(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
伝送路を通じてデジタル信号を伝送するための信号伝送装置において、
目的物理量に応じて変化する測定信号を発生させる測定信号発生手段、
ある時点における前記目的物理量の測定値を参照値として保持する保持手段、
所定周期で前記測定信号の値と前記参照値とを比較し、両値の差が所定の単位変化量より大きく且つ前者の値が後者の値より大きいときには第一のビットパターンを含み、両値の差が前記単位変化量より大きく且つ前者の値が後者の値よりも小さいときには第二のビットパターンを含み、また両値の差が前記単位変化量より小さいときには第三のビットパターンを含むデジタル測定信号を前記伝送路へ送出するデジタル信号発生手段、及び
前記第一のビットパターンを含むデジタル測定信号が発生したときには前記保持手段の保持する参照値に前記単位変化量を加算した値で、また前記第二のビットパターンを含むデジタル測定信号が発生したときには前記保持手段の保持する参照値から前記単位変化量を減算した値で前記参照値を更新する参照値更新手段
を備えることを特徴とする信号伝送装置。
【請求項２】
前記デジタル信号発生手段は、更に、前記第一、第二、第三のビットパターンによって示される正変化検出、負変化検出、検出なしの３種類の情報以外の情報である付帯情報を示す付加ビットパターンを前記デジタル測定信号に含めて前記伝送路へ送出することを特徴とする請求項１に記載の信号伝送装置。
【請求項３】
前記測定信号の値が上限値に到達又はそれを超過したときに上限到達信号を発生させ、下限値に到達又はそれを下回ったときに下限到達信号を発生させる測定信号検査手段を備え、
前記デジタル信号発生手段は、前記上限到達信号又は下限到達信号の発生時にその信号の種類に応じたビットパターンを前記付帯情報として前記伝送路へ送出する
ことを特徴とする請求項１又は２に記載の信号伝送装置。
【請求項４】
前記付帯情報はある時点における前記目的物理量の絶対値に関する情報であることを特徴とする請求項３に記載の信号伝送装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、一の機器から他の機器へ信号を伝送する技術に関し、特に、一の機器で測定される物理量に関する情報を含む信号を他の機器へ伝送する技術に関する。
【０００２】
【従来の技術】
ある地点に設置された測定装置により測定される物理量の変化をその地点から離れた別の地点に設置された監視装置で監視するシステム（以下、遠隔監視システムと呼ぶ）を考える。このシステムでは、２つの地点を接続する何らかの信号伝送路を通じて測定装置から監視装置へ物理量に関する情報を含む信号が伝送される。このような信号伝送用の伝送路は、電線や光ファイバのような有線のものだけでなく、今日では電磁波を媒体とした無線のものも利用可能であり、要求される測定精度、伝送すべき情報量、伝送距離、伝送信号に混入する雑音の多寡、伝送に係るコスト等の様々な要因を考慮して最適な伝送路が選択される。
【０００３】
従来より遠隔監視システムにおいては、伝送路として電線を使用し、これを通じて所定形式の電気信号をやり取りするように構成されたものが最も一般的である。例えば、伝送路に電流を流し、その電流の強度を情報の内容に応じたパターンで変化させることにより情報を伝送するのである。このように電流の強度変化で情報を表現する場合、伝送路に流れる電流の強度変化が所定範囲（標準的には４〜２０ｍＡ）内に収まるようにシステムの各部を構成するのが一般的である。このような方法には次のような特長がある。
【０００４】
（１）伝送路には最低でも４ｍＡの電流が流れており、これを利用して測定装置のセンサを駆動することができる。このため、センサ用に特別な電源を用意する必要がない。
（２）例えば、伝送路や測定装置内部に断線が生じると伝送路を流れる電流が４ｍＡを下回り、逆に伝送路や測定装置内部に短絡が生じるとその電流が２０ｍＡを上回る（ただし、伝送路に２０ｍＡ以上の電流を流す能力を有する電源が使用されていることを前提とする）。従って、監視装置では、伝送路に流れる電流が４〜２０ｍＡの範囲内に収まっているか否かを調べることにより、伝送路や測定装置の状態（異常の有無）を検査することができる。
