JP6485321B2 - 電力線通信システム - Google Patents

Description

本発明は、電力線通信システムに関する。

従来より、マスタ装置に接続されている電力線と、スレーブ装置に設けられているコイルとが磁界共鳴することで、マスタ装置とスレーブ装置とが両者の間で電力線を通じてデータ通信を行う電力線通信システムが供されている。この種の電力線通信システムでは、１個の系に複数のスレーブ装置を纏めて配置することで、アナログ信号線による１対１の通信形態や分岐線を必要とするバス状の通信形態よりも省線化を図れる（例えば特許文献１参照）。

特開２０１３−１６５３８３号公報

１個の系に纏めるスレーブ装置の個数を増やすほど省線化を図れるが、１個の系に纏められるスレーブ装置の個数はマスタ装置からの供給電力に制限される事情がある。即ち、マスタ装置においては、通信周期が比較的短いスレーブ装置との間でデータ通信を行えるようにデータを受信するデータ受信期間を除く全ての期間で同期計算を行う。そのため、マスタ装置においては、同期計算を行う同期計算期間でのスレーブ装置への供給電力がスレーブ装置の個数に依存して増え、供給電力の上限が規定されていると、１個の系に纏められるスレーブ装置の個数が制限される。又、磁界共鳴による無線給電が有線給電よりも損失が大きいという事情からも、１個の系に纏められるスレーブ装置の個数が制限される。

ここで、系を増やすことで１個のマスタ装置との間でデータ通信可能なスレーブ装置の個数を増やせるが、その分、マスタ装置に搭載する素子数が増え、コスト高になるという問題がある。又、マスタ装置からの供給電力の上限を引き上げることでも１個のマスタ装置との間でデータ通信可能なスレーブ装置の個数を増やせるが、その分、素子の発熱量が増え、その対策のためにコスト高になるという問題もある。

本発明は、上記した事情に鑑みてなされたものであり、その目的は、マスタ装置からの供給電力の増加を回避しつつも１個の系に纏められるスレーブ装置の個数を増やすことができ、省線化を適切に図ることができる電力線通信システムを提供することにある。

請求項１に記載した発明によれば、マスタ装置（２）と、マスタ装置に接続されている電力線（１３）と、それぞれがコイル（１４）を有する複数のスレーブ装置（３）と、を備える。電力線とコイルとが磁界共鳴することでマスタ装置が複数のスレーブ装置と択一的に電力線を通じてデータ通信を行う。システムの仕様上で要求される通信周期が異なる複数のスレーブ装置が同一の電力線に接続されていることで少なくとも１つの系が構成されており、複数のスレーブ装置の個々は、データ送信処理の開始条件が所定の通信周期により成立すると、同期計算とデータ送信とを含むデータ送信処理を、他のスレーブ装置がデータ送信処理を行う期間と重ならない期間で行う。

複数のスレーブ装置の個々がデータ送信処理を互いに重ならない期間で行うようにしたので、マスタ装置においては、複数のスレーブ装置に対して同時に同期計算を行う必要がなくなり、１個のスレーブ装置に対して同期計算を行えば良くなる。これにより、スレーブ装置への供給電力がスレーブ装置の個数に依存して増えることがなくなる。即ち、データ送信処理の期間が互いに重ならないように複数のスレーブ装置を１個の系に纏めることで、マスタ装置からの供給電力の増加を回避しつつも１個の系に纏められるスレーブ装置の個数を増やすことができ、省線化を適切に図ることができる。

本発明の一実施形態を示す機能ブロック図 電子制御装置の処理を示すフローチャート センサの処理を示すフローチャート シーケンス図 タイミングチャート（その１） タイミングチャート（その２） 複数のセンサが接続されている態様を示す図 各センサの通信タイミングを示す図

以下、本発明を、車両に搭載される車両用の電力線通信（ＰＬＣ：Power Line Communication）システムに適用した一実施形態について図面を参照して説明する。電力線通信システム１は、電子制御装置（以下、ＥＣＵ（Electronic Control Unit）と称する）２（マスタ装置に相当）と、センサ３（スレーブ装置に相当）とを有する。尚、図１では１個のＥＣＵ２と１個のセンサ３とを例示しているが、１個のＥＣＵ２に対して複数のセンサ３がデータ通信可能に設けられている。複数のセンサ３は、通信周期が同じセンサ３であっても良いし通信周期が異なるセンサ３であっても良い。又、複数のセンサ３は、電源線及びグランド線が共通化されていても良い。

