JP5552132B2 - 通信ネットワーク - Google Patents
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Description
この発明は通信ネットワークに関し、例えば車両などの輸送用機器に配置される通信ネットワークに関する。
伝送路に接続される多数の電子制御ユニットを備え、伝送路を介して信号を伝送して相互に通信を行う通信ネットワークにおいては、信号の反射やリンギングによって波形歪みが生じるという問題がある。
そのため、特許文献1記載の技術は、伝送路のノード(電子制御ユニット接続側端部)に減衰素子としてフェライト・ビーズを設けて高調波ノイズを除去するように構成している。フェライト・ビーズに代え、L,R,Cなどの回路素子を用いることも良く行われる。
また、特許文献2記載の技術は、伝送路の分岐コネクタに、抵抗とコイルが並列接続されてなるフィルタを設け、反射波の周波数帯域の信号成分を減衰させるように構成している。
特許文献1記載の技術は伝送路のノードごとにフェライト・ビーズを設けているため、構成が複雑となり、特に車両などのような配置スペースが限られている輸送用機器には望ましいものではなく、またコストアップを招く不都合もあった。特許文献2記載の技術も伝送路の分岐コネクタにフィルタ回路を必要とする点で同様の不都合を免れ難いものであった。
従って、この発明の目的は上記した課題を解決し、簡易な構成でありながら、伝送路あるいは分岐路に接続される電子制御ユニットの間の信号の波形歪みを解消するようにした通信ネットワークを提供することにある。
上記の目的を解決するために、請求項1にあっては、第1電子制御ユニットと、第2電子制御ユニットと、前記第1、第2電子制御ユニットを接続する伝送路と、前記伝送路から分岐される分岐路に接続されて前記第1、第2電子制御ユニットの少なくともいずれかと通信可能な第3電子制御ユニットとを有すると共に、前記第1、第2電子制御ユニットは前記伝送路の特性インピーダンスに応じた終端回路で終端される通信ネットワークにおいて、前記第3電子制御ユニットが実装される基板上に接続点を設けて前記分岐路にコネクタを介して接続すると共に、波形歪み解消用の導線を前記コネクタを介して前記分岐路に接続する如く構成した。
請求項2に係る通信ネットワークにあっては、前記導線を前記分岐路に抵抗器を介して接続する如く構成した。
請求項3に係る通信ネットワークにあっては、前記導線が他端も前記分岐路に接続されてなる如く構成した。
請求項4に係る通信ネットワークにあっては、前記導線をツイストペア線により構成した。
請求項1にあっては、第1電子制御ユニットと第2電子制御ユニットを接続する伝送路から分岐される分岐路に接続されて第1、第2電子制御ユニットの少なくともいずれかと通信可能な第3電子制御ユニットとを有する通信ネットワークにおいて、第3電子制御ユニットが実装される基板上に接続点を設けて分岐路にコネクタを介して接続すると共に、波形歪み解消用の導線をコネクタを介して分岐路に接続する如く構成したので、簡易な構成でありながら、信号の波形歪みを解消することができる。
即ち、分岐路に接続した導線を例えばその他端を開放することで、端面で通信波形が全反射するため、導線を(1/4)λ(λ:波長)のバンドパスフィルタとして機能させることができる。
具体的には、第1、第2、第3電子制御ユニットを動作させてそれぞれの受信波形を計測し、その歪みを含む受信波形の周波数成分をFFT解析して除去すべき歪みの周波数成分を算出し、その周波数の(1/4)λとなるように導線の長さを決定して分岐路に接続することで、信号の波形歪みを解消することができる。
また電子制御ユニットの設計を変更することなく、後付けの導線によって所望のフィルタ特性を得ることができるので、構成として簡易であると共に、ハーネストポロジ設計を開発の最終段階まで変更することが可能となることから通信ネットワークの量産開発効率を高めることができる。
また第3電子制御ユニットが実装される基板上に接続点を設けて分岐路にコネクタを介して接続するように構成したので、換言すれば分岐路に接続点を設けることがないため、接続点の信頼性を向上させることができる。
請求項2に係る通信ネットワークにあっては、導線を分岐路に抵抗器を介して接続する如く構成したので、抵抗器の抵抗値を適宜選択することで、上記したフィルタ(導線)のゲインを任意に調整することが可能となる。
