JP5512053B1 - ノイズ判定装置 - Google Patents

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Abstract

実施の形態のノイズ判定装置は、周期性ノイズ環境下において外部機器が出力する一定値の入力信号に対してノイズの有無の判定を行うノイズ判定装置であって、前記入力信号に対して３回のサンプリングを実行するサンプリング部と、１回目と２回目の前記サンプリングの間隔を前記周期性ノイズの周期の整数倍とは異なる値に設定し、２回目と３回目の前記サンプリングの間隔を前記周期性ノイズが十分減衰するだけの間隔以上に設定するサンプリング間隔設定部と、１回目と２回目と３回目の３回の前記サンプリングにより取得された値が全て一致する場合にのみ前記入力信号に前記ノイズが重畳していないと判定するノイズ判定部と、を備える。

Description

本発明は、ノイズ有無の判定を行なうノイズ判定装置に関する。
電子機器に関して、例えば、シーケンサシステム（プログラマブルコントローラ）内のデジタルＩ／Ｏユニットは、主に入力ユニットが入力機器から取り込んだ信号をＣＰＵユニットに渡し、出力ユニットがＣＰＵユニットにて入出力の処理が行われた信号を出力機器へ出力するといった役割を果たすユニットであり、入力データの安定性が重要である。しかし、ノイズが発生する環境下にて動作させる場合、ノイズの影響によって誤入力が発生するといったユニット動作に影響を及ぼす事象が発生する可能性がある。
入力データに対するノイズ対策としては、入力データをサンプリングしていき、同じサンプンリング値が規定回数連続したときに該当入力データを確定することで入力データをフィルタする技術が提案されている（例えば、特許文献１参照）。
しかしながら、装置を使用する環境によって、例えば、モータが駆動し続ける装置付近においては、一定の周期性を持つノイズが発生する。上記従来の技術によれば、複数回の読み出しにおいてはデータを読み出すタイミング（以下、サンプリングという）が一定の間隔であるため、ノイズの周期とサンプリングのタイミングが一致した場合、誤入力する可能性がある。
特開２００９−２１７５３９号公報
このようなノイズの効果的な除去を行なうためには、サンプリングの回数を増やし、より多くのデータを読み込むという方法がある。しかし、サンプリングの回数が増加するとＣＰＵにかかる負荷も大きくなり、ノイズ有無の判定だけでなくシステム全体のデータ処理速度が遅くなってしまうというという問題があった。
本発明は、上記に鑑みてなされたものであって、周期性ノイズが発生する環境下においても、少ない回数のサンプリングで、ノイズの影響の有無を検出でき、誤入力のリスクを軽減できるプログラマブルコントローラを得ることを目的とする。
上述した課題を解決し、目的を達成するために、本発明は、周期性ノイズ環境下において外部機器が出力する一定値の入力信号に対してノイズの有無の判定を行うノイズ判定装置であって、前記入力信号に対して３回のサンプリングを実行するサンプリング部と、１回目と２回目の前記サンプリングの間隔を前記周期性ノイズの周期の整数倍とは異なる値に設定し、２回目と３回目の前記サンプリングの間隔を前記周期性ノイズが十分減衰するだけの間隔以上に設定するサンプリング間隔設定部と、１回目と２回目と３回目の３回の前記サンプリングにより取得された値が全て一致する場合にのみ前記入力信号に前記ノイズが重畳していないと判定するノイズ判定部と、を備えることを特徴とする。
本発明にかかるプログラマブルコントローラは、周期性ノイズが発生する環境下においても、少ない回数のサンプリングを実施することでノイズの影響の有無を検出でき、誤入力のリスクを軽減できるという効果を奏する。また、本発明にかかるプログラマブルコントローラは、ノイズを除去するための特別な回路が不要なため、回路、Ｆ／Ｗ等のわずかな変更で対応が可能であるので、低コストでの実現が可能である。
図１は、実施の形態にかかるプログラマブルコントローラの構成を示す図である。 図２は、実施の形態にかかるプログラマブルコントローラの構成を示す図である。 図３は、実施の形態１にかかるＣＰＵユニットの処理の流れを示すフローチャートである。 図４は、実施の形態１にかかるサンプリング例を従来のサンプリングと対比して示した図である。 図５は、実施の形態１にかかるサンプリング例を示す図である。 図６は、実施の形態１にかかるサンプリングを制御周期で繰り返す例を示した図である。 図７は、実施の形態２にかかるＣＰＵユニットの処理の流れを示すフローチャートである。 図８は、実施の形態２において３回のサンプリングが偶々周期性ノイズの周期と一致してしまう様子を示した図である。
