DE102005018518A1

DE102005018518A1 - Verfahren zum Erzeugen einer Zeitbasis für einen Mikrokontroller und Schaltungsanordnung hierfür

Info

Publication number: DE102005018518A1
Application number: DE102005018518A
Authority: DE
Inventors: Michael Franke
Original assignee: Braun GmbH
Current assignee: Braun GmbH
Priority date: 2005-04-20
Filing date: 2005-04-20
Publication date: 2006-10-26
Also published as: US20080186073A1; WO2006111231A1; EP1872475A1; JP2008537237A; US7620512B2; CN101164234A; CN101164234B; RU2007142653A

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Erzeugen einer Zeitbasis für einen Mikrokontroller sowie eine einfache Schaltungsanordnung hierfür, die lediglich ein RC-Glied mit einer bestimmten Zeitkonstante aufweist, das an einen Anschluß des Mikrokontrollers angeschlossen ist. Bei diesem Verfahren werden in einem ersten Schritt der Kondensator des RC-Glieds auf eine Anfangsspannung aufgeladen, danach in einem zweiten Schritt so lange die Anzahl der Taktimpulse gezählt, bis die Spannung am Kondensator von der Anfangsspannung bis auf einen festgelegten Prozentsatz der Anfangsspannung oder einen Spannungsschwellwert abgefallen ist, und dann in einem dritten Schritt die gezählte Anzahl der Taktimpulse als Zeitbasis verwendet.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Erzeugen einer Zeitbasis für einen Mikrokontroller, sowie eine einfache Schaltungsanordnung hierfür.

Aus der DE 102 60 244 A1 ist ein Verfahren zur Zeitmessung in einem elektronischen Gerät bekannt, das einen Timerbaustein mit einem RC-Oszillator aufweist. Ein Kondensator eines RC-Glieds wird über einen Widerstand des RC-Glieds aufgeladen und entladen. Die Spannung am Kondensator beschreibt eine exponentielle Auflade- und Entladekurve. Bei Erreichen einer Schwellwertspannung schaltet der Timerbaustein einen Ausgang in den jeweils anderen Zustand (HIGH oder LOW), sodaß sich an dem Ausgang eine Rechteckspannung ergibt, deren Frequenz durch die Dimensionierung des RC-Glieds vorgegeben ist. Da diese Frequenz als Zeitbasis zu ungenau ist, wird eine Korrekturgröße ermittelt, mit deren Hilfe eine korrigierte Zeitbasis berechnet wird. Dazu weist das elektronische Gerät zusätzlich einen Mikrokontroller mit einer Quarz- oder Keramik-Schwingeinheit auf, der eine zweite Frequenz mit besserer Stabilität erzeugt als der Timerbaustein, allerdings nur zeitweilig in Betrieb ist, um Strom zu sparen. Durch Vergleich der beiden Frequenzen wird von Zeit zu Zeit die Korrekturgröße ermittelt.

Mikrokontroller mit einem externen Quarz oder Resonator benötigen entsprechenden Bauraum oder sind bei kleinen Abmessungen besonders teuer. Es gibt auch Mikrokontroller, die einen internen RC-Oszillator aufweisen, und daher recht kleine Abmessungen aufweisen. Allerdings ist bei diesen Mikrokontrollern die Taktfrequenz abhängig von der Betriebsspannung und der Temperatur, und kann daher um über +/–30% schwanken. Außerdem ist der Stromverbrauch derartiger Mikrokontroller für batteriebetriebene Geräte zu hoch.

Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung ein einfaches Verfahren zum Erzeugen einer relativ genauen Zeitbasis für einen Mikrokontroller anzugeben, dessen Taktgenerator eine vergleichsweise instabile Oszillationsfrequenz aufweist.

Zur schaltungstechnischen Realisierung des erfindungsgemäßen Verfahrens wird lediglich ein RC-Glied mit bekannter Zeitkonstante benötigt, das mit dem Mikrokontroller verbunden ist. Dabei wird vorausgesetzt, daß der Mikrokontroller einen Taktgenerator aufweist, wobei es unerheblich ist, ob der Taktgenerator durch interne und/oder externe Bauelemente reali siert ist. Auch das RC-Glied kann in den Mikrokontroller integriert sein. Daher kann das Verfahren schaltungstechnisch sehr preiswert realisiert werden.

