JP2019097088A - シリアル通信システム - Google Patents

Abstract

【課題】車載通信ユニット間で行うシリアル通信システムのうち、通信規格ＬＩＮにおいて、通信帯域の使用効率を高めるシリアル通信システムを提供する。【解決手段】ＬＩＮのシリアル通信システムにおいて、マスタノードからスレーブノードに送信されるライト要求の前記マスタノードのレスポンスと、前記スレーブノードから前記マスタノードに送信される前記スレーブノードのレスポンスを１タイムベースの中に合体させ、マスタノードのライト要求の後に、スレーブノードからのレスポンスを受ける一定の期間を設ける。【選択図】図５

Description

この発明は、車載通信ユニット間で行うシリアル通信システムに関するもので、特に、通信プロトコル「ＬＩＮ（Ｌｏｃａｌ Ｉｎｔｅｒｃｏｎｎｅｃｔ Ｎｅｔｗｏｒｋ）」によるシリアル通信システムに関するものである。

車載用の電子制御部品を制御するために多重通信プロトコルとして、ＣＡＮ（Ｃｏｎｔｒｏｌｌｅｒ Ａｒｅａ Ｎｅｔｗｏｒｋ）が採用され、その制御対象の中でも、エンジンなどを制御するパワートレイン制御やステアリングなどを制御するシャシー制御に求められる通信速度や信頼性を必要としないセンサやアクチュエータなどの制御、例えば、ドアミラー、パワーシート、サンルーフ、ドアロック、エアコン、照明など、特に快適性の機能分野の制御については、ＬＩＮが採用されている。特に、ＬＩＮは、ＣＡＮに比べて通信帯域は狭い（最大２０Ｋｂｐｓ）ものの、低コストで実装可能なメリットがあり、多くの車両用機器で用いられている。

ＬＩＮのプロトコルは、マスタ・スレーブ方式（１つのマスタと複数のスレーブ）で、簡単な送信データ保護（パリティ、チェックサム）を行っている。ＬＩＮノードは、マイクロコントローラ（マイコン）とＬＩＮトランシーバによって構成されている。そして、ＬＩＮは、安価にセンサとアクチュエータとを接続するために、多くのマイコンを搭載しているシリアル通信装置「ＵＡＲＴ（Ｕｎｉｖｅｒｓａｌ Ａｓｙｎｃｈｒｏｎｏｕｓ Ｒｅｃｅｉｖｅｒ Ｔｒａｎｓｍｉｔｔｅｒ）」を用いて送受信を行っている。

このＬＩＮの通信システムについて、様々な提案が行われている。例えば、特許文献１では、通信効率を悪化させずに通信漏れを減らすことを提案している。また、特許文献２では、通信エラーや誤動作が発生したとしても誤った出力を発生しない信頼性の高いシステムを提案している。また、特許文献３では、マスタユニットとスレーブユニットのＣＰＵ（Ｃｅｎｔｒａｌ Ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ Ｕｎｉｔ）の通信負荷を均等にして各通信ユニットの通信を効率良く行うことを提案している。

特開２０１１−６４５５９号公報 特開平７−２０２８６４号公報 特開２００５−１９１９１０号公報

しかし、特許文献１の提案は、更新頻度の低いデータを送信せずに、更新頻度の高いデータを優先的に送信することで使用効率を高めるための技術であり、エラー判定の為には、従来通りタイムベースに従い、マスタがスレーブに対してリードする必要があるという問題がある。また、特許文献２の提案は、ＬＩＮのようなタイムベースの概念を持たない通信を前提としており、ＬＩＮにそのまま適用することはできないという問題がある。さらに、特許文献３の提案は、スレーブ間でデータ転送を可能とすることで通信の使用効率を上げることができるが、全てのマスタ、スレーブが、対応している必要があるという問題がある。
この発明は、前述の問題を解決し、車載通信ユニット間で行うシリアル通信システムのうち、通信規格ＬＩＮにおいて、通信帯域の使用効率を高めるシリアル通信システムを提供することを目的とするものである。

