JP2723232B2 - 並列のセンサ信号の直列伝送方式 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 ［概要］ 本発明は電源を有しないセンサ部に設けられた多数の
センサの並列出力を直列化し、制御部からの電源電圧レ
ベルをクロック信号に応じて異なる信号レベルをとる直
列信号を受けとると、各クロック信号にセンサ出力を重
畳して制御部に伝送するものである。 ［産業上の利用分野］ 本発明は制御部から直列のクロック信号を送信すると
離れた位置にあるセンサ部の多数のセンサの出力状態を
順次直列のクロック信号に重畳して伝送する直列伝送方
式に関する。 制御装置または監視装置からの指令に応じて離れた位
置に設けられた機器の状態を感知するセンサの出力を収
集することは、広く自動制御、計測等の技術分野におい
て用いられている。 そのような技術、例えばロボット等の自動制御機械の
技術においては制御に流体が用いられ、流体を電磁弁に
より開閉制御することが行われ、マニホールドに電磁弁
を連接したいわゆる電磁弁マニホールドがスペースを小
さくするために使用されるようになった。 そして自動制御では、指令による制御の結果、機器が
どのような状態になったかをセンサにより検出して、次
の制御を決めるためのデータとして使用する。その場
合、センサにより感知する対象としては制御機器の物理
的状態や周囲の状態（オン・オフ状態、位置、角度、温
度等）であり、これらの状態を感知するためのセンサ
は、制御機器の小型化および集中化に合わせて、小型化
と集中化および制御部との接続配置の簡易化が望まれて
いた。 ［従来の技術］ 制御部からの制御信号により多数のセンサの出力を制
御部に伝送するために、従来例の１として、各センサに
対して制御部から個々に制御信号線、電源線、クロック
信号線を配置して、制御信号線を駆動することにより各
センサの出力がデータ線に供給されるよう構成する方式
がある。 また、従来例の２として個々のセンサに制御信号線、
電源線等の多数の線を配置する代わりにクロック信号線
の信号をシフトし、そのシフト位置に対応するセンサを
電源線から供給する電源により駆動して信号線に出力さ
せる方式もある（図示せず）。 ［発明が解決しようとする問題点］ 上記した従来例の技術によれば、まず、従来例の１の
方式では、個々のセンサ部に複数の線を配線するので配
線の手間やスペースを必要とする点で問題があり、従来
例の２には制御部から各センサへは制御信号線の他に回
路やセンサを駆動するための電源を供給する電源線が必
要である点でやはり配線数が多いという問題があった。 ［問題点を解決するための手段］ 本発明の原理的構成を第１図に示す。 第１図において、10は制御部、101は直並列変換手
段、102はタイミング信号変換手段、103はデータ抽出変
換手段、11はセンサ部を表し、スタートビット部12と変
換部13および後続する同様の構成の変換部（図示せず）
とからなり、121、131は夫々回路用の安定化電源生成手
段（図にはCVと表示）、122はセンサ駆動用電源生成手
段、123はスタート信号（開始信号）検出手段、132はク
ロック信号抽出手段、133は２段のフリップフロップ回
路からなる信号分配手段、134、135はアンド回路、138
は次段スタート信号発生手段、140、141はセンサ１、セ
ンサ２を表す。 本発明は制御回路からクロック信号と電源を同一の信
号線でセンサ部へ供給すると、センサ部において電源を
生成するとともにクロック信号を抽出して信号を分配し
て、各分配位置のセンサ出力に応じて信号線上における
クロック信号位置の電圧レベルを異ならしめ、そのレベ
ルを制御部で検出することにより各センサの状態を受信
するものである。 ［作用］ 第１図において、制御部10では発振器OSCからのクロ
ック信号と電源（電圧V_x）をタイミング信号変換手段10
2に供給すると、タイミング信号変換手段102はクロック
信号により電源の電圧出力を変換し、第１図の（イ）に
実線で示す波形の出力信号OUTを発生し、信号線104に出
力する。 そして、直並列変換手段101からのデータ抽出開始を
示すスタート指示信号が与えられると、タイミング信号
変換手段102から第１図の（ロ）に示すスタート信号（S
TART）が発生され信号線105に出力されるとともに、制
御部10からは地気レベルを表す信号GNDを信号線106に出
力する。 信号線104にはクロック信号が発生したパルス幅だけ
電圧レベルが他の期間のレベル（V_x）とは異なるレベル
