JP7307585B2 - Time synchronization measurement system - Google Patents
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Description
本発明は、通信ネットワークを介して相互接続された1つのマスター機と複数のスレーブ機とにより計測対象の多点を同一タイミングで計測する時刻同期計測システムに関するものである。 The present invention relates to a time-synchronized measurement system for measuring multiple points of measurement targets at the same timing by one master device and a plurality of slave devices interconnected via a communication network.
従来から、通信ネットワークを介して多数のノードが接続され、各ノード間で時刻同期を保ちつつ所定の処理を実行する時刻同期システムが知られている。時刻同期システムにおける時刻同期の方法として、有線で行うもの、無線で行うもの、有線と無線を組み合わせたものがある。例えば、GPSの無線信号を用いた時刻同期システムが提案されている(特許文献1参照)。また例えば、無線LANを介してマスター機とスレーブ機との間で、タイムスタンプを用いた正確な時刻同期を行う時刻同期システムが提案されている(特許文献2参照)。なお、時刻同期システムに関連して、IEEE1588にも規定されている。 2. Description of the Related Art Conventionally, there has been known a time synchronization system in which a large number of nodes are connected via a communication network and predetermined processing is executed while maintaining time synchronization between the nodes. Methods of time synchronization in a time synchronization system include a wired method, a wireless method, and a combination of wired and wireless methods. For example, a time synchronization system using GPS radio signals has been proposed (see Patent Document 1). Further, for example, a time synchronization system has been proposed that performs accurate time synchronization using time stamps between a master device and a slave device via a wireless LAN (see Patent Document 2). It should be noted that IEEE 1588 is also defined in relation to the time synchronization system.
一般に、上記従来の時刻同期の方法を適用し、基準時刻を生成するマスター機と基準時刻に同期する時刻を用いる複数のスレーブ機とからなる時刻同期計測システムを構築する場合、音や振動などが高速に伝搬する状況を測定するには、複数の計測箇所のそれぞれにセンサを設置する形態が想定される。この場合、それぞれのセンサに接続されるAD変換器を設け、それぞれのAD変換器を高精度にタイミングを合わせてサンプリングを開始する必要がある。しかし、従来の時刻同期の方法によれば、マスター機と複数のスレーブ機との間で時刻同期を保ったとしても、AD変換器のサンプリング開始を高精度に同期させることは困難であった。 In general, when applying the conventional time synchronization method described above and building a time synchronization measurement system consisting of a master device that generates a reference time and a plurality of slave devices that use time synchronized with the reference time, sounds, vibrations, etc. In order to measure the state of high-speed propagation, it is assumed that a sensor is installed at each of a plurality of measurement points. In this case, it is necessary to provide AD converters connected to the respective sensors, and to start sampling by synchronizing the timings of the respective AD converters with high accuracy. However, according to the conventional time synchronization method, even if time synchronization is maintained between the master device and a plurality of slave devices, it is difficult to synchronize the sampling start of the AD converters with high accuracy.
上記課題を解決するために、本発明は、1つのマスター機(10)と少なくとも1つのスレーブ機(11)とが通信ネットワーク(NW)を介して相互接続された時刻同期計測システムにおいて、前記マスター機は、基準クロック(C0)に基づく基準時刻(T0)を生成する基準時刻生成部(20、21)と、前記基準時刻を含む情報を前記スレーブ機に送信する第1の通信部と(30)とを備え、前記スレーブ機は、前記マスター機から前記基準時刻を含む情報を受信する第2の通信部(52)と、内部クロック(C1)に基づき生成された内部時刻(T1)と前記基準時刻との間の誤差(E)に基づき前記内部クロックの周波数を制御することで、前記スレーブ機を前記マスター機に時刻同期させる時刻同期部(40、41、42)と、所定の物理量を計測してアナログ信号を抽出するセンサ部(51)と、前記アナログ信号をサンプリングしてディジタル信号に変換するAD変換部(47)と、前記内部クロックに基づき、前記AD変換部で用いるサンプリングクロック(SC1)を生成するサンプリングクロック生成部(46)と、前記サンプリングクロック生成部の動作を初期化するリセット信号(R1)を生成するリセット信号生成部(46)と、前記通信ネットワークに接続された制御装置(13)と、を備え、前記制御装置は、前記時刻同期部により前記スレーブ機が前記マスター機と時刻同期状態にある場合、前記スレーブ機と前記マスター機とにサンプリング開始時刻を設定し、前記リセット信号生成部は、前記サンプリング開始時刻が到来したタイミングで前記サンプリングクロック生成部に前記リセット信号を供給することを特徴としている。 In order to solve the above problems, the present invention provides a time synchronization measurement system in which one master device (10) and at least one slave device (11) are interconnected via a communication network (NW), wherein the master a reference time generator (20, 21) for generating a reference time (T0) based on a reference clock (C0); a first communication unit (30) for transmitting information including the reference time to the slave device; ), the slave device includes a second communication unit (52) that receives information including the reference time from the master device, an internal time (T1) generated based on an internal clock (C1), and the A time synchronization unit (40, 41, 42) for time-synchronizing the slave device with the master device by controlling the frequency of the internal clock based on the error (E ) between the reference time and a predetermined physical quantity. A sensor unit (51) for measuring and extracting an analog signal, an AD converter (47) for sampling the analog signal and converting it to a digital signal, and a sampling clock (47) used in the AD converter based on the internal clock. SC1), a reset signal generator (46) for generating a reset signal (R1) for initializing the operation of the sampling clock generator, and a controller connected to the communication network. a device (13) , wherein the control device sets a sampling start time for the slave device and the master device when the slave device is in a time synchronization state with the master device by the time synchronization unit; The reset signal generator supplies the reset signal to the sampling clock generator at the timing when the sampling start time arrives.
