前記サンプリング部で得られた前記二値信号の波形のサンプリングデータを用いて前記シリアルバスを介した前記二値信号の波形の特徴的な変化を示す第２特徴データを求める特徴算出部（１４ａ）と、前記記憶部に記憶された前記第１特徴データと前記特徴算出部で求められた前記第２特徴データとを比較して前記シリアルバスで生ずる異常の種類を判定する判定部（１４ｂ）とを備える。
この発明によると、シリアルバスを介した二値信号が通信装置で受信されるとサンプリング部でサンプリングされ、このサンプリングデータを用いて二値信号の波形の特徴的な変化を示す第２特徴データが特徴算出部で求められ、記憶部に記憶された第１特徴データと特徴算出部で求められた第２特徴データとが判定部において比較されてシリアルバスで生ずる異常の種類が判定される。
また、本発明の通信装置は、前記第１許容範囲及び前記第２許容範囲を超えた頻度を示すデータが、前記所定期間において前記二値信号の電圧値が前記第１許容範囲及び第２許容範囲を超えた回数を示すデータと、前記所定期間において前記二値信号の電圧値が前記第１許容範囲及び第２許容範囲を連続して超えた連続回数を示すデータとの少なくとも一方を含み、前記第１許容範囲及び前記第２許容範囲を超えた程度を示すデータは、前記二値信号の電圧値と前記上限電圧値との差及び前記二値信号の電圧値と前記下限電圧値との差に対する所定の閾値を示すデータであることを特徴としている。
また、本発明の通信装置は、前記特徴算出部が、前記所定期間において前記サンプリングデータが前記第１許容範囲及び前記第２許容範囲を超えた頻度及び程度の少なくとも一方を示すデータを前記第２特徴データとして求めることを特徴としている。
また、本発明の通信装置は、前記特徴算出部で得られた前記第２特徴データを用いて、前記記憶部に記憶された前記第１特徴データを更新する更新部（１４ｃ）を備えることを特徴としている。
更に、本発明の通信装置は、前記判定部の判定結果を、前記シリアルバスを介して送信する通信部（１２）を備えることを特徴としている。

本発明によれば、シリアルバスを介した二値信号の波形をサンプリングし、このサンプリングデータを用いて二値信号の波形の特徴的な変化を示す第２特徴データを求め、この第２特徴データと記憶部に記憶された第１特徴データとを比較してシリアルバスで生ずる異常の種類を判定しているため、シリアルバスにおいて生ずる異常原因を専用解析ツールを用いることなく容易、短時間、且つ低コストで特定することができるという効果がある。

以下、図面を参照して本発明の一実施形態による通信装置について詳細に説明する。尚、以下の説明では、シリアルバスがフィールドバスであって、本実施形態の通信装置がフィールド機器に実装されている態様を例に挙げて説明する。図１は、本発明の一実施形態による通信装置が用いられる通信システムを模式的に示す図である。図１に示す通信システム１は、フィールドバスＢに接続されたホスト機器２と複数のフィールド機器３とを備えており、マスターにされるホスト機器２とスレーブにされる複数のフィールド機器３との間でフィールドバスＢを介した通信が実現される。例えば、フィールドバスＢがPROFIBUS-DPの場合には、ホスト機器２と複数のフィールド機器３との間でマスター・スレーブ方式の通信が実現される。尚、図１に示す通信システムは、例えばプラント又は工場内に設けられる。

フィールドバスＢは、ホスト機器２とフィールド機器３との間で送受信される二値信号を伝送するバスであり、例えばPROFIBUS-DPである。尚、説明を簡単にするために、フィールドバスＢの両端は、ターミネータ（図示省略）により終端されるとする。ホスト機器２は、複数のフィールド機器３で得られる各種物理量の測定結果（例えば、温度、流量、圧力等の測定結果）をフィールドバスＢを介して収集するとともに、フィールドバスＢを介して制御信号を送信して複数のフィールド機器３を制御する。