（レベルV_x/2）となる信号が出力される。 第１図の（イ）の実線で示す直列出力信号OUTが信号
線104を介してセンサ部11で受信されると、センサ駆動
用電源生成手段122でセンサ140、141等の駆動用電源Vs
（ほぼV_xと同じ電圧）を生成し、安定化電源生成手段12
1、131等は電子回路により構成される各手段（スタート
信号検出手段、クロック信号抽出手段等）の電源（V_xよ
り低い電圧）を生成する。 なお、センサ駆動用電源生成手段122の出力である電
源Vsは変換部13に供給されるとともに制御部10側のコネ
クタ124に結線されており、通常は、このコネクタを使
用しないが、非常停止時や、電源容量の不足時に、外部
電源（例えば制御部10から）を受けるためにコネクタを
使用してセンサ手段を独立して駆動することができるよ
う構成されている。 電源の生成と並行してスタート信号（開始信号）検出
手段123は信号線105にスタート信号が現れたことを検出
する機能を有し、第１図の（ロ）に示すように時間t1に
スタート（START）信号が検出されると出力stを発生し
信号分配手段133に供給する。 一方、クロック信号抽出手段132では信号線104上の直
列出力信号OUT（第１図（イ））の信号レベルを判別
し、クロック信号成分を抽出してクロック信号出力ckを
発生する。 信号分配手段133ではスタート信号検出手段123からの
出力stを受け取ると、その“1"信号をクロック信号抽出
手段132からのクロック信号ckによりシフトインし、そ
の初段出力Q1から“1"出力が発生する。この出力Q1が発
生すると、アンド回路134にはクロック信号と出力Q1が
共に“1"となって、この時電源Vsにより駆動されている
センサの出力信号（“1"か“0"の２値信号）がこの時
“1"であればアンド回路134から“1"出力が発生してイ
ンバータ回路136、抵抗R1を介して信号線104にアースレ
ベルの信号が供給される。 これにより直列出力信号OUTの信号レベルは第１図
（イ）の時間t1のクロック信号の期間だけ点線で示すよ
うにアースレベル（０ボルト）になる。この時、信号線
104上の信号は、実質的にセンサ部11から伝送された直
列入力信号を表すものである。もし、センサ１（140）
の出力が“0"であればクロック信号のレベルは制御部か
ら供給されたものと同じレベル（V_x/2）を維持する。 スタート信号から２番目のクロック信号が時間t2にク
ロック信号抽出手段132で抽出されると信号分配手段133
内の出力Q1の“1"状態が２段目にシフトされて、出力Q2
が“1"となる。これにより、アンド回路135にクロック
信号ckと出力Q2の“1"が入力され、その時のセンサ２
（141）の状態が、もし“0"であればアンド回路135は
“0"出力を発生し、信号線104に何ら影響を与えない。
この時の信号線104の信号を第１図（イ）の時間t2の波
形で示す。 制御部10では、タイミング信号変換手段102から第１
図（イ）の実線で示すクロック信号を含む出力を発生す
る一方で、信号線104上にセンサ部11から直列に送られ
てくるセンサ１、センサ２の出力信号を検出する。すな
わち、データ抽出変換手段103においてクロック信号期
間における信号線104のレベルを検出し、そのレベルがV
_x/2より低い電圧であるばあい、“1"出力を発生し、そ
うでなければ“0"出力を発生する。 したがって、データ抽出変換手段103からは時間t1と
時間t2に夫々センサ１、２の状態である“1"、“0"の出
力が発生し、その信号は直並列変換手段101に入力さ
れ、クロック信号に応じてラッチされるとともに各段の
データは次の段に順次シフトされる。 第１図の場合センサ部11の変換部13は２個のセンサ
１、２の状態を検出する構成となっているが、これと同
様構成の変換部を次段に接続できることはいうまでもな
い。次段変換部へスタート信号を供給するため次段スタ
ート信号発生手段138が信号分配手段133の出力２によ
り駆動される。 このように、第１図の（イ）の直列出力信号OUT中の
クロック信号に重畳してセンサの出力信号が点線で示す
ように発生し、センサ１、センサ２、センサ３（図示せ
ず）・・はON、OFF、ON、ON・・・という状態であるこ
とを表し、これに応じて直並列変換手段101内には、
“1"、“0"、“1"、“1"・・・というセンサ情報が順次
格納される。 なお、第１図ではスタート信号を伝送するために専用
の線をもうけているが、直列出力信号用の線にスタート
信号も含むようにすることも可能である。この場合、ク
ロック信号に同期してデータの信号レベルとは異なるレ
