JP5113453B2 - シリアル通信装置 - Google Patents

Description

本発明は、シリアル通信装置に係り、特に、シリアル通信により接続された各種装置間で省配線化を図ることが可能な、通信パケットを用いて、複数の周辺機器と制御装置間で、同一のシリアル通信路を介して同期通信と非同期通信を行なうためのシリアル通信装置に関する。

近年、ＦＡ（ファクトリオートメーション）ネットワークシステムは、省配線化、高機能化等を目的として、上位制御装置と複数のモータ駆動装置との間をシリアル通信路で接続し、シリアル通信によりモータに対する動作指令を与えることが、広く行われるようになっている。このようなものの例として、シリアル通信の物理層にイーサネット（登録商標）等を適用したものがある。

従来のＦＡネットワークシステムの一構成例を図１に示す。このＦＡネットワークシステムは、例えばマスタ装置となる上位制御装置１００が、複数の通信回線（図ではサーボ制御用通信ケーブル３００、Ｉ／Ｏ用通信ケーブル３１０、カメラ用通信ケーブル３２０）を介して周辺機器（図ではサーボモータ２００を駆動するためのモータ駆動装置２１０、センサ２２０、カメラ２３０）と接続され、シリアル通信等を用いてデータの送受信を行なっている。この中で、上位制御装置１００に設けられたマスタ通信コントローラ１１０は、このＦＡネットワークシステムにおいて実行される通信の主であり、上位制御装置１００からの基準信号に同期した指令送信に対し、モータ駆動装置２１０が応答返信を行なうマスタ・スレーブ方式の通信が一般に行なわれる。図１においては、上位制御装置１００がマスタ装置に相当し、モータ駆動装置２１０がスレーブ装置に相当する。

前記上位制御装置１００には、Ｉ／Ｏ用通信ケーブル３１０を介してセンサ２２０と通信を行なうためのＩ／Ｏインタフェース１２０と、カメラ用通信ケーブル３２０を介してカメラ２３０と通信を行なうためのカメラインタフェース１３０と、ＣＰＵ１４０が含まれる。

前記モータ駆動装置２１０には、サーボコントローラ２２０とスレーブ通信コントローラ２３０が含まれ、隣り合うモータ駆動装置２１０間はサーボ制御用通信ケーブル３００で接続されている。

前記マスタ通信コントローラ１１０は、図２に例示する如く、サーボ制御用通信ケーブル３００と接続される通信Ｉ／Ｆ部１１２と、基準信号発生部１１４と、アクセス制御部１１６と、ＣＰＵ１４０と接続されるメモリ部１１８とを含んで構成されている。

前記スレーブ通信コントローラ２３０は、図３に例示する如く、下位側より入力されるシリアル信号をパラレル信号に変換して回線設定部２３６に出力、又は回線設定部２３６で選択されたパラレル信号をシリアル信号に変換して下位側へ出力する下位側通信Ｉ／Ｆ部２３２と、自局内のサーボコントローラ２２０と接続されるアクセス制御部２３４と、下位側通信Ｉ／Ｆ部２３２又はアクセス制御部２３４からの信号を選択する回線設定部２３６と、該回線設定部２３６で選択されたパラレル信号をシリアル信号に変換して上位側へ出力する、又は上位側より入力されるシリアル信号をパラレル信号に変換して回線設定部２３６に出力する上位側通信Ｉ／Ｆ部２３８と、を含んで構成されている。

上位制御装置１００から送信された指令データはモータ駆動装置２１０に伝送され、又、モータ駆動装置２１０からの応答データは上位制御装置１００に伝送される。上位制御装置１００は、１つのモータ駆動装置２１０との送受信が終わると、次のモータ駆動装置２１０との送受信を行なう、ということを順に実行し、全てのモータ駆動装置２１０との送受信が完了した時点で、１つの通信サイクルが完了する。この通信サイクルを繰返し実行することで、リアルタイム通信を実行している。なお、周辺機器としては、モータ駆動装置２１０以外にも、センサ２２０やカメラ２３０等の機器が接続されている。