本発明によれば、マスター機とスレーブ機が時刻同期状態のとき、予め定めたサンプリング開始時刻が到来するとリセット信号のタイミングでAD変換部のサンプリングが開始される。このとき、全てのスレーブ機のサンプリング動作は基準時刻で規定されるためナノ秒オーダーで同一のタイミングとなる。従って、高速に伝搬する音や振動などを計測する場合、高い精度で時刻同期しつつ多点に設置したセンサを用いて高精度に計測を行うことが可能となる。 According to the present invention, when the master device and the slave device are in the time synchronization state, when the predetermined sampling start time arrives, the sampling of the AD converter is started at the timing of the reset signal. At this time, since the sampling operations of all the slave devices are defined by the reference time, they have the same timing on the order of nanoseconds. Therefore, when measuring sound or vibration propagating at high speed, it is possible to perform highly accurate measurement using sensors installed at multiple points while synchronizing the time with high accuracy.
本発明のマスター機は、スレーブ機と同様、センサ部と、AD変換部と、基準クロックに基づきマスター機のAD変換部で用いるサンプリングクロックを生成するマスター機側サンプリングクロック生成部と、マスター機側サンプリングクロック生成部の動作を初期化するリセット信号を生成するマスター機側リセット信号生成部とを設けて構成することができる。この場合、マスター機のリセット信号は、スレーブ機と同様、マスター機とスレーブ機が時刻同期状態にある場合、サンプリング開始時刻が到来したタイミングでマスター機側サンプリングクロック生成部に供給することができる。これにより、例えば、1つのマスター機とN個のスレーブ機とを用いて、多数のセンサ部を多点に設置して計測を行うことができる。マスター機が測定機能を持つ場合はNは1以上、持たない場合はNは2以上である。Nの最大値はネットワーク環境に依存する。 As with the slave device, the master device of the present invention includes a sensor unit, an AD conversion unit, a master device side sampling clock generation unit that generates a sampling clock used in the AD conversion unit of the master device based on a reference clock, and a master device side A master machine side reset signal generating section for generating a reset signal for initializing the operation of the sampling clock generating section can be provided. In this case, similarly to the slave device, the reset signal of the master device can be supplied to the sampling clock generator on the master device side at the timing when the sampling start time arrives when the master device and the slave devices are in the time synchronization state. As a result, for example, one master device and N slave devices can be used to install a large number of sensor units at multiple points for measurement. N is 1 or more if the master machine has a measurement function, and N is 2 or more if it does not. The maximum value of N depends on the network environment.
本発明において、前記制御装置は、マスター機と複数のスレーブ機の全てが時刻同期状態にあるとき、サンプリング開始時刻をマスター機及び複数のスレーブ機の全てに設定することができる。このような制御装置としては、例えば、時刻制御に関わるプログラムを実行可能なパーソナルコンピュータを用いることができる。
In the present invention, the control device can set the sampling start time for all of the master device and the plurality of slave devices when the master device and the plurality of slave devices are all in the time synchronization state. As such a control device, for example, a personal computer capable of executing a program related to time control can be used.
スレーブ機の時刻同期部は、内部時刻と基準時刻との誤差を算出して誤差信号として出力する誤差検出部と、制御電圧に応じて発振周波数が制御され内部クロックを出力する電圧制御発振器と、誤差信号に基づき制御電圧を制御するPI制御部と含めて構成することができる。この場合、制御電圧の制御に際し、PI制御部が介在しない直接制御モードと、PI制御部によるPI制御モードの順に切り替えてもよい。また、PI制御モードにおいては、誤差信号の大きさに応じて、時刻同期の状態が異なる複数段階のパラメータ群を選択的に設定可能としてもよい。以上のように、スレーブ機の時刻同期部では、同期状態や環境条件等に応じて、きめ細かく制御手法やパラメータを調整することができる。 The time synchronization unit of the slave device includes an error detection unit that calculates the error between the internal time and the reference time and outputs it as an error signal, a voltage controlled oscillator that outputs an internal clock whose oscillation frequency is controlled according to the control voltage, It can be configured to include a PI control section that controls the control voltage based on the error signal. In this case, when controlling the control voltage, the direct control mode in which the PI control unit does not intervene and the PI control mode by the PI control unit may be switched in this order. Further, in the PI control mode, it may be possible to selectively set a plurality of stages of parameter groups with different time synchronization states according to the magnitude of the error signal. As described above, the time synchronization unit of the slave device can finely adjust the control method and parameters according to the synchronization state, environmental conditions, and the like.