（３）多くの場合、監視すべき物理量の変化は一般に緩やかである（変化率や周波数が低い）のに対し、商用交流電源等から発生する外乱信号の強度変化はそれよりはるかに急である（変化率や周波数が高い）。上記のように電流の強度変化により信号を伝送する場合、そこに含まれる高周波成分（雑音）は、例えばローパスフィルタを用いて容易に除去することができる。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
測定装置が監視装置から遠い場所にある場合、電気通信事業者から借り受けた電気通信回線を通じて信号伝送を行うケースが多い。電気通信回線はアナログ回線とデジタル回線とに大別されるが、今日では、効率性、信頼性、経済性等に優れたデジタル回線が主流になりつつある。ところが、今日稼働している遠隔監視システムに用いられている測定装置には上記のような電流変化によるアナログ信号伝送用に設計されたものが多い。このような測定装置を含む遠隔監視システムは、全ての電気通信回線がデジタル化されてしまうと、そのままでは利用できなくなる。
【０００６】
そこで、物理量に応じて測定装置の出力するアナログ信号をＡ／Ｄ変換器でデジタルデータに変換することにより、既存の測定装置をそのまま使用しながら回線のデジタル化に対応することが考えられる。このような方法において、例えば、同期６４Ｋｂｐｓ通信の可能なデジタル回線を用いる場合、量子化ビット数８（フラットな量子化の場合、分解能換算でフルレンジの約０．４％）であればサンプリング数８０００回／秒（０．１２５ミリ秒に１回の頻度）で測定データを伝送することができる。ところが、この方法では、分解能を高くするにはサンプリング数を低くしなければならず、物理量の変化への追従性が低下する。逆に、追従性を高めるには分解能を低くしなければならない。
【０００７】
本発明はこのような課題を解決するために成されたものであり、その目的とするところは、一の機器で測定された物理量に関する情報を含む信号をデジタル回線を通じて他の機器へ伝送するための信号伝送装置において、測定データを高い分解能及び追従性で伝送する技術を提供することにある。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するために成された本発明は、伝送路を通じてデジタル信号を伝送するための信号伝送装置において、
目的物理量に応じて変化する測定信号を発生させる測定信号発生手段、
ある時点における前記目的物理量の測定値を参照値として保持する保持手段、
所定周期で前記測定信号の値と前記参照値とを比較し、両値の差が所定の単位変化量より大きく且つ前者の値が後者の値より大きいときには第一のビットパターンを含み、両値の差が前記単位変化量より大きく且つ前者の値が後者の値よりも小さいときには第二のビットパターンを含み、また両値の差が前記単位変化量より小さいときには第三のビットパターンを含むデジタル測定信号を前記伝送路へ送出するデジタル信号発生手段、及び
前記第一のビットパターンを含むデジタル測定信号が発生したときには前記保持手段の保持する参照値に前記単位変化量を加算した値で、また前記第二のビットパターンを含むデジタル測定信号が発生したときには前記保持手段の保持する参照値から前記単位変化量を減算した値で前記参照値を更新する参照値更新手段を備えることを特徴とする。
【０００９】
【発明の実施の形態】
本発明において、伝送路とは、デジタル信号の伝送のために一般的に使用されている電線、光ファイバ、電波等の伝送媒体のことをいう。測定信号発生手段とは、目的物理量（温度、水位、物体の位置等）に応じて大きさや強度の変化する測定信号を出力するもので、例えば一般に測定に用いられるセンサがこれに相当する。保持手段は、目的物理量の値を参照値として保持するためのもので、例えばサンプル・ホールド回路、半導体メモリ等を用いて構成する。デジタル信号発生手段及び参照値更新手段は、例えば布線論理回路によりハードウェア的に構成してもよいし、またパーソナルコンピュータ上で所定のコンピュータプログラムを動作させることによりソフトウェア的に構成しても良い。
