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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Einstellung eines Mikrocontrollers sowie eine Schaltungsanordnung für einen werkseitig kalibrierten Mikrocontroller, bestehend aus einem Taktgenerator, einem Teiler zur Taktgewinnung, einer Recheneinheit und Speichereinrichtungen.
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In nahezu jeder Schaltung werden seit vielen Jahren Mikrocontroller eingesetzt. Im Zuge des zunehmenden Preisdrucks und der fortschreitenden Technisierung wurden auch kleine, besonders leistungsfähige Mikrocontroller entwickelt. Diese beinhalten neben üblichen Funktionsbaugruppen wie Recheneinheit, Analog-Digital-Umsetzer, Kommunikationsstelle oder Timer eine Taktgewinnung. Hierzu werden die Mikrocontroller einmal werkseitig kalibriert. Üblicherweise wird der Takt für den Betrieb des Mikrocontrollers durch einen externen Quarz oder einen externen Resonator gewonnen. Diese beiden Bauteile, insbesondere ersterer, sind aber wesentlich teuerer als ein interner RC-Oszillator, der wiederum den Nachteil mit sich bringt, dass seine Genauigkeit aufgrund der Herstellungstoleranzen von Widerständen und Kondensatoren recht hoch sind. Häufig ist die Toleranz sogar noch höher, da Widerstände, die auf Siliziumbasis hergestellt werden, deutlich mehr Toleranzen aufweisen als etwa herkömmliche Metallfilmwiderstände. So ergibt sich z. B. durch die Bauteilevariation für den internen Oszillator eine spezifizierte Toleranz um die Mittenfrequenz. Die Arbeitsfrequenz des Mikrocontrollers lässt sich mit einem Trimmregister einstellen. Diese Einstellung ist notwendig, damit bei einer Serienproduktion die Bauteiltoleranz mit dem Einstellbereich des Trimmregisters kompensiert werden kann, was bisher, wie erwähnt, ausschließlich werkseitig vor Inbetriebnahme des Mikrocontrollers geschieht. Je nachdem auf welcher Arbeitsfrequenz ein Mikrocontroller betrieben wird, ergibt sich das zeitliche Verhalten zur Außenwelt. Kommunikationsprotokolle zur Außenwelt werden auf der Arbeitsfrequenz des Mikrocontrollers abgeleitet. Eine weitere Toleranz ergibt sich durch Messgrößen wie die Umgebungstemperatur. Widerstände haben zwar eine geringe Temperaturabhängigkeit, Kondensatoren jedoch eine starke. Bei der Integration von einem Widerstand und einem Kondensator auf dem Silizium einer integrierten Schaltung ergeben sich recht starke Temperaturabhängigkeiten. Der Einsatzbereich von Elektroniken liegt aber üblicherweise in einem relativ weiten Temperaturbereich. In der Automobilbranche etwa liegt dieser zwischen –40°C und +85°C. Es stellt sich also das Problem, dass aufgrund der einmaligen Kalibrierung auf ein externes Signal der Betrieb des Mikrocontrollers nicht in seiner ganzen Bandbreite erfasst werden kann, d. h. der Mikrocontroller trimmt sich mit seinem Trimmregister auf ein anstehendes Signal gewissermaßen unter Idealtemperatur ein, wobei gänzlich unberücksichtigt bleibt, dass sich die Genauigkeit des Mikrocontrollers in Abhängigkeit von Temperaturunterschieden verändern kann. Aus der
DE 35 15 611 A1 sind ein Verfahren zum Einstellen vorgegebener Startverhältnisse in einem Mikrocontroller und eine Anordnung zur Durchführung eines solchen Verfahrens bekannt. Dabei wird die Versorgungsspannung des Mikrocontrollers, an dem ein Rücksetzsignal anliegt, überwacht. Bei Vorliegen einer ausreichenden Versorgungsspannung wird das Rücksetzsignal dann beendet, sodass der Mikrocontroller die vorgegebenen Startverhältnisse einstellt. Dies geschieht nur, wenn eine ausreichende Versorgungsspannung und geeignete Taktsignale vorhanden sind. Daraufhin wird der Mikrocontroller zur Abarbeitung der Software freigegeben. Beschrieben ist eine Erweiterung der Überwachungsfunktion der Rücksetzlogik um weitere Steuersignale. Erst wenn alle an die Überwachungslogik herangeführten Steuersignale in geeigneter Form vorliegen, soll die entsprechende Freigabe zur Abarbeitung der Software über die Rücksetzlogik des Mikrocontrollers erfolgen. Dem Verknüpfungsglied können noch weitere Steuersignale zugeführt werden, falls es erforderlich ist, das Rücksetzsignal erst nach Vorhandensein von weiteren physikalischen Größen zu beenden. Genannt werden diverse rein äußere Signale wie Versorgungsspannungen, Taktsignale oder Drehzahlen, Temperaturbereiche oder Feuchtigkeitswerte. Die Freigabe des Mikrocontrollers erfolgt jedoch nur bei Vorliegen geeigneter Signale, in die eben auch die Temperatur mit einbezogen wird.