本発明のAD変換部としては、デルタシグマ変調技術を利用したデルタシグマ型AD変換器を用いることができる。これにより、十分に小さいジッタが要求されるデルタシグマ型AD変換器のMCLK(マスタークロック)に、本発明のサンプリングクロックを供給し、安定化を図ることができる。この場合、複数のスレーブ機のそれぞれは、AD変換部から出力されたディジタル信号をダウンサンプリングするダウンサンプリング部を更に設け、スレーブ機のリセット信号を、サンプリング開始時刻が到来したタイミングで、サンプリングクロック生成部に加えて、ダウンサンプリング部に供給してもよい。また、サンプリング開始時刻から所定の時間範囲内で、ダウンサンプリング部から出力されるディジタル信号からなる波形データを保持する波形記憶部を更に設けてもよい。 A delta-sigma AD converter using delta-sigma modulation technology can be used as the AD converter of the present invention. As a result, the sampling clock of the present invention can be supplied to the MCLK (master clock) of a delta-sigma AD converter that requires sufficiently small jitter, and stabilization can be achieved. In this case, each of the plurality of slave devices further includes a down-sampling section for down-sampling the digital signal output from the AD conversion section, and generates a sampling clock for the reset signal of the slave device at the timing when the sampling start time arrives. In addition to the section, it may be supplied to the downsampling section. Further, a waveform storage section may be further provided for holding waveform data composed of digital signals output from the down-sampling section within a predetermined time range from the sampling start time.
本発明において、通信ネットワークを無線ネットワークとし、第1の通信部及び第2の通信部のそれぞれを、無線ネットワークを介してデータを送受信する無線部とすることができる。この場合において、無線ネットワークは、所定の規格に準拠した無線LANとし、マスター機及び複数のスレーブ機との間で、無線LANのアクセスポイントを介して送受信を行う構成を採用してもよい。 In the present invention, the communication network can be a wireless network, and each of the first communication unit and the second communication unit can be wireless units that transmit and receive data via the wireless network. In this case, the wireless network may be a wireless LAN conforming to a predetermined standard, and a configuration may be adopted in which transmission and reception are performed between the master device and a plurality of slave devices via wireless LAN access points.
本発明によれば、マスター機と複数のスレーブ機との間の高精度の時刻同期を実現しつつ、それぞれのセンサ部で用いるAD変換部のサンプリングの開始タイミングを高精度に一致させることができ、多数の計測箇所で音や振動などを同時に計測する用途に適した時刻同期計測システムを実現することができる。 According to the present invention, it is possible to achieve high-precision time synchronization between a master device and a plurality of slave devices, and to match the sampling start timings of the AD converters used in the respective sensor units with high precision. It is possible to realize a time-synchronized measurement system suitable for simultaneous measurement of sound, vibration, etc. at a large number of measurement points.
以下、本発明の好適な実施形態について、図面を参照しながら説明する。ただし、以下に述べる実施形態は本発明の技術思想を適用した形態の一例であって、本発明が本実施形態の内容により限定されることはない。本実施形態では、計測対象物における音や振動等の物理量を計測するための時刻同期計測システムに対して、本発明を適用する場合を説明する。 Preferred embodiments of the present invention will be described below with reference to the drawings. However, the embodiment described below is an example of a form to which the technical idea of the present invention is applied, and the present invention is not limited by the content of the present embodiment. In this embodiment, a case will be described in which the present invention is applied to a time-synchronized measurement system for measuring physical quantities such as sound and vibration in an object to be measured.
図1は、本実施形態の時刻同期計測システム(以下、単に「計測システム」という)の概略の構成を示すブロック図である。図1に示すように、本実施形態の計測システムは、通信ネットワークNWを介して相互接続され、1つのマスター機10と、N個のスレーブ機11(1)~11(N)と、1つのアクセスポイント12と、1つの制御装置13とを含んで構成される。なお、以下では、N個のスレーブ機11(1)~11(N)のそれぞれを区別せず、単にスレーブ機11と表記する。
