JP5532030B2 - データ通信方法及びデータ通信装置 - Google Patents

Description

本発明は、データを含むフレームを通信するデータ通信方法及びデータ通信装置に関する。

従来より、高い信頼性が要求される車載系のＬＡＮ（Local Area Network）として例えばＣＡＮ（Controller Area Network）が広く普及している（例えば特許文献１参照）。ＣＡＮでは、データ通信速度が５００ｋ［ｂｐｓ］以下において、スタッフエラー検出、ビットエラー検出、フォームエラー検出、アクノリッジエラー検出及びＣＲＣ（cyclic redundancy check）（巡回冗長検査）エラー検出等により信頼性を確保している。

特許第２５４６６０８号公報

近年では通信システムの高度化により、データ通信速度の高速化（数百Ｍ［ｂｐｓ］以上）且つ高い信頼性が要求される傾向にあり、データ通信速度の高速化に必要な非衝突やクロック再生の通信システムとした場合に、ＣＡＮではフレーム構成の違いから十分な信頼性を確保することができなくなるという問題がある。

本発明は、上記した事情に鑑みてなされたものであり、その目的は、データ通信速度を高速化しつつ、高い信頼性を確保することができるデータ通信方法及びデータ通信装置を提供することにある。

請求項１及び２に記載した発明によれば、データを含むリンクレイヤフレームを４Ｂ５Ｂ符号化し、その４Ｂ５Ｂ符号化したリンクレイヤフレームに対してプリアンブル、フレーム開始部及びフレーム終了部を付加して物理レイヤフレームを生成し、その生成した物理レイヤフレームをＮＲＺＩ（Non Return to Zero Inversion）符号化し、そのＮＲＺＩ符号化した物理レイヤフレームを送信フレームとして通信路へ送信する際に、物理レイヤフレームをパラレル／シリアル変換及びＮＲＺＩ変換する前のデータと、通信路から受信したＮＲＺＩ符号の物理レイヤフレームをＳＦＤの検出及びシリアル／パラレル変換した後のデータとを照合することにより、送信データが正常であるか否かを判定するビットエラー検出を行い、通信路から受信フレームとして物理レイヤフレームを受信した際に、その受信した物理レイヤフレームに対し、４Ｂ５Ｂ符号化が正常であるか否かを判定するコーディングエラー検出を行い、リンクレイヤフレームに含まれるデータが正常であるか否かを判定するＣＲＣ（Cyclic Redundancy Check）エラー検出を行い、リンクレイヤフレームの構成及び内容が正常であるか否かを判定するフォームエラー検出を行い、リンクレイヤフレームのビット列の並びが正常であるか否かを判定するステートエラー検出を行い、ＡＣＫ（ACKnowledgement）フレームを所定時間内に正常に受信したか否かを判定するタイムアウトエラー検出を行うように構成した。

これにより、非衝突を実現するためのＡＣＫフレームによるハンドシェイク通信方式を採用すると共に、リンクレイヤフレームを４Ｂ５Ｂ符号化し、リンクレイヤフレームに対してプリアンブル、フレーム開始部及びフレーム終了部を付加し、物理レイヤフレームをＮＲＺＩ符号化するというクロック再生要件を追加することで、データ通信速度を高速化することができる。又、送信フレームを通信路へ送信する際には、ビットエラー検出を行い、通信路から受信フレームを受信した際には、コーディングエラー検出、ＣＲＣエラー検出、フォームエラー検出、ステートエラー検出及びタイムアウトエラー検出を行うことで、高い信頼性を確保することができる。

本発明の一実施形態を示す機能ブロック図 リンクレイヤフレーム及び物理レイヤフレームの各々のフレーム構成を示す図 機能の階層構造を示す図 ＯＳＩ参照モデルとの対比を示す図 データ送信時エラー検出処理を示すフローチャート データ受信時エラー検出処理を示すフローチャート エラーの種別、検出モード及びエラーの内容を示す図

以下、本発明の一実施形態について、図面を参照して説明する。図１は、データ通信装置の構成を示す機能ブロック図である。データ通信装置１は、送信系の機能ブロックとして、送信ＬＬＦ（Link Layer Frame）エンコーダ２と、ＦＩＦＯ（First In First Out）３と、４Ｂ５Ｂエンコーダ４と、５Ｎビットコマンドエンコーダ５と、制御回路６と、セレクタ７と、シリアライザ８と、ＮＲＺＩエンコーダ９とを有する。