ベルによりスタートを表すか、クロック信号とは異なる
パルス幅を用いる等により実現できる。さらに、センサ
の“1"、“0"出力を表示する信号形式として、第１図の
ような信号レベルを変化させる方法の他に、パルス幅の
変化を用いることもできる。 ［実施例］ 本発明の実施例の構成を第２図（ａ）、第２図（ｂ）
に示し、その動作のタイムチャートを第３図に示す。 第２図は第１図の制御部に対応する制御ユニット20の
構成を示し、第２図（ｂ）は第１図のセンサ部に対応す
る複数ユニットの構成を示す。 第２図（ａ）において、20は制御ユニット、21は出力
インターフェイス回路（LED表示機能を有す）、22はシ
リアルイン・パラレルアウト・レジスタ、23はタイミン
グ発生回路、24は増幅回路、25は増幅器、26は比較回路
を表す。 また、第２図（ｂ）において、30はスタートビットユ
ニット１、31はセンサ１とセンサ２を備える変換ユニッ
ト１、32はセンサ３とセンサ４を備える変換ユニット２
（構成は変換ユニット１と同じ）、33はエンドビットユ
ニット、34はスタートビットユニット２を表し、ユニッ
ト内のCVは安定化電源、FF1、FF2はフリップフロップ回
路、312はクロック信号検出回路（DT1）、313、314はイ
ンバータ回路、315、316はセンサ出力検出回路（DT2、D
T3）を表す。 第２図（ａ）の制御ユニット20と第２図（ｂ）のセン
サ部のユニットとは直列出力（直列入力）信号線200と
スタートビット信号線201および地気レベルの信号線202
とで接続され、非常停止用・センサ駆動の負荷が大きい
場合等の必要に応じて24Vの電源供給線（図では点線で
示す）で両者間を接続し、通常の使用においてはこの接
続を行わない。 実施例の動作を第３図のタイムチャートを参照しつつ
以下に説明する。 まず、第２図（ａ）の制御ユニット20の動作を説明す
ると、タイミング発生回路23は発振器OSCの出力からク
ロック信号を発生し、増幅器25、シリアルイン・パラレ
ルアウト・レジスタ22（以下、単にレジスタ22という）
等に供給される。 増幅器25はクロック信号と電源供給線203からの電線
（24V）を受け入れて、クロック信号の波形により電源
電圧レベルを変換させて、第３図に示す直列出力信号OU
T（ｓ）を発生し、信号線200に出力する。なお、OUT
（ｓ）のｓは送信（send）成分の信号であることを表
し、実際にはセンサ出力によりクロック信号位置のレベ
ルが変換されるので、この波形は仮想的な信号波形であ
る。 信号OUT（ｓ）は各クロック信号が現れている間だけ
に12Vになり、その他の期間は24Vを維持する信号であ
る。 レジスタ22はクロック信号を端子cpに受け、比較回路
26で検出されたセンサ出力をデータ端子DATAに受け入れ
順次シリアルインする。 レジスタ22は各センサからのデータを収集する周期
（シフト動作により最終ビット位置に達した時に１周期
が終了）の開始時には第３図に示すようにその都度、端
子STBからクロック信号に同期したスタート信号（STAR
T）を発生し、増幅回路24から信号線201に出力される。 次に第２図（ｂ）のセンサ部の動作を同様に第３図の
タイムチャートを用いて説明する。 制御ユニット20からの直列出力信号OUT（ｓ）と地気
信号は信号線200と202により全てのユニットに縦続接続
され、各ユニット内の安定化電源CV1〜CV4（ツェナーダ
イオードとコンデンサおよび抵抗を用いて構成された公
知の回路）で電子回路用の電源を生成し、スタートビッ
トユニット１（30）のダイオード301とコンデンサC1（3
02）により各センサを駆動するための電源を生成する。 スタート信号は、第３図の時間t1にスタートビットユ
ニット１（30）30の端子START1で受信され、受信される
と発行ダイオードPD1から発光が行われ、変換ユニット
１（31）の受光トランジスタPT1が駆動されてそのエミ
ッタから得られた“1"信号がフリップフロップ回路FF1
のデータ入力端子Ｄに入力される。この時クロック信号
検出回路DT1（312）からクロック信号の検出出力が発生
するので、その出力がクロック端子cpに入力されるので
フリップフロップ回路FF1はセット状態となり、出力Ｑ
から“1"が発生する（第３図のFF1の出力参照）。 センサ１は感知すべき対象により種々のものがある
が、その具体例としては第２図（ｂ）に示すようにセン
サ増幅器Ampに入力した信号出力をトランジスタのコレ
クタに出力する構成がある。 また、センサ内に本発明の変換ユニット（１回路）を
内臓し、パラレルインシリアルアウト付のセンサに構成
