組 込 シ ス テ ム の た め の L A N 接 続 ユ ニ ットの開発
堀場隆広 * 1

安田篤司 * 2

盛田耕作 *3

Development of The LAN Connection Unit for an Embedded System
Takahiro HORIBA, Atsushi YASUDA and Kosaku MORITA
Technical Consulting Division, AITEC *1
Planning and Coordination Division, AITEC *2
Research and Development Division, AITEC *3
本 研 究 で は 、 工 場 の 内 部 に あ る 機 器 等 に 組 み 込 ん で リ モ ー ト で モ ニ タ リ ン グ す る た め に LAN 接 続 ユ ニッ ト を 試 作 し た 。 前 年 度 開 発 し た Linux を 搭 載 し た マ イ ク ロ コ ン ピ ュ ー タ の プ ロ グ ラ ム 開 発 シ ス テ ム を 用
い て 、 通 信 プ ロ グ ラ ム を 作 成 し て LAN 接 続 ユ ニ ッ ト に 組 み 込 ん だ 。 こ れ を LAN に 接 続 し て 、 開 発 シ ス テ
ムと LAN 接 続 ユ ニ ッ ト 間 の 通 信 デ ー タ の 応 答 時 間 を 測 定 し た と こ ろ 、3.3msec で あ っ た 。 ま た 、 半 導 体
温 度 セ ン サ を LAN 接 続 ユ ニ ッ ト に 組 み 込 み 、LAN を 通 し て 温 度 を 開 発 シ ス テ ム 上 の 画 面 に 表 示 で き た 。

１．はじめにリングするために、前年度開発したマイクロコンピュー

インターネットの急速な発展と通信コストの低価格化

タ（以後、マイコンとする。） のプログラム開発システ

により、ホームページや電子メールを用いて世界中のあム 1) を利用して、組込システムのためのネットワーク接らゆる情報を瞬時に入手したり、交換したりできるよう続形の LAN 接続ユニット（以後、接続ユニットとする。）になってきた。一方、インターネットの利用として、単と温度測定プログラムを試作した。そして、接続ユニッにホームページや電子メールのように人間のコミュニケ

トと開発システム間における通信の応答時間の測定と遠ーションの手段として利用するだけでなく、最近ではイ

隔による温度測定の実験をしたので報告する。

ンターネット家電のように人間と機器、機器と機器との２．実験方法

情報交換の手段としてもその利用が急速に広まろうとしネットワー ク接続形の接続ユニットを使ったモニタリている。また、多くの生産機器を用いる工場では、安価ング例として、温度のモニタリングの実験を行った。こなインターネットや LAN を用いて、生産機器の状態をこでは、半導体温度センサ（以後、温度センサとする。）モニタリングすることや製品を管理することが求められを用いた温度測定回路とマイコンを用いた接続ユニットている。工場内部にある生産機器等を LAN(Local Areaの回路の設計と試作をした。これに通信プログラムを組Network)やインターネットに接続する利点として、工場み込んだ。構築した実験システムを 写 真 1 に示す。

内における機器の異常の早期発見、工場内に分散されている機器の有機的な結合による保守管理、機器や製品からのデータ収集による製品の品質管理、工程や製品からのデータの蓄積と分析、工場における機器や製品の遠隔管理、独自回線による機器間の接続に比べ、標準化された安価な LAN の接続機 器等を用いることによる機器の変更や機器間の接続コストの低減などが挙げられる。
本研究では、工場における生産機器等を遠隔にモニタ*1

技術支援部機械電子室

*2

企画連携部

*3

基盤技術部

写真１

実験システム2.1 温 度 測 定 回 路（以後、RS-232C とする。）、10 ビットの A/D 変換器、実験で用いた温度センサを写 真 2 に示す。試作した温256K バイトのスタティックメモリ２個、および ISA バ度測定回路を図 1 に示す。デジタル化された温度データスブリッジ回路から成る。またネットワークカードは ATから温度への変換は温度センサのデータシートに記載し互換機パソコン用の ISA バスを備えた 10BASE-T の市てある温度 T(℃)と出力電圧 Vo(V)の特性から式(1)に示販のものを用いた。