請求項3に係る通信ネットワークにあっては、導線が他端も分岐路に接続されてなる如く構成したので、後記するように分岐路との間で信号伝達時間を相違させることにより、信号の波形歪みを解消することができる。
請求項4に係る通信ネットワークにあっては、導線をツイストペア線により構成したので、外乱ノイズの印加を防止でき、ノイズ耐性を向上させることができる。
以下、添付図面に即してこの発明に係る通信ネットワークを実施するための形態について説明する。
図1は、この発明の第1実施例に係る通信ネットワークを全体的に示す概略図である。
図1において符号10は通信ネットワークを示す。通信ネットワーク10は、輸送用機器、例えば車両12に配置される。
通信ネットワーク10は、2つの電子制御ユニット(Electronic Control Unit。以下「ECU」という)14a,14bと、それらを接続するバス(伝送路)16と、バス16から分岐される分岐路20によってECU14a,14bの少なくともいずれかと通信可能なECU14cとを有する。
図示は省略するが、バス16と分岐路20で接続される3つのECU14、即ち、ECU14a,14b,14cは全て、CPU,ROM,RAM,I/Oなどを有するマイクロコンピュータから構成され、適宜なケース(ハウジング)内に収容される。
ECU14は、それぞれ車両12の運転状態を示すセンサ群の出力を入力して車両12の機器の動作を制御する。例えば、ECU14aは車両12に搭載される内燃機関、14bは変速機、14cはパワーステアリング用電動モータの動作を制御する。
バス16と分岐路20は2本のワイヤ・ハーネス(導体(導線)。以下「ハーネス」という)、即ち、ツイストペア線から構成され、通信ネットワーク10は、2線式の伝送媒体からなるように構成される。バス16を構成するハーネス(ツイストペア線)は具体的には銅を素材とし、径が0.5mmで、ビニル材で被覆される。
車両12においてバス16と分岐路20を構成するハーネスの長さは例えば6m程度の長さを有する。
図2は、ECU14aのバス16との接続端付近の構成をより詳細に示すブロック図である。
図示の如く、バス16を構成する、ツイストペア線からなるハーネスはコネクタ14a1を介してECU14aのバスドライバ14a3の1つのチャンネルのBP(バス+)端子とBM(バス−)端子に接続される。
コネクタ14a1とバスドライバ14a3の間において、ツイストペア線からなるハーネスは抵抗器14a4,14a5で接続されると共に、その中間は抵抗器14a6とキャパシタ14a7を介して接地される。
このように、ECU14aはバス16の接続端においてバス16の特性インピーダンスに応じた終端回路22で終端される。図示は省略するが、バス16の他端に接続されるECU14bも同様に構成され、終端回路22を介してバスドライバ14b3に接続される。ただし、ECU14cにおいてバスドライバ14c3は、終端回路を介さずに分岐路20に接続される。
終端回路22は、線路(バス16)の特性インピーダンスに応じた特性を有し、それを介して行われるECU14の通信において電力が消費されて熱となって反射やリンギングが防止されるように構成された回路を意味する。
上記のように構成された通信ネットワーク10においては、ECU14a,14b,14cの間では、バス(伝送路)16と分岐路20を介してデジタル信号(0,1)を伝送して相互に通信が行われる。
分岐路20において中点(分岐路20の長さの1/2相当の位置)20cとECU14cとの間の位置、より具体的にはECU14cに近接した位置には波形歪み解消用の導線24が接続される。
導線24はバス16と分岐路20と同様に構成され、ツイストペア線の1本からなり、銅を素材とし、径が0.5mmで、ビニル材で被覆される。導線24はその一端で分岐路20のBP線側とBM線側にそれぞれ接続されると共に、他端は開放される。
図3はECU14cについてコネクタ14c1の構造を詳細に示す斜視図、図4はその部分上面図である。
図示の如く、コネクタ14c1はオス部14c11とメス部14c12からなる。メス部14c12は、ECU14cとして機能するCPU14cpが搭載される基板14ccに設けられる。オス部14c11にはツイストペア線からなる分岐路20が接続されると共に、その両側位置において導線24がそれぞれ接続される。