FIG. 1 is a block diagram showing a schematic configuration of a time synchronization measurement system (hereinafter simply referred to as "measurement system") of this embodiment. As shown in FIG. 1, the measurement system of this embodiment is interconnected via a communication network NW, and includes one
図1において、通信ネットワークNWは、例えば、所定の規格に準拠した無線LANであり、この場合においてアクセスポイント12は、無線LANアクセスポイントとして機能し、それぞれのマスター機10、スレーブ機11、制御装置13の間のデータ送受信を中継する役割がある。また、制御装置13は、例えば、一般的なパーソナルコンピュータであり、後述の時刻制御を行う際に実行すべきプログラムを記憶保存している。1つのマスター機10及びN個のスレーブ機11のそれぞれは、計測対象物の各部に設置され、時刻同期した共通のタイミングで音や振動等の物理量を計測する役割がある。高精度に時刻同期した状態で計測することで、物理量の伝搬の様子を高精度に計測することができるため、より精細な構造解析や異常診断をすることができる。
In FIG. 1, the communication network NW is, for example, a wireless LAN conforming to a predetermined standard, and in this case the
ここで、図2及び図3を参照して、図1の計測システムのうち主にマスター機10及びスレーブ機11の構成及び動作について具体的に説明する。なお、図3では、1つのスレーブ機11のみを示しているが、それ以外のN-1個のスレーブ機11についても構成は共通であるため省略する。
Here, with reference to FIGS. 2 and 3, the configuration and operation of mainly the
図2に示すように、マスター機10は、水晶発振器20と、時計部21と、タイムスタンパ22と、サンプリングクロック生成部23と、リセット信号生成部24と、AD変換部25と、AAF(Anti-Aliasing Filter)部26と、ダウンサンプリング部27と、波形記憶部28と、センサ部29と、無線部30とを備えて構成される。なお、図2には示されないが、マスター機10は、動作を制御するための制御部を備えている。
As shown in FIG. 2, the
マスター機10において、水晶発振器20は、水晶振動子を用いた発振回路であり、タイミング基準となる所定の発振周波数を有する基準クロックC0を生成する。時計部21は、マスター機10の計時手段として機能し、水晶発振器20から出力される基準クロックC0をカウントし、そのカウント値を基準時刻T0として出力する。基準時刻T0は、絶対時刻ではなく、例えば、マスター機10の電源投入後に0から開始し、1、2、3のように1つずつ増加させることができる。図2において、水晶発振器20及び時計部21は、マスター機10における基準時刻生成部として機能する。
In the
本実施形態では、基準時刻T0が全てのスレーブ機11の時刻同期の基準となるが、詳しくは後述する。時計部21による基準時刻T0は、例えば1ナノ秒刻みであり、その精度は水晶発振器20の発振周波数に依存する。水晶発振器20の1クロック毎に、基準時刻T0は所定のナノ秒分カウントアップされる。
In this embodiment, the reference time T0 is the reference for time synchronization of all the
タイムスタンパ22は、アクセスポイント12から無線部30を介して受信されるビーコンを認識し、その時点で時計部21から入力される基準時刻T0を含むタイムスタンプTS0を生成する。アクセスポイント12により定期的に送信されるビーコンには、識別子としてのTSF(Timing Synchronization Function)値が付加されており、同一のTSF値を有するビーコンはマスター機10及びスレーブ機11の両方で受信される。タイムスタンパ22では、受信したTSF値付きのビーコンと、その時点の基準時刻T0とがペアにされ、リスト化される。また、タイムスタンパ22により生成されたタイムスタンプTS0は、無線部30からアクセスポイント12を経由してスレーブ機11に送信されるが、その際の動作については後述する。
The
サンプリングクロック生成部23は、水晶発振器20から出力される基準クロックC0を分周し、AD変換部25の動作に用いるサンプリングクロックSC0を生成する。例えば、基準クロックC0の周波数が前述の50MHzであって、サンプリングクロック生成部23が基準クロックC0を8分周する場合、サンプリングクロックSC0の周波数は6.25MHzとなる。なお、実際のサンプリングクロックSC0の周波数は後述のAD変換部25の仕様に応じて適切に決定される。
The
リセット信号生成部24は、制御装置13により設定される後述のサンプリング開始時刻が到来すると、サンプリングクロック生成部23及びダウンサンプリング部27のそれぞれの動作を初期化するためのリセット信号R0を生成する。すなわち、リセット信号生成部24は、時計部21から出力される基準時刻T0が、設定済みのサンプリング開始時刻に一致したタイミングで、リセット信号R0を出力する。初期化によって、リセット信号R0に一致するサンプリング開始時刻を起点として、他のスレーブ機11とナノ秒オーダーで位相を合わせて同じタイミングで、サンプリングクロック生成部23及びダウンサンプリング部27のそれぞれの動作が開始される。また、サンプリング開始時刻は、サンプリングクロック生成部23用の第1サンプリング開始時刻とダウンサンプリング部27用の第2サンプリング開始時刻として別々に設定してもよい。その場合、第1サンプリング開始時刻と第2サンプリング開始時刻は、同じでもよいし、第1サンプリング開始時刻の所定時間後に第2サンプリング開始時刻を設定してもよい。
The reset
AD変換部25は、サンプリングクロック生成部23により生成されるサンプリングクロックSC0を用いて、センサ部29から出力されるアナログ信号をディジタル信号に変換する。AD変換部25としては、いわゆるデルタシグマ変調技術を利用してアナログ信号をディジタル信号に変換するデルタシグマ型AD変換器を用いることができる。前述のサンプリングクロックSC0がMCLK(マスタークロック)として供給される場合には、高度な安定性を有してジッタが極めて小さいMCLKを用いることが要求される。
The
AAF部26は、AD変換部25から出力されるディジタル信号に対し、サンプリング時に発生するエイリアシング(折り返し雑音)を除去するフィルタである。また、ダウンサンプリング部27は、AAF部26から出力されるディジタル信号に対し、サンプリングクロックSC0よりも低い周波数を用いてサンプリングすることで、ディジタル信号の間引きを行う。よって、ダウンサンプリング部27からは、サンプリングクロックSC0よりも低い周波数のデータレートでディジタル信号が出力される。なお、前述したようにダウンサンプリング部27の動作は、前述のリセット信号R0に応じて開始される。従って、ナノ秒オーダーで開始タイミングを同期させることができる。
The