送信ＬＬＦエンコーダ２は、送受信シーケンサ１０（本発明でいうステートエラー検出手段、タイムアウトエラー検出手段に相当）から送信データを入力すると、フレームを識別（特定）するための識別子と、データのライト又はリードを示すリモートと、データの長さを示すサイズと、アクセスするアドレス空間を示すＩＤと、データ（送信データ）と、ＣＲＣとを含むリンクレイヤフレーム（ＬＬＦ（Link Layer Frame））を生成してＦＩＦＯ３を介して４Ｂ５Ｂエンコーダ４及び５Ｎビットコマンドエンコーダ５へ出力する。

４Ｂ５Ｂエンコーダ４は、送信ＬＬＦエンコーダ２からＦＩＦＯ３を介してリンクレイヤフレームを８ビットのビット列により入力すると、その８ビットのビット列を構成する上位の４ビットのビット列及び下位の４ビットのビット列の各々を４Ｂ５Ｂ符号化テーブル（図示せず）にしたがって５ビットのビット列に変換し、１０ビットのビット列を生成してセレクタ７へ出力する。この場合、４Ｂ５Ｂエンコーダ４は、４ビットのビット列を「０」が３ビット以上連続しないように５ビットのビット列に変換する。

５Ｎビットコマンドエンコーダ５は、送信ＬＬＦエンコーダ２からＦＩＦＯ３を介してリンクレイヤフレームを入力すると、同期用のビット列であるプリアンブル（Preamble）、リンクレイヤフレームの先頭を検出するためのＳＦＤ（Start Frame Delimiter）（フレーム開始部）及びリンクレイヤフレームの末尾を検出するためのＥＦＤ（End Frame Delimiter）（フレーム終了部）を生成して制御回路６及びセレクタ７へ出力する。

セレクタ７は、４Ｂ５Ｂエンコーダ４から１０ビットのビット列を入力し、５Ｎビットコマンドエンコーダ５からプリアンブル、ＳＦＤ及びＥＦＤを入力すると、制御回路６から入力する制御指令にしたがって１０ビットのビット列にプリアンブル、ＳＦＤ及びＥＦＤを付加して物理レイヤフレーム（ＰＬＦ（Physical Layer Frame））を生成してシリアライザ８及びビットエラー検出部（データ比較部）１１（本発明でいうビットエラー検出手段に相当）へ出力する。

シリアライザ８は、セレクタ７から物理レイヤフレームを入力すると、その物理レイヤフレームをパラレル／シリアル変換してＮＲＺＩエンコーダ９へ出力する。ＮＲＺＩエンコーダ９は、シリアライザ８からパラレル／シリアル変換された物理レイヤフレームを入力すると、その物理レイヤフレームをＮＲＺＩ符号にエンコードして送信端子から送信フレームとして通信路へ送信する。

一方、データ通信装置１は、受信系の機能ブロックとして、クロック再生部１２と、ＮＲＺＩデコーダ１３と、ＳＦＤ（Start Frame Delimiter）検出部１４と、デシリアライザ１５と、４Ｂ５Ｂデコーダ１６（本発明でいうコーディングエラー検出手段に相当）と、セレクタ１７と、制御回路１８と、ＦＩＦＯ１９と、受信ＬＬＦデコーダ２０（本発明でいうフォームエラー検出手段、ＣＲＣエラー検出手段に相当）とを有する。

クロック再生部１２は、通信路から受信フレームとして受信したＮＲＺＩ符号の物理レイヤフレームからクロック成分を抽出してクロック信号を再生し、その再生したクロック信号を各機能ブロックへ供給する。ＮＲＺＩデコーダ１３は、通信路から受信フレームとして受信したＮＲＺＩ符号の物理レイヤフレームをデコードしてＳＦＤ検出部１４へ出力する。