フィールド機器３は、例えばプラントに設けられたモータ、ポンプ等の機器に対して設けられ、例えばポンプで吸い出される液体の物理量（例えば、温度、流量、圧力等）を測定してその結果をフィールドバスＢを介してホスト機器２に送信する。また、フィールド機器３は、ホスト機器２からフィールドバスＢを介して送信される制御信号に基づいて、例えばモータの回転数を制御したり、バルブの開度等を操作する。

図２は、本発明の一実施形態による通信装置が実装されたフィールド機器３の内部構成を示すブロック図である。図２に示す通り、フィールド機器３は、通信インターフェイス１１、通信制御部１２（通信部）、サンプリング部１３、制御部１４、記憶部１５、及び表示部１６を備える。通信インターフェイス１１は、線路Ｌ１，Ｌ２を介してフィールドバスＢに接続されており、ホスト機器２からフィールドバスＢを介して送信されてくる二値信号を受信するとともに、ホスト機器２に送信すべき二値信号（例えば、上述した各種測定結果を示す信号）を線路Ｌ１，Ｌ２に送出する。尚、通信インターフェイス１１は、受信した二値信号に重畳されているノイズ除去等のためにバンドパスフィルタ等のフィルタを用いた受信信号のフィルタリング処理も行う。

通信制御部１２は、制御部１４の制御の下で、通信インターフェイス１１及びフィールドバスＢを介したホスト機器２との間で行われる通信を制御する。具体的には、転送クロックに同期した二値信号の送受信制御を行う。また、例えば送信すべき二値信号に対してプリアンプルやポストアンブルを付加してフレームを作成する処理（フレーミング）、及び受信信号からプリアンプルやポストアンブルを削除してデータを復元する処理（アンフレーミング）等の処理も行う。また、通信制御部１２は、制御部１４から判定部１４ｂ（詳細は後述する）の判定結果が出力された場合には、その判定結果をホスト機器２に送信する制御を行う。

サンプリング部１３は、通信インターフェイス１１から出力されて通信制御部１２に入力される受信信号を所定のサンプリング周期をもってサンプリングする。例えば、フィールドバスＢで用いられる転送クロックの周期Ｔ_Ｃよりも短い周期（具体的には、転送クロックＴ_Ｃの周期の４分の１よりも短い周期）で通信制御部１２から出力される受信信号をサンプリングする。尚、このサンプリング部１３は、安価なＡ／Ｄ変換器を用いて実現することができる。

制御部１４は、フィールド機器３の動作を統括して制御する。具体的には、測定部（図示省略）で行われる物理量（例えば、温度、流量、圧力等）の測定動作、測定部で得られた測定結果を通信制御部１２を用いてホスト機器２に送信する送信動作、ホスト機器２からの制御信号に基づいて操作器（例えば、バルブの開度）を操作する動作等の各種動作を制御する。

また、制御部１４は、図２に示す通り、特徴算出部１４ａ、判定部１４ｂ、及び更新部１４ｃを備えている。特徴算出部１４ａは、サンプリング部１３から出力されるサンプリングデータを用いて、通信制御部１２から出力される受信信号（シリアルバスを介した二値信号）の波形の特徴的な変化を示す特徴データ（第２特徴データ）を求める。尚、特徴データの詳細については後述する。

判定部１４ｂは記憶部１５に記憶された特徴データＤ１（第１特徴データ）と特徴算出部１４ａで求められた特徴データとを比較してフィールドバスＢの状態の判定（異常の発生の有無の判定、及び異常が生じている場合にはその種類の判定）を行う。尚、本実施形態では、フィールドバスＢで生ずる異常として、フィールドバスＢの片側のみがターミネータで終端されている場合に生ずる異常、スタブの総数（フィールド機器３の総数）がフィールドバスＢの仕様を越えている場合に生ずる異常、及びフィールド機器３間のフィールドバスＢの長さがフィールドバスＢの仕様よりも短い場合（例えば、フィールド機器３間のフィールドバスＢの長さが１［ｍ］未満の場合）に生ずる異常を例に挙げて説明する。

