CN105102935A - 稳定微控制器的时钟频率的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种用于稳定与自动化技术的现场设备关联的微控制器的时钟频率(f)的方法，其中，现场设备根据应用而被暴露于不同的过程条件，其中，在至少两种不同温度值(T1、T2等)下和/或至少两种不同电压值(U1、U2等)下确定微控制器(μC)的时钟频率(f)。基于所确定的值，来确定预定温度范围和/或频率范围内，微控制器(μC)时钟频率(f)对温度(T)的依赖性，和/或预定电压范围和/或频率范围内，微控制器(μC)时钟频率(f)对电压(U)的依赖性。存储所确定的值，以及，考虑所确定的温度依赖性和/或电压依赖性，至少近似补偿温度(T)和/或电压(U)对微控制器(μC)时钟频率(f)的影响。

Description

稳定微控制器的时钟频率的方法
技术领域
本发明涉及一种用于稳定与自动化技术的现场设备关联的微控制器的时钟频率的方法。现场设备优选是用于确定和/或监控至少一个过程变量的传感器或致动器。用于过程自动化技术的传感器由申请人以各种不同的实施方式制造和销售。
背景技术
传感器(及致动器)通常具有至少两个微控制器，其中，例如，在传感器的情形中，过程端微控制器与传感器部件关联，以及变送器端微控制器与测量变送器关联。一般来说，表示过程变量的测量数据由过程端微控制器传送到变送器端微控制器，而大部分参数数据或传感器特定标识数据由变送器端微控制器传送到过程端微控制器。两个微控制器之间数据传送或通信，通常是异步的。该通信，例如经由UART接口产生。
异步通信情形的问题在于微控制器的时钟频率依赖于温度波动和电压振荡。在两个微控制器的时钟频率的太大相对偏移的情况下，异步通信或时间/频率测量能够变为不可用。因此，有必要保持微处理器内部产生的时钟频率稳定。在这一点上，通常是经由额外的稳定时钟频率来保持微控制器的时钟频率或时钟信号稳定。例如，额外的稳定时钟频率由时钟晶振提供，其中时钟晶振以较低的温度依赖性为特征。已知解决方案情形中的缺点在于额外的时钟晶振引起的额外成本。此外，时钟晶振需要额外的空间，该特性在许多现场技术-例如自动化技术-由于持续推动以使传感器小型化中，成为了问题。
发明内容
本发明的目的在于提供一种方法，通过该方法微控制器的时钟频率被有效稳定。
为了稳定与自动化技术的现场设备关联的微控制器的时钟频率的目的，其中，现场设备根据应用暴露于不同的过程条件，本发明提供以下解决方案：
在至少两种不同温度值下和/或至少两种不同电源电压电压值下确定微控制器的时钟频率，
基于所确定的值，确定在预定温度范围和/或频率范围内，微控制器的时钟频率对温度的依赖性，和/或在预定电压范围和/或频率范围内，微控制器的时钟频率对电压的依赖性，
存储所确定的值，以及
考虑所确定的温度依赖性和/或电压依赖性，至少近似补偿温度和/或电压对微控制器的时钟频率的影响。
通过本发明的方法，可以显著减小微控制器的时钟的时钟频率的温度依赖性，以及在给定情况下，显著减小微控制器的时钟的时钟频率的电压依赖性。因此，大大提高了两个微控制器之间的通信质量。
传统的微控制器目前这样设计使得可以自己自足地测量至少温度，特别是芯片温度。一个示例是德州仪器的微控制器系列MSP430。在许多情况下，目前的微控制器还可以检测电源电压。于是，已知两种干扰变量对微控制器的时钟频率具有相当大的影响。通过调节，这些干扰变量的影响可以至少被减弱，特别是最小化。
与本发明相关联，尤其提供了，在制造期间经由匹配测试来确定微控制器的时钟频率的温度依赖性和/或电压依赖性。为了确定时钟频率的温度依赖性，微控制器暴露于不同的温度；然后，在每种情形中，将被测时钟频率存储作为温度的函数。因此，测量的时钟频率与产生该时钟频率时的温度匹配。类似地，在每种情形中，确定被测时钟频率在恒定温度下的电压依赖性。