ＳＦＤ検出部１４は、ＮＲＺＩデコーダ１３から物理レイヤフレームを入力すると、その物理レイヤフレームに含まれるＳＦＤを検出してリンクレイヤフレームの先頭を検出し、リンクレイヤフレームをデシリアライザ１５へ出力する。デシリアライザ１５は、ＳＦＤ検出部１４からリンクレイヤフレームを入力すると、そのリンクレイヤフレームのビット列をシリアル／パラレル変換して４Ｂ５Ｂデコーダ１６及びビットエラー検出部１１へ出力する。４Ｂ５Ｂデコーダ１６は、デシリアライザ１５からシリアル／パラレル変換されたリンクレイヤフレームの１０ビットのビット列を４Ｂ５Ｂ符号化テーブル（図示せず）にしたがって８ビットのビット列に逆変換してセレクタ１７及び制御回路１８へ出力する。

セレクタ１７は、４Ｂ５Ｂデコーダ１６からリンクレイヤフレームの８ビットのビット列を入力すると、制御回路１８から入力する制御指令にしたがってＦＩＦＯ１９を介して受信ＬＬＦデコーダ２０へ出力する。受信ＬＬＦデコーダ２０は、セレクタ１７からＦＩＦＯ１９を介してリンクレイヤフレームの８ビットのビット列を入力すると、そのリンクレイヤフレームの８ビットのビット列を送受信シーケンサ１０へ出力する。

上記したリンクレイヤフレームのフレーム構成と物理レイヤフレームのフレーム構成とは、図２に示すような対応関係となっている。又、データ通信装置１は、図３に示すように、その機能を階層構造に分割すると、物理レイヤ、リンクレイヤ、ＡＰＩ（Application Program Interface）レイヤに分割することができ、物理レイヤは送信（ＴＸ）制御を行う機能部と受信（ＲＸ）制御を行う機能部とに分割することができる。本実施形態で示す物理レイヤ、リンクレイヤ、ＡＰＩレイヤは、国際標準化機構（ＩＳＯ）により制定されたＯＳＩ（Open Systems Interconnection）参照モデル（Reference Model）と対比すると、図４に示すように、物理レイヤはＯＳＩ参照モデルの第１層（物理層）に対応し、リンクレイヤはＯＳＩ参照モデルの 第２層（データリンク層）と第３層（ネットワーク層）に対応し、ＡＰＩレイヤはＯＳＩ参照モデルの第４層（トランスポート層）と第５層（セッション層）と第６層（プレゼンテーション層）に対応する。リンクレイヤフレームはデータ通信装置１のリンクレイヤ間で論理的に通信され、物理レイヤフレームはデータ通信装置１の物理レイヤ間で物理的に通信される。

さて、上記したデータ通信装置１は、以下に示すエラー検出機能を有し、データ送信時にはデータ送信時エラー検出処理を行い、データ受信時にはデータ受信時エラー検出処理を行う。以下、データ送信時エラー検出処理及びデータ受信時エラー検出処理について順次説明する。

（１）データ送信時エラー検出処理
データ通信装置１は、データ送信時には、図５に示すデータ送信時エラー検出処理を行う。即ち、データ通信装置１は、送信データが正常であるか否かを判定するビットエラー検出をビットエラー検出部１１にて行う（ステップＳ１）。データ通信装置１は、セレクタ７からビットエラー検出部１１へ入力された物理レイヤフレームに含まれるデータと、デシリアライザ１５からビットエラー検出部１１へ入力されたリンクレイヤフレームに含まれるデータとを照合し、送信データと異なるデータを検出した場合、又は送信データを検出しなかった場合には、送信データが正常でないと判定し（ステップＳ１にて「ＹＥＳ」）、ビットエラーが発生したことを検出する（ステップＳ２）。このように、データ通信装置１は、データ送信時にはビットエラー検出を行う。

（２）データ受信時エラー検出処理
データ通信装置１は、データ受信時には、図６に示すデータ受信時エラー検出処理を行う。即ち、データ通信装置１は、４Ｂ５Ｂ符号化が正常であるか否かを判定するコーディングエラー検出を４Ｂ５Ｂデコーダ１６にて行う（ステップＳ１１）。データ通信装置１は、デシリアライザ１５から４Ｂ５Ｂデコーダ１６へ入力されたリンクレイヤフレームの１０ビットのビット列を４Ｂ５Ｂ符号化テーブルにしたがって逆変換した８ビットのビット列を判定し、４Ｂ５Ｂ符号化テーブルに示すビット列以外のビット列（未定義のビット列）を検出した場合には、４Ｂ５Ｂ符号化が正常でないと判定し（ステップＳ１１にて「ＹＥＳ」）、コーディングエラーが発生したことを検出する（ステップＳ１２）。

