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Die
Erfindung betrifft einen batteriebetriebenen Verbrauchszähler mit
einem Mikro-Controller und Bausteinen zur Realisierung einer Zustandsmaschine.
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Mikro-Controller
werden in vielen Vorrichtungen zur Erfassung und Verarbeitung von
Meßdaten verwendet.
Als Beispiel seien elektronische Verbrauchszähler genannt, bei denen Mikro-Controller verwendet
werden, um die Signale eines Sensors zu verarbeiten, der dazu dient,
eine Größe zu erfassen, die
den Verbrauch definiert. Der Sensor kann z.B. aus einem Durchflußwandler,
einer Strom-Spannungs-Meßbrücke oder
einer magneto-resistiven Anordnung bestehen. Die Sensorsignale werden
von dem Mikro-Controller empfangen, in digitale Meßdaten gewandelt
und zu physikalischen Meßgrößen weiterverarbeitet.
Im Programmspeicher des Mikro-Controllers sind dazu Befehle abgespeichert,
die so ausgeführt
sind, daß der
Mikro-Controller diese Aufgaben erfüllen kann. Etwaige Änderungen
im Programmablauf können
normalerweise durch eine Anpassung der Befehle im Programmspeicher
erreicht werden, so daß diese
Vorrichtung flexibel bei Änderungen
ist, die beispielsweise auftreten können, wenn ein neuer Sensortyp
verwendet wird oder wenn individuelle Charakteristika der Sensoren
berücksichtigt
werden müssen.
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Zur
Steuerung des Sensors sind normalerweise mehrere Steuersignale erforderlich.
Die Steuersignale werden z.B. verwendet, um die Signalausgabe des
Sensors oder die Signalumwandlung der analogen Sensorsignale mittels
eines Analog-Digital-Wandlers zu steuern. Diese Steueraufgaben weisen
eine relativ geringe Komplexität
auf, werden von externen oder internen Signalen ausgelöst und erfordern
eine genaue zeitliche Abfolge. Um die Verarbeitungskapazitäten des
Mikro-Controllers nicht mit diesen einfachen Steueraufgaben zu belasten,
werden häufig
von dem Mikro-Controller unabhängige
elektronische Bausteine verwendet, die die Funktion einer Zustandsmaschine
erfüllen.
Diese Zustandsmaschine arbeitet unabhängig vom Mikro-Controller und liefert beispielsweise
die Steuersignale, die zur Steuerung der Signalausgabe des Sensors
benötigt
werden.
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In
einer Zustandsmaschine werden bestimmte Zustände in einer vorher festgelegten
Weise nach einem sogenannten Zustandsdiagramm durchlaufen, wobei
die Bedingungen für
den Wechsel von einem Zustand in einen anderen durch interne oder externe
Signale gegeben sind. Eine Zustandsmaschine kann hardwaremäßig beispielsweise
durch einen Speicherbaustein mit einer darin abgelegten Wahrheitstafel
realisiert werden, an den der Eingangsvektor als Adresse angelegt
wird und der am Ausgang den dazugehörigen neuen Zustand als Ausgangsvektor
liefert. Eine Schaltung, die nach diesem Prinzip arbeitet, wird
z.B. in dem Lehrbuch „Halbleiterschaltungstechnik" von U. Tietze und
Ch. Schenk, Springer-Verlag, 12. Auflage auf den Seiten 699 bis 706
beschrieben.
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Die
Länge des
Eingangvektors legt bei Zustandsmaschinen, die durch einen Speicherbaustein realisiert
sind, die Größe des Adreßraums fest,
die der Speicherbaustein aufweisen muß. In einer Vorrichtung, die
einen Mikro-Controller
und eine von ihm hardwaremäßig unabhängige Zustandsmaschine umfaßt, muß deshalb
dieser Adreßraum
der Zustandsmaschine bereits während
der Entwicklungsphase genau festgelegt werden, um das Zustandsdiagramm
in einem genügend
groß gewählten Speicherbaustein
realisieren zu können.
Dadurch ist die Vorrichtung jedoch wenig flexibel bei etwaigen späteren Änderungen.
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Der
Aufbau von Mikro-Controllern ist allgemein bekannt. Insbesondere
zeigt die schematische Darstellung auf Seite 23 des Buchs „Micro-Controllers
and Micro-Computers-Principials of Software and Hardware Engineering;
Oxford University Press, Oxford, 1997" von Cady, Frederick M., daß ein Mikro-Controller einen
Speicher umfaßt.
