JP7307585B2

JP7307585B2 - 時刻同期計測システム

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Publication number: JP7307585B2
Application number: JP2019086350A
Authority: JP
Inventors: 雄黒沢; 康貴中島; 敏弘植田
Original assignee: Rion Co Ltd
Current assignee: Rion Co Ltd
Priority date: 2019-04-26
Filing date: 2019-04-26
Publication date: 2023-07-12
Anticipated expiration: 2039-04-26
Also published as: JP2020182198A

Description

本発明は、通信ネットワークを介して相互接続された１つのマスター機と複数のスレーブ機とにより計測対象の多点を同一タイミングで計測する時刻同期計測システムに関するものである。

従来から、通信ネットワークを介して多数のノードが接続され、各ノード間で時刻同期を保ちつつ所定の処理を実行する時刻同期システムが知られている。時刻同期システムにおける時刻同期の方法として、有線で行うもの、無線で行うもの、有線と無線を組み合わせたものがある。例えば、ＧＰＳの無線信号を用いた時刻同期システムが提案されている（特許文献１参照）。また例えば、無線ＬＡＮを介してマスター機とスレーブ機との間で、タイムスタンプを用いた正確な時刻同期を行う時刻同期システムが提案されている（特許文献２参照）。なお、時刻同期システムに関連して、ＩＥＥＥ１５８８にも規定されている。

特開平１１－１９１９１９号公報特許第５２４３７８６号公報

一般に、上記従来の時刻同期の方法を適用し、基準時刻を生成するマスター機と基準時刻に同期する時刻を用いる複数のスレーブ機とからなる時刻同期計測システムを構築する場合、音や振動などが高速に伝搬する状況を測定するには、複数の計測箇所のそれぞれにセンサを設置する形態が想定される。この場合、それぞれのセンサに接続されるＡＤ変換器を設け、それぞれのＡＤ変換器を高精度にタイミングを合わせてサンプリングを開始する必要がある。しかし、従来の時刻同期の方法によれば、マスター機と複数のスレーブ機との間で時刻同期を保ったとしても、ＡＤ変換器のサンプリング開始を高精度に同期させることは困難であった。

上記課題を解決するために、本発明は、１つのマスター機（１０）と少なくとも１つのスレーブ機（１１）とが通信ネットワーク（ＮＷ）を介して相互接続された時刻同期計測システムにおいて、前記マスター機は、基準クロック（Ｃ０）に基づく基準時刻（Ｔ０）を生成する基準時刻生成部（２０、２１）と、前記基準時刻を含む情報を前記スレーブ機に送信する第１の通信部と（３０）とを備え、前記スレーブ機は、前記マスター機から前記基準時刻を含む情報を受信する第２の通信部（５２）と、内部クロック（Ｃ１）に基づき生成された内部時刻（Ｔ１）と前記基準時刻との間の誤差（Ｅ）に基づき前記内部クロックの周波数を制御することで、前記スレーブ機を前記マスター機に時刻同期させる時刻同期部（４０、４１、４２）と、所定の物理量を計測してアナログ信号を抽出するセンサ部（５１）と、前記アナログ信号をサンプリングしてディジタル信号に変換するＡＤ変換部（４７）と、前記内部クロックに基づき、前記ＡＤ変換部で用いるサンプリングクロック（ＳＣ１）を生成するサンプリングクロック生成部（４６）と、前記サンプリングクロック生成部の動作を初期化するリセット信号（Ｒ１）を生成するリセット信号生成部（４６）と、前記通信ネットワークに接続された制御装置（１３）と、を備え、前記制御装置は、前記時刻同期部により前記スレーブ機が前記マスター機と時刻同期状態にある場合、前記スレーブ機と前記マスター機とにサンプリング開始時刻を設定し、前記リセット信号生成部は、前記サンプリング開始時刻が到来したタイミングで前記サンプリングクロック生成部に前記リセット信号を供給することを特徴としている。

本発明によれば、マスター機とスレーブ機が時刻同期状態のとき、予め定めたサンプリング開始時刻が到来するとリセット信号のタイミングでＡＤ変換部のサンプリングが開始される。このとき、全てのスレーブ機のサンプリング動作は基準時刻で規定されるためナノ秒オーダーで同一のタイミングとなる。従って、高速に伝搬する音や振動などを計測する場合、高い精度で時刻同期しつつ多点に設置したセンサを用いて高精度に計測を行うことが可能となる。