車両に搭載されるセンサ３は、通信周期が比較的短いセンサと、通信周期が比較的長いセンサとに分別される。本実施形態でいう通信周期が比較的短いセンサとは、例えばクランクやカムの回転角を検知する回転角センサ、ノッキングを検知するノックセンサ等であり、その通信周期は数μｓ程度である。又、本実施形態でいう通信周期が比較的長いセンサとは、例えば吸気圧を検知する圧力センサ、バルブの開度を検知するポジションセンサ、温度を検知する温度センサ等であり、その通信周期は数ｍｓ〜数十ｍｓ程度である。

ＥＣＵ２は、電源ＩＣ（Integrated Circuit）４と、給電ＩＣ５と、給電用の発振子６と、ローパスフィルタ（以下、ＬＰＦ（Low-Pass Filter）と称する）７と、通信ＩＣ８と、通信用の発振子９と、ハイパスフィルタ（以下、ＨＰＦ（High-Pass Filter）と称する）１０と、マイクロコンピュータ（以下、マイコンと称する）１１と、フィルタ１２とを有する。

電源ＩＣ４は、車両に搭載されているバッテリ電源（図示せず）から所定電圧（例えば約１２ボルト）の電力を取得し、その取得した電力を給電ＩＣ５に供給する。給電ＩＣ５は、電源ＩＣ４から電力を取得すると、その取得した電力を用い、給電用の発振子６から入力した発振信号により所定周波数の電力用の交流信号を生成してＬＰＦ７に出力すると共に、電力用の直流信号を生成して通信ＩＣ８に出力する。給電ＩＣ５からＬＰＦ７に入力される電力用の交流信号は、例えば数ＭＨｚ〜１０ＭＨｚ（例えば７ＭＨｚ）の信号である。ＬＰＦ７は、給電ＩＣ５から電力用の交流信号を入力すると、その入力した交流信号の高周波成分を逓減してフィルタ１２に出力する。

通信ＩＣ８は、給電ＩＣ５から電力用の直流信号を入力すると、その入力した直流信号を動作電力とし、通信用の発振子９から入力した発振信号により所定周波数のデータ通信用の交流信号を生成してＨＰＦ１０に出力する。通信ＩＣ８からＨＰＦ１０に入力される通信用の交流信号は、例えば数百ＭＨｚ（例えば３００ＭＨｚ）の信号である。ＨＰＦ１０は、通信ＩＣ８からデータ通信用の交流信号を入力すると、その入力したデータ信号の低周波成分を逓減してフィルタ１２に出力する。フィルタ１２は、コモンモードチョークコイルを主体として構成され、電力線１３を接続している。フィルタ１２は、ＬＰＦ７から出力された電力用の交流信号にＨＰＦ１０から出力されたデータ通信用の交流信号が重畳された信号を入力すると、その入力した信号を電力線１３に送信する。電力線１３は、ツイストペアケーブルから構成されており、一部の箇所のループ１３ａが他の箇所のループ１３ｂよりも大きく形成されている。

マイコン１１は、それぞれＳＰＩ（Serial Peripheral Interface）を介して給電ＩＣ５及び通信ＩＣ８とデータ通信可能に接続されている。マイコン１１は、ＣＰＵ（Central Processing Unit）、ＲＯＭ（Read Only Memory）、ＲＡＭ（Random Access Memory）及びＩ／Ｏ（Input／Output）を有し、非遷移的実体的記録媒体に格納されているコンピュータプログラムを実行することで、コンピュータプログラムに対応する処理を実行し、ＥＣＵ２の動作全般を制御する。

センサ３は、コイル１４と、ＬＰＦ１５と、ＨＰＦ１６と、受電ＩＣ１７と、通信ＩＣ１８と、通信用の発振子１９と、ＭＣＵ（Micro Controller Unit）２０と、センシングデバイス２１とを有する。コイル１４は、電力線１３のループ１３ａと近い位置に設けられ、電力線１３との間で磁界共鳴することで、電力用の交流信号にデータ通信用の交流信号が重畳された信号を受信し、その受信した信号をＬＰＦ１５及びＨＰＦ１６に出力する。ＬＰＦ１５は、コイル１４から信号を入力すると、その入力した信号の高周波成分を逓減して受電ＩＣ１７に出力する。ＨＰＦ１６は、コイル１４から信号を入力すると、その入力した信号の低周波成分を逓減して通信ＩＣ１８に出力する。