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Auch
in einem Mikro-Controller werden, beispielsweise durch ein Programm
festgelegt, bestimmte Zustände
in einer vorher festgelegten Weise durchlaufen. Man kann sich daher
wie in
US 5,901,293 ausgeführt, eine
Zustandsmaschine auch als Teil eines Mikro-Controllers vorstellen.
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US 5,461,558 offenbart ein
System, das das Fernablesen von Verbrauchszählern erlaubt. Es enthält mehrere
Verbrauchszähler
und mehrere Verbrauchszählerschnittstelleneinheiten,
die jeweils einen Mikro-Controller beinhalten. Außerdem hat
jede dieser Verbrauchszählerschnittstelleneinheiten
jeweils einen zusätzlichen
Speicher, in dem z.B. Meßdaten
abgelegt werden. Der Mikro-Controller benutzt die im zusätzlichen
Speicher gespeicherten Informationen, um den Betrieb der Schnittstelleneinheit
zu steuern. Um den Energieverbrauch geringzuhalten, wird zwischen
Aktivitäts-
und Inaktivitätszuständen unterschieden.
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US 5,860,021 offenbart eine
Speicherorganisation für
einen Mikro-Controller, die für
die Verbindung eines Computersystems mit einem ISDN-Netzwerk optimiert
wurde. Hierbei greift ein Computer über einen Bus direkt auf Speicherraum
in einem Mikro-Controller zu.
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US 5,802,351 offenbart hingegen
eine Schaltungsanordnung zur Nutzung in einem Mobiltelefon, bei
der ein Mikro-Controller und ein digitaler Signalprozessor beide
auf einen gemeinsamen Speicher zugreifen.
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Der
Erfindung liegt nun die Aufgabe zugrunde, einen batteriebetriebenen
Verbrauchszähler
zu schaffen, der flexibel gegenüber
veränderten
Anforderungen an die Zustandsmaschine ist und energiesparend arbeitet.
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Diese
Aufgabe wird gemäß der Erfindung
gelöst
durch einen batteriebetriebenen Verbrauchszähler mit einer Vorrichtung,
wobei die Vorrichtung einen Micro-Controller umfaßt, der mit einer unabhängig arbeitenden
Zustandsmaschine über
ein Bussystem verbunden ist. Der Micro-Controller weist einen Speicher
auf, der als Flash-, EPROM, EEPROM-, ROM-, RAM- oder Ferro-RAM-Speicher
ausgebildet ist. Die Zustandsmaschine greift direkt über das
Bussystem auf den Speicher des Micro-Controllers zu. Die Zustandsmaschine
weist ein Adreßerzeugungsmittel, ein
Zustandsregister sowie ein Datentransfermittel auf. Das Adreßerzeugungsmittel
weist einen Eingang auf, der den Eingang der Zustandsmaschine bildet, der
Ausgang des Zustandsregisters bildet den Ausgang der Zustandsmaschine.
Das Datentransfermittel veranlaßt,
daß der
unter der vom Adreßerzeugungsmittel
gelieferten Adresse im Speicher abgespeicherte Datenwert eigenständig über ein
Bussystem ohne Steuerung seitens des Micro-Controllers gelesen wird,
und die adressierten Daten an das Zustandsregister übergeben
werden.
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Der
erfindungsgemäße batteriebetriebene Verbrauchszähler weist
einen besonders einfachen Aufbau auf, der sich durch die doppelte
Funktion des bei jedem Mikro-Controller ohnehin vorhandenen Speichers
für die
Befehle des Mikro-Controllers und als Speicher für die Wahrheitstafel der Zustandsmaschine
ergibt. Dadurch kann die Zustandsmaschine ohne einen speziellen
nur ihr zugewiesenen Speicherbaustein arbeiten. Das Adreßerzeugungsmittel
und das Datentransfermittel sind dabei so ausgeführt, daß verschiedene Zustandsdiagramme
an die Größe des Programmspeichers
angepaßt
werden können.
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Vorteilhafte
Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen gekennzeichnet.
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Die
Erfindung wird nun anhand der Zeichnung beispielshalber erläutert. In
der Zeichnung zeigt:
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1 in
einem Blockdiagramm schematisch eine Ausführungsform der Vorrichtung,
die Teil des erfindungsgemäßen batteriebetriebenen
Verbrauchszählers
ist.
