(57)【要約】      （修正有）【課題】不要な信号レベルの増大と干渉ノイズの増大を抑制し、通信の安定性と電源供給の安定性を確保する。【解決手段】バス（フィールド配線）を伝搬する信号の電圧レベルを調整する信号レベル調整装置に用いられる信号レベル調整方法であって、送信端から送信される信号の波形の立ち上がり時間から計算される受信端の信号レベルを、適用するバス規格（ＦＦ規格）にしたがう所定の範囲に含まれるように調整する第１のステップ（Ｓ１０１〜Ｓ１０５）と、送信される信号の電圧レベルを第１のステップで調整された信号の電圧レベルに設定する第２のステップ（Ｓ１０６）と、を有する。【選択図】図２
2013121060.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
バスを伝搬する信号の電圧レベルを調整する信号レベル調整方法であって、
送信端から送信される前記信号の波形の立ち上がり時間から計算される受信端の信号レベルを、適用するバス規格にしたがう所定の範囲に含まれるように調整する第１のステップと、
前記送信される信号の電圧レベルを前記第１のステップで調整された信号の電圧レベルに設定する第２のステップと、
を有することを特徴とする信号レベル調整方法。
【請求項２】
前記第１のステップは、
前記信号の立ち上がり時間を測定するサブステップと、
伝搬遅延時間に基づき前記送信端から前記受信端に至る配線長を演算するサブステップと、
前記配線長に依存する減衰量を演算して最適な送信信号レベルに減少させるサブステップと、
を含むことを特徴とする請求項１記載の信号レベル調整方法。
【請求項３】
前記適用するバス規格は、
幹線中の任意の位置から支線を分岐し、前記支線に防爆バリアを介してフィールド機器が接続されるフィールドバス規格であることを特徴とする請求項１記載の信号レベル調整方法。
【請求項４】
信号線を伝搬する信号の電圧レベルを調整する信号レベル調整装置であって、
送信端から送信される前記信号の波形の立ち上がり時間から計算される受信端の信号レベルを、適用する規格にしたがう所定の範囲に含まれるように調整する制御部、
を有することを特徴とするレベル調整装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、フィールドバス等のバスを伝搬する信号の電圧レベルを調整する、信号レベル調整方法および装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
Ｆｏｕｎｄａｔｉｏｎ（登録商標）フィールドバスは、構内での計測、制御用機器間の通信に用いるデジタルネットワークであり、送信端、または受信端と制御機器との通信、制御機器同士の通信に特化したネットワークである。従来、これら制御機器間では、それぞれスイッチや電子弁関連のＯＮ／ＯＦＦ信号線、あるいはアナログ信号の配線で接続されていたが、配線を共有化し、マルチドロップ接続による時分割多重制御によって配線費用の低減が図れるようになった（例えば、特許文献１参照）。
【０００３】
図４に、幹線Ａ（２３），Ｂ（２４）の途中に支線Ｃ（２７）を設けたフィールド配線に、不図示のフィールド機器が接続されるバスシステムが例示されている。図４において、防爆バリア２６は、フィールド機器との接続点である分岐端４０が可熱性ガスの雰囲気中で誤ってショートされたとしても引火に至らないように、抵抗成分Ｒを入れてエネルギー制約を行う。なお、図４中、ＰＳは、フィールドバス電源２１、ＲＴｒｕｎｋＡは、幹線Ａ（２３）の直流抵抗、ＲＴｒｕｎｋＢは幹線Ｂ（２４）の直流抵抗、ＲＳｐｕｒは支線Ｃ（２７）の直流抵抗、ＲＴｅｒｍはともに終端器Ａ（２２），Ｂ（２５）の抵抗、Ｃはともに終端器Ａ（２２），終端器Ｂ（２５）の容量、Ｒは防爆バリア２６の抵抗を示す。
【０００４】
