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Die Erfindung betrifft ein Zeitgebermodul bzw. einen Timer, der in einem Mikrocontroller eingesetzt werden kann und einen Mikrocontroller mit einem solchen Zeitgebermodul.
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Stand der Technik
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Als Zeitgeber bzw. Timer werden Steuerbausteine bezeichnet, die zur Realisierung von unterschiedlichen zeitbezogenen Funktionen eingesetzt werden. Zeitgebermodule bzw. -bausteine umfassen regelmäßig einen oder mehrere unterschiedliche Zeitgeber, die unabhängig voneinander betrieben werden können. Mögliche Einsatzgebiete sind Impulsgeneratoren, Taktgeber, Einheiten zur Zeitmessung und Referenzzeitgeber für Ereigniszähler. Zeitgeber können grundsätzlich in Software oder Hardware realisiert werden.
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Die Druckschrift
DE 10 2007 044 803 A1 beschreibt eine Schaltungsanordnung, die wenigstens ein Zeitgebermodul zum Bereitstellen einer Zeitbasis an mehrere damit verbundene Zeitsteuermodule aufweist. Die Schaltungsanordnung dient zur Signalaufnahme und Signalerzeugung. In dem Zeitgebermodul werden ein oder mehrere Eingangssignale abhängig von einem Takt aufgenommen und/oder gezählt und abhängig davon werden ein oder mehrere Ausgangssignale erzeugt. In der Schaltungsanordnung ist weiterhin eine sogenannte Zeit-Routing-Einheit vorgesehen, die eine effiziente, auf einer oder mehreren Zeitbasen basierende Signalauswertung ermöglicht.
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Mikrocontroller werden in vielen Fällen zur Steuerung technischer Abläufe eingesetzt. Hierzu ist es in vielen Fällen erforderlich, eine Regelung physikalischer Größen vorzunehmen. Hierzu werden sogenannte Regelkreise eingesetzt. Als Regelkreis wird ein in sich geschlossener Wirkungsablauf für die Beeinflussung einer physikalischen Größe in einem Prozess bezeichnet. Wesentlich hierbei sind die Rückführung des aktuellen Wertes an den Regler und ein kontinuierlicher Soll-Ist-Vergleich.
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Es sind Regelkreise bekannt, die in Verbindung mit Zeitgebern zum Einsatz kommen. Dabei wird die Tatsache genutzt, dass bekannte Zeitgeber Bausteine, wie bspw. PWM-Generatoren, aufweisen, die in einem Regelkreis eingesetzt werden können. Solche Zeitgeber werden bspw. in Verbindung mit Peripherieprozessoren betrieben. Hierfür sind regelmäßig eigenständige Hardwarebausteine speziell für Regelkreise vorgesehen. Weiterhin ist es bekannt, einen direkten Zugriff der zentralen Recheneinheit (CPU) auf den Zeitgeber zur Regelung zu gewähren. Dabei ist zu beachten, dass der Zugriff der CPU auf Zeitgebervergleichswerte schnell erfolgen muss, insbesondere wenn Ergebnisse einer AD-Wandlung mit in die Zeitgeberstrukturen einbezogen werden sollen.
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Bei Regelkreisen mit Zeitgebern ist zu beachten, dass diese Regelkreise bei bekannten Realisierungen mit langen Latenzzeiten verbunden sind, da jeder Kanal nacheinander abgearbeitet wird bzw. die CPU oder Peripherieprozessoren über langsame Buszugriffe auf den Zeitgeber zugreifen. Wenn von einem internen AD-Wandler die Ergebnisse ausgelöst werden, dann muss die Wandlungszeit und die Verzögerung durch Triggerung des AD-Wandlers miteinbezogen werden. Regler, bei denen die CPU eingreift, benötigen noch länger, da auch die Hauptanwendung ausgeführt wird und einige Interrupts für andere Echtzeitfunktionen zu sogenannten worst-case-Verzögerungen führen.
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Offenbarung der Erfindung
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Vor diesem Hintergrund wird ein Zeitgebermodul mit den Merkmalen des Anspruchs 1 und ein Mikrocontroller gemäß Anspruch 9 vorgestellt. Ausführungen ergeben sich aus den abhängigen Ansprüchen und der Beschreibung.