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In 1 ist
in einem Blockdiagramm schematisch eine Ausführungsform der Vorrichtung,
die Teil des erfindungsgemäßen batteriebetriebenen Verbrauchszählers ist,
gezeigt. Die Vorrichtung umfaßt
einen in der 1 im einzelnen nicht dargestellten
Mikro-Controller, der einen Programmspeicher 10 aufweist
und mit einem Bussystem 12 verbunden ist. Da der genaue
Aufbau des Mikro-Controllers für
die Erfindung nicht von Bedeutung ist, wird aus Gründen der Übersichtlichkeit
in 1 nur der Speicher 10 des Mikro-Controllers
gezeigt. Die weiteren Bestandteile, die für die Funktion des Mikro-Controllers
wichtig sind, wie z.B. ein Prozessor, etwaige Zusatzschaltungen,
wie z.B. ein Timer-Baustein, oder Eingabe/Ausgabe-Schnittstellen
sind im Stand der Technik bekannt.
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Die
Vorrichtung umfaßt
darüber
hinaus eine Zustandsmaschine 14, die in Abhängigkeit
von von außerhalb
der Vorrichtung erzeugten Eingangssignalen 16 oder von
internen Signalen 18, die beispielsweise von dem Mikro-Controller
stammen können, eine
vorherbestimmte Folge von Zuständen
durchläuft.
Die Eingangssignale 16 und die internen Signale 18 werden
als Steuervariablen bezeichnet, da mittels dieser Signale der Wechsel
von einem Zustand in einen anderen Zustand eingeleitet wird.
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Wenn
die erfindungsgemäße Vorrichtung beispielsweise
verwendet wird, um die Signalausgabe eines Sensors zu steuern, können die
Steuervariablen z.B. durch einen Schalter erzeugt werden, mit dem
ein Benutzer ein von ihm gewünschtes
Auslesen des Sensors signalisieren kann. Die Steuervariablen können z.B.
aber auch von einem Timer-Baustein geliefert werden, wodurch das
Auslesen des Sensors beispielsweise zu bestimmten Zeitpunkten gestartet wird.
Ebenso können
die Steuervariablen ein Ergebnis einer Rechenoperation des Mikro-Controllers sein,
wodurch das Auslesen des Sensors vom Mikro-Controller gesteuert
werden kann.
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Die
Eingänge
für die
Steuervariablen sind mit einem Adreßerzeugungsmittel 20 verbunden.
Das Adreßerzeugungsmittel 20 erzeugt
an seinem Ausgang eine dem Eingangsvektor zugeordnete Adresse und überträgt über Adreßsignalleitungen 21 diese Adresse
an ein Datentransfermittel 22, das mit dem Bussystem 12 des
Mikro-Controllers verbunden ist.
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Üblicherweise
ist das Bussystem 12 in einen Datenbus 12a und
in einen Adreßbus 12b aufgeteilt. Es
kann aber auch eine andere Ausführung
vorgesehen sein, die beispielsweise eine Multiplex-Übertragung
von Adressen und Daten vorsieht. Das Datentransfermittel 22 überträgt im erstgenannten
Fall die vom Adreßerzeugungsmittel 20 gelieferte
Adresse über
den Adreßbus 12b zu
den Adreßanschlüssen des
Programmspeichers 10. Im zweiten Fall muß das Datentransfermittel 22 so
ausgeführt
sein, daß es das
entsprechende Protokoll einer Multiplex-Übertragung abarbeiten kann.
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Die
Hauptaufgabe des Datentransfermittels 22 ist es, den unter
der vom Adreßerzeugungsmittel 20 gelieferten
Adresse im Programmspeicher 10 abgespeicherten Datenwert
zu lesen, und zwar so, daß das
Auslesen des Programmspeichers eigenständig ohne Steuerung (beispielsweise
durch entsprechende Software) seitens des Mikro-Controllers erfolgt.
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Der
Datenwert repräsentiert
den Ausgangsvektor der Zustandsmaschine. Bei bestimmten Anwendungen
kann der Datenwert eine Bitlänge
aufweisen, die größer als
die Breite des Datenbusses 12a ist. Der Datenwert muß dann in
mehreren Speicherstellen des Programmspeichers abgespeichert sein,
wobei das Adreßerzeugungsmittel 20 so
ausgeführt
ist, daß es
sämtliche
benötigten
Adressen erzeugt. Dadurch kann das Datentransfermittel 22 alle zusammengehörenden Datenwerte
nacheinander lesen.
