JP4158107B2 - アナログ入力データ伝送装置 - Google Patents

Description

この発明はアナログ入力データ伝送装置、特に省配線システムにおけるデータ伝送・データ処理を高精度に行なうのに適したアナログ入力データ伝送装置に関する。

省配線システムとして、最近のヨーロッパではＥＮ規格（ＥＮ５０２８５），ＩＥＣ規格（ＩＥＣ６２０２６−２）のオープンネットワークＡＳ−ｉ（Ａｃｔｕａｔｏｒ Ｓｅｎｓｏｒ−ｉｎｔｅｒｆａｃｅ）が採用され、多くのシェアを持つに到っている。このＡＳ−ｉはＦＡ（Ｆａｃｔｏｒｙ Ａｕｔｏｍａｔｉｏｎ）ネットワークにおいて、センサやアクチュエータを接続するための、ビットレベルの省配線化オープンネットワーク、またはこれに関連して用いられる機器として知られており、具体的には例えばＡＳ−ｉ通信用電源装置，マスタモジュール，スレーブモジュール等がある。

従来、アナログデータを入力する入力回路やアナログ／ディジタル（ＡＤ）変換回路の初期誤差、および製品ライフサイクル間の経年変化や温度変化による誤差を少なくして高精度化を図るには、高性能な素子を用いた入力回路やＡＤ変換回路を必要とし、コスト高になるという問題がある。そこで、特に上記のような省配線システムに適用することを意識してはいないが、例えばディジタル／アナログ変換カードにおいて、その変換誤差を補正するための回路を内蔵させておき、これを用いて補正をすることにより、コストを低減し補正作業を容易にする技術が提案されている（特許文献１参照）。

特開平２０００−５９２１６号公報（第３−４頁、図１−２）

しかし、特許文献１での補正は製品出荷時などの装置の稼動前に行なわれるもので、初期誤差は補正できるが装置稼動後の温度，製品ライフサイクル間の経年変化等による誤差を補正することについては何も記載されておらず、たとえ稼動後に補正をするとしても、手作業で行なわねばならず煩雑であると言う問題がある。
したがって、この発明の課題は、特に稼動後の温度，製品ライフサイクル間の経年変化等による誤差を自動的に補正可能とすることにある。

このような課題を解決するため、請求項１の発明では、親局と接続され、アナログ入力機器を介して各種センサと接続される複数のアナログ入力データ伝送装置において、
前記アナログ入力機器を介してアナログ信号を受け取る入力回路と、内部補正を行なうためのアナログ値を出力する内部補正用アナログ値出力回路と、この内部補正用アナログ値出力回路および前記入力回路に接続され、いずれか一方のアナログデータを選択して出力する切替回路と、この切替回路により選択されたアナログデータをディジタル値に変換するＡＤ変換回路と、このＡＤ変換回路からの出力を記憶回路に記憶させるとともに記憶されたディジタル値に基づき所定の演算を行なう演算回路とを設け、
前記演算回路により、装置稼動前には前記入力回路に外部補正用アナログ値出力回路を接続して得た外部補正用アナログ値と、前記内部補正用アナログ値出力回路から得た内部補正用アナログ値とをそれぞれ前記ＡＤ変換回路により変換したディジタル値を前記記憶回路に各々記憶させるとともに、装置稼動後には内部補正用アナログ値を前記切替回路を介して定期的に取り込み、前記ＡＤ変換回路により変換して前記記憶回路に記憶したディジタル値と、装置稼動前に前記記憶回路に記憶された各アナログ値対応のディジタル値とから回路の経年変化，温度変化による誤差を補正した計測値（最終値）を演算可能にしたことを特徴としている。

この発明によれば、ＡＤ変換回路に高価な部品を用いることなく測定精度（初期誤差，特に温度変化，製品のライフサイクル間の経年変化による誤差の低減）を向上できる利点が得られる。

図１はこの発明が適用される省配線システムを示す構成図、図２は図１に示す子局の構成例を示すブロック図である。
図１に示すように、親局１は複数の子局２１〜２ｎと省配線用通信ケーブル１０で接続され、各子局２１〜２ｎにはアナログ入力機器３がそれぞれ接続され、アナログ入力機器３には圧力や温度などの各種センサ４１〜４ｎが、用途に応じて接続されている。

