JP5958425B2 - 中継装置 - Google Patents

Description

本発明は、複数の通信ネットワークを相互に接続する中継装置に関する。

近年、車両には多くの電子制御装置（ＥＣＵ）が搭載されており、これらのＥＣＵは、例えばＣＡＮ，ＬＩＮ等の通信プロトコルに準拠した車載ネットワークを形成している。
ところで、バス形式の通信システムでは、一つのノードの故障が、他のノードに影響を与えてしまう。このため、安全性の観点から、車載ネットワークを複数のサブネットワークに分割することが考えられる。

このように、車載ネットワークを、複数のサブネットワークに分割した場合、これらのサブネットワークは、通常、ゲートウェイ装置を介して接続される（例えば、特許文献１参照）。

特開平２００８−２６０４１１号公報

しかし、従来のゲートウェイ装置では、サブネットワーク毎に通信回路（ドライバやコントローラ）を設ける必要があるため、装置構成が複雑で大型化してしまうという問題があった。

本発明は、上記問題点を解決するために、簡易な構成で異常のあるネットワークを分離可能な中継装置を提供することを目的とする。

本発明の中継装置は、インタフェース部（２）と、トランシーバ（４）と、スイッチング部（３）と、フレーム検出部（６）と、端子状態設定部（５：Ｓ３３０，Ｓ３６０〜Ｓ４１０、７：Ｓ１６０〜Ｓ１９０、８）と、待機状態設定部（７：Ｓ１２０）と、中継状態設定部（７：Ｓ１５０）と、エラー検出部（５）とを備えている。

インタフェース部は、それぞれが異なった通信ネットワークに接続される複数の接続端子からなり、トランシーバは、インタフェース部を介して通信フレームを送受信する。スイッチング部は、インタフェース部を構成する各接続端子からトランシーバに接続された共通経路に至る個別経路の導通，非導通を個別に設定する。フレーム検出部は、インタフェース部を構成する各接続端子での信号レベルを監視することで通信フレームを検出する。端子状態設定部は、接続端子毎に接続端子が有効であるか無効であるか設定する。

そして、待機状態設定部は、スイッチング部を、全ての接続端子について個別経路を非導通にした待機状態に設定する。中継状態設定部は、待機状態の時に、フレーム検出部にて通信フレームが検出されると、スイッチング部を、端子状態設定部によって有効に設定された全ての接続端子について個別経路を導通にした中継状態に設定する。エラー検出部は、トランシーバを介して受信した通信フレームのエラーを検出する。

但し、端子状態設定部は切断手段（５：Ｓ３６０〜Ｓ３９０、７：Ｓ１６０〜Ｓ１７０）を備えており、この切断手段は、通信フレームの受信元となった接続端子毎に、エラー検出部での検出結果に基づく判定値を生成し、該判定値が予め設定された切断条件を満たす場合に、対応する接続端子の設定を無効に変更する。

このような構成を有する本発明によれば、有効に設定されたいずれかの接続端子で通信フレームが検出されると、有効に設定された全ての接続端子がスイッチング部を介して相互に導通するため、各接続端子に接続されるネットワーク間で通信フレームの中継を行うことができる。しかも、ある接続端子での判定値が切断条件を満たす場合には、その接続端子の設定を無効とすることで、他のネットワークから切り離すことができるため、必要な安全性を確保することができる。

また、本発明によれば、トランシーバを、接続端子毎に個別に設ける必要がないため、装置構成の簡易化、小型化を実現することができる。
なお、この欄および特許請求の範囲に記載した括弧内の符号は、一つの態様として後述する実施形態に記載の具体的手段との対応関係を示すものであって、本発明の技術的範囲を限定するものではない。

第１実施形態の中継装置の全体構成を示すブロック図である。 スイッチング制御部が実行する中継制御の内容を示すフローチャートである。 コントローラが実行する監視制御の内容を示すフローチャートである。 中継装置の動作を例示する説明図である。 第２実施形態においてスイッチング制御部が実行する中継制御の内容を示すフローチャートである。 第２実施形態においてコントローラが実行する監視制御の内容を示すフローチャートである。 第３実施形態の中継装置の全体構成を示すブロック図である。