本発明のマスター機は、スレーブ機と同様、センサ部と、ＡＤ変換部と、基準クロックに基づきマスター機のＡＤ変換部で用いるサンプリングクロックを生成するマスター機側サンプリングクロック生成部と、マスター機側サンプリングクロック生成部の動作を初期化するリセット信号を生成するマスター機側リセット信号生成部とを設けて構成することができる。この場合、マスター機のリセット信号は、スレーブ機と同様、マスター機とスレーブ機が時刻同期状態にある場合、サンプリング開始時刻が到来したタイミングでマスター機側サンプリングクロック生成部に供給することができる。これにより、例えば、１つのマスター機とＮ個のスレーブ機とを用いて、多数のセンサ部を多点に設置して計測を行うことができる。マスター機が測定機能を持つ場合はＮは１以上、持たない場合はＮは２以上である。Ｎの最大値はネットワーク環境に依存する。

本発明において、前記制御装置は、マスター機と複数のスレーブ機の全てが時刻同期状態にあるとき、サンプリング開始時刻をマスター機及び複数のスレーブ機の全てに設定することができる。このような制御装置としては、例えば、時刻制御に関わるプログラムを実行可能なパーソナルコンピュータを用いることができる。

スレーブ機の時刻同期部は、内部時刻と基準時刻との誤差を算出して誤差信号として出力する誤差検出部と、制御電圧に応じて発振周波数が制御され内部クロックを出力する電圧制御発振器と、誤差信号に基づき制御電圧を制御するＰＩ制御部と含めて構成することができる。この場合、制御電圧の制御に際し、ＰＩ制御部が介在しない直接制御モードと、ＰＩ制御部によるＰＩ制御モードの順に切り替えてもよい。また、ＰＩ制御モードにおいては、誤差信号の大きさに応じて、時刻同期の状態が異なる複数段階のパラメータ群を選択的に設定可能としてもよい。以上のように、スレーブ機の時刻同期部では、同期状態や環境条件等に応じて、きめ細かく制御手法やパラメータを調整することができる。

本発明のＡＤ変換部としては、デルタシグマ変調技術を利用したデルタシグマ型ＡＤ変換器を用いることができる。これにより、十分に小さいジッタが要求されるデルタシグマ型ＡＤ変換器のＭＣＬＫ（マスタークロック）に、本発明のサンプリングクロックを供給し、安定化を図ることができる。この場合、複数のスレーブ機のそれぞれは、ＡＤ変換部から出力されたディジタル信号をダウンサンプリングするダウンサンプリング部を更に設け、スレーブ機のリセット信号を、サンプリング開始時刻が到来したタイミングで、サンプリングクロック生成部に加えて、ダウンサンプリング部に供給してもよい。また、サンプリング開始時刻から所定の時間範囲内で、ダウンサンプリング部から出力されるディジタル信号からなる波形データを保持する波形記憶部を更に設けてもよい。

本発明において、通信ネットワークを無線ネットワークとし、第１の通信部及び第２の通信部のそれぞれを、無線ネットワークを介してデータを送受信する無線部とすることができる。この場合において、無線ネットワークは、所定の規格に準拠した無線ＬＡＮとし、マスター機及び複数のスレーブ機との間で、無線ＬＡＮのアクセスポイントを介して送受信を行う構成を採用してもよい。

本発明によれば、マスター機と複数のスレーブ機との間の高精度の時刻同期を実現しつつ、それぞれのセンサ部で用いるＡＤ変換部のサンプリングの開始タイミングを高精度に一致させることができ、多数の計測箇所で音や振動などを同時に計測する用途に適した時刻同期計測システムを実現することができる。

本実施形態の時刻同期計測システムの概略の構成を示すブロック図である。マスター機１０の構成を示す図である。スレーブ機１１の構成を示す図である。ＰＩ制御部４１の具体的な構成例を示す図である。本実施形態の時刻同期計測システムにおいて、マスター機１０及びスレーブ機１１の時刻同期に関連する動作の流れを示すフローチャートである。

以下、本発明の好適な実施形態について、図面を参照しながら説明する。ただし、以下に述べる実施形態は本発明の技術思想を適用した形態の一例であって、本発明が本実施形態の内容により限定されることはない。本実施形態では、計測対象物における音や振動等の物理量を計測するための時刻同期計測システムに対して、本発明を適用する場合を説明する。

図１は、本実施形態の時刻同期計測システム（以下、単に「計測システム」という）の概略の構成を示すブロック図である。図１に示すように、本実施形態の計測システムは、通信ネットワークＮＷを介して相互接続され、１つのマスター機１０と、Ｎ個のスレーブ機１１（１）～１１（Ｎ）と、１つのアクセスポイント１２と、１つの制御装置１３とを含んで構成される。なお、以下では、Ｎ個のスレーブ機１１（１）～１１（Ｎ）のそれぞれを区別せず、単にスレーブ機１１と表記する。