以下に、本発明にかかるノイズ判定装置の実施の形態を図面に基づいて詳細に説明する。なお、この実施の形態によりこの発明が限定されるものではない。
実施の形態１．
図１は、シーケンサシステムを例として、本発明の実施の形態にかかるプログラマブルコントローラ１０の構成を示す図である。スイッチ、センサなどの入力機器１００（外部機器）にプログラマブルコントローラ１０は接続されている。プログラマブルコントローラ１０は、入力信号を取り込む入力ユニット２００、データの処理を行なうノイズ判定装置としてのＣＰＵユニット３００を備える。入力ユニット２００からの入力信号には一般にノイズが重畳することがある。ノイズは周期性のノイズであることも多く、入力機器１００からの信号が一定値を維持し続けている状態においても、入力信号にノイズが重畳していると判定された場合はそのデータに対してデータ処理は実行しない。従って、ノイズが重畳しているか否かの判定が必要となる。
図２は、ＣＰＵユニット３００が実行する機能を機能ブロックで示して実施の形態にかかるプログラマブルコントローラ１０の構成を示した図である。サンプリング部３１は、サンプリング間隔設定部３２が設定したサンプリング間隔で入力ユニット２００からの入力信号のサンプリングを実行する。サンプリング間隔設定部３２は、後述する手法によりサンプリング間隔を設定する。ノイズ判定部３３は、サンプリング部３１が取得した入力信号の値などに基づいて後述する手法により入力信号にノイズが重畳しているか否かを判定する。
本実施の形態においては、入力信号に重畳する周期性ノイズの周期が予測できる環境下にあって周期が予め分かっている場合について説明する。本実施の形態にかかるＣＰＵユニット３００の処理の流れを図３のフローチャートに示す。
まず、サンプリング部３１は、１回目のサンプリングを実行する（ステップＳ１０）。説明を分かりやすくするため、１回目のサンプリングのタイミングは周期性ノイズのピークであったとする。サンプリング間隔設定部３２は、２回目のサンプリングがノイズの影響が最小限になるタイミングで実行されるようにサンプリング間隔を設定して（ステップＳ１１）、２回目のサンプリングを実行する（ステップＳ１２）。具体的には、図４の本実施の形態のサンプリング例１および２に示すように１回目と２回目のサンプリングの間隔を周期性ノイズの周期Ｔの整数倍とは異なる値に設定する。
例えば、図５に示すように、１回目と２回目のサンプリングの間隔をＴ（ｎ＋１／４）或いはＴ（ｎ＋３／４）にする。ここで、ｎは整数である。例えば、１回目のサンプリングのタイミングが周期性ノイズのピークのタイミングと一致すれば、この場合２回目のサンプリングにおいてノイズはゼロとなる。１回目のサンプリングのタイミングが周期性ノイズのピークのタイミングではなかったとしても周期Ｔの整数倍とは異なる値に設定することで周期性ノイズが重畳している環境下において１回目と２回目のサンプリングの値が異なる値となる可能性が高まる。
図４の従来のサンプリングの例のように、一定の間隔でサンプリングを実行しているときにその間隔が周期性ノイズの周期Ｔと一致してしまうと、ノイズが存在するか否かの判定のためには、サンプリング回数を増やさなければならない。従って処理時間も長くなってしまう。これに対して、本実施の形態によれば、少ないサンプリング回数で周期性ノイズの存在の判定が可能となる。
２回目のサンプリングの後、サンプリング間隔設定部３２は、２回目と３回目のサンプリングの間隔を設定して（ステップＳ１３）、３回目のサンプリングを実行する（ステップＳ１４）。２回目と３回目のサンプリングの間隔は、１回目と３回目のサンプリングの間隔も周期性ノイズの周期Ｔの整数倍とは異なる値、例えば、Ｔ（ｍ＋１／４）或いはＴ（ｍ＋３／４）（ｍは整数）などとなるように設定する。ただし、１回目と２回目のサンプリングの間隔をＴ（ｎ＋１／４）にしたときは、１回目と３回目のサンプリングの間隔はＴ（ｍ＋３／４）とし、１回目と２回目のサンプリングの間隔をＴ（ｎ＋３／４）にしたときは、１回目と３回目のサンプリングの間隔はＴ（ｍ＋１／４）として、異なる位相の間隔を選択することが望ましい。このように２回目と３回目とで異なる位相のサンプリングの間隔を選択することで周期性ノイズの存在をより判定しやすくすることができると考えられる。
また或いは、図５に示すように３回目のサンプリングを周期性ノイズが十分減衰して入力信号に対してノイズの影響がなくなるまで時間を空けて実行してもよい。図４の本実施の形態のサンプリング例２に示すように、このように２回目と３回目のサンプリングの間隔を長くすれば、その間はサンプリングを実施しないためＣＰＵユニット３００を他の処理にあてることができる。
