JP6176199B2 - 伝送路異常検出装置 - Google Patents

Description

本発明は、伝送路異常を検出すると共に異常の原因を識別する技術に関する。

車載ネットワークの代表的なものとしてＣＡＮ（Controller Area Network ）が知られている。ＣＡＮ通信において、伝送路のショートや断線が発生した場合、通信自体ができなくなるため、伝送路の故障か機器の故障か等を判断することができない。これに対して、伝送路の信号レベルを監視する検査用の電子回路を別途付加し、その電子回路での検査結果を利用することによって、原因の識別も含めて伝送路の異常を検出する技術が提案されている（例えば、特許文献１参照）。

特開２０１０−１１１２９５号公報

従来装置では、ＣＡＮにおける標準的な通信回路以外に特別な付加回路を必要とするため、製造の手間や装置規模が増大するという問題があった。
本発明は、こうした問題に鑑みてなされたものであり、特別な付加回路を設けることなく伝送路異常の原因を識別する技術を提供することを目的とする。

本発明の伝送路異常検出送致は、ＣＡＮ（Controller Area Network ）プロトコルに従った通信を実行するノードに搭載され、通信フレームを送受信する伝送路の異常を検出するものであって、送信メッセージ滞留判定手段と、送信エラーカウント手段と、受信エラーカウント手段と、バスオフ状態判定手段と、異常判定手段とを備える。

送信メッセージ滞留判定手段は、送信要求が発生してから予め設定された規定時間以内に送信完了したか否かを判断する。送信エラーカウント手段は、送信の成否および送信に関わるエラーの発生に応じてカウント値が増減する。受信エラーカウント手段は、受信の成否および受信に関わるエラーの発生に応じてカウント値が増減する。バスオフ判定手段は、送信エラーカウント手段でのカウント値に従って、通信への参加が禁止されるバスオフの状態にあるか否かを判断する。これら各手段によって実現される機能は、ＣＡＮ通信（ＩＳＯ−１１９８９）で規定された標準的なエラー管理機能であり、一般的なＣＡＮコントローラにおいて必須の機能である。

そして、異常判定手段が、送信メッセージ滞留判定手段およびバスオフ判定手段での判定結果、送信エラーカウント手段および受信エラーカウント手段でのカウント値に従って、伝送路異常の有無および該異常の原因を判断する。なお、伝送路異常の原因としては、伝送路の断線、伝送路のショート（レセッシブ固着／ドミナント固着）、ノイズによる通信不能状態が考えられる。

このような構成によれば、伝送路を介した正常な通信が不能となった時に、ＣＡＮ通信で規定された標準的なエラー管理機能とフレームの送信可否の情報だけに基づき、特別な付加回路を必要とすることなく、伝送路異常の原因を識別することができる。なお、このような識別が可能となるのは、これらの伝送路異常の原因間で、上記二つの判定結果およ
び二つのカウント値のすべての状態が一致することがないことによる。

なお、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。

車載通信システムの全体構成を示すブロック図である。 ゲートウェイ装置の構成概略構成図である。 伝送路異常とエラー検出機能との関係を示す対応表である。 滞留監視処理のフローチャートである。 異常検出処理のフローチャートである。 伝送路異常の一態様である伝送路断線の状況を示す説明図である。 伝送路異常の一態様である伝送路ショート：レセッシブ固着の状況を示す説明図である。 伝送路異常の一態様である伝送路ショート：ドミナント固着の状況を示す説明図である。

以下に本発明が適用された実施形態について、図面を用いて説明する。
［全体構成］
本発明が適用された車載通信システム１は、図１に示すように、複数の電子制御装置（ＥＣＵ：Electronic Control Unit ）２と、ゲートウェイ装置３と、複数のバス４と、コネクタ５とを備える。

バス４は、差動信号を伝送する一対の信号線によって構成され、いずれもゲートウェイ装置３を介して相互に通信可能に接続されている。そして、一つのバス４にはコネクタ５が接続され、それ以外のバス４には、それぞれ複数のＥＣＵが接続されている。コネクタ５には、ＥＣＵ２やゲートウェイ装置３との通信により取得した情報によって車両の状態を診断する診断装置６等の外部ツールが接続される。

車載通信システム１では、バス４を介して、ＥＣＵ２，ゲートウェイ装置３，コネクタ５に接続される外部ツールとの間で、ＣＡＮプロトコル（ＩＳＯ１１８９８）に従った通信を実行する。

