JPH0730468A - フィールドバスの受信方式 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】簡単な構成で容易にノイズとの分離が行え、信
頼性の高い通信が実現できる受信方式をフィールドバス
に接続される各機器の受信部に適用することにより、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こと。 【構成】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、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、同じく比較電位によ
り受信信号が零電位となるタイミングを取り出すコンパ
レータ、さらに信号受信時に前記２つのコンパレータか
らの入力信号を切り替えてデコード処理を行うデコーダ
を設けた。

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方式に関する。

【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。

【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３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１ａ，１
ｂ，１ｃ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，制御値の受信などを処理を行う。上位
通信機器２は、フィールド機器１ａ,１ｂ,１ｃ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，１ｂ，１ｃ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】また、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は、バンドパスフィルタ，コン
パレータ，デコーダからなる構成のものが、特開平4−
195056号に示されている。この受信方式の内部ブロック
図を図５に示す。この受信方式は、伝送路からの受信信
号を、バンドパスフィルタ１３１で通信周波数帯域以外
のノイズを除去し、次にコンパレータ１３２の比較電
位、または、コンパレータ１３２の２入力間電位差によ
り通信周波数帯域のノイズの影響を除去するようになっ
ている。そして、このコンパレータの出力信号を基準と
して、デコーダ134 が同期タイミング信号を作り、その
信号に同期してデコード処理を行うというものである。

【０００８】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
７にマンチェスタコードの概要を、図８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。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。

【０００９】

【発明が解決しようとする課題】しかし、フィールドバ
スは屋外での劣悪なノイズ環境下においても信頼性の高
い通信を確保せねばならず、規格でも、７５ｍＶｐ−ｐ
以下のノイズ成分を除去するよう義務付けている。この
ため、上述した受信方式にあっては、通信周波数帯域の
ノイズ成分の振幅値を上回る範囲に、コンパレータの比
較電位を設定する必要があった。一方、コンパレータの
出力信号は、デコーダにおいて同期タイミング信号を発
生させるための直接的トリガとして機能している。フィ
ールドバスの信号伝送波形は規格上、台形波であること
から、この受信方式では本質的な問題として、コンパレ
ータ出力信号の立上り・立下がり点と、より理想的な同
期タイミングを決定すべきはずの、伝送信号の零電位交
点との間に、時間的誤差を生じていた。そして、伝送路
の長さ，接続機器の台数などにより、伝送波形に大きな
減衰・なまり・歪が加わった場合、この時間的誤差はさ
らに拡大し、これにより、コンパレータ出力信号の立上
りに依存したデコード処理のタイミングに、無視出来な
いほどの遅延が生じ、受信信号の信頼性を著しく低下さ
せていた。このときの受信動作例を図６に示す。本例で
は、受信波形の立上り・立下がり時間を０.４ ビットタ
イム，コンパレータの比較電位を１００ｍＶに設定して
いるが、デコードエラー発生の恐れのある状態を示して
いる。

【００１０】本発明は、前記方式にコンパレータ１個を
追加しただけの簡単な回路構成で、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、伝送信号の零電
位交点を検出することにより、デコーダがコード化情報
を識別するタイミングを切り替えるという複雑な手法に
依らずとも、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
受信方式、およびその装置を提供することを目的として
いる。

【００１１】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
に、本発明の特徴は、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、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、同じく
比較電位により受信信号が零電位となるタイミングを取
り出すコンパレータ、さらに信号受信時に前記２つのコ
ンパレータからの入力信号を切り替えてデコード処理を
行うデコーダを設けた点にある。

【００１２】

【作用】本発明によるフィールドバスの受信方式は、前
記デコーダが伝送路の通信状況を絶えず監視しながら、
非通信時には、比較電位を正電位側にもつコンパレータ
の出力を、前記デコーダの入力信号として選択し、通信
周波数帯域のノイズ影響の除去を行う。信号検知時に
は、比較電位が零電位であるコンパレータの出力信号に
切り替えて、受信信号の零電位交差点を検知することに
より、正確な同期タイミングを作ってデコード処理を行
う。これにより、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だけ
で、通信波形の状態によりデコーダがコード化情報を識
別するタイミングを切り替える方法に頼らなくとも、十
分信頼性の高い受信動作を行うことができる。

【００１３】

【実施例】以下、図面を用いて、本発明の一実施例を説
明する。

【００１４】図３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。

【００１５】同図において、フィールド機器１ａ，１
ｂ，１ｃ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１ａ，１ｂ，１ｃ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１ａ，１ｂ，１ｃ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。

【００１６】上位機器３は、フィールド機器１ａ，１
ｂ，１ｃ，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。

