(57)【要約】本発明は伝送装置２を介して接続された複数の装置１を有するネットワークに関する。この場合、フィールドバス環境とイーサネット環境との間に変換器４が配置されており、これによって２つの環境間のデータ伝送が制御される。
2004514321.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
伝送装置（２）を介して接続された複数の機器（１）が設けられているネットワークにおいて、
接続されている機器（１）はたとえば変換器（４）などの手段を有しており、該手段により、伝送装置（２）から機器（１）へ供給されるデータおよび／または機器（１）から伝送装置（２）へ供給されるデータのデータ伝送が制御されることを特徴とするネットワーク。
【請求項２】
前記手段は伝送されたデータを符号化する、請求項１記載のネットワーク。
【請求項３】
前記手段は、少なくとも２つの機器（１）が同時にネットワークにアクセスしたときに衝突を検出しそれに応答する、請求項１または２記載のネットワーク。
【請求項４】
ドミナント論理レベルとレセッシブ論理レベルが生じるよう伝送装置（２）に規定の静止レベルを加える手段が設けられており、衝突が発生したときにはローインピーダンスで形成された論理レベルが伝送装置において優勢となり、送信側の機器（１）は該レベルを送信データと受信データの比較により識別する、請求項３記載のネットワーク。
【請求項５】
特定の機器が受信すべきデータパケット（データ）に対しデータパケットの始端に可変のビットパターンを割り当てる手段が設けられている、請求項１から４のいずれか１項記載のネットワーク。
【請求項６】
可変のビットパターンの生成および割り当ては自動的に行われ、たとえばランダム方式に従い行われる、請求項５記載のネットワーク。
【請求項７】
レセッシブ論理レベルはデータパケットのデータビットの開始にあたりビット期間の一部分にわたりやはりローインピーダンスで加えられる、請求項４から６のいずれか１項記載のネットワーク。
【請求項８】
送出すべきデータまたは受信すべきデータをシリアル／パラレル変換またはパラレル／シリアル変換する手段が設けられている、請求項１から７のいずれか１項記載のネットワーク。
【請求項９】
前記伝送装置（２）はたとえばツイストされたペアケーブルである、請求項１から８のいずれか１項記載のネットワーク。
【請求項１０】
前記手段は独自の電子コンポーネント、マイクロプロセッサまたはマイクロコントローラとして形成されている、請求項１から９のいずれか１項記載のネットワーク。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
技術分野
本発明は、請求項１の上位概念に記載の受動的伝送装置を介して接続された複数の装置を備えたネットワークに関する。たとえばプロセス自動化の分野では機器（図２参照、機器には参照符号１が付されている）をネットワークでつなぐため、この適用分野のために専用に開発され設計されたフィールドバスシステム（図２の参照符号２）が用いられる。ここで機器とはたとえば制御装置、駆動装置、入力システムまたは出力システムである。フィールドバスシステムの優れている点は機械的な堅牢性、電気的な障害に対する強さ、ならびに設置や稼働および保守が簡単なことである。過酷な周囲条件の分野においてまさにフィールドシステムはその適性が実証されてきた。
【０００２】
従来の技術
とはいうもののフィールドバスシステムの使用にあたりユーザにとって生じる問題点とは、多種多様なフィールドバスシステムが存在することであり、それらがすべて互換性のないことである。フィールドバスシステムの境界を越えた通信は技術的に非常に手間がかかり、したがってほとんど効率的ではない。しかも現場のエンドユーザにとってある特定のフィールドバスシステムを選択するということは、エンドユーザが単一メーカと関係をもつことになるという欠点を有しており、さらにこのことで調達や維持ならびにサービスにおけるコストに関する欠点がもたらされることになる。フィールドバスシステムの場合には現在、データ伝送のための標準技術（たとえばＡＮＳＩ−ＴＩＡ−ＥＩＡ−４８５−Ａ）が存在しており、これらの標準技術がたとえば伝送装置へのアクセス方式、ケーブルおよびプラグコネクタに対する機械的および電気的な要求、プラグの割り当て、データレート、フィールドバスに設けられる機器の最大数、ならびに許容線路長などのような別の規定によって補われている。
【０００３】