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Mit dem vorgestellten Zeitgebermodul sind kurze Latenzzeiten möglich und somit können Regler dargestellt werden, die bislang in der Peripherie in Hardware aufgebaut werden mussten oder nur mit sehr schnellen Mikrocontrollern zu realisieren waren. Dadurch können Einsparungen in der Peripherie erreicht werden, da für die Regelung keine eigenen Bausteine notwendig sind. Hinzu kommt, dass keine speziellen Module im Mikrocontroller verwendet werden. Die vorhandenen Eingangs-, Verarbeitungs- und Ausgangsmodule können die Anforderungen erfüllen. Die Formulierung „eigene Recheneinheit” bringt zum Ausdruck, dass in dem Zeitgebermodul, unabhängig von der CPU des Mikrocontrollers oder von anderen externen Prozessoren, eine insbesondere für die Regelung vorgesehene Recheneinheit vorgesehen ist, die in dem Zeitgebermodul integriert ist.
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Dabei sind mit dem beschriebenen Zeitgebermodul, das als Bestandteil eine eigene Recheneinheit aufweist, schnelle Regelungen zu erreichen. Die Recheneinheit ist dabei in einen typischerweise geschlossenen Regelkreis eingebunden. Weitere Komponenten des Zeitgebermoduls, wie bspw. PWM-Generatoren und ein oder ggf. mehrere Eingangsmodule, werden ebenfalls miteinbezogen. Die Recheneinheit kann wiederum über mehrere Kanäle verfügen, dass bedeutet, dass mit der Recheneinheit voneinander unabhängige, der Anzahl der Kanäle entsprechende Funktionen durchgeführt werden können. So ist es möglich, zeitgleich mehrere Größen zu regeln.
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Weitere Vorteile und Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus der Beschreibung und den beiliegenden Zeichnungen.
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Es versteht sich, dass die voranstehend genannten und die nachstehend noch zu erläuternden Merkmale nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar sind, ohne den Rahmen der vorliegenden Erfindung zu verlassen.
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Kurze Beschreibung der Zeichnung
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1 zeigt eine Ausführungsform des beschriebenen Mikrocontrollers.
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Ausführungsform der Erfindung
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Die Erfindung ist anhand einer Ausführungsform in der Zeichnung schematisch dargestellt und wird nachfolgend unter Bezugnahme auf die Zeichnungen ausführlich beschrieben.
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In 1 ist in einem Blockschaltbild eine Ausführung des beschriebenen Mikrocontrollers, insgesamt mit der Bezugsziffer 10 bezeichnet, dargestellt. Dieser Mikrocontroller weist ein Zeitgebermodul 12 auf, das ein Eingangsmodul 14 sowie einen ersten PWM-Generator 16 und einen zweiten PWM-Generator 18 umfasst. Weiterhin ist in dem Mikrocontroller 10 eine zentrale Recheneinheit bzw. CPU 20 vorgesehen. Der Mikrocontroller 10 gibt über einen Ausgang 22 ein Signal an einen Aktor 24, bspw. eine Endstufe oder ein Ventil, aus. Der Aktor 24 wiederum gibt eine Regelgröße 26, üblicherweise eine physikalische Größe, wie bspw. Strom, Spannung, Temperatur usw., aus, die von einem Fühler 28 erfasst wird.
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An einem zweiten Ausgang 30 wird ein weiteres Signal an einen DA-Wandler 32 ausgegeben. Weiterhin ist ein Komparator 34 vorgesehen, dessen Ausgang mit dem Eingangsmodul 14 verbunden ist. Auf diese Weise entsteht ein geschlossener Regelkreis 40. In der Darstellung der 1 ist nur ein Eingangsmoduls 14 dargestellt, das in diesem Fall mindestens einen digitalen Filter aufweist. Selbstverständlich können auch mehrere Eingangsmodule 14 vorgesehen sein.
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Das Zeitgebermodul 12 weist weiterhin eine Recheneinheit 50 auf, die über einen ersten RAM-Bereich 52 und einen zweiten RAM-Bereich 54 verfügt. Grundsätzlich kann die Recheneinheit 50 auch nur über einen RAM-Bereich oder über mehr als zwei RAM-Bereiche verfügen. Die Recheneinheit 50 ist in dem Zeitgebermodul 12 integriert und ist wesentlicher Bestandteil des geschlossenen Regelkreises 40. Es handelt sich hierbei in der dargestellten Ausführung um eine eigenständige Recheneinheit 50 in dem Zeitgebermodul 12 in dem Mikrocontroller 10, die unabhängig von der CPU 20 arbeiten kann.