ＥＣＵ２は、車両の各部に設置され、通信によって取得される各種情報に基づいて、予め割り当てられた機能を実現する。なお、ＥＣＵ２の構成については、後述する。
［ゲートウェイ装置］
ゲートウェイ装置３は、各バス４においてＣＡＮ通信を実現するだけでなく、異なるバス４に接続されたＥＣＵ２間の通信を実現するための周知のゲートウェイ機能を少なくとも有する。

ゲートウェイ装置３は、図２に示すように、終端回路３１と、ＣＡＮトランシーバ３２と、マイクロコンピュータ（マイコン）３３とを備える。終端回路３１およびＣＡＮトランシーバ３２は、ゲートウェイ装置３に接続されるバス４毎に設けられている。なお、図では、見やすくするために接続されるバス４が二つである場合を示す。また、ＥＣＵ２は、接続されるバス４が一つである以外はゲートウェイ装置３と同様であり、終端回路２１、ＣＡＮトランシーバ２２、マイコン２３を備えた構成を有している（図６〜図８参照）。

終端回路３１は、バス４を構成する一対の通信線ＣＡＮ−Ｈ，ＣＡＮーＬ間に接続され、バス４を所定の抵抗値で終端する。ＣＡＮトランシーバ３２は、ＣＡＮで規定された電気信号を送受信する。この電気信号では、両通信線ＣＡＮ−Ｈ，ＣＡＮーＬの電位差が閾値以下である場合がレセッシブ、閾値より大きい場合がドミナントである。これら終端回路３１およびＣＡＮトランシーバ３２は周知のものであるため、その詳細についての説明は省略する。

マイコン３３は、ＣＰＵ３４１，ＲＯＭ３４２，ＲＡＭ３４３からなるコア部３４以外に、ＣＡＮコントローラ３５を内蔵している。なお、ＣＡＮコントローラ３５は、ＣＡＮトランシーバ３２毎に設けられている。

ＣＰＵ３４１は、ＲＯＭ３４２に格納されたプログラムに従って、ゲートウェイ処理、滞留監視処理、異常検出処理、情報提供処理を少なくとも実行する。ゲートウェイ処理は、ＣＡＮコントローラ３５を介して受信した通信フレームのＩＤを識別し、必要に応じて、他のバス４に転送する、いわゆるゲートウェイ機能を実現するための処理である。滞留監視処理は、送信メッセージが滞留しているか否かを判断するための処理である。異常検出処理は、ＣＡＮコントローラ３５が有するエラー検出機能および滞留監視処理での監視結果を利用してバス４の異常（伝送路異常）を検出し、その異常の状態を識別するための処理である。情報提供処理は、コネクタ５に接続される診断装置６からの要求に従って、異常検出処理での検出結果を出力するための処理である。これらのうち、滞留監視処理および異常検出処理については後で詳述する。なお、ＲＡＭ３４３の一部は、給電が途絶えても記憶内容を保持する不揮発性メモリからなり、この不揮発性メモリの部分に、異常検出処理での検出結果を保存する領域が確保されている。

ＣＡＮコントローラ３５は、通信実行部３５１、制御レジスタ３５２、送信バッファ３５３、受信バッファ３５４を備える。通信実行部３５１は、ＣＡＮプロトコルに従った通信フレームの送受信を実行する。具体的には、コア部３４により送信バッファ３５３に送信メッセージが書き込まれると、この送信メッセージを所定の通信フレームに加工してＣＡＮトランシーバ３２に出力する。また、ＣＡＮトランシーバ３２にて通信フレームが受信されると、その通信フレームから抽出したデータを受信メッセージとして受信バッファ３５４に書き込む。この受信メッセージは、コア部３４によって読み出され利用される。制御レジスタ３５２は、通信実行部３５１に対する各種指令を入力すると共に、通信実行部３５１の状態を表す各種情報を読み出すためのものである。

なお、制御レジスタ３５２から読み出すことが可能な情報には、少なくとも、送信エラーカウンタのカウント値、受信エラーカウンタのカウント値、エラー状態が含まれている。これらは、ＣＡＮ（ＩＳＯ−１１８９８−１）の仕様に従った周知のものであるが、その概要を以下で説明する。

送信エラーカウンタは、送信時に発生したエラーによりカウント値を増減させ、その値を保持する機能である。そのカウント値ＴｘＥＣＮＴは、エラー時（例えば、ＳＯＦやデータ領域でのビットエラー）の発生時に８が加算され、送信の成功時に１が減算される。

受信エラーカウンタは、受信時に発生したエラーによりカウン値を増減させ、その値を保持する機能である。そのカウント値ＲｘＥＣＮＴは、エラーの発生時にその内容によって８または１が加算され、受信の成功時に１が減算される。なお、ＴｘＥＣＮＴ，ＲｘＥＣＮＴの下限値はいずれも０であり、ＲｘＥＣＮＴの上限値は２５５である。