更新部１４ｃは、特徴算出部１４ａで得られた特徴データを用いて、記憶部１５に記憶された特徴データＤ１を更新する。この更新部１４ｃは、例えばフィールド機器３が初めてフィールドバスＢに接続された場合に、特徴算出部１４ａで特徴データが算出されたタイミングで記憶部１５の特徴データＤ１を更新する。尚、更新部１４ｃが記憶部１５に記憶された特徴データＤ１を更新する間隔は任意の期間に設定することができるが、例えば１年程度に設定するのが望ましい。

記憶部１５は、フィールドバスＢで生ずる異常の種類に応じた二値信号の波形の特徴的な変化を示す特徴データＤ１、並びに後述する電圧値の誤差α、上限電圧値Ｖ_Ｈ、及び下限電圧値Ｖ_Ｌを記憶する。この特徴データＤ１は、所定期間において、二値信号の電圧値が、二値信号に設定される上限電圧値及び下限電圧値に対してそれぞれ許容される電圧範囲である上限許容範囲（第１許容範囲）及び下限許容範囲（第２許容範囲）を超えた頻度及び程度の少なくとも一方を示すデータであり、これはフィールドバスＢで生ずる異常の種類毎に設定される。ここで、特徴データＤ１について具体的に説明する。

図３はフィールドバスＢに異常が生じていない正常な場合における受信信号の波形の一例を示す図であり、図４はフィールドバスＢに異常が生じた場合において得られる受信信号の文献等に開示された代表的な波形の一例を示す図である。尚、図３，図４に示す通り、受信信号（二値信号）の上限電圧値はＶ_Ｈであり、下限電圧値はＶ_Ｌであるとする。上限電圧値Ｖ_Ｈは例えば２．５［Ｖ］であり、下限電圧値Ｖ_Ｌは例えば−２．５［Ｖ］である。

また、上限電圧値Ｖ_Ｈに対する受信信号の「Ｈ（ハイ）」レベルにおける電圧値の誤差が±αの範囲で認められており、下限電圧値Ｖ_Ｌに対する受信信号の「Ｌ（ロー）」レベルにおける電圧値の誤差が±αの範囲で認められるとする。つまり、受信信号の電圧値をＶとすると、図３，図４において符号Ｒ１で指し示す上記の上限許容範囲はＶ_Ｈ−α≦Ｖ≦Ｖ_Ｈ＋αで表される範囲であり、符号Ｒ２で指し示す上記の下限許容範囲はＶ_Ｌ−α≦Ｖ≦Ｖ_Ｌ＋αで表される範囲である。尚、電圧値の誤差αは例えば０．１〜０．５［Ｖ］程度の範囲内における所定の電圧に設定される。

まず、図３を参照すると、フィールドバスＢに異常が生じていない正常な場合には、受信信号の波形が矩形波形であることが分かる。また、受信信号の電圧値Ｖは、「Ｈ」レベルの場合の電圧値がほぼ上限電圧値Ｖ_Ｈであって上限許容範囲Ｒ１内に収まっており、「Ｌ」レベルの場合の電圧値がほぼ下限電圧値Ｖ_Ｌであって下限許容範囲Ｒ２内に収まっていることも分かる。

次に、図４（ａ）〜図４（ｃ）を参照すると、フィールドバスＢに何らかの異常が生じている場合には、受信信号の波形が図３に示した矩形波形から大きく変化していることが分かる。図４（ａ）は、フィールドバスＢの片側のみがターミネータで終端されている場合に観測される受信信号の代表的な波形である。この図４（ａ）に示す波形は、「Ｈ」レベルの場合の電圧値が上限電圧値Ｖ_Ｈに一致することが殆ど無く、また「Ｌ」レベルの場合の電圧値が下限電圧値Ｖ_Ｌに一致することも殆ど無いという特徴を有するのが分かる。また、その電圧値Ｖが上限許容範囲Ｒ１及び下限許容範囲Ｒ２の双方を越える部分（例えば、図４（ａ）中において符号Ｑ１１〜Ｑ１７で指し示した部分）が頻出して、その越え方の程度（上限電圧値Ｖ_Ｈ又は下限電圧値Ｖ_Ｌとの差）も大きくなる特徴を有するのが分かる。