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Damit stellt sich der vorliegenden Erfindung die Aufgabe, ein Verfahren zur Einstellung eines Mikrocontrollers und eine Schaltanordnung für einen Mikrocontroller zu schaffen, das die Einflüsse variierender Messgrößen auch während des Betriebes berücksichtigt.
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Diese Aufgabe wird verfahrensgemäß dadurch gelöst, dass der Mikrocontroller im Betrieb nachkalibriert wird, indem eine die Arbeitsfrequenz des Mikrocontrollers möglicherweise beeinflussende Messgröße erfasst, ausgewertet und in Abhängigkeit von dieser Auswertung ggf. angepasst wird.
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Nach der einmaligen werkseitigen Kalibrierung wird erfindungsgemäß eine Nachkalibrierung durchgeführt, durch die der Mikrocontroller im Hinblick auf sich auch während des Betriebs verändernde Messgrößen angepasst werden kann. Sollte sich also eine Messgröße wie etwa die Umgebungstemperatur, die sich nachteilig auf die Funktionsweise des Mikrocontrollers auswirkt, ändern, wird durch entsprechende Anpassung des Taktes eine Änderung der Arbeitsfrequenz erreicht, welche eine wesentlich exaktere Funktion des Mikrocontrollers ermöglicht.
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Eine Ausführungsform der Erfindung sieht dabei vor, dass die Messgröße in Relation zu einem Korrekturwert gesetzt wird und dass die Arbeitsfrequenz des Mikrocontrollers anschließend im Hinblick auf diesen Korrekturwert angepasst wird. Für den Fall, dass bei der Erfassung der Messgröße Abweichungen festgestellt werden, wird über den Zwischenschritt in Form der Ermittlung des passenden Korrekturwertes die Arbeitsfrequenz angepasst. Dazu werden in einem Datenspeicher nur die Änderungswerte für den Trimmregister und nicht die absoluten Werte abgelegt, da die ursprüngliche Arbeitsfrequenz des Mikrocontrollers wegen der Abhängigkeit von der werkseitigen Implementation von Widerstand und Kondensator im Schaltkreis vorher nicht bekannt sein kann.
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Dies ist auf besonders geeignete Weise der Fall, wenn die Korrekturwerte der Arbeitsfrequenz aus einer Referenztabelle oder aus einer Formel ausgelesen werden. Damit die Korrekturwerte unabhängig von der ursprünglichen Arbeitsfrequenz ermittelt werden können, werden sie in Abhängigkeit von der erfassten Messgröße ausgelesen und dann entsprechend auf die Arbeitsfrequenz referenziert.
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Der gewonnene Korrekturwert wird referenziert, woraufhin der Trimmregister ggf. neu und auf einen auf die geänderte Messgröße bezogenen Takt ausgerichtet wird. Hierzu ist vorgesehen, dass die Korrekturwerte der Arbeitsfrequenz über einen Datenspeicher referenziert werden, in dem die entsprechenden Vorgabewerte abgelegt sind.
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Eine weitere mögliche Ausführungsform der Erfindung sieht vor, dass als Messgröße die Temperatur, vorzugsweise die Umgebungstemperatur erfasst wird Dabei handelt es sich um eine besonders relevante Messgröße, da beispielsweise im Automobilbereich Temperaturschwankungen von über 100°C je nach Jahreszeit, Einsatzort und Belastung erreicht werden können. Von daher sind die Auswirkungen auf die Genauigkeit der Funktion des Mikrocontrollers besonders groß. Mit Hilfe dieses Verfahrens kann eine Arbeitsfrequenzstabilität von bis zu 0,4%, je nach verwendetem Temperaturmessverfahren, über den gesamten Temperaturbereich, erreicht werden, d. h., über das erfindungsgemäße Verfahren kann eine gleich bleibende Stabilität unabhängig von der Temperatur erreicht werden. Damit können mit der erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung ausgerüstete Mikrocontroller nun sogar auch in Bereichen eingesetzt werden, in denen dieses vorher auf Grund der Temperaturbedingung bzw. der vorgegebenen Exaktheit nicht möglich war.