波形記憶部28は、サンプリング開始時刻から所定の時間範囲内で、ダウンサンプリング部27から出力されるディジタル信号からなる波形データを保持する記憶手段である。波形記憶部28に保持される波形データは、前述の時間範囲内におけるセンサ部29のアナログ信号の波形パターンに対応している。なお、波形記憶部28としては、マスター機10の内部記憶装置を用いてもよいが、マスター機10に直接又は無線ネットワークを介して接続可能な外部記憶装置を用いてもよい。
The
センサ部29は、計測対象物に取り付けられ、所定の物理量を検知するセンサである。本実施形態の計測システムでは、測定対象物の常時監視ではなく、測定対象物の多数の計測箇所から伝達速度の速い物理量を同一タイミングで計測することを目的としている。よって、センサ部29としては、例えば、建造物の各部の振動や所定空間の各位置の音などを計測するための加速度センサやマイクロホンなどを挙げることができる。
The
無線部30(本発明の第1の通信部)は、ネットワークNW内で無線によるデータの送受信を行うモジュールである。既に説明したように、無線部30は、アクセスポイント12を介して、全てのスレーブ機11にタイムスタンプTS0を送信するとともに、制御装置13から制御信号(サンプリング開始時刻を含む)を受信する。
The wireless unit 30 (first communication unit of the present invention) is a module that wirelessly transmits and receives data within the network NW. As already explained, the
次に図3に示すように、スレーブ機11は、誤差検出部40と、PI制御部41と、本発明の電圧制御発振器であるVC-TCXO(Voltage-Controlled Temperature Compensated Crystal Oscillator)42と、時計部43と、タイムスタンパ44と、サンプリングクロック生成部45と、リセット信号生成部46と、AD変換部47と、AAF部48と、ダウンサンプリング部49と、波形記憶部50と、センサ部51と、無線部52とを備えて構成される。なお、図3には示されないが、マスター機10と同様、スレーブ機11は、動作を制御するための制御部を備えている。
Next, as shown in FIG. 3, the
スレーブ機11において、誤差検出部40は、マスター機10のタイムスタンパ22で生成された前述のタイムスタンプTS0を、アクセスポイント12及び無線部52を介して入力するとともに、スレーブ機11のタイムスタンパ44で生成された後述のタイムスタンプTS1を入力し、基準時刻T0と後述の内部時刻T1との間の誤差を示す誤差信号Eを検出する。具体的には、誤差検出部40において、タイムスタンプTS0とタイムスタンプTS1の同一TSF値におけるマスター機10の基準時刻T0からスレーブ機11の内部時刻T1を減じることで、誤差信号E(=T0-T1)を算出する。
In the
PI制御部41は、誤差検出部40から出力される誤差信号Eに基づいて、後述のVC-TCXO42に供給される制御電圧Vcを制御する。本実施形態では、時刻の調整に際し、スレーブ機11の同期状態に応じて、PI制御部41が介在しない直接制御モードと、PI制御部41によるPI制御モードの切り替えが可能である。このうち、直接制御モードは、動作初期の誤差信号Eが大きいとき(例えば、1秒相当)、内部時刻T0に強制的に時間差分を加減算する手法である。一方、誤差信号Eが比較的小さいときは、PI制御部41の動作によるPI制御モードに移行する。
The
ここで、図4には、PI制御部41の具体的な構成例を示している。図4に示すPI制御部41は、誤差信号EにPゲインを乗じる乗算器60と、誤算信号Eを積分する積分器61と、積分器61の出力にIゲインを乗じる乗算器62と、2つの乗算器60、62の出力を加算する加算器63と、加算器63の出力レベルを制限するリミッタ64を含んで構成される。リミッタ64の出力は、そのまま制御電圧VcとしてVC-TCXO42に供給される。
Here, FIG. 4 shows a specific configuration example of the
図4のPI制御部41により、スレーブ機11の全体の構成のうち、VC-TCXO42の発振周波数を制御対象とするフィードバック制御が実現できる。また、最終段にリミッタ64を設け、加算器63の出力レベルの上限と下限を制限することで、同期状態から外れた場合であっても制御電圧Vcを適切な範囲内に制限でき、VC-TCXO42から出力される内部クロックC1を適切な周波数範囲に安定化させることができる。従って、AD変換部25に供給されるサンプリングクロックSC0は、同期状態から外れた場合であっても適切な範囲内に制限されるため、AD変換部25にデルタシグマ型AD変換器を用いても稼動し続けることができる。図4におけるPゲイン及びIゲインについては、スレーブ機11の時刻同期の状態に応じて変更することができる。なお、図4は例示であって、PI制御部41は、同様のフィードバック制御を実現可能な多様な制御回路で置き換えることができる。
The
図3に戻って、VC-TCXO42は、PI制御部41から供給される制御電圧Vcに応じた発振周波数に制御可能な温度補償型の水晶発振器であり、内部クロックC1を生成する。内部クロックC1の周波数により、時計部43の時刻の進み具合を速くしたり遅くしたりする。この内部クロックC1は、誤差信号Eが許容範囲内となるような状態においては、マスター機10の基準クロックC0との位相のズレが許容範囲内になる。
Returning to FIG. 3, the VC-
時計部43及びタイムスタンパ44のそれぞれの機能は、マスター機10の時計部21及びタイムスタンパ22と概ね共通であるため、具体的な説明は省略する。なお、図3に示すように、時計部43は、内部クロックC1に基づく内部時刻T1を出力し、タイムスタンパ44は、内部時刻T1を含むタイムスタンプTS1を出力する。内部時刻T1は、基準時刻T0と同様、例えば、スレーブ機11の電源投入後に0から開始し、1、2、3のように1つずつ増加させることができる。この場合、マスター機10とスレーブ機11の間で時刻同期がなされると、内部時刻T1が基準時刻T0に一致する状態となる。なお、タイムスタンパ44には、マスター機10のタイムスタンパ22と同様、アクセスポイント12及び無線部52を介して前述のビーコンが受信される。図3において、誤差検出部40と、PI制御部41と、VC-TCXO42と、時計部43は、スレーブ機11における時刻同期部として機能する。
The respective functions of the
また、サンプリングクロック生成部45、リセット信号生成部46、AD変換部47、AAF部48、ダウンサンプリング部49、波形記憶部50、センサ部51、無線部52(本発明の第2の通信部)についても、それぞれマスター機10のサンプリングクロック生成部23、リセット信号生成部24、AD変換部25、AAF部26、ダウンサンプリング部27、波形記憶部28、センサ部29、無線部30と共通の機能を有するため、説明を省略する。なお、図3に示すように、サンプリングクロック生成部45は、内部クロックC1に基づくサンプリングクロックSC1を出力し、リセット信号生成部46は、リセット信号R1を出力する。サンプリングクロックSC1及びリセット信号R1は、マスター機10とスレーブ機11が時刻同期された状態であれば、マスター機10のサンプリングクロックSC0及びリセット信号R0と同様に変化する。
Also, a sampling
なお、本実施形態においては、マスター機10がセンサ部29とその関連の構成要素を具備するが、センサ部29等を具備しないマスター機10を用いてもよい。具体的には、マスター機10に、水晶発振器20、時計部21、タイムスタンパ22、無線部30のみを設け、他の構成要素を設けない構成を採用してもよい。この場合、マスター機10は、センサ部29を用いた計測手段としては機能せず、基準時刻生成機能のみを有する。また、マスター機10が制御装置13と一体的に組み込まれた構成を採用してもよい。