以下に本発明の実施形態を図面と共に説明する。
［第１実施形態］
＜構成＞
中継装置１は、それぞれが、車両の各部に設置された複数の電子制御ユニット（ＥＣＵ）と共にサブネットワーク（通信ネットワーク）を形成する複数のバスＢＳ１〜ＢＳ４を相互に接続するものであり、各サブネットワーク上の通信フレームを相互に中継する機能、および異常のあるサブネットワークを切り離す機能を少なくとも有する。

なお、全てのサブネットワークが、同一の通信プロトコル（ここではＣＡＮプロトコル）を用いている。また、各サブネットワークには、安全レベル（低，中，高）が設定されており、その設定された安全レベルに適合するＥＣＵがそれぞれ接続されている。ここでは、バスＢＳ１，ＢＳ３によって構成されるサブネットワークの安全レベルが低、バスＢＳ２によって構成されるサブネットワークの安全レベルが中、バスＢＳ４によって構成されるサブネットワークの安全レベルが高に設定されている。

中継装置１は、図１に示すように、インタフェース部２と、スイッチング部３と、トランシーバ４と、コントローラ５と、フレーム検出部６と、スイッチング制御部７とを備えている。

インタフェース部２は、それぞれ異なるバスＢＳ１〜ＢＳ４が接続される複数の接続端子Ｔ１〜Ｔ４からなる。そして、インタフェース部２とトランシーバ４とを接続する線路は、接続端子Ｔ１〜Ｔ４のそれぞれに設けられた個別線路ＤＬ１〜ＤＬ４と、トランシーバ４に接続された共通線路ＣＬとで構成され、個別線路ＤＬｉ（ｉ＝１〜４）の接続端子Ｔｉとは反対側の端部は、いずれも共通線路ＣＬに接続されている。

スイッチング部３は、個別線路ＤＬｉの導通、非導通を個別に切り替える複数のスイッチＳＷｉからなる。以下では、接続端子Ｔｉ，個別線路ＤＬｉ，スイッチＳＷｉを総称してチャンネルＣＨｉともいう。

トランシーバ４は、コントローラ５から供給される通信フレームを、ドミナント，レセッシブからなる２値符号の信号に符号化してインタフェース部２を介して出力すると共に、インタフェース部２を介して受信した２値符号の信号を通信フレームに復号してコントローラ５に供給する機能を有した周知のものである。

コントローラ５は、所定の通信プロトコル（ここではＣＡＮプロトコル）を実行する周知のプロトコルコントローラとしての制御と、サブネットワークの切断，復帰を制御する監視制御（後述する）とを少なくとも実行する。

フレーム検出部６は、インタフェース部２を構成する各接続端子Ｔｉの信号レベル（通信フレームの受信状態）を個別に監視して、チャンネルＣＨｉ毎に受信の有無を検出する。具体的には、所定ビット以上のレセッシブが継続するアイドル状態の検出後に発生するドミナントへの変化（即ち、スタートビット）を検出する。また、フレーム検出部６は、計時用のタイマを備えており、接続端子Ｔｉ毎に、通信フレームの受信間隔を測定する。そして、通信フレームを検出した場合には、検出されたチャンネルＣＨｉを識別するための情報である送信元チャンネルおよびその送信元チャンネルでの通信フレームの受信間隔を通知データとするフレーム検出通知を、コントローラ５およびスイッチング制御部７に送信する。

スイッチング制御部７は、フレーム検出部６からのフレーム検出通知、およびコントローラ５からの受信準備指示に従って、各チャンネルＣＨｉの導通，非導通を制御すると共に、コントローラ５からの切断指示，復帰指示に従って、各チャンネルＣＨｉが通信フレームを中継してもよい状態にあるか否か（各チャンネルＣＨｉが有効か無効か）を設定する中継制御を実行する。

＜スイッチング部：中継制御＞
次に、スイッチング制御部７が実行する中継制御について説明する。
なお、スイッチング制御部７は、チャンネルＣＨｉ毎にチャンネルＣＨｉの有効／無効を表す有効フラグを記憶するメモリを備えている。以下では、有効フラグがオンであるチャンネルを有効チャンネル、有効フラグがオフであるチャンネルを無効チャンネルともいう。以下で説明する制御は、論理回路の組合せによって実現してもよいし、中継装置１に設けられたＣＰＵが実行する処理によって実現してもよい。