この発明のシリアル通信システムは、ＬＩＮのシリアル通信システムにおいて、マスタノードからスレーブノードに送信されるライト要求の前記マスタノードのレスポンスと、前記ストレージノードから前記マスタノードに送信される前記スレーブノードのレスポンスが１タイムベースの中に合体して構成したものである。

この発明によれば、ＬＩＮのメリットを維持し、正常時の通信帯域の使用効率を高めることができる。
すなわち、従来、マスタノードがヘッダーとレスポンスを送信するフレームと、マスタがレスポンスを送信し、レスポンスをスレーブノードがフレームのために別々のＬＩＮ通信アドレスがアサインされ、使用者は新設アドレスが使用済アドレスとの重複を回避するために管理点検を求められてきたが、その作業が軽減する。
また、ＬＩＮ通信規約において、バージョン１．３ではひとつのマスタタスクと１６種の通信アドレスのアサイン、バージョン２．Ｘではひとつのマスタタスクと６４種の通信アドレスのアサインが可能であったが、１種のスレーブに４種や６種のアドレス通信をアサインすることが実際の使用方法となっており、例えば、すべてのスレーブが４種のアドレス通信をアサインする事例ではバージョン１．３ではひとつのＬＩＮ通信網に４種のスレーブしか参加できない事態となっており、その場合、第２のマスタタスクを設けざるを得ないという不効率なことになっている。
したがって、この発明は、通信の時間効率を向上することができるだけでなくアドレスのアサイン量も軽減することにより、そのような物理的課題も軽減あるいは克服することができる。

この発明が適用されるネットワークシステムの構成を示す構成図である。 この発明の対象のＬＩＮのフレームの構造を示す説明図である。 この発明の対象のＬＩＮのノード間のデータ通信状態を示す説明図である。 この発明の対象のＬＩＮの通信周期を示す説明図である。 この発明の実施の形態１のＬＩＮのスケジュールを示す説明図である。 この発明の実施の形態１のＬＩＮの通信に基づくマスタの通信制御フローを示すフローチャートである。 この発明の実施の形態２のステータス情報の通信状態を示す説明図である。 この発明の実施の形態２のステータス情報の通信状態を示す説明図である。 この発明の実施の形態３の処理を示す説明図である。

実施の形態１
この発明のシリアル通信システムが適用されるネットワークシステムは、図１に示すように、高い信頼性を要求される制御を行うＣＡＮ１００に対して、サブネットワークシステムを構築しているＬＩＮ２００が対象である。ＣＡＮ１００は、自動車の電子制御の中でも、ＣＡＮバス１０に接続されているライト１１、エアコン１２、ドア１３、ステアリング１４など重要なユニットの制御に使用されている。一方、ＬＩＮ２００は、ドア１３と、このドア１３の動きに関連して制御する必要のある、ドアライト２１、ドアオープンセンサ２２、シート位置センサ２３、電動シートモータ２４などの複数のユニットが、ＬＩＮバス２０に接続され、センサやアクチュエータなどの制御に使用されている。

ＬＩＮの通信は、「マスタ・スレーブ方式」「スケジュールに基づく通信」で行われ、事前に定義された送信タイミングに従って送信を行う。そのため、メッセージの衝突は発生せず、各ノードは、一定の間隔で確実にメッセージの送信および受信を行うことができる。しかし、送信するタイミングが決められているということは、各ノードは任意のタイミングでメッセージを送信することができず、送信するタイミングが来るまで待つ必要がある。また、このＬＩＮのネットワーク内に「送信するタイミングを制御する」という特別な役割を実行するノードが必要となるため、マスタノードとスレーブノードという２種類のノードを使用して通信を行う。

