AT519267A1 - Verfahren und Vorrichtung zur kurzfristigen Synchronisierung von Mikrokontrollern und Oszillatoren - Google Patents

Abstract

Verfahren zur Einstellung der Taktfrequenz eines oder mehrerer Mikrokontroller oder eines oder mehrerer Oszillators/en dadurch gekennzeichnet, dass die Versorgungsspannung des Oszillators/der Oszillatoren solange verändert wird, bis die gewünschte Frequenz erzielt ist, dazu wird die Pulslänge eines externen Signals durch jeweils einen Zähler, der mit der Frequenz des Mikrokontroller oder des zugehörigen Oszillators getaktet wird, ermittelt, mit der bei der richtigen Taktfrequenz entstehenden Pulszahl verglichen und entsprechend dem Ergebnis die Versorgungsspannung des zugehörigen Oszillators verändert. Darauf aufbauend wird eine Vorrichtung beschrieben.

Description

Verfahren und Vorrichtung zur kurzfristigen Synchronisierung von Mikrokontroilern und Oszillatoren

Die Erfindung betrifft ein Verfahren bzw. eine Vorrichtung zur Einstellung (Synchronisierung) der Taktfrequenz eines oder mehrerer Mikrokontroller oder eines oder mehrerer Oszillators/en.

In verschiedenen Anwendungen von Netzwerken ist es notwendig, die Zeit in den einzelnen Knoten zeitlich genau zu synchronisieren um einen gewünschten Zeitverlauf von Aktionen zu erzielen, ohne dass ab einem bestimmten Zeitpunkt ein gemeinsames Taktsignal oder Synchronisiersignal vorliegt. Beispielhaft soll auf Sprengungen verwiesen werden. Dort ist es notwendig, die einzelnen Sprengladungen in bestimmter Reihenfolge mit exakten Verzögerungen zu zünden um eine optimale Wirkung zu erzielen. Ab einem bestimmten Startimpuls wird in jedem Zünder ein Zähler angestoßen, der nach Ablauf einer vorher festgelegten Zeit den Zündimpuls auslöst. Ab der ersten Detonation sind höchstwahrscheinlich die Zündleitungen unterbrochen und jeder Zünder muss autark arbeiten. Dies wäre durch den Einsatz einer phasenstarren Regelschleife nicht gewährleistet.

Heutige Mikrokontroller arbeiten mit RC Oszillatoren, deren Frequenz ungefähr auf 1% genau ist, dadurch ist das Timing auch auf ein Prozent genau. Wenn diese Genauigkeit nicht ausreicht und kein quarzgesteuerter Takt verwendet werden soll, muss die Frequenz synchronisiert werden. Dazu kann die Tatsache genutzt werden, dass die Frequenz des Oszillators von der Betriebsspannung abhängt. Werden Ringoszillatoren verwendet, kommt es zu einer recht großen Änderung der Frequenz, da die Laufzeit der Gatter von der Betriebsspannung abhängt.

Die Methodik soll nun an Hand eines Beispiels demonstriert werden. Der Mikrokontroller arbeitet z.B. mit einer Taktfrequenz von 1 MHz. Sendet man nun z.B. einen exakten Puls von 10 ms (die überlagerte Steuerung ist quarzgenau), so müsste der Zähler des Mikrokontrollers, der die Länge dieses Pulses ermitteln soll, den Wert 10.000+-1 ergeben, wenn die Taktfrequenz exakt 1MHz wäre. Ergibt sich aber ein Wert von z.B. 9957, so erkennt man, dass die Taktfrequenz zu nieder ist. Man kann nun über die Betriebsspannung des Mikrokontrollers eingreifen. Dies geschieht z.B. dadurch, dass in der Versorgungsleitung ein Längstransistor geschaltet ist, dessen Spannungsabfall größer oder kleiner gemacht werden kann und damit die Versorgung des Mikrokontrollers kleiner oder größer wird. Um die

Ansteuerung dieses Transistors möglichst einfach zu gestalten, wird man einen bipolaren pnp-Typ (oder einen p-Kanal Typ, wenn man mit Feldeffekttransistoren arbeitet) bevorzugen. Die Ansteuerung kann dann direkt über den DAC des Mikrokontrollers erfolgen. Nach der Verstellung des Längstransistors um einen vorgegebenen Schritt wird wieder die Pulslänge eines externen Pulses ausgemessen. Man wird also die Synchronisierung knapp vor der Auslösung des Prozesses im Netzwerk, wo die exakte Synchronisierung erforderlich ist, durchfuhren. Dies geschieht durch die Übertragung einer Pulsfolge von der zentralen Steuerung. Diese wird von den je einzelnen Mikrokontrollem empfangen, deren Länge mittels des eigenen Taktsignals ausgezählt, mit dem Sollwert des Zählwerts verglichen wird und daraus eine Veränderung der Ansteuerung des jeweiligen Längstransistors und damit eine Veränderung der Versorgungsspannung ausgelöst wird. Aus regelungstechnischer Sicht handelt es sich dabei um eine I-Regelung.