３回目のサンプリングを実行し終えた後、ノイズ判定部３３は、１回目から３回目までの３回のサンプリングにより取得された値が全て一致するか否かを判定する（ステップＳ１５）。全て一致する場合（ステップＳ１５：Ｙｅｓ）は、ノイズが重畳していないとして入力データを採用する（ステップＳ１７）。それ以外の場合、即ち、いずれか１つでもデータが異なる場合（ステップＳ１５：Ｎｏ）は、入力データを破棄し（ステップＳ１６）、ステップＳ１０に戻って、図６に示すように３回のサンプリングを予め定めた制御周期で３回のサンプリングにより取得された値が全て一致するまで、即ちノイズが重畳しなくなるまで繰り返す。
以上説明したように、周期性ノイズが発生する環境下において、本実施の形態にかかるノイズ判定装置およびノイズ判定方法によれば、少ないサンプリング回数でノイズの影響の有無を検出することができ、誤入力のリスクを低減することができる。即ち、入力データに対して３回のサンプリングのみでノイズの有無の判定を実行するため、余分なサンプリングを行わなくて済み、少ない時間で効率的にノイズの除去を行うことができる。また、サンプリングをＣＰＵなどの演算処理において実施している場合は、回路、Ｆ／Ｗ等のわずかな変更で低コストに実現が可能である。また、２回目と３回目のサンプリングの待ち時間の間にＣＰＵに別の処理を実行させることが可能となり稼動効率も高まる。
実施の形態２．
本実施の形態においては、入力信号に重畳する周期性ノイズの周期が不明である環境下における場合について説明する。本実施の形態にかかるプログラマブルコントローラ１０の構成を示す図は、図１および図２と同じである。本実施の形態にかかるＣＰＵユニット３００の処理の流れを図７のフローチャートに示す。
まず、サンプリング部３１は、１回目のサンプリングを実行し（ステップＳ２０）、サンプリング間隔設定部３２は、１回目と２回目のサンプリングの間隔として予め定めた固定時間のサンプリング間隔を設定して（ステップＳ２１）、２回目のサンプリングを実行する（ステップＳ２２）。その後、２回目と３回目のサンプリングの間隔を設定して（ステップＳ２３）、３回目のサンプリングを実行する（ステップＳ２４）。ステップＳ２３においては、２回目と３回目のサンプリングの間隔は異なった値を複数予め用意しておく。また、或いは固定差分時間ずつ追加していくようにして複数の間隔となるようにしてもよい。即ち、３回目のサンプリングは複数回実行する。即ち、３回目以降、予め定めた回数、サンプリング時間を変えて何度か繰り返す。ステップＳ２５では、ノイズ判定部３３は、１回目のサンプリング、２回目のサンプリング、および３回目以降で選択した１回のサンプリング、の３回のサンプリングにより取得された値が全て一致しているか否かを判定する。複数回実行した３回目のサンプリングで得られたサンプリングの値が１回目と２回目のサンプリングの値と一致した場合（ステップＳ２５：Ｙｅｓ）は、ステップＳ２６に進む。一致しない場合（ステップＳ２５：Ｎｏ）は、異なる２回目と３回目のサンプリングの間隔に設定して（ステップＳ２３）、３回目のサンプリングを実行する（ステップＳ２４）。図７のステップＳ２３、Ｓ２４、Ｓ２５は詳細を省略した記載になっている。２回目のサンプリングからのサンプリング間隔を変化させた３回目（３回目以降の１回）でのサンプリングの値が１回目と２回目のサンプリングの値と一致する場合は、サンプリング部３１は、そのサンプリングの間隔に３回のサンプリングを固定して、以後のサンプリングを実行する。
複数回実行した３回目のサンプリングで得られたサンプリングの値が１回目および２回目のサンプリングの値と一致した場合（ステップＳ２５：Ｙｅｓ）であっても、図８の遅延時間ｂの場合に示すように、３回のサンプリングが偶々周期性ノイズの周期と一致してしまうことがある。ステップＳ２６では、このような場合を周期性ノイズが重畳したデータであるとして排除する。
即ち、１回目と２回目のサンプリングの値と３回目以降で選択した１回のサンプリング（遅延時間ｂの場合）の値が一致したとしても、その前後のサンプリング（遅延時間ａおよびｃ場合）での値がそれらと異なる場合（ステップＳ２６：Ｙｅｓ）は、ノイズ判定部３３は、入力信号にノイズが重畳していると判定して、入力データを破棄し（ステップＳ２７）、ステップＳ２０に戻る。この場合は、ステップＳ２１において、１回目と２回目のサンプリングの間隔も上述した固定値から変化させる。３回目以降で選択した１回のサンプリングの前後のサンプリングでの値の少なくとも１つが１回目および２回目のサンプリングの値と一致する場合（ステップＳ２６：Ｎｏ）は、ノイズが重畳していないとして入力データを採用する（ステップＳ２８）。