することも容易に実現できる。 第２図（ｂ）の場合、センサ１の出力は変換ユニット
（13）の検出回路DT2（315）で検出されアンド回路317
に供給される。 アンド回路317は時間t1のクロック信号ckのタイミン
グでフリップフロップ回路FF1が“1"になり、この時セ
ンサ１がオン状態を感知したことを表す“1"出力を発生
すると、アンド回路317の入力は全て“1"となり、その
出力がインバータ（NOT）回路313で反転するので信号線
200の信号レベルを0V（地気レベル）にすることによ
り、センサ出力のデータを伝送する。 この動作を詳細に説明すると、インバータ313（314も
同様）はオープンコレクタ型出力であり、これがオンす
れば信号線200には0Vに近い出力が発生し、制御ユニッ
ト20から24Vが供給されると（クロック信号が終了する
と）出力は24Vになる。そして、抵抗R1（R2）は信号線2
00に24Vが制御された時にインバータが破壊されるのを
防止する働きをする。 すなわち、信号線200、クロック信号検出回路312、ア
ンド回路317、インバータ313のループがクロック信号ck
を低いレベル（12V）に保持するロック回路となってい
るが、信号線200上に24Vが供給されると抵抗R1のインピ
ーダンスによってロック回路が解除される構成となって
いる。 この信号線200上のレベルの変換出力は第２図（ａ）
の制御ユニット20に送られ、その出力端子には第３図に
OUT（Ｓ・Ｒ）と表示する信号が得られる。但し、Ｒは
受信（RECEIVE）を意味し、Ｓ・Ｒは送信信号と受信信
号とを含むことを表す。 この信号OUT（Ｓ・Ｒ）は制御ユニット20の比較回路2
6に入力され、参照信号レベルV_x/2（12V）と比較され、
その参照レベルより低い0Vが入力されると“1"出力を発
生し、レジスタ22のDATA端子からシフトインする。 次のクロック信号の時間t2には第２図（ｂ）の変換ユ
ニット１（31）ではクロック信号ckによりフリップフロ
ップ回路FF1の出力Ｑの“1"がFF2にシフトされ、その出
力Ｑから“1"が発生し、FF1は“0"が入力（この時、受
光トランジスタPT1はオフ状態）されているのでその出
力Ｑは“0"となる。 フリップフロップ回路FF2の出力Ｑとクロック信号ck
の“1"出力がアンド回路318に入力すると、その時のセ
ンサ２の出力が検出回路DT3（316）で検出されてアンド
回路318に供給されているので、そのセンサ２の出力が
アンド回路318から出力されている。この時検出回路DT3
の出力が“0"であるとアンド回路318の出力は“0"とな
り、インバータ回路314の出力はクロック信号と同じレ
ベルとなり、信号線200の信号レベルは送信されてきた
ものと同一である（第３図のOUT（Ｓ・Ｒ）の時間t2の
波形参照）。 ２番目のクロック信号の時間t2でフリップフロップ回
路FF2の出力Ｑが“1"になった時（この時出力は
“0"）に発光ダイオードPD2が発光し、変換ユニット２
（32）の受光トランジスタPT2が駆動される。しかし、
この時t2のクロック信号が消滅しているので変換ユニッ
ト２（変換ユニット１と同一構成）のフリップフロップ
回路FF1等は動作しない。 そして、次の時間t3のクロック信号を受信するとフリ
ップフロップ回路FF1が動作し、次の時間t4においても
同様に動作が行われ、第３図に示すようにセンサ３、セ
ンサ４の出力（時間t3、t4に対応する出力）“1"、“1"
が信号線200上に得られ、制御ユニット20のレジスタ22
に順次シフトインにより格納される。 変換ユニット２（32）の後にはエンドビットユニット
33が接続され、変換ユニット２（32）の発光ダイオード
PD3からの発光信号を受光トランジスタPT3により検出し
てエンドビット信号を発生する。このエンドビット信号
は端子END1から線路を介して次のスタートビットユニッ
ト２（34）のSTART2端子に入力し、既に説明したスター
トビットユニット１（30）と同様の動作を行い、クロッ
ク信号の時間t5、t6h・・以下の各時間に対応する位置
のセンサ５、センサ６等の出力を伝送する動作を開始さ
せる。 第２図（ｂ）の各ユニット30、31、32、33、34は検出
すべきセンサの数に応じ必要なユニットを縦続接続する
ことにより増設が行われる。 本発明の適用例を第４図に示す。 第４図はロボット等の機器に多数のセンサターミナル
41、42、43・・・を連接して夫々のセンサ群の出力を制
御ユニット40に伝送する場合の適用例を示す。 制御ユニット40は第２図（ａ）の構成に対応し、セン
サ部は第２図（ｂ）のスタートビット（Ｓ・Ｂ）ユニッ