ＬＩＮのネットワーク構造は、ライン型バス構造で、一つのＬＩＮバス２０に、一つのマスタノードと複数のスレーブノードが接続できる。また、ＬＩＮのネットワークは、マスタノードが全体の通信を制御するマスタ・スレーブ方式を採用しており、スレーブノードはマスタノードに従って通信を行う。

ＬＩＮのノードの役割には、マスタタスクとスレーブタスクの二種類があり、マスタタスクは、マスタノードのみが持っている役割で、トークンの送信とスケジュールの管理を行う。これは、決められたタイミングでＬＩＮバスに送信要求を送信することになる。また、スレーブタスクは、マスタノードとスレーブノードの両方が持っている役割で、データを送信する役割である。

データの送信は、マスタタスクから送信されるトークンをスレーブタスクが監視し、データを送信するノードがトークンの後にデータとチェックサムを送信する。ＬＩＮではトークンを「ヘッダー」、データとチェックサムを「レスポンス」、メッセージを「フレーム」と呼んでいる。したがって、ＬＩＮのフレームの構造は、図２に示すように、ヘッダーとレスポンスを持つように構成されている。

ヘッダーは、「Ｂｒｅａｋ」、「Ｓｙｎｃ」、「ＰＩＤ」の３つのフィールドで構成されている。「Ｂｒｅａｋ」は、全てのスレーブノードにＬＩＮフレームの開始を通知する。「Ｓｙｎｃ」は、クロックの誤差を補正するための同期信号で、「ＰＩＤ」は、Ｐｒｏｔｅｃｔｅｄ ＩＤである。
レスポンスは、「データ」、「チェックサム」の２つのフィールドで構成され、データフィールドにはデータが格納され、チェックサムは、データを正確に受信できたかどうかを確認するために使用される。

ＬＩＮのノード間のデータ通信は、図３に示すように、マスタノードから、スレーブノードに対してヘッダーが送られ、複数のスレーブノードのうち、データを送信するようにとの指示を受けたスレーブノードは、マスタノードにレスポンスを送信する。なお、レスポンスは、ライト（書き込み）の場合は、マスタノードからスレーブノードに送信し、リード（読出し）の場合は、スレーブノードから送信される。

ＬＩＮの通信は、フレーム単位で行われ、図４に示すように、一つの通信は、タイムベース（Ｔｉｍｅ Ｂａｓｅ）と呼ばれる通信周期で行われる。

この実施の形態１では、図５に示すように、１タイムベースの中で、マスタノードのライト要求の後に、スレーブノードからのレスポンスを受ける一定の期間を設け、スレーブノードは、ライト要求を受信後、レスポンスを前記１タイムベース内で実施する。すなわち、マスタノードのレスポンス（データとチェックサム）と、スレーブノードのレスポンス(データとチェックサム)とが、１タイムベース内に合体していることになる。このように、１タイムベース内にレスポンス受付期間を設けることによって、通信帯域の使用効率を高めることができる。

ＬＩＮの通信プロトコルは、ＵＡＲＴに実装されており、マスタノードの制御はＭＰＵ（Ｍｉｃｒｏ Ｐｒｏｃｅｓｓｏｒ Ｕｎｉｔ）が行うように構成されている。このため、マスタノードについてのソフトウエア制御を変更することによって、ライト要求を発信した同一のタイムベース内でスレーブノードからのレスポンスを受け付けることが可能になる。

マスタノードの通信制御フローを図６のフローチャートに基づいて説明する。
図６に示すように、マスタノードにおいて、Ｓｔｅｐ１においてライト要求を送信し、その後、Ｓｔｅｐ２において、ＵＡＲＴのノードの方向制御を行い、スレーブノードからのレスポンスを待つ状態とする。ライト要求を発信した後にスレーブノードからのレスポンスを受信したか否かをＳｔｅｐ３において判断し、レスポンスを受信した場合、受け取ったレスポンスに含まれる情報から、ライト要求が正常に受信されたか、あるいは異常に受信されたかをＳｔｅｐ４においてエラー確認を行う。