受電ＩＣ１７は、ＬＰＦ１５から信号を入力すると、その入力した信号を用い、電力用の直流信号を生成して通信ＩＣ１８とＭＣＵ２０とセンシングデバイス２１とに出力する。通信ＩＣ１８は、受電ＩＣ１７から電力用の直流信号を入力すると、その入力した直流信号を動作電力とし、通信用の発振子１９から入力した発振信号により所定周波数のデータ通信用の交流信号を生成してＨＰＦ１８に出力する。

ＭＣＵ２０は、ＳＰＩを介して通信ＩＣ１８とデータ通信可能に接続されており、受電ＩＣ１７から電力用の直流信号を入力すると、その入力した直流信号を動作電力とし、各種動作を行う。ＭＣＵ２０は、ＣＰＵ、ＲＯＭ、ＲＡＭ及びＩ／Ｏを有し、非遷移的実体的記録媒体に格納されているコンピュータプログラムを実行することで、コンピュータプログラムに対応する処理を実行し、センサ３の動作全般を制御する。センシングデバイス２１は、受電ＩＣ１７から電力用の直流信号を入力すると、その入力した直流信号を動作電力とし、検知したセンサ値をＭＣＵ２０に出力する。

上記した構成では、ＥＣＵ２からセンサ３への信号の伝送は、マイコン１１から通信ＩＣ８に送信指令が出力されることで、通信ＩＣ８、ＨＰＦ１０、フィルタ１２、電力線１３、コイル１４、ＨＰＦ１６、通信ＩＣ１８、ＭＣＵ２０の経路で行われる。一方、センサ３からＥＣＵ２への信号及びデータの伝送は、ＭＣＵ２０から通信ＩＣ１８に送信指令が出力されることで、通信ＩＣ１８、ＨＰＦ１６、コイル１４、電力線１３、フィルタ１２、ＨＰＦ１０、通信ＩＣ８、マイコン１１の経路で行われる。

次に、上記した構成の作用について、図２から図８を参照して説明する。ここでは、センサ３のＭＣＵ２０が行う処理及びＥＣＵ２のマイコン１１が行う処理を説明する。
センサ３において、ＭＣＵ２０は、所定の通信周期によるデータ送信処理の開始条件が成立すると、データ送信処理を開始し、同期要求信号をＥＣＵ２に送信させ（Ａ１）、ＥＣＵ２からの同期応答信号の受信を待機する（Ａ２）。ＥＣＵ２において、マイコン１１は、データ受信処理の開始条件が成立すると、データ受信処理を開始し、アイドル状態中に（Ｂ１）、センサ３からの同期要求信号の受信を待機する（Ｂ２）。マイコン１１は、センサ３からの同期要求信号を受信したと判定すると（Ｂ２：ＹＥＳ）、同期応答信号を当該同期要求信号の送信元のセンサ３に送信させ（Ｂ３）、ＥＣＵ２からの同期完了信号の受信を待機する（Ｂ４）。

センサ３において、ＭＣＵ２０は、ＥＣＵ２から同期応答信号を受信したと判定すると（Ａ２：ＹＥＳ）、同期計算を開始する（Ａ３）。ＭＣＵ２０は、ＥＣＵ２との間で同期の確立に成功し、同期計算を完了したと判定すると（Ａ４：ＹＥＳ）、同期完了信号をＥＣＵ２に送信させる（Ａ５）。ＥＣＵ２において、マイコン１１は、センサ３から同期完了信号を受信したと判定すると（Ｂ４：ＹＥＳ）、データ受信の準備としてデータ受信制御を設定する（Ｂ５）。