スイッチング制御部７は、まず、コントローラ５から受信準備指示を受信したか否かを判断する（Ｓ１１０）。受信準備指示を受信していない場合、コントローラ５から切断指示を受信したか否かを判断する（Ｓ１６０）。切断指示を受信していない場合、コントローラ５から復帰指示を受信したか否かを判断する（Ｓ１８０）。復帰指示も受信していない場合、そのままＳ１１０に戻り、受信準備指示、切断指示、復帰指示のいずれかを受信するまで待機する。

切断指示を受信した場合（Ｓ１６０−ＹＥＳ）、切断指示に示された指示チャンネルの有効フラグをオフに設定して（Ｓ１７０）、Ｓ１１０に戻る。復帰指示を受信した場合（Ｓ１８０−ＹＥＳ）、復帰指示に示された指示チャンネルの有効フラグをオンに設定して（Ｓ１９０）、Ｓ１１０に戻る。

受信準備指示を受信した場合（Ｓ１１０−ＹＥＳ）、全てのスイッチＳＷ１〜ＳＷ４をオープンにすることで、各チャンネルＣＨ１〜ＣＨ４がいずれも非導通となる待機状態にして（Ｓ１２０）、フレーム検出部６からフレーム受信通知を受信するまで待機する（Ｓ１３０）。

フレーム受信通知を受信すると（Ｓ１３０−ＹＥＳ）、フレーム受信通知に示された送信元チャンネルが有効チャンネルであるか否かを判断する（Ｓ１４０）。送信元チャンネルが有効チャンネルであれば、全ての有効チャンネルを導通（スイッチをクローズ）させた中継状態にして（Ｓ１５０）、Ｓ１１０に戻る。一方、送信元チャンネルが無効チャンネルであれば、Ｓ１５０をスキップして、そのままＳ１１０に戻る。

Ｓ１５０の処理によって、全ての有効チャンネルが互いに導通するため、送信元チャンネルから他の有効チャンネルへの通信フレームの中継が可能な状態となる。これと同時に、送信元チャンネルからの通信フレームをトランシーバ４が受信可能な状態となる。

＜コントローラ：監視制御＞
次に、コントローラ５が実行する監視制御について説明する。
なお、コントローラ５は、スイッチング制御部７と同様に、チャンネルＣＨｉ毎にチャンネルＣＨｉの有効／無効を表す有効フラグを記憶するメモリを備えている。また、コントローラ５は、チャンネルＣＨｉ毎に、通信フレームを正常に受信した回数をカウントする正常受信カウンタと、通信フレームを正常に受信できなかった回数（異常を検出した回数）をカウントする異常受信カウンタを備えている。

コントローラ５は、まず、スイッチング制御部７にフレーム受信準備指示を送信し（Ｓ３１０）、フレーム検出部６からフレーム検出通知を受信するまで待機する（Ｓ３２０）。

フレーム検出通知を受信すると（Ｓ３２０−ＹＥＳ）、フレーム検出通知に示された情報に基づき、受信間隔を統計的に処理することにより、送信元チャンネルでの通信フレームの受信周期を求める（Ｓ３３０）。

次に、フレーム検出通知に示された送信元チャンネルが有効チャンネルであるか否かを判断する（Ｓ３４０）。送信元チャンネルが有効チャンネルである場合（Ｓ３４０−ＹＥＳ）、コントローラ５が有するプロトコルコントローラの機能を利用して、通信フレームをエラーなく正常に受信できたか否かを判断する（Ｓ３５０）。

通信フレームを正常に受信できた場合（Ｓ３５０−ＹＥＳ）、正常受信カウンタの値をカウントアップして（Ｓ３６０）、Ｓ３１０に戻る。一方、通信フレームを正常に受信できなかった場合（Ｓ３５０−ＮＯ）、異常受信カウンタの値をカウントアップすると共に、正常受信カウンタおよび異常受信カウンタのカウント値に基づいて、送信元チャンネルのエラー発生率を算出する（Ｓ３７０）。