【００１０】
本発明の一実施形態による信号伝送装置の動作について図１〜図４を参照しながら説明する。
【００１１】
いま、物理量Ｘが図１のグラフ（Ａ）のように変化し、それに応じてセンサの出力する測定信号Ｓ（電流）が図１のグラフ（Ｂ）のように変化したものとする。ここで、物理量Ｘの測定範囲の上限値及び下限値はＸｍａｘ及びＸｍｉｎであり、センサの出力する測定信号Ｓの有効範囲は４〜２０ｍＡである。
【００１２】
図２は本実施形態の信号伝送装置の概略構成を示したブロック図である。本実施形態の信号伝送装置は、クロック生成部１２、比較部１４、デジタル信号発生部１６、センサ２０（測定信号発生手段に相当する）、参照値保持部２２及び参照値更新部２４を有する。クロック生成部１２は一定の周期Ｔでクロック信号を発生させる。このクロック信号を受けながら、比較部１４は、上記のように物理量が変化している間、センサ２０の出力する測定信号を周期Ｔでサンプリングし、その測定信号の値Ｓと、参照値保持部２２の保持する参照値Ｓｒとを比較する。測定信号の値Ｓが参照値Ｓｒから単位変化量ΔＳ以上の量だけ大きいとき、比較部１４は正のインクリメント信号Ｐｕを発生させる。一方、測定信号の値Ｓが参照値Ｓｒから単位変化量ΔＳ以上の量だけ小さいとき、比較部１４は負のインクリメント信号Ｐｄを発生させる。本例では、時点ｔ１、ｔ３、ｔ４及びｔ５に正のインクリメント信号Ｐｕが発生し、時点ｔ２に負のインクリメント信号Ｐｄが発生している。正のインクリメント信号Ｐｕが発生したとき、参照値更新部２４は参照値Ｓｒに単位変化量ΔＳを加算した値を新たな参照値とし、参照値保持部２２に保持させる。一方、負のインクリメント信号Ｐｄが発生したとき、参照値更新部２４は参照値Ｓｒから単位変化量ΔＳを減算した値を新たな参照値とし、参照値保持部２２に保持させる。
【００１３】
また、比較部１４は、測定信号の値が上限値（２０ｍＡ）に到達又はそれを超過したときに上限到達信号Ｐｍａｘを発生させ、下限値（４ｍＡ）に到達又はそれを下回ったときに下限到達信号Ｐｍｉｎを発生させる測定信号検査部を内部に備えている（図示せず）。図１の例では、時点ｔ５に測定信号が上限値（２０ｍＡ）に達したのを受けて、比較部１４が上限到達信号Ｐｍａｘを出力している。
【００１４】
デジタル信号発生部１６は、上記４種の信号（Ｐｕ、Ｐｄ、Ｐｍａｘ、Ｐｍｉｎ）の発生状況に応じたパターンのビット列（本例では４ビットとする）を含む信号（デジタル測定信号）を生成し、伝送路へ送出する。ビットパターンと信号発生状況を示す情報との対応関係は様々な形で定義できる。図３及び図４にビットパターンと情報との対応関係の定義例を示す（例１及び例２）。これらの定義例による場合、デジタル信号発生手段は、図１のグラフ（Ａ）に示したような物理量の変化に対して（Ｄ）の上段（定義例１）又は下段（定義例２）に示したようなビットパターンのデジタル測定信号を周期Ｔで伝送路へ送出する。
【００１５】
本発明に係る信号伝送装置を遠隔監視システムに応用した場合、監視装置側では次のようにして各時点における測定信号の絶対値Ｓを求めることができる。まず、ある時点における測定信号の基準値Ｓ０を後述する方法で取得するとともに、差分カウント値Ｎを０にリセットする。その後、信号伝送装置からデジタル測定信号を受け取る度に、そのデジタル測定信号の所定ビットパターンが正変化検出に対応する場合（第一のデジタル信号）には差分カウント値Ｎに１を加算し、そのビットパターンが負変化検出に対応する場合（第二のデジタル信号）には差分カウント値Ｎから１を減算する。そして、次式
Ｓ＝Ｓ０＋ΔＳ×Ｎ
により、その時点における測定信号の絶対値Ｓを求めることができる。
【００１６】
本発明に係る信号伝送装置における測定信号のサンプリング周期及びデジタル測定信号のビット数は、伝送路の伝送能力（ビット転送率）や品質、要求される測定精度、物理量の最大変化率等を考慮して決定する。これについて以下に例を挙げて説明する。
【００１７】
まず、６４Ｋｂｐｓの同期通信を行う場合を考える。要求される測定精度（分解能）は測定範囲の０．１％、物理量の最大変化率は測定範囲の大きさの８００％／秒であるものとする。この場合、物理量の最大変化に追従するためには、サンプリング周期Δｔ（秒）が次の不等式