センサ３において、ＭＣＵ２０は、同期完了信号をＥＣＵ２に送信させると、データ送信を開始し（Ａ６）、センシングデバイス２１が検知したセンサ値をＥＣＵ２に送信させる。そして、ＭＣＵ２０は、データ送信を完了したと判定すると（Ａ７：ＹＥＳ）、ＥＣＵ２からのデータ受信完了信号の受信を待機する（Ａ８）。ＥＣＵ２において、マイコン１１は、センサ３がデータ送信を開始したことを受けて当該センサ３からのデータ受信を開始する（Ｂ６）。そして、マイコン１１は、データ受信を完了したと判定すると（Ｂ７：ＹＥＳ）、データ受信完了信号をセンサ３に送信させ（Ｂ８）、データ受信処理を終了し、次のデータ受信処理の開始条件の成立を待機する。センサ３において、ＭＣＵ２０は、ＥＣＵ２からのデータ受信完了信号を受信したと判定すると（Ａ８：ＹＥＳ）、データ送信処理を終了し、次のデータ送信処理の開始条件の成立を待機する。

ＥＣＵ２及びセンサ３が上記した一連の処理を行うことで、ＥＣＵ２からの供給電力及び複数のセンサ３の消費電力は図５に示すように変動する。ここでは、ＥＣＵ２が複数のセンサ３としてセンサＡ，Ｂの２個のセンサ３とデータ通信を行う場合について例示する。尚、センサＡ，Ｂは通信周期が同じであっても異なっても良い。センサＡ，Ｂは、データ送信処理の開始条件の成立を待機している期間をスタンバイ期間として動作している。センサＡのスタンバイ期間での消費電力を「Ｃａ１」とし、センサＢのスタンバイ期間での消費電力を「Ｃｂ１」とし、センサＡ，Ｂの両方がスタンバイ期間でのＥＣＵ２からの供給電力を「Ｓ１」とすると、以下の関係が成立する。
Ｓ１＝Ｃａ１＋Ｃｂ１

「Ｃａ１」及び「Ｃｂ１」は後述する同期計算期間及びデータ受信期間での消費電力よりも極めて小さな値であり、例えば１０μＷ程度である。よって、「Ｓ１」も後述する同期計算期間及びデータ送信期間での消費電力よりも極めて小さな値であり、数十μＷ程度である。又、センサＡ，Ｂが同種のセンサであれば、「Ｃａ１」と「Ｃｂ１」とが同じ値であるが、センサＡ，Ｂが異種のセンサであれば、「Ｃａ１」と「Ｃｂ１」とが異なる値となる場合がある。ここで、センサＡにおいてデータ送信処理の開始条件が成立すると（図５中「ｔ１」）、センサＡが同期計算を開始し、スタンバイ期間から同期計算期間に移行することで、センサＡの消費電力が「Ｃａ１」から「Ｃａ２」まで上昇する。このとき、ＥＣＵ２からの供給電力を「Ｓ２」とすると、以下の関係が成立する。
Ｓ２＝Ｃａ２＋Ｃｂ１

「Ｃａ２」は「Ｃａ１」よりも極めて大きな値であり、例えば１０ｍＷ程度である。このとき、センサＢはスタンバイ期間のままであるので、センサＡの消費電力の上昇分のみがＥＣＵ２からの供給電力の上昇に寄与することになり、「Ｓ２」は１０ｍＷ程度である。次いで、センサＡが同期計算を完了すると（図５中「ｔ２」）、センサＡの消費電力が「Ｃａ２」から「Ｃａ１」に低下する。このとき、ＥＣＵ２からの供給電力は、センサＡが同期計算を開始する前まで戻り、「Ｓ２」から「Ｓ１」まで低下する。次いで、センサＡがデータ送信を開始すると（図５中「ｔ３」）、センサＡの消費電力が「Ｃａ１」から「Ｃａ３」まで上昇する。このとき、ＥＣＵ２からの供給電力を「Ｓ３」とすると、以下の関係が成立する。
Ｓ３＝Ｃａ３＋Ｃｂ１

「Ｃａ３」も「Ｃａ１」よりも極めて大きな値である。このときも、センサＢはスタンバイ期間のままであるので、センサＡの消費電力の上昇分のみがＥＣＵ２からの供給電力の上昇に寄与することになる。次いで、センサＡがデータ送信を完了すると（図５中「ｔ４」）、センサＡの消費電力が「Ｃａ３」から「Ｃａ１」まで低下する。このとき、ＥＣＵ２からの供給電力は、センサＡがデータ送信を開始する前まで戻り、「Ｓ３」から「Ｓ１」まで低下する。このようにセンサＡにおいてデータ送信処理の開始条件が成立すると、ＥＣＵ２からの供給電力は、センサＢがスタンバイ期間を継続するので、センサＡが同期計算及びデータ送信を行うことに追従して変動する。