オス部14c11においてツイストペア線からなる分岐路20と導線24は図3において上下リード端子に接続され、メス部14c12に嵌められると、その上リード端子14c121と下リード端子14c122に接続される。
メス部14c12において上下リード端子14c121,122はBP線側とBM線側のリード端子14c123と14c124を介してバスドライバ(図示せず)に接続される。
このように、ECU14cが実装される基板14cc上に接続点14caを設けて分岐路20にコネクタ14c1を介して接続すると共に、波形歪み解消用の導線24をコネクタ14c1を介して分岐路20に接続するように構成される。
導線24は他端を開放することで、端面でECU14a,14bとECU14cの間の通信波形が全反射するため、導線を(1/4)λ(λ:波長)のバンドパスフィルタとして機能させることができる。以下、導線24を「スタブフィルタ」24という。
図5を参照してそのフィルタを設計する場合を説明すると、先ずECU14、即ち、ECU14a,14b,14cの配置を設計する。次いでそれらの通線ルートと分岐・長さ(通信トポロジ)を仮決定(設計)し、ECU14とハーネス(バス16と分岐路20)を設計通りに通線し、ECU14を動作させてそれらの受信波形を計測する。
次いでECU14、より具体的には同図(a)に示すようにECU14cの受信波形の歪みを含む受信波形の周波数成分をFFT解析し、同図(b)に示すように除去すべき歪みの周波数成分(破線で示す)を算出する。
次いでその周波数の(1/4)λとなるようにスタブフィルタ24の長さを決定する。同図(c)に示す例の場合、除去すべき周波数fが12.5MHzであることから、スタブフィルタ24の長さを例えば4.2mと決定し、分岐路20に接続する。
上記した作業は、ECU14の配置設計を除き、バスドライバなどの関連物理層部品のモデルに基づいて通信波形シミュレーションを行うか、実物を試作するなどして実行される。
同図(d)はスタブフィルタ24を分岐路20に接続した後のECU14cの接続波形を示すが、図示の如く、これによって信号の波形歪みが解消されたのが見てとれよう。
ここで、図6を参照してスタブフィルタ24の接続位置について説明する。
スタブフィルタ24の接続位置によってECU14cの波形整形効果は変化し、同図(a)に示す如く、接続位置がECU14cに接近するほど効果が上がる。
他方、同図(b)に示す如く、ECU14a,14bもその効果を受けることから、この実施例のようにECU14a,14bがバス16の特性インピーダンスに応じた終端回路22で終端されている場合、整形を必要としないにも関わらず、影響を受けて却って変形させる恐れがある。
この実施例において、上記を考慮してスタブフィルタ24を分岐路20の中点20cとECU14cの間の位置において分岐路20に接続するように構成した。これによってECU14a,14bの通信波形が影響を受けて変形するのを回避しながら、ECU14cの通信波形の整形効果を上げることができる。
この実施例に係る通信ネットワーク10にあっては、ECU14cが実装される基板14cc上に接続点14caを設けて分岐路20にコネクタ14c1を介して接続すると共に、波形歪み解消用の導線24をコネクタ14c1を介して分岐路20に接続する如く構成したので、導線24を分岐路20に一端で接続すると共に、他端を開放することで、導線24をバンドパスフィルタ(スタブフィルタ)として機能させることができ、よって簡易な構成でありながら、信号の波形歪みを解消することができる。
また、導線(スタブフィルタ)24を接続するのみであることから構成としても簡易となり、例えば車両12などのような配置スペースが限られている輸送用機器に使用するのにも好適となる。
さらに、導線(スタブフィルタ)24をECU14内に設けず、除去すべき周波数に応じて導線24の線長を変更すれば足りるように構成したので、導線24を含む電線群である、いわゆるワイヤ・ハーネスは専用となるが、ECU14を共通化できることでコストを低減することができる。
また、ECU14cが実装される基板14cc上に接続点14caを設けて分岐路20にコネクタ14c1を介して接続するように構成したので、換言すれば分岐路20に接続点を設けることがないため、接続点14caの信頼性を向上させることができる。