エラー状態とは、ＣＡＮコントローラが取り得る三つの状態のことであり、エラーアクティブ、エラーパッシブ、バスオフからなる。エラーアクティブは、バス上の通信に正常
に参加することができる状態のことをいう。エラーパッシブは、エラーを起こしやすい状態のことであり、バス上の通信に参加することはできるが、他ノード（ＥＣＵ２）の通信を妨害しないために、受信時にエラーを検出しても、その旨を表すエラー通知を行うことができない状態のことをいう。バスオフは、バス上の通信に参加できない状態であり、送受信のすべての動作が禁止された状態をいう。

そして、ＴｘＥＣＮＴおよびＲｘＥＣＮＴがいずれも０〜１２７である場合がエラーアクティブであり、ＴｘＥＣＮＴおよびＲｘＥＣＮＴのうち少なくとも一方が１２８を超えるとエラーパッシブに遷移する。そして、ＴｘＥＣＮＴおよびＲｘＥＣＮＴのうち少なくとも一方が１２８〜２５５である間エラーパッシブが保持される。ＴｘＥＣＮＴが２５６を超えるとバスオフに遷移する。また、バスオフにおいて、連続した所定ビットのレセッシブが所定回検出されると、バスオフからエラーアクティブに遷移し、ＴｘＥＣＮＴおよびＲｘＥＣＮＴはいずれも０クリアされる。

［伝送路異常の原因］
ここで異常検出処理によって識別する伝送路異常の原因（故障事象）について説明する。伝送路異常の原因としては、「伝送路断線」「伝送路ショート：レセッシブ固着」「伝送路ショート：ドミナント固着」「ノイズによる通信不能状態」がある。伝送路断線は、図６に示すように、ＣＡＮ−Ｈ，ＣＡＮ−Ｌがいずれも断線している状態のことをいう。伝送路ショート：レセッシブ固着は、図７に示すように、ＣＡＮ−Ｈ，ＣＡＮ−Ｌが短絡している状態をいう。伝送路ショート：ドミナント固着は、図８に示すように、ＣＡＮ−Ｈが電源ラインに短絡し、ＣＡＮ−Ｌがグランドラインに短絡している状態をいう。ノイズによる通信不能状態は、ＣＡＮ−Ｈ，ＣＡＮ−Ｌには異常がなく、ノイズによって通信が困難になる程多くのエラーが発生している状態をいう。

［伝送路異常とエラー検出機能との対応］
伝送路異常の原因と、エラー検出機能の状態との対応関係について図３を参照して説明する。なお、図３の表では、ＣＡＮコントローラの初期化直後の状態において、各種異常が発生した場合の状況について示す。

伝送路断線の場合、自ノードは送信可能であるが、他ノードからのＡＣＫ（正常応答）が得られる送信を完了することができない状態となる。その結果、送信が完了しないことによって、送信メッセージの滞留が発生する。また、ＡＣＫが得られないことにより、ＴｘＥＣＮＴが増加する。ＡＣＫが得られないことを原因とするカウント動作では２５５が上限値とされており、バスオフに至ることはない。このような上限値が設けられている理由は、送信エラーカウンタは基本的に自身の故障を検出するためのものであり、他ノードの異常（ＡＣＫがない）によってバスオフに遷移することを防ぐためである。更に、伝送路断線時には、他ノードからの通信フレームを受信しないため、ＲｘＥＣＮＴは０のままとなる。

伝送路ショート：レセッシブ固着の場合、各ノードは送信を開始することはできるが、バス４上にＳＯＦ信号が発生しないため、各ノードはエラー再送を繰り返すことになる。その結果、ＴｘＥＣＮＴは増加し続け、２５６に達するとバスオフに遷移する。バスオフになると送信バッファがリセットされるため、送信メッセージの滞留は発生しない。また、伝送路ショート時には、他ノードからの通信フレームを受信しないため、ＲｘＥＣＮＴは０のままとなる。

伝送路ショート：ドミナント固着の場合、ＣＡＮではドミナント状態が継続すると、送信も受信も開始しないため、一切のエラーは発生しない。その結果、ＴｘＥＣＮＴおよびＲｘＥＣＮＴはいずれも０のままであり、当然、バスオフも発生しない。但し、通信フレ
ームの送信が行われないことにより、送信メッセージの滞留が発生する。

ノイズによる通信不能状態の場合、基本的に送信／受信共にエラーが多発する。その結果、ＴｘＥＣＮＴおよびＲｘＥＣＮＴはいずれも増加し１以上の値となる。この状態が継続すると、送信メッセージの滞留またはバスオフが発生する。

