DE102009042647A1

DE102009042647A1 - Elektronische Schaltung für Zeitgeberanwendungen kleinster Leistungsaufnahme und Verfahren zur Kalibrierung und zum Betreiben derselben

Info

Publication number: DE102009042647A1
Application number: DE102009042647A
Authority: DE
Inventors: Bertram Dipl.-Ing. Kölbli
Original assignee: Junghans Microtec GmbH
Current assignee: Junghans Microtec GmbH
Priority date: 2009-08-07
Filing date: 2009-09-23
Publication date: 2011-02-17
Anticipated expiration: 2029-09-24
Also published as: WO2011015266A3; WO2011015266A2; DE102009042647B4; EP2462489A2; SG177622A1

Abstract

Es werden ein Verfahren zur Kalibrierung und ein Verfahren zum Betreiben einer von außen programmierbaren elektronischen Schaltung und eine von außen programmierbare elektronische Schaltung, welche zur Ausführung der zuvor genannten Verfahren eingerichtet ist, angegeben. Die von außen programmierbare elektronische Schaltung weist einen ersten Oszillator (RCO) und mindestens einen zweiten Oszillator (NFO) auf, wobei die zweite Frequenz (1/T) des zweiten Oszillators (NFO) kleiner ist als die Frequenz (1/To) des ersten Oszillators (RCO). Die Schaltung bewirkt nach Ablauf einer programmmierbaren Zeit (t) durch Ausgabe eines entsprechenden Ausgangssignals die Ausführung einer vorgegebenen Aktion, wobei die Programmierung durch Modulation einer Trägerfrequenz (f) erfolgt. Zur Kalibrierung wird anhand der bekannten Trägerfrequenz (f) die aktuelle Periodendauer (To) des ersten Oszillators (RCO) und ein Verhältnis (V), das dem Verhältnis aus der Periodendauer (To) des ersten Oszillators (RCO) und der Periodendauer (T) des zweiten Oszillators (NFO) entspricht, ermittelt. Beim Betrieb der Schaltung wird nach oder während der Kalibrierung die Zeit (t) mittels Modulation der Trägerfrequenz programmiert, wobei nach Beendigung der Kalibrierung und einem Startsignal der Ablauf der übermittelten Zeit (t) dadurch erfolgt, dass eine entsprechende vierte Periodenzahl (M-1) des zweiten Oszillators (NFO) und eine entsprechende dritte Periodenzahl (q) des höchstens zeitweise ...

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine von außen programmierbare elektronische Schaltung, die nach Ablauf einer programmierbaren Zeit durch Ausgabe eines entsprechenden Ausgangssignals die Ausführung einer vorgegebenen Aktion bewirkt, wobei die Programmierung durch Modulation einer Trägerfrequenz erfolgt. Die Erfindung betrifft ferner ein Verfahren zur Kalibrierung und ein Verfahren zum Betreiben einer derartigen Schaltung.
Die oben angegebene elektronische Schaltung, die auch als elektronische Zeitgeberschaltung bezeichnet wird und heute üblicherweise einen Mikroprozessor aufweist, wird in der Regel über eine Schnittstelle mittels eines amplitudenmodulierten Trägerfrequenzverfahrens digital programmiert. Die dabei von einem externen Programmiergerät verwendete hochgenaue Trägerfrequenz ist quarzstabilisiert.
Nach der Programmierung einer derartigen elektronischen Zeitgeberschaltung, d. h. nach einer beispielsweise induktiven Übertragung und Speicherung der Daten für den Zeitablauf in dem Mikroprozessor, wird nach einer kurzen Pause ein prozessorinternes oder -externes Startsignal gegeben, das den Beginn des Ablaufs der einprogrammierten Zeit darstellt. Nach Ablauf dieser Zeit wird ein digitales Ausgangssignal erzeugt, welches eine weitere Aktion bewirkt. Eine derartige elektronische Zeitgeberschaltung wird beispielsweise bei einem Zündungsvorgang verwendet.
Es besteht nun das Bedürfnis, dass der Ablauf der programmierten Zeit sehr präzise erfolgen soll, obwohl dem Mikroprozessor aus anderen einschränkenden Gründen als Taktgeber für den Zeitablauf nur ein oder mehrere relativ ungenaue RC-Oszillatoren (Oszillator mit RC-Glied) zur Verfügung stehen. Beispielsweise sind beim Ablauf der Zeit nur relative Zeitfehler von 100 ppm zugelassen, wohingegen die Frequenzgenauigkeit heutiger RC-Oszillatoren bei etwa 1 bis 20% liegt.