算出されたエラー発生率が予め設定された切断条件（例えば所定の閾値以上）を満たすか否かを判断し（Ｓ３８０）、切断条件を満たす場合（Ｓ３８０−ＹＥＳ）、スイッチング制御部７に対して、送信元チャンネルを指定チャンネルとした切断指示を出力すると共に、送信元チャンネルの有効フラグをオフにして（Ｓ３９０）、Ｓ３１０に戻る。切断条件を満たさない場合（Ｓ３８０−ＮＯ）、Ｓ３９０をスキップして、Ｓ３１０に戻る。

先のＳ３４０で、送信元チャンネルが無効チャンネルであると判断した場合（Ｓ３４０−ＮＯ）、Ｓ３３０で算出された受信周期が予め設定された復帰条件（例えば、過去一定期間の平均受信間隔が所定値以上）を満たすか否かを判断する（Ｓ４００）。即ち、異常時には、通常、フレームエラーに基づく再送制御等によって通信フレームの送出頻度が上昇する（受信間隔が短くなる）ため、受信間隔を監視することによって異常が解消されたか否かを推定することができる。

復帰条件を満たす場合（Ｓ４００−ＹＥＳ）、スイッチング制御部７に対して送信元チャンネルを指定チャンネルとした復帰指示を出力とすると共に、送信元チャンネルの有効フラグをオンにして（Ｓ４１０）、Ｓ３１０に戻る。復帰条件を満たさない場合（Ｓ４００−ＮＯ）、Ｓ４１０をスキップして、Ｓ３１０に戻る。

＜動作＞
次に、中継装置１の動作例について図４を用いて説明する。
ここでは、チャンネルＣＨ１（バスＢＳ１）上の通信フレームのエラーによってチャンネルＣＨ１が切断され、その後、復帰した場合の動作を例示するものである。具体的には、スイッチング部３を構成する各スイッチＳＷ１〜ＳＷ４の状態、および各バスＢＳ１〜ＢＳ４に現れる通信フレームについて模式的に示した。

図４に示すように、バス上に通信フレームが存在しない状態では、全てのスイッチＳＷ１〜ＳＷ４がオープンに保持される。
まず、全てのチャンネルＣＨ１〜ＣＨ４が有効である場合について説明する。いずれかのチャンネルＣＨｉ（ＢＳｉ）で通信フレームが検出されると、直ちに全てのスイッチＳＷ１〜ＳＷ４がクローズに切り替わり、送信元チャンネルから入力された通信フレームが他の全てのチャンネルに中継される。その後、通信フレームの受信が終了すると、コントローラ５からの受信準備指示に従って、全てのスイッチＳＷ１〜ＳＷ４がオープンに切り替わる。

次に、チャンネルＣＨ１が切断条件を満たすことによって切断（有効→無効）された場合について説明する。まず、チャンネルＣＨ１（無効チャンネル）に通信フレームが現れた場合、いずれのスイッチＳＷ１〜ＳＷ４もオープンのまま保持されるため、送信元チャンネルＣＨ１の通信フレームが、それ以外のチャンネルＣＨ２〜ＣＨ４（有効チャンネル）に中継されることはない。一方、チャンネルＣＨ２〜ＣＨ３（有効チャンネル）のいずれかに通信フレームが現れた場合、有効チャンネルのスイッチＳＷ２〜ＳＷ４だけがクローズに切り替わり、送信元チャンネル（有効チャンネル）から入力された通信フレームが、他の有効チャンネルのみに中継される。

その後、チャンネルＣＨ１が復帰条件を満たすことによって復帰（無効→有効）した場合、全てのチャンネルＣＨ１〜ＣＨ４が有効となるため、上述の最初の説明と同様に動作する。

＜効果＞
以上説明したように、中継装置１は、全てのチャンネルを非導通（スイッチＳＷ１〜ＳＷ４を全てオープン）とした待機状態の時に、いずれかの有効チャンネルで通信フレームが検出されると、有効チャンネルのみを相互に導通させた中継状態に切り替わることによって、有効チャンネル間での通信フレームの中継を実現している。しかも、切断条件を満たす有効チャンネルを無効チャンネルに切り替えると共に、復帰条件を満たす無効チャンネルを有効チャンネルに切り替えるように構成されている。