なお、３回のサンプリングが偶々周期性ノイズの周期と一致したことにより３回のサンプリングにより取得された値が全て一致しまった場合に、入力信号にノイズが重畳していると判定する方法としては、上記以外にも、例えば１回目と２回目のサンプリングの間隔と２回目と３回目のサンプリングの間隔が整数比であるか否かによって判定するようにしても構わない。
このように、本実施の形態にかかるノイズ判定装置およびノイズ判定方法によっても、周期性ノイズが発生する環境下において、周期性ノイズの周期が不明であっても、少ないサンプリング回数でノイズの影響の有無を検出することができ、誤入力のリスクを低減することができる。即ち、余分なサンプリングを行わなくて済み、少ない時間で効率的にノイズの除去を行うことができる。また、サンプリングをＣＰＵなどの演算処理において実施している場合は、回路、Ｆ／Ｗ等のわずかな変更で低コストに実現が可能である。
また、上記実施の形態においては、ノイズ判定装置としてプログラマブルコントローラのＣＰＵユニットを例にとって説明したが、これに限定されることなく、上記実施の形態にかかるノイズ判定方法は適用が可能である。
さらに、本願発明は上記実施の形態に限定されるものではなく、実施段階ではその要旨を逸脱しない範囲で種々に変形することが可能である。また、上記実施の形態には種々の段階の発明が含まれており、開示される複数の構成要件における適宜な組み合わせにより種々の発明が抽出されうる。例えば、実施の形態に示される全構成要件からいくつかの構成要件が削除されても、発明が解決しようとする課題の欄で述べた課題が解決でき、発明の効果の欄で述べられている効果が得られる場合には、この構成要件が削除された構成が発明として抽出されうる。更に、異なる実施の形態にわたる構成要素を適宜組み合わせてもよい。
以上のように、本発明にかかるノイズ判定装置は、プログラマブルコントローラにおける入力機器から取り込んだ信号のノイズ判定に有用であり、特に、シーケンサシステムのデジタルＩ／Ｏユニットに適している。
１０ プログラマブルコントローラ、３１ サンプリング部、３２ サンプリング間隔設定部、３３ ノイズ判定部、１００ 入力機器、２００ 入力ユニット、３００ ＣＰＵユニット、Ｓ１０〜Ｓ１７，Ｓ２０〜Ｓ２８ ステップ。

Claims (4)

  1. 周期性ノイズ環境下において外部機器が出力する一定値の入力信号に対してノイズの有無の判定を行うノイズ判定装置であって、
    前記入力信号に対して３回のサンプリングを実行するサンプリング部と、
    １回目と２回目の前記サンプリングの間隔を前記周期性ノイズの周期の整数倍とは異なる値に設定し、２回目と３回目の前記サンプリングの間隔を前記周期性ノイズが十分減衰するだけの間隔以上に設定するサンプリング間隔設定部と、
    １回目と２回目と３回目の３回の前記サンプリングにより取得された値が全て一致する場合にのみ前記入力信号に前記ノイズが重畳していないと判定するノイズ判定部と、
    を備える
    ことを特徴とするノイズ判定装置。
  2. 周期性ノイズ環境下において外部機器が出力する一定値の入力信号に対してノイズの有無の判定を行うノイズ判定装置であって、
    前記入力信号に対して３回のサンプリングを実行するサンプリング部と、
    １回目と２回目の前記サンプリングの間隔を前記周期性ノイズの周期の整数倍とは異なる第１の値に設定し、１回目と３回目の前記サンプリングの間隔を前記周期の整数倍とは異なり且つ第１の値より大きく、前記周期性ノイズが十分減衰するだけの間隔以上の第２の値に設定するサンプリング間隔設定部と、
    １回目と２回目と３回目の３回の前記サンプリングにより取得された値が全て一致する場合にのみ前記入力信号に前記ノイズが重畳していないと判定するノイズ判定部と、
    を備える
    ことを特徴とするノイズ判定装置。
  3. 前記サンプリング間隔設定部は、１回目と２回目の前記サンプリングの間隔を、前記周期の整数倍に、前記周期の１／４倍或いは前記周期の３／４倍を加えた値とする
    ことを特徴とする請求項１または２に記載のノイズ判定装置。
  4. 第１の値と第２の値の前記周期での位相は異なる
    ことを特徴とする請求項２に記載のノイズ判定装置。
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