図１において、通信ネットワークＮＷは、例えば、所定の規格に準拠した無線ＬＡＮであり、この場合においてアクセスポイント１２は、無線ＬＡＮアクセスポイントとして機能し、それぞれのマスター機１０、スレーブ機１１、制御装置１３の間のデータ送受信を中継する役割がある。また、制御装置１３は、例えば、一般的なパーソナルコンピュータであり、後述の時刻制御を行う際に実行すべきプログラムを記憶保存している。１つのマスター機１０及びＮ個のスレーブ機１１のそれぞれは、計測対象物の各部に設置され、時刻同期した共通のタイミングで音や振動等の物理量を計測する役割がある。高精度に時刻同期した状態で計測することで、物理量の伝搬の様子を高精度に計測することができるため、より精細な構造解析や異常診断をすることができる。

ここで、図２及び図３を参照して、図１の計測システムのうち主にマスター機１０及びスレーブ機１１の構成及び動作について具体的に説明する。なお、図３では、１つのスレーブ機１１のみを示しているが、それ以外のＮ－１個のスレーブ機１１についても構成は共通であるため省略する。

図２に示すように、マスター機１０は、水晶発振器２０と、時計部２１と、タイムスタンパ２２と、サンプリングクロック生成部２３と、リセット信号生成部２４と、ＡＤ変換部２５と、ＡＡＦ（Anti-Aliasing Filter）部２６と、ダウンサンプリング部２７と、波形記憶部２８と、センサ部２９と、無線部３０とを備えて構成される。なお、図２には示されないが、マスター機１０は、動作を制御するための制御部を備えている。

マスター機１０において、水晶発振器２０は、水晶振動子を用いた発振回路であり、タイミング基準となる所定の発振周波数を有する基準クロックＣ０を生成する。時計部２１は、マスター機１０の計時手段として機能し、水晶発振器２０から出力される基準クロックＣ０をカウントし、そのカウント値を基準時刻Ｔ０として出力する。基準時刻Ｔ０は、絶対時刻ではなく、例えば、マスター機１０の電源投入後に０から開始し、１、２、３のように１つずつ増加させることができる。図２において、水晶発振器２０及び時計部２１は、マスター機１０における基準時刻生成部として機能する。

本実施形態では、基準時刻Ｔ０が全てのスレーブ機１１の時刻同期の基準となるが、詳しくは後述する。時計部２１による基準時刻Ｔ０は、例えば１ナノ秒刻みであり、その精度は水晶発振器２０の発振周波数に依存する。水晶発振器２０の１クロック毎に、基準時刻Ｔ０は所定のナノ秒分カウントアップされる。

タイムスタンパ２２は、アクセスポイント１２から無線部３０を介して受信されるビーコンを認識し、その時点で時計部２１から入力される基準時刻Ｔ０を含むタイムスタンプＴＳ０を生成する。アクセスポイント１２により定期的に送信されるビーコンには、識別子としてのＴＳＦ（Timing Synchronization Function）値が付加されており、同一のＴＳＦ値を有するビーコンはマスター機１０及びスレーブ機１１の両方で受信される。タイムスタンパ２２では、受信したＴＳＦ値付きのビーコンと、その時点の基準時刻Ｔ０とがペアにされ、リスト化される。また、タイムスタンパ２２により生成されたタイムスタンプＴＳ０は、無線部３０からアクセスポイント１２を経由してスレーブ機１１に送信されるが、その際の動作については後述する。

サンプリングクロック生成部２３は、水晶発振器２０から出力される基準クロックＣ０を分周し、ＡＤ変換部２５の動作に用いるサンプリングクロックＳＣ０を生成する。例えば、基準クロックＣ０の周波数が前述の５０ＭＨｚであって、サンプリングクロック生成部２３が基準クロックＣ０を８分周する場合、サンプリングクロックＳＣ０の周波数は６．２５ＭＨｚとなる。なお、実際のサンプリングクロックＳＣ０の周波数は後述のＡＤ変換部２５の仕様に応じて適切に決定される。

リセット信号生成部２４は、制御装置１３により設定される後述のサンプリング開始時刻が到来すると、サンプリングクロック生成部２３及びダウンサンプリング部２７のそれぞれの動作を初期化するためのリセット信号Ｒ０を生成する。すなわち、リセット信号生成部２４は、時計部２１から出力される基準時刻Ｔ０が、設定済みのサンプリング開始時刻に一致したタイミングで、リセット信号Ｒ０を出力する。初期化によって、リセット信号Ｒ０に一致するサンプリング開始時刻を起点として、他のスレーブ機１１とナノ秒オーダーで位相を合わせて同じタイミングで、サンプリングクロック生成部２３及びダウンサンプリング部２７のそれぞれの動作が開始される。また、サンプリング開始時刻は、サンプリングクロック生成部２３用の第１サンプリング開始時刻とダウンサンプリング部２７用の第２サンプリング開始時刻として別々に設定してもよい。その場合、第１サンプリング開始時刻と第２サンプリング開始時刻は、同じでもよいし、第１サンプリング開始時刻の所定時間後に第２サンプリング開始時刻を設定してもよい。