Aus der Druckschrift DE 195 25 202 C1 ist ein Verfahren zur Programmierung eines elektronischen Zünders bekannt, das eine hohe Zeitgenauigkeit erreicht. Bei dem bekannten Verfahren wird zur Kalibrierung auf die vom externen Programmiergerät gelieferte quarzgenaue Trägerfrequenz ein mikroprozessorinterner Oszillator verwendet, welcher in der Taktfrequenz um mehr als eine Zehnerpotenz über der externen Trägerfrequenz liegt. Eine derart hohe Taktfrequenz ist für den Betrieb eines Mikroprozessors üblich, da diese auch verwendet wird, um die Befehlsabarbeitung zu takten. Zudem ist die hohe Taktrate notwendig, um das Kalibrierungsintervall, das die Grundlage für den späteren Zeitablauf bildet, zeitlich hinreichend genau aufzulösen. Bei dem bekannten Verfahren zur Kalibrierung werden beim Programmieren die hochgenaue Trägerfrequenz des Programmiergerätes in der elektronischen Schaltung bis zu einem vorgegebenen Zählstand und gleichzeitig die relativ ungenaue Oszillatorfrequenz der Schaltung gezählt. Bei Erreichen des vorgegebenen Zählstandes in Bezug auf die hochgenaue Trägerfrequenz wird der mit der ungenauen Oszillatorfrequenz erreichte Zählstand als ein internes Zeitnormal in der elektronischen Schaltung abgespeichert und zur Abarbeitung der einprogrammierten Zeit genutzt.
Ein dauernd anliegender hoher Prozessortakt, der bei oben geschilderten bekannten Verfahren erforderlich ist, erzeugt jedoch eine hohe Leistungsaufnahme des Prozessors. Dies ist bei der Abarbeitung der einprogrammierten Zeit nachteilig, da der Mikroprozessor während des Ablaufs der einprogrammierten Zeit nicht aus einer Batterie, sondern aus Kondensatoren oder ähnlichen Energiespeichern mit geringem Volumen versorgt werden soll, welche während der Programmierung aufgeladen wurden. Es ist daher wünschenswert, die Stromaufnahme des Mikroprozessors unter Beibehaltung der geforderten maximalen Laufzeit und der erforderlichen Genauigkeit drastisch zu reduzieren.
Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht somit darin, eine genau arbeitende elektronische Zeitgeberschaltung zu schaffen, deren Stromaufnahme während der Abarbeitung der einprogrammierten Zeit drastisch reduziert ist. Analog besteht die Aufgabe darin, ein Verfahren zur Kalibrierung einer elektronischen Schaltung bzw. ein Verfahren zum Betreiben einer programmierbaren elektronischen Schaltung anzugeben, die einen genauen Ablauf einer einprogrammierten Zeit ermöglichen und gleichzeitig eine Reduktion der Stromaufnahme bewirken.
Die obige Aufgabe wird gelöst durch eine elektronische Schaltung, welche neben dem ersten Oszillator zusätzlich einen zweiten Oszillator als Taktgeber aufweist, wobei die Frequenz des zweiten Oszillators kleiner ist als die Frequenz des ersten Oszillators. Die elektronische Schaltung weist ferner Mittel zur Durchführung des nachfolgend erläuterten Kalibrierungsverfahrens und zur Durchführung des nachfolgend erläuterten Verfahrens zum Betreiben der Schaltung auf.
Die obige Aufgabe wird außerdem durch ein Verfahren zur Kalibrierung gelöst, bei dem anhand der bekannten Trägerfrequenz die aktuelle Periodendauer (T) des ersten Oszillators und ein Verhältnis, das dem Verhältnis aus der Periodendauer des ersten Oszillators und der Periodendauer des zweiten Oszillators entspricht, ermittelt wird.
Durch die erfindungsgemäße elektronische Schaltung wird außerdem ein erfindungsgemäßes Verfahren zum Betreiben verwirklicht, bei dem nach oder während der Kalibrierung der Schaltung die Zeit (t_P) mittels Modulation der Trägerfrequenz programmiert wird, wobei nach Beendigung der Kalibrierung Lind einem Startsignal der Ablauf der übermittelten Zeit dadurch erfolgt, dass eine entsprechende vierte Periodenzahl des zweiten Oszillators und eine entsprechende dritte Periodenzahl des höchstens zeitweise parallel arbeitenden ersten Oszillators abgezählt werden.
Die vorliegende erfindungsgemäße elektronische Schaltung sowie die erfindungsgemäßen Verfahren nutzen die Erkenntnis, dass Hauptverursacher der hohen Stromaufnahme der Taktoszillator (erster Oszillator) und die damit verbundene Geschwindigkeit der Taktung der internen Prozessorkomponenten darstellen. Wegen der dadurch notwendigen häufigen Umladung parasitärer Kapazitäten steigt der Stromverbrauch des Mikroprozessors weitestgehend linear mit steigender Taktfrequenz. Dies bedeutet, dass die Taktfrequenz reduziert werden muss, um die Stromaufnahme zu senken. Dies wird bei der vorliegenden Erfindung durch die Verwendung des zusätzlichen zweiten, prozessorexternen Oszillators mit niedriger Frequenz als Taktgeber während des Ablaufs der einprogrammierten Zeit erreicht. In einem bevorzugten Ausführungsbeispiel liegt die Taktfrequenz des zweiten Oszillators um mehr als eine Zehnerpotenz unter der externen Trägerfrequenz des Programmiergeräts, um den Stromverbrauch der Schaltung in den Mikroamperebereich zu drücken.