図４のバスシステムにおいて、分岐端４０から見た合成抵抗Ｒｔｏｔａｌは、Ｒｔｏｔａｌ＝２Ｒ＋２ＲＳｐｕｒ＋（ＲＴｒｕｎｋＡ＋ＲＴｅｒｍ）（ＲＴｒｕｎｋＢ＋ＲＴｅｒｍ）／（ＲＴｒｕｎＫＡ＋ＲＴｅｒｍ＋ＲＴｒｕｎｋＢ＋ＲＴｅｒｍ）である。また、分岐端４０に接続されるフィールド機器が、定電流Ｉで信号を出力した場合の信号レベルＶは、Ｖ＝Ｉ×Ｒｔｏｔａｌ＝Ｉ×（２Ｒ＋２ＲＳｐｕｒ＋（ＲＴｒｕｎｋＡ＋ＲＴｅｒｍ）（ＲＴｒｕｎｋＢ＋ＲＴｅｒｍ）／（ＲＴｒｕｎｋＡ＋ＲＴｅｒｍ＋ＲＴｒｕｎｋＢ＋ＲＴｅｒｍ））である。一方、防爆バリア２６が無く、幹線長と支線長が直流抵抗を無視できる長さである場合は、分岐端４０から見た合成抵抗Ｒｔｏｔａｌは、Ｒｔｏｔａｌ＝ＲＴｅｒｍ・ＲＴｅｒｍ／（ＲＴｅｒｍ＋ＲＴｅｒｍ）であり、分岐端４０に接続したフィールド機器が、定電流Ｉで信号を出力した場合の信号レベルＶは、Ｖ＝Ｉ  ＲＴｅｒｍ・ＲＴｅｒｍ／（ＲＴｅｒｍ＋ＲＴｅｒｍ）である。但し、何れも直流抵抗以外の影響は軽微であり、無視するものとする。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開平０９−１３０３１２号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
ところで、上記したバスシステムでは、フィールド配線に防爆バリア２６を接続した場合等、直流抵抗Ｒが原因で、送信端２０での信号振幅が増加し、送信側でのフィールドバス電源電圧の最小値を想定以上に低下させる。具体的に、分岐端４０に接続したフィールド機器が、２０ｍＡの定電流で信号を送信した場合の、分岐端４０での信号レベルを計算すると以下のようになる。すなわち、防爆バリア２６は無く、幹線Ａ（２３），Ｂ（２４）、支線Ｃ（２７）は直流抵抗を無視できる長さの場合、終端器Ａ，Ｂ（２２，２５）の抵抗ＲＴｅｒｍを１００Ωとすると、信号レベルＶは、Ｖ＝２０ｍＡ×１００・１００／（１００＋１００）＝１Ｖになる。
【０００７】
この信号と、ＦＯＵＮＤＡＴＩＯＮ（登録商標）フィールドバス規格（以下、単にＦＦ規格という）によるフィールドバス電源電圧の最小値である＋９Ｖ（ａ）の直流電圧を重畳した場合の概念図を図５に示す。ＦＦ規格では、送信信号レベルは１．０Ｖ〜０．７５Ｖ（ｂ）に規定されているため、信号の半周期でフィールドバス電源電圧は最大８．５Ｖ（ｃ）まで落ち込むことが許容されている。図５に示す例では、信号が負側に振れる周期においても、フィールドバス電源電圧はＦＦ規格で許容された範囲以内に収まっている。
【０００８】
一方、防爆バリア２６が接続され、幹線Ａ（２３），Ｂ（２４）、支線Ｃ（２７）が直流抵抗を無視できない程度に長い場合は、幹線Ａ（２３），Ｂ（２４）の直流抵抗は４５Ω、支線Ｃ（２７）の直流抵抗は５Ω、防爆バリア２６の抵抗は４０Ω、終端器Ａ，Ｂ（２２，２５）の抵抗は１００Ω、分岐端４０に接続されるフィールド機器の出力電流が２０ｍＡとした場合に、その信号レベルＶは、Ｖ＝２０ｍＡ×（２×４０＋２×５＋（（４５＋１００）（４５＋１００）／（４５＋１００＋４５＋１００））＝３．２５Ｖとなる。
【０００９】
この信号と、ＦＦ規格によるフィールドバス電源電圧の最小値である＋９Ｖの直流電圧を重畳した場合の概念図を図６に示す。図６に示されているように、信号レベルが増加（ｄ）したため、信号が負側に振れる周期において、フィールドバス電源電圧はＦＦ規格で許容された範囲から外れている（ｅ）。このため、分岐端４０に接続されるフィールド機器は電源供給が不安定になり、したがって、動作異常などのリスクが増大することになる。
【００１０】
そこで信号レベルを小さく設定し、フィールドバス電源電圧がＦＦ規格規で示される定値を下回らないようにする対策が考えられる。しかしながら、フィールド配線には、配線長による信号の減衰があるため、幹線Ａ（２３），幹線Ｂ（２４）や支線Ｃ（２７）が長い場合、信号レベルを小さく設定する際には、分岐端４０に接続されるフィールド機器が出力した信号が、受信端３０で、ＦＦ規格に規定された最小受信レベルを下回らないように注意する必要がある。しかしながら、幹線Ａ（２３），幹線Ｂ（２４）や支線Ｃ（２７）の長さが不明な場合には、分岐端４０を最適な信号レベルに設定するのは困難である。