In this embodiment, the
また、図2及び図3において、AAF部26、48及びダウンサンプリング部27、49を設けない構成を採用してもよい。例えば、AD変換部25、47が十分に低周波数領域をカバーしていれば、ディジタル信号に対するダウンサンプリングは省くことができる。また、図1の通信ネットワークNWは、無線LANには限らず、異なる無線方式であってもよく、この場合にタイムスタンパ22、44を設けない構成としてもよい。また、通信ネットワークNWとしては、有線ネットワーク、あるいは有線と無線を組み合せたネットワークを採用してもよい。この場合、無線部30、52は、ネットワークNWの通信方式に適合した無線部あるいは通信部に置き換えればよい。
2 and 3, a configuration without the
以下、図5を参照しつつ、本実施形態の計測システムにおいて、図2のマスター機10及び図3のスレーブ機11の時刻同期の動作を説明する。図5は、主にマスター機10及びスレーブ機器11の時刻同期に関連する流れを示すフローチャートである。以下の説明において、スレーブ機11の動作はN個のスレーブ機11の全てに共通である。まず、図5に示すように、マスター機10及びスレーブ機11を電源投入などにより、それぞれ起動する(ステップS10、S20)。続いて、マスター機10の無線部30とスレーブ機11の無線部52が動作し、マスター機10及びスレーブ機11を含むネットワークNW内での無線LAN接続が確立する(ステップS11、S21)。
Hereinafter, the time synchronization operation of the
次いで、マスター機10からスレーブ機11へのタイムスタンプTS0の送信が開始され(ステップS12)、同時にスレーブ機11の誤差検出部40による誤差信号Eの検出が開始される(ステップS22)。スレーブ機11において、ステップS22の直後には、マスター機10と非同期状態にあって誤差信号Eが大きい値であるため、前述の直接制御モードによりVC-TCXO42の制御電圧Vcが制御される。直接制御モードにより、スレーブ機11では低い精度の時刻同期状態となるが、誤差信号Eが許容範囲になると、前述の直接制御モードから、PI制御部41によるPI制御モードに切り替える(ステップS22a)。なお、ステップS22aの切り替えに際しては、誤差信号Eの値に加えて、無線通信の状態やPI制御部41の出力状態などが考慮される。
Next, transmission of the time stamp TS0 from the
次いで、ステップS12、S22から一定の時間の経過後に、誤差信号Eが十分に小さい値になり、マスター機10とスレーブ機11とが高精度の時刻同期状態に移行する(ステップS13、S23)。この時点では、マスター機10の基準クロックC0とスレーブ機11の内部クロックC1の位相が同期しつつ、マスター機10の基準時刻T0とスレーブ機11の内部時刻T1が互いにナノ秒オーダーで一致した状態にある。なお、N個のスレーブ機11がそれぞれ高精度の時刻同期状態に移行し、所定時間だけ高精度の時刻同期状態が維持された場合、時刻同期が安定した状態であると判断し、通知信号を制御装置13に送信する。
After a certain period of time has elapsed from steps S12 and S22, the error signal E becomes sufficiently small, and the
次いで、制御装置13は、全てのスレーブ機11からこの通知信号を受信したら、マスター機10及びスレーブ機11に対して前述のサンプリング開始時刻を設定する(ステップS30)。計測現場の状況により、全てのスレーブ機11が時刻同期状態となることが困難であるときは、一部のスレーブ機11からの通知信号の受信により、サンプリング開始時刻を設定してもよい。このとき、マスター機10とスレーブ機11との間では、高精度の時刻同期状態が維持されている。その後、マスター機10及びスレーブ機11において、サンプリング開始時時刻が到来するまで待ち続ける(ステップS14、S24)
Next, when the
その後、マスター機10及びスレーブ機11において、サンプリング開始時刻が到来すると(ステップS14:YES、S24:YES)、それぞれのリセット信号生成部24、46からリセット信号R0、R1が出力される(ステップS15、S25)。これにより、マスター機10及びスレーブ機11のそれぞれのサンプリングクロック生成部23、45及びダウンサンプリング部27、49が同じタイミングで初期化される。そして、マスター機10及びスレーブ機11では、ステップS15、S25から所定時間(予め設定されたサンプリング数)が経過するまでサンプリング動作を継続する(ステップS16、S26)。その後、サンプリング動作を終了し、その間の波形データがマスター機10及びスレーブ機11の波形記憶部28、50に保持され、図5の一連の動作が完了する。
After that, when the sampling start time arrives in the
ここで、スレーブ機11によるステップS22aのPI制御モードについて具体的に説明する。図4を用いて説明したように、PI制御部41におけるPゲインとIゲインに応じて、VC-TCXO42に供給される制御電圧Vcの変化の仕方が異なる。よって、予めPゲインとIゲインの異なる組合せからなる複数段階のパラメータ群を設定し、PI制御モード時の所望のパラメータを選択的に設定可能とすることが望ましい。この場合、PI制御部41による制御電圧Vcの応答速度は、PゲインとIゲインに応じて異なるので、応答速度が異なる複数段階のパラメータ群を設定し、所望の応答速度に応じてパラメータ群を切り替え可能にしてもよい。
Here, the PI control mode of step S22a by the
例えば、PI制御モードにおいて、制御電圧Vcの応答速度が最も遅いパラメータを第1段階とし、第2段階から第3段階の順に応答速度が早くなり、応答速度が最も早いパラメータを第4段階として設定することができる。このようにPI制御モードにおいて、誤差信号Eが大きいときは第1段階のパラメータを使い、誤差信号Eが十分に小さいときは第4段階のパラメータを使う。最初は、第2段階か第3段階のパラメータを設定しておくと効率がよい。 For example, in the PI control mode, the parameter with the slowest response speed of the control voltage Vc is set as the first stage, the response speed becomes faster in order from the second stage to the third stage, and the parameter with the fastest response speed is set as the fourth stage. can do. Thus, in the PI control mode, the first stage parameters are used when the error signal E is large, and the fourth stage parameters are used when the error signal E is sufficiently small. Initially, it is efficient to set parameters for the second or third stage.