Obwohl die Verwendung des zweiten Oszillators mit einer niedrigen Traktfrequenz der Forderung nach einem präzisen Zeitablauf bzw. einer hohen zeitlichen Auflösung des Kalibrierungsintervalls widerspricht, wird durch die erfindungsgemäße Kombination von höchstens zeitweise parallel arbeitenden Oszillatoren mit unterschiedlichen Frequenzen und die erfindungsgemäße Kalibrierung die erforderliche Genauigkeit der Zeitgeberschaltung beim Ablauf der einprogrammierten Zeit erreicht.
Erfindungsgemäß wird davon ausgegangen, dass für eine kurze Zeitspanne vor, während und nach der digitalen Zeitprogrammierung die quarzgenaue externe Trägerfrequenz vorhanden ist. Diese Trägerfrequenz kann in einem bevorzugten Ausführungsbeispiel auch Träger von Energie sein, um die gesamte Schaltung während und nach der Zwischenspeicherung der übertragenen Energie z. B. in Kondensatoren auch nach Abschluss der Programmierung zu versorgen. In der kurzen Zeitspanne während der Programmierung und der Kalibrierung der Zeitgeberschaltung ist erfindungsgemäß durch die induktive Kopplung mit dem Programmiergerät genügend Energie für die Taktung des Prozessors mit hoher Taktfrequenz vorhanden. Danach kommt die Schaltung für die am längsten dauernde Phase des Zeitablaufs während des Abzählens der vierten Periodenzahl des zweiten Oszillators mit der gespeicherten Energie aus und ist im mittleren Stromverbrauch sehr genügsam.
Insbesondere ist erfindungsgemäß für die wesentlich längere Phase des Ablaufs der einprogrammierten Zeit als zweiter Oszillator ein externer RC-Oszillator oder LC-Oszillator vorgesehen, der mit einer sehr niedrigen Taktfrequenz, vorzugsweise zwischen etwa 1 kHz und etwa 10 kHz, beispielsweise 6 kHz, arbeitet und während des überwiegenden Teils des Ablaufs der einprogrammierten Zeit die Taktung des Prozessors übernimmt. Dieser Oszillator (im Folgenden NFO genannt) weist eine sehr kleine Stromaufnahme auf, startet mit Beginn der Initialisierungsphase und bleibt während allen Betriebsphasen der erfindungsgemäßen Schaltung eingeschaltet.
Demgegenüber ist der schnellere prozessorinterne Oszillator (im Folgenden RCO genannt) nur während der Kalibrierung und der Übermittlung der einprogrammierten Zeit sowie bis zum Start des Zeitablaufs und noch eine kurze Zeit darüber hinaus sowie am Ende des Ablaufs der einprogrammierten Zeit eingeschaltet. Hierbei dient der RCO als Referenz- und Taktoszillator für den Mikroprozessor und weist eine Frequenz von vorzugsweise etwa 1 MHz bis etwa 5 MHz auf. Während der überwiegenden Zeit des Ablaufs der einprogrammierten Zeit ist der prozessorinterne Oszillator RCO ausgeschaltet.
In einem bevorzugten erfindungsgemäßen Verfahren zur Kalibrierung wird zuerst eine erste Periodenzahl des ersten Oszillators RCO bis zu einem, durch die Trägerfrequenz vorgegebenen Zählstand, der einer vorgegebenen Zeit entspricht, gezählt und hieraus das Verhältnis und somit die aktuelle Periodendauer des ersten Oszillators bestimmt, anschließend mit einer Anfangsflanke des zweiten Oszillators NFO beginnend die Perioden des ersten Oszillators RCO bei parallel weiter arbeitendem zweiten Oszillator NFO so lange gezählt, bis zu einem ersten Zeitpunkt die ersten Periodenzahl erreicht ist, und anschließend eine nächste, nach dem ersten Zeitpunkt auftretende Endflanke des zweiten Oszillators NFO detektiert, deren Richtung im Vergleich zur Anfangsflanke bestimmbar ist, wobei in dem Zeitraum beginnend mit dem ersten Zeitpunkt und bis zum Erreichen der Endflanke eine zweite Periodenzahl des ersten Oszillators RCO abgezählt wird, wobei sich das Verhältnis aus der ersten Periodenzahl und der zweiten Periodenzahl sowie den zwischen Anfangs- und Endflanke gezählten Perioden des zweiten Oszillators ergibt.
Dieses Kalibrierungsverfahren ist ein besonders einfaches Verfahren, das gewährleistet, dass der Ablauf der einprogrammierten Zeit vergleichsweise genau erfolgt und zudem der zweite Oszillator NFO während einem großen Anteil der Zeit während des Ablaufs der einprogrammierten Zeit als Taktgeber genutzt werden kann.
Eine einfache, in den Ausführungsbeispielen geschilderte Berechnung des Periodenverhältnisses wird dann ermöglicht, wenn in einem bevorzugten Ausführungsbeispiel die Anfangsflanke und die Endflanke des zweiten Oszillators NFO die gleiche Richtung aufweisen und somit das Verhältnis direkt aus den zwischen der Anfangs- und Endflanke gezählten Perioden des zweiten Oszillators NFO und der Summe der ersten und der zweiten Periodenzahl des ersten Oszillators RCO ermittelt wird.
In einem besonders bevorzugten Ausführungsbeispiel des Kalibrierungsverfahrens wird die dritte Periodenzahl des ersten Oszillators RCO und die vierte Periodenzahl des zweiten Oszillators NFO anhand des unten näher erläuterten Berechnungsverfahrens berechnet.