す直線に近似した。
T=a・Vo+b

2.3 接 続 ユ ニ ッ ト の 通 信 プ ロ ト コ ル(但し、a=-58.8 ,b=118 )(1)

この式を用いて温度センサの電圧から温度を求めた。

接続ユニットの通信プロトコルは、次の二つの項目を満足するように作成した。
(1) インターネットに接続できるプロトコルを用いる。
(2) セ ン サ の 温 度 デ ー タ を UDP(User DatagramProtocol)のパケットに載せて転送できる。
接続ユニットに組み込んだ通信プロトコルの階層構造を
図 3 に示す。プロトコルの階層構造は物理層にイーサネットのハードウェア、データリンク層にイーサネットのプロトコル、ネットワーク層に IP(Internet Protocol),（SEIKO 製
写真２

ICMP(Internet Control Message Protocol)、S‑8100B）

ARP(Address Resolution Protocol)、トランスポート層

温度センサに UDP を作成した。そして、アプリケーション層として UDP 上に温度データの通信プロトコルのプログラム

CMOS
温度センサ
（S-８１００B）
温度T(℃)

R1
1MΩ
−＋を作成した。
TLC272CP
温度の通信プロトコル

アプリケーション層

UDP

トランスポート層

Ｖout

Av=1

Ｉ
Ｐ

図１

温度測定回路ICMP

イーサネットのプロトコル

2.2 LAN 接続ユニッ ト

図３

ARP

ネットワーク層

データリンク層作成した通信パケットの階層構造

接続ユニットで温度を計測して、LAN に接続されている開発システム上に、これをモニタリングするために、

2.4 通 信 プ ロ グ ラ ム の 開 発

写真１に示す接続ユニットを試作した。試作した接続ユ通信プログラムの開発システムとして前年度構築しニットの構成は図 ２ で示すように、マイコンボードとネたマイコンのクロス開発環境を用いて作成した。この開ットワークカードから成る。マイコンボードは 16 ビッ

発環境は OS に Linux、プログラム言語に C 言語を用いトのマイコン、２チャンネルのシリアルインタフェースた。プログラムの作成は接続ユニットに見立てた LAN
カードを備えたパソコンと開発システム用パソコンの計

マイクロコンピュータ(H8)
A/D変換器(10bit)SRAM
メモリ(２５６KB×2)

ＩＳＡブリッジ回路

シリアル
インタ
フェース
2ｃｈ
Ａ/D２台を用いた。そして、接続ユニットに見立てたパソコンにサーバの役割をさせ、また開発システムのパソコン
市販のネットワーク
カード

LAN端子に温度表示用のクライアントの役割をさせ、それぞれのパソコンに通信プログラムを作成した。そして、この 2台のパソコンの通信プログラムが完全に動作するまで、プログラムのデバッグをした。次に、接続ユニットの役マイコンのバス(16bit）

図 ２ 接続ユニットの構成割をさせたパソコンを外し、製作した接続ユニットをLAN に取り付け、接続ユニットの通信プログラムを作成した。接続ユニットのプログラム開発システムの構成を図 4 に示す。このシステムは開発システムと接続ユニッ

大値で 3.653msec、最小で 3.226msec、平均で 3.257msec

トを RS-232C と LAN で接続された構成になっている。

であった。この実験により、接続ユニットの物理層とデRS-232C はプログラム開発時にプログラムの転送およータリンク層のイーサネットのプロトコルと IP 層のプびプログラム実行時のデバッグ情報の出力用に用いた。

ロトコルが正しく動作していることが確認できた。また、

LAN は温度センサからの電圧を接続ユニットに温度デ一般のパソコン間で ICMP の応答時間を計測した値と比ータとして変換して接続ユニットから開発システムに転べると、接続ユニットの応答時間が若干遅い理由は、接送するために用いた。今回通信に RS-232C と LAN の 2続ユニットに組み込まれたマイコンのクロックが系統を用いて、プログラムを開発した理由はイーサネッ