Das erfindungsgemäße Verfahren weist folgende Schritte auf. In einem ersten Schritt wird der Kondensator des RC-Glieds vom Mikrokontroller auf eine Anfangsspannung aufgeladen. In einem zweiten Schritt zählt der Mikrokontroller solange die Anzahl der Taktimpulse seines Taktgenerators, bis die Spannung am Kondensator des RC-Glieds von der Anfangsspannung bis auf einen festgelegten Prozentsatz der Anfangsspannung oder einen Spannungsschwellwert abgefallen ist. In einem dritten Schritt wird die gezählte Anzahl der Taktimpulse als Zeitbasis verwendet, und vorzugsweise in einem nichtflüchtigen Speicher gespeichert.

Das Verfahren wird nachstehend anhand eines Ausführungsbeispiels für eine besonders vorteilhafte Schaltungsanordnung erläutert, die in der einzigen Zeichnung dargestellt ist.
Die in der Figur dargestellte Schaltungsanordnung weist lediglich einen Mikrokontroller M und ein RC-Glied auf, das mit einem Anschluß A des Mikrokontrollers verbunden ist. Der Mikrokontroller enthält in an sich bekannter Weise einen Taktgenerator. Der Anschluß des Mikrokontrollers ist umschaltbar, d.h. kann als Ausgangs- oder als Eingangsanschluß verwendet werden. Im ersten Schritt des Verfahrens ist der Anschluß als Ausgang geschaltet, und wird der Kondensator C des RC-Glieds vom Mikrokontroller auf eine Anfangsspannung aufgeladen. Im zweiten Schritt des Verfahrens ist der Anschluß als Eingang geschaltet, und ist das RC-Glied mit einer Einrichtung zur Messung der am RC-Glied anliegenden Spannung verbunden, beispielsweise dem Eingang eines A/D-Wandlers. Der A/D-Wandler wandelt fortlaufend die am Kondensator des RC-Glieds anliegende Spannung in einen Zahlenwert, der sich ausgehend von einem der Anfangsspannung entsprechenden Anfangswert fortlaufend verringert, da sich der Kondensator C des RC-Glieds über den Widerstand R des RC-Glieds entlädt. Gleichzeitig zählt der Mikrokontroller solange die Anzahl der Taktimpulse seines Taktgenerators, bis die Spannung am Kondensator des RC-Glieds von der Anfangsspannung bis auf einen festgelegten Prozentsatz der Anfangsspannung abgefallen ist, d.h. der A/D-Wandler einen Zahlenwert liefert, der einem im Mikrokontroller gespeicherten Prozentsatz des Anfangswerts entspricht. Im dritten Schritt wird die gezählte Anzahl der Taktimpulse vorzugsweise in einem nichtflüchtigen Speicher abgespeichrt und dann als Zeitbasis verwendet, anhand der die vom Mikrokontroller durchzuführenden Aufgaben zeitabhängig gesteuert werden können. Die Genauigkeit dieser Zeitbasis ist durch die Genauigkeit der Zeitkonstanten des RC-Glieds vorgegeben und nicht durch die vergleichsweise instabile Oszillationsfrequenz des Taktgenerators des Mikrokontrollers.
Die Genauigkeit dieses Verfahrens beruht auf der an sich bekannten Eigenschaft eines RC-Glieds, eine von Temperatur und Spannung weitestgehend unabhängige Zeitkonstante zu besitzen, d.h. die Spannung am RC-Glied folgt bei einer Entladung des Kondensators C über den Widerstand R einer Exponentialfunktion mit praktisch temperaturunabhängiger Zeitkonstante, sodaß die Zeitdauer für eine Entladung des Kondensators von einer Anfangsspannung bis zu einem festgelegten Prozentsatz der Anfangsspannung immer konstant, d.h. unabhängig von der Höhe der Anfangsspannung ist. Somit ist also die Zeitkonstante des RC-Glieds unabhängig von der Versorgungsspannung des Mikrokontrollers. Unter der Annahme, daß die Versorgungsspannung des Mikrokontrollers zumindest während des Entladevorgangs konstant ist, ist auch das Verhältnis zwischen dem vom A/D-Wandler gelieferten Anfangswert und dem festgelegten Prozentsatz des Anfangswerts konstant, d.h. unabhängig von der Versorgungsspannung, da die vom A/D-Wandler gelieferten Werte auf die Versorgungsspannung des Mikrokontrollers bezogen sind.
Bei einer anderen Ausführung einer geeigneten Schaltungsanordnung ist das RC-Glied mit einem Ausgang und einem Eingang des Mikrokontrollers verbunden. Der Kondensator des RC-Glieds kann durch den Mikrokontroller über den Ausgang aufgeladen werden, wobei eine am Ausgang vorhandene Diode verhindert, daß sich der Kondensator wieder über den Ausgang entladen kann. Am Eingang des Mikrokontrollers ist eine Einrichtung zur Spannungsmessung der am Kondensator des RC-Glieds anliegenden Spannung angeordnet, wie bereits oben beschrieben ist.
Bei anderen Varianten einer geeigneten Schaltungsanordnung ist mit dem Anschluß bzw. Eingang des Mikrokontrollers, mit dem das RC-Glied verbunden ist, nicht nur die Einrichtung zur Spannungsmessung sondern auch noch eine Einrichtung zum Vergleichen der am Kondensator des RC-Glieds anliegenden Spannung mit einer Referenzspannung verbunden.