０．１／Δｔ≧８００／１
を満たすようにする必要がある。一方、ビット数Ｂは
Ｂ＝６４０００×Δｔ
で求められる。これらの２式から、
Δｔ≦０．０００１２５
Ｂ≦８
という不等式が得られる。すなわち、上記要求を満たすにはサンプリング周期を０．１２５ミリ秒以下にしなければならず、許容されるビット数の最大値は８である。この条件を満たすようにすれば、たとえある時間帯に物理量が最大変化率で変化しても、その間の変化量に応じた正しい数のインクリメント信号が発生するようになる。見方を変えると、ビット数を８、サンプリング周期を０．１２５ミリ秒とした場合、物理量の変化への追従能力は測定範囲の大きさの８００％／秒である、ということである。
【００１８】
次に、９６００ｂｐｓの非同期通信を行う場合を考える。要求される測定精度（分解能）は測定範囲の０．２％、物理量の最大変化率は測定範囲の大きさの１００％／秒であるものとする。この場合も、先の例と同様に、
０．２／Δｔ≧１００／１
Ｂ＝９６００×Δｔ
の２式から
Δｔ≦０．００２
Ｂ≦１９．２
なる不等式が得られる。すなわち、上記要求を満たすにはサンプリング周期を２ミリ秒以下にしなければならず、許容されるビット数の最大値はスタートビット、データビット、ストップビットを含めて１９である。
【００１９】
ところで、先に説明したように、本発明に係る信号伝送装置では、ある時点における測定信号の基準値Ｓ０を取得した後は、正変化検出、負変化検出及び変化なしという３種類の情報に基づいて各時点における測定信号の絶対値Ｓを求めることができる。従って、各時点の測定信号の絶対値を求めるために逐次伝送すべき情報量は２ビットということになる。先に計算したように、目的物理量の最大変化率は測定範囲の大きさの８００％／秒であるとき、６４Ｋｂｐｓの同期通信を利用すれば、デジタル測定信号のビット数を８としても０．１％という十分に高い精度（これは、一般的なセンサの測定精度と同程度）で物理量を測定を行うことができる。このような場合、伝送路の利用効率を高めるため、デジタル測定信号の残りの値（剰余ビット）を利用して付帯情報を送ってもよい。図３及び図４の定義例ではこの剰余ビットを上限到達及び下限到達の通知に利用している。
【００２０】
また、デジタル測定信号の剰余ビットを利用して測定信号の絶対値Ｓに関する情報を送ることもできる。いま、デジタル測定信号のビット数を８とし、そのうちの下位４ビット（３〜０）で図３又は図４に示したようなビットパターンで測定値の変化情報を表現するものとする。目的物理量を測定するセンサの分解能が測定範囲の０．１％であるとすると、測定信号の絶対値情報を送るには１０ビットの情報量があればよい。ところで、信号の受信側において、図５に示したように３サンプリング分のデジタル測定信号をより大きな信号ブロックとして認識するようにすれば、送信側では各デジタル測定信号の上位４ビット（７〜４）を利用して１２ビットの情報量を３サンプリング毎（周期＝３Ｔ）に送ることができる。従って、受信側（監視装置）では、測定開始から遅くとも時間３Ｔ後には、測定信号の絶対値Ｓを取得することができる。こうして測定信号の絶対値Ｓを取得した後は、先に説明したように下位４ビットの変化情報に基づいて各時点の測定信号の絶対値を求めることができるから、上位４ビットは別の情報の送信に利用してもよい。また、３サンプリング毎に送られてくる絶対値と上記計算式で求められる値とを比較し、両者の値が異なるときには前者の値で保持手段の参照値を更新するようにすれば、差分（単位変化量ΔＳ）の累積による計算誤差が拡大するおそれがなくなる。
【００２１】
また、デジタル測定信号の剰余ビットを利用して、複数の測定機器から得られた複数の測定信号の変化に関する情報を送ることもできる。例えば、図６に示すように、８ビットのデジタル測定信号の下位４ビットで測定信号の変化情報を表現し、上位４ビットで機器番号を表現するようにすれば、最大１６個の測定機器の情報を時分割多重送信することができる。
【００２２】
