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Analog-Digital-Wandler (ADWs) werden Anwendungen verwendet, die eine Umwandlung von analogen Signalen in ein digitales Datenformat zur weiteren Verarbeitung erfordern. Beispielsweise kann ein ADW einer Messvorrichtung ein analoges Eingangssignal aus Messdaten in einen digitalen Datenstrom zur Übertragung an einen Controller umwandeln.
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Der Controller kann interne Ereignisse und externe Ereignisse erfahren. Ein internes Ereignis bezieht sich auf eine bekannte Taktquelle (z.B. einen On-Chip-Zeitgeber). Ein externes Ereignis bezieht sich auf eine unbekannte Taktquelle (z.B. eine externe Taktquelle). Wenn der Controller und die Messvorrichtung in einem gleichen Halbleiterchip ausgebildet sind, können sich ihre Operationen auf einen gleichen On-Chip-Zeitgeber beziehen. Falls jedoch die Messvorrichtung und der Controller in separaten Halbleiterchips ausgebildet sind, kann die Taktquelle der Messvorrichtung dem Controller unbekannt sein, und somit würden die Messvorrichtung und der Controller keinen gemeinsamen Begriff von Zeit besitzen.
- 1 veranschaulicht ein Schemadiagramm eines Systems gemäß Aspekten der Offenbarung.
- 2 veranschaulicht ein Beispiel von Zeitsteuerbeziehungen zwischen Daten und Ereignissen gemäß Aspekten der Offenbarung.
- 3 veranschaulicht ein Beispiel eines Kommunikationsrahmens für einen Mehrkanalbetrieb.
- 4 veranschaulicht einen Speicher gemäß Aspekten der Offenbarung.
- 5 veranschaulicht ein Flussdiagramm eines Verfahrens gemäß Aspekten der Offenbarung.
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Die vorliegende Offenbarung konzentriert sich auf das Verarbeiten von digitalen Daten bezüglich externer Ereignisse, das heißt Ereignisse, die sich auf eine unbekannte Taktquelle beziehen. Ein Analog-Digital-Wandler (ADW) in einer Messvorrichtung wandelt ein analoges Signal in einen modulierten digitalen Datenstrom zur Übertragung an einen Controller um. Der Controller muss die spezifische Erfassungszeit des analogen Signals nicht kennen, aber stattdessen eine Zeitsteuerbeziehung zwischen den digitalen Daten und verwandten Ereignissen. Die Messvorrichtung gestattet dem Controller, diese Zeitsteuerbeziehung durch Kombinieren des modulierten digitalen Datenstroms und verwandter Ereignisanzeigedaten in einen Kommunikationsrahmen zu bestimmen.
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1 veranschaulicht ein Schemadiagramm eines Systems 100 gemäß Aspekten der Offenbarung.
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Das System 100 umfasst eine Messvorrichtung 110 und einen Controller 120. Die Messvorrichtung 110 ist ausgebildet zum Liefern von digitalen Daten an den Controller 120. Die Messvorrichtung 110 und der Controller 120 können in separaten Halbleiterchips ausgebildet sein.
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Falls das Schalten eines Leistungsschalters S ein Ereignis ist und ein Strom durch eine mit diesem Leistungsschalter S verbundene Last gemessen wird, ist die Zeitsteuerbeziehung zwischen dem Schalten und der Analog-Digital-Umwandlung wichtig.
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Die Messvorrichtung 110 umfasst einen Analog-Digital-Wandler (ADW) 112, einen Ereignisdetektor 116, eine Kommunikationsschnittstelle 118 und einen optionalen Datenprozessor 114.
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Der ADW 112 ist ausgebildet zum Umwandeln eines analogen Signals in einen modulierten digitalen Datenstrom. Der ADW 112 kann ein Impulsbreitenmodulations(PWM)-Generator, ein Impulsdichtenmodulations(PDM)-Generator, ein Sigma-Delta(SD)-Modulator, ein Delta-Modulator oder dergleichen sein.
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Der Ereignisdetektor 116 ist ausgebildet zum Generieren von Ereignisanzeigedaten auf Basis eines Ereignisses, das das analoge Signal oder die digitalen Daten betrifft. Die Ereignisanzeigedaten können das Schalten des Leistungsschalters S sein und können zusätzlich Statusinformationen der Messvorrichtung 110 umfassen.
