JPH0645967A - フィールドバスの受信装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】安価で、かつ、適用範囲の広いフィールドバス
システムを構成できるようにする。 【構成】伝送路からの受信信号は、バンドパスフィルタ
１３１でコード化信号の通信周波数帯域の成分のみを取
り出し、コンパレータ１３２の比較電圧１３３により通
信信号に混入している通信周波数帯域のノイズを除去し
ている。デコーダ１３４ではコンパレータ１３２の出力
信号から、直接、同期タイミングを作り、このタイミン
グを基準として、デコーダ１３４内部ではコード化信号
をデコードする処理を行う。ここで、受信信号に応じ
て、前記各コンポーネントの条件を切替えることによ
り、通信の信頼性が向上し、通信可能範囲を拡大するこ
とができる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、一対の伝送路上で信号
伝送を行うフィールドバスシステムに係り、特に、簡単
な回路構成で信頼性の高い通信と、通信可能条件範囲の
拡大が行えるフィールドバスの受信装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】いわゆるフィールド機器と称される機器
は各種プラントの圧力，温度，流量などの物理量を検出
し、その値を電気信号に変換し、伝送路を介して上位計
器へ伝送したり、また、逆に、上位計器から伝送される
制御信号を受信し、プラントのバルブなどを制御してい
るのが通常である。

【０００３】そして、該電気信号の伝送は、信号がアナ
ログ信号の場合に、規格化されており、フィールド機器
と上位計器との間は、４〜２０ｍＡのアナログ電流信号
の伝送が行われている。また、一般的にはフィールド機
器と上位計器との間は、アナログ信号での一方向通信が
行われていた。

【０００４】しかし、近年、半導体集積回路技術の向上
により、マイクロプロセッサ内蔵のフィールド機器が開
発され実用化されてきている。これによれば、前記伝送
路上で一方向のアナログ信号の通信のほかに、双方向の
ディジタル信号の通信を行い、フィールド機器のレンジ
設定，自己診断などを遠隔から指令できるようになって
きている。

【０００５】また、最近、複数台のフィールド機器を同
一伝送路上にマルチドロップで接続し、双方向のディジ
タル信号だけで通信を行うシステムとしてフィールドバ
スシステムが提案されている。

【０００６】フィールドバス・システムの代表的な構成
例を図２を用いて説明する。同図は、複数台のフィール
ド機器と上位計器とが伝送路を介してツリー形に接続さ
れた装置構成例を示している。フィールド機器１_a，
１_b，１_c は、伝送路５を介して、外部電源４から供給
される電力により動作し、伝送路５を介して、順番に上
位計器３とディジタル信号で双方向の通信を行い、検出
した物理量の送信，制御値の受信などの処理を行う。上
位通信機器２は、フィールド機器１_a，１_b，１_c と上位
計器３，外部電源４との間に接続され、フィールド機器
１_a，１_b，１_c などとディジタル信号で双方向の通信を
行っている。また、ターミネータ７は、直列に接続した
抵抗とコンデンサで構成され、伝送路５の両端に接続さ
れる。

【０００７】既存のアナログ信号のシステムからフィー
ルドバスシステムへ移行する場合は、上位機器とフィー
ルド機器をフィールドバス対応のものに変更する必要が
あるが、伝送路５をそのまま使用できるため、容易にシ
ステムの移行が行え、かつ、伝送路５上に接続するフィ
ールド機器の台数が増やせることからシステムの拡張が
容易であるとされている。

【０００８】

【発明が解決しようとする課題】しかし、上述した従来
技術にあっては、既存システムからフィールドバスシス
テムへの移行を行う際に、１つの伝送路に接続するフィ
ールド機器の台数が複数台になり、かつ、ディジタル通
信を行うという点で、既存システムに比べ、耐ノイズに
対する信頼性の面での配慮がされておらず、さらに、通
信不良が頻繁に発生すると、今まで一定周期で行われて
いたフィールド機器の制御が行えないという問題があ
る。

【０００９】特に、通常の通信ネットワークに比べ、伝
送距離が長く通信信号の減衰・なまり・歪が条件により
大きく変化するという伝送路の特性や、フィールドに設
置されるというノイズ環境については、受信方式に関し
て何の考慮もされていなかった。