Ist die Abweichung nach der ersten Erfassung groß, wird man auch einen entsprechend großen Wert zum ursprünglichen im DAC Register hinzuzählen (wenn die Frequenz zu langsam ist) oder abziehen (wenn die Frequenz zu groß ist), dies macht man dann solange bis die Frequenz zu groß (oder im anderen Fall zu klein geworden ist). Nun wird ein halb so großer Wert als der ursprüngliche Inkrementalwert verwendet. Dieser wird nun vom vorherigen Wert abgezogen wenn die Frequenz zu groß ist, oder addiert wenn die Frequenz zu klein geworden ist. Die weiteren Schritte erfolgen nun analog zu dem oben beschriebenen Algorithmus.

Man kann natürlich auch nur immer einen konstanten Wert hinzuzählen so lange die Frequenz zu nieder ist, oder abziehen solange die Frequenz zu hoch ist. Die Regelung erfolgt also über ein integrierendes Verfahren.

Falls der Energieverbrauch im Mikrokontroller schwankt, kommt es auch zu einer Änderung der Spannung am Prozessor (Oszillator) weil nun am Längstransistor mehr (oder weniger) Spannung abfällt; das kann durch eine weitere Korrektur beseitigt werden. Man kann z.B. nachdem die erforderliche richtige Versorgungsspannung durch den Synchronisationsprozess ermittelt wurde auf diesen Wert hin regeln. Das Stellglied ist wieder der Längstransistor. Die Umstellung kann auch mittels einer Tabelle bewerkstelligt werden in der ein Korrekturfaktor abhängig von der Rechenleistung abgelegt ist. Diese Steuerung kann rasch eingreifen, ist aber natürlich nicht so genau wie eine Regelung. Man kann in diesem Fall noch eine Regelung zum Ausgleich des Steuerfehlers überlagern.

Auch wenn die Methode für ein Mikrokontroller-Netzwerk beschrieben wurde, kann diese Art der Synchronisation auch auf ein Master-Slave System angewendet werden, bei dem der Slave ab einem bestimmten Zeitpunkt vom Master getrennt wird und dann unabhängig weiterarbeitet.

Die Figuren zeigen beispielhaft die Realisierung der Ansteuerung des Längstransistors. Da die Realisierung sinnvoller mit pnp oder p-Kanal Transistoren erfolgt, sind meist auch solche gezeichnet.

Fig. 1 zeigt einen Mikrokontroller uC, dessen Taktfrequenz über ein äußeres RC-Netzwerk Rose, Cosc am Eingang OSC festgelegt wird. RC-Glied und Mikrocontroller uC wird von der Spannung Vup versorgt. Das Referenzsignal fREF wird dem uC zugeführt und dieser liefert die DAC Spannung Vdac zur Ansteuerung der Spannungsveränderungsvorrichtung VREG (z.B. ein Längstransistor), der die Eingangsspannung Vers herabsetzt.

Fig. 2 skizziert einen pnp Transistor T, der durch seinen Spannungsabfall aus der höheren Spannung Vers die gewünschte Betriebsspannung V„p erzeugt. Dazu wird der Basisstrom aus einer Stromquelle über ein Signal aus einem DAC gestellt.

Fig. 3 skizziert die Veränderung des Basisstroms durch ein Signal aus einem DAC. Die Zenerdiode dient zur Erzeugung einer Referenz, die dann vom DAC vergrößert oder verkleinert zur Ansteuerung des Transistors T verwendet wird.

In Fig. 4 wird der Transistor T zur Reduzierung der Spannung Vers auf die Spannung V„p mittels eines Operationsverstärkers, der in diesem Fall einen Regler darstellt, der die Ausgangsspannung VuP auf den Wert des DAC regelt, gezeigt. Der Widerstand Rv dient zu einer eventuell notwendigen Strombegrenzung.

Fig. 5 zeigt einen ähnlichen Aufbau wie Fig. 1, nur dass nun ein Ringoszillator skizziert ist. Fig. 6 zeigt die Ansteuerung über einen npn-Transistor. Der Operationsverstärker dient wieder als Regler. Nachteilig ist, dass der Operationsverstärker mit einer höheren Spannung als Vers betrieben werden muss.