また、スタブフィルタ24を分岐路20の中点20cとECU14cの位置において分岐路20に接続、より具体的にはECU14cに近接する位置において分岐路20に接続する如く構成したので、ECU14a,14bの通信波形の変形を回避しながら、ECU14cの通信波形の整形効果を上げることができる。
図7は、この発明の第2実施例に係る通信ネットワークの特徴を示す、図4と同様のECU14cのコネクタ14c1の部分上面図である。
第1実施例と相違する点に焦点をおいて説明すると、第2実施例に係る通信ネットワーク10にあっては、分岐路20に接続されるスタブフィルタ(導線)24がツイストペア線からなる如く構成した。
即ち、通信ネットワーク10がBP線とBM線の2本の通信線で波形を送受信して通信することから、第2実施例にあっては、スタブフィルタ24にツイストペア線を用いるようにした。尚、ツイストペア線は、シールドをコネクタ14c1を介して接地した、シールデッドツイストペア線であっても良い。
第2実施例に係る通信ネットワークにあっては、上記のように構成したので、外乱ノイズの印加を防止でき、ノイズ耐性を向上させることができる。尚、残余の構成および効果は第1実施例と異ならない。
図8は、この発明の第3実施例に係る通信ネットワークの特徴を示す、図4と同様のECU14cのコネクタ14c1の部分上面図、図9は図8に示す抵抗器の導線(スタブフィルタ)への接続を示す説明図である。
第3実施例に係る通信ネットワーク10にあっては、スタブフィルタ24の分岐端に抵抗器26を介挿するように構成した。即ち、図10に示す如く、スタブフィルタ24が分岐路20に任意の抵抗値を有する抵抗器26を介して接続されるように構成した。
図11は図8に示す導線(スタブフィルタ)24に抵抗器(ゲイン調整抵抗)26を介挿したときのフィルタ特性を示す。これにより、スタブフィルタ24のゲインを任意に調整することが可能となり、抵抗によってQを鈍化させることで広帯域(周波数域)において利得を低下させることができ、図示のようにf0付近の周波数に対して効果的に歪みを除去することができる。
抵抗器26の抵抗値の選択は具体的には、受信波形のリンギングが減少する方向に調整して行うことになる。図12はスタブフィルタ24が設けられない場合(a)、スタブフィルタ24とゲイン(抵抗器26の抵抗値)Rが300Ωの場合(b)、スタブフィルタ24とゲインRが100Ωの場合(c)を示す。
第3実施例に係る通信ネットワークにあっては、上記したようにスタブフィルタを分岐路20に抵抗器26を介して接続する如く構成したので、抵抗器26の抵抗値を適宜選択することで、上記したフィルタのゲインを任意に調整することが可能となる。尚、残余の構成および効果は第1実施例と異ならない。
図13はこの発明の第4実施例に係る通信ネットワークの特徴を示す図1と同様な概略図、図14は第4実施例に係る通信ネットワークにおけるコネクタの接続を示す図10と同様の説明図である。
第4実施例に係る通信ネットワーク10にあっては、波形歪み解消用の導線として他端が開放された導線(スタブフィルタ)24に代え、他端も分岐路20に接続される導線、即ち、バイパス回路30を設けるように構成した。
それについて説明すると、電気信号の移動速度、換言すれば伝搬遅延時間は真空中であれば3.3ns/m(光速と同じ。具体的には、光速の逆数に基づいた値)であるが、バス16と分岐路20を構成するハーネスでは5ns/m程度となり(ハーネスの構造によって決まる誘電率、透磁率で相違)、信号を1m当たり伝送するのに5nsec要する。通信ネットワーク10の伝送速度を数Mbps以上に設定すると、この遅れが無視し難くなる。
上述したようにECU14a,14bに接続されるバス16(伝送路)は特性インピーダンスに応じた終端回路22で終端されることから、バス16を構成するハーネスが予定される品質を備える限り、伝送される信号波形の歪みは生じ難い。
他方、分岐路20を介して接続されるECU14cにおいては終端回路22が設けられないことに加え、分岐点で信号波形の反射や透過が生じるなどし、ECU14cに到達する時点は波形歪みが生じることがある。
かかる波形歪みを解消するため、第4実施例に係る通信ネットワーク10においては、図13に示す如く、分岐路20を構成する2本のハーネス(ツイストペア線)にそれぞれバイパス回路(換言すれば他端も分岐路20に接続される導線)30を接続するように構成した。