センサＢにおいてデータ送信処理の開始条件が成立した場合も同様である（図５中「ｔ５」〜「ｔ８」）。即ち、センサＢが同期計算を開始すると、センサＢの消費電力が「Ｃｂ１」から「Ｃｂ２」まで上昇し、このとき、ＥＣＵ２からの供給電力を「Ｓ４」とすると、以下の関係が成立する。
Ｓ４＝Ｃａ１＋Ｃｂ２

又、センサＢがデータ送信を開始すると、センサＢの消費電力が「Ｃｂ１」から「Ｃｂ３」まで上昇し、このとき、ＥＣＵ２からの供給電力を「Ｓ５」とすると、以下の関係が成立する。
Ｓ５＝Ｃａ１＋Ｃｂ３

このようにセンサＢにおいてデータ送信処理の開始条件が成立すると、ＥＣＵ２からの供給電力は、センサＡがスタンバイ期間を継続するので、センサＢが同期計算及びデータ送信を行うことに追従して変動する。

上記した構成では、センサＡ，Ｂがそれぞれ同期計算期間及びデータ送信期間を除く期間でスタンバイ期間となり得ることで、ＥＣＵ２からの供給電力を低減することができる。即ち、図６に示すように、センサＡ，Ｂがスタンバイ期間となり得ない従来の構成では、センサＡの同期計算期間とセンサＢの同期計算期間とが重なるので、センサＡの同期計算期間での消費電力を「Ｃａ１１」とし、センサＢの同期計算期間での消費電力を「Ｃｂ１１」とし、センサＡ，Ｂの両方が同期計算期間でのＥＣＵ２からの供給電力を「Ｓ１１」とすると、以下の関係が成立する。
Ｓ１１＝Ｃａ１１＋Ｃｂ１１

このとき、「Ｃａ１１」が「Ｃａ２」と等しく、「Ｃｂ１１」が「Ｃｂ２」と等しいので、「Ｓ１１」は「Ｓ２」や「Ｓ４」よりも大きな値となる。これに対し、本実施形態では、センサＡ，Ｂにおいて、データ送信処理を行う期間を除く期間、即ち、同期計算及びデータ送信の何れも行わないスタンバイ期間を設け、データ送信処理を行う期間を他のセンサがデータ送信処理を行う期間と重ならないようにした。その結果、ＥＣＵ２において、センサ３への供給電力がセンサ３の個数に依存して増えることがなくなる。尚、以上は、ＥＣＵ２がセンサＡ，Ｂの２個のセンサ３とデータ通信を行う場合を例示したが、ＥＣＵ２が３個以上のセンサ３とデータ通信を行う場合も同様である。

以下、電力通信システム１を構築する際に、自センサのデータ送信処理を行う期間が他センサのデータ送信処理を行う期間と重ならないように複数のセンサ３を選択する一例を説明する。どのような特性のセンサ３を１個の系に纏めるかは同期計算期間及びデータ送信期間に依存する。即ち、同期計算期間とデータ送信期間との和よりも通信周期が短いセンサ３は選択対象外となり、同期計算期間とデータ送信期間との和の数倍よりも通信周期が長いセンサ３が選択対象となる。具体的に説明すると、例えば同期計算期間が「１ｍｓ」であり、データ送信期間が「数百μｓ」であれば、通信周期が数μｓ程度の回転角センサやノックセンサ等は選択対象外となり、通信周期が数ｍｓ〜数十ｍｓ程度の圧力センサやポジションセンサや温度センサ等が選択対象となる。

