WO2021117149A1

WO2021117149A1 - デジタル通信システムの設計装置、およびその設計方法

Info

Publication number: WO2021117149A1
Application number: PCT/JP2019/048375
Authority: WO
Inventors: 清水　正晴
Original assignee: 学校法人千葉工業大学
Priority date: 2019-12-11
Filing date: 2019-12-11
Publication date: 2021-06-17
Also published as: JPWO2021117149A1; JP6716822B1

Abstract

【課題】サイクルタイムを適切に設定することができるデジタル通信システムの設計装置の提供。【解決手段】デジタル通信システムの設計装置１は、操作入力手段２と、結果出力手段３と、デジタル通信システムの設計を実行する制御手段４とを備える。制御手段４は、入力受付部４１と、サイクルタイム算出部４２と、設計結果出力部４４とを備える。サイクルタイム算出部４２は、マスタの送信部からフレームを送信した後、次のフレームを送信するまでの設定サイクルタイムを入力受付部４１にて受け付けられたネットワーク通信時間、最大ネットワーク通信ジッタ時間、全路ネットワーク遅延時間、およびスレーブ内部処理時間に基づいて算出する。設計結果出力部４４は、サイクルタイム算出部４２にて算出された設定サイクルタイムを結果出力手段３に出力させる。

Description

デジタル通信システムの設計装置、およびその設計方法

　本発明は、デジタル通信システムの設計装置、およびその設計方法に関する。

　従来、送信部および受信部を有するマスタと、送信部および受信部を有する複数のスレーブとを備え、マスタの送信部から送信されたフレーム単位のデータを全てのスレーブを経由してマスタの受信部にて受信するように接続されたマスタスレーブ方式のデジタル通信システムとして、イーサネット（登録商標）をベースとしたイーサキャット（ＥｔｈｅｒＣＡＴ：Ether for Control Automation Technology）（登録商標）を適用したデジタル通信システムが知られている（例えば、特許文献１参照）。

　このデジタル通信システムでは、マスタの送信部から送信されたフレーム単位のデータ（以下、フレームとする）は、最初のスレーブの受信部にて受信される。マスタの送信部から送信されたフレームを受信したスレーブは、オンザフライ方式にてフレームのデータを処理し、このスレーブの送信部から次のスレーブにフレームを送信する。その後、このフレームは、全てのスレーブを経由して再びマスタの受信部にて受信されることになる。このデジタル通信システムは、マスタの送信部からフレームを送信した後、次のフレームを送信するまでの時間をサイクルタイムとする１連のサイクル通信を実行している。

　また、このデジタル通信システムでは、各スレーブにてフレームを受信するタイミングは異なっているので、各スレーブは、フレームを受信したタイミングを起点としてスレーブ内部の動作を開始してしまうと、各スレーブ間の同期を取ることができなくなる。
　そこで、このデジタル通信システムは、ＤＣ同期（Distribution Clock Synchronization）という各スレーブ間の同期を取るための機能を有している。このＤＣ同期では、各スレーブは、マスタの送信部からフレームを送信した時点を開始時点とし、ある一定の時間（グローバルシフトタイム）の経過後にＤＣ同期信号を発生させる。そして、各スレーブは、このＤＣ同期信号に同期してスレーブ内部の動作を開始する。このグローバルシフトタイムは、フレームを受信するタイミングの最も遅いスレーブの動作準備を終えた時点よりも後にＤＣ同期信号を発生させるように設定しなければならない。

特開２０１５－１２８２６５号公報

　しかしながら、各スレーブ間の同期を取るための機能を実現するために重要になるサイクルタイムを、どのように決定すればよいかについては明確に規定されておらず、適切に設定することができないという問題がある。

　本発明の目的は、サイクルタイムを適切に設定することができるデジタル通信システムの設計装置、およびその設計方法を提供することである。

　本発明のデジタル通信システムの設計装置は、送信部および受信部を有するマスタと、送信部および受信部を有する複数のスレーブとを備え、前記マスタの送信部から送信されたフレーム単位のデータを全ての前記スレーブを経由して前記マスタの受信部にて受信するように接続されたデジタル通信システムの設計装置であって、使用者の操作入力を受け付ける操作入力手段と、前記デジタル通信システムの設計結果を出力する結果出力手段と、前記操作入力手段および前記結果出力手段を制御するとともに、前記デジタル通信システムの設計を実行する制御手段とを備え、前記制御手段は、前記操作入力手段を介して使用者の操作入力を受け付けることによって、前記マスタの送信部から送信するフレームのデータ数を前記通信システムの通信速度にて除算して得られたネットワーク通信時間、前記マスタの送信部からフレームを送信する際のバラつき時間の最大値である最大ネットワーク通信ジッタ時間、前記マスタの送信部から送信されたフレームが前記マスタの受信部に到達するまでの遅延時間である全路ネットワーク遅延時間、および前記スレーブの受信部にて受信したフレームを前記スレーブにて処理する時間であるスレーブ内部処理時間の各種パラメータの入力を受け付ける入力受付部と、前記マスタの送信部からフレームを送信した後、次のフレームを送信するまでの設定サイクルタイムを前記入力受付部にて受け付けられた前記ネットワーク通信時間、前記最大ネットワーク通信ジッタ時間、前記全路ネットワーク遅延時間、および前記スレーブ内部処理時間に基づいて算出するサイクルタイム算出部と、前記サイクルタイム算出部にて算出された前記設定サイクルタイムを前記結果出力手段に出力させる設計結果出力部とを備えることを特徴とする。

　このような構成によれば、デジタル通信システムの設計装置は、マスタの送信部からフレームを送信した後、次のフレームを送信するまでの設定サイクルタイムを入力受付部にて受け付けられたネットワーク通信時間、最大ネットワーク通信ジッタ時間、全路ネットワーク遅延時間、およびスレーブ内部処理時間に基づいて算出するサイクルタイム算出部と、サイクルタイム算出部にて算出された設定サイクルタイムを結果出力手段に出力させる設計結果出力部とを備えているので、スレーブの処理内容に基づく設定サイクルタイムを算出することができる。したがって、デジタル通信システムの設計者は、結果出力手段に出力された設定サイクルタイムをデジタル通信システムに設定することによって、サイクルタイムを適切に設定することができる。