【００１０】また、フィールド機器のような安価な小型
機器にネットワークの複雑な通信処理を適用するのに、
実装面，価格の面での考慮もされていなかった。

【００１１】本発明は、簡単な回路構成でノイズと通信
信号とを分離してデコード処理を行い、かつ、伝送路の
条件によらず、容易に、信頼性の高い通信システムを構
築でき、結果として、通信が可能な条件範囲を拡大でき
る受信装置を提供することを目的としている。

【００１２】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
に、本発明は、フィールド機器，上位計器などの通信装
置の受信方式として、バンドパスフィルタ，コンパレー
タ，デコーダからなる簡単な構成で、通信信号からノイ
ズを除去し、十分に通信の信頼性が高いフィールドバス
システムを実現できるようにしたものである。また、各
コンポーネントの条件を切替えることにより、通信可能
な条件範囲を拡大したものである。

【００１３】

【作用】本発明によるフィールドバスの受信方式は、上
述のようにフィールド機器などの通信装置が伝送路から
検出する受信信号を、バンドパスフィルタで通信周波数
帯域の信号のみを取り出すことにより、通信信号からノ
イズを除去する。次に、コンパレータの比較電位、また
は、コンパレータのヒステリシス特性により通信周波数
帯域のノイズの影響を除去する。このコンパレータの出
力信号を基準として、デコーダが同期タイミング信号を
作り、その信号によりデコード処理を行うタイミングを
決めている。ここで、デコード処理を行うタイミング
は、通常、正確に同期タイミングを検出し、デコード処
理の判定も正確な時間間隔で判定する必要があるが、本
受信方式では、コンパレータの出力信号には、各種ノイ
ズを除去されているため、このデコード処理を行うタイ
ミングは、コードを代表する適当なタイミングのみでデ
コード処理の判定を行うといった簡単な処理でも、十分
信頼性の高い受信動作を行うことができる。また、適当
なタイミングのみでデコード処理の判定を行えるため、
伝送路長，接続機器台数，送信信号レベルなどの外部条
件に応じて、そのデコード処理の判定タイミングを任意
にずらすのと同時に、バンドパスフィルタの遮断周波数
などのフィルタ特性や、コンパレータの比較電位やヒス
テリシス特性などの条件を変化させることにより、伝送
波形の大きな減衰・なまり・歪に対しても受信可能にな
り、それに起因する前記外部条件の範囲を拡大すること
ができる。

【００１４】

【実施例】以下、図面を用いて、本発明の一実施例を説
明する。

【００１５】図２は、本発明を用いたフィールドバス・
システムの装置構成例である。

【００１６】同図において、フィールド機器１_a，１_b，
１_c は、ディジタル信号で双方向の通信を行うものであ
り、各種プラントにおけるプロセスの圧力，温度，流量
などの物理量を検出してその値を送信したり、または、
バルブなどの制御量を受信したりするものである。フィ
ールド機器１_a，１_b，１_c は、伝送路５を介して外部電
源４から供給される電力により動作し、伝送路５の任意
の箇所に接続できる。本実施例においては、フィールド
機器１_a，１_b，１_c がフィールド側のジャンクション・
ボックス（中継箱）に接続した例を示すが、これは、他
の、例えば伝送路５の中間からであっても問題ない。

【００１７】上位機器３は、フィールド機器１_a，１_b，
１_c ，上位通信機器２などのフィールドバス対応機器と
伝送路５を介して、ディジタル信号の通信を行い、フィ
ールド機器の検出した各種物理量（圧力，温度，流量な
ど）を受信し、また、プラントの制御情報として、バル
ブなどのフィールド機器へ制御信号を送信している。上
位通信機器２は、伝送路５上の任意の場所に接続でき、
上位通信機器２内にあるディスプレイやキーボードを操
作することにより、フィールド機器１_a，１_b，１_c の出
力値のモニタ，調整などの処理を、伝送路５を介して通
信を行い実行する。

【００１８】ターミネータ７は、直列に接続した抵抗と
コンデンサで構成され、伝送路５の両端に接続される。
このターミネータは、伝送路５上に接続されるフィール
ド機器の通信周波数帯域での入力インピーダンスと比べ
て、かなり小さい値にすることにより、フィールド機器
の接続箇所、および接続台数などの条件による通信信号
への影響を小さく押さえている。