【００１１】
また、上記と同様に、直流抵抗の増加等により信号レベルが増大した場合は、干渉による近接配線へのノイズが増加し、安定した通信を妨害する場合がある。ノイズには、周囲環境から受ける環境ノイズの他に、近接する配線から容量結合により乗り移る干渉ノイズがある。ＦＦ規格に基づく通信では、物理層仕様により許容最大ノイズレベルは７５ｍＶと規定されており、配線のノイズレベルは、この値以下に抑えなければ、正常に通信できない場合がある。近接する配線へ与える干渉ノイズは、信号電圧レベルが大きくなるにつれ大きくなる。また、配線が長くなるほど干渉ノイズは増大する。その他にもケーブルの材質、種類、芯腺径、ツイストの有無などの影響を受ける。これに対し、現場に敷設されているケーブルの種類や長さを変更するのはコスト等の面から難しい。
【００１２】
そこで、図７に、送信信号レベルと配線長との関係がグラフで説明されているように、送信信号のレベルを減少（ｇ→ｈ）させれば干渉ノイズのレベルは減少する。そして、図８にノイズレベルと配線長との関係がグラフで説明されているように、ノイズレベルをＦＦ規格による許容最大ノイズレベル（ｉ）以下（ｊ→ｋ）に抑えることができる。しかしながら、送信信号レベルを減少させれば、ケーブルの直流抵抗などによる減衰のため、信号レベルはＦＦ規格に規定された最小受信レベルを下回り、正常な通信ができなくなる恐れがある。したがって、幹線Ａ（２３），幹線Ｂ（２４）、支線Ｃ（２７）長を明らかにしなければ、信号レベルがＦＦ規格を満足する送信レベルに設定するのは困難である。
【００１３】
本発明は上記した課題を解決するためになされたものであり、不要な信号レベルの増大と干渉ノイズの増大を抑制し、通信の安定性と電源供給の安定性を確保する、信号レベル調整方法およびその装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１４】
上記した課題を解決するため第１の観点に係る発明は、バスを伝搬する信号の電圧レベルを調整する信号レベル調整方法であって、送信端から送信される前記信号の波形の立ち上がり時間から計算される受信端の信号レベルを、適用するバス規格にしたがう所定の範囲に含まれるように調整する第１のステップと、前記送信される信号の電圧レベルを前記第１のステップで調整された信号の電圧レベルに設定する第２のステップと、を有することを特徴とする。
【００１５】
本発明によれば、送信端の送信信号波形の立ち上がり時間から計算される受信端の信号レベルを、適用するバス規格にしたがう所定の範囲に含まれるように調整し、送信される信号の電圧レベルを調整された信号の電圧レベルに設定することで、不要な信号レベルの増大と干渉ノイズの増大を抑え、通信の安定性と電源供給の安定性を確保することができる。
【００１６】
本発明において、前記第１のステップは、前記信号の立ち上がり時間を測定するサブステップと、伝搬遅延時間に基づき前記送信端から前記受信端に至る配線長を演算するサブステップと、前記配線長に依存する減衰量を演算して最適な送信信号レベルに減少させるサブステップと、を含むことを特徴とする。本発明によれば、バスに注入した信号の立ち上がり時間を、信号を注入した側から測定することにより、フィールド配線の片側から配線長を正確に推定し、配線長に依存する信号の減衰量を演算することで最適な送信信号レベルを決定することができる。
【００１７】