【００１７】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，１ｂ，１ｃ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４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４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、ROM1
03，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、RAM102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
条件を切り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１３２ａ、および
コンパレータ１３２ｂの、いずれも正端子に入力され
る。一方、コンパレータ１３２ａの負端子には、規準電
圧Ｖccを抵抗１３３ａ、および抵抗１３３ｂで分圧した
値が入力される。ここで、コンパレータ１３２ａの負端
子への入力に、図２の図中に示すような可変形電圧源１
３３を用いてもよい。また、コンパレータ１３２ｂの負
端子は、受信回路上の零電位に接続する。これらによ
り、コンパレータ１３２ａは、規準電圧Ｖccの抵抗１３
３ａ、および抵抗１３３ｂによる分圧値より高い信号の
みを、コード化されたディジタル信号として出力する。
一方、コンパレータ１３２ｂは零電位より高い信号のみ
をコード化されたディジタル信号として出力する。そし
てこれらの出力信号は、スイッチ１３５によりデコーダ
１３４へ切り替えて入力される。

【００２４】伝送路上に通信信号の存在しない時には、
デコーダ１３４はコンパレータ132aの出力を、定常的に
選択する。ここで、コンパレータ１３２ａの比較電圧
（基準電圧Ｖccの抵抗１３３ａ、および抵抗１３３ｂに
よる分圧値）を、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、コンパレータ１３２ａは通信周波数帯域のノイ
ズの影響を除去する。そして、デコーダ１３４が受信信
号を検出した場合、デコーダ１３４への入力信号をコン
パレータ１３２ｂの出力に切り替える。これにより、ノ
イズ影響を防ぎ、かつ零電位交点における受信信号の立
上りを正確に得ることが出来る。また、コンパレータの
有するヒステリシス特性を利用して、コンパレータ１３
２ｂの出力信号にチャタリングを生じないようにするこ
とにより、デコーダ１３４ではコンパレータ１３２ｂの
出力信号に何ら加工手段を講じることなく、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。一連のデコー
ド処理の実行後、通信信号の終端を表すエンドデリミッ
タの信号パターンが検出された時点で、デコーダ１３４
は、その入力をコンパレータ１３２ａ側の出力に切り替
えて、非通信時動作に復帰する。

【００２５】図２に上述の受信動作例を示す。零電位交
点からの受信信号の立上りを、正確に得ることが出来る
ことから、直接その信号から同期タイミングを作り、１
／４ビットタイムと３／４ビットタイムの位置で、機械
的に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、伝送路の長さ，接続機器の台数などにより、伝送
波形に大きな減衰・なまり・歪が加わった場合でも、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。

【００２６】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。

【００２７】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１３２ａの比
較電位，コンパレータ１３２ａ，１３２ｂのヒステリシ
ス特性は、各々の条件を切り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り替え、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り替えを同期させて
行うことにより、正確に受信できる方向へ条件を切り替
えることができる。

【００２８】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、上述の条件切り替えを実施す
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。

【００２９】

【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
ク図である。

【図２】本発明による受信方式の説明図である。

【図３】フィールドバスシステムの機器構成図である。

【図４】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である。

【図５】従来の受信方式の一実施例を示すブロック図で
ある。

【図６】従来の受信方式の説明図である。

【図７】マンチェスタコードの説明図である。

【図８】通信信号のデータ構成図である。

【符号の説明】

１，１ａ，１ｂ，１ｃ…フィールド機器、２…上位通信
器、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、１３２ａ，１３２ｂ…コンパレータ、１３３…
基準電圧源、１３３ａ，１３３ｂ…抵抗、１３４…デコ
ーダ。

Claims (3)

【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
   ステムの受信方式において、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、同じく比較電位により受信信号が零電位となるタイ
   ミングを取り出すコンパレータと、前記２つのコンパレ
   ータの出力信号に対しデコード処理を行うデコーダで構
   成し、受信動作を行うことを特徴とするフィールドバス
   の受信方式。
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、さらに信号受信時に前記２
   つのコンパレータからの入力信号を切り替えてデコード
   処理を行うことを特徴とするフィールドバスの受信方
   式。
3. 【請求項３】請求項１又は２において、前記２つのコン
   パレータからの入力信号の切り替えを、前記デコーダが
   伝送路の通信状況を絶えず監視しながら、非通信時に
   は、比較電位を正電位側あるいは負電位側にもつコンパ
   レータの出力を、前記デコーダの入力信号として選択
   し、通信周波数帯域のノイズ影響の除去を行い、そして
   信号検知時には、比較電位が零電位であるコンパレータ
   の出力信号に切り替えて、受信信号の零電位交差点を検
   知し、正確な同期タイミングを作ってデコード処理を行
   うことを特徴とするフィールドバスの受信方式。