又、その他のＦＡネットワークシステムの例としては、例えば特許文献１に記載されたものがある。この技術では、上位システム、モータ駆動装置、シリアルエンコーダを同一の通信路に接続して同期動作させ、各種情報の共有化を実現し、ＦＡネットワークシステムの省配線化を実現している。

又、特許文献２に記載されている技術は、通信パケットに優先度を付け、高い優先度の通信パケットが低い優先度の通信パケットを、通信ノード毎に短い遅延時間で通信パケットを再送することなく追い越すことにより、実時間通信を制御し、通信効率を向上させている。

特開２００６−５０７７４号公報 特許第３４６００８０号公報

しかしながら、図１に示した従来の構成では、マスタとなる上位制御装置１００を、複数のシリアル通信路３００、３１０、３２０を介して周辺機器２００、２２０、２３０と接続しているため、配線ケーブルの数が多く、シリアル通信で接続することの大きな目的である省配線の利点が十分には得られないという問題があった。

そこで、同一のシリアル通信路を介して全ての周辺機器を上位制御装置１００に接続することが考えられる。しかし、マスタ通信コントローラ１１０が行なうサーボモータ制御等の高精度な同期手段が要求される通信手段と、比較的低精度の制御で十分なＩ／Ｏインタフェース１２０やカメラインタフェース１３０等を同一の通信路を介して接続する場合、全てのインタフェースに高精度な同期手段を設けなければならない。従って、比較的低精度の制御で十分なインタフェースであっても回路規模が増大し、高価なものとなるという問題があった。

一方、比較的低精度の制御で十分なインタフェースは、高精度な同期手段が必要のない通信手段（非同期通信）のままで、同一のシリアル通信路を介して全ての周辺機器を上位制御装置１００に接続することも考えられる。しかしながら、マスタ通信コントローラ１１０が行なうサーボモータ制御等の高精度な同期を使用している通信手段（同期通信）に、単純に、同期していない通信手段（非同期通信）を混在させることは、通信パケット間に衝突を発生させ、高精度な同期手段を設けている通信パケットに遅延が発生するという問題を有していた。

一方、特許文献２に記載された技術は、省配線化が不十分である問題点を解決するものであるが、上位システム、モータ駆動装置及びシリアルエンコーダのそれぞれのシリアル通信部を同一の通信路を接続し、上位システムから送信される指令情報にモータ駆動装置及びシリアルエンコーダが同期して処理を行なうために、接続される装置を同期させるための同期手段が必要となり、回路規模が増大するという問題があった。

又、特許文献２に記載されている技術は、通信パケット間に衝突が発生するという問題点を解決するため、通信パケットに優先度を付け、通信パケットの衝突が生じた際に、高い優先度の通信パケットが低い優先度の通信パケットを、通信ノード毎に短い遅延時間で通信パケットを再送することなく追い越すように制御しているが、低い優先度の通信パケット（非同期通信）のＥＳＤ（Ｅnd of Ｓtream Ｄelimiter）が、高い優先度の通信パケット（同期通信）領域に入ってしまうと、非同期通信パケットが終るまで同期通信パケットが送れず、実時間通信が必要な高い優先度の通信パケット（同期通信）に遅延が発生するという問題点を有していた。