フィールドバスシステムと並行してたとえばオフィス通信の分野ではＥＴＨＥＲＮＥＴというコンピュータネットワークが存在しており、これはＩＥＥＥ ８０２．３／Ｉｓｏ／ＩＥＣ ８８０２−３という標準規格に従って動作する。この標準規格はＴＣＰ／ＩＰプロトコルファミリーとともに開発され主要な技術となっており、これによりインターネットの枠組みにおいて様々な機器（たとえば種々のオペレーティングシステムを用いたＰＣ、ワークステーション、メインフレーム）間で全世界に及ぶデータ通信が実現される。これはたとえば図３に示されているようなアクティブな分配装置をもつバスシステムに係わるものである。このようなバスシステムの場合にはポイント・ツー・ポイントコネクションが行われ、これによれば参照符号の付された機器は接続ライン２を介して１つのアクティブな分配装置と接続されている。その際、ある機器から別の機器へのデータ転送はこのアクティブな分配装置５によって行われる。
【０００４】
この種のアクティブな分配装置はプロセス自動化において、あるいは一般的にいえば自動化技術の利用において使用されない。その理由は、このような分配装置は余分なコストの要因を成すからであり、また、システム全体の信頼性を低減させるからである。
【０００５】
発明の開示
したがって本発明の課題は、複数の機器が接続されたネットワークにおいてフィールドバスシステムの利点とイーサネットの利点を兼ね備えるようにすることである。
【０００６】
この課題は請求項１の特徴部分に記載の構成により解決される。
【０００７】
本発明によれば、伝送装置に接続されたすべての手段はたとえば変換器などの手段を有しており、この手段によって伝送装置から機器へ送出されるデータおよび／または機器から伝送装置へ送出されるデータのデータ転送が制御される。これによって、プロセス自動化（たとえばデータライン、接続技術、電子コンポーネント）において実証済みでありしたがって堅牢性のあるコンポーネントを使用することができるとともに、高いデータレートと世界規模のデータ通信ならびにイーサネットとの共存性を維持することができる。複数の機器がいっしょに伝送装置に接続されるので、アクティブな分配装置のないパッシブでロバストなネットワークが形成され、それによりコストも下げることができる。伝送媒体（伝送装置）はたとえばツイストペアケーブルであり、これは好適なコストで調達することができ簡単に敷設することができる。
【０００８】
換言すれば、慣用のフィールドバスシステムの伝送技術がイーサネットデータの伝送に用いられるという利点が得られ、つまりフィールドバスシステムの世界がイーサネットの世界と結合され、したがってフィールドバスシステムの環境がイーサネットの環境と結びつけられる。このため本発明によれば変換器が設けられており、これによって両方の環境が相互に接続され、フィールドバスシステムにおいては通常の配線技術が使用される。
【０００９】
本発明の実施形態によれば上述の手段により伝送データが符号化される。符号化たとえば線路符号化はユーザデータを搬送する送信信号の特性を伝送装置に整合するために用いられ、さらにこれにより受信側の機器をネットワークデータに合わせて同期させることができる。この場合、たとえばイーサネットであればマンチェスター符号化が使用され、これにより送信信号のスペクトルエネルギーが５ＭＨｚよりも上の領域で分散される。フィールドバスシステムのデータレートは毎秒約１０Ｋｂｉｔから数Ｍｂｉｔの範囲にあるので、フィールドバスシステム用に設計されたデータラインはイーサネットデータラインよりも低い信号周波数で伝送が行われるように構成されており、したがって変換器はＮＲＺ符号化を用いるのが有利であり、それゆえデータラインの所要帯域幅が半減される。これにより伝送装置を介して到来する高いデータレートのデータを接続された機器に伝送することができ、その機器においてやはり高い速度で処理することができる。これと同時に、接続された機器から発せられた高いデータレートのデータを伝送装置を介して接続された別の機器へ必要な速度で伝送することができる。
【００１０】
本発明の実施形態によれば前述の手段は、少なくとも２つの機器が同時にネットワークにアクセスしたときに衝突を検出してそれに応答する。衝突が発生するのは、少なくとも２つの接続された機器がネットワークに同時にアクセスしようとし、これによりそれらの機器の送信データが互いに壊し合うときである。このような衝突は、送信過程を規定どおりに中止して所定の期間後に繰り返すことができるよう、アクセスしようとする機器によって検出しなければならない。したがってここで考えられるのは、送信データをハイインピーダンスで電流源を介してフィールドバスに供給することである。衝突が発生した場合、ぶつかり合った機器の送信信号が重畳されて信号電圧の中間値まで高まり、適切な手段によってそれを検出することができる。