図４（ｂ）は、スタブの総数（フィールド機器３の総数）がフィールドバスＢ（例えば、PROFIBUS）の仕様を越えている場合に観測される受信信号の代表的な波形である。この図４（ｂ）を参照すると、受信信号の波形は、図４（ａ）に示す波形よりも図３に示す矩形波形に近い波形であり、図４（ａ）に示す波形のように電圧値Ｖが上限許容範囲Ｒ１及び下限許容範囲Ｒ２の双方を越えることが頻出する訳ではない。しかしながら、図４（ｂ）に示す波形は、スパイク状のノイズのように、電圧値Ｖが単発的に上限許容範囲Ｒ１又は下限許容範囲Ｒ２を越える部分（例えば、図４（ｂ）中において符号Ｑ２１〜Ｑ２９で指し示した部分）が繰り返し現れる特徴を有するのが分かる。

図４（ｃ）は、フィールド機器３間のフィールドバスＢの長さがフィールドバスＢ（例えば、PROFIBUS）の仕様で定められた１［ｍ］未満の場合に観測される受信信号の代表的な波形である。この図４（ｃ）を参照すると、受信信号の波形は、図４（ａ）に示す波形よりも図３に示す矩形波形に近い波形ではあるが、図４（ｂ）に示す波形よりは崩れた波形であることが分かる。このため、その電圧値Ｖが上限許容範囲Ｒ１又は下限許容範囲Ｒ２を連続して越える部分（例えば、図４（ｃ）中において符号Ｑ３１〜Ｑ３５で指し示した部分）が現れるという特徴を有するのが分かる。

本実施形態では、前述した特徴データＤ１に含まれる上限許容範囲及び下限許容範囲を超えた頻度を示すデータとして、所定期間において受信信号の電圧値Ｖが上限許容範囲Ｒ１又は下限許容範囲Ｒ２を越えた回数Ｎを示すデータと、所定期間において受信信号の電圧値Ｖが上限許容範囲Ｒ１又は下限許容範囲Ｒ２を連続して越えた連続回数Ｍを示すデータとを用いる。尚、上記の所定期間は任意の期間で良いが、本実施形態では、説明を簡単にするため、フィールドバスＢで用いられる転送クロックの１周期Ｔ_Ｃであるとする。

ここで、図２を用いて説明した通り、通信制御部１２からの受信信号はサンプリング部１３でサンプリングされているため、上記の回数Ｎ及び連続回数Ｍはサンプリング部１３におけるサンプリング周期に依存する。つまり、サンプリング周期が短くなれば、転送クロックの１周期Ｔ_Ｃ内におけるサンプル数が増加するため、同じ波形の受信信号をサンプリングしても上記の回数Ｎ及び連続回数Ｍを増大させ、逆にサンプリング周期が短くなればサンプル数が減少するため上記の回数Ｎ及び連続回数Ｍを減少させる必要がある。

本実施形態では、説明を簡単にするために、サンプリング部１３におけるサンプリング周期が転送クロックの１周期Ｔ_Ｃの１０分の１の時間に設定されており、転送クロックの１周期Ｔ_Ｃ内に１０個のサンプルを得るものとする。このため、記憶部１５に記憶される特徴データＤ１には、上記の回数Ｎを示すデータとして例えば値「５」が含まれており、連続回数Ｍを示すデータとして例えば値「３」が含まれている。

また、本実施形態では、前述した特徴データＤ１に含まれる上限許容範囲及び下限許容範囲を超えた程度を示すデータとして、受信信号の電圧値Ｖと上限電圧値Ｖ_Ｈとの差、及び受信信号の電圧値Ｖと下限電圧値Ｖ_Ｌとの差に対する所定の閾値Ｘを示すデータを用いる。このため、記憶部１５に記憶される特徴データＤ１には、上記の所定の閾値Ｘを示すデータとして例えば電圧差０．５［Ｖ］を示す値「０．５」が含まれている。