以上説明したように、本実施形態の計測システムにより、マスター機10と複数のスレーブ機11との間で高精度な時刻同期を実現しつつ、リセット信号R0、R1によるAD変換部25、47のサンプリング動作を同一タイミングで開始することができる。この場合、従来の時刻同期の手法では、時刻同期の状態になったとしても、それぞれのサンプリングクロックがずれる可能性が排除できないのに対し、本実施形態ではマスター機10と各スレーブ機11との間で、基準時刻T0と内部時刻T1が同期し、かつ基準クロックC0の位相と内部クロックC1の位相が同期しているので、リセット信号R0、R1に基づくサンプリング開始時刻を確実に一致させることができる。
As described above, the measurement system of the present embodiment realizes highly accurate time synchronization between the
本実施形態のAD変換部25、47には、デルタシグマ型AD変換器を用いている。一般に計測分野において用いられるAD変換器であるが、AD変換器のマスタークロック(本実施形態のサンプリングクロックSC0、SC1)にジッタが生じると、誤動作や動作停止により、サンプリングが停止する場合がある。計測の現場においては、一度始めた計測は、たとえ非同期状態となったとしても、最後までデータを取り続けたいという要望がある。そこで、本実施形態においては、通信障害等により一部のスレーブ機11が時刻同期状態から非時刻同期状態となったとしても、PI制御部41のリミッタ64により制御電圧Vcを適切な範囲内に維持できるようにした。このため、VC-TCXO42から出力される内部クロックC1の周波数を適切な範囲内に維持できるので、内部クロックC1に基づき生成されるサンプリングクロックSC1にジッタが生じることを避けることができ、デルタシグマ型AD変換器を用いたAD変換部25、47の動作状態を維持し、所定の測定時間が終了するまでサンプリングを続けることができる。
A delta-sigma type AD converter is used for the
本実施形態の計測システムにおいては、図1~図5に示した構成及び動作には限られず、多様な変形例を想定することできる。例えば、図2及び図3の構成のうち、マスター機10及びスレーブ機11のAAF部26、48をそれぞれ実効値処理部に置き換える構成を採用してもよい。この場合、実効値処理部は、AD変換部25、47にて得られたディジタル信号の実効値を算出して出力し、波形記憶部28、50では、波形データに代え、センサ出力レベル(実効値)を保持すればよい。
The measurement system of this embodiment is not limited to the configuration and operation shown in FIGS. 1 to 5, and various modifications can be envisaged. For example, among the configurations shown in FIGS. 2 and 3, a configuration in which the
10…マスター機
11…スレーブ機
12…アクセスポイント
13…制御装置
20…水晶発振器
21、43…時計部
22、44…タイムスタンパ
23、45…サンプリングクロック生成部
24、46…リセット信号生成部
25、47…AD変換部
26、48…AAF部
27、49…ダウンサンプリング部
28、50…波形記憶部
29、51…センサ部
30、52…無線部
40…誤差検出部
41…PI制御部
42…VC-TCXO
60、62…乗算器
61…積分器
63…加算器
64…リミッタ
NW…通信ネットワーク
60, 62
Claims (7)
前記マスター機は、
基準クロックに基づく基準時刻を生成する基準時刻生成部と、
前記基準時刻を含む情報を前記スレーブ機に送信する第1の通信部と、
を備え、
前記スレーブ機は、
前記マスター機から前記基準時刻を含む情報を受信する第2の通信部と、
内部クロックに基づき生成された内部時刻と前記基準時刻との間の誤差に基づき前記内部クロックの周波数を制御することで、前記スレーブ機を前記マスター機に時刻同期させる時刻同期部と、
所定の物理量を計測してアナログ信号を抽出するセンサ部と、
前記アナログ信号をサンプリングしてディジタル信号に変換するAD変換部と、
前記内部クロックに基づき、前記AD変換部で用いるサンプリングクロックを生成するサンプリングクロック生成部と、
前記サンプリングクロック生成部の動作を初期化するリセット信号を生成するリセット信号生成部と、
前記通信ネットワークに接続された制御装置と、
を備え、
前記制御装置は、前記時刻同期部により前記スレーブ機が前記マスター機と時刻同期状態にある場合、前記スレーブ機と前記マスター機とにサンプリング開始時刻を設定し、
前記リセット信号生成部は、前記サンプリング開始時刻が到来したタイミングで前記サンプリングクロック生成部に前記リセット信号を供給することを特徴とする時刻同期計測システム。 In a time synchronous measurement system in which one master device and at least one slave device are interconnected via a communication network,
The master machine
a reference time generator that generates a reference time based on a reference clock;
a first communication unit that transmits information including the reference time to the slave device;
with
The slave machine
a second communication unit that receives information including the reference time from the master device;
a time synchronization unit that time-synchronizes the slave device with the master device by controlling the frequency of the internal clock based on the error between the internal time generated based on the internal clock and the reference time;
a sensor unit that measures a predetermined physical quantity and extracts an analog signal;
an AD converter that samples the analog signal and converts it into a digital signal;
a sampling clock generation unit that generates a sampling clock used in the AD conversion unit based on the internal clock;
a reset signal generator that generates a reset signal that initializes the operation of the sampling clock generator;
a control device connected to the communication network ;
with
The control device sets a sampling start time for the slave device and the master device when the slave device is in a time synchronization state with the master device by the time synchronization unit,
The time synchronous measurement system , wherein the reset signal generator supplies the reset signal to the sampling clock generator at the timing when the sampling start time arrives.