【００１９】このため、伝送路からターミネータが外れ
た場合に、フィールド機器からみた伝送路のインピーダ
ンスが大きくなり、各フィールド機器からの送信信号
は、大きくなる方向に変化する。ただし、フィールドバ
スに接続されるフィールド機器が送信する信号の大きさ
は、一定であっても、そのドライバ回路の方式，伝送路
の長さ、および、接続形態などの条件により、伝送路上
の各箇所での信号の大きさは、異なっていて一様ではな
い。

【００２０】本発明の受信方式は、フィールド機器１，
上位通信機器２，上位機器３などのフィールドバス対応
機器に共通に使えるものである。次に、図３を用いて、
その代表実施例として、フィールド機器に適用した場合
の動作について、詳細に説明する。図３において、ＤＣ
−ＤＣコンバータ１０７は伝送路を介して外部電源より
加えられる電圧からフィールド機器１自身が動作するた
めの電圧Ｖ_DDを作りだし、定電流回路１１０は、フィー
ルド機器１全体の消費電流が一定になるように制御す
る。複合センサ１０８の各出力はマルチプレクサ１０９
へ入力されるようになっている。前記マルチプレクサ１
０９には、Ｉ／Ｏインターフェイス１０６からの入力切
換信号が入力され、その信号はＡ／Ｄ変換器１０５に入
力されるようになっている。さらにマイクロプロセッサ
１０１があり、このマイクロプロセッサ１０１は前記Ａ
／Ｄ変換器１０５から順次、送り込まれる出力と、ＲＯ
Ｍ１０３，ＲＡＭ１０２に格納されている種々の係数を
用いて、補正演算を行い、これにより真値を求め、ＲＡ
Ｍ１０２にその値が格納される。

【００２１】フィールド機器１が通信を行う場合には、
次の動作を行う。送信動作は、最初に、マイクロプロセ
ッサ１０１の指令で、ＲＡＭ１０２に格納されているデ
ータなどを、コントローラ１０４からシリアルのディジ
タル信号列を出力する。この信号は、送信回路１１２で
コード化された信号となり、ドライバ１１１に入力さ
れ、ドライバ１１１から伝送路へ通信信号として出力さ
れる。ここで、コード化方式としては、例えば、ベース
バンド信号のマンチェスタ符号に変換する方式、および
ディジタル信号の“１”，“０”に対応する２種類の周
波数で変調する周波数変調方式などがある。また、ドラ
イバの方式としては、電圧信号で出力する方式と電流信
号で出力する方式とがある。

【００２２】受信動作は、伝送路からの通信信号を受信
回路１１３でデコード処理を行い、コード化された信号
から変換して前記シリアルのディジタル信号列の形で取
り出し、コントローラ１０４にディジタル信号の
“１”，“０”からなるデータとして入力される。コン
トローラ１０４に入力された信号は、マイクロプロセッ
サ１０１により、受信データとして取り出される。ここ
で、マイクロプロセッサ１０１の指示により、Ｉ／Ｏイ
ンターフェイス１０６を経由して、受信回路113の内部
回路の各条件を切替えることができる。

【００２３】次に、図１により本発明の受信方式の実施
例について説明する。伝送路からの受信信号は、バンド
パスフィルタ１３１でコード化信号の通信周波数帯域の
成分のみを取り出すことにより、通信周波数帯域以外の
ノイズを受信信号から除去している。バンドパスフィル
タ１３１の出力信号は、コンパレータ１３２で比較さ
れ、比較電圧１３３より高い信号のみをコード化された
ディジタル信号として取り出される。ここで、比較電圧
１３３は、通信信号に混入している通信周波数帯域のノ
イズレベルと比べて、大きな電位にしておくことによ
り、通信周波数帯域のノイズの影響を除去している。ま
た、コンパレータ１３２のヒステリシス特性を使うこと
により、コンパレータ１３２の出力信号にはチャタリン
グがなくなり、デコーダ１３４ではコンパレータ１３２
の出力信号に細工を加えることなく、直接、その信号か
ら同期タイミングを作ることができる。この同期タイミ
ングを基準として、デコーダ１３４内部ではコード化信
号をデコードする処理を行い、ディジタルの“１”，
“０”信号として出力している。