ＡＤ変換部２５は、サンプリングクロック生成部２３により生成されるサンプリングクロックＳＣ０を用いて、センサ部２９から出力されるアナログ信号をディジタル信号に変換する。ＡＤ変換部２５としては、いわゆるデルタシグマ変調技術を利用してアナログ信号をディジタル信号に変換するデルタシグマ型ＡＤ変換器を用いることができる。前述のサンプリングクロックＳＣ０がＭＣＬＫ（マスタークロック）として供給される場合には、高度な安定性を有してジッタが極めて小さいＭＣＬＫを用いることが要求される。

ＡＡＦ部２６は、ＡＤ変換部２５から出力されるディジタル信号に対し、サンプリング時に発生するエイリアシング（折り返し雑音）を除去するフィルタである。また、ダウンサンプリング部２７は、ＡＡＦ部２６から出力されるディジタル信号に対し、サンプリングクロックＳＣ０よりも低い周波数を用いてサンプリングすることで、ディジタル信号の間引きを行う。よって、ダウンサンプリング部２７からは、サンプリングクロックＳＣ０よりも低い周波数のデータレートでディジタル信号が出力される。なお、前述したようにダウンサンプリング部２７の動作は、前述のリセット信号Ｒ０に応じて開始される。従って、ナノ秒オーダーで開始タイミングを同期させることができる。

波形記憶部２８は、サンプリング開始時刻から所定の時間範囲内で、ダウンサンプリング部２７から出力されるディジタル信号からなる波形データを保持する記憶手段である。波形記憶部２８に保持される波形データは、前述の時間範囲内におけるセンサ部２９のアナログ信号の波形パターンに対応している。なお、波形記憶部２８としては、マスター機１０の内部記憶装置を用いてもよいが、マスター機１０に直接又は無線ネットワークを介して接続可能な外部記憶装置を用いてもよい。

センサ部２９は、計測対象物に取り付けられ、所定の物理量を検知するセンサである。本実施形態の計測システムでは、測定対象物の常時監視ではなく、測定対象物の多数の計測箇所から伝達速度の速い物理量を同一タイミングで計測することを目的としている。よって、センサ部２９としては、例えば、建造物の各部の振動や所定空間の各位置の音などを計測するための加速度センサやマイクロホンなどを挙げることができる。

無線部３０（本発明の第１の通信部）は、ネットワークＮＷ内で無線によるデータの送受信を行うモジュールである。既に説明したように、無線部３０は、アクセスポイント１２を介して、全てのスレーブ機１１にタイムスタンプＴＳ０を送信するとともに、制御装置１３から制御信号（サンプリング開始時刻を含む）を受信する。

次に図３に示すように、スレーブ機１１は、誤差検出部４０と、ＰＩ制御部４１と、本発明の電圧制御発振器であるＶＣ－ＴＣＸＯ（Voltage-Controlled Temperature Compensated Crystal Oscillator）４２と、時計部４３と、タイムスタンパ４４と、サンプリングクロック生成部４５と、リセット信号生成部４６と、ＡＤ変換部４７と、ＡＡＦ部４８と、ダウンサンプリング部４９と、波形記憶部５０と、センサ部５１と、無線部５２とを備えて構成される。なお、図３には示されないが、マスター機１０と同様、スレーブ機１１は、動作を制御するための制御部を備えている。

スレーブ機１１において、誤差検出部４０は、マスター機１０のタイムスタンパ２２で生成された前述のタイムスタンプＴＳ０を、アクセスポイント１２及び無線部５２を介して入力するとともに、スレーブ機１１のタイムスタンパ４４で生成された後述のタイムスタンプＴＳ１を入力し、基準時刻Ｔ０と後述の内部時刻Ｔ１との間の誤差を示す誤差信号Ｅを検出する。具体的には、誤差検出部４０において、タイムスタンプＴＳ０とタイムスタンプＴＳ１の同一ＴＳＦ値におけるマスター機１０の基準時刻Ｔ０からスレーブ機１１の内部時刻Ｔ１を減じることで、誤差信号Ｅ（＝Ｔ０－Ｔ１）を算出する。