　本発明では、前記制御手段は、前記操作入力手段を介して使用者の操作入力を受け付けることによって、前記スレーブにてフレームの受信を完了すると発生するイベントから前記複数のスレーブの同期信号までのイベント同期時間、および前記複数のスレーブの同期信号から当該スレーブに次のフレームが到着するまでの次フレーム到着時間の各種パラメータの入力を更に受け付ける前記入力受付部と、前記複数のスレーブの同期信号を発生させる時間を設定するためのシフト時間であるグローバルシフトタイムを前記サイクルタイム算出部にて算出された前記設定サイクルタイム、前記イベント同期時間、および前記次フレーム到着時間に基づいて算出するグローバルシフトタイム算出部と、前記グローバルシフトタイム算出部にて算出された前記グローバルシフトタイムを前記結果出力手段に更に出力させる前記設計結果出力部とを備えることが好ましい。

　このような構成によれば、デジタル通信システムの設計装置は、複数のスレーブの同期信号を発生させる時間を設定するためのシフト時間であるグローバルシフトタイムをサイクルタイム算出部にて算出された設定サイクルタイム、イベント同期時間、および次フレーム到着時間に基づいて算出するグローバルシフトタイム算出部と、グローバルシフトタイム算出部にて算出されたグローバルシフトタイムを結果出力手段に更に出力させる設計結果出力部とを備えているので、デジタル通信システムの設計者は、結果出力手段に出力されたグローバルシフトタイムをデジタル通信システムに設定することによって、グローバルシフトタイムを適切に設定することができる。

　本発明のデジタル通信システムの設計方法は、送信部および受信部を有するマスタと、送信部および受信部を有する複数のスレーブとを備え、前記マスタの送信部から送信されたフレーム単位のデータを全ての前記スレーブを経由して前記マスタの受信部にて受信するように接続されたデジタル通信システムの設計方法であって、前記マスタの送信部からフレームを送信した後、次のフレームを送信するまでの設定サイクルタイムを前記マスタの送信部から送信するフレームのデータ数を前記通信システムの通信速度にて除算して得られたネットワーク通信時間、前記マスタの送信部からフレームを送信する際のバラつき時間の最大値である最大ネットワーク通信ジッタ時間、前記マスタの送信部から送信されたフレームが前記マスタの受信部に到達するまでの遅延時間である全路ネットワーク遅延時間、および前記スレーブの受信部にて受信したフレームを前記スレーブにて処理する時間であるスレーブ内部処理時間の各種パラメータに基づいて算出するサイクルタイム算出ステップを備えることを特徴とする。

　このような構成によれば、デジタル通信システムの設計方法は、マスタの送信部からフレームを送信した後、次のフレームを送信するまでの設定サイクルタイムをネットワーク通信時間、最大ネットワーク通信ジッタ時間、全路ネットワーク遅延時間、およびスレーブ内部処理時間に基づいて算出するサイクルタイム算出ステップを備えているので、スレーブの処理内容に基づく設定サイクルタイムを算出することができる。したがって、デジタル通信システムの設計者は、サイクルタイム算出ステップにて算出された設定サイクルタイムをデジタル通信システムに設定することによって、サイクルタイムを適切に設定することができる。

　本発明では、前記複数のスレーブの同期信号を発生させる時間を設定するためのシフト時間であるグローバルシフトタイムを前記スレーブにてフレームの受信を完了すると発生するイベントから前記複数のスレーブの同期信号までのイベント同期時間、および前記複数のスレーブの同期信号から当該スレーブに次のフレームが到着するまでの次フレーム到着時間の各種パラメータと、前記サイクルタイム算出ステップにて算出された前記設定サイクルタイムとに基づいて算出するグローバルシフトタイム算出ステップを備えることが好ましい。

　このような構成によれば、デジタル通信システムの設計方法は、複数のスレーブの同期信号を発生させる時間を設定するためのシフト時間であるグローバルシフトタイムをサイクルタイム算出ステップにて算出された設定サイクルタイム、イベント同期時間、および次フレーム到着時間に基づいて算出するグローバルシフトタイム算出ステップを備えているので、デジタル通信システムの設計者は、グローバルシフトタイム算出ステップにて算出されたグローバルシフトタイムをデジタル通信システムに設定することによって、グローバルシフトタイムを適切に設定することができる。

本発明の一実施形態に係るデジタル通信システムの設計装置の設計対象となるデジタル通信システムの概要を示す図デジタル通信システムの設計装置の機能を示すブロック図デジタル通信システムにおけるスレーブの処理内容と、この処理内容にかかる時間とを示すタイミングチャートペイロードフレームサイズを変化させてＰＤＩ割り込み処理時間を計測した結果を示すグラフペイロードフレームサイズを変化させてＳＹＮＣ０割り込み処理時間を計測した結果を示すグラフスレーブ数を変化させて全路ネットワーク遅延時間の平均遅延時間を計測した結果を示すグラフ

　以下、本発明の一実施形態を図面に基づいて説明する。
　図１は、本発明の一実施形態に係るデジタル通信システムの設計装置の設計対象となるデジタル通信システムの概要を示す図である。
　デジタル通信システム１００は、図１に示すように、送信部ＴＸおよび受信部ＲＸを有するマスタ１１０と、送信部ＴＸおよび受信部ＲＸを有する複数のスレーブ１２０（１）～１２０（ｎ）とを備えている。このデジタル通信システム１００は、マスタ１１０の送信部ＴＸから送信されたフレーム単位のデータを全てのスレーブ１２０（１）～１２０（ｎ）を経由してマスタ１１０の受信部ＲＸにて受信するように接続されている。このデジタル通信システム１００は、ＥｔｈｅｒＣＡＴ（登録商標）を適用したデジタル通信システムである。

　図２は、デジタル通信システムの設計装置の機能を示すブロック図である。
　デジタル通信システムの設計装置１は、図２に示すように、使用者の操作入力を受け付けるキーボードや、マウス等の操作入力手段２と、デジタル通信システム１００の設計結果を出力するモニタ等の結果出力手段３と、操作入力手段２および結果出力手段３を制御するとともに、デジタル通信システム１００の設計を実行する制御手段４とを備えている。