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Die Recheneinheit 50 ist für unterschiedliche Funktionen vorgesehen, wie bspw. die Berechnung von PWM-Werten oder die Verarbeitung von Eingangssignalen. In der dargestellten Ausführung verfügt die Recheneinheit über acht Kanäle, die alle unabhängig voneinander Funktionen abarbeiten können. Je nach Anforderung kann die Recheneinheit 50 einen Kanal oder mehrere Kanäle umfassen.
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In der Anwendung steuert die Recheneinheit 50 den ersten PWM-Generator 16, der über den externen DA-Wandler 32 einen Sollwert an einen ersten Eingang 60 des Komparators 34 anlegt. Bei dem DA-Wandler 32 handelt es sich in einer möglichen Ausführung um ein RC-Glied mit einem Widerstand und einem Kondensator. Der zweite PWM-Generator 18 steuert den Aktor 24 für die Regelgröße 26, wie z. B. Strom, Spannung, Temperatur, Drehzahl eines Motors usw. Über den Fühler 28 oder Sensor wird der Istwert an einen zweiten Eingang 62 des Komparators 34 geführt. Ist die Schaltschwelle des Komparators 34 erreicht, d. h. Istwert > Sollwert, wird das Ausgangssignal des Komparators 34 über das Eingangsmodul 14 des Zeitgebers 12 an die Recheneinheit 50 geleitet.
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Die in dem Eingangsmodul 14 vorhandenen digitalen Filter können verwendet werden, um Signalstörungen zu unterdrücken oder um eine minimale Ein- und Ausschaltzeit zu definieren. Die Recheneinheit 50 als eigenständiger Prozessor in dem Zeitgebermodul 12 steuert dann die Regelung und verändert die Stellgröße. Die Führungsgröße bzw. die Regelparameter ist bzw. sind in dem ersten RAM-Bereich 52 abgelegt. Dies trifft auch auf das Programm der Recheneinheit 50 zu. Sind neue Parameter oder eine neue Führungsgröße von dem Mikrocontroller 10 gefordert, schreibt die CPU 20 asynchron in den zweiten RAM-Bereich 54 die neuen Daten. Mittels eines Triggers kann die Recheneinheit 50 dann synchron umgeschaltet werden. Die Recheneinheit 50 arbeitet dann mit den neuen Daten. Dies kann während der Laufzeit erfolgen. Auf diese Weise kann auch auf sich ändernde äußere Einflüsse geeignet reagiert werden.
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Da für die Regelung selbst es nicht erforderlich ist, dass die CPU 20 eingreift und dass daher die Berechnung und die Ansteuerung der PWM-Ausgabe nicht durch Interrupts oder langsame Zugriffszeiten beeinflusst wird, können kurze Regelzeiten erreicht werden. Es kann weiterhin ein Triggermechanismus in der Recheneinheit 50 vorgesehen ist, mit dem es möglich ist, einen weiteren Kanal der Recheneinheit 50 zu triggern, wenn bspw. eine bestimmte Regelgröße erreicht ist. Dieser weitere bzw. zweite Kanal kann dann z. B. einen weiteren Regler starten. Dies kann sich auch fortsetzen.
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Es ist weiterhin durchführbar, Signale, wie bspw. die Führungsgröße an dem Komparator 34, die Stellgröße an dem Aktor 24, die Regelgröße oder den Ausgang des Komparators 34, von dem Komparator 34 parallel über weitere Eingangsmodule zu einem zweiten Kanal der Recheneinheit 50 zu führen und zu überwachen. Im Fehlerfall kann dieser Kanal dann den eigentlichen Regelkanal sperren oder die PWM-Werte auf einen sicheren Pegel setzen, um einen abgesicherten Betrieb zu gewährleisten.
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Die vorgestellte Recheneinheit 50, die auch lediglich als Schaltungsanordnung betrachtet werden kann, ist in dem Zeitgebermodul 12 integriert und geeignet zur Verarbeitung von Daten für den geschlossenen Regelkreis 40. Parameter, die die Funktion der Recheneinheit 50 bestimmen, können zur Laufzeit konfiguriert werden. Mit der dargestellten Recheneinheit 50 ist sichergestellt, dass die Regelung nicht durch Zugriffe von und auf die CPU 20 oder durch Interrupts gestört oder gar unterbrochen wird.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102007044803 A1 [0003]