ＰＩ制御部４１は、誤差検出部４０から出力される誤差信号Ｅに基づいて、後述のＶＣ－ＴＣＸＯ４２に供給される制御電圧Ｖｃを制御する。本実施形態では、時刻の調整に際し、スレーブ機１１の同期状態に応じて、ＰＩ制御部４１が介在しない直接制御モードと、ＰＩ制御部４１によるＰＩ制御モードの切り替えが可能である。このうち、直接制御モードは、動作初期の誤差信号Ｅが大きいとき（例えば、１秒相当）、内部時刻Ｔ０に強制的に時間差分を加減算する手法である。一方、誤差信号Ｅが比較的小さいときは、ＰＩ制御部４１の動作によるＰＩ制御モードに移行する。

ここで、図４には、ＰＩ制御部４１の具体的な構成例を示している。図４に示すＰＩ制御部４１は、誤差信号ＥにＰゲインを乗じる乗算器６０と、誤算信号Ｅを積分する積分器６１と、積分器６１の出力にＩゲインを乗じる乗算器６２と、２つの乗算器６０、６２の出力を加算する加算器６３と、加算器６３の出力レベルを制限するリミッタ６４を含んで構成される。リミッタ６４の出力は、そのまま制御電圧ＶｃとしてＶＣ－ＴＣＸＯ４２に供給される。

図４のＰＩ制御部４１により、スレーブ機１１の全体の構成のうち、ＶＣ－ＴＣＸＯ４２の発振周波数を制御対象とするフィードバック制御が実現できる。また、最終段にリミッタ６４を設け、加算器６３の出力レベルの上限と下限を制限することで、同期状態から外れた場合であっても制御電圧Ｖｃを適切な範囲内に制限でき、ＶＣ－ＴＣＸＯ４２から出力される内部クロックＣ１を適切な周波数範囲に安定化させることができる。従って、ＡＤ変換部２５に供給されるサンプリングクロックＳＣ０は、同期状態から外れた場合であっても適切な範囲内に制限されるため、ＡＤ変換部２５にデルタシグマ型ＡＤ変換器を用いても稼動し続けることができる。図４におけるＰゲイン及びＩゲインについては、スレーブ機１１の時刻同期の状態に応じて変更することができる。なお、図４は例示であって、ＰＩ制御部４１は、同様のフィードバック制御を実現可能な多様な制御回路で置き換えることができる。

図３に戻って、ＶＣ－ＴＣＸＯ４２は、ＰＩ制御部４１から供給される制御電圧Ｖｃに応じた発振周波数に制御可能な温度補償型の水晶発振器であり、内部クロックＣ１を生成する。内部クロックＣ１の周波数により、時計部４３の時刻の進み具合を速くしたり遅くしたりする。この内部クロックＣ１は、誤差信号Ｅが許容範囲内となるような状態においては、マスター機１０の基準クロックＣ０との位相のズレが許容範囲内になる。

時計部４３及びタイムスタンパ４４のそれぞれの機能は、マスター機１０の時計部２１及びタイムスタンパ２２と概ね共通であるため、具体的な説明は省略する。なお、図３に示すように、時計部４３は、内部クロックＣ１に基づく内部時刻Ｔ１を出力し、タイムスタンパ４４は、内部時刻Ｔ１を含むタイムスタンプＴＳ１を出力する。内部時刻Ｔ１は、基準時刻Ｔ０と同様、例えば、スレーブ機１１の電源投入後に０から開始し、１、２、３のように１つずつ増加させることができる。この場合、マスター機１０とスレーブ機１１の間で時刻同期がなされると、内部時刻Ｔ１が基準時刻Ｔ０に一致する状態となる。なお、タイムスタンパ４４には、マスター機１０のタイムスタンパ２２と同様、アクセスポイント１２及び無線部５２を介して前述のビーコンが受信される。図３において、誤差検出部４０と、ＰＩ制御部４１と、ＶＣ－ＴＣＸＯ４２と、時計部４３は、スレーブ機１１における時刻同期部として機能する。

また、サンプリングクロック生成部４５、リセット信号生成部４６、ＡＤ変換部４７、ＡＡＦ部４８、ダウンサンプリング部４９、波形記憶部５０、センサ部５１、無線部５２（本発明の第２の通信部）についても、それぞれマスター機１０のサンプリングクロック生成部２３、リセット信号生成部２４、ＡＤ変換部２５、ＡＡＦ部２６、ダウンサンプリング部２７、波形記憶部２８、センサ部２９、無線部３０と共通の機能を有するため、説明を省略する。なお、図３に示すように、サンプリングクロック生成部４５は、内部クロックＣ１に基づくサンプリングクロックＳＣ１を出力し、リセット信号生成部４６は、リセット信号Ｒ１を出力する。サンプリングクロックＳＣ１及びリセット信号Ｒ１は、マスター機１０とスレーブ機１１が時刻同期された状態であれば、マスター機１０のサンプリングクロックＳＣ０及びリセット信号Ｒ０と同様に変化する。