　制御手段４は、ＣＰＵ（Central Processing Unit）や、メモリなどによって構成され、このメモリに記憶された所定のプログラムに従って情報処理を実行する。この制御手段４は、入力受付部４１と、サイクルタイム算出部４２と、グローバルシフトタイム算出部４３と、設計結果出力部４４とを備えている。

　入力受付部４１は、操作入力手段２を介して使用者の操作入力を受け付けることによって、マスタ１１０の送信部ＴＸから送信するフレームのデータ数をデジタル通信システム１００の通信速度にて除算して得られたネットワーク通信時間ｔ_ｎｅｔ、マスタ１１０の送信部ＴＸからフレームを送信する際のバラつき時間の最大値である最大ネットワーク通信ジッタ時間ｔ_{ｊｉｔｔｅｒ＿ｍａｘ}、マスタ１１０の送信部ＴＸから送信されたフレームがマスタ１１０の受信部ＲＸに到達するまでの遅延時間である全路ネットワーク遅延時間ｔ_ｈｗ、およびスレーブ１２０（１）～１２０（ｎ）の受信部ＲＸにて受信したフレームをスレーブ１２０（１）～１２０（ｎ）にて処理する時間であるスレーブ内部処理時間ｔ_ｓの各種パラメータの入力を受け付ける。なお、各種パラメータの内容については後に詳細に説明する。

　また、この入力受付部４１は、操作入力手段２を介して使用者の操作入力を受け付けることによって、スレーブ１２０（１）～１２０（ｎ）にてフレームの受信を完了すると発生するイベント（ＳＭ（Sync Manager）イベント）から複数のスレーブ１２０（１）～１２０（ｎ）の同期信号（ＤＣ同期信号）までのイベント同期時間ｔ_{ＳＭ２ＤＣ}（ｉ）、および複数のスレーブ１２０（１）～１２０（ｎ）の同期信号から当該スレーブに次のフレームが到着するまでの次フレーム到着時間ｔ_{ＤＣ２ＮＦ}（ｉ）の各種パラメータの入力を更に受け付ける。なお、各種パラメータの内容については後に詳細に説明する。

　サイクルタイム算出部４２は、マスタ１１０の送信部ＴＸからフレームを送信した後、次のフレームを送信するまでの設定サイクルタイムｔ_{ｃｙｃｌｅ}を入力受付部４１にて受け付けられたネットワーク通信時間ｔ_ｎｅｔ、最大ネットワーク通信ジッタ時間ｔ_{ｊｉｔｔｅｒ＿ｍａｘ}、全路ネットワーク遅延時間ｔ_ｈｗ、およびスレーブ内部処理時間ｔ_ｓに基づいて算出する。なお、設定サイクルタイムｔ_{ｃｙｃｌｅ}を算出する方法については後に詳細に説明する。

　グローバルシフトタイム算出部４３は、複数のスレーブ１２０（１）～１２０（ｎ）の同期信号を発生させる時間を設定するためのシフト時間であるグローバルシフトタイムｔ_{ｇｓｈｉｆｔ}をサイクルタイム算出部４２にて算出された設定サイクルタイムｔ_{ｃｙｃｌｅ}、イベント同期時間ｔ_{ＳＭ２ＤＣ}（ｉ）、および次フレーム到着時間ｔ_{ＤＣ２ＮＦ}（ｉ）に基づいて算出する。なお、グローバルシフトタイムｔ_{ｇｓｈｉｆｔ}を算出する方法については後に詳細に説明する。

　設計結果出力部４４は、サイクルタイム算出部４２にて算出された設定サイクルタイムｔ_{ｃｙｃｌｅ}と、グローバルシフトタイム算出部４３にて算出されたグローバルシフトタイムｔ_{ｇｓｈｉｆｔ}を結果出力手段３に出力させる。

　図３は、デジタル通信システムにおけるスレーブの処理内容と、この処理内容にかかる時間とを示すタイミングチャートである。
　以下、デジタル通信システムの設計装置１にて使用する各種パラメータの内容や、設定サイクルタイムｔ_{ｃｙｃｌｅ}を算出する方法、およびグローバルシフトタイムｔ_{ｇｓｈｉｆｔ}を算出する方法について、図３を参照して説明する。

（Ａ）ネットワーク通信時間ｔ_ｎｅｔ
　ネットワーク通信時間ｔ_ｎｅｔは、ＥｔｈｅｒＣＡＴ（登録商標）のフレームを送信するのに要する時間とする。このネットワーク通信時間ｔ_ｎｅｔは、式（１）に示すように、マスタ１１０の送信部ＴＸから送信するフレームのデータ数をデジタル通信システム１００の通信速度Ｃにて除算して得ることができる。

　　　…式（１）

　ここで、
ｆ_ｐ：各スレーブのペイロードフレームサイズ
ｎ：スレーブ数
ｆ_ｈｄｓ：ヘッダーおよび自動的に付加されるフレームサイズ
とする。

（Ｂ）最大ネットワーク通信ジッタ時間ｔ_{ｊｉｔｔｅｒ＿ｍａｘ}
　最大ネットワーク通信ジッタ時間ｔ_{ｊｉｔｔｅｒ＿ｍａｘ}は、マスタ１１０の送信部ＴＸからフレームを送信する際の最大ばらつき時間とする。

（Ｃ）全路ネットワーク遅延時間ｔ_ｈｗ、および往路ネットワーク遅延時間ｔ_ｈｗｈ（ｉ）
　全路ネットワーク遅延時間ｔ_ｈｗは、マスタ１１０の送信部ＴＸから送信されたフレームが各スレーブ１２０（１）～１２０（ｎ）を経由してマスタ１１０の受信部ＲＸに到達するまでの遅延時間とする。ここで、各スレーブ１２０（１）～１２０（ｎ）は、フレームが通過する際に遅延を発生させている。本実施形態では、各スレーブ１２０（１）～１２０（ｎ）は、同一の処理を実行するものとし、この処理される通信量も同一とする。したがって、全路ネットワーク遅延時間ｔ_ｈｗは、式（２）に示すように、スレーブ数ｎを変数とした線形一次方程式にて表現できる。この線形一次方程式の各係数ｋ_ｈｗ，ｌ_ｈｗは、実験等によって求めることができる。各係数ｋ_ｈｗ，ｌ_ｈｗを求める方法については、後に詳細に説明する。