図７に示すように、ＥＣＵ２に２本の電力線１３が接続されており、第１の系としてセンサＡ〜Ｉの９個のセンサ３を設け、第２の系としてセンサＪ〜Ｒの９個のセンサ３を設ける場合を説明する。図８は、第１の系に設けるセンサＡ〜Ｉの通信周期及び通信タイミングを示す。センサＡ〜Ｉの全ての同期計算期間が「１ｍｓ」であり、データ送信期間が「数百μｓ」であれば、センサＡ〜Ｉの内訳を、例えば通信周期が４［ｍｓ］のセンサ３を１個とし、通信周期が８［ｍｓ］のセンサ３を２個とし、通信周期が１６［ｍｓ］のセンサ３を２個とし、通信周期が３２［ｍｓ］のセンサ４を４個とし、通信タイミングを重ならないようにずらすことで、１個の系にセンサＡ〜Ｉの９個のセンサ３を纏めつつ、ＥＣＵ２からの供給電力を抑えることできる。第２の系に設けるセンサＪ〜Ｒについても同様である。このように同期計算期間及びデータ受信期間やシステムの仕様上で各センサ３に要求される通信周期を考慮し、１個の系に纏めるセンサ３を選択し、電力通信システム１を構築すれば良い。尚、物理的に近い位置に配置されるセンサ３を同じ系に纏めることで、電力線１３の長さを短くすることができる。

以上説明したように本実施形態によれば、次に示す効果を得ることができる。
各センサ３において、同期計算及びデータ送信の何れも行わないスタンバイ期間を設け、各センサ３が同期計算とデータ送信とを含むデータ送信処理を互いに重ならない期間で行うようにしたので、ＥＣＵ２においては、複数のセンサ３に対して同時に同期計算を行う必要がなくなり、１個のセンサ３に対して同期計算を行えば良くなる。これにより、同期計算期間での供給電力がセンサ３の個数に依存して増えることがなくなり、ＥＣＵ２からの供給電力の増加を回避しつつも１個の系に纏められるセンサ３の個数を増やすことができ、省線化を適切に図ることができる。特に車両に搭載される構成では、省線化により車両重量を軽減することができ、燃費向上に寄与することができる。又、電源線及びグランド線が共通化されている複数のセンサ３を１個の系に纏めることで、配索からの変更を容易とすることができる。

本発明は、上記した実施形態で例示したものに限定されることなく、その範囲を逸脱しない範囲で任意に変形又は拡張することができる。
車両に搭載される車両用の電力線通信システムに適用する構成に限らず、他の用途の電力線通信システムに適用する構成でも良い。
通信周期が比較的長いセンサとして、圧力センサ、ポジションセンサ、温度センサを例示したが、他のセンサを用いても良い。

図面中、１は電力線通信システム、２は電子制御装置（マスタ装置）、３はセンサ（スレーブ装置）、１３は電力線、１４はコイルである。

Claims (6)

1. マスタ装置（２）と、前記マスタ装置に接続されている電力線（１３）と、それぞれがコイル（１４）を有する複数のスレーブ装置（３）と、を備え、前記電力線と前記コイルとが磁界共鳴することで前記マスタ装置が前記複数のスレーブ装置と択一的に前記電力線を通じてデータ通信を行う電力線通信システム（１）において、
   システムの仕様上で要求される通信周期が異なる複数のスレーブ装置が同一の電力線に接続されていることで少なくとも１つの系が構成されており、
   前記複数のスレーブ装置の個々は、データ送信処理の開始条件が所定の通信周期により成立すると、同期計算とデータ送信とを含むデータ送信処理を、他のスレーブ装置がデータ送信処理を行う期間と重ならない期間で行う電力線通信システム。
2. 請求項１に記載した電力線通信システムにおいて、
   前記系の数は、システム内のスレーブ装置の数よりも少ない電力線通信システム。
3. 請求項２に記載した電力線通信システムにおいて、
   １個の系に接続されているスレーブ装置の数は、同期計算期間及びデータ受信期間やシステムの仕様上で各スレーブ装置に要求される通信周期が考慮されて決定されている電力線通信システム。
4. 請求項１から３の何れか一項に記載した電力線通信システムにおいて、
   前記マスタ装置は、車両に搭載されている電子制御装置（２）であり、
   前記複数のスレーブ装置は、車両に搭載されている複数のセンサ（３）である電力線通信システム。
5. 請求項４に記載した電力線通信システムにおいて、
   前記複数のセンサは、圧力センサ、ポジションセンサ、温度センサのうち少なくとも何れかである電力線通信システム。
6. 請求項５に記載した電力線通信システムにおいて、
   前記複数のセンサは、電源線及びグランド線が共通化されているセンサである電力線通信システム。

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