In einem bevorzugten Ausführungsbeispiel des Verfahrens zum Betreiben einer von außen programmierbaren elektronischen Schaltung werden die dritte Periodenzahl und die vierte Periodenzahl derart gewählt, dass während des wesentlich größten Zeitanteils der einprogrammierten Zeit die vierte Periodenzahl der Perioden des zweiten Oszillators NFO gezählt wird, wobei während des Zeitanteils der erste Oszillator (RCO) im Wesentlichen abgeschaltet ist.
In einem weiteren bevorzugten Ausführungsbeispiel wird die vierte Periodenzahl aus der Zahl der ganzen Perioden des zweiten Oszillators, die in der übermittelten bzw. einprogrammierten Zeit enthalten sind, weniger 1 ermittelt.
Ein besonders einfach realisierbarer Ablauf der übermittelten Zeit wird dadurch erzielt, dass nach dem Startsignal zunächst bei parallel arbeitendem ersten Oszillator RCO und zweitem Oszillator NFO eine erste Ablaufzahl von abgelaufenen Perioden des ersten Oszillators abgezählt wird, die nach dem Startsignal ablaufen ist, bis eine Flanke des zweiten Oszillators erreicht ist, anschließend der erste Oszillator RCO abgeschaltet wird sowie die vierte Periodenzahl der Perioden des zweiten Oszillators NFO bis zum Erreichen der entsprechenden Flanke des zweiten Oszillators NFO heruntergezählt wird, nach Erreichen der zuletzt genannten Flanke des zweiten Oszillators NFO der erste Oszillator RCO wieder eingeschaltet wird und abschließend die Differenzzahl von Perioden des ersten Oszillators RCO zwischen der in der Kalibrierung ermittelten dritten Periodenzahl und der ersten Ablaufzahl abgezählt wird.
Weitere Vorteile, Merkmale und Anwendungsmöglichkeiten der vorliegenden Erfindung ergeben sich auch aus der nachfolgenden Beschreibung eines Ausführungsbeispiels und den Figuren. Dabei bilden alle beschriebenen und/oder bildlich dargestellten Merkmale für sich oder in beliebiger Kombination den Gegenstand der vorliegenden Erfindung, auch unabhängig von ihrer Zusammenfassung in den Ansprüchen oder deren Rückbezügen.
Es zeigen schematisch:
1 eine elektronische Schaltung gemäß der vorliegenden Erfindung,
2 eine Darstellung der zeitlich aufeinander folgenden Schritte während Kalibrierung, Programmierung und des Ablaufs der einprogrammierten Zeit,
3 einen ersten Schritt bei der erfindungsgemäßen Kalibrierung der elektronischen Schaltung gemäß 1,
4 einen zweiten Schritt bei der erfindungsgemäßen Kalibrierung der elektronischen Schaltung gemäß 1 sowie
5 eine Darstellung des erfindungsgemäßen Verfahrens zum Betreiben der elektronischen Schaltung gemäß 1 während des Ablaufs der einprogrammierten Zeit.
1 zeigt die erfindungsgemäße elektronische Schaltung mit einem Mikroprozessor 1, der die Eingänge A, B, C und D sowie den Ausgang F besitzt.
Ferner ist an dem Mikroprozessor 1 ein Eingang Ub vorgesehen, der zur Spannungsversorgung dient. Der Mikroprozessor 1 weist einen internen Taktgeber (RC-Oszillator, kurz RCO) auf, der eine prozessorinterne hohe Taktfrequenz von beispielsweise 2,4 MHz bereitstellt. Der Mikroprozessor 1 enthält außerdem eine Zähleinheit (Timer) 2, die über einen Schalter 3 entweder mit dem RCO oder dem Eingang D (und somit mit dem NFO) verbunden ist.
Bestandteil der erfindungsgemäßen elektronischen Schaltung ist ferner ein zweiter Oszillator (kurz NFO) mit einer verglichen mit dem RCO niedrigeren Taktfrequenz, die beispielsweise bei 6 kHz liegt. Der NFO ist nicht nur mit dem externen Takteingang D des Prozessors 1 sondern auch parallel mit dem Porteingang B des Mikroprozessors 1 verbunden, so dass über diesen Eingang auch eine Programmzählersteuerung für eine Kalibrierung auch auf diesen Takt erfolgen kann. Die Verbindung mit den Eingängen B und D des Mikroprozessors 1 erfolgt lediglich, weil bei vielen Prozessoren der Takteingang D intern nicht als Port- oder Interrupteingang genutzt werden kann.
In einem weiteren Ausführungsbeispiel kann ein Mikroprozessor verwendet werden, bei dem der Takteingang D auch als Port- oder Interrupteingang genutzt werden kann. In diesem Fall ist die parallele Verbindung des NFO mit einem gesonderten Porteingang nicht notwendig.
Am Eingang A des Mikroprozessors 1 liegt bei der Programmierung der erfindungsgemäßen Schaltung die quarzgenaue externe Trägerfrequenz an. In einem bevorzugten Ausführungsbeispiel kann die Trägerfrequenz auch Energieträger sein, um die gesamte Schaltung während und nach der Programmierung zu versorgen. Dieser Fall ist in 1 durch die gestrichelten Komponenten dargestellt. Am Eingang C des Mikroprozessors 1 wird das Signal für den Start des Ablaufs der einprogrammierten Zeit eingegeben.