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Die Kommunikationsschnittstelle 118 ist ausgebildet zum Kombinieren des modulierten digitalen Datenstroms und der Ereignisanzeigedaten in einen oder mehrere Kommunikationsrahmen und zum Übertragen des einen oder der mehreren Kommunikationsrahmen an den Controller 120. Die Kommunikationsschnittstelle 118 ist ausgebildet zum Kombinieren des digitalen Datenstroms und der Ereignisanzeigedaten von mehreren analogen Signalen oder von mehreren Ereignissen in den Kommunikationsrahmen. Außerdem umfasst die Kommunikationsschnittstelle 118 einen Puffer 118B, der ausgebildet ist zum Puffern des kombinierten digitalen Datenstroms und der Ereignisanzeigedaten, wenn die Kommunikationsschnittstelle 118 mit dem Übertragen anderer Daten beschäftigt ist. Es kann getrennte Puffer für ADW-bezogene Daten und Ereignis- oder Statusdaten geben. Alternativ kann es eine unterschiedliche Anzahl an Pufferstufen für ADW-bezogene Daten und Ereignis- oder Statusdaten geben.
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Die Kommunikationsschnittstelle 118 kann ausgebildet sein zum Kombinieren eines einzelnen Worts des modulierten digitalen Datenstroms und eines verwandten einzelnen Ereignisworts der Ereignisanzeigedaten in den Kommunikationsrahmen. Alternativ kann die Kommunikationsschnittstelle 118 ausgebildet sein zum Kombinieren von mehreren Worten des modulierten digitalen Datenstroms (in einem Mehrkanalbetrieb) und mit einem verwandten einzelnen Wort der Ereignisanzeigedaten in den Kommunikationsrahmen (z.B. könnten sich zwei Kanäle auf das gleich Ereignisanzeigedatenwort beziehen). Alternativ kann die Kommunikationsschnittstelle 118 ausgebildet sein zum Kombinieren eines einzelnen Worts des modulierten digitalen Datenstroms und von mehreren verwandten Ereignisanzeigeworten der Ereignisanzeigedaten in den Kommunikationsrahmen. Die Kommunikationsschnittstelle 118 kann ausgebildet sein zum Kombinieren von mehreren Worten des modulierten digitalen Datenstroms in einen einzelnen Kommunikationsrahmen. Es gibt kein erforderliches Format, außer dass die Kombination von Informationen während der vollständigen Kommunikationsübertragung von der Messvorrichtung 110 zu dem Controller 120 in einer definierten Beziehung zueinander bleiben sollten. Einige Kommunikationsrahmen können modulierte digitale Datenworte umfassen, während andere Kommunikationsrahmen Ereignis- oder Statusinformationen umfassen können. Hier kann die Beziehung über eine Sequenz von Kommunikationsrahmen bereitgestellt werden. Die definierte Beziehung kann eine Beziehung zwischen X Worten von ADW-bezogenen Daten zu Y Worten von Ereignis- oder Statusdaten beinhalten (X kann gleich Y sein, oder X kann größer als Y sein, wobei X/Y konstant oder variabel ist). Falls ADW-bezogene Daten und Ereignis- oder Statusdaten in einen einzelnen Kommunikationsrahmen kombiniert werden, kann die Beziehung durch die Position der Datenworte in dem Kommunikationsrahmen definiert werden.
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Der optionale Datenprozessor 114 ist ausgebildet zum Reduzieren des modulierten digitalen Datenstroms um einen Überabtastfaktor OSR1 auf einen bandbreitenreduzierten modulierten digitalen Datenstrom für eine effizientere Übertragung. Der Datenprozessor 114 kann einen Dezimator 114D umfassen, der die Reduktion durchführt. Der Ereignisdetektor 116 (oben erörtert) kann von dem Datenprozessor 114 getrennt sein oder alternativ ein Teil davon sein.
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Der Controller 120 umfasst eine Kommunikationsschnittstelle 128, einen Datenprozessor 124, einen Speicher 121, einen Ereignisdetektor 126 und einen Zeitgeber 122.