在实施例的优选形式中，以表格形式或匹配函数形式，特别是线性关系的形式，存储微控制器的时钟频率的所确定的温度依赖性和/或所确定的电压依赖性。
在本发明的方法的优选进一步发展中，不是每种特定类型微处理器都经受上述匹配方法。而是，通过随机取样来进行微控制器的时钟频率的温度依赖性和/或电压依赖性的确定。然后，以这种方式确定的温度依赖性和/或电压依赖性，用于稳定大量类似微控制器的时钟频率。
如稍早前描述的，提供了，出于确定温度和/或电压依赖性的目的，将微控制器暴露于不同的温度和/或被提供有不同的电压。
对于匹配测试，优选应用与微控制器隔离设置的频率生成器，其产生参考频率，其至少是大致恒定的和/或优选低于微控制器的时钟频率。该参考频率被馈入到微控制器并且作为测试频率而被测量。
然后，在电压保持恒定时，测量微控制器的不同温度值，其中，可以确定微控制器中属于不同温度值的测试频率。至少在测试频率偏离参考频率的情形中，存储所确定的测试频率值和/或相应的频率变化值和/或相应地变化的时钟频率作为所测试的温度值的函数。
而且，提供了，在向微控制器提供不同电源电压的情况下，确定微控制器的电压依赖性。在这种情况下，在每种情形中，温度保持恒定。
在本发明方法的可替换实施例中，提供了，预定的或确定在微控制器的限定温度下微控制器的限定时钟频率，微控制器的限定时钟频率被提供给与微控制器热绝缘的匹配测试器，使微控制器达到变化的温度，该变化的温度偏离微控制器的限定温度，由温度变化引起的限定时钟频率的变化被抵消，直到在该变化温度下时钟频率再一次对应于限定的时钟频率，以及微控制器的限定时钟频率的相应变化被存储为变化温度的函数。
而且，提供了，微控制器的时钟频率经由试验/误差过程而改变直到再一次达到限定的时钟频率。
为了能够准确确定时钟频率对于两个干扰变量的依赖性，电压在微控制器温度变化期间被保持恒定。而当改变电源电压时，微控制器的温度被保持恒定。特别地，微控制器的温度通过测量微控制器被设置在其上的芯片的温度来确定。
与本发明相关联的特别优点在于，微控制器经由可调振荡器，特别是数控振荡器(DCO)，而被设时钟。使用DCO的优点在于，不需要外部时钟信号生成器。此外，可以设置不同的频率，以及可以在程序运行时间期间在不同频率之间切换。因此，例如，可以在下面的时钟频率之间进行切换：1MHz、8MHz、12MHz，以及16MHz。
附图说明
现在，将根据附图更详细地描述本发明，附图示出如下：
图1图示了用于稳定微控制器的时钟频率的第一方法的框图，
图2图示了用于稳定微控制器的时钟频率的第二替选方法的框图，以及
图2a图示了用于确定校正表的方法的流程图。
具体实施方式
图1示出了图示用于稳定微控制器μC时钟频率的第一方法的框图。为此，在微控制器μC的限定温度T1下预定或确定该微控制器μC的限定时钟频率fDCO。在所图示的情形中，微控制器μC经由可调振荡器DCO或内部时钟信号生成器DCO，特别是数控振荡器DCO，而被设时钟。经由可调振荡器DCO，可以设置不同频率f，这里是1MHz、4MHz、8MHz以及16MHz。
微控制器μC的限定时钟频率fDCO(例如1MHz)提供给匹配测试器TESTER，匹配测试器与微控制器μC热绝缘。然后，使微控制器μC达到变化的温度T2，该变化的温度偏离微控制器μC的限定温度T1。由温度变化T2-T1引起的限定时钟频率fDCO变化被抵消直到在该变化温度T2下微控制器μC时钟频率回到限定的时钟频率fDCO。优选地，微控制器μC的时钟频率fDCO经由试验/误差过程中的控制单元CONTROL改变，直到再一次达到限定的时钟频率fDCO。测试阶段期间在各自温度值T1、T2等下确定的频率变化值或频率值，由控制单元CONTROL写入到存储器MEM中。作为测量的温度值T1、T2等的函数，控制单元CONTROL在微控制器μC的操作阶段期间将确定的频率值或频率变化值，写入到寄存器Reg1、Reg2等，其相应地操作可调振荡器DCO。