親局１はシーケンサや制御系のコンピュータであり、通信モジュールが内蔵または取りつけられている。通信ケーブル１０は通常メタリック電線で構成されるが、光ファイバや無線で構成しても良い。アナログ入力機器３は、４〜２０ｍＡの電流，０〜１０V電圧などのアナログデータを伝送する。ここでは子局，アナログ入力機器およびセンサを別々に設けているが、これらを一体的に構成するようにしても良い。

各子局２１〜２ｎは、例えば図２に示すようにアナログ値を受け取る入力回路２ａ、内部補正のためのアナログ値を生成する内部補正用アナログ値出力回路２ｂ、入力回路２ａと内部補正用アナログ値出力回路２ｂとを切り替える切替回路２ｃ、この切替回路２ｃを介して与えられるアナログデータをディジタル量に変換するＡＤ変換回路２ｄ、変換されたディジタル量を記憶回路２ｆに記憶させるとともに、記憶したデータに応じて所定の演算を行なう演算回路２ｅ等から構成される。演算回路２ｅは通信回路２ｇに接続され、通信回路２ｇは省配線用通信ケーブル１０に接続されている。

入力回路２ａは例えば温度特性の良い高精度抵抗などからなり、また、内部補正用アナログ値出力回路２ｂは高精度のリファレンス電圧発生回路から構成することができる。この種の高精度のリファレンス電圧発生回路は通常、ＡＤ変換回路には欠かせないものであり、この発明で特に付加するものではないと言えるので、必ずしもコストアップの要因とはならないものである。切替回路２ｃはマルチプレクサなどのＩＣで構成でき、ＡＤ変換回路２ｄは高精度のＡＤコンバータＩＣと増幅回路などにより構成可能である。演算回路２ｅはマイコンにより、記憶回路２ｆはＥＥＰＲＯＭなどにより構成可能である。通信回路２ｇはここではシリアルの伝送を想定しており、専用の通信ＩＣで構成する。

図３に工場出荷前（稼動前）の初期調整時の構成を示す。なお、このときの温度は基準温度（２５℃）で一定とする。
図３からも明らかなように、稼動前は入力回路２ａには外部調整用アナログ値出力機器５を接続する。この機器５は高精度なアナログ値を出力可能なもので、これにより基準温度におけるゼロ相当値（ＺＳ値）およびフルスケール相当値（ＦＳ値）を測定し、ＡＤ変換した後、それぞれ記憶回路２ｆに記憶する。また、切替回路２ｃにより内部補正用アナログ値出力回路２ｂ側に切り替え、基準温度（２５℃）における較正（キャリブレーション）用のＺＳ値およびＦＳ値を測定し、ＡＤ変換した後、上記と同様にそれぞれ記憶回路２ｆに記憶する。

また、実際に装置が取りつけられた現場では温度環境による影響や、長期間取りつけられていることによる子局内部の経年変化による誤差が発生するため、装置稼動後には内部補正用アナログ値出力回路２ｂへの切り替えを周期的に行ない、温度変化や経年変化に追従できるようにする。図４は、以上のような稼動前と稼動後の操作の各タイミング例を説明する説明図である。
ｔ１は稼動前の操作を示し、外部調整用アナログ値出力機器５および内部補正用アナログ値出力回路２ｂからのＺＳ値，ＦＳ値の記憶等を行なう。
ｔ２，ｔ４，ｔ６は各種センサからのアナログ値を計測するタイミングであり、ｔ３，ｔ５,ｔ７は内部補正用アナログ値出力回路２ｂから較正用のＺＳ値，ＦＳ値をとり込み記憶するタイミングである。なお、図４には明示していないが、ｔ２の稼動直後のタイミングでは、内部補正用アナログ値出力回路２ｂから較正用のＺＳ値，ＦＳ値のとり込み（第一回目）を行なうものとする。

図５はこの発明による校正作業を具体的に説明する説明図で、（ａ）は初期値誤差補正および温度，経年変化誤差補正の説明図、（ｂ）は温度，経年変化誤差を示す説明図である。
まず、子局を基準温度に保って外部調整用アナログ値出力機器５を接続し、この機器５から与えられるＺＳ値，ＦＳ値の各ディジタル値Ｄ１Ｚ０，Ｄ１Ｆ０を求める。ここでは、これらの値を直線ａで補間して示している。なお、この各ディジタル値Ｄ１Ｚ０，Ｄ１Ｆ０を記憶回路２ｆに記憶する。以降、ディジタル値Ｄ１Ｚ０，Ｄ１Ｆ０を基準値として使用するので、初期の誤差は補正されることになる。同様に、このときの内部調整用アナログ値出力機器２ｂについてもＺＳ値，ＦＳ値の各ディジタル値を求める。図５（ｂ）に直線ａ１で補間して示す。このときのＺＳ値，ＦＳ値の各ディジタル値はＧＮＤ０，ＲＥＦ０で示され、これらの値も記憶回路２ｆに記憶する。なお、直線ａと直線ａ１とは互いに一致するよう、内部調整用アナログ値出力機器２ｂのＺＳ値，ＦＳを決めるものとする。