Die Aufgabe die Frequenz von Oszillatoren zu synchronisieren, wird verfahrensgemäß dadurch bewerkstelligt, dass die Versorgungsspannung des Oszillators/der Oszillatoren solange verändert wird, bis die gewünschte Frequenz erzielt ist. Dazu wird die Pulslänge eines externen Signals durch jeweils einen Zähler, der mit der Frequenz des Mikrokontroller oder des zugehörigen Oszillators getaktet wird, ermittelt, mit der bei der richtigen Taktfrequenz entstehenden Pulszahl verglichen und entsprechend dem Ergebnis die Versorgungsspannung des zugehörigen Oszillators verändert. Es kann zusätzlich noch eine Korrektur entsprechend der Temperatur und/oder des Stromverbrauchs der Last der Versorgungsspannung durchgeführt werden.

Die Aufgabe die Frequenz von Oszillatoren zu synchronisieren, wird vorrichtungsgemäß dadurch bewerkstelligt, dass in die Versorgungsleitung des/der Mikrokontroller/s bzw. in die Versorgungsleitung des/der Oszillators/en je ein Längstransistor oder je ein in der Ausgangsspannung einstellbarer DC/DC Wandler geschaltet ist, wobei ein Zähler solange den Wert inkrementiert, solange ein externes Pulssignal anliegt, dieser Zähl wert wird mit einem vorgegebenen Zahlenwert verglichen und je nachdem, ob das Ergebnis positiv oder negativ ist und auch wie groß der Absolutwert ist, wird ein entsprechender Wert zum vorhergehenden Eingabewert für den DAC dazugezählt oder abgezogen. Der Längstransistor oder der DC/DC Konverter wird durch das analoge Signal des DAC mittels der Transitoransteuerschaltung mehr oder weniger gesättigt oder der Sollwert des DC/DC Konverters wird entsprechend verändert. Es kann zusätzlich noch eine Korrektur entsprechend der Temperatur, erfasst durch eine Temperaturerfassungsvorrichtung und/oder des Stromverbrauchs der Last der Versorgungsspannung entsprechend einem in einer Tabelle abgelegten Korrekturwert berechnet werden und damit eine Änderung des Steuersignals durch den ADC für den Längstransistor oder des DC/DC Wandlers durchgeführt werden.

Claims (4)

1. Patentansprüche

   1. Verfahren zur Einstellung der Taktfrequenz eines oder mehrerer Mikrokontroller oder eines oder mehrerer Oszillators/en dadurch gekennzeichnet, dass die Versorgungsspannung des Oszillators/der Oszillatoren solange verändert wird, bis die gewünschte Frequenz erzielt ist, dazu wird die Pulslänge eines externen Signals durch jeweils einen Zähler, der mit der Frequenz des Mikrokontroller oder des zugehörigen Oszillators getaktet wird, ermittelt, mit der bei der richtigen Taktffequenz entstehenden Pulszahl verglichen und entsprechend dem Ergebnis die Versorgungsspannung des zugehörigen Oszillators verändert.
2. 2. Verfahren gemäß Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, dass nachträglich noch eine Korrektur entsprechend der Temperatur und/oder des Stromverbrauchs der Last der Versorgungsspannung durchgeführt wird.
3. 3. Vorrichtung zur Einstellung der Taktfrequenz eines oder mehrerer Mikrokontroller oder eines oder mehrerer Oszillators/en dadurch gekennzeichnet, dass in die Versorgungsleitung des/der Mikrokontroller bzw. in die Versorgungsleitung des/der Oszillators/en je ein Längstransistor oder je ein in der Ausgangsspannung einstellbarer DC/DC Wandler geschaltet ist, wobei ein Zähler solange den Wert inkrementiert, solange ein externes Pulssignal anliegt, dieser Zählwert wird mit einem vorgegebenen Zahlenwert verglichen und je nachdem ob das Ergebnis positiv oder negativ ist und auch wie groß der Absolutwert ist, wird ein entsprechender Wert zum vorhergehenden Eingabewert für den DAC dazugezählt oder abgezogen, der Längstransistor oder der DC/DC Konverter wird durch das analoge Signal des DAC mittels der Transitoransteuerschaltung mehr oder weniger gesättigt oder der Sollwert des DC/DC Konverters wird entsprechend verändert.
4. 4. Vorrichtung gemäß Anspruch 3 dadurch gekennzeichnet, dass nachträglich noch eine Korrektur entsprechend der Temperatur, erfasst durch eine Temperaturerfassungsvorrichtung und/oder des Stromverbrauchs der Last der Versorgungsspannung entsprechend einem in einer Tabelle abgelegten Korrekturwert berechnet wird und damit eine Änderung des Steuersignals durch den ADC für den Längstransistor oder des DC/DC Wandlers durchgeführt wird.