尚、前述した特徴算出部１４ａも、サンプリング部１３から出力されるサンプリングデータを用いて、波形の特徴的な変化を示す特徴データとして、上限許容範囲Ｒ１及び下限許容範囲Ｒ２を超えた頻度及び程度を示すデータを求める。具体的には、上限許容範囲Ｒ１及び下限許容範囲Ｒ２を超えた頻度を示すデータとして前述した回数Ｎ及び連続回数Ｍを示すデータを求め、上限許容範囲Ｒ１及び下限許容範囲Ｒ２を超えた程度を示すデータとして、受信信号の電圧値Ｖと上限電圧値Ｖ_Ｈとの差、及び受信信号の電圧値Ｖと下限電圧値Ｖ_Ｌとの差のうちの大きい方を求める。

表示部１６は、例えば液晶表示装置等の表示装置を備えており、フィールド機器３で得られた計測結果を示す情報、判定部１４ｂで判定されたフィールドバスＢで生ずる異常の種類を示す情報、フィールド機器３の内部状態を示す情報、その他の各種情報を表示する。尚、本実施形態では、フィールド機器３が表示部１６を備える場合について説明するが、表示部１６は省略されても良い。

次に、フィールド機器３の動作について説明する。図５は、フィールド機器３の動作の概要を示すフローチャートである。尚、本実施形態では、説明を簡単にするために、図５に示すフローチャートはフィールドバスＢで用いられる転送クロックの周期Ｔ_Ｃで起動されるものとする。

図５に示したフローチャートの処理が開始されると、サンプリング部１３において通信制御部１２から出力される受信信号のサンプリングが行われる（ステップＳ１）。尚、受信信号のサンプリングは、実際にはサンプリング１３で設定されたサンプリング周期で連続的に行われるが、ここでは説明を簡単にするために、ステップＳ１において転送クロックの１周期Ｔ_Ｃ分のサンプル（即ち、１０個のサンプル）が得られるとし、このサンプル値の全てが制御部１４に出力されるとする。

転送クロックの１周期Ｔ_Ｃ分のサンプルが得られると、そのサンプリング結果から受信信号の特徴データを求め、この特徴データと記憶部１５に記憶された特徴データＤ１とを比較してフィールドバスＢの状態を判定する処理が行われる（ステップＳ２）。図６は、図５中のステップＳ２で行われる処理の詳細を示すフローチャートである。図６に示す通り、ステップＳ２の処理が開始されると、まずサンプリング結果から受信信号の特徴データを求める処理（ステップＳＡ）が特徴算出部１４ａで行われ、次いで特徴算出部１４ａで求められた特徴データと記憶部１５に記憶された特徴データＤ１とを比較してフィールドバスＢの状態を判定する判定する処理（ステップＳＢ）が判定部１４ｂで行われる。以下、各々の処理について詳細に説明する。

ステップＳＡに示す処理が特徴算出部１４ａで開始されると、まずサンプリング部１３から出力された複数のサンプルの中から１つのサンプルを特定するために用いる変数ｉの初期化が行われる（ステップＳ１１）。例えば、この処理では、変数ｉの値が「１」に設定される。次に、ｉ番目のサンプルの電圧値Ｖ_ｉが下限許容範囲Ｒ２内であるか否か（即ち、Ｖ_Ｌ−α≦Ｖ_ｉ≦Ｖ_Ｌ＋αが満たされるか否か）が判断される（ステップＳ１２）。この判断結果が「ＮＯ」である場合には、ｉ番目のサンプルの電圧値Ｖ_ｉが上限許容範囲Ｒ１内であるか否か（即ち、Ｖ_Ｈ−α≦Ｖ_ｉ≦Ｖ_Ｈ＋αが満たされるか否か）が判断される（ステップＳ１３）。