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Die Kommunikationsschnittstelle 128 ist ausgebildet zum Empfangen eines oder mehrerer Kommunikationsrahmen mit modulierten digitalen Daten und/oder verwandten Ereignisanzeigedaten von der Messvorrichtung 110. Diese modulierten digitalen Daten können bandbreitenreduzierte modulierte digitale Daten sein, wie oben erörtert.
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Die Kommunikationsschnittstelle des Systems 100 besteht aus der Senderkommunikationsschnittstelle 118 (in der Messvorrichtung 110) und der Empfängerkommunikationsschnittstelle 128 (in dem Controller 120). Die Systemkommunikationsschnittstelle ist eine serielle Kommunikationsschnittstelle, die gemäß standardmäßigen Kommunikationsprotokollen und physikalischen Schichten arbeiten kann, wie etwa HSSL (High Speed Serial Link), schnelles UART (Universal Asynchronous Receiver-Transmitter), SPI, Ethernet usw. Die Systemkommunikationsschnittstelle kann LVDS (Low Voltage Differential Signaling) als physikalische Schicht verwenden. Die Übertragungsbandbreite kann dadurch signifikant und auf weniger Kommunikationsleitungen zwischen der Messeinrichtung 110 und dem Controller 120 erhöht werden.
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Die Kommunikationsrahmen-Übertragungszeitsteuerung ist aufgrund von Reaktionszeiten und Jitter nicht genau vorhersagbar, insbesondere falls die Kommunikationsschnittstelle 118 auch zum Transferieren anderer Arten von Daten wie etwa Konfigurations- oder Statusdaten verwendet wird oder von mehreren Kommunikationspartnern geteilt wird. In diesem Fall kann die verfügbare Bandbreite der Kommunikationsschnittstelle 118 zwischen mehreren Arten von Datenrahmen oder Kommunikationspartnern geteilt werden. Falls die Übertragungszeitsteuerung konstant ist, könnte eine konstante Laufzeit angenommen werden. In den meisten Fällen ist die Zeitsteuerung für die Übertragung von ADW-betreffenden Daten jedoch nicht konstant, und das Jitter kann zu Datenfehlinterpretation nicht nur der digitalen Daten selbst, sondern auch der Erfassungszeit für die analogen Daten der Messvorrichtung führen. Das Markieren der digitalen Daten mit den Ereignisanzeigedaten gestattet Flexibilität bei der Kommunikationsrahmen-Übertragungszeitsteuerung, um zwischen dem Begriff von Zeit und Daten eine Übereinstimmung sicherzustellen. Dies impliziert auch, dass unterschiedliche Arten von Datenrahmen oder Kommunikationspartnern sich eine Kommunikationsschnittstelle 118 und 128 teilen können. Außerdem wird die Verwendung von existierenden, zeitlich unvorhersagbaren Kommunikationsschnittstellen ohne die Notwendigkeit für dedizierte Kommunikationsschnittstellen möglich. Die Transfers von Kommunikationsrahmen können auf einer regulären Zeitbasis basiert sein oder können ereignisgetrieben sein (z.B. sind die Informationen des modulierten Datenstroms nur zwischen zwei Ereignissen oder in einem definierten Zeitintervall gültig). Die Transfers von Kommunikationsrahmen können durch den Sender oder durch den Empfänger ausgelöst oder gesteuert werden (entweder der eine oder der andere kann der Kommunikationsmaster sein). Der Kommunikationsrahmen kann ein Kennungsfeld umfassen, das anzeigt, welche Art von Daten (oder von welchem Kommunikationspartner) in den Rahmen übertragen wird. Solche Kennungen können die Verarbeitung der empfangenen Daten durch den Controller vereinfachen und können auch zum Herstellen der Beziehung zwischen dem ADW-bezogenen Daten und Ereignis- oder Statusdaten verwendet werden. Die in den empfangenen Rahmen enthaltenen Datenworte können zu einem oder mehreren Datenprozessoren oder Ereignisdetektoren in dem Controller auf Basis ihrer Position in dem Rahmen und/oder der empfangenen Kennungen verteilt werden. Falls sich insbesondere mehrere Kommunikationspartner (z.B. zwei oder mehr Messvorrichtungen) eine Kommunikationsschnittstelle zu einem Controller teilen, ist es wichtig, die empfangenen Informationen in dem Controller zur weiteren Behandlung korrekt zu verteilen.