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Auch die während der einmaligen Kalibrierung in der Serienfertigung herrschende Umgebungstemperatur ist einem erheblichen Schwankungsbereich unterworfen. Um die Folgen dieser Schwankungen ausgleichen zu können, wird vorgeschlagen, dass die Umgebungstemperatur während der einmaligen Kalibrierung in der Serienfertigung gemessen und dass der Mikrocontroller in Abhängigkeit von der gemessenen Umgebungstemperatur einmalig nachgetrimmt wird. Bei diesem einmaligen nachträglichen Trimmen wird also das Referenzsignal in Hinblick auf die zum Zeitpunkt der einmaligen Kalibrierung bei Herstellung der Schaltung herrschende Umgebungstemperatur angepasst. Der Ausgleich der etwaigen Differenzen führt vorteilhafterweise dazu, dass eine beliebige Zahl von Mikrocontrollern aus einer Fertigung mit derselben Frequenz betrieben werden kann.
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Um eine besonders genaue Funktion des Mikrocontrollers zu erreichen, wird vorgeschlagen, dass die Nachkalibrierung in äquidistanten Zeitabschnitten, vorzugsweise in sekündlichen Abständen durchgeführt wird. Damit können auch kleinste Temperaturschwankungen und -veränderungen erfasst, ausgewertet und durch Veränderung des Taktsignals ohne jeden Zeitverlust ausgeglichen werden. Selbstverständlich ist es auch denkbar, diese Zeitabstände beliebig zu variieren, je nach Anforderung und Einsatzzweck.
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Die erfindungsgemäße Aufgabe wird vorrichtungsmäßig dadurch gelöst, dass dem Mikrocontroller eine Einrichtung zur Messung einer die Arbeitsfrequenz des Mikrocontrollers möglicherweise beeinflussenden Messgröße, ein Algorithmus zur Auswertung der Messgröße und ggf. zum In-Relation-Setzen zu einem Korrekturwert und ein Trimmregister, welcher die Arbeitsfrequenz des Mikrocontrollers im Hinblick auf den Korrekturwert anpasst, zugeordnet sind.
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Der Mikrocontroller umfasst u. a. eine Einrichtung zur Messung einer Messgröße, die ggf., d. h. bei Abweichung von Werten bei der Erstkalibrierung die Arbeitsfrequenz des Mikrocontrollers beeinflussen könnte, wenn die Messgröße zu sehr von der Vorgabe abweicht. Des Weiteren ist ein Algorithmus zur Auswertung dieser Messgröße vorgesehen, der für den Fall einer Abweichung die Messgröße in Relation zu einem Korrekturwert setzt. In diesem Fall, dass Messgrößenänderungen zu kompensieren sind, wird nach Referenzierung in einem Datenspeicher über den Trimmregister der Takt geändert.
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Hinsichtlich der gerade im Automobilbereich besonders relevanten und bei Veränderungen möglicherweise folgenschweren Messgröße Temperatur wird vorgeschlagen, dass als Einrichtung zur Messung der Messgröße eine Temperaturmessung vorgesehen ist. Nahezu ständig kann diese gemessen und bei Abweichungen durch Anpassung des Takts berücksichtigt werden. Es versteht sich, dass für die Verwendung im automobilen Bereich eine Temperaturmessung vorgesehen sein muss, die es ermöglicht, Temperaturen im Bereich von etwa –40 bis etwa +85°C zu erfassen.
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Dies kann beispielsweise erreicht werden, wenn zur Temperaturmessung mindestens zwei, vorzugsweise drei in Reihe geschaltete Dioden dienen. Änderungen der Temperatur werden in dieser Temperaturkompensationsschaltung registriert und letztlich über die Recheneinheit bzw. den Prozessor an den Trimmregister weitergeleitet.
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Das Bindeglied zwischen der Temperaturmessung und dem Trimmregister ist gewissermaßen der Prozessor, der als Recheneinheit die Informationen an den Trimmregister zwecks Änderung des Takts vorgibt. Zuvor dient zur Referenzierung der Korrekturwerte der Arbeitsfrequenz ein Datenspeicher. Über diesen werden die entsprechenden Korrekturwerte referenziert.
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Ergänzend ist vorgesehen, dass zur Auslesung der Korrekturwerte eine Referenztabelle oder eine Formel dient, weil es sich eben nur um eine Korrektur bzw. Anpassung der Arbeitsfrequenz des Mikrocontrollers handelt, die ja letztlich in Abhängigkeit von der werkseitig durchgeführten Kalibrierung steht.