在测试阶段中温度变化方法期间，保持微控制器μC的电压U恒定。优选地，微控制器μC的温度通过测量微控制器μC设置在的芯片的温度来确定。类似地，在测试阶段期间，确定微控制器μC的频率对电源电压U1、U2等变化的依赖性，使得，在给定情形下，也可以在操作阶段期间产生依赖于电源电压U1、U2等的相应频率匹配。
在测试阶段中，优选经由试验/误差过程执行频率匹配。这在图1中示出为经由频率输入f+、f-。确定为温度T的函数的时钟频率fDCO的变化存储在存储器单元MEM中，作为测量的温度值T1、T2等的函数。在最简单的情形中，经由匹配线或匹配函数确定中间值。测试阶段中的匹配测试优选发生在制造期间。
图2示出了用于稳定微控制器μC时钟频率的可替选方法的框图。对于匹配测试，优选再一次在制造阶段期间执行，应用频率生成器，或与微控制器μC热绝缘设置的外部时钟信号生成器G。该频率生成器G产生参考频率fconst，该参考频率至少大致恒定。优选地，该参考频率fconst小于微控制器μC的采样频率f。该参考频率fconst馈入到微控制器μC并且借助于频率仪FM测量为微控制器μC中的测试频率f(T)。该测量的测试频率f(T)存储在存储器MEM的校正表中，作为各自测量的温度T的函数。
然后，微控制器μC在匹配测试期间暴露于不同的温度值T1、T2等。在测量微控制器μC的温度值T1、T2等时保持电压U恒定。优选将芯片温度提取作为微控制器μC的温度T。在微控制器μC中，确定属于不同温度值T1、T2等的测试频率f(T1)、f(T2)等。在测试频率f(T)偏离参考频率fconst的情形中，存储确定的测试频率f(T1)、f(T2)等和/或相应的频率变化值和/或相应变化的时钟频率或采样频率，作为测试的温度值T1、T2等的函数。然后，进行类似的匹配测试，用于确定微控制器μC的电压依赖性。为此，在恒定温度T下为微控制器μC提供不同的电源电压U1、U2等。
在稍后的微控制器μC操作阶段期间，通常存储在校正表中的、较早确定的微控制器μC温度-和/或电压依赖性，用于校正时钟频率fDCO。
图2a是示出了图示用于在测试阶段期间确定校正表的值的方法的流程图。在点1处测量的频率f(T)以及在点2处预定的希望频率fconst在程序位置点3处进行相互比较。如果测量的频率f(T)与预定的希望频率fconst之间的差大于预定值x，那么在位置点4处减小内部时钟或振荡器时钟DCO的频率。如果测量的频率f(T)与预定的希望频率fconst之间的差小于负的预定值x，这在位置点5处检查，那么在位置点6处增加时钟DCO的频率fDCO。如果在位置点3与位置点5处的两个测试是负的，那么在位置点8处读取内部时钟DCO的当前寄存器。确定的频率值fDCO存储在校正表中作为温度T的函数。在接下来的微控制器μC操作阶段期间，该确定的温度依赖频率值f(T1)、f(T2)等用于操作时钟DCO。在这种情况下，微控制器μC的温度T优选在微控制器设置在的芯片上测量。

Claims (13)

1.一种用于稳定与自动化技术的现场设备关联的微控制器的时钟频率(f)的方法，其中，所述现场设备根据应用而被暴露于不同的过程条件，所述方法包括如下步骤：
其中，在至少两种不同温度值(T1、T2...)下和/或至少两种不同电压值(U1、U2...)下确定所述微控制器(μC)的时钟频率(f)，
其中，基于所确定的值，来确定在预定温度范围和/或频率范围内，所述微控制器(μC)的时钟频率(f)对温度(T)的依赖性，和/或在预定电压范围和/或频率范围内，所述微控制器(μC)的时钟频率(f)对电压(U)的依赖性，