　　　…式（２）

　そして、マスタ１１０の送信部ＴＸから送信されたフレームが各スレーブ１２０（ｉ）に到達するまでの遅延時間を往路ネットワーク遅延時間ｔ_ｈｗｈ（ｉ）とすると、この往路ネットワーク遅延時間ｔ_ｈｗｈ（ｉ）は、式（３）にて表現できる。

　　　…式（３）

（Ｄ）スレーブ内部処理時間ｔ_ｓ
　スレーブ内部処理時間ｔ_ｓは、スレーブ１２０（ｉ）内部の処理に要する時間である。このスレーブ内部処理時間ｔ_ｓは、式（４）に示すように、ＰＤＩ割り込み処理時間（ｔ_ＰＤＩ）とＳＹＮＣ０割り込み処理時間（ｔ_{ＳＹＮＣ０}）の和算で求めることができる。

　　　…式（４）

　ＰＤＩ割り込み処理時間ｔ_ＰＤＩは、式（５）に示すように、ペイロードフレームサイズｆ_ｐを変数とした線形一次方程式にて表現できる。この線形一次方程式の各係数ｋ_ＰＤＩ，ｌ_ＰＤＩは、実験等によって求めることができる。各係数ｋ_ＰＤＩ，ｌ_ＰＤＩを求める方法については、後に詳細に説明する。

　　　…式（５）

　ＳＹＮＣ０割り込み処理時間ｔ_{ＳＹＮＣ０}は、式（６）に示すように、ペイロードフレームサイズｆ_ｐを変数とした線形一次方程式にて表現できる。この線形一次方程式の各係数ｋ_{ＳＹＮＣ０}，ｌ_{ＳＹＮＣ０}は、実験等によって求めることができる。各係数ｋ_{ＳＹＮＣ０}，ｌ_{ＳＹＮＣ０}を求める方法については、後に詳細に説明する。

　　　…式（６）

（Ｅ）設定サイクルタイムｔ_{ｃｙｃｌｅ}
　設定サイクルタイムｔ_{ｃｙｃｌｅ}は、マスタ１１０の送信部ＴＸからフレームを送信した後、次のフレームを送信するまでのサイクルタイムとする。

（Ｆ）マスタ内部処理時間ｔ_ｍ
　マスタ内部処理時間ｔ_ｍは、マスタ１１０内部の処理に要する時間である。ここで、ネットワーク通信のジッタは、マスタ１１０の通信処理の一部である。しかしながら、ネットワーク通信のジッタは、スレーブ１２０（ｉ）の通信モデルにも影響するため独立項とした。本実施形態では、スレーブ１２０（ｉ）の処理内容に基づくサイクルタイムの導出を目的としているので、マスタ１１０内部の通信以外の処理は、式（７）に示すように、無視できるものとする。

　　　…式（７）

（Ｇ）ユーザーシフトタイムｔ_{ｕｓｈｉｆｔ}
　ユーザーシフトタイムｔ_{ｕｓｈｉｆｔ}は、グローバルシフトタイムｔ_{ｇｓｈｉｆｔ}を決定するために、デジタル通信システム１００の設計者が指定できるシフトタイムである。

（Ｈ）グローバルシフトタイムｔ_{ｇｓｈｉｆｔ}
　グローバルシフトタイムｔ_{ｇｓｈｉｆｔ}は、マスタ１１０のサイクルタイムの開始時点からＤＣ同期信号を発生させる時間を設定するためのシフト時間であり、式（８）にて表現できる。

　　　…式（８）

（Ｉ）ＳＭイベントからＤＣ同期信号までのイベント同期時間ｔ_{ＳＭ２ＤＣ}（ｉ）
　ここで、ＳＭイベントは、各スレーブ１２０（ｉ）にてフレームの受信を完了すると発生する。したがって、ＳＭイベントからＤＣ同期信号までのイベント同期時間ｔ_{ＳＭ２ＤＣ}（ｉ）は、式（９）にて表現できる。

　　　…式（９）

　ここで、式（９）に式（３）を代入して式（１０）を得ることができる。

　　　…式（１０）

（Ｊ）ＤＣ同期信号から次フレーム到着までの次フレーム到着時間ｔ_{ＤＣ２ＮＦ}（ｉ）
　ここで、マスタ１１０からの接続順が遠いスレーブ１２０（ｉ）ほど大きなハードウェア遅延時間が加算される。したがって、ＤＣ同期信号から次フレーム到着までの次フレーム到着時間ｔ_{ＤＣ２ＮＦ}（ｉ）は、式（１１）にて表現できる。

　　　…式（１１）

　ここで、式（１１）に式（３）を代入して式（１２）を得ることができる。

　　　…式（１２）

　次に、前述した各種パラメータの内容に基づいて、設定サイクルタイムｔ_{ｃｙｃｌｅ}およびグローバルシフトタイムｔ_{ｇｓｈｉｆｔ}を導出するモデル式（以下、ＣＳ導出モデル式とする）について説明する。

　まず、スレーブ内部処理時間ｔ_ｓは、設定サイクルタイムｔ_{ｃｙｃｌｅ}以内である必要がある。なお、実際のサイクルタイムは、最大ネットワーク通信ジッタ時間ｔ_{ｊｉｔｔｅｒ＿ｍａｘ}分だけ変化するので考慮する必要がある。
　したがって、設定サイクルタイムｔ_{ｃｙｃｌｅ}の境界条件は、式（１３）となる。

　　　…式（１３）

　ここで、式（１３）に式（４）～（６）を代入して式（１４）を得ることができる。

　　　…式（１４）

　また、マスタ内部処理時間ｔ_ｍおよびネットワーク通信関連時間（ネットワーク通信時間ｔ_ｎｅｔ、全路ネットワーク遅延時間ｔ_ｈｗ、最大ネットワーク通信ジッタ時間ｔ_{ｊｉｔｔｅｒ＿ｍａｘ}）の合計時間は、設定サイクルタイムｔ_{ｃｙｃｌｅ}以内である必要がある。
　したがって、設定サイクルタイムｔ_{ｃｙｃｌｅ}の境界条件は、以下の式（１５）となる。