Am Ausgang F des Mikroprozessors 1 wird nach Ablauf der einprogrammierten Zeit ein vorbestimmtes Signal ausgegeben, das eine weitere Aktion, beispielsweise eine Zündung, bewirkt.
2 zeigt in der mittleren Zeile die einzelnen Schritte bei Initialisierung, Kalibrierung, Programmierung, Ablauf der einprogrammierten Zeit und endet mit der Ausgabe des definierten Signals an den Ausgang F des Mikroprozessors. In der oberen Zeile ist zu erkennen, welcher der Oszillatoren (RCO oder NFO) als Taktgeber (’clock’) für den Mikroprozessor 1 verwendet wird. Hierbei ist in den Bereichen, die mit dem Bezugszeichen 11 gekennzeichnet sind, der RCO Taktgeber, während im Bereich 12 der Oszillator NFO Taktgeber ist. Die untere Zeile 13 in 2 symbolisiert durch ihre Ausdehnung bzw. Erstreckung, wann die externe Trägerfrequenz in den darüber liegenden Schritten an Eingang A des Mikroprozessors 1 anliegt.
Nach dem Einschalten der Trägerfrequenz f_T, die beispielsweise 200 kHz beträgt und zunächst noch nicht moduliert wird, beginnt die Versorgung des Schaltkreises und in der ersten Phase 21 werden die Untersysteme des Mikroprozessors 1 initialisiert. Die Richtung des Zeitfortschritts ist in 2 durch den Pfeil 10 gekennzeichnet.
In der darauffolgenden Phase 22, in der zunächst das Programmiergerät weiterhin eine nicht modulierte Trägerfrequenz f_T sendet, wird ein erster Kalibrierungsschritt, der in 3 näher dargestellt ist, durchgeführt.
Bei diesem Schritt 22 zählt der Prozessor 1 in einer ersten Zählung bis auf eine vorgegebene bekannte Anzahl von Schwingungen i der quarzgenauen Trägerfrequenz f_T an seinem Eingang A, die einer Zeit von t_k = k ms entsprechen (siehe Zeile K in 3). In einem Ausführungsbeispiel ist t_k = 8 ms. Gleichzeitig mit Start der ersten Zählung wird eine zweite Zählung durch den integrierten Timer 2 des Mikroprozessors 1 initiiert (vergleiche Pfeil 31 in 3). Bei der zweiten Zählung werden die Takte des RCO solange gezählt, bis die vordefinierte Anzahl von i Trägerschwingungen nach der Zeit t_k erreicht ist (Pfeil 32). Die während der Zeit t_k gezählten RCO-Takte mit einer Periodendauer To über die Zeit t_k sind in 3 in Zeile L dargestellt. Der am Ende der zweiten Zählung erreichte Zählerstand X des Timers 2 wird zur weiteren Verwendung in einem nicht dargestellten Speicher des Mikroprozessors 1 abgespeichert. Der Zählerstand X entspricht der Zeit t_k, gemessen in RCO-Takten, und die aktuelle Periodendauer To des ersten Oszillators RCO kann aus dem Verhältnis t_k/X ermittelt werden.
Nach diesem ersten Kalibrierungsschritt 22 erfolgt in einem Schritt 23 die Programmierung der Laufzeit t_P als digitales Wort durch Modulation der an Eingang A des Mikroprozessors 1 anliegenden Trägerfrequenz f_T. Hierbei wird die Information für die Laufzeit t_P als Digitalwert übermittelt und ebenfalls in dem nicht dargestellten Speicher des Mikroprozessors 1 gespeichert.
In einem weiteren Ausführungsbeispiel kann der Programmierschritt 23 auch vor dem ersten Kalibrierungsschritt 22 erfolgen.
An den Programmierungsschritt 23 schließt sich erfindungsgemäß ein zweiter Kalibrierungsschritt 24 an, der in 4 näher dargestellt ist. Aufgrund der Durchführung des vorausgegangenen ersten Kalibrierungsschritts 22 wird für diesen Schritt die externe Trägerfrequenz nicht mehr benötigt. Sie wird daher im Laufe des Schrittes 24 abgeschaltet (vgl. Ende der Zeile 13 in 2).
In dem zweiten Kalibrierungsschritt 24 wartet zunächst der weiterhin mit der RCO-Frequenz getaktete Mikroprozessor 1 auf eine erste Zählflanke des NFO-Taktes, der in 4 in Zeile M dargestellt ist. Tritt diese auf (siehe Pfeil 33), beginnen wiederum zwei Zählvorgänge (dritte und vierte Zählung). Eine Programmschleife zählt in einer dritten Zählung die an Port B eingespeisten NFO-Takte, während der Timer 2 die prozessorintern erzeugten RCO-Takte zählt. Hierbei sind die NFO-Takte in 4 in Zeile M und die RCO-Takte in 4 in Zeile N dargestellt. Erreicht nun der Timer 2 wiederum den Zählerstand X nach der Zeit t_k, wird im Programm ein Flag gesetzt (symbolisiert in 4 durch die Pfeile 34 und 35), das bewirkt, dass die nach dem Flag auftretende nächste Zählflanke des NFO-Taktes nach n NFO-Takten als Stopp- oder Übernahmekriterium für die weiterlaufende Zählung der RCO-Takte dient (siehe Pfeil 36). Nach dem Schritt 24 liegen somit ein ganzzahliger Zählwert n für die Anzahl der NFO-Takte und der Zählerstand X + Y vor, auf den der Timer 2 die RCO-Takte während der n NFO-Takte gezählt hat. Hieraus lässt sich das Verhältnis V = n/(X + Y) ermitteln.