本発明において、前記適用するバス規格は、幹線中の任意の位置から支線を分岐し、前記支線に防爆バリアを介してフィールド機器が接続されるフィールドバス規格であることを特徴とする。本発明によれば、フィールドバス規格に準拠して送受信端間で通信が行われるフィールドバスシステムにおいて、フィールドバスに注入した信号の立ち上がり時間を、信号を注入した側から測定することによりフィールド配線の片側から配線長を正確に推定し、配線長に依存する信号の減衰量を計算することで、最適な送信信号レベルを決定することができる。このため、不要な信号レベルの増大と干渉ノイズの増大を抑え、通信の安定性と電源供給の安定性を確保することができる。
【００１８】
第２の観点に係る発明は、信号線を伝搬する信号の電圧レベルを調整する信号レベル調整装置であって、送信端から送信される前記信号の波形の立ち上がり時間から計算される受信端の信号レベルを、適用する規格にしたがう所定の範囲に含まれるように調整する制御部、を有することを特徴とする。
【００１９】
本発明によれば、制御部は、送信端の送信信号波形の立ち上がり時間から計算される受信端の信号レベルを、適用するバス規格にしたがう所定の範囲に含まれるように調整し、送信される信号の電圧レベルを調整された信号の電圧レベルに設定する。このため、最適な送信信号レベルを決定することができ、不要な信号レベルの増大と干渉ノイズの増大を抑制し、通信の安定性と電源供給の安定性を確保する信号レベル調整装置を提供することができる。
【発明の効果】
【００２０】
本発明によれば、不要な信号レベルの増大と干渉ノイズの増大を抑制し、通信の安定性と電源供給の安定性を確保する、信号レベル調整方法および装置を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２１】
【図１】本発明の実施の形態に係る信号レベル調整装置の構成を示すブロック図である。
【図２】本発明の実施の形態に係る信号レベル調整方法の各工程を示すフローチャートである。
【図３】本発明の実施の形態に係る信号レベル調整装置で測定される送信信号の波形を示す図である。
【図４】フィールドバスシステムの一例を示す図である。
【図５】ＦＦ規格による規定値と送信信号レベルとの関係を時間軸上に示した概念図（１）である。
【図６】ＦＦ規格による規定値と送信信号レベルとの関係を時間軸上に示した概念図（２）である。
【図７】信号レベルと配線長との関係を示したグラフである。
【図８】ノイズレベルと配線長との関係を示したグラフである。
【発明を実施するための形態】
【００２２】
以下、添付図面を参照して本発明を実施するための実施の形態（以下、単に本実施形態という）について詳細に説明する。
【００２３】
（実施形態の構成）
図１は、本実施形態に係る信号レベル調整装置の構成を示すブロック図である。図１に示されるように本実施形態に係る信号レベル調整装置１は、信号線１００を伝搬する信号の電圧レベルを調整する機能を有し、このため、図４に示す送信端２０から送信される信号の波形の立ち上がり時間から計算される受信端の信号レベルを、適用する規格にしたがう所定の範囲に含まれるように調整する制御部１０、を有する。
【００２４】
制御部１０は、具体的にはメモリを含むマイクロプロセッサにより構成され、制御部１０が、送信端２０から送信される信号の波形の立ち上がり時間から計算される受信端３０の信号レベルを、適用する規格にしたがう所定の範囲に含まれるように調整するため、機能的には、立ち上がり時間測定部１１と、演算部１２と、レベル設定制御部１３と、を含み構成される。ここで、立ち上がり時間測定部１１は、送信信号の立ち上がり時間を測定して演算部１２へ出力する。演算部１２は、立ち上がり時間によって決まる伝搬遅延時間に基づき、送信端２０から受信端３０に至る配線長を演算してレベル設定制御部１３へ出力する。レベル設定制御部１３は、演算部１２の演算により推定される配線長に依存する減衰量を求め、送信信号を最適な送信信号レベルに減少させる。
【００２５】
（実施形態の動作）
以下、図２，図３を参照しながら本実施形態に係る信号レベル調整装置１の動作について詳細に説明する。まず、図２に示すフローチャートを用いて概略動作を説明する。