　　　…式（１５）

　ここで、式（１５）に式（１），（２），（７）を代入して式（１６）を得ることができる。

　　　…式（１６）

　また、ＰＤＩ割り込み処理時間ｔ_ＰＤＩは、式（１７）に示すように、ＳＭイベントからＤＣ同期信号までのイベント同期時間ｔ_{ＳＭ２ＤＣ}（ｉ）より小さい必要がある。なお、ＳＭイベントからＤＣ同期信号までのイベント同期時間ｔ_{ＳＭ２ＤＣ}（ｉ）が一番短くなるのは、ｎ番目（最終端）のスレーブとなる。

　　　…式（１７）

　ここで、式（１７）に式（５），（８），（１０）を代入して式（１８）を得ることができる。

　　　…式（１８）

　さらに、ＳＹＮＣ０割り込み処理時間ｔ_{ＳＹＮＣ０}は、式（１９）に示すように、ＤＣ同期信号から次フレーム到着までの次フレーム到着時間ｔ_{ＤＣ２ＮＦ}（ｉ）より小さい必要がある。次フレーム到着までの時間は、最大ネットワーク通信ジッタ時間ｔ_{ｊｉｔｔｅｒ＿ｍａｘ}分だけ変化するので考慮する必要がある。なお、ＤＣ同期信号から次フレーム到着までの次フレーム到着時間ｔ_{ＤＣ２ＮＦ}（ｉ）が一番短くなるのは、１番目のスレーブとなる。

　　　…式（１９）

　ここで、式（１９）に式（６），（１２）を代入して式（２０）を得ることができる。

　　　…式（２０）

　したがって、式（１８），（２０）のグローバルシフトタイムｔ_{ｇｓｈｉｆｔ}の各不等式を満たす設定サイクルタイムｔ_{ｃｙｃｌｅ}は、式（２１）となる。

　　　…式（２１）

　ただし、グローバルシフトタイムｔ_{ｇｓｈｉｆｔ}は、式（２２）に示すように、設定サイクルタイムｔ_{ｃｙｃｌｅ}を超えないものとする。

　　　…式（２２）

　また、全フレームサイズは、式（２３）に示すように、Ｅｔｈｅｒｎｅｔ（登録商標）の1フレームサイズの最大値ｆ_ｍａｘである１５１４バイト（１２１１２ビット）を超えないものとする。

　　　…式（２３）

　このように、設定サイクルタイムｔ_{ｃｙｃｌｅ}は、式（１６），（２１）の連立不等式を満たす解によって求められる。
　したがって、サイクルタイム算出部４２は、入力受付部４１にて受け付けられたネットワーク通信時間ｔ_ｎｅｔ、最大ネットワーク通信ジッタ時間ｔ_{ｊｉｔｔｅｒ＿ｍａｘ}、全路ネットワーク遅延時間ｔ_ｈｗ、およびスレーブ内部処理時間ｔ_ｓに基づいて、式（１６），（２１）の連立不等式を満たす解を求めることによって、設定サイクルタイムｔ_{ｃｙｃｌｅ}を算出する（サイクルタイム算出ステップ）。

　また、グローバルシフトタイムｔ_{ｇｓｈｉｆｔ}は、式（２０）に導出された範囲の設定サイクルタイムｔ_{ｃｙｃｌｅ}を代入して、式（１８），（２０），（２２）の連立不等式を満たす解によって求められる。
　したがって、グローバルシフトタイム算出部４３は、サイクルタイム算出部４２にて算出された設定サイクルタイムｔ_{ｃｙｃｌｅ}、イベント同期時間ｔ_{ＳＭ２ＤＣ}（ｉ）、および次フレーム到着時間ｔ_{ＤＣ２ＮＦ}（ｉ）に基づいて、式（１８），（２０），（２２）の連立不等式を満たす解を求めることによって、グローバルシフトタイムｔ_{ｇｓｈｉｆｔ}を算出する（グローバルシフトタイム算出ステップ）。

＜各種係数の推定＞
　前述した式（５），（６）における各係数ｋ_ＰＤＩ，ｌ_ＰＤＩは、ペイロードフレームサイズｆ_ｐを変化させて各処理時間を計測し、近似式を求めて推定する。
　具体的には、各係数ｋ_ＰＤＩ，ｌ_ＰＤＩは、各スレーブ１２０（ｉ）に通信処理の開始および終了を示すデジタル出力を制御する機能を実装し、各スレーブ１２０（ｉ）からのデジタル出力を計測することによって、スレーブ内部処理時間ｔ_ｓを計測して推定する。なお、設定サイクルタイムｔ_{ｃｙｃｌｅ}は，１０００μｓとした。

　図４は、ペイロードフレームサイズを変化させてＰＤＩ割り込み処理時間を計測した結果を示すグラフである。図４では、ペイロードフレームサイズｆ_ｐを横軸とし、ＰＤＩ割り込み処理時間ｔ_ＰＤＩを縦軸としている。
　ペイロードフレームサイズｆ_ｐおよびＰＤＩ割り込み処理時間ｔ_ＰＤＩの関係は、図４に示すように、線形近似式に良くフィットしている。本実施形態では、ｋ_ＰＤＩ＝０．０６５４と推定し、ｌ_ＰＤＩ＝５．８５と推定する。

　図５は、ペイロードフレームサイズを変化させてＳＹＮＣ０割り込み処理時間を計測した結果を示すグラフである。図５では、ペイロードフレームサイズｆ_ｐを横軸とし、ＳＹＮＣ０割り込み処理時間ｔ_{ＳＹＮＣ０}を縦軸としている。
　ペイロードフレームサイズｆ_ｐおよびＳＹＮＣ０割り込み処理時間ｔ_{ＳＹＮＣ０}の関係は、図５に示すように、線形近似式に良くフィットしている。本実施形態では、ｋ_{ＳＹＮＣ０}＝０．１３２と推定し、ｌ_{ＳＹＮＣ０}＝２７．０と推定する。

　次に、前述した式（２），（３）における各係数ｋ_ｈｗ，ｌ_ｈｗは、主にスレーブ数ｎを変化させて全路ネットワーク遅延時間ｔ_ｈｗを計測し、近似式を求めて推定する。
　具体的には、各係数ｋ_ｈｗ，ｌ_ｈｗは、マスタ１１０と、最初のスレーブ１２０（１）との間に、プローブを挿入し、このプローブによって、マスタ１１０の送信部ＴＸから送信されたフレームをプローブにて受信完了した時間と、このフレームが各スレーブ１２０（ｉ）を経由して再びプローブにて受信完了した時間とを計測して推定する。なお、スレーブ数ｎは、１、２、３、５台に変化させる。