Ｓｔｅｐ５においてエラーの有無を判定し、正常に受信されていることを確認した場合には、Ｓｔｅｐ６において次に継続する処理に入る。また、異常に受信されていることを確認した場合には、Ｓｔｅｐ７においてエラー処理に入る。なお、ライト要求の後のレスポンス受付期間中にレスポンスが無い場合は、従来のスレーブノードの状態と同じになるので、ライト要求が正常に受信されたのか、異常に受信されたのかの判定ができないので、この場合には、従来通り判定を行うために次に継続するタイムベースで、正常受信しているのか異常受信しているのかを判断するためのリード要求を送信することになる。

一方、スレーブノードにおいては、ライト要求が自身に対するものか否かを判別し、自身に対するものではない場合には、従来のＬＩＮと同様に、要求を無視する。ライト要求が自身に対するものであると判別し、チェックサムが正しい場合には、レスポンスをマスタノードに送信する。このレスポンスには、マスタノードからのライト要求を正常に受信したか、異常に受信したかを識別できる情報とチェックサムを含んでおり、チェックサムが誤っていた場合は、ＬＩＮプロトコルに従い、受信データを破棄し、マスタノードに対するレスポンスも送信しない。

この情報以外にも、タイムベースの残りの時間が許される限り、スレーブノードの状態を表すステータス情報とチェックサムを含めてもよい。これにより、ステータス情報を含めることによって、ステータスを確認するためのリード情報を省くことができ、より通信効率を向上させることができる。なお、タイムベースの残りの時間は、マスタノードおよびスレーブノードの通信データ量と通信速度から求めることができる。すなわち、１タイムベース内に設定するレスポンス受付期間は、マスタノードおよびスレーブノードの通信データ量と通信速度から求められるということになる。

実施の形態２
実施の形態１では、ＬＩＮのシリアル通信システムにおいて、１タイムベースの中に、マスタノードのライト要求の後に、マスタノードが受信可能にされて、スレーブノードからのレスポンスを受ける一定の期間を設け、スレーブノードは、ライト要求を受信後、レスポンスを１タイムベース内で送信し、マスタノードは、受信したレスポンスの状態に応じた処理を行うようにして、タイムベースに残りの時間がある場合には、スレーブノードが送信するレスポンスにステータス情報を含めることを説明した。

この実施の形態２では、ステータス情報が長く（多く）、１タイムベースの残りの時間では一度に収まりきれない場合について説明する。
図７に示すように、スレーブノードから返送するレスポンスに含めるステータス情報１が、１タイムベース２の残りの時間３に対して長い場合について、スレーブノードからの送信とマスタノードの処理について説明する。

スレーブノードは、送信するステータス情報１を、１タイムベース２の残りの時間３に合わせて、複数に分割して、１タイムベース２の残りの時間３に送信する。このように分割して送信することによって、マスタノードでは、分割された情報を繋ぎ合せて一連のステータス情報を認識することができる。

さらに、スレーブノードが、ステータス情報１を、１タイムベース２の残りの時間３に合わせて、複数に分割して送信する場合に、図８に示すように、ステータス情報１の分割数に応じたカウンタ値４と、このカウンタ値４に対応して、ステータス情報を復元するためのキー情報５を、最初のレスポンスに含めて送信する。マスタノードは、スレーブノードからのレスポンスを受信後、正常に受信したことを確認し、レスポンスに含まれているカウンタ値４と、復元のためのキー情報５に基づいて、分割されて送信されてくるステータス情報を、全体を受信する前に予め一連のステータス情報の状態を把握することができることになる。

実施の形態３
通信経路に回復不可能な異常が発生している場合、マスタノードからのライト要求が、スレーブノードにおいて異常な状態で受信されることになる。
スレーブノードにおいては、ライト要求を異常な状態で受信した場合に、異常検出回数を計上しておいて、これまでの異常検出回数をレスポンスに含めて送信する。この送信は、実施の形態１において説明したように、マスタノードからのライト要求後のレスポンス受付期間内にスレーブノードから送信される。