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Der Datenprozessor 124 ist ausgebildet zum Verarbeiten der modulierten digitalen Daten zu verarbeiteten digitalen Daten. Der Datenprozessor 124 umfasst einen Dezimator 124D, der ausgebildet ist zum Dezimieren der modulierten digitalen Daten um einen Überabtastfaktor OSR2, um eine Aktualisierungsrate der verarbeiteten digitalen Daten zu reduzieren.
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Der Ereignisdetektor 126 ist ausgebildet zum Detektieren von Ereignissen in den Ereignisanzeigedaten. Der Ereignisdetektor 126 kann von dem Datenprozessor 124 getrennt sein oder alternativ einen Teil davon bilden, solange die modulierten digitalen Daten und die Ereignisanzeigedaten vor einer weiteren Behandlung getrennt werden können.
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Der Zeitgeber 122 ist ausgebildet zum Generieren von Zeitstempeln, die anzeigen, wann die verarbeiteten digitalen Daten und die Ereignisanzeigedaten von dem Controller 120 empfangen werden, entweder an der Kommunikationsschnittstelle 128 oder dem Zeitgeber 122, was mehr oder weniger identisch sein sollte. Die genaue Zeit, wann die digitalen Daten und Ereignisanzeigedaten empfangen werden, ist hier nicht wichtig, aber die Zeitsteuerbeziehungen zwischen dem Empfang der verarbeiteten digitalen Daten und der Ereignisanzeigedaten. Falls beispielsweise die Zeit zwischen einem ersten und zweiten Ereignis 10 ms beträgt, ist bekannt, dass die verarbeiteten digitalen Daten zu diesem Zeitintervall gehören. Weiterhin können verarbeitete digitale Daten für eine weitere Behandlung in Betracht gezogen oder verworfen werden, falls sie innerhalb oder außerhalb eines durch die Ereignisinformationen definierten Intervalls liegen.
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Der Speicher 121 ist ausgebildet zum Speichern der verarbeiteten digitalen Daten und der verwandten Ereignisanzeigedaten für die Weiterverarbeitung. Der Speicher 121 kann ausgebildet sein zum Speichern der verarbeiteten digitalen Daten und der Ereignisanzeigedaten zusammen mit den Zeitsteuerdaten. Der Speicher 121 kann weiterhin ausgebildet sein zum Speichern der verarbeiteten digitalen Daten und der Ereignisanzeigedaten in den gleichen oder in verschiedenen Formaten. Ein Beispiel für diesen Speicher 121 ist in 4 gezeigt, die unten beschrieben ist.
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Das Partitionieren des Datenprozessors in den optionalen Datenprozessor 114 der Messvorrichtung und den Datenprozessor 124 des Controllers, wodurch der Überabtastfaktor in getrennte Faktoren OSR1 und OSR2 aufgeteilt wird, reduziert die zum Übertragen des Kommunikationsrahmens erforderliche Bandbreite. Es besteht ein Kompromiss zwischen der Übertragungsbandbreite und der Zeitsteuergranularität der übertragenen Daten. Das Übertragen des modulierten digitalen Datenstroms in vollständig undezimierter Form dadurch, dass der Datenprozessor 114 nicht enthalten ist, ist ebenfalls möglich, erfordert aber mehr Bandbreite.
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Dieses Partitionieren führt dazu, dass es schwierig ist, die Zeitsteuerbeziehung zwischen den Ereignissen an der Messvorrichtung 110 und der Verfügbarkeit der dezimierten Daten im Controller 120 zu erhalten. Dies ist besonders dann der Fall, wenn die Kommunikationsschnittstelle 118 nicht auf einer äquidistanten Zeitbasis überträgt, sondern stattdessen immer dann, wenn der Kommunikationskanal verfügbar ist; der Kommunikationskanal könnte mit anderen Datenquellen geteilt werden. Infolgedessen gibt der Zeitpunkt, wenn dezimierte digitale Daten in dem Controller 120 verfügbar sind, nicht notwendigerweise den Zeitpunkt eines Ereignisses in der Messvorrichtung 110 an.