　なお、ペイロードフレームサイズｆ_ｐは、全て２２４ビットに設定した。そして、スレーブ数ｎを５台とした場合のみ、ペイロードフレームサイズｆ_ｐの変化による影響を計測するために、ペイロードフレームサイズｆ_ｐは、１００８ビットにも設定して計測する。また、設定サイクルタイムｔ_{ｃｙｃｌｅ}による影響を計測するために、設定サイクルタイムｔ_{ｃｙｃｌｅ}は、２２４ビットのペイロードフレームサイズｆ_ｐに対しては、１０００、２００、１００μｓに設定して計測し、１００８ビットのペイロードフレームサイズｆ_ｐに対しては、３００μｓの設定サイクルタイムｔ_{ｃｙｃｌｅ}に設定して計測する。なお、各計測時間は、１０ｓとした。

　以上のような計測を行った結果、各条件における遅延時間の標準偏差は、０．０２～０．０４μｓとなり、充分に小さい値となった。また、全路ネットワーク遅延時間ｔ_ｈｗは、設定サイクルタイムｔ_{ｃｙｃｌｅ}やペイロードフレームサイズｆ_ｐの変化に関係なく同様の傾向を示した。このため、以下では、ペイロードフレームサイズｆ_ｐを２２４ビットとし、設定サイクルタイムｔ_{ｃｙｃｌｅ}を２００μｓとした場合の全路ネットワーク遅延時間ｔ_ｈｗの平均遅延時間の計測結果について説明する。

　図６は、スレーブ数を変化させて全路ネットワーク遅延時間の平均遅延時間を計測した結果を示すグラフである。図６では、スレーブ数ｎを横軸とし、全路ネットワーク遅延時間ｔ_ｈｗの平均遅延時間を縦軸としている。
　スレーブ数ｎおよび全路ネットワーク遅延時間ｔ_ｈｗの平均遅延時間の関係は、図６に示すように、線形近似式に良くフィットしている。本実施形態では、ｋ_ｈｗ＝２．９１と推定し、ｌ_ｈｗ＝－０．８５５と推定する。

　次に、最大ネットワーク通信ジッタ時間ｔ_{ｊｉｔｔｅｒ＿ｍａｘ}は、マスタ１１０の送信部ＴＸから送信されたフレームの送信時間をプローブで計測して求める。なお、最大ネットワーク通信ジッタ時間ｔ_{ｊｉｔｔｅｒ＿ｍａｘ}は、全路ネットワーク遅延時間ｔ_ｈｗを計測した環境と同様の環境および条件にて計測する。
　本実施形態では、各条件において計測された最大ばらつき時間は、１３．９μｓ～２０．２μｓとなった。このため、最大ネットワーク通信ジッタ時間ｔ_{ｊｉｔｔｅｒ＿ｍａｘ}は、２０．２μｓとした。

　また、デジタル通信システムの通信速度Ｃは、１００Ｂａｓｅ－Ｔの規格に基づき１００ｂｉｔ／μｓ（１００Ｍｂｐｓ）となる。そして、ヘッダーおよび自動的に付加されるフレームサイズｆ_ｈｄｓは、Ｅｔｈｅｒｎｅｔ（登録商標），ＥｔｈｅｒＣＡＴ（登録商標）の規格に基づき７６０ｂｉｔとなる。

＜ＣＳ導出モデル式の検証＞
　ＣＳ導出モデル式の検証は、全路ネットワーク遅延時間ｔ_ｈｗを計測した環境と同様の環境にて実施した。
　なお、スレーブ１２０（ｉ）の処理内容は、マスタ１１０の送信部ＴＸから送信されたフレームの特定値を受信し、同じ値を載せたフレームを返信するものとした。

　設定サイクルタイムｔ_{ｃｙｃｌｅ}、およびグローバルシフトタイムｔ_{ｇｓｈｉｆｔ}を適切に設定できている場合には、マスタ１１０は、２回目のサイクル通信にて特定値をスレーブ１２０（１）から受信することになる。例えば、グローバルシフトタイムｔ_{ｇｓｈｉｆｔ}を適切に設定できていなかった場合には、スレーブ１２０（１）～１２０（ｎ）内部の処理が間に合わず、マスタ１１０は、３回目以降のサイクル通信にて特定値をスレーブ１２０（１）から受信することになると想定される。

（検証条件Ａ）
　検証条件Ａは、スレーブ数ｎ＝５とし、ペイロードフレームサイズｆ_ｐ＝２２４ｂｉｔとした。この検証条件Ａにおいて、設定サイクルタイムｔ_{ｃｙｃｌｅ}は、式（１６），（２１）、および前述した計測に基づき推定された各種係数を適用することによって、式（２４）となる。

　　　…式（２４）

　ここで、この設定サイクルタイムｔ_{ｃｙｃｌｅ}は、前述した計測に基づき推定された各種係数を適用して算出されているので、計測誤差や、近似による誤差を含んでいる。したがって、実際のデジタル通信システム１００に適用する設定サイクルタイムｔ_{ｃｙｃｌｅ＿ｓｅｔ}は、式（２５）に示すように、マージンを追加して設定した。

　　　…式（２５）

　また、グローバルシフトタイムｔ_{ｇｓｈｉｆｔ}は、式（１８），（２０），（２５）、および前述した計測に基づき推定された各種係数を適用することによって、式（２６）となる。

　　　…式（２６）

　ここで、このグローバルシフトタイムｔ_{ｇｓｈｉｆｔ}は、設定サイクルタイムｔ_{ｃｙｃｌｅ}と同様に、誤差を含んでいる。したがって、実際のデジタル通信システム１００に適用するグローバルシフトタイムｔ_{ｇｓｈｉｆｔ}は、７９．５μｓ、８６．５μｓ、１１３．５μｓの３つの値を設定し、式（２６）の範囲外の値として１５０μｓの値を設定した。

（検証条件Ｂ）
　検証条件Ｂは、スレーブ数ｎ＝５とし、ペイロードフレームサイズｆ_ｐ＝１００６ｂｉｔとした。この検証条件Ｂにおいて、設定サイクルタイムｔ_{ｃｙｃｌｅ}は、式（１６），（２１）、および前述した計測に基づき推定された各種係数を適用することによって、式（２７）となる。