本発明に係る信号伝送装置の応用例を図７に示す。図７（Ａ）において、工場Ａ及び工場ＢはＸ社の所有する工場であって、電話会社から借り受けた通信回線（金属線を用いた４−２０ｍＡ電流によるアナログ通信回線）により電話局Ｃを中継局として相互に接続されている。一方、Ｚ社本社は、電話局Ｄの管理するデジタル通信回線（光ファイバ）を通じて電話サービス、データ通信等のサービスを受けている。２つの電話局Ｃ及びＤの間はデジタル通信回線（光ファイバ）で接続されている。
【００２３】
上記のような通信網において、工場Ａ及びＢを接続している金属線のアナログ通信回線を光ファイバのデジタル通信回線で置き換えると、４−２０ｍＡ電流による２工場間のアナログ通信は不可能となる。これに対処するために各工場内の計装・通信システムをデジタル化しようとすると、莫大な費用がかかるだけでなく、工場の通常の操業にも支障を来す。そこで、図７（Ｂ）に示したごとく、各工場内のアナログ式計装・通信網と光ファイバのデジタル通信網とのインターフェイスとして本発明に係る信号伝送装置を介在させるようにすれば、２工場間のアナログ通信回線を光ファイバのデジタル通信回線で置き換えた後でも、工場内では既存のアナログ式計装・通信システムをそのまま利用できる。なお、２工場を接続しているアナログ通信回線を全線に渡ってデジタル通信回線で置き換えるのではなく、電話局Ｃの内部においてのみ置き換える場合は、本発明に係る信号伝送装置を電話局Ｃの内部におけるアナログ網とデジタル網のインターフェイスとして設置すればよい。
【００２４】
【発明の効果】
本発明によれば、次のような特徴を有する信号伝送装置が得られる。
（１）デジタル伝送方式の採用により、周知のフィルタ処理、エラー検査及びエラー処理を行うだけで伝送信号から外乱やノイズを除去し、情報を正確に再生することができる。
（２）デジタル信号発生手段における比較処理で用いられる単位変化量ΔＳを適宜変更することにより、測定の分解能を容易に変更することができる。
（３）測定信号Ｓの基準値Ｓ０を取得した後は同信号の単位変化量分の増減を示す２ビット情報を伝送するという方法により、伝送情報の冗長性が低減されているため、従来のデジタル通信方式に比べて伝送すべき情報量がはるかに少ない。
（４）上記のような上限到達信号及び下限到達信号を発生させる信号検査手段を用いることにより、センサの故障や、センサと信号伝送装置との間の信号線の異常（断線や短絡等）を検出することもできる。
（５）従来のアナログ伝送では、外乱（雑音、誘導、歪み等）の影響を避けるために低周波フィルタにより伝送帯域を制限していたため、応答が大変遅く、時定数の大きなプラント等に用途が限られていた。これに対し、本発明の装置では、外乱に強いデジタルパルス信号で情報を伝送できるため、伝送路からの制限を受けにくく、伝送速度を高くすることができる。
（６）従来のアナログ伝送では、上記外乱の影響を受けるため、伝送精度は高くても１〜０．２５％程度であった。これに対し、本発明の装置では、信号発信元となる機器の内部でアナログ信号をデジタル信号に変換して伝送路へ送出するため、目的物理量の測定精度と同レベルの高精度（０．０２５％のオーダー）で情報を伝送することが可能である。
【図面の簡単な説明】
【図１】  本発明に係る信号伝送装置によるデジタル信号のビットパターンの構成方法を示す図。
【図２】  本発明の一実施形態による信号伝送装置の概略構成図。
【図３】  ビットパターンと情報との対応関係の定義例。
【図４】  ビットパターンと情報との対応関係の別の定義例。
【図５】  デジタル測定信号の剰余ビットを利用して測定信号の絶対値に関する情報を送る方法の一例を示す図。
【図６】  デジタル測定信号の剰余ビットを利用して、複数の測定機器から得られた複数の測定信号の変化に関する情報を送る方法の一例を示す図。
【図７】  本発明に係る信号伝送装置の応用例。
【符号の説明】
１２…クロック生成部
１４…比較部
１６…デジタル信号発生部
２０…センサ
２２…参照値保持部
２４…参照値更新部
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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