なお、本実施形態においては、マスター機１０がセンサ部２９とその関連の構成要素を具備するが、センサ部２９等を具備しないマスター機１０を用いてもよい。具体的には、マスター機１０に、水晶発振器２０、時計部２１、タイムスタンパ２２、無線部３０のみを設け、他の構成要素を設けない構成を採用してもよい。この場合、マスター機１０は、センサ部２９を用いた計測手段としては機能せず、基準時刻生成機能のみを有する。また、マスター機１０が制御装置１３と一体的に組み込まれた構成を採用してもよい。

また、図２及び図３において、ＡＡＦ部２６、４８及びダウンサンプリング部２７、４９を設けない構成を採用してもよい。例えば、ＡＤ変換部２５、４７が十分に低周波数領域をカバーしていれば、ディジタル信号に対するダウンサンプリングは省くことができる。また、図１の通信ネットワークＮＷは、無線ＬＡＮには限らず、異なる無線方式であってもよく、この場合にタイムスタンパ２２、４４を設けない構成としてもよい。また、通信ネットワークＮＷとしては、有線ネットワーク、あるいは有線と無線を組み合せたネットワークを採用してもよい。この場合、無線部３０、５２は、ネットワークＮＷの通信方式に適合した無線部あるいは通信部に置き換えればよい。

以下、図５を参照しつつ、本実施形態の計測システムにおいて、図２のマスター機１０及び図３のスレーブ機１１の時刻同期の動作を説明する。図５は、主にマスター機１０及びスレーブ機器１１の時刻同期に関連する流れを示すフローチャートである。以下の説明において、スレーブ機１１の動作はＮ個のスレーブ機１１の全てに共通である。まず、図５に示すように、マスター機１０及びスレーブ機１１を電源投入などにより、それぞれ起動する（ステップＳ１０、Ｓ２０）。続いて、マスター機１０の無線部３０とスレーブ機１１の無線部５２が動作し、マスター機１０及びスレーブ機１１を含むネットワークＮＷ内での無線ＬＡＮ接続が確立する（ステップＳ１１、Ｓ２１）。

次いで、マスター機１０からスレーブ機１１へのタイムスタンプＴＳ０の送信が開始され（ステップＳ１２）、同時にスレーブ機１１の誤差検出部４０による誤差信号Ｅの検出が開始される（ステップＳ２２）。スレーブ機１１において、ステップＳ２２の直後には、マスター機１０と非同期状態にあって誤差信号Ｅが大きい値であるため、前述の直接制御モードによりＶＣ－ＴＣＸＯ４２の制御電圧Ｖｃが制御される。直接制御モードにより、スレーブ機１１では低い精度の時刻同期状態となるが、誤差信号Ｅが許容範囲になると、前述の直接制御モードから、ＰＩ制御部４１によるＰＩ制御モードに切り替える（ステップＳ２２ａ）。なお、ステップＳ２２ａの切り替えに際しては、誤差信号Ｅの値に加えて、無線通信の状態やＰＩ制御部４１の出力状態などが考慮される。

次いで、ステップＳ１２、Ｓ２２から一定の時間の経過後に、誤差信号Ｅが十分に小さい値になり、マスター機１０とスレーブ機１１とが高精度の時刻同期状態に移行する（ステップＳ１３、Ｓ２３）。この時点では、マスター機１０の基準クロックＣ０とスレーブ機１１の内部クロックＣ１の位相が同期しつつ、マスター機１０の基準時刻Ｔ０とスレーブ機１１の内部時刻Ｔ１が互いにナノ秒オーダーで一致した状態にある。なお、Ｎ個のスレーブ機１１がそれぞれ高精度の時刻同期状態に移行し、所定時間だけ高精度の時刻同期状態が維持された場合、時刻同期が安定した状態であると判断し、通知信号を制御装置１３に送信する。

次いで、制御装置１３は、全てのスレーブ機１１からこの通知信号を受信したら、マスター機１０及びスレーブ機１１に対して前述のサンプリング開始時刻を設定する（ステップＳ３０）。計測現場の状況により、全てのスレーブ機１１が時刻同期状態となることが困難であるときは、一部のスレーブ機１１からの通知信号の受信により、サンプリング開始時刻を設定してもよい。このとき、マスター機１０とスレーブ機１１との間では、高精度の時刻同期状態が維持されている。その後、マスター機１０及びスレーブ機１１において、サンプリング開始時時刻が到来するまで待ち続ける（ステップＳ１４、Ｓ２４）