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Dass die Kommunikationsschnittstelle 118 der Messvorrichtung 110 den modulierten digitalen Datenstrom (entweder mit voller Bandbreite oder reduzierter Bandbreite) mit den Ereignisanzeigedaten zu einem gemeinsamen Kommunikationsrahmen oder getrennten Rahmen mit einer definierten Beziehung zueinander kombiniert, löst dieses Problem. In dem Controller 120 können die modulierten digitalen Daten und die Ereignisanzeigedaten wieder durch die Kommunikationsschnittstelle 128 geteilt und getrennt behandelt werden; die modulierten digitalen Daten werden durch den Dezimator 124D des Datenprozessors 124 dezimiert, und die Ereignisdaten werden durch den Ereignisdetektor 126 detektiert und durch den Zeitgeber 122 zeitgestempelt.
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Ein Beispiel des Systems 100 kann einen Sigma-Delta(SD)-ADW beinhalten. Ein SD-ADW umfasst einen Delta-Sigma-Modulator gefolgt von einem Dezimationsfilter. Das Ziel der Delta-Sigma-Modulation ist das Erreichen einer höheren Auflösung der verarbeiteten Daten im Vergleich zu anderen Arten von ADW (z.B. von dem SAR(Successive Approximation Register)-Typ). Die Genauigkeit dieser Modulation wird verbessert, indem ein digitaler Ausgang durch einen N-Bit-DAW (N kann 1 oder höher sein) geschickt und das resultierende analoge Signal zu dem Eingangssignal (das Signal vor der Delta-Modulation) addiert wird (Sigma), wodurch ein etwaiger, durch die Delta-Modulation eingeführter Fehler reduziert wird. In einem derartigen Beispiel kann der ADW 112 ein SD-Modulator sein, bei dem modulierten digitalen Datenstrom kann es sich um SD-Daten handeln, der Datenprozessor 112 kann ein erster SD-Demodulator sein, bei dem bandbreitenreduzierten modulierten digitalen Datenstrom kann es sich um vordezimierte SD-Daten handeln, der Datenprozessor 124 kann ein zweiter SD-Demodulator sein und bei den verarbeiteten digitalen Daten kann es sich um dezimierte digitale Daten handeln.
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2 veranschaulicht ein Beispiel 200 der Zeitsteuerung zwischen Daten und Ereignissen M-1, M und M+1 gemäß Aspekten der Offenbarung. Die Ereignisse können beispielsweise Schaltereignisse sein. Das gekrümmte Signal stellt ein analoges Laststromsignal dar, und die Kreise zeigen digitale Daten an, die aus einer Analog-Digital-Umwandlung des analogen Laststromsignals resultieren. Das Rechteckwellensignal des modulierten digitalen Datenstroms kann beispielsweise ein PWM-Signal sein.
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3 veranschaulicht ein Beispiel eines Kommunikationsrahmens 300 für einen Mehrkanalbetrieb.
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Der Kommunikationsrahmen 300 umfasst die kombinierten Ereignisanzeigedaten (Ex, Ey und Ez) und die modulierten digitalen Daten Dx, Dy und Dz für drei Kanäle x, y und z. In diesem Beispiel betreffen die Ereignisanzeigedaten Ex und die modulierten digitalen Daten Dx den Kanal x usw. Die Reihenfolge der Daten ist lediglich ein Beispiel, und die Bitbreiten der Daten sind nicht beschränkt. Das Kommunikationsrahmenformat kann andere Arten von Daten umfassen, wie etwa Status- oder Steuerdaten. Das Kommunikationsrahmenformat ist nicht beschränkt, vorausgesetzt die Bandbreite und Wiederholrate des Kommunikationsrahmens 300 gestattet einen korrekten Systembetrieb.
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Die Ereignisanzeigen Ex, Ey und Ez können Statusinformationen über die Arbeitsbedingung der Messvorrichtung, wie etwa Stromversorgung, Temperatur oder eine beliebige andere Art von Statusinformationen, enthalten. Diese zusätzlichen Informationen können zusammen mit einem Zeitstempel für das Ereignis gespeichert werden.