Aus den vorhandenen Zählerständen und Werten lassen sich nun in Schritt 25 durch den weiterhin mit der RCO-Frequenz getakteten Mikroprozessor 1 Parameter M und q für den Ablauf der einprogrammierten Zeit t, die in 5 dargestellt ist, errechnen.
Die einprogrammierte Zeit t_P, die vor Ausgabe des vordefinierten Signals am Ausgang F des Mikroprozessors 1 ablaufen soll und z. B. ganzzahlig in Millisekunden vorliegt, wird dafür zunächst durch das Kalibrierungsintervall t_k ausgedrückt: t_P = at_k + bt_k/k mit a = t_p DIV k und b = tP MOD k. (1)
Dabei sind t_P und k als ganzzahlig vorausgesetzt, weswegen auch a und b ganzzahlig werden und b/k stets kleiner als Eins ist.
Drückt man nun in Gleichung (1) das Kalibrierungsintervall t_k durch die NFO-Taktperiode T aus, folgt mit t_k = n(X/(X + Y))T t_P = (a + b/k)n(X/(X + Y))T = MT + FT (2), wobei M = INT((anX + bnX/k)/(X + Y))) = INT(nX/(X + Y)(a + b/k))
= INT(Vt_k/To(a + b/k))
und F = FRAC((anX + bnX/k)/(X + Y)) = FRAC(Vt_k/To(a + b/k)).
Da F den gebrochenen Anteil einer NFO-Taktperiode T darstellt, wird zur Erzielung einer höheren Laufzeitgenauigkeit T für den zweiten Summanden in (2) mit Hilfe der Beziehung To = nT/(X + Y) die NFO-Periode T in ganzzahligen Werten der RCO-Taktperiode To geschrieben: t_P = MT + FT = (M – 1)T + (F + 1)T = (M – 1)T + qTo mit q = (F + 1)(X + Y)/n und q = (F + 1)/V. (3)
In der Gleichung (3) wurde, da die Zeit qTo stets länger ist als eine Taktperiode T, aber kürzer als 2 Taktperioden T, eine Zerlegung in M – 1 und F + 1 Taktperioden T vorgenommen. Hierdurch wird erreicht, dass die Zeit vom mit der Periode T asynchron auftretenden Startsignal bis zum Beginn eines NFO-Takts sowie das Ende der Ablaufphase gemäß 5 stets ganzzahlig mit q = p + (q – p) schnellen RCO-Takten gefüllt werden kann. Hierdurch wird ein präziser Ablauf der einprogrammierten Zeit t_P erreicht. In der in ihrer Länge überwiegenden mittleren Zeitperiode des Zeitablaufs werden stromsparend genau (M – 1) NFO-Takte gezählt.
Nun erfolgt nach einer Pause 26 und getriggert durch ein an Eingang C des Mikroprozessors 1 anliegendes Startsignal (symbolisiert durch Pfeil 27 in 2) der Ablauf der einprogrammierten Laufzeit t_P, die in 2 durch Schritt 28dargestellt ist. Nach Ablauf der einprogrammierten Zeit t_P erfolgt die Ausgabe eines vordefinierten Signals am Ausgang F des Mikroprozessors 1, das eine vorgegebene Aktion bewirkt. Die Ausgabe des Signals wird in 2 durch den Pfeil 29 dargestellt.
Detailliert ist der Ablauf der einprogrammierten Zeit t_P in 5 veranschaulicht. Der Start 27 erfolgt im allgemeinen asynchron zum NFO – Takt, so dass bis zum Auftreten der ersten Zählflanke des NFO-Taktes (siehe Pfeil 41 in 5) durch den internen Timer zunächst RCO-Takte gezählt (vergleiche Zeile Q in 5) werden. Der mit der ersten Zählflanke des NFO-Takts erzielte Zählerstand p – der hier aus dem oben genannten Grund qTo > T – noch kleiner als q sein muss, wird in dem Speicher des Mikroprozessors 1 gespeichert und danach der RCO-Takt abgeschaltet. Der Zustand des RCO ist in Zeile 42 der 5 dargestellt, wobei ”RCO on” bedeutet, dass der RCO eingeschaltet ist, und ”RCO off”, dass der RCO ausgeschaltet ist.