【００２６】
信号レベル調整装置１（制御部１０）は、まず、送信端２０からパイロット信号が送信されると（ステップＳ１０１）、立ち上がり時間測定部１１でその信号波形を測定して（ステップＳ１０２）、信号波形の立ち上がり時間から配線長を明らかにする（ステップＳ１０３）。次に、演算部１は、演算により求められる配線長から信号レベルの減衰量を推定し（ステップＳ１０４）し、続いて演算により推定した減衰量から、信号レベルが受信端３０において、ＦＦ規格で規定される値を下回らないような、送信する信号レベルを計算する（ステップＳ１０５）。最後に、レベル設定制御部１３は、送信する信号レベルを計算によって得た信号レベルに設定し（ステップＳ１０６）、結果、特性インピーダンスの増加による信号レベルの増加を最小に抑える。
【００２７】
ここで、信号レベルを下げれば電源供給の安定性や干渉ノイズ増大へのリスクは小さくなるが、仮に、受信端の信号レベルが許容最小受信レベルを下回れば、通信が正常に行えなくなる可能性がある。ＦＦ規格にしたがう規定値の範囲内で信号レベルを下げることが重要である。以下、演算部１２により実行されるステップＳ１０３の配線長の計算法、ステップＳ１０４の減衰量の計算法について詳述する。
【００２８】
ここでは、図４に示す送信端２０から送信信号を与える場合を考える。送信信号Ｉは定電流源で与え、その波形は方形波とする。送信側の電圧波形には、図３にその測定波形が示されるように、立ち上がりＴ１に配線の影響が現れる。図４の送信端２０から送信信号Ｉを注入した場合、図３の電圧Ｖ１は、Ｖ１＝Ｉ×Ｚ、Ｖ２は、電圧Ｖ２＝Ｉ×Σｒで表される。ここで、Ｚは、フィールド配線のインピーダンスであり、ｒは、フィールド配線の単位長さ辺りの直流抵抗である。送信信号Ｉの電圧は、フィールド配線のインピーダンスと注入電流から決まる電圧値Ｖ１まで上昇した後、送信信号がフィールド配線を往復する間に、フィールド配線の直流抵抗から受ける影響で信号振幅がＶ２まで上昇する。
【００２９】
このため信号の立ち上がり時間Ｔ１を測定すれば、フィールド配線を往復する時間を知ることができ、フィールド配線の長さを明らかにすることができる。フィールド配線長Ｌは、Ｌ＝１／ａ×Ｔ１／２で表される。ここで、ａは、１ｍ辺りの動体の伝播遅延時間とする。例えば、図３に示す信号波形の計算を行う。波形は図１の１から２へ定電流２０ｍＡの信号を注入したときのものである。図１に示す例では、Ｔ１＝５ｕｓとする。ここでは、フィールド配線の電播遅延時間をａ＝５ｎｓ／ｍとする。このとき、フィールド配線長Ｌは、Ｌ＝１／（５ｎｓ／ｍ）×（５ｕｓ）／２＝５００ｍｓとなる。
【００３０】
次に演算部１２で実行される減衰量の計算の仕方について説明する。以降の説明では、図４の送信端２０から定電圧で送信信号を与えた場合の計算例である。ここで、フィールド配線で使用されている電線での、ＦＦ信号の減衰量を−５．０ｄＢ／ｋｍと仮定する。先の配線長の計算から配線長は５００ｍであるため、フィールド配線の減衰量は、５００ｍ／１ｋｍ×−５．０ｄＢ／ｋｍ＝−２．５ｄＢとなる。
【００３１】
次に、送信レベルの決定の仕方について説明する。送信側から振幅０．７５Ｖ（ＦＦ規格による最小送出信号レベル）の信号を与えた場合の、受信端３０の信号レベルは、０．７５Ｖ×１０−２．５ｄＢ／２０＝０．５６２Ｖである。ＦＦ規格による許容最小振幅レベル０．１５Ｖと比べ、信号レベルの余裕は、０．５６２−０．１５＝０．４１２Ｖである。ここで、送信信号のレベルを０．４Ｖ引き下げると、送信信号レベルは、０．７５Ｖ−０．４Ｖ＝０．３５Ｖになる。このときの受信端３０の信号レベルは、０．３５Ｖ×１０−２５ｄＢ／２０＝０．２６２Ｖで表される。信号レベルは、図８に破線で示すように、ＦＦ規格の規定値を満たす範囲で下げることができる。
【００３２】
以上の手順で、注入信号の波形から、受信端２０で最小受信レベルを下回らない送信信号のレベルを決定し、送信信号のレベルを下げることで、安定した通信と安定したフィールドバス電源供給を実現することができる。