　　　…式（２７）

　ここで、この設定サイクルタイムｔ_{ｃｙｃｌｅ}は、前述した計測に基づき推定された各種係数を適用して算出されているので、計測誤差や、近似による誤差を含んでいる。したがって、実際のデジタル通信システム１００に適用する設定サイクルタイムｔ_{ｃｙｃｌｅ＿ｓｅｔ}は、式（２８）に示すように、マージンを追加して設定した。

　　　…式（２８）

　また、グローバルシフトタイムｔ_{ｇｓｈｉｆｔ}は、式（１８），（２０），（２５）、および前述した計測に基づき推定された各種係数を適用することによって、式（２９）となる。

　　　…式（２９）

　ここで、このグローバルシフトタイムｔ_{ｇｓｈｉｆｔ}は、設定サイクルタイムｔ_{ｃｙｃｌｅ}と同様に、誤差を含んでいる。したがって、実際のデジタル通信システム１００に適用するグローバルシフトタイムｔ_{ｇｓｈｉｆｔ}は、１６１．５μｓの値を設定し、式（２９）の範囲外の値として２０５．５μｓの値を設定した。

＜ＣＳ導出モデル式の検証結果＞
　検証条件Ａ，Ｂでは、ＣＳ導出モデル式にて導出されたグローバルシフトタイムｔ_{ｇｓｈｉｆｔ}の範囲内に設定したケースでは、マスタ１１０は、２回目のサイクル通信にて特定値をスレーブ１２０（１）から受信した。
　しかしながら、ＣＳ導出モデル式にて導出されたグローバルシフトタイムｔ_{ｇｓｈｉｆｔ}の範囲外に設定したケースでは、マスタ１１０は、３回目のサイクル通信にて特定値をスレーブ１２０（１）から受信した。
　したがって、本実施形態におけるＣＳ導出モデル式にて導出された設定サイクルタイムｔ_{ｃｙｃｌｅ}およびグローバルシフトタイムｔ_{ｇｓｈｉｆｔ}は、スレーブの処理内容に基づいて、適切に設定されていることを確認できた。

　このような本実施形態によれば、以下の作用・効果を奏することができる。
（１）デジタル通信システムの設計装置１は、マスタ１１０の送信部ＴＸからフレームを送信した後、次のフレームを送信するまでの設定サイクルタイムｔ_{ｃｙｃｌｅ}を入力受付部４１にて受け付けられたネットワーク通信時間ｔ_ｎｅｔ、最大ネットワーク通信ジッタ時間ｔ_{ｊｉｔｔｅｒ＿ｍａｘ}、全路ネットワーク遅延時間ｔ_ｈｗ、およびスレーブ内部処理時間ｔ_ｓに基づいて算出するサイクルタイム算出部４２と、サイクルタイム算出部４２にて算出された設定サイクルタイムｔ_{ｃｙｃｌｅ}を結果出力手段３に出力させる設計結果出力部４４とを備えているので、スレーブ１２０（１）～１２０（ｎ）の処理内容に基づく設定サイクルタイムｔ_{ｃｙｃｌｅ}を算出することができる。したがって、デジタル通信システム１００の設計者は、結果出力手段３に出力された設定サイクルタイムｔ_{ｃｙｃｌｅ}をデジタル通信システム１００に設定することによって、サイクルタイムを適切に設定することができる。

（２）デジタル通信システムの設計装置１は、複数のスレーブ１２０（１）～１２０（ｎ）のＤＣ同期信号を発生させる時間を設定するためのシフト時間であるグローバルシフトタイムｔ_{ｇｓｈｉｆｔ}をサイクルタイム算出部４２にて算出された設定サイクルタイムｔ_{ｃｙｃｌｅ}、イベント同期時間ｔ_{ＳＭ２ＤＣ}（ｉ）、および次フレーム到着時間ｔ_{ＤＣ２ＮＦ}（ｉ）に基づいて算出するグローバルシフトタイム算出部４３と、グローバルシフトタイム算出部４３にて算出されたグローバルシフトタイムｔ_{ｇｓｈｉｆｔ}を結果出力手段３に更に出力させる設計結果出力部４４とを備えているので、デジタル通信システム１００の設計者は、結果出力手段３に出力されたグローバルシフトタイムｔ_{ｇｓｈｉｆｔ}をデジタル通信システム１００に設定することによって、グローバルシフトタイムｔ_{ｇｓｈｉｆｔ}を適切に設定することができる。

〔実施形態の変形〕
　なお、本発明は、前記実施形態に限定されるものではなく、本発明の目的を達成できる範囲での変形、改良等は本発明に含まれるものである。
　例えば、前記実施形態では、デジタル通信システムの設計装置１の設計対象としてＥｔｈｅｒＣＡＴ（登録商標）を適用したデジタル通信システム１００を採用していた。
　これに対して、デジタル通信システムの設計装置１の設計対象となるデジタル通信システムは、送信部および受信部を有するマスタと、送信部および受信部を有する複数のスレーブとを備え、マスタの送信部から送信されたフレーム単位のデータを全てのスレーブを経由してマスタの受信部にて受信するように接続されたデジタル通信システムであれば、他のデジタル通信システムを採用してもよい。

　また、前記実施形態では、デジタル通信システムの設計装置１は、制御手段４を備え、制御手段４は、グローバルシフトタイム算出部４３を備えていたが、グローバルシフトタイム算出部４３を備えていなくてもよい。この場合には、入力受付部４１は、イベント同期時間ｔ_{ＳＭ２ＤＣ}（ｉ）、および次フレーム到着時間ｔ_{ＤＣ２ＮＦ}（ｉ）の各種パラメータの入力を受け付けなくてもよく、設計結果出力部４４は、グローバルシフトタイムｔ_{ｇｓｈｉｆｔ}を結果出力手段３に出力させなくてもよい。

　また、前記実施形態では、サイクルタイム算出部４２は、サイクルタイム算出ステップを実行し、グローバルシフトタイム算出部４３は、グローバルシフトタイム算出ステップを実行していた。
　これに対して、設計者は、サイクルタイム算出ステップおよびグローバルシフトタイム算出ステップを自ら実行するようにしてもよい。