本発明は、前記従来の問題点を解消するべくなされたもので、実時間通信が必要な同期通信パケットに遅延を発生させることなく、省配線化を実現することを課題とする。

本発明は、通信パケットを用いて、１つ又は２つの通信Ｉ／Ｆ部を備える複数の周辺機器と、制御装置間で、周辺機器の通信Ｉ／Ｆの入出力ポートを別の周辺機器の通信Ｉ／Ｆの１つの入出力ポートに接続し、後者の周辺機器の他方の通信Ｉ／Ｆの入出力ポートは更に別の周辺機器の通信Ｉ／Ｆの１つの入出力ポートに接続して、これら周辺機器を順に接続して形成する、同一のシリアル通信路を介して、同期通信と非同期通信を行なうための、これら周辺装置内に設けられるシリアル通信装置において、同期通信と非同期通信を識別可能なヘッダ情報を含む通信パケットと、自局より送信する同期通信パケットと他の周辺機器から入力される非同期通信パケットとの衝突の可能性を検出する手段と、個々の周辺装置における一方の前記通信Ｉ／Ｆ部の入力ポートに設けられた通信パケット待機用バッファと、同期通信パケットを受信した際は、同期通信パケットをそのまま、その周辺装置における他方の前記通信Ｉ／Ｆ部の出力ポートから出力し、非同期通信パケットを受信した際は、自局より送信する同期通信パケットとの衝突の発生が予想される場合、非同期通信パケットのバッファリングを行ない同期通信パケットを優先的に前記出力ポートから出力し、衝突の発生が無いと判断した場合、非同期通信パケットをそのまま前記出力ポートから出力する手段と、を備えることにより、前記課題を解決したものである。

ここで、通信パケットのフレームフォーマットに格納されている上位層プロトコルＩＤを識別することにより、同期通信パケットか非同期通信パケットかを識別することができる。

又、装置内のタイミング情報と非同期通信パケットのフレームフォーマットに格納されている全長情報より、同期通信パケットと非同期通信パケットが衝突する可能性を判定することができる。

本発明によれば、ＦＡネットワークシステムにおいて、上位制御装置の基準信号に同期した同期通信パケットと、汎用インタフェースからの非同期通信パケットを、同一のシリアル通信路に統合的に伝送できるようにしたので、ＦＡネットワークシステムの省配線化を実現することができる。

又、比較的低精度の制御で十分な汎用インタフェースを、高精度な同期手段を設けることなく非同期のまま、サーボモータ制御等の高精度な同期手段が要求される通信手段と同一のシリアル通信路を介して接続できるようにしたので、汎用インタフェースの持つ周辺機器の回路増大やコストアップを生じることはない。

更に、入力された非同期通信パケットが同期通信パケットと衝突した場合、又は、衝突する可能性がある場合、非同期通信パケットは一度バッファに溜められ、同期通信パケットが出力された後、バッファから出力されるようにしたので、非同期通信パケットは再送されることなく、短い時間で伝送することができる。

以下図面を参照して、本発明の実施形態を詳細に説明する。

本発明に係るＦＡネットワークシステムの実施形態は、図１に示した従来例と同様のシステムにおいて、図４に示す如く、マスタ通信コントローラ４１０及びスレーブ通信コントローラ４３０を、それぞれ図５及び図６に示すような構成のものに変えると共に、上位制御装置１００、モータ駆動装置２１０、ハブ２４０に接続されたセンサ２２０及びカメラ２３０を、１本の通信ケーブル３３０で接続したものである。

前記マスタ通信コントローラ４１０は、図５に詳細に示す如く、通信ケーブル３３０と接続される通信Ｉ／Ｆ部４１２と、基準信号発生部４１４と、アクセス制御部４１６と、ＣＰＵ１４０と接続されるメモリ部４１８と、Ｉ／Ｏインタフェース１２０、カメラインタフェース１３０と接続される通信Ｉ／Ｆ部４２０と、パケット調停部４２２と、バッファ部４２４とを含んで構成されている。

前記スレーブ通信コントローラ４３０は、図６に詳細に示す如く、下位側より入力されるシリアル信号をパラレル信号に変換して同期／非同期識別部４４０に出力、又は回線設定部４３６で選択されたパラレル信号をシリアル信号に変換して下位側へ出力する下位側通信Ｉ／Ｆ部４３２と、自局内のサーボコントローラ２２０と接続されるアクセス制御部４３４と、下位側通信Ｉ／Ｆ部４３２又はアクセス制御部４３４からの信号を選択する回線設定部４３６と、該回線設定部４３６で選択されたパラレル信号をシリアル信号に変換して上位側へ出力する、又は上位側より入力されるシリアル信号をパラレル信号に変換して回線設定部４３６に出力する上位側通信Ｉ／Ｆ部４３８と、入力ポートに入力される通信パケットの種類を識別するための同期／非同期識別部４４０と、パケット調停部４４２と、バッファ部４４４とを含んで構成されている。