Das erfindungsgemäße Verfahren kann so modifiziert sein, daß der Mikrokontroller in einem Stromsparmodus betrieben werden kann, ohne dabei seine Zeitinformation zu verlieren. Bei einem entsprechend modifizierten Ausführungsbeispiel ist das RC-Glied mit einem Interrupt-Eingang des Mikrokontrollers verbunden, mit dem der Mikrokontroller aus dem Stromsparmodus aufgeweckt wird, wenn die Spannung am RC-Glied bis auf einen Spannungsschwellwert abgefallen ist.
Die ersten drei Schritte des modifizierten Verfahrens sind praktisch dieselben wie oben bereits beschrieben, d.h. im ersten Schritt wird der Kondensator des RC-Glieds vom Mikrokontroller auf eine Anfangsspannung aufgeladen, im zweiten Schritt zählt der Mikrokontroller solange die Anzahl der Taktimpulse seines Taktgenerators, bis die Spannung am Kondensator des RC-Glieds von der Anfangsspannung bis auf den Spannungsschwellwert abgefallen ist, der im Stromsparmodus einen Interrupt auslösen würde, und im dritten Schritt wird die gezählte Anzahl der Taktimpulse abgespeichert. In einem vierten Schritt wird dann der Kondensator des RC-Glieds erneut auf die Anfangsspannung aufgeladen. In einem fünften Schritt wird der Mikrokontroller in den Stromsparmodus versetzt, d.h. es wird auch der Taktgenerator des Mikrokontrollers abgeschaltet. Wenn die Spannung am Kondensator von der Anfangsspannung bis auf den Spannungsschwellwert abgefallen ist, wird in einem sechsten Schritt ein Interrupt ausgelöst, und der Mikrokontroller aus dem Stromsparmodus aufgeweckt. Bei Bedarf kann in einem siebten Schritt ein Zeitzähler um den im dritten Schritt gespeicherten Betrag weitergezählt werden. Durch Wiederholen der Schritte vier bis sieben kann der Mikrokontroller auch mehrfach hintereinander für jeweils die Dauer eines Entladevorgangs des Kondensators des RC-Glieds in den Stromsparmodus versetzt werden, ohne daß er dadurch die Kenntnis über die währenddessen verstrichene Zeit verliert.
Bei einer besonders bevorzugten Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens wird der Mikrokontroller auf eine Weise betrieben, bei der die oben beschriebenen Verfahrensschritte miteinander kombiniert sind und mehrfach nacheinander ablaufen, wie nachfolgend beschrieben wird. Auf diese Weise können billige Mikrokontroller für Anwendungen eingesetzt werden, für die sie sonst aufgrund ihrer mangelnden Zeitstabilität oder ihres hohen Stromverbrauchs nicht einsetzbar gewesen wären.
Zunächst wird mit den Schritten eins bis drei des erfindungsgemäßen Verfahrens eine Zeitbasis gewonnen, indem nach Aufladen des Kondensators des RC-Glieds die Anzahl der Taktimpulse gezählt werden, bis die Spannung am Kondensator des RC-Glieds von der Anfangsspannung bis auf einen festgelegten Prozentsatz der Anfangsspannung abgefallen ist, d.h. es wird die entsprechende Anzahl von Taktimpulsen in einem vorzugsweise nichtflüchtigen Speicher gespeichert. Danach kann der Mikrokontroller in an sich bekannter Weise die Aufgaben durchführen, für die er vorgesehen ist. Nach einiger Zeit werden die Schritte eins bis drei wiederholt, um zwischenzeitlich möglicherweise aufgetretenen Schwankungen der Versorgungsspannung des Mikrokontrollers oder der Temperatur Rechnung zu tragen.
Wenn der Mikrokontroller in seinen Stromsparmodus versetzt werden soll, wird erfindungsgemäß zunächst die Dauer bestimmt, während der der Mikrokontroller im Stromsparmodus verharren soll, d.h. es wird mit den Schritten eins bis drei des erfindungsgemäßen Verfahrens nach Aufladen des Kondensators des RC-Glieds die Anzahl der Taktimpulse gezählt, bis die Spannung am Kondensator des RC-Glieds von der Anfangsspannung bis auf den Spannungsschwellwert abgefallen ist, der im Stromsparmodus einen Interrupt auslösen würde, und die gezählte Anzahl der Taktimpulse in einem weiteren vorzugsweise nichtflüchtigen Speicher gespeichert. Die der Dauer eines Stromsparzyklusses entsprechende Anzahl von Taktimpulsen kann bei Bedarf mit der vorher ermittelten Zeitbasis in Beziehung gesetzt werden, beispielsweise kann ein Stromsparzyklus genau so lang sein wie die Zeitbasis oder einen bestimmten Prozentsatz der Zeitbasis andauern. Danach kann der Mikrokontroller entweder sofort die Schritte vier bis sechs oder vier bis sieben des erfindungsgemäßen Verfahrens durchlaufen, d.h. für einen Zyklus im Stromsparmodus verharren, oder zuerst noch die erforderlichen Aufgaben durchführen, für die er vorgesehen ist. Danach kann der Mikrokontroller erneut entweder sofort die Schritte vier bis sechs oder vier bis sieben des erfindungsgemäßen Verfahrens durchlaufen, d.h. für einen weiteren Zyklus im Stromsparmodus verharren, oder zuerst noch die erforderlichen Aufgaben durchführen, für die er vorgesehen ist.
Nach einer gewissen Zeit werden die Schritte eins bis drei wiederholt, d.h. es wird erneut die Zeitbasis gewonnen und/oder erneut die Dauer bestimmt, während der der Mikrokontroller im Stromsparmodus verharren soll, um zwischenzeitlich möglicherweise aufgetretenen Schwankungen der Versorgungsspannung des Mikrokontrollers oder der Temperatur Rechnung zu tragen.