この判断結果が「ＮＯ」である場合には、許容範囲を超えた頻度及び程度が特徴算出部１４ａに記憶される（ステップＳ１４）。具体的には、サンプルの電圧値が上限許容範囲Ｒ１又は下限許容範囲Ｒ２を越えた回数を示す変数ｎの値がインクリメントされる。また、サンプルの電圧値が上限許容範囲Ｒ１又は下限許容範囲Ｒ２を連続して越えている場合には、連続回数を示す変数ｍの値がインクリメントされる。更に、電圧値Ｖ_ｉと上限電圧値Ｖ_Ｈとの差及び電圧値Ｖ_ｉと下限電圧値Ｖ_Ｌとの差が求められて記憶される。

ステップＳ１４の処理が終了した場合、又はステップＳ１２，Ｓ１３の判断結果が「ＹＥＳ」の場合には、変数ｉの値が所定値であるか否かが判断される（ステップＳ１５）。具体的には、変数ｉの値が転送クロックの１周期Ｔ_Ｃに含まれるサンプル数（例えば「１０」）になったか否かが判断される。この判断結果が「ＮＯ」の場合には、変数ｉの値がインクリメントされて（ステップＳ１６）、ステップＳ１２の処理が再度行われる。

ステップＳ１５の判断結果が「ＮＯ」である間は、ステップＳ１２〜Ｓ１４，Ｓ１６の処理が繰り返し行われ、これにより、サンプリング部１３から得られたサンプルの各々について上限許容範囲Ｒ１及び下限許容範囲Ｒ２を越えているか否かが判定され、越えている場合には越えた頻度及び程度が特徴算出部１４ａに記憶される。これに対し、ステップＳ１５の判断結果が「ＹＥＳ」になると、特徴算出部１４ａにおけるサンプリング結果から受信信号の特徴データを求める処理（ステップＳＡ）が終了する。

次に、ステップＳＢに示す処理が判定部１４ｂで開始されると、まず特徴算出部１４ａで求められた特徴データ（変数ｎ，ｍを示すデータ及び電圧値Ｖ_ｉと上限電圧値Ｖ_Ｈ又は下限電圧値Ｖ_Ｌとの差を示すデータ）が判定部１４ｂに出力されるとともに、記憶部１５に記憶された特徴データＤ１が判定部１４ｂに読み出される。そして、特徴算出部１４ａからの特徴データに含まれる変数ｎの値（上限許容範囲Ｒ１又は下限許容範囲Ｒ２を越えた回数を示す値）が、特徴データＤ１に含まれる変数Ｎの値以下であるか否かが判断される（ステップＳ１７）。この判断結果が「ＹＥＳ」である場合には、判定部１４ｂはフィールドバスＢに異常が生じておらず正常であると判定する（ステップＳ１８）。

これに対し、ステップＳ１７の判断結果が「ＮＯ」である場合には、特徴算出部１４ａからの特徴データに含まれる変数ｍの値（上限許容範囲Ｒ１又は下限許容範囲Ｒ２を連続して越えた連続回数を示す値）が、特徴データＤ１に含まれる変数Ｍの値以下であるか否かが判断される（ステップＳ１９）。この判断結果が「ＹＥＳ」である場合には、判定部１４ｂはスタブの総数（フィールド機器３の総数）がフィールドバスＢの仕様を越えている異常が生じていると判定する（ステップＳ２０）。

これに対し、ステップＳ１９の判断結果が「ＮＯ」である場合には、特徴算出部１４ａからの特徴データに含まれる電圧値Ｖ_ｉと上限電圧値Ｖ_Ｈ又は下限電圧値Ｖ_Ｌとの差を示すデータのうちの大きい方の値が、特徴データＤ１に含まれる閾値Ｘの値以下であるか否かが判断される（ステップＳ２１）。この判断結果が「ＹＥＳ」である場合には、判定部１４ｂはフィールド機器３間のフィールドバスＢの長さがフィールドバスＢの仕様で定められた１［ｍ］未満である異常が生じていると判定する（ステップＳ２２）。他方、ステップＳ２１の判断結果が「ＮＯ」である場合には、判定部１４ｂはフィールドバスＢの片側のみがターミネータで終端されている異常が生じていると判定する（ステップＳ２３）。