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Die Erfindung zeichnet sich insbesondere dadurch aus, dass ein Verfahren zur Einstellung eines werkseitig voreingestellten Mikrocontrollers in einer Schaltung und eine entsprechende Schaltungsanordnung geschaffen ist, die die Nachtrimmung des Mikrocontrollers unter Erfassung einer Messgröße ermöglicht. Die Nachtrimmung sieht als Vorbedingung das übliche Kalibrierungsverfahren in der Serie vor, bei dem eine einmalige Kalibrierung des Mikrocontrollers auf ein externes Signal in der Serienfertigung erfolgt. Hierfür wird eine externe Taktquelle an den Mikrocontroller angelegt. Durch interne Vergleichsvorgänge wird der Mikrocontroller an diesem externen Signal kalibriert und trimmt sich mit seinem Trimmregister auf das anstehende Signal ein. Der so ermittelte Kalibrierungswert wird im Festwertspeicher des Mikrocontrollers abgelegt. Sollte die bei diesem Vorgang herrschende Umgebungstemperatur von einem Sollwert wie etwa 20°C abweichen, wird der Mikrocontroller zunächst in Abhängigkeit von dieser gemessenen Umgebungstemperatur einmalig nachgetrimmt wird. Sollte es des Weiteren zu Änderungen einer vorgegebenen Messgröße, etwa auch der Umgebungstemperatur kommen, so wird die bisher zwangsläufig eintretende Funktionsungenauigkeit des Mikrocontrollers dadurch ausgeglichen, dass eine Anpassung auf die veränderten Bedingungen erfolgt. Über die Temperaturmessung werden die geänderten Daten in Relation zu einem Korrekturwert gesetzt, d. h. bestimmte Temperaturwerte werden in Bezug zu gleich bleibenden Korrekturwerten gesetzt. Über diese Werte wird die Veränderung des Taktes nötigenfalls vorgenommen, der ja für jeden Mikrocontroller anders ist, d. h. jeder Mikrocontroller hat eine andere Arbeitsfrequenz, die dann durch Referenzieren mit einem Datenspeicher und Anpassung des Takts entsprechend angepasst wird. Diese nachträgliche Kalibrierung sollte in äquidistanten Zeitabschnitten, vorzugsweise in sekündlichen Abständen durchgeführt werden.
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Weitere Einzelheiten und Vorteile des Erfindungsgegenstandes ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung der zugehörigen Zeichnung, in der ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel mit den dazu notwendigen Einzelheiten und Einzelteilen dargestellt ist.
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1 zeigt eine Schaltungsanordnung eines Mikrocontrollers. Über den Generator 12 wird der Takt für den Mikrocontroller 1 erzeugt. Dieser ist vor der eigentlichen Inbetriebnahme einmal in der Serie kalibriert worden, d. h. die Ursprungsarbeitsfrequenz, die für jeden Mikrocontroller anders ist, ist festgelegt worden. Dabei wird der Mikrocontroller 1 auf ein externes Signal in der Serienfertigung kalibriert, wozu eine externe Taktquelle an den Mikrocontroller angelegt wird. Der Mikrocontroller 1 trimmt sich dann mit dem Trimmregister 3 auf das anstehende Signal ein. Der Trimmregister 3 dient dazu, den Teiler 5 zu programmieren, der für den Mikrocontroller 1 den Takt vorgibt bzw. anpasst, wenn sich eine Messgröße ändern sollte, die die Arbeitsfrequenz des Mikrocontrollers 1 möglicherweise beeinflusst.
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Im vorliegenden Ausführungsbeispiel ist dies die Temperatur, wobei zur Temperaturmessung drei Dioden 7, 8, 9 dienen, auf welche sich bereits kleine Temperaturschwankungen auswirken. Die gemessene Umgebungstemperatur wird dabei über einen Algorithmus ausgewertet und bei Abweichungen der Messgröße Temperatur in Relation zu einem Korrekturwert gesetzt. Das geschieht, indem in Abhängigkeit von der ermittelten Temperatur aus einer Referenztabelle oder einer Formel Korrekturwerte zur Arbeitsfrequenz ausgelesen werden. Diese werden über einen Datenspeicher 11 referenziert. Da diese abhängig von der Ursprungsfrequenz sind, werden eben nicht absolute sondern nur indirekte Korrekturwerte abgelegt. Bei Abweichung der Umgebungstemperatur wird also über den dabei ermittelten Wert ein entsprechendes Signal an den Trimmregister 3 gegeben, der dann den Teiler 5 neu programmiert. Die Abhängigkeit zwischen der Umgebungstemperatur und dem Trimmregister 3 wird dabei über die Recheneinheit (6) (Prozessor) hergestellt. Der Prozessor wird quasi von dem Analog-Digital-Umsetzer 4 mit Informationen über die Temperaturabweichung versorgt. Die folgende Anweisung wird dann über den Programmspeicher 13 gegeben. Zur erkennen ist in 1, dass die speisende Frequenzquelle 14 und die Einrichtung 2 zur Messung der Temperatur, bestehend aus den Dioden 7, 8, 9 dem Analog-Digital-Umsetzer 4 zugeordnet sind.
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Alle genannten Merkmale, auch die den Zeichnungen allein zu entnehmenden, werden allein und in Kombination als erfindungswesentlich angesehen.