本実施形態で用いるシリアル通信方式のフレームフォーマットの一例を図７に示す。この通信パケットのヘッダ部には、ネットワークアドレス（送信元アドレス、宛先アドレス等）以外に、タイプフィールドという、多重化／多重分離のために、次に続くデータフィールドに格納する上位層プロトコルを示すＩＤが付加されている。例えば汎用インタフェースであるＴＣＰ／ＩＰであれば、ＩＰｖ４（０Ｘ０８００）や、ＡＲＰ（０Ｘ０８０６）等がここに入り、同期通信用の独自コードを入れることもできる。データフィールドには、ＩＰｖ４（図の例）やＡＲＰプロトコルのパケットが入る。

以上の構成において、図８（Ａ）に示す如く、スレーブ通信コントローラ４３０の下位側通信Ｉ／Ｆ部４３２に、通信ケーブル３３０から同期パケット６０１、６０３・・・が順次入力している場合、通信パケット６０１は、入力ポートから下位側通信Ｉ／Ｆ部４３２に入り、パラレル化された後、同期／非同期識別部４４０に入力される。

同期通信パケットは専用回線用のため、汎用インタフェースに割り振られていないＩＤをタイプフィールドに付加してあるので、同期／非同期識別部４４０では、タイプフィールドの上位層プロトコルを識別することにより、同期通信パケットか非同期通信パケットかの識別を行なうことができる。

通信パケット６０１が同期通信パケットと判定された場合には、そのまま回線設定部４３６経由で上位側通信Ｉ／Ｆ部４３８に入力され、シリアル化されて、出力ポートへ出力される。

その後、アクセス制御部４３４から入力される自局で発生した同期パケット６０２が、回線設定部４３６経由で上位側通信Ｉ／Ｆ部４３８に入力され、シリアル化されて、出力ポートへ出力される。図８（Ａ）の状態では、通信パケット６０１と６０２は、共に同期通信パケットであり、互いに同期が取れているため、衝突することはない。

次に、図８（Ｂ）に示す如く、自局からアクセス制御部４３４に入る同期通信パケット６０２と、他局から下位側通信Ｉ／Ｆ部４３２に入る非同期通信パケット６０５が、衝突する可能性が無い場合、通信パケット６０５は、入力ポートから下位側通信Ｉ／Ｆ部４３２に入り、パラレル化された後、同期／非同期識別部４４０に入力される。通信パケット６０５が非同期通信パケットと判定された場合には、パケット調停部４４２に入力される。パケット調停部４４２では、アクセス制御部４３４からタイミング情報を入手すると共に、通信パケット６０５の上位層プロトコルのヘッダ部より全長情報を入手し、アクセス制御部４３４から出力される同期通信パケット６０４と衝突する可能性を判定する。同期通信パケット６０４と十分ギャップを確保できる（衝突しない）と判定した場合、そのまま回線設定部４３６経由で上位側通信Ｉ／Ｆ部４３８に入力し、シリアル化して、出力ポートへ出力する。その後、アクセス制御部４３４からの同期通信パケット６０４が、回線設定部４３６経由で上位側通信Ｉ／Ｆ部４３８に入力され、シリアル化されて、出力ポートへ出力される。