［滞留監視処理］
次に、ＣＰＵ３４１が実行する滞留監視処理について、図４のフローチャートを用いて説明する。本処理は、ゲートウェイ装置３が起動すると、繰り返し実行される。

本処理では、ＣＰＵ３４１は、まず、Ｓ１１０にて送信要求が発生しているか否かを判断する。送信要求が発生していない場合（Ｓ１１０：ＮＯ）は、本処理を一旦終了する。送信要求が発生している場合（Ｓ１１０：ＹＥＳ）は、Ｓ１２０にて、タイマをスタートさせる。

続くＳ１３０では、送信バッファ３５３に空きがあるか否かを判断する。送信バッファ３５３は、予め設定された有限個の送信メッセージを記憶することができるように構成されている。

送信バッファ３５３に空きがないと判断した場合（Ｓ１３０：ＮＯ）、Ｓ１４０にて、タイマをスタートさせてから予め設定された規定時間が経過しているか否かを判断する。規定時間を経過していない場合（Ｓ１４０：ＮＯ）、Ｓ１３０に戻る。一方、規定時間を経過している場合（Ｓ１４０：ＹＥＳ）、Ｓ１５０にて、送信メッセージの滞留が発生していると判断して、本処理を終了する。

先のＳ１３０にて、送信バッファ３５３に空きがあると判断した場合（Ｓ１３０：ＹＥＳ）、Ｓ１６０にて、送信バッファ３５３への送信メッセージの書き込みを許可する。
続くＳ１７０では、タイマを停止すると共に、送信メッセージの滞留は発生していないと判断して、本処理を終了する。

つまり、送信要求が発生してから規定時間以内に送信バッファ３５３への書き込みを行うことができない場合に、送信メッセージの滞留が発生していると判断する。
［異常検出処理］
ＣＰＵ３４１が実行する異常検出処理について、図５のフローチャートを用いて説明する。なお、本処理は、図３に示した伝送路異常の原因とエラー検出機能との関係に基づいて伝送路異常の原因を識別するものであり、ゲートウェイ装置３の起動後、一定時間毎に周期的に実行される。

本処理では、ＣＰＵ３４１は、まずＳ２１０にて、制御レジスタ３５２からエラー状態を読み込んで、バスオフが発生しているか否かを判断する。バスオフが発生していない場合（Ｓ２１０：ＮＯ）、Ｓ２２０にて、滞留監視処理での判定結果から送信メッセージの滞留が発生しているか否かを判断する。滞留が発生していないと判断した場合（Ｓ２２０：ＮＯ）は本処理を終了し、滞留が発生していると判断した場合はＳ２３０に進む。

Ｓ２３０では、ＴｘＥＣＮＴが０であるか否かを判断し、ＴｘＥＣＮＴが０でなければＳ２４０にて、ＴｘＥＣＮＴが２５６より小さく、かつＲｘＥＣＮＴが０であるか否かを判断する。

ＴｘＥＣＮＴ≧２５６またはＲｘ＞０（Ｓ２４０：ＮＯ）である場合、Ｓ２５０にて「ノイズによる通信不能状態」であると判断してＳ３１０に進む。０＜ＴｘＥＣＮＴ＜２５
６かつＲｘＥＣＮＴ＝０（Ｓ２４０：ＹＥＳ）である場合、Ｓ２６０にて「伝送路断線」であると判断してＳ３１０に進む。ＴｘＥＣＮＴ＝０（Ｓ２３０：ＹＥＳ）である場合、Ｓ２７０にて「伝送路ショート：ドミナント固着」であると判断してＳ３１０に進む。

先のＳ２１０にて、バスオフが発生していると判断した場合（Ｓ２１０：ＹＥＳ）、Ｓ２８０にて、ＲｘＥＣＮＴが０より大きいか否かを判断する。
ＲｘＥＣＮＴ＞０（Ｓ２８０：ＹＥＳ）である場合、Ｓ２９０にて「ノイズによる通信不能状態」であると判断してＳ３１０に進む。ＲｘＥＣＮＴ＝０（Ｓ２８０：ＮＯ）である場合、Ｓ３００にて「伝送路ショート：レセッシブ固着」であると判断してＳ３１０に進む。

Ｓ３１０では、Ｓ２５０〜Ｓ２７０，Ｓ２９０，Ｓ３００での判定結果を、ＲＡＭ３４３の不揮発性メモリで構成された所定領域に記憶して本処理を終了する。
なお、ＲＡＭ３４に記憶された判定結果は、情報提供処理により、コネクタ５に接続された診断装置６からの要求に従って読み出され診断装置６に提供される。