Nun werden durch den dann mit dem NFO-Takt verbundenen internen Timer 2 genau (M – 1) NFO-Taktperioden T gezählt (siehe Zeile P der 5) und sodann durch einen Timer-Interrupt (symbolisiert durch Pfeil 43) wieder der RCO eingeschaltet. Dieser übernimmt nun wieder die Timertaktung durch entsprechende Umschaltung des Schalters 3 für die restlichen (q – p) RCO-Takte bis zum Ende der einprogrammierten Laufzeit t_P. In Zeile 44 der 5 ist noch einmal veranschaulicht, in welchen Zeiträumen welche Periode bzw. Taktfrequenz für den Mikroprozessor maßgeblich ist, wobei To die Periode des RCO und T die Periode des NFO ist.
Da in dem überwiegenden Zeitanteil (M – 1)T, in der nur der niedrigfrequente NFO eingeschaltet ist, der Stromverbrauch der erfindungsgemäßen Schaltung sehr gering ist, lässt sich der Stromverbrauch der gesamten Anordnung während des gesamten Ablaufs der einprogrammierten Zeit t_P sehr niedrig halten.
Zur Erzielung einer hohen Laufzeitgenauigkeit ist die Frequenztoleranz der Oszillatoren NFO und RCO ohne Belang. Es ist nur eine ausreichende Kurzzeitstabilität der Ausgangsfrequenz dieser Oszillatoren notwendig, so dass die Frequenzen während Kalibrierung und Laufzeitphase übereinstimmen. Dazu ist es bei RC-Oszillatoren erforderlich, die Temperatur und die Spannungsversorgung konstant zu halten. Dies ist jedoch im Allgemeinen mit einfachen Mitteln erreichbar.
Bezugszeichenliste

1: Mikroprozessor
2: Zählereinheit (Timer)
3: Schalter
11: Zeitspanne, in der der RCO Taktgeber ist
12: Zeitspanne, in der der NFO Taktgeber ist
13: Zeitspanne, in der die externe Trägerfrequenz anliegt
21: Initialisierungsphase
22: erster Kalibrierungsschritt
23: Programmierschritt
24: zweiter Kalibrierungsschritt
25: Schritt zur Parameterberechnung
26: Pause
27: Startsignal
28: Ablauf der einprogrammierten Zeit
29: Ausgabe des Ausgangssignals durch den Mikroprozessor 1
42: Zeile
44: Zeile
10, 31, 32, 33, 34, 35, 36, 41, 43: Pfeil
A, B, C, D, Ub: Eingänge des Mikroprozessors 1
F: Ausgang des Mikroprozessors 1
K: Signalverlauf der unmodulierten Trägerfrequenz
L, N, Q: Verlauf des RCO-Signals
M, P: Verlauf des NFO-Signals
i: vorgegebener Zählerstand
n: Anzahl der NFO-Schwingungen
T: Periodendauer des NFO
To: Periodendauer des RCO
tP: einprogrammierte Zeit
X, Y: Periodenzahl von RCO-Perioden
M: Periodenzahl von NFO-Perioden (bzw. M – 1)
q, p: Periodenzahl von RCO-Perioden
V: Verhältnis

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

- DE 19525202 C1 [0005]

Claims

Verfahren zur Kalibrierung einer von außen programmierbaren elektronischen Schaltung mit einem ersten Oszillator (RCO) und mindestens einem zweiten Oszillator (NFO), wobei die zweite Frequenz (1/T) des zweiten Oszillators (NFO) kleiner ist als die erste Frequenz (1/To) des ersten Oszillators (RCO), wobei die Schaltung nach Ablauf einer programmierbaren Zeit (t_P) durch Ausgabe eines entsprechenden Ausgangssignals die Ausführung einer vorgegebenen Aktion bewirkt, wobei die Programmierung durch Modulation einer Trägerfrequenz (f_T) erfolgt, wobei anhand der bekannten Trägerfrequenz (f_T) die aktuelle Periodendauer (To) des ersten Oszillators (RCO) und ein Verhältnis (V), das dem Verhältnis aus der Periodendauer (To) des ersten Oszillators (RCO) und der Periodendauer (T) des zweiten Oszillators (NFO) entspricht, ermittelt wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass zuerst eine erste Periodenzahl (X) des ersten Oszillators (RCO) bis zu einem, durch die Trägerfrequenz (f_T) vorgegebenen Zählstand (i), der einer vorgegebenen Zeit (t_k) entspricht, gezählt und hieraus das Verhältnis (t_k/X) und somit die aktuelle Periodendauer (To) des ersten Oszillators (RCO) bestimmt wird, anschließend mit einer Anfangsflanke des zweiten Oszillators (NFO) beginnend die Perioden (To) des ersten Oszillators (RCO) bei parallel weiter arbeitendem zweiten Oszillator (NFO) so lange gezählt werden, bis zu einem ersten Zeitpunkt die ersten Periodenzahl (X) erreicht ist, und anschließend eine nächste, nach dem ersten Zeitpunkt auftretende Endflanke des zweiten Oszillators (NFO) detektiert wird, deren Richtung im Vergleich zur Anfangsflanke bestimmbar ist, wobei in dem Zeitraum beginnend mit dem ersten Zeitpunkt und bis zum Erreichen der Endflanke eine zweite Periodenzahl (Y) des ersten Oszillators (RCO) abgezählt wird, wobei sich das Verhältnis aus der ersten Periodenzahl (X) und der zweiten Periodenzahl (Y) sowie den zwischen Anfangs- und Endflanke gezählten Perioden (n) des zweiten Oszillators (NFO) ergibt.