次に、図８（Ｃ）に示す如く、下位側通信Ｉ／Ｆ部４３２の入力ポートに非同期通信パケット６０６が入力し、アクセス制御部４３４からの同期通信パケット６０２が衝突する可能性がある場合は、通信パケット６０６は、入力ポートから下位側通信Ｉ／Ｆ部４３２に入り、パラレル化された後、同期／非同期識別部４４０に入力される。通信パケット６０６が非同期通信パケットと判定された場合には、パケット調停部４４２に入力される。パケット調停部４４２では、アクセス制御部４３４からタイミング情報を入手する共に、通信パケット６０６の上位層プロトコルのヘッダ部より全長情報を入手し、アクセス制御部４３４から出力される同期通信パケット６０２が衝突する可能性を判定する。衝突すると判定した場合、通信パケット６０６を一旦バッファ部４４４に保存しておき、アクセス制御部４３４からの同期通信パケット６０２が、回線設定部４３６経由で上位側通信Ｉ／Ｆ部４３８に入力され、シリアル化されて、出力ポートへ出力された後、通信パケット６０６をバッファ部４４４より読出し、回線設定部４３６経由で上位側通信Ｉ／Ｆ部４３８に入力し、シリアル化して、出力ポートへ出力する。図８（Ｃ）の状態では、通信パケット６０６は、同期通信パケット６０２を出力した後に出力されるので、衝突することはない。

又、図５に示したマスタ通信コントローラ４１０も、アクセス制御部４１６から出力される同期通信パケットと、通信Ｉ／Ｆ部４２０に入力されるセンサやカメラからの非同期通信パケットとの間で、同様なバッファリング動作をして、アクセス制御部４１６から出力される同期通信パケットと、通信Ｉ／Ｆ部４２０から入力される非同期通信パケットが衝突しないようにする。

なお、上記実施形態では、通信インタフェースがイーサネット（登録商標）とされていたが、通信インタフェースの種類はこれに限定されず、他のインタフェースとしても、本発明は実現可能である。又、周辺機器の種類も、モータ駆動装置、センサ、カメラ等に限定されない。更に、フレームフォーマットも、図７に示す例に限定されない。

従来のＦＡネットワークシステムの一構成例を示すブロック図 従来のマスタ通信コントローラの一例を示すブロック図 同じくスレーブ通信コントローラの一例の構成を示すブロック図 本発明に係るＦＡネットワークシステムの実施形態の構成を示すブロック図 前記実施形態で用いられるマスタ通信コントローラの構成を示すブロック図 同じくスレーブ通信コントローラの構成を示すブロック図 前記実施形態で用いられるシリアル通信方式のフレームフォーマットの一例を示す図 前記実施形態の動作を説明するためのタイムチャート

符号の説明

１００…上位制御装置
２００…サーボモータ
２１０…モータ駆動装置
２２０…センサ
２３０…カメラ
３３０…通信ケーブル
４１０…マスタ通信コントローラ
４２２、４４２…パケット調停部
４２４、４４４…バッファ部
４４０…同期／非同期識別部

Claims (1)

1. 通信パケットを用いて、１つ又は２つの通信Ｉ／Ｆ部を備える複数の周辺機器と、制御装置間で、周辺機器の通信Ｉ／Ｆの入出力ポートを別の周辺機器の通信Ｉ／Ｆの１つの入出力ポートに接続し、後者の周辺機器の他方の通信Ｉ／Ｆの入出力ポートは更に別の周辺機器の通信Ｉ／Ｆの１つの入出力ポートに接続して、これら周辺機器を順に接続して形成する、同一のシリアル通信路を介して、同期通信と非同期通信を行なうための、これら周辺装置内に設けられるシリアル通信装置において、
   同期通信と非同期通信を識別可能なヘッダ情報を含む通信パケットと、
   自局より送信する同期通信パケットと他の周辺機器から入力される非同期通信パケットとの衝突の可能性を検出する手段と、
   個々の周辺装置における一方の前記通信Ｉ／Ｆ部の入力ポートに設けられた通信パケット待機用バッファと、
   同期通信パケットを受信した際は、同期通信パケットをそのまま、その周辺装置における他方の前記通信Ｉ／Ｆ部の出力ポートから出力し、非同期通信パケットを受信した際は、自局より送信する同期通信パケットとの衝突の発生が予想される場合、非同期通信パケットのバッファリングを行ない同期通信パケットを優先的に前記出力ポートから出力し、衝突の発生が無いと判断した場合、非同期通信パケットをそのまま前記出力ポートから出力する手段と、
   を備えたことを特徴とするシリアル通信装置。

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