次いで、データ通信装置１は、リンクレイヤフレームに含まれるデータが正常であるか否かを判定するＣＲＣ（Cyclic Redundancy Check）エラー検出を受信ＬＬＦデコーダ２０にて行う（ステップＳ１３）。データ通信装置１は、セレクタ１７からＦＩＦＯ１９を介して受信ＬＬＦデコーダ２０へ入力されたリンクレイヤフレームの８ビットのビット列に対してＣＲＣ計算式による計算を受信ＬＬＦデコーダ２０にて行い、ＣＲＣ計算式による計算にてエラーを検出した場合には、リンクレイヤフレームに含まれるデータが正常でないと判定し（ステップＳ１３にて「ＹＥＳ」）、ＣＲＣエラーが発生したことを検出する（ステップＳ１４）。

次いで、データ通信装置１は、リンクレイヤフレームの構成及び内容が正常であるか否かを判定するフォームエラー検出を受信ＬＬＦデコーダ２０にて行う（ステップＳ１５）。データ通信装置１は、セレクタ１７からＦＩＦＯ１９を介して受信ＬＬＦデコーダ２０へ入力されたリンクレイヤフレームの８ビットのビット列を判定し、受信ヘッダの条件と異なるリンクレイヤフレームの受信を検出した場合には、リンクレイヤフレームの構成及び内容が正常でないと判定し（ステップＳ１５にて「ＹＥＳ」）、フォームエラーが発生したことを検出する（ステップＳ１６）。

次いで、データ通信装置１は、リンクレイヤフレームのビット列の並びが正常であるか否かを判定するステートエラー検出を送受信シーケンサ１０にて行う（ステップＳ１７）。データ通信装置１は、正常シーケンスと異なるリンクレイヤフレームの受信を検出した場合には、リンクレイヤフレームのビット列の並びが正常でないと判定し（ステップＳ１７にて「ＹＥＳ」）、ステートエラーが発生したことを検出する（ステップＳ１８）。

最後に、データ通信装置１は、ＡＣＫフレームを所定時間内に正常に受信したか否かを判定するタイムアウトエラー検出を送受信シーケンサ１０にて行う（ステップＳ１９）。データ通信装置１は、データフレーム、バーストフレーム、コマンドフレームを送信した後に、その送信したデータフレーム、バーストフレーム、コマンドフレームに対するレスポンス（ＡＣＫフレーム）を、データフレーム、バーストフレーム、コマンドフレームの送信時を基準時点として所定時間内に検出しなかった場合には、ＡＣＫフレームを所定時間内に正常に受信しなかったと判定し（ステップＳ１９にて「ＹＥＳ」）、タイムアウトエラーが発生したことを検出する（ステップＳ２０）。このように、データ通信装置１は、データ受信時にはコーディングエラー検出、ＣＲＣエラー検出、フォームエラー検出、ステートエラー検出及びタイムアウトエラー検出を順次行う。

図７は、上記したエラーの種別、検出ノード（送信ノード又は受信ノード）及びエラーの内容を対応付けて示す。尚、送信ノードとは送信フレームを送信するデータ通信装置１であり、受信ノードとは受信フレームを受信するデータ通信装置１である。

以上に説明したように本実施形態によれば、データ通信装置１において、非衝突を実現するためのＡＣＫフレームによるハンドシェイク通信方式を採用すると共に、リンクレイヤフレームを４Ｂ５Ｂ符号化し、リンクレイヤフレームに対してプリアンブル、ＳＦＤ及びＥＦＤを付加し、物理レイヤフレームをＮＲＺＩ符号化するというクロック再生要件を追加することで、データ通信速度を高速化することができる。又、送信フレームを通信路へ送信する際には、ビットエラー検出を行い、通信路から受信フレームを受信した際には、コーディングエラー検出、ＣＲＣエラー検出、フォームエラー検出、ステートエラー検出及びタイムアウトエラー検出を行うことで、高い信頼性を確保することができる。