Verfahren nach einem Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Anfangsflanke und die Endflanke des zweiten Oszillators (NFO) die gleiche Richtung aufweisen und somit das Verhältnis (V) aus n/(X + Y) ermittelt wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Frequenz (1/To) etwa 1 bis etwa 5 MHz und die zweite Frequenz (1/T) etwa 1 bis etwa 10 kHz beträgt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, dass zur Steuerung des Ablaufs der einprogrammierten Zeit (t_P) eine dritte Periodenzahl (q) des ersten Oszillators (RCO) aus q = {[FRAC(P)] + 1}/V und eine vierte Periodenzahl (M – 1) des zweiten Oszillators aus M – 1 = [INT(P)] – 1 ermittelt wird, wobei P = Vt_k/To(a + b/k) und a, b, k ganze Zahlen sind.
Verfahren zum Betreiben einer von außen programmierbaren elektronischen Schaltung, die nach Ablauf einer programmierbaren Zeit (t_P) durch Ausgabe eines entsprechenden Ausgangssignals die Ausführung einer vorgegebenen Aktion bewirkt, wobei die Programmierung durch Modulation einer hochgenauen Trägerfrequenz erfolgt, wobei die Schaltung einen ersten Oszillator (RCO) und mindestens einen zweiten Oszillator (NFO) aufweist, wobei die zweite Frequenz (1/T) des zweiten Oszillators (NFO) kleiner ist als die erste Frequenz (1/To) des ersten Oszillators (RCO), wobei nach oder während der Kalibrierung der Schaltung die Zeit (t_P) mittels der Trägerfrequenz programmiert wird, wobei nach Beendigung der Kalibrierung und einem Startsignal der Ablauf der übermittelten Zeit (t_P) dadurch erfolgt, dass eine entsprechende vierte Periodenzahl (M – 1) des zweiten Oszillators (NFO) und eine entsprechende dritte Periodenzahl (q) des höchstens zeitweise parallel arbeitenden ersten Oszillators (RCO) abgezählt werden.
Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die dritte Periodenzahl (q) und die vierte Periodenzahl (M – 1) derart gewählt werden, dass über den wesentlich größten Zeitanteil der übermittelten Zeit (t_P) die Perioden (T) des zweiten Oszillators (NFO) gezählt werden, wobei während des Ablaufs des Zeitanteils der erste Oszillator (RCO) abgeschaltet ist.
Verfahren nach einem der Ansprüche 6 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die vierte Periodenzahl (M – 1) der Zahl (M) der ganzen Perioden (T) des zweiten Oszillators (NFO), die in der einprogrammierten Zeit (t_P) enthalten sind, weniger 1 entspricht.
Verfahren nach einem der Ansprüche 6 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass der Ablauf der übermittelten Zeit (t_P) nach dem Startsignal derart erfolgt, dass zunächst bei parallel arbeitendem ersten Oszillator (RCO) und zweitem Oszillator (NFO) eine erste Ablaufzahl (p) der abgelaufenen Perioden (To) des ersten Oszillators (RCO) abgezählt wird, die nach dem Startsignal abgelaufen ist, bis eine Flanke des zweiten Oszillators (NFO) erreicht ist, anschließend der erste Oszillator (RCO) abgeschaltet wird und die vierte Periodenzahl von Perioden (T) des zweiten Oszillators (NFO) bis zum Erreichen der entsprechenden Flanke des zweiten Oszillators (NFO) abgezählt wird, nach dem Erreichen der zuletzt genannten Flanke der erste Oszillator (RCO) wieder eingeschaltet wird und abschließend die Differenzzahl (q – p) von Perioden (To) des ersten Oszillators (RCO) zwischen der in der Kalibrierung ermittelten dritten Periodenzahl (q) und der ersten Ablaufzahl (p) abgezählt wird.
Von außen programmierbare elektronische Schaltung mit einem ersten Oszillator (RCO) und einem zweiten Oszillator (NFO), wobei die zweite Frequenz (1/T) des zweiten Oszillators kleiner ist als die erste Frequenz (1/To) des ersten Oszillators, wobei die Schaltung derart eingerichtet ist, dass sie nach Ablauf einer programmierbaren Zeit (t_P) durch Ausgabe eines entsprechenden Ausgangssignals die Ausführung einer vorgegebenen Aktion bewirkt, wobei die Programmierung durch Modulation einer Trägerfrequenz erfolgt, mit der die Schaltung während der Programmierung zumindest zeitweise verbunden ist, wobei eine Abzähleinheit, welche entweder mit dem ersten Oszillator (RCO) oder dem zweiten Oszillator (NFO) verbindbar ist, sowie Mittel zur Durchführung eines der in den Ansprüchen 1 bis 5 angegebenen Verfahren und Mittel zur Durchführung eines der in den Ansprüchen 6 bis 9 angegebenen Verfahren vorgesehen sind.
Elektronische Schaltung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Frequenz (1/To) etwa 1 MHz bis etwa 5 MHz und die zweite Frequenz (1/T) etwa 1 kHz bis etwa 10 kHz beträgt.