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Das
Datentransfermittel 22 überträgt über die
Datensignalleitungen 23 den Datenwert an ein Zustandsregister 25,
in dem für
jedes Element des Ausgangsvektors eine Speicherstelle vorgesehen
ist. An einigen Ausgängen
des Zustandsregisters 25 werden die Steuersignale 24 ausgegeben,
die beispielsweise zur Steuerung der Ausgabe von Sensordaten benötigt werden
können. Über die
anderen Ausgänge 26 des
Zustandsregisters können über eine
Verbindung 28 Steuersignale an Eingänge des Adreßerzeugungsmittels 20 übertragen
werden.
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Mit
dieser Rückführung der
Signale über
die Ausgänge 26 läßt sich
eine Zustandsmaschine 14 realisieren, deren neuer Zustand
nicht nur von den Steuervariablen (Eingangssignale 16, 18)
sondern auch vom aktuellen Zustand der Zustandsmaschine 14 abgeleitet
werden kann. Dies ist häufig
bei der Umsetzung komplexerer Zustandsdiagramme erforderlich, da
die neuen Zustände
im allgemeinen mit einer Funktion beschrieben werden, die nicht
nur von den Steuervariablen abhängt,
sondern auch vom Wert des aktuellen Zustands.
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Es
können
auch noch weitere Ausgänge 30 des
Zustandsregisters 25 vorhanden sein. An diesen weiteren
Ausgängen 30 werden
sogenannte verborgene Zustandsvariablen 30 erzeugt, die
zur eindeutigen Beschreibung von Zuständen gebraucht werden können, die
sich in den Werten der Steuersignale und in den Werten der Signale
zur Rückkopplung
nicht unterscheiden. Dabei kann es sich beispielsweise um Warte-Zustände oder
um Zustände
handeln, die sukzessiv aufgerufene Zählerstände eines Schleifenzählers beschreiben.
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Mit
der oben beschriebenen Ausführungsform
der erfindungsgemäßen Vorrichtung
sind sämtliche
aus der Literatur bekannten Funktionen von Zustandsmaschinen realisierbar.
Im folgenden werden weitere spezielle Ausgestaltungen der erfindungsgemäßen Vorrichtung
beschrieben, bei denen die Optimierung der Datenübertragung zum Programmspeicher 10 eine
Rolle spielt.
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Das
Datentransfermittel 22 kann von einer Steuerschaltung 32 gesteuert
werden, die aus einem Multiplexer besteht und ein Signal 33 zur
Steuerung der Übertragung
der Adressen und der Daten des Programmspeichers 10 liefert.
Dazu kann beispielsweise ein Signal verwendet werden, das von einem der
Steuereingänge 36 abgeleitet
ist. Die Auswahl eines der Steuereingänge 36, an denen z.B.
verschiedene Taktsignale anliegen können, kann von einem Signal 34 gesteuert
werden, das beispielsweise von einem oder mehreren Ausgängen 26 des
Zustandsregisters 25 abgeleitet wird. Dadurch läßt sich
erreichen, daß das
Datentransfermittel 22 in Abhängigkeit des gerade vorliegenden
Zustands, der im Zustandsregister 25 gespeichert ist, gesteuert
werden kann. Dies ist beispielsweise erforderlich, wenn während der
Bearbeitung bestimmter Zustände
ein anderes Zeitverhalten des Datentransfermittels 22 gewünscht wird.
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Das
Datentransfermittel 22 kann darüber hinaus auch von Steuersignalen 38 gesteuert
werden, die dazu dienen, den Betrieb des Datentransfermittels 22 in
Abhängigkeit
des aktuellen Zustands 38a, eines Werts 38b des
Eingangsvektors oder eines weiteren Eingangssignals 38c anzupassen.
Dadurch kann die erfindungsgemäße Vorrichtung
eine optimierte Abarbeitung durchführen, die entweder bei den
Signalen 38a oder 38b auf den aktuellen Zustand
bezogen ist oder vom Eingangssignal 38c abhängt.