　また、前記実施形態では、各スレーブ１２０（１）～１２０（ｎ）は、同一の処理を実行するものとし、この処理される通信量も同一とすることによって、全路ネットワーク遅延時間ｔ_ｈｗを線形一次方程式にて表現していた。
　これに対して、全路ネットワーク遅延時間ｔ_ｈｗは、各スレーブ１２０（１）～１２０（ｎ）の遅延時間を個別に求め、これらの遅延時間を合計して求めるようにしてもよい。要するに、全路ネットワーク遅延時間ｔ_ｈｗは、マスタ１１０の送信部ＴＸから送信されたフレームが各スレーブ１２０（１）～１２０（ｎ）を経由してマスタ１１０の受信部ＲＸに到達するまでの遅延時間とすればよい。

　また、前記実施形態では、各スレーブ１２０（１）～１２０（ｎ）は、同一の処理を実行するものとし、スレーブ内部処理時間ｔ_ｓ（ＰＤＩ割り込み処理時間ｔ_ＰＤＩおよびＳＹＮＣ０割り込み処理時間ｔ_{ＳＹＮＣ０}）を同一としていた。
　これに対して、スレーブ内部処理時間ｔ_ｓは、各スレーブ１２０（１）～１２０（ｎ）の内部処理時間を個別に求めるようにしてもよい。要するに、スレーブ内部処理時間ｔ_ｓは、スレーブ１２０（ｉ）内部の処理に要する時間であればよい。

　以上のように、本発明は、デジタル通信システムの設計装置、およびその設計方法に好適に利用できる。

　　１　　　デジタル通信システムの設計装置
　　２　　　操作入力手段
　　３　　　結果出力手段
　　４　　　制御手段
　　４１　　入力受付部
　　４２　　サイクルタイム算出部
　　４３　　グローバルシフトタイム算出部
　　４４　　設計結果出力部

Claims

　送信部および受信部を有するマスタと、送信部および受信部を有する複数のスレーブとを備え、前記マスタの送信部から送信されたフレーム単位のデータを全ての前記スレーブを経由して前記マスタの受信部にて受信するように接続されたデジタル通信システムの設計装置であって、
　使用者の操作入力を受け付ける操作入力手段と、
　前記デジタル通信システムの設計結果を出力する結果出力手段と、
　前記操作入力手段および前記結果出力手段を制御するとともに、前記デジタル通信システムの設計を実行する制御手段とを備え、
　前記制御手段は、
　前記操作入力手段を介して使用者の操作入力を受け付けることによって、前記マスタの送信部から送信するフレームのデータ数を前記通信システムの通信速度にて除算して得られたネットワーク通信時間、前記マスタの送信部からフレームを送信する際のバラつき時間の最大値である最大ネットワーク通信ジッタ時間、前記マスタの送信部から送信されたフレームが前記マスタの受信部に到達するまでの遅延時間である全路ネットワーク遅延時間、および前記スレーブの受信部にて受信したフレームを前記スレーブにて処理する時間であるスレーブ内部処理時間の各種パラメータの入力を受け付ける入力受付部と、
　前記マスタの送信部からフレームを送信した後、次のフレームを送信するまでの設定サイクルタイムを前記入力受付部にて受け付けられた前記ネットワーク通信時間、前記最大ネットワーク通信ジッタ時間、前記全路ネットワーク遅延時間、および前記スレーブ内部処理時間に基づいて算出するサイクルタイム算出部と、
　前記サイクルタイム算出部にて算出された前記設定サイクルタイムを前記結果出力手段に出力させる設計結果出力部とを備えることを特徴とするデジタル通信システムの設計装置。
　請求項１に記載されたデジタル通信システムの設計装置において、
　前記制御手段は、
　前記操作入力手段を介して使用者の操作入力を受け付けることによって、前記スレーブにてフレームの受信を完了すると発生するイベントから前記複数のスレーブの同期信号までのイベント同期時間、および前記複数のスレーブの同期信号から当該スレーブに次のフレームが到着するまでの次フレーム到着時間の各種パラメータの入力を更に受け付ける前記入力受付部と、
　前記複数のスレーブの同期信号を発生させる時間を設定するためのシフト時間であるグローバルシフトタイムを前記サイクルタイム算出部にて算出された前記設定サイクルタイム、前記イベント同期時間、および前記次フレーム到着時間に基づいて算出するグローバルシフトタイム算出部と、
　前記グローバルシフトタイム算出部にて算出された前記グローバルシフトタイムを前記結果出力手段に更に出力させる前記設計結果出力部とを備えることを特徴とするデジタル通信システムの設計装置。
　送信部および受信部を有するマスタと、送信部および受信部を有する複数のスレーブとを備え、前記マスタの送信部から送信されたフレーム単位のデータを全ての前記スレーブを経由して前記マスタの受信部にて受信するように接続されたデジタル通信システムの設計方法であって、
　前記マスタの送信部からフレームを送信した後、次のフレームを送信するまでの設定サイクルタイムを前記マスタの送信部から送信するフレームのデータ数を前記通信システムの通信速度にて除算して得られたネットワーク通信時間、前記マスタの送信部からフレームを送信する際のバラつき時間の最大値である最大ネットワーク通信ジッタ時間、前記マスタの送信部から送信されたフレームが前記マスタの受信部に到達するまでの遅延時間である全路ネットワーク遅延時間、および前記スレーブの受信部にて受信したフレームを前記スレーブにて処理する時間であるスレーブ内部処理時間の各種パラメータに基づいて算出するサイクルタイム算出ステップを備えることを特徴とするデジタル通信システムの設計方法。
　請求項３に記載されたデジタル通信システムの設計方法において、
　前記複数のスレーブの同期信号を発生させる時間を設定するためのシフト時間であるグローバルシフトタイムを前記スレーブにてフレームの受信を完了すると発生するイベントから前記複数のスレーブの同期信号までのイベント同期時間、および前記複数のスレーブの同期信号から当該スレーブに次のフレームが到着するまでの次フレーム到着時間の各種パラメータと、前記サイクルタイム算出ステップにて算出された前記設定サイクルタイムとに基づいて算出するグローバルシフトタイム算出ステップを備えることを特徴とするデジタル通信システムの設計方法。