【００２４】このデコード処理方式の実施例として、マ
ンチェスタコードを使用した場合について説明する。図
４にマンチェスタコードの概要を、図５に通信データの
構成例を示す。デコーダ１３４の動作としては、最初に
受信するデータであるプリアンブルにより、連続して送
られてくるデータの１ビット毎の同期タイミングを作成
し、以後のデータに対し、マンチェスタコードのデコー
ド処理を行う。

【００２５】次に、スタートデリミッタの検出を行い、
通信データの１バイト毎の同期タイミングを作成し、そ
れ以後のデータをエンドデリミッタの信号パターンが検
出されるまで、有効データとして取り出す。本実施例に
おいては、非データ（Ｎ+，Ｎ- ）は、デリミッタにし
か含まれないため、デリミッタの全パターンを検出しな
くとも、デリミッタの中に含まれる非データのパターン
を検出するだけであっても実現でき、かつ、問題ない。

【００２６】図６において、上述の受信動作例を詳細に
説明する。フィールドバスの信号伝送波形は、他のネッ
トワークに対するインタフェアランスを回避するため
に、図６に示すように台形になっている。また、伝送路
の長さ，接続機器の台数などにより、実際の受信波形に
は、減衰・なまり・歪が加わったものとなっている。本
例では、コンパレータの比較電位（しきい値レベル）を
１００ｍＶとしており、コンパレータの出力信号の立上
りタイミングでビット毎の同期タイミングを作ってい
る。また、マンチェスタコード信号としては、前半が
０.４２５ ビットタイム，後半が０.５７５ ビットタイ
ムと大きくバランスが崩れているが、例えば、図６に示
すように、１／４ビットタイムと３／４ビットタイムの
位置でマンチェスタコードの判定を行うといった簡単な
処理で、正確にマンチェスタコードのデコード処理が実
行できる。

【００２７】以上に説明したように、本発明によれば、
簡単な回路構成で容易に信頼性の高い通信システムが実
現できるという効果がある。

【００２８】また、受信信号の減衰・なまり・歪などを
考慮して、マンチェスタコードの判定位置をずらすこと
により、さらに、信頼性の高いデコード処理が行えると
いう効果もある。

【００２９】図１において、バンドパスフィルタ１３１
は、通信データがマンチェスタコードを使用している場
合、マンチェスタコードの通信周波数帯域は、通信速度
と比べて、低域も含んでおり、高域通過側の遮断周波数
を商用電源のノイズを除去できる範囲で低域に設定する
必要がある。ここで、例えば通信信号に上下の振幅差が
あり、サイレント時と比べて通信時に伝送路を流れる平
均電流が大きく変動する場合、バンドパスフィルタ１３
１の高域通過側の遮断周波数などのフィルタ特性を変え
ると、この変動の影響を除去することができる。この条
件において、バンドパスフィルタ１３１の出力信号は、
フィルタ特性を変える前と比べて、その波形に減衰、ま
たは、なまりが加わっており、コンパレータ１３２の比
較電圧１３３、または、前述のマンチェスタコードの判
定タイミングなどを同時に変えることにより、通信の信
頼性は維持できる。この場合、通信信号の上下の振幅差
の許容値を広げられるという効果がある。

【００３０】また、図１に示すように、バンドパスフィ
ルタ１３１のフィルタ特性，コンパレータ１３２の比較
電位，コンパレータ１３２のヒステリシス特性，デコー
ダ１３４の識別タイミングは、各々の条件を切替えられ
るようにしてあり、上述の例以外においても、受信信号
に応じて、各コンポーネントの条件を切替え、通信の信
頼性を向上することができる。これらの動作は、受信デ
ータの異常の検出と各コンポーネントの条件の切替えを
同期させて行うことにより、正確に受信できる方向へ条
件を切替えることができる。特に、各機器が自己診断な
どで定期的にループバックテストを行い、上述の条件切
替えを実施することで、通信信号波形に減衰，なまり，
歪を加える伝送路長，接続機器台数などの外部条件に影
響されることなく通信が行えるといった効果がある。