その後、マスター機１０及びスレーブ機１１において、サンプリング開始時刻が到来すると（ステップＳ１４：ＹＥＳ、Ｓ２４：ＹＥＳ）、それぞれのリセット信号生成部２４、４６からリセット信号Ｒ０、Ｒ１が出力される（ステップＳ１５、Ｓ２５）。これにより、マスター機１０及びスレーブ機１１のそれぞれのサンプリングクロック生成部２３、４５及びダウンサンプリング部２７、４９が同じタイミングで初期化される。そして、マスター機１０及びスレーブ機１１では、ステップＳ１５、Ｓ２５から所定時間（予め設定されたサンプリング数）が経過するまでサンプリング動作を継続する（ステップＳ１６、Ｓ２６）。その後、サンプリング動作を終了し、その間の波形データがマスター機１０及びスレーブ機１１の波形記憶部２８、５０に保持され、図５の一連の動作が完了する。

ここで、スレーブ機１１によるステップＳ２２ａのＰＩ制御モードについて具体的に説明する。図４を用いて説明したように、ＰＩ制御部４１におけるＰゲインとＩゲインに応じて、ＶＣ－ＴＣＸＯ４２に供給される制御電圧Ｖｃの変化の仕方が異なる。よって、予めＰゲインとＩゲインの異なる組合せからなる複数段階のパラメータ群を設定し、ＰＩ制御モード時の所望のパラメータを選択的に設定可能とすることが望ましい。この場合、ＰＩ制御部４１による制御電圧Ｖｃの応答速度は、ＰゲインとＩゲインに応じて異なるので、応答速度が異なる複数段階のパラメータ群を設定し、所望の応答速度に応じてパラメータ群を切り替え可能にしてもよい。

例えば、ＰＩ制御モードにおいて、制御電圧Ｖｃの応答速度が最も遅いパラメータを第１段階とし、第２段階から第３段階の順に応答速度が早くなり、応答速度が最も早いパラメータを第４段階として設定することができる。このようにＰＩ制御モードにおいて、誤差信号Ｅが大きいときは第１段階のパラメータを使い、誤差信号Ｅが十分に小さいときは第４段階のパラメータを使う。最初は、第２段階か第３段階のパラメータを設定しておくと効率がよい。

以上説明したように、本実施形態の計測システムにより、マスター機１０と複数のスレーブ機１１との間で高精度な時刻同期を実現しつつ、リセット信号Ｒ０、Ｒ１によるＡＤ変換部２５、４７のサンプリング動作を同一タイミングで開始することができる。この場合、従来の時刻同期の手法では、時刻同期の状態になったとしても、それぞれのサンプリングクロックがずれる可能性が排除できないのに対し、本実施形態ではマスター機１０と各スレーブ機１１との間で、基準時刻Ｔ０と内部時刻Ｔ１が同期し、かつ基準クロックＣ０の位相と内部クロックＣ１の位相が同期しているので、リセット信号Ｒ０、Ｒ１に基づくサンプリング開始時刻を確実に一致させることができる。

本実施形態のＡＤ変換部２５、４７には、デルタシグマ型ＡＤ変換器を用いている。一般に計測分野において用いられるＡＤ変換器であるが、ＡＤ変換器のマスタークロック（本実施形態のサンプリングクロックＳＣ０、ＳＣ１）にジッタが生じると、誤動作や動作停止により、サンプリングが停止する場合がある。計測の現場においては、一度始めた計測は、たとえ非同期状態となったとしても、最後までデータを取り続けたいという要望がある。そこで、本実施形態においては、通信障害等により一部のスレーブ機１１が時刻同期状態から非時刻同期状態となったとしても、ＰＩ制御部４１のリミッタ６４により制御電圧Ｖｃを適切な範囲内に維持できるようにした。このため、ＶＣ－ＴＣＸＯ４２から出力される内部クロックＣ１の周波数を適切な範囲内に維持できるので、内部クロックＣ１に基づき生成されるサンプリングクロックＳＣ１にジッタが生じることを避けることができ、デルタシグマ型ＡＤ変換器を用いたＡＤ変換部２５、４７の動作状態を維持し、所定の測定時間が終了するまでサンプリングを続けることができる。

本実施形態の計測システムにおいては、図１～図５に示した構成及び動作には限られず、多様な変形例を想定することできる。例えば、図２及び図３の構成のうち、マスター機１０及びスレーブ機１１のＡＡＦ部２６、４８をそれぞれ実効値処理部に置き換える構成を採用してもよい。この場合、実効値処理部は、ＡＤ変換部２５、４７にて得られたディジタル信号の実効値を算出して出力し、波形記憶部２８、５０では、波形データに代え、センサ出力レベル（実効値）を保持すればよい。