本発明は、上記した実施形態にのみ限定されるものではなく、以下のように変形又は拡張することができる。
データ通信装置１は、例えば車載系のＬＡＮに接続されるノードであっても良いし、車載系のＬＡＮ以外のＬＡＮに接続されるノードであっても良い。

図面中、１はデータ通信装置、１０は送受信シーケンサ（ステートエラー検出手段、タイムアウトエラー検出手段）、１１はビットエラー検出部（ビットエラー検出手段）、１６は４Ｂ５Ｂデコーダ（コーディングエラー検出手段）、２０は受信ＬＬＦデコーダ（フォームエラー検出手段、ＣＲＣエラー検出手段）である。

Claims (2)

1. データを含むリンクレイヤフレームを４Ｂ５Ｂ符号化し、その４Ｂ５Ｂ符号化したリンクレイヤフレームに対してプリアンブル、フレーム開始部及びフレーム終了部を付加して物理レイヤフレームを生成し、その生成した物理レイヤフレームをＮＲＺＩ（Non Return to Zero Inversion）符号化し、そのＮＲＺＩ符号化した物理レイヤフレームを送信フレームとして通信路へ送信する際に、物理レイヤフレームをパラレル／シリアル変換及びＮＲＺＩ変換する前のデータと、通信路から受信したＮＲＺＩ符号の物理レイヤフレームをＳＦＤの検出及びシリアル／パラレル変換した後のデータとを照合することにより、送信データが正常であるか否かを判定するビットエラー検出を行い、通信路から受信フレームとして物理レイヤフレームを受信した際に、その受信した物理レイヤフレームに対し、４Ｂ５Ｂ符号化が正常であるか否かを判定するコーディングエラー検出を行い、リンクレイヤフレームに含まれるデータが正常であるか否かを判定するＣＲＣ（Cyclic Redundancy Check）エラー検出を行い、リンクレイヤフレームの構成及び内容が正常であるか否かを判定するフォームエラー検出を行い、リンクレイヤフレームのビット列の並びが正常であるか否かを判定するステートエラー検出を行い、ＡＣＫ（ACKnowledgement）フレームを所定時間内に正常に受信したか否かを判定するタイムアウトエラー検出を行うことを特徴とするデータ通信方法。
2. データを含むリンクレイヤフレームを４Ｂ５Ｂ符号化し、その４Ｂ５Ｂ符号化したリンクレイヤフレームに対してプリアンブル、フレーム開始部及びフレーム終了部を付加して物理レイヤフレームを生成し、その生成した物理レイヤフレームをＮＲＺＩ（Non Return to Zero Inversion）符号化し、そのＮＲＺＩ符号化した物理レイヤフレームを送信フレームとして通信路へ送信するデータ通信装置であって、
   物理レイヤフレームをパラレル／シリアル変換及びＮＲＺＩ変換する前のデータと、通信路から受信したＮＲＺＩ符号の物理レイヤフレームをＳＦＤの検出及びシリアル／パラレル変換した後のデータとを照合することにより、送信データが正常であるか否かを判定するビットエラー検出を行うビットエラー検出手段と、
   通信路から受信フレームとして受信した物理レイヤフレームに対し、４Ｂ５Ｂ符号化が正常であるか否かを判定するコーディングエラー検出を行うコーディングエラー検出手段と、
   リンクレイヤフレームに含まれるデータが正常であるか否かを判定するＣＲＣ（Cyclic Redundancy Check）エラー検出を行うＣＲＣエラー検出手段と、
   リンクレイヤフレームの構成及び内容が正常であるか否かを判定するフォームエラー検出を行うフォームエラー検出手段と、
   リンクレイヤフレームのビット列の並びが正常であるか否かを判定するステートエラー検出を行うステートエラー検出手段と、
   ＡＣＫ（ACKnowledgement）フレームを所定時間内に正常に受信したか否かを判定するタイムアウトエラー検出を行うタイムアウトエラー検出手段と、を備えたことを特徴とするデータ通信装置。

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