【００３１】

【発明の効果】以上、説明したことから明らかなよう
に、本発明による受信方式を用いたフィールド機器，上
位機器などフィールドバスシステムを構成することによ
り、安価な構成で、容易に信頼性の高い通信システムを
構成できるという効果がある。また、伝送路長，接続機
器台数などの外部条件に関する通信可能な範囲を拡大で
きるという別の効果もある。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明による受信方式の一実施例を示すブロッ
ク図。

【図２】フィールドバスシステムの機器構成図。

【図３】本発明による受信方式のフィールド機器への実
施例を示す内部ブロック図。

【図４】マンチェスタコードの説明図。

【図５】通信信号のデータ構成図。

【図６】本発明による受信方式の詳細動作を示す説明図
である。

【符号の説明】

１，１_a，１_b，１_c …フィールド機器、２…上位通信
機、３…上位機器、４…外部電源、５…伝送路、７…タ
ーミネータ、１１３…受信回路、１３１…バンドパスフ
ィルタ、１３２…コンパレータ、１３３…比較電圧、１
３４…デコーダ。

フロントページの続き (72)発明者 坂本 伸一 茨城県日立市久慈町4026番地 株式会社日 立製作所日立研究所内

Claims (8)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】フィールドバスの伝送路上に接続されたフ
   ィールド機器，上位機器間で通信するフィールドバスシ
   ステムにおいて、通信周波数帯域以外のノイズを除去す
   るバンドパスフィルタと、比較電位により通信周波数帯
   域のノイズの影響を除去するコンパレータと、前記コン
   パレータの出力信号によりデコード処理を行うデコーダ
   とを備え、受信動作を行うことを特徴とするフィールド
   バスの受信装置。
2. 【請求項２】請求項１において、前記デコーダがマンチ
   ェスタコードをデコードするデコーダであり、かつ、前
   記デコーダが前記コンパレータの出力信号を基準として
   ビット毎の同期タイミングを作る手段と、前記同期タイ
   ミングを基準としてマンチェスタコードを識別するタイ
   ミングを作る手段とを備え、デコード処理を行うことを
   特徴とするフィールドバスの受信装置。
3. 【請求項３】請求項２において、前記マンチェスタコー
   ドをデコードする手段として、前記マンチェスタコード
   データの識別を、各ビット毎に前半と後半の２つのタイ
   ミングを設け、前記２つのタイミングにおける前記コン
   パレータの出力値で判定しデコード処理することを特徴
   とするフィールドバスの受信装置。
4. 【請求項４】請求項１，２又は３において、前記コード
   化データを識別するタイミングをデコードする手段とし
   て、前記コンパレータの出力値で判定するタイミングを
   設け、受信信号により前記タイミングを切替えデコード
   処理することを特徴とするフィールドバスの受信装置。
5. 【請求項５】請求項１，２，３又は４において、前記バ
   ンドパスフィルタのフィルタ特性を切替える手段と、前
   記コンパレータの比較電位を切替える手段と、前記コン
   パレータのヒステリシス特性を切替える手段の中で、少
   なくとも１つの手段を備え、前記コード化データを識別
   するタイミングを切替える手段と同期して、条件を切替
   えて受信動作を行うことを特徴とするフィールドバスの
   受信装置。
6. 【請求項６】請求項４又は５において、前記デコーダが
   受信データの異常を検知する手段を備え、異常検知時に
   前記各コンポーネントの条件が受信データを正確に受信
   できる方向に切替えることを特徴とするフィールドバス
   の受信装置。
7. 【請求項７】請求項５又は６において、通信信号に上下
   の振幅差があり、通信時に伝送路を流れる平均電流が大
   きく変動する場合に、前記バンドパスフィルタのフィル
   タ特性を切替え前記変動の影響を除去する手段と、前記
   コンパレータの比較電位を切替える手段、または、前記
   デコーダがコード化情報を識別するタイミングを切替え
   る手段の少なくとも１つの手段が同期して切替え動作
   し、受信動作を行うことを特徴とするフィールドバスの
   受信装置。
8. 【請求項８】請求項４，５，６又は７において、定期的
   に自己診断等でループバックテストを行う手段により、
   前記各コンポーネントの条件を最適値に切替えることを
   特徴とするフィールドバスの受信装置。