以上、ステップＳ１８，Ｓ２０，Ｓ２１，Ｓ２２，Ｓ２３が終了すると、判定部１４ｂにおける特徴算出部１４ａで求められた特徴データと記憶部１５に記憶された特徴データＤ１とを比較してフィールドバスＢにおいて異常が発生したか否かを判定する処理（ステップＳＢ）が終了する。ステップＳ２に示した一連の処理が終了すると、制御部１４は判定部１４ｂの判定結果を表示部１６に出力し、判定部１４ｂの判定結果を表示させる（ステップＳ３）。尚、表示部１６には、フィールドバスＢで生じた異常の種類（スタブの総数異常、ケーブル長異常、ターミネータによる終端異常等）が表示される。

次いで、制御部１４は、判定部１４ｂの判定結果を通信制御部１２に出力して判定部１４ｂの判定結果を送信させる。これにより、判定部１４ｂの判定結果がホスト機器２に通知される（ステップＳ４）。以上の処理で図５に示す一連の処理が終了する。尚、図５に示す例では、ステップＳ２の処理が終了した後に、常に判定部１４ｂの判定結果を表示部１６に表示するとともにホスト機器２に通知しているが、判定部１４ｂによって何らかの異常が判定された場合のみ表示部１６の表示及びホスト機器２への通知を行うのが好ましい。また、上記実施形態のように表示部１６の表示及びホスト機器２への通知の両方を行わず、何れか一方のみを行っても良い。

以上の通り、本実施形態では、フィールドバスＢで生ずる異常に応じた二値信号の波形の特徴的な変化を示す特徴データＤ１を予め記憶しておき、フィールドバスＢを介した二値信号を受信して得られた受信信号をサンプリングし、これにより得られたサンプリングデータの特徴的な変化を示す特徴データを求め、この特徴データと上記の特徴データＤ１とを比較してフィールドバスＢの状態を判定している。このため、フィールドバスＢにおいて生ずる異常原因を専用解析ツールを用いることなく容易、短時間、且つ低コストで特定することができる。

以上、本発明の一実施形態による通信装置について説明したが、本発明は上述した実施形態に制限されることなく、本発明の範囲内で自由に変更が可能である。例えば、上記実施形態では、上限許容範囲Ｒ１及び下限許容範囲Ｒ２を超えた程度を示すデータとして、電圧値と上限電圧値Ｖ_Ｈとの差及び電圧値と下限電圧値Ｖ_Ｌとの差を用いていたが、所定期間における平均値や変化傾向（トレンド）を用いても良い。尚、ここにいう所定期間とは、転送クロックの１周期Ｔ_Ｃであっても良く、これよりも長い期間であっても良い。

また、上記実施形態では、所定期間において電圧値が上限許容範囲Ｒ１等を越えた回数Ｎを示すデータ、所定期間において電圧値が上限許容範囲Ｒ１等を連続して越えた連続回数Ｍを示すデータ、及び閾値Ｘを示すデータを用いて異常の種類を判定する場合について説明した。しかしながら、判定部１４ｂは必ずしもこれらのデータを全て用いて判定を行う必要はなく、また、判定に用いるデータはこれらに限られる訳でもない。つまり、種別を判別する上で必要なデータを用いて判別を行えば良い。

また、上記実施形態では二値信号の波形の特徴的な変化に着目して、フィールドバスＢの状態判定を行う例について説明した。しかしながら、フィールドバスＢに異常が生じていない正常な場合及び異常が生じた場合の各々の場合における代表的な形を記憶部１５に記憶しておき、サンプリング部１３で得られるサンプルとの相関を求めてフィールドバスＢの状態判定を行っても良い。