【００３３】
（実施形態の効果）
以上説明のように本実施形態に係る信号レベル調整装置１によれば、幹線２３，２４中の任意の位置から支線２７を取り出して防爆バリア２６を接続した場合に、防爆バリア２６の抵抗や、幹線２３，２４、支線２７の直流抵抗から特性インヒーダンスが増加し、送信端２０での信号レベルが増加してフィールドバス電源電圧がＦＦ規格などで規定された範囲外となり、あるいは干渉ノイズが増大し、ノイズレベルがＦＦ規格などで規定された許容最大レベルを超えることを、送信端２０での信号波形の立ち上がり時間から推定した受信端３０の信号レベルを、ＦＦ規格などで規定された範囲外にならない信号レベルまで送信レベルを減少させることによって抑制することができ、安定した通信と電源供給を実現するものである。
【００３４】
なお、本実施形態に係る信号レベル調整方法は、例えば、図１に示すように、バス（フィールド配線２３）を伝搬する信号の電圧レベルを調整する信号レベル調整装置１に用いられる信号レベル調整方法である。そして、例えば、図２のフローチャートに示されるように、送信端２０から送信される信号の波形の立ち上がり時間から計算される受信端３０の信号レベルを、適用するバス規格（ここではＦＦ規格）にしたがう所定の範囲に含まれるように調整する第１のステップ（Ｓ１０１〜Ｓ１０５）と、送信される信号の電圧レベルを第１のステップで調整された信号の電圧レベルに設定する第２のステップ（Ｓ１０６）と、を有することを特徴とする。
【００３５】
また、本実施形態に係る信号レベル調整方法において、第１のステップ（Ｓ１０１〜Ｓ１０５）は、信号の立ち上がり時間を測定するサブステップ（Ｓ１０１，Ｓ１０２）と、伝搬遅延時間に基づき送信端から受信端３０に至る配線長を演算するサブステップ（Ｓ１０３）と、配線長に依存する減衰量を演算して最適な送信信号レベルに減少させるサブステップ（Ｓ１０４，Ｓ１０５）と、を含む。
【００３６】
本実施形態に係る信号レベル調整方法によれば、フィールドバス規格に準拠して送受信端間で通信が行われるフィールドバスシステムにおいて、フィールドバスに注入した信号の立ち上がり時間を、信号を注入した側から測定することによりフィールド配線の片側から配線長を正確に推定し、配線長に依存する信号の減衰量を計算することで、最適な送信信号レベルを決定することができる。このため、不要な信号レベルの増大と干渉ノイズの増大を抑制し、通信の安定性と電源供給の安定性を確保することができる。
【００３７】
以上、本発明の好ましい実施形態について詳述したが、本発明の技術的範囲は上記実施形態に記載の範囲には限定されないことは言うまでもない。上記実施形態に、多様な変更または改良を加えることが可能であることが当業者に明らかである。またその様な変更または改良を加えた形態も本発明の技術的範囲に含まれ得ることが、特許請求の範囲の記載から明らかである。
【符号の説明】
【００３８】
１・・・信号レベル調整装置、１０・・・制御部、１１・・・立ち上がり時間測定部、１２・・・演算部、１３・・・レベル設定制御部、２０・・・送信端、３０・・・受信端、２３，２４・・・幹線、２６・・・防爆バリア、２７・・・支線、４０・・・分岐端。
【図１】
2013121060.tif 000003
【図２】
2013121060.tif 000004
【図３】
2013121060.tif 000005
【図４】
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【図５】
2013121060.tif 000007
【図６】
2013121060.tif 000008
【図７】
2013121060.tif 000009
【図８】
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