Claims

Verfahren zum Erzeugen einer Zeitbasis für einen Mikrokontroller mit einem Taktgenerator für ein Taktsignal und einem RC-Glied mit einer bestimmten Zeitkonstante, dadurch gekennzeichnet, daß – in einem ersten Schritt der Kondensator des RC-Glieds auf eine Anfangsspannung aufgeladen wird, – in einem zweiten Schritt solange die Anzahl der Taktimpulse gezählt wird, bis die Spannung am Kondensator von der Anfangsspannung bis auf einen festgelegten Prozentsatz der Anfangsspannung oder einen Spannungsschwellwert abgefallen ist, – in einem dritten Schritt die gezählte Anzahl der Taktimpulse als Zeitbasis verwendet wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Spannungsschwellwert durch die Interrupt-Schaltschwelle des Mikrokontrollers bestimmt ist.
Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß – in einem vierten Schritt der Kondensator des RC-Glieds auf eine Anfangsspannung aufgeladen wird, – in einem fünften Schritt der Mikrokontroller solange in einen Stromsparmodus versetzt wird, bis die Spannung am Kondensator von der Anfangsspannung bis auf den Spannungsschwellwert abgefallen ist, – in einem sechsten Schritt der Mikrokontroller den Stromsparmodus wieder verläßt.
Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß – in einem siebten Schritt ein Zeitzähler um einen Betrag weitergezählt wird, der der im dritten Schritt ermittelten Zeitbasis entspricht.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch ein Wiederholen der vorgenannten Verfahrensschritte.
Schaltungsanordnung zum Erzeugen einer Zeitbasis für einen Mikrokontroller mit einem internen Taktgenerator, dadurch gekennzeichnet, daß der Mikrokontroller mit einem externen RC-Glied verbunden ist.
Schaltungsanordnung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß das RC-Glied an einem Anschluß des Mikrokontrollers angeschlossen ist, der sowohl als Ausgang als auch als Eingang verwendbar ist.
Schaltungsanordnung nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, daß der Kondensator des RC-Glieds vom Mikrokontroller aufladbar ist.
Schaltungsanordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Spannung am Kondensator des RC-Glieds vom Mikrokontroller meßbar ist.