従って、中継装置１によれば、切断条件が成立する状況にあるチャンネルを他のチャンネルから切り離すことができるため、例えば、安全レベルの低いサブネットワークで異常が検出された場合に、安全レベルの高いサブネットワークに影響を与えてしまうことを抑制することができる。しかも、中継装置１によれば、チャンネル毎に個別にトランシーバを設ける必要がないため、装置の簡易化、小型化を実現することができる。

［第２実施形態］
次に、第２実施形態について説明する。
本実施形態は、基本的な構成は第１実施形態と同様であり、共通する構成については説明を省略し、相違点を中心に説明する。

第１実施形態では、コントローラ５が、復帰条件の判断およびスイッチング制御部７に対する復帰指示の送信を行っている。これに対して、本実施形態では、スイッチング制御部７が、復帰条件の判断を行う点で第１実施形態とは相違する。具体的には、スイッチング制御部７の中継制御、およびコントローラ５の監視制御の内容が、第１実施形態とは一部異なっている。

＜スイッチング制御部：中継制御＞
スイッチング制御部７が、第１実施形態の中継制御（図２）に代えて実行する中継制御について、図５に示すフローチャートに沿って説明する。

図５に示すように、本実施形態では、第１実施形態のＳ３３０に相当するＳ１３５が新たに挿入され、Ｓ１８０の代わりに第１実施形態のＳ４００に相当するＳ１８５を実行する点が第１実施形態とは異なっている。

即ち、スイッチング制御部７は、フレーム検出部６からフレーム検出通知を受信すると（Ｓ１３０−ＹＥＳ）、フレーム検出通知に示された情報に基づき、受信間隔を統計的に処理することにより、送信元チャンネルでの通信フレームの受信周期を求めて（Ｓ１３５）、Ｓ１４０に進む。

また、コントローラ５から受信準備指示も切断指示も受信していない場合（Ｓ１１０−ＮＯかつＳ１６０−ＮＯ）、無効チャンネルについて、Ｓ１３５で算出された最新の受信周期が予め設定された復帰条件（例えば、過去一定期間の平均受信間隔が所定値以下）を満たすか否かを判断する（Ｓ１８５）。復帰条件を満たす場合にはＳ１９０に進み、復帰条件を満たさない場合は、Ｓ１９０をスキップして、Ｓ１１０に戻る。

＜効果＞
本実施形態は、第１実施形態と同様の効果が得られるだけでなく、無効チャンネルを復帰させるか否かの判断をスイッチング制御部７で実行するため、コントローラ５の処理を軽減することができると共に、装置構成をより簡易化することができる。

［第３実施形態］
次に、第３実施形態について説明する。
本実施形態は、基本的な構成は第１実施形態と同様であり、共通する構成については説明を省略し、相違点を中心に説明する。

＜構成＞
第１実施形態では、受信間隔の計測結果からチャンネル毎に通信フレームの受信間隔を求め、その受信間隔を復帰条件の判断に使用している。これに対して、本実施形態の中継装置１ａでは、図７に示すように、無効チャンネルの通信フレームを監視し、その通信フレームの異常を検出するエラー検出部８が追加されている点、そのエラー検出部８は、エラー発生頻度を復帰条件の判断に使用し、スイッチング制御部７に対して送信する復帰指示を生成する点、および、コントローラ５の監視制御が第２実施形態と同様（図６参照）である点で第１実施形態とは相違する。

エラー検出部８は、フレーム検出部６が取得する信号のいずれか一つを選択する選択回路、選択回路で選択された信号を受信するトランシーバ（トランシーバ４と同等）、トランシーバを介して受信した通信フレームの異常を検出するコントローラ（コントローラ５のプロトコルコントローラとしての機能と同等）を備えたエラー検出部８を備えている。

そして、エラー検出部８は、コントローラ５から受信した切断指示に示された指定チャンネル（無効チャンネル）の通信フレームを監視し、エラー発生頻度が予め設定されたエラー頻度閾値以下となった場合に、スイッチング制御部７に対して復帰指示を出力する。なお、無効チャンネルが複数存在する場合は、全ての無効チャンネルを時分割で監視する。