以上で、稼動前の処理を終了したら、稼動直後に内部補正用アナログ値出力回路２ｂから較正用のＺＳ値，ＦＳ値の第一回目のとり込みを行なう。このとき、出荷時から或る時間経過していて、温度がｔ℃になっているとすれば、そのときのディジタル値を直線補間して示すと、図５（ｂ）の直線ｂのようになり、そのときの較正用のＺＳ値，ＦＳ値の各ディジタル値はＧＮＤｔ，ＲＥＦｔとなり、この値も上記と同様記憶回路２ｆに記憶する。

そして、図５（ｂ）における直線ａ１と直線ｂのＺＳ値，ＦＳ値の各差（ＧＮＤｔ−ＧＮＤ０），（ＲＥＦｔ−ＲＥＦ０）は或る任意の温度ｔの誤差を示しているものと考えられるので、図５（ａ）の直線ａにこの誤差を加算または減算することで、装置稼動中の得られるＡ／Ｄ変換直線はほぼ図５（ａ）の直線ｃのように得られるものと考えられ、この直線ｃのＺＳ値，ＦＳ値に対応するディジタル値Ｄ１Ｚｔ，Ｄ１Ｆｔは、演算により容易に求められる。
したがって、装置稼動中の例えば入力ｘのときのＡ／Ｄ変換値をＤ１ｘとすると、Ｄ１Ｚｔ，Ｄ１Ｆｔをそれぞれ０，７ＦＦＦ〔Ｈ〕に対応させてスケール変換することにより、求めたい値（計測値または最終値）がｘｘｘｘ〔Ｈ〕として得られることになる。

以上では、専らＡＳ−ｉシステムについて説明したが、この発明はアナログ入力データ伝送装置一般に適用することができる。

この発明が適用されるシステム構成図 この発明による子局の構成を示すブロック図 この発明による初期調整時を示す構成図 調整動作を示すタイミング図 この発明による校正方法を具体的に説明する説明図

符号の説明

１…親局、２１〜２ｎ…子局、３…アナログ入力機器、４１〜４ｎ…センサ、５…外部調整用アナログ値出力機器、１０…省配線用通信ケーブル、２ａ…入力回路、２ｂ…内部補正用アナログ値出力回路、２ｃ…切替回路、２ｄ…ＡＤ変換回路、２ｅ…演算回路、２ｆ…記憶回路、２ｇ…通信回路。

Claims (1)

1. 親局と接続され、アナログ入力機器を介して各種センサと接続される複数のアナログ入力データ伝送装置において、
   前記アナログ入力機器を介してアナログ信号を受け取る入力回路と、内部補正を行なうためのアナログ値を出力する内部補正用アナログ値出力回路と、この内部補正用アナログ値出力回路および前記入力回路に接続され、いずれか一方のアナログデータを選択して出力する切替回路と、この切替回路により選択されたアナログデータをディジタル値に変換するＡＤ変換回路と、このＡＤ変換回路からの出力を記憶回路に記憶させるとともに記憶されたディジタル値に基づき所定の演算を行なう演算回路とを設け、
   前記演算回路により、装置稼動前には前記入力回路に外部補正用アナログ値出力回路を接続して得た外部補正用アナログ値と、前記内部補正用アナログ値出力回路から得た内部補正用アナログ値とをそれぞれ前記ＡＤ変換回路により変換したディジタル値を前記記憶回路に各々記憶させるとともに、装置稼動後には内部補正用アナログ値を前記切替回路を介して定期的に取り込み、前記ＡＤ変換回路により変換して前記記憶回路に記憶したディジタル値と、装置稼動前に前記記憶回路に記憶された各アナログ値対応のディジタル値とから、センサ計測値（最終値）を演算可能にしたことを特徴とするアナログ入力データ伝送装置。