バイパス回路30を構成するハーネスも、前記した導線(スタブフィルタ)24およびバス16と分岐路20を構成するハーネスと同様、銅を素材とし、径が0.5mmで、ビニル材で被覆される導体から構成されるツイストペア線とする。尚、シールドをコネクタ14c1を介して接地した、シールデッドツイストペア線としても良い。
即ち、上記したように電気信号の移動速度は分岐路20(あるいはバス16)とバイパス回路30を構成するハーネスでは5ns/m程度となり、信号を1m当たり伝送するのに5nsecの時間を要することになることから、この実施例においては、その遅れを逆用するようにした。
図15に示す如く、分岐路20にバイパス回路30をA点とB点で接続し、AB間の長さをα、バイパス回路30の全長をβとし、β−α=Xmとすると、伝播遅延が5ns/mのバス16(あるいは分岐路20)では、図16に示す如く、周期τの波形において5Xnsの位相遅れとなる。
除去すべき波形歪み成分の基本波の周期をτとするとき、その波形成分に5Xnsが周期τの1/2となるような波形が入ったと仮定すると、B点での合成波形は完全な逆位相となって打ち消し合う。
即ち、長さの異なる線を分岐させて再度合流させる(バイパスさせる)ことは、次式で示すフィルタを生成することに相当する。
伝播遅延×長さの差分=(1/2)τ (式1)
伝播遅延×長さの差分=(1/2)τ (式1)
尚、周期τは時間的な間隔で、波長λは空間的な間隔であることから、上記は、次式で示す波長λのフィルタを生成することにも相当する。
λ=2×(伝播遅延×長さの差分) (式2)
λ=2×(伝播遅延×長さの差分) (式2)
周波数でいえば、伝播遅延×長さの差分=(1/2)/f(Hz)となり、従って除去したい周波数成分をf(Hz)とすると、それを以下のように求めることができる。
f=1/{2×(伝播遅延×長さの差分)} (式3)
f=1/{2×(伝播遅延×長さの差分)} (式3)
従って、ECU14cの受信波形の歪みの周波数を解析し、除去すべき周波数成分を基本波として算出する。その際、基本波の高調波の周波数を除去すべき周波数としても良い。また、波形歪み成分の基本波が2つ以上ある場合、バイパス回路30は波形歪み成分の基本波ごとに設けることとする。
次いで、式2から分岐路20とバイパス回路30の間の長さの差分を算出し、その値となるようにバイパス回路30の長さを設定すれば良い。図13に示す例では、波形歪み成分の基本波の周波数が8MHz、αの長さを3mとすると、長さの差分は12.5mとなり、従ってバイパス回路30の長さは15.5mとなる。
このように、第4実施例においては、他端も分岐路20に接続される導線、即ち、バイパス回路30を分岐路20に接続すると共に、分岐路20とバイパス回路30とで信号伝達時間を相違させるように構成したので、よって簡易な構成でありながら、信号の波形歪みを解消することができる。
上記した如く、第1から第4実施例にあっては、ECU14a(第1電子制御ユニット)と、ECU14b(第2電子制御ユニット)と、ECU14a,14bを接続するバス(伝送路)16と、バス16から分岐される分岐路20に接続されてECU14a,14bの少なくともいずれかと通信可能なECU14c(第3電子制御ユニット)とを有すると共に、ECU14a,14bはバス16の特性インピーダンスに応じた終端回路22で終端される通信ネットワーク10において、前記ECU14c(第3電子制御ユニット)が実装される基板14cc上に接続点14caを設けて前記分岐路20にコネクタ14c1を介して接続すると共に、波形歪み解消用の導線24(あるいはバイパス回路30)を前記コネクタ14c1を介して前記分岐路20に接続する如く構成したので、簡易な構成でありながら、信号の波形歪みを解消することができる。
即ち、分岐路20に接続した導線24を例えばその他端を開放することで、端面で通信波形が全反射するため、導線24を(1/4)λ(λ:波長)のバンドパスフィルタ(スタブフィルタ)として機能させることができる。
具体的には、ECU14a,14b,14cを動作させてそれぞれの受信波形を計測し、その歪みを含む受信波形の周波数成分をFFT解析して除去すべき歪みの周波数成分を算出し、その周波数の(1/4)λとなるように導線24の長さを決定して分岐路20に接続することで、信号の波形歪みを解消することができる。