１０…マスター機
１１…スレーブ機
１２…アクセスポイント
１３…制御装置
２０…水晶発振器
２１、４３…時計部
２２、４４…タイムスタンパ
２３、４５…サンプリングクロック生成部
２４、４６…リセット信号生成部
２５、４７…ＡＤ変換部
２６、４８…ＡＡＦ部
２７、４９…ダウンサンプリング部
２８、５０…波形記憶部
２９、５１…センサ部
３０、５２…無線部
４０…誤差検出部
４１…ＰＩ制御部
４２…ＶＣ－ＴＣＸＯ
６０、６２…乗算器
６１…積分器
６３…加算器
６４…リミッタ
ＮＷ…通信ネットワーク

Claims

１つのマスター機と少なくとも１つのスレーブ機とが通信ネットワークを介して相互接続された時刻同期計測システムにおいて、
前記マスター機は、
基準クロックに基づく基準時刻を生成する基準時刻生成部と、
前記基準時刻を含む情報を前記スレーブ機に送信する第１の通信部と、
を備え、
前記スレーブ機は、
前記マスター機から前記基準時刻を含む情報を受信する第２の通信部と、
内部クロックに基づき生成された内部時刻と前記基準時刻との間の誤差に基づき前記内部クロックの周波数を制御することで、前記スレーブ機を前記マスター機に時刻同期させる時刻同期部と、
所定の物理量を計測してアナログ信号を抽出するセンサ部と、
前記アナログ信号をサンプリングしてディジタル信号に変換するＡＤ変換部と、
前記内部クロックに基づき、前記ＡＤ変換部で用いるサンプリングクロックを生成するサンプリングクロック生成部と、
前記サンプリングクロック生成部の動作を初期化するリセット信号を生成するリセット信号生成部と、
前記通信ネットワークに接続された制御装置と、
を備え、
前記制御装置は、前記時刻同期部により前記スレーブ機が前記マスター機と時刻同期状態にある場合、前記スレーブ機と前記マスター機とにサンプリング開始時刻を設定し、
前記リセット信号生成部は、前記サンプリング開始時刻が到来したタイミングで前記サンプリングクロック生成部に前記リセット信号を供給することを特徴とする時刻同期計測システム。
前記マスター機は、更に、
前記センサ部と、
前記ＡＤ変換部と、
前記基準クロックに基づき、前記マスター機の前記ＡＤ変換部で用いるサンプリングクロックを生成するマスター機側サンプリングクロック生成部と、
前記マスター機側サンプリングクロック生成部の動作を初期化するリセット信号を生成するマスター機側リセット信号生成部と、
を備え、
前記マスター機の前記リセット信号は、前記マスター機と前記スレーブ機が前記時刻同期状態にある場合、前記サンプリング開始時刻が到来したタイミングで前記マスター機側サンプリングクロック生成部に供給されることを特徴とする請求項１に記載の時刻同期計測システム。
複数の前記スレーブ機を備え、
前記制御装置は、前記マスター機と前記複数の前記スレーブ機の全てが時刻同期状態にあるとき、前記サンプリング開始時刻を前記マスター機及び前記複数の前記スレーブ機の全てに設定することを特徴とする請求項１又は２に記載に時刻同期計測システム。
前記ＡＤ変換部は、前記サンプリングクロックをマスタークロックに用いるデルタシグマ型ＡＤ変換器であり、
前記時刻同期は、
前記内部時刻と前記基準時刻との前記誤差に基づく制御電圧により前記内部クロックの周波数を増減させて出力する電圧制御発振器と、
前記制御電圧の最大値を制限するリミッタを有し、
前記サンプリング開始時刻から所定の時間範囲において、前記スレーブ機が時刻同期状態から外れた状態になっても、前記サンプリングクロックの周波数は所定範囲内に維持され、前記デルタシグマ型ＡＤ変換器はサンプリングを継続することを特徴とする請求項３に記載の時刻同期計測システム。
前記スレーブ機は、前記ディジタル信号をダウンサンプリングするダウンサンプリング部を更に備え、
前記スレーブ機の前記リセット信号は、前記サンプリング開始時刻が到来したタイミングで、前記サンプリングクロック生成部に加えて、前記ダウンサンプリング部に供給されることを特徴とする請求項４に記載の時刻同期計測システム。
前記サンプリング開始時刻から所定の時間範囲内で、前記ダウンサンプリング部から出力されるディジタル信号からなる波形データを保持する波形記憶部を更に備えることを特徴とする請求項５に記載の時刻同期計測システム。
前記通信ネットワークは無線ネットワークであり、
前記第１の通信部及び前記第２の通信部のそれぞれは、前記無線ネットワークを介してデータを送受信する無線部であり、
前記無線ネットワークは、所定の規格に準拠した無線ＬＡＮであり、前記マスター機及び前記スレーブ機との間で、前記無線ＬＡＮのアクセスポイントを介して送受信が行われることを特徴とする請求項１から６のいずれか１項に記載の時刻同期計測システム。