トとセンサ群を含むセンサターミナル及びエンドビット
（Ｅ・Ｂ）ユニットで１単位を構成し、この単位を必要
なだけ縦続接続することにより多数のセンサのデータを
伝送することができる。 さらに、本発明の応用例を第５図に示す。 第５図の50〜52はセンサターミナル、53は制御ユニッ
ト、54、55は出力ターミナルを表す。 機器の状態を表す各センサからの信号はパラレルに各
センサターミナル50〜52に入力され、シリアル信号とし
て制御ユニット53に伝送される。制御ユニット53では入
力インターフェイス531においてシリアルに受信し、こ
れをパラレル信号に変換してシーケンサ532へ入力す
る。 シーケンサ532では入力信号の内容に応じて予めプロ
グラムされたシーケンスの制御出力をパラレル出力イン
ターフェイス533に出力する。インターフェイス533では
これをシリアル信号に変換して各出力ターミナルに出力
する。第５図の場合、センサターミナル50、51からのセ
ンサ出力とセンサターミナル52からのセンサ出力との２
系統のセンサ出力が入力インターフェイス531に伝送さ
れる構成（シフトレジスタを２組使用する）となってお
り、両者を並行に動作させて速度を向上できる。 ［発明の効果］ 本発明によれば多数のセンサを自動制御機器に搭載す
る場合に、センサ部と制御部間の線路の数を大幅に減ら
すことができ、狭小なスペースに搭載可能なセンサ機器
を増大することができ、配線作業を簡易化し、コストを
下げることができる。

【図面の簡単な説明】 第１図は本発明の原理的構成を示す図、第２図（ａ）、
第２図（ｂ）は本発明の実施例の構成を示す図、第３図
は実施例の動作のタイムチャートを示す図、第４図は本
発明の適用例を示す図、第５図は本発明の応用例を示す
図である。 第１図中、 10:制御部 11:センサ部 12:スタートビット部 13:変換部 123:スタート信号検出手段 132:クロック信号抽出手段 133:信号分配手段 138:次段スタート信号発生手段 140、141:センサ１、センサ２

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (56)参考文献 特開 昭64−65375（ＪＰ，Ａ) 特開 昭64−89839（ＪＰ，Ａ) 特開 昭58−132894（ＪＰ，Ａ) 特開 昭56−127294（ＪＰ，Ａ) 特開 昭55−147796（ＪＰ，Ａ) 特開 昭56−161737（ＪＰ，Ａ) 実開 昭59−142888（ＪＰ，Ｕ)

Claims (1)

1. (57)【特許請求の範囲】 １．制御部と前記制御部から離れた位置に設けられた電
   源を備えないセンサを備えた複数のセンサ部のセンサ信
   号を直列に伝送するための並列のセンサ信号の直列伝送
   方式において， 制御部と複数の各センサ部とは共通の直列信号線路と地
   気レベル信号を伝送する信号線路とで接続され，制御部
   と先頭のセンサ部との間及び先頭のセンサ部以降の各セ
   ンサ部の間をスタート信号線路で接続され， 前記制御部は，クロック信号を生成する手段と，前記ス
   タート信号線路に出力されるスタート信号と，前記複数
   のセンサ部の各センサにそれぞれ割り当てられた各タイ
   ミングのクロック信号に同期して電源電圧の中間の電圧
   （V_x/2）を発生し，クロック信号と次のクロック信号の
   間隔の期間は電源電圧（V_x）となる直列信号を発生して
   前記直列信号線路に出力するタイミング信号変換手段を
   備え， 前記センサ部は，前記直列信号線からセンサ部の電源を
   生成する電源生成手段と，スタート信号を検出するため
   のスタート信号検出手段と，直列信号線上の信号からク
   ロックパルスを抽出するためのクロック抽出手段と，前
   記スタート信号検出手段により検出されたスタート信号
   に応答して前記抽出されたクロック信号をそれぞれ対応
   するセンサに分配する信号分配手段と，前記分配手段の
   出力が発生するタイミングにより駆動され対応する位置
   に設けられたセンサの状態に応じて前記電源電圧の中間
   の電圧（V_x/2）を変えないか，または地気電圧の何れか
   に変換する信号変調手段と，前記信号分配手段の出力に
   より駆動されて次段センサ部へスタート信号を供給する
   次段スタート信号発生手段とを備え， 前記制御部では前記直列信号の各クロック信号位置の入
   力信号レベルを抽出するデータ抽出変換手段により各セ
   ンサの状態を識別することを特徴とする並列のセンサ信
   号の直列伝送方式。