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Es
ist auch möglich,
Zustandsvektoren mit unterschiedlich vielen Elementen zu unterstützen, die
sich z.B. für
unterschiedliche Aufgaben oder während
des Bearbeitens von untergeordneten Zustandsdiagrammen ergeben.
Um für
verschiedene Dimensionen des Eingangs- bzw. Ausgangsvektors eine
korrekte Adresse an den Programmspeicher anlegen zu können, muß die Adresse
entsprechend der Breite des Adreßbusses 12b erweitert
werden. Diese Aufgabe kann vom Adreßgenerator 20 wahrgenommen
werden. Der Adreßgenerator 20 kann
auch mit einem von einem in der 1 nicht
dargestellten Register gelieferten Signal 40 gespeist werden,
das eine Basisadresse liefert. Damit kann die Zieladresse im Programmspeicher
verschoben werden, um somit eine einfache Anpassung an den zur Verfügung stehenden
Speicherplatz des Programmspeichers 10 zu erreichen.
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Der
Adreßgenerator 20 und
das Zustandsregister 25 können darüber hinaus mit einem FIFO-Speicher
ausgestattet sein, der die Adreß-
bzw. Datenwerte zwischenspeichern kann. Dadurch läßt sich
der Betrieb des Mikro-Controllers und der Zustandsmaschine entkoppeln.
Der FIFO-Speicher übernimmt ähnlich einem
Cache-Speicher eines Prozessors solange die temporäre Zwischenspeicherung,
bis die in ihm gespeicherten Werte von dem Zustandsregister 25 oder
vom Adreßgenerator 20 benötigt werden.
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Die
Verarbeitungsgeschwindigkeit der Zustandsmaschine kann auf vielfältige Weise
gesteuert werden. Neben einem festen Taktsignal kann beispielsweise
ein Ausgang eines Timer-Bausteins des Mikro-Controllers verwendet
werden, der mittels geeigneter Befehle, die im Programmspeicher 10 abgelegt
sind, verändert
werden kann.
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Die
erfindungsgemäße Vorrichtung
kann mit verschiedenen Speichertypen und Speichertechnologien arbeiten.
So kann z.B. der Programmspeicher 10 für Prototypen im Rahmen der
Entwicklung aus einem Flash-Speicher bestehen, dessen Inhalt auf
einfache Weise verändert
werden kann. Für
eine Massenproduktion der erfindungsgemäßen Vorrichtung kann dann z.B.
ein kostengünstiger
ROM-Speicher verwendet werden. Als Speicher 10 kann aber
auch ein EPROM-Speicher, EEPROM-Speicher, RAM-Speicher oder Ferro-RAM-Speicher verwendet werden.
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Die
erfindungsgemäße Vorrichtung,
die einen Mikro-Controller und eine vom Mikro-Controller unabhängig arbeitende
Zustandsmaschine 14 umfaßt, erlaubt eine flexible Anpassung
an verschiedene Zustandsdiagramme. Dadurch können mögliche Änderungen sehr effizient und
einfach implementiert werden. Durch die Verwendung des ohnehin vorhandenen
Programmspeichers 10 des Mikro-Controllers, der mittels des Adreßgenerators 20 und
des Datentransfermittels 22 angesprochen wird und eine
Wahrheitstafel für
die Zustandsmaschine 14 enthält, können auch unterschiedlich große Eingangs-
und Ausgangsvektoren der Zustandsmaschine realisiert werden. Darüber hinaus
ist die Verwendung des Programmspeichers 10 sehr kosteneffizient,
da, anders als beim Gebrauch eines unabhängigen Speichers für die Zustandmaschine,
keine weiteren Komponenten zur Integration des Speichers in der
Vorrichtung vorgesehen werden müssen.
Dies führt
auch zu einer Energieeinsparung bei der erfindungsgemäßen Vorrichtung,
was sehr wichtig ist, wenn die erfindungsgemäße Vorrichtung beispielsweise
in batteriebetriebenen Geräten,
die einen geringen Stromverbrauch aufweisen sollen, eingesetzt wird.
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Die
erfindungsgemäße Vorrichtung
eignet sich insbesondere für
den Einsatz in den eingangs erwähnten
Verbrauchszählern,
bei denen die elektronischen Bauteile, die als Teile einer Zustandsmaschine
fungieren können,
zwischen dem Sensor und dem Speicher des Mikro-Controllers angeordnet
sind, der zur Verarbeitung und Auswertung der Sensorsignale dient.