またECU14の設計を変更することなく、後付けの導線24によって所望のフィルタ特性を得ることができるので、構成として簡易であると共に、ハーネストポロジ設計を開発の最終段階まで変更することが可能となることから通信ネットワーク10の量産開発効率を高めることができる。
またECU14cが実装される基板14cc上に接続点14caを設けて分岐路20にコネクタ14c1を介して接続するように構成したので、換言すれば分岐路20に接続点を設けることがないため、接続点の信頼性を向上させることができる。
第3実施例に係る通信ネットワーク10にあっては、前記スタブフィルタ(導線)24を前記分岐路20に抵抗器26を介して接続する如く構成したので、抵抗器26の抵抗値を適宜選択することで、上記したスタブフィルタ24のゲインを任意に調整することが可能となる。
また、第4実施例に係る通信ネットワーク10にあっては、前記導線24がバイパス回路30、即ち、他端も前記分岐路20に接続されてなる如く構成したので、分岐路20との間で信号伝達時間を相違させることにより、信号の波形歪みを解消することができる。
また、第2、第4実施例に係る通信ネットワーク10にあっては、前記導線24をツイストペア線により構成したので、外乱ノイズの印加を防止でき、ノイズ耐性を向上させることができる。
尚、上記において電子制御ユニットとしてECU14a,14b,14cからなる3つのECUを開示したが、ECUが4つ以上であっても良いことはいうまでもない。
また、終端回路22として抵抗とキャパシタからなる構成を図示したが、終端回路22の構成はそれに限られるものではなく、抵抗のみから構成しても良く、抵抗、キャパシタ、コイルの全部または一部から構成しても良い。さらには、終端回路22はフェライト・ビーズから構成しても良い。
また、輸送用機器の例として車両を挙げたが、それに限られるものではなく、この発明は航空機、船舶あるいは自立型ロボットなどの輸送用機器にも妥当する。さらには、この発明は、輸送用機器に止まらず、産業用機器などの移動しない、固定型の機器にも妥当する。
この発明によれば、ECU14a,14b(第1、第2電子制御ユニット)と、それらを接続するバス(伝送路)16と、バス16から分岐される分岐路20に接続されてECU14a,14bのいずれかと通信可能なECU14c(第3電子制御ユニット)とを有すると共に、ECU14a,14bはバス16の特性インピーダンスに応じた終端回路22で終端される通信ネットワーク10において、ECU14cが実装される基板上に接続点を設けて分岐路20にコネクタを介して接続すると共に、波形歪み解消用の導線24をコネクタを介して分岐路に接続するように構成したので、簡易な構成で、伝送路・分岐路に接続される電子制御ユニットの間の信号の波形歪みを解消する通信ネットワークを提供することができる。
10 通信ネットワーク、12 車両、14,14a,14b,14c ECU(電子制御ユニット)、14ca 接続点、14c1 コネクタ、16 バス(伝送路)、20 分岐路(伝送路)、22 終端回路、24 導線(スタブフィルタ)、26 抵抗器、30 バイパス回路(導線)
Claims (4)
- 第1電子制御ユニットと、第2電子制御ユニットと、前記第1、第2電子制御ユニットを接続する伝送路と、前記伝送路から分岐される分岐路に接続されて前記第1、第2電子制御ユニットの少なくともいずれかと通信可能な第3電子制御ユニットとを有すると共に、前記第1、第2電子制御ユニットは前記伝送路の特性インピーダンスに応じた終端回路で終端される通信ネットワークにおいて、前記第3電子制御ユニットが実装される基板上に接続点を設けて前記分岐路にコネクタを介して接続すると共に、波形歪み解消用の導線を前記コネクタを介して前記分岐路に接続したことを特徴とする通信ネットワーク。
- 前記導線を前記分岐路に抵抗器を介して接続したことを特徴とする請求項1記載の通信ネットワーク。
- 前記導線が他端も前記分岐路に接続されてなることを特徴とする請求項1または2記載の通信ネットワーク。
- 前記導線をツイストペア線により構成したことを特徴とする請求項1から3のいずれかに記載の通信ネットワーク。
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