［効果］
以上詳述したように、車載通信システム１を構成するゲートウェイ装置３によれば、バス４を介した正常な通信ができない場合に、ＣＡＮで規定された標準的なエラー管理機能（送信エラーカウンタ、受信エラーカウンタ、エラー状態）とフレームの送信可否の情報（ひいては送信メッセージの滞留状態）に基づき、特別な付加回路を必要とすることなく、伝送路異常の状態（伝送路断線／伝送路ショート：レセッシブ固着／伝送路ショート：ドミナント固着／ノイズによる通信不能状態）を識別することができる。

［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。

（１）上記実施形態では、Ｓ３１０において、伝送路状態の判定結果を単純に記憶しているが、例えば、２回以上連続して同じ判定結果が得られた場合に、これを記憶するようにしてもよい。

（２）上記実施形態では、伝送路異常を判定する手順は、図５のフローチャートに示した内容に限定されるものではなく、図３に示した表に基づき、伝送路異常の状態を識別可能な範囲で、エラー検出機能を任意に組み合わせて手順を構成すればよい。

（３）上記実施形態における一つの構成要素が有する機能を複数の構成要素として分散させたり、複数の構成要素が有する機能を一つの構成要素に統合させたりしてもよい。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一部を省略してもよい。また、上記実施形態の構成の少なくとも一部を、他の上記実施形態の構成に対して付加または置換してもよい。なお、特許請求の範囲に記載した文言のみによって特定される技術思想に含まれるあらゆる態様が本発明の実施形態である。

（４）本発明の伝送路異常検出装置は、上述のゲートウェイ装置に適用する以外に、当該ゲートウェイ装置を構成要素とするシステム、伝送路異常検出装置としてコンピュータを機能させるためのプログラム、このプログラムを記録した媒体、伝送路異常検出方法など、種々の形態で実現することもできる。

１…車載通信システム ３…ゲートウェイ装置 ４…バス ５…コネクタ ６…診断装置 ２１，３１…終端回路 ２２，３２…ＣＡＮトランシーバ ２３，３３…マイクロコンピュータ（マイコン） ３４…コア部 ３５…ＣＡＮコントローラ ３５１…通信実行部 ３５２…制御レジスタ ３５３…送信バッファ ３５４…受信バッファ

Claims (6)

1. ＣＡＮ（Controller Area Network ）プロトコルに従った通信を実行するノードに搭載され、通信フレームを送受信する伝送路の異常を検出する伝送路異常検出装置であって、
   送信要求が発生してから予め設定された規定時間以内に送信完了したか否かを判断する送信メッセージ滞留判定手段（３４：Ｓ１１０〜Ｓ１７０）と、
   送信の成否および送信に関わるエラーの発生に応じてカウント値が増減する送信エラーカウント手段（３５）と、
   受信の成否および受信に関わるエラーの発生に応じてカウント値が増減する受信エラーカウント手段（３５）と、
   前記送信エラーカウント手段でのカウント値に従って、通信への参加が禁止されるバスオフの状態にあるか否かを判断するバスオフ判定手段（３５）と、
   前記送信メッセージ滞留判定手段および前記バスオフ判定手段での判定結果、前記送信エラーカウント手段および前記受信エラーカウント手段でのカウント値に従って、前記伝送路の異常の有無および該異常の状態を判断する異常判定手段（３４：Ｓ２１０〜Ｓ３００）と、
   を備えることを特徴とする伝送路異常検出装置。
2. 前記異常識別手段は、前記伝送路の断線、および前記伝送路上の電気信号がレセッシブに固着する前記伝送路のショート、前記伝送路上の電気信号がドミナントに固着する前記伝送路のシート、ノイズによる通信不能状態を、判断対象とすることを特徴とする請求項１に記載の伝送路異常検出装置。
3. 前記異常識別手段での判定結果を記憶する記憶手段（３４：Ｓ３１０）を備えることを特徴とする請求項１または請求項２に記載の伝送路異常検出装置。
4. 前記記憶手段は、前記異常識別手段にて２回以上連続して同じ判断がされた場合に、該判定結果を記憶することを特徴とする請求項３に記載の伝送路異常検出装置。
5. 前記伝送路に着脱可能な診断装置からの要求に応じて、前記記憶手段による記憶内容を前記診断装置に提供する情報読出手段（３４）を備えることを特徴とする請求項３または請求項４に記載の伝送路異常検出装置。
6. 複数のネットワークを相互に接続するゲートウェイ機能を備えたノードに搭載されていることを特徴とする請求項１ないし請求項５のいずれか１項に記載の伝送路異常検出装置。

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