＜効果＞
本実施形態は、第１実施形態および第２実施形態と同様の効果が得られるだけでなく、無効チャンネルの通信フレームの受信間隔ではなく、通信フレームのエラーの発生頻度によって復帰を判定しているため、より信頼性の高い制御を実現することができる。

［他の実施形態］
以上、本発明の実施形態について説明したが、本発明は、上記実施形態に限定されることなく、種々の形態を採り得ることは言うまでもない。例えば、一つの構成要素が有する機能を複数の構成要素に分散させたり、複数の構成要素が有する機能を一つの構成要素に統合したりしてもよい。また、上記実施形態の構成の少なくとも一部を、同様の機能を有する公知の構成に置き換えてもよい。また、上記実施形態の構成の少なくとも一部を、他の上記実施形態の構成に対して付加、置換等してもよい。

例えば、上記実施形態では、受信間隔の測定をフレーム検出部６が行っているが、これをスイッチング制御部７で行い、スイッチング制御部７がコントローラ５に対してフレーム検出通知を送信するように構成してもよい。

１，１ａ…中継装置 ２…インタフェース部 ３…スイッチング部 ４…トランシーバ ５…コントローラ ６…フレーム検出部 ７…スイッチング制御部 ８…エラー検出部

Claims (5)

1. 複数の通信ネットワークを相互に接続する中継装置であって、
   それぞれが異なった通信ネットワークに接続される複数の接続端子からなるインタフェース部（２）と、
   前記インタフェース部を介して通信フレームを送受信するトランシーバ（４）と、
   前記インタフェース部を構成する各接続端子から前記トランシーバに接続された共通経路に至る個別経路の導通，非導通を個別に設定するスイッチング部（３）と、
   前記インタフェース部を構成する各接続端子での信号レベルを監視することで通信フレームを検出するフレーム検出部（６）と、
   前記接続端子毎に該接続端子が有効であるか無効であるか設定する端子状態設定部（５：Ｓ３３０，Ｓ３６０〜Ｓ４１０、７：Ｓ１６０〜Ｓ１９０、８）と、
   前記スイッチング部を、全ての接続端子について前記個別経路を非導通にした待機状態に設定する待機状態設定部（７：Ｓ１２０）と、
   前記待機状態の時に、前記フレーム検出部にて通信フレームが検出されると、前記スイッチング部を、前記端子状態設定部によって有効に設定された全ての接続端子について前記個別経路を導通にした中継状態に設定する中継状態設定部（７：Ｓ１５０）と、
   前記スイッチング部が中継状態にある時に、前記トランシーバを介して受信した通信フレームのエラーを検出するエラー検出部（５）と、
   を備え、
   前記端子状態設定部は、前記通信フレームの受信元となった前記接続端子毎に、前記エラー検出部での検出結果に基づく判定値を生成し、該判定値が予め設定された切断条件を満たす場合に、対応する前記接続端子の設定を無効に変更する切断手段（５：Ｓ３６０〜Ｓ３９０、７：Ｓ１６０〜Ｓ１７０）を備えることを特徴とする中継装置。
2. 前記切断手段は、前記判定値としてエラー発生頻度を用い、該エラー発生頻度が予め設定されたエラー頻度閾値を超えることを前記切断条件とすることを特徴とする請求項１に記載の中継装置。
3. 前記端子状態設定部は、
   無効に設定された前記接続端子のそれぞれについて、前記通信フレームの受信状態を監視し、前記受信状態が予め設定された復帰条件を満たす前記接続端子の設定を有効に変更する復帰手段（５：Ｓ３３０，Ｓ４００〜Ｓ４１０、７：Ｓ１８０〜Ｓ１９０、８）を備えることを特徴とする請求項１または請求項２に記載の中継装置。
4. 前記復帰手段は、前記受信状態として前記通信フレームの受信周期を監視することを特徴とする請求項３に記載の中継装置。
5. 前記復帰手段は、前記受信状態として前記通信フレームのエラー発生頻度を監視することを特徴とする請求項３に記載の中継装置。

Images