【００１１】
本発明の実施形態によれば、適切なフィールドバスターミネータにより規定の静止レベルがデータラインに加えられる。また、送信を行っていない接続機器はラインドライバを高抵抗状態ないしはハイインピーダンス状態に移す。送信を行っている機器だけが、静止レベルとは異なる論理レベルをアクティブかつ低抵抗ないしはローインピーダンスでデータラインに加える。静止レベルと同じ論理レベルを送信すべきときにはラインドライバはハイインピーダンス状態に移され、所望の論理レベルがラインターミネータにより比較的ハイインピーダンスでデータラインに加えられる。これによりドミナント（ｄｏｍｉｎａｎｔ）論理レベルとレセッシブ（ｒｅｃｅｓｓｉｖｅ）論理レベルが生じ、したがって衝突が発生した場合、ローインピーダンスで形成される論理レベルがデータライン上でドミナントとなりないしは優勢となり、送信側の機器はこれを送信データと受信データの比較により識別することができる。この目的で、送信データと受信データを比較する手段が設けられている。
【００１２】
本発明の実施形態によれば、所定のビットパターンから成り特定の機器が受信すべきデータパケットに対し、そのデータパケットの始端に機器の可変のビットパターンを割り当て、もしくはそのデータパケットに対しその始端に可変のビットパターンを前置する手段が設けられている。
【００１３】
これまでに知られている（たとえばＩＥＥＥ ８０２．３に準拠する）データパケットは、たとえば７ｂｙｔｅのプリアンブルと、１ｂｙｔｅのフレーム開始デリミタと６ｂｙｔｅの宛先アドレスと、６ｂｙｔｅの発信元アドレスと、４６〜１５００ｂｙｔｅのデータと、４ｂｙｔｅ長のチェックサムから成る。このような構造のデータパケットの欠点は、ぶつかり合う２つの機器のデータは早くても発信元アドレスのところでしか確実に区別されないことである。しかしながらこの時点ではすでに２０ｂｙｔｅが伝送されてしまっている可能性があり、それから２つの機器間の衝突が検出されるので、その結果として許容できないほど長い衝突検出時間が生じてしまう。
【００１４】
そこで本発明によれば、たとえば１０シーケンスから成り情報を含まないデータパケットの最初のバイトが可変のビットパターンで置き換えられる。このビットパターンは任意の可変のビットパターンによって構成することができ、その際、機器に割り当てられるビットパターンが衝突に関与している他のすべての機器のビットパターンと区別される。これにより衝突を検出する手段と関連して（請求項４）、送信データと受信データを単純に比較することで衝突検出を行うことができる。なお、データ受信の際に機器内でこの可変のビットパターンを再び１０シーケンス殊にもともとの１０シーケンスに置き換える手段を設けることだけは留意する必要があり、そのようにすれば制御装置にとってこのプリアンブルはそのまま変わらない。
【００１５】
本発明の実施形態によれば、可変のビットパターンの生成ならびに割り当てが自動的に行われる。ランダム方式に従い可変のビットパターンを自動生成することで、機器のユーザはこのプロセスを自身でトリガする必要がなくなり、バックグラウンドで自動的に実行される。しかもランダム方式に従う生成により得られる利点によれば、２つの機器に同じ宛先アドレスが与えられないことが保証されるようになり、したがって衝突検出を効果的に実行できるようになる。
【００１６】
本発明の実施形態によれば、レセッシブ論理レベルがデータパケットのデータビットの冒頭でビット期間の一部分にわたりやはりローインピーダンスで形成される。
【００１７】
ドミナント論理レベルとレセッシブ論理レベルに基づく衝突検出を適用する場合に生じる可能性のある問題点とは、レセッシブ論理レベルがハイインピーダンスで加えられることにより、著しく多数の機器をデータラインに接続しそれに付随して大きい容量性負荷が生じたときに殊に、信号レベルの経過特性が激しく減衰され、そのことでデータ伝送の品質が損なわれるおそれのあることである。本発明によればこの問題点は次のようにして解決されている。すなわちレセッシブ論理レベルはデータビットの冒頭においてビット期間の一部分にわたりやはりローインピーダンスで加えられる一方、データビットの残りの期間については機器内に、そのデータビット期間をハイインピーダンスに切り替える手段が設けられている。このようにすれば衝突検出動作を損なうことなく、ビット期間のこの一部分の時間を適切に選定することによって信号減衰を効果的に回避することができる。