すなわち、図９に示すように、スレーブノードでは異常な状態での受信の検出回数を計上し、その検出回数をレスポンスに含めて、１タイムベースの残りの時間内に送信する。そして、マスタノードにおいて、スレーブノードからのレスポンスに異常検出回数の情報を取得して、その異常検出回数が予め設定した閾値を超えた場合、通信経路に回復不可能な異常が発生していると判断し、エラー処理を行い、通信経路の異常を警告する。この一連の処理は、マスタノードからのライト要求の１タイムベースの中で、スレーブノードから送信されてくるレスポンスに含まれる情報に基づいて行われることになるので、通信効率を向上させるだけでなく、通信経路の異常状態への対応を早急に行うことができるという効果がある。

以上、この発明の実施の形態を記述したが、この発明は実施の形態に限定されるものではなく、種々の変更を行うことが可能であり、実施の形態を適宜、変形、省略することが可能である。また、実施の形態として記載した内容を組み合わせて、実施することも可能である。

１ ステータス情報、２ １タイムベース、３ 残りの時間、４ カウンタ値、
５ キー情報、１０ ＣＡＮバス、２０ ＬＩＮバス、１００ ＣＡＮ、２００ ＬＩＮ

Claims (8)

1. ＬＩＮのシリアル通信システムにおいて、マスタノードからスレーブノードに送信されるライト要求の前記マスタノードのレスポンスと、前記スレーブノードから前記マスタノードに送信される前記スレーブノードのレスポンスが１タイムベースの中に合体していることを特徴とするシリアル通信システム。
2. 前記マスタノードからの前記ライト要求の後に、前記スレーブノードからのレスポンスを受ける一定の期間を設け、前記スレーブノードは、前記ライト要求を受信後、前記レスポンスを前記１タイムベースの中で送信することを特徴とする請求項１に記載のシリアル通信システム。
3. 前記マスタノードは、前記一定の期間において受信可能にされ、受信した前記スレーブノードのレスポンスの状態に応じた処理を行うことを特徴とする請求項２に記載のシリアル通信システム。
4. 前記マスタノードは、前記スレーブノードからのレスポンスを受信すると、前記ライト要求が正常受信されたか、異常受信されたかを確認し、正常受信されている場合は、次に継続する処理に移り、異常受信した場合は、エラー処理に移り、前記レスポンスがない場合は、次のタイムベースで正常か異常かを判断するためのリード要求を行う処理行うことを特徴とする請求項１に記載のシリアル通信システム。
5. 前記スレーブノードは、前記スレーブノードの状態を示すステータス情報を前記レスポンスに含めて前記１タイムベースの中で送信するようにしたことを特徴とする請求項３または４に記載のシリアル通信システム。
6. 前記スレーブノードは、前記ステータス情報が前記１タイムベースの中の残りの時間に対して長い場合、前記ステータス情報を、前記残りの時間に合わせて、複数に分割し、複数の１タイムベースに振り分けて送信するようにしたことを特徴とする請求項５に記載のシリアル通信システム。
7. 前記スレーブノードは、複数に分割された前記ステータス情報の分割数に応じたカウンタ値と、このカウンタ値に対応して、ステータス情報を復元するためのキー情報を、最初のレスポンスに含めて送信するようにしたことを特徴とする請求項６に記載のシリアル通信システム。
8. 前記スレーブノードは、前記ライト要求を異常受信した場合に、異常検出回数をレスポンスに含めて送信し、前記マスタノードは、受信した前記異常検出回数が予め設定した閾値を超えた場合、通信経路に回復不可能な異常が発生していると判断するようにしたことを特徴とする請求項３または４に記載のシリアル通信システム。

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