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Weiterhin kann der Kommunikationsrahmen 300 ein einzelnes Wort der modulierten digitalen Daten und ein verwandtes einzelnes Wort der Ereignisanzeigedaten umfassen. Alternativ kann der Kommunikationsrahmen 300 mehrere Worte der modulierten digitalen Daten und ein verwandtes einzelnes Wort der Ereignisanzeigedaten umfassen. Alternativ kann der Kommunikationsrahmen 300 ein einzelnes Wort von modulierten digitalen Daten und mehrere verwandte Worte von Ereignisanzeigedaten umfassen.
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4 veranschaulicht einen Speicher 400 gemäß Aspekten der Offenbarung.
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Der Speicher 400 veranschaulicht ein Beispiel der Struktur der Daten für Kanal x, y oder z, die zu dem Speicher 121 für eine nachfolgende Behandlung durch einen Prozessor transferiert werden. Das Datenformat für verarbeitete digitale Daten, Ereignisanzeigedaten und Zeitstempel kann gestatten, dass der Prozessor einfacher nach neuen Zeitstempeln sucht. Beispielsweise können die verarbeiteten digitalen Daten, Ereignisdaten und die Zeitstempel in zeitlicher Reihenfolge erscheinen, um sicherzustellen, dass die verarbeiteten digitalen Daten mit korrekten Zeitsteuerbeziehungen bezüglich Ereignissen abgerufen werden.
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5 veranschaulicht ein Flussdiagramm 500 eines durch das System 100 durchgeführten Verfahrens gemäß Aspekten der Offenbarung.
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In Schritt 510 das Transformieren eines analogen Signals durch einen ADW 112 in einen modulierten digitalen Datenstrom.
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In Schritt 520 das Generieren von Ereignisanzeigedaten durch einen Ereignisdetektor 116 auf Basis eines Ereignisses, das das analoge Signal oder die digitalen Daten betrifft.
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In Schritt 530 das Kombinieren des modulierten digitalen Datenstroms und der Ereignisanzeigedaten durch eine Kommunikationsschnittstelle 118 in einen Kommunikationsrahmen oder eine Sequenz von Kommunikationsrahmen mit einer definierten Beziehung zueinander.
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In Schritt 540 das Übertragen des oder der Kommunikationsrahmen durch die Kommunikationsschnittstelle 118.
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In Schritt 550 das Empfangen des oder der Kommunikationsrahmen durch eine Kommunikationsschnittstelle 128.
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In Schritt 560 das Verarbeiten der modulierten digitalen Daten durch einen Datenprozessor 124 zu verarbeiteten digitalen Daten.
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In Schritt 570 das Speichern der verarbeiteten digitalen Daten und der verwandten Ereignisanzeigedaten durch einen Speicher 121 zur weiteren Verarbeitung.
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Die Aspekte der vorliegenden Offenbarung sind insofern vorteilhaft, als die modulierten digitalen Daten und Ereignisanzeigedaten kombiniert werden, um sicherzustellen, dass Effekte aufgrund von Gruppenlaufzeit und Datentransfer über einen Kommunikationskanal kompensiert werden können. Außerdem kann die Zeitsteuerbeziehung zwischen Ereignissen und dem ursprünglichen analogen Signal rekonstruiert werden.
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Wenngleich das oben gesagte in Verbindung mit einem Ausführungsbeispiel beschrieben worden ist, versteht es sich, dass der Ausdruck „beispielhaft“ lediglich als ein Beispiel gedacht ist, anstatt das Beste oder Optimale. Dementsprechend soll die Offenbarung Alternativen, Modifikationen und Äquivalente, die innerhalb des Schutzbereichs der Offenbarung enthalten sein können, abdecken.
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Obwohl spezifische Ausführungsformen hier dargestellt und beschrieben worden sind, versteht der Durchschnittsfachmann, dass eine Vielzahl an alternativen und/oder äquivalenten Implementierungen für die gezeigten und beschriebenen spezifischen Ausführungsformen substituiert werden kann, ohne von dem Schutzbereich der vorliegenden Offenbarung abzuweichen. Die vorliegende Offenbarung soll alle Adaptationen oder Variationen der hierin erörterten spezifischen Ausführungsformen abdecken.