【００１８】
本発明の実施形態によれば前述の手段により、送出すべきまたは受信すべきデータのシリアル／パラレル変換またはパラレル／シリアル変換が行われる。これにより「フィールドバスの世界」から「イーサネットの世界」へおよびその逆方向でデータを伝送することができる。この変換は送信データについても受信データについてもあてはまる。
【００１９】
以下では１つのネットワークについて図面を参照しながら説明する。とはいうものの本発明はこのネットワークに限定されるものではなく、基礎とする着想の範囲内で変形が可能である。
【００２０】
図面の簡単な説明
図１は本発明によるネットワークを示す図である。
【００２１】
図２は従来技術によるフィールドバスをもつネットワークを示す図である。
【００２２】
図３は従来技術によるアクティブな分配装置をもつイーサネットネットワークを示す図である。
【００２３】
実施例
図１には複数の機器１を備えたネットワークが示されており、これらはたとえばツイストペアケーブルとして構成された伝送媒体を介して接続されている。接続された機器１において、データ伝送およびネットワークの制御に必要とされるコンポーネントについて説明する。なお、機器における適用事例固有のコンポーネント（たとえばセンサ、アクチュエータ、入力手段、駆動装置等）は、みやすくするため省略した。ここで機器１とはたとえば、プロセス自動化という状況においてつまり一般的には自動化技術において使用される機器である。機器１をＰＣとしてもよい。
【００２４】
機器１には送受信装置３が設けられており、この送受信装置３を介して機器１のデータが伝送装置２へ送出され、個々の機器１のためのものと指定されたデータが伝送装置２を介して受信される。送受信装置３はトランシーバとも呼ばれ、ＡＮＳＩ−ＴＩＡ−ＥＩＡ−４８５−Ａという標準規格に従い構成することができる。同様に送受信装置３は有利には電位分離機構ないしは導電分離機構を備えている。
【００２５】
機器１内部においてこの送受信装置３に本発明による変換器４が接続されており、この変換器によって「フィールドバスの世界」が「イーサネットの世界」と結びつけられる。この変換器４は機器１から伝送装置２へのデータ伝送および伝送装置２から機器１へのデータ伝送を送受信データのシリアル／パラレル変換、線路符号化／復号（ＮＲＺ）ならびに衝突検出、パルス整形によって制御する。
【００２６】
変換器４にさらに制御装置５が接続されており、これはＣＰＵ６によって制御される。この制御装置５は、ネットワーク（伝送装置２）に対する機器１のアクセスおよびデータの受信を制御する。さらに制御装置５は機器１において関与する他の複数のコンポーネントのうちの一部またはそれらすべてと接続されており、したがってプロセスデータが制御装置５へ入力されることによりこのデータが変換器４において変換され、送受信装置３を介して伝送装置２へ送出されて、つながっている他の機器へと転送される。これとは逆に受信データが制御ユニット５を介して機器１の関与しているコンポーネントへ転送される。
【００２７】
図１に示されている参照符号３〜６の付された手段は個別のものであってもよいし、グループにまとめたり、あるいはすべてをいっしょに１つの電子コンポーネントやマイクロプロセッサやマイクロコントローラに集積させてもよい。
【００２８】
さらにフィールドバス２の一方の端部または両方の端部に１つのバスターミネータ７または２つのターミネータ７が設けられており、これにより正しい特性インピーダンスの終端が形成され、付加的に規定の静止レベルをフィールドバスに与えることができる。
【００２９】
図２および図３については公知の従来技術の説明のところですでに説明した。
【図面の簡単な説明】
【図１】
本発明によるネットワークを示す図である。
【図２】
従来技術によるフィールドバスをもつネットワークを示す図である。
【図３】
従来技術によるアクティブな分配装置をもつイーサネットネットワークを示す図である。
【国際公開パンフレット】
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2004514321.tif 000016
【国際公開パンフレット（コレクトバージョン）】
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【国際調査報告】
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