更に、上記実施形態では、フィードバスＢに異常が生じた場合において得られる受信信号の文献等に記載された代表的な波形を用いて特徴データＤ１が作成されていたが、文献に開示された波形と実際にフィールドバスＢから得られる受信信号の波形とは異なる場合がある。このため、更新部１４ｃが、特徴算出部１４ａで得られた特徴データを用いて、記憶部１５に記憶された特徴データＤ１を更新するのが好ましい。このとき、更新部１４ｃは、例えばフィールド機器３が初めてフィールドバスＢに接続された場合に、特徴算出部１４ａで特徴データが算出されたタイミングで記憶部１５の特徴データＤ１を更新し、或いは、例えば１年程度の間隔で更新するのが望ましい。

また更に、上記実施形態では、シリアルバスがフィールドバスＢ（例えば、FOUNDATION FIELDBUS、PROFIBUS-DP、PROFIBUS-PA等）であって、通信装置がフィールド機器３に実装されている態様を例に挙げて説明した。しかしながら、任意のシリアルバスを介して二値信号の通信を行う任意の通信装置に適用が可能である。

本発明の一実施形態による通信装置が用いられる通信システムを模式的に示す図である。本発明の一実施形態による通信装置が実装されたフィールド機器３の内部構成を示すブロック図である。フィールドバスＢに異常が生じていない正常な場合における受信信号の波形の一例を示す図である。フィールドバスＢに異常が生じた場合において得られる受信信号の文献等に開示された代表的な波形の一例を示す図である。フィールド機器３の動作の概要を示すフローチャートである。図５中のステップＳ２で行われる処理の詳細を示すフローチャートである。

符号の説明

３通信装置
１２通信制御部
１３サンプリング部
１４ａ特徴算出部
１４ｂ判定部
１４ｃ更新部
１５記憶部
Ｂシリアルバス
Ｄ１特徴データ

Claims

シリアルバスを介して二値信号の通信を行う通信装置において、
前記シリアルバスで生ずる異常の種類に応じた前記二値信号の波形の特徴的な変化を示すデータであって、所定期間において前記二値信号の電圧値が前記二値信号に設定される上限電圧値及び下限電圧値に対してそれぞれ許容される電圧範囲である第１許容範囲及び第２許容範囲を超えた頻度及び程度の少なくとも一方を前記シリアルバスで生ずる異常の種類毎に示すデータである第１特徴データを記憶する記憶部と、
前記シリアルバスを介した前記二値信号の波形をサンプリングするサンプリング部と、
前記サンプリング部で得られた前記二値信号の波形のサンプリングデータを用いて前記シリアルバスを介した前記二値信号の波形の特徴的な変化を示す第２特徴データを求める特徴算出部と、
前記記憶部に記憶された前記第１特徴データと前記特徴算出部で求められた前記第２特徴データとを比較して前記シリアルバスで生ずる異常の種類を判定する判定部と
を備えることを特徴とする通信装置。
前記第１許容範囲及び前記第２許容範囲を超えた頻度を示すデータは、前記所定期間において前記二値信号の電圧値が前記第１許容範囲及び第２許容範囲を超えた回数を示すデータと、前記所定期間において前記二値信号の電圧値が前記第１許容範囲及び第２許容範囲を連続して超えた連続回数を示すデータとの少なくとも一方を含み、
前記第１許容範囲及び前記第２許容範囲を超えた程度を示すデータは、前記二値信号の電圧値と前記上限電圧値との差及び前記二値信号の電圧値と前記下限電圧値との差に対する所定の閾値を示すデータである
ことを特徴とする請求項１記載の通信装置。
前記特徴算出部は、前記所定期間において前記サンプリングデータが前記第１許容範囲及び前記第２許容範囲を超えた頻度及び程度の少なくとも一方を示すデータを前記第２特徴データとして求めることを特徴とする請求項１又は請求項２記載の通信装置。
前記特徴算出部で得られた前記第２特徴データを用いて、前記記憶部に記憶された前記第１特徴データを更新する更新部を備えることを特徴とする請求項１から請求項３の何れか一項に記載の通信装置。
前記判定部の判定結果を、前記シリアルバスを介して送信する通信部を備えることを特徴とする請求項１から請求項４の何れか一項に記載の通信装置。