其中，存储所确定的值，以及
其中，考虑所确定的温度依赖性和/或所确定的电压依赖性，至少近似补偿温度(T)和/或电压(U)对所述微控制器(μC)的时钟频率(f)的影响。
2.根据权利要求1所述的方法，
其中，在制造过程中通过匹配测试来确定所述微控制器(μC)的时钟频率(f)的温度依赖性和/或电压依赖性。
3.根据权利要求1或2所述的方法，
其中，以表格形式或以匹配函数的形式，特别是线性关系的形式，存储所述微控制器(μC)的时钟频率(f)的所确定的温度依赖性和/或所确定的电压依赖性。
4.根据权利要求1、2或3所述的方法，
其中，通过随机取样来进行所述微控制器(μC)的时钟频率的温度依赖性和/或电压依赖性的确定，并且其中，所确定的温度依赖性和/或所确定的电压依赖性被用于稳定多个类似微控制器(μC)的时钟频率(f)。
5.根据前述权利要求中的一项或多项所述的方法，
其中，出于确定所述温度和/或电压依赖性的目的，所述微控制器(μC)被暴露于不同的温度(T1、T2...)和/或被提供有不同的电压(U1、U2...)。
6.根据前述权利要求中的一项或多项所述的方法，
其中，对于所述匹配测试，应用与所述微控制器(μC)隔离设置的频率生成器(G)，所述生成器(G)产生参考频率(fconst)，所述参考频率(fconst)至少是大致恒定的和/或优选低于所述微控制器(μC)的时钟频率(f)，并且其中，所述参考频率(fconst)被馈入到所述微控制器(μC)并且作为测试频率(ft)而被测量。
7.根据权利要求6所述的方法，
其中，在电压(U)保持恒定时测量所述微控制器(μC)的不同温度值，
其中，确定在所述微控制器(μC)中属于所述不同温度值(T1、T2...)的测试频率(f(T))，以及
其中，至少在所述测试频率(ft)偏离所述参考频率(fconst)的情形中，存储所确定的测试频率值(ft)和/或相应的频率变化值和/或相应地变化的时钟频率作为所测量的温度值(T)的函数。
8.根据权利要求7所述的方法，
其中，确定在向所述微控制器(μC)提供不同电源电压(U1、U2...)的情况下，所述微控制器(μC)的电压依赖性。
9.根据前述权利要求1-5中的一项或多项所述的方法，
其中，预定或确定在所述微控制器(μC)的限定温度(T1)下所述微控制器(μC)的限定时钟频率(fDCO)，
其中，所述微控制器(μC)的限定时钟频率(fDCO)被提供给与所述微控制器(μC)热绝缘的匹配测试器(TESTER)，
其中，使所述微控制器(μC)达到变化的温度(T2)，所述变化的温度偏离所述微控制器(μC)的限定温度(T1)，
其中，由所述温度变化(T2-T1)引起的限定时钟频率的变化(dfDCO)被抵消，直到在所述变化温度(T2)下时钟频率再一次对应于所述限定时钟频率(fDCO)，以及
其中，所述微控制器(μC)的限定时钟频率的相应变化(dfDCO)被存储为变化温度(T2)的函数。
10.根据权利要求9所述的方法，
其中，所述微控制器(μC)的时钟频率(f)经由试验/误差过程而改变直到再一次达到所述限定时钟频率(fDCO)。
11.根据权利要求9或10所述的方法，
其中，所述电压(U)在所述微控制器(μC)的温度(T)的变化期间被保持恒定。
12.根据前述权利要求中的一项或多项所述的方法，
其中，为了确定所述微控制器(μC)的温度(T)，测量所述微控制器(μC)被设置在其上的芯片的温度。
13.根据前述权利要求中的一项或多项所述的方法，
其中，所述微控制器经由可调振荡器(DCO)，特别是数控振荡器(DCO)，而被设时钟。
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