前記センサ部と、
前記AD変換部と、
前記基準クロックに基づき、前記マスター機の前記AD変換部で用いるサンプリングクロックを生成するマスター機側サンプリングクロック生成部と、
前記マスター機側サンプリングクロック生成部の動作を初期化するリセット信号を生成するマスター機側リセット信号生成部と、
を備え、
前記マスター機の前記リセット信号は、前記マスター機と前記スレーブ機が前記時刻同期状態にある場合、前記サンプリング開始時刻が到来したタイミングで前記マスター機側サンプリングクロック生成部に供給されることを特徴とする請求項1に記載の時刻同期計測システム。 The master machine further
the sensor unit;
the AD conversion unit;
a master device side sampling clock generation unit that generates a sampling clock used in the AD conversion unit of the master device based on the reference clock;
a master device-side reset signal generation unit that generates a reset signal that initializes the operation of the master device-side sampling clock generation unit;
with
The reset signal of the master device is supplied to the master device side sampling clock generation unit at the timing when the sampling start time arrives when the master device and the slave device are in the time synchronization state. The time synchronous measurement system according to claim 1.
前記制御装置は、前記マスター機と前記複数の前記スレーブ機の全てが時刻同期状態にあるとき、前記サンプリング開始時刻を前記マスター機及び前記複数の前記スレーブ機の全てに設定することを特徴とする請求項1又は2に記載に時刻同期計測システム。 comprising a plurality of said slave machines,
The control device sets the sampling start time to all of the master device and the plurality of slave devices when the master device and the plurality of slave devices are all in a state of time synchronization. The time synchronous measurement system according to claim 1 or 2.
前記時刻同期は、
前記内部時刻と前記基準時刻との前記誤差に基づく制御電圧により前記内部クロックの周波数を増減させて出力する電圧制御発振器と、
前記制御電圧の最大値を制限するリミッタを有し、
前記サンプリング開始時刻から所定の時間範囲において、前記スレーブ機が時刻同期状態から外れた状態になっても、前記サンプリングクロックの周波数は所定範囲内に維持され、前記デルタシグマ型AD変換器はサンプリングを継続することを特徴とする請求項3に記載の時刻同期計測システム。 The AD converter is a delta-sigma AD converter that uses the sampling clock as a master clock,
The time synchronization is
a voltage controlled oscillator that increases or decreases the frequency of the internal clock by a control voltage based on the error between the internal time and the reference time and outputs the frequency;
Having a limiter that limits the maximum value of the control voltage,
In a predetermined time range from the sampling start time, the frequency of the sampling clock is maintained within a predetermined range even if the slave device is out of the time synchronization state, and the delta-sigma AD converter does not perform sampling. 4. The time-synchronized measurement system according to claim 3, characterized in that it continues.
前記スレーブ機の前記リセット信号は、前記サンプリング開始時刻が到来したタイミングで、前記サンプリングクロック生成部に加えて、前記ダウンサンプリング部に供給されることを特徴とする請求項4に記載の時刻同期計測システム。 The slave device further comprises a downsampling unit that downsamples the digital signal,
5. The time-synchronized measurement according to claim 4, wherein the reset signal of the slave device is supplied to the down-sampling section in addition to the sampling clock generating section at the timing when the sampling start time arrives. system.
前記第1の通信部及び前記第2の通信部のそれぞれは、前記無線ネットワークを介してデータを送受信する無線部であり、
前記無線ネットワークは、所定の規格に準拠した無線LANであり、前記マスター機及び前記スレーブ機との間で、前記無線LANのアクセスポイントを介して送受信が行われることを特徴とする請求項1から6のいずれか1項に記載の時刻同期計測システム。 the communication network is a wireless network;
each of the first communication unit and the second communication unit is a wireless unit that transmits and receives data via the wireless network;
2. The wireless network is a wireless LAN conforming to a predetermined standard, and transmission and reception are performed between the master device and the slave device via an access point of the wireless LAN. 7. The time synchronous measurement system according to any one of 6.
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