20MHz と遅いので、処理能力が低いことや、作成したトのプロトコルや IP や UDP のプログラムがたいへん複通信プログラムの最適化があまりされていないことなど雑であり、直接に通信プロトコルのプログラムを作成しが考えられる。てデバッグすることが困難だからである。そこで、比較

3.2 リ モ ー ト に よ る 温 度 の 計 測的作成が簡単な RS-232C の通信プログラムを作成して次に、温度データの転送実験を行った。温度データのから、LAN の通信プログラムを作成した。

転送実験はトランスポート層の UDP の中にアプリケーション層として温度データのパケットを埋め込んだ。こ

温度データのときのパケットの構造を図 5 に示す。温度表示する開ＨＵＢ

温度センサ

温度測定
プログラム

温度表示プログラム

イーサネット

RS-232C
接続ユニット（サーバ）

プログラム転送デバッグ情報図４

開発システム（クライアント）

イーサヘッダイーサヘッダ

IPヘッダ

IPヘッダ

UDPヘッダ

UDPヘッダコマンド(1)

温度データ

ファイルチェックシー
ケンス
（ＦＣＳ）

ＦＣＳ

（ａ）クライアントからの（ｂ）サーバからの通信プログラムの開発システム

３．実験結果および考察
3.1 パケット の 応 答 時 間 の 測 定
パケットの応答時間を計測するために、接続ユニットに ICMP を受信できるように接続ユニットの IP 層にネットワークの障害を調べる ICMP の一部を実装してパケ

温度データ要求パケット

温度返答パケットットの応答時間を計測した。このとき開発システムに表

図５ 通信パケットの構造示されたデータの応答時間の表示を 写 真 3 に示す。実験

発システムから接続ユニットへの温度データの要求パケ
ットの構造を図 5(a)に示す。このパケットはイーサヘッ
ダ、IP ヘッダ、UDP ヘッダがあり、UDP のデータの中に温度表示のコマンドを埋め込んだ。このパケットをLAN に接続した接続ユニットが受け取る。接続ユニット
は受け取ったパケットの構造を解析して、新たに図 5(b)の返答パケットを作成し、送り先のアドレスと送り元のアドレスと現在の A/D 変換された温度データを組み込んで、返答パケットとしてデータを返す。開発システムの温度表示プログラムがこの返答パケットを受信するとパケットを解析して開発システムのウインドウのテキス
ト画面に数値として温度を表示する。このときの表示画面を写 真 4 に示す。このウインドウのテキスト画面では、左から温度センサの出力電圧の A/D 変換値、温度センサの出力電圧、温度の順に表示される。実験において、
UDP

写真 3

通信の応答時間の測定の結果、接続ユニットと開発システム間の応答時間は最を用いた温度の計測は RS-232C を用いて通信した場合よりもかなり高速に通信できることが分かった。現在、

要求パケットのコマンドは外部のセンサが温度センサのみであるので、温度のコマンドだけであるが、今後の接続ユニットのセンサ等に応じて拡張ができるようになっている。

４．結び
本研究では、試作した接続ユニットに温度センサを取り付け、温度をリモートによって計測した。これによって、接続ユニットから開発システムに UDP を用いて温度データが転送できることを確認した。
今後の課題として、試作した接続ユニットは、マイコンの基板にパソコン用のイーサネットカードを取り付けたため、かなり大きなものになっているので、容易に機器に組み込めるようにさらに小型化する必要がある。また、通信プロトコルに UDP を用いているので、より信頼 性 を 上 げ る た め に TCP(Transmission ControlProtocol)を利用できるように改良する必要がある。そして、接続ユニットに取り付けた温度センサの温度をホームページとして発信できるようなプログラムを構築して、インターネットのブラウザ上に温度を表示できるようにし、だれにでも容易に使える接続ユニットにしていきた
いと考えている。

文献
1)堀 場 , 安田 , 盛 田 ： 愛 知 県 工 業 技 術 セ ン タ ー 研 究 報
告,3 7 ,12(2001)

写真 4

温度の測定