DE19610627A1

DE19610627A1 - Mikrokontroller mit Selbstweckvorrichtung

Info

Publication number: DE19610627A1
Application number: DE19610627A
Authority: DE
Inventors: Volker Aab
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 1996-03-19
Filing date: 1996-03-19
Publication date: 1997-09-25
Also published as: BR9708222A; EP0888583A1; WO1997035246A1; US6357012B1

Description

Stand der Technik

Die Erfindung geht aus von einem Mikrokontroller mit Selbstweckvorrichtung, insbesondere zur Verwendung in elektrischen Verstellantrieben, der im Oberbegriff des Anspruchs 1 definierten Gattung.

Bei einem bekannten Mikrokontroller mit Selbstweckvorrichtung dieser Art (DE 43 02 232 A1), der insbesondere in elektrischen Verstellantrieben Verwendung finden soll, ist er zur Einsparung von Versorgungsenergie mit einer Steuervorrichtung zur Vorgabe eines aktiven und eines inaktiven Betriebszustandsversehen sowie mit einem Oszillator für die Abgabe eines Aufwecksignals. Dieser Oszillator ist außerhalb des Mikrokontrollers vorgesehen und von seiner Art nach von relativ niedriger Taktfrequenz. Neben dem Aufwecken des Mikrokontrollers durch ein internes, vom Wachhund abgebenen Signals, ist das Aufwecken auch in regelmäßigen, periodisch wiederkehrenden Zeitabständen durch das vom externen Oszillator zugeführte externe Aufwecksignal möglich, welches der Steuerschaltung zugeführt wird. Das Aufwecken erfolgt unabhängig vom gerade vorliegenden Betriebszustand. Die Periodendauer dieses externen Aufwecksignals sollte derart bemessen sein, daß der Mikrokontroller möglichst lange im inaktiven Zustand verbleibt, um eine niedrige mittlere Energieaufnahme zu erzielen. Andererseits sollte die Periodendauer kurz genug sein, um genügend schnell auf eine geänderte Betriebssituation reagieren zu können, wobei diese über Eingangsleitungen mitgeteilt werden kann. Bei diesem bekannten Mikrokontroller wird dieser demnach, wenn zwischenzeitlich kein internes Wecksignal auftritt, immer im Rhythmus des externen Oszillators aufgeweckt.

Vorteile der Erfindung

Der erfindungsgemäße Mikrokontroller mit Selbstweckvorrichtung mit den kennzeichnenden Merkmalen des Anspruchs 1 hat demgegenüber den Vorteil der Zurverfügungstellung eines kompletten Bauteils, bei dem ein niederfrequenter Oszillator mit geringer Stromaufnahme mitintegriert ist in den Mikrokontroller, und der vorteilhafterweise bei nicht im Betrieb befindlicher Hochfrequenztaktquelle, in der Lage ist, den Mikrokontrollerkern in dieser Situation bei wenig auszuführenden Funktionen mit dieser niedrigen Taktfrequenz zu versorgen und zu betreiben. Damit ist eine wesentliche Voraussetzung dafür geschaffen, daß der Mikrokontroller energiesparend betrieben werden kann und ein für Notfälle vorzusehender Pufferkondensator in der Steuerelektronik erheblich kleiner gewählt und damit in diese mit eingebaut werden kann.

Gemäß der Erfindung wird dies prinzipiell dadurch erreicht, daß der Oszillator ein niederfrequenter Oszillator ist, daß im Mikrokontroller eine Schaltung vorgesehen ist, die aus der niedrigen Frequenz dieses Oszillators eine wesentlich höhere Taktfrequenz des Mikrokontrollerkerns generiert, daß der Oszillator als originäres Bauelement in den Mikrokontroller mitintegriert ist, und daß eine Unterspannungserkennung vorgesehen ist, deren Ausgangssignal unmittelbar dem Mikrokontrollerkern zuführbar ist.

Durch die in den weiteren Ansprüchen niedergelegten Maßnahmen sind vorteilhafte Weiterbildungen und Verbesserungen des im Anspruch 1 angegebenen Mikrokontrollers möglich.

Entsprechend einer besonders vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung ist die Schaltung zur Generierung der hohen Taktfrequenz des Mikrokontrollerkerns ein abschaltbarer Phasenregelkreis.

In zweckmäßiger Weiterbildung ist der erfindungsgemäße Mikrokontroller mit einer Weckschaltung versehen, welche nach Ablauf einer bestimmten Zeit oder bei Eintritt eines bestimmten Ereignisses den Mikrokontrollerkern von dem inaktiven in den aktiven Betriebszustand versetzt.

In weiterer vorteilhafter Ausgestaltung ist der erfindungsgemäße Mikrokontroller mit einer Zeitschaltlogik versehen, welche nach Ablauf einer verschieden vorgebbaren Zeitspanne die Weckschaltung beaufschlagt, damit diese den Mikrokontrollerkern von dem inaktiven in den aktiven Betriebszustand versetzt.

In vorteilhafter Weiterbildung der Erfindung aktiviert das Wecksignal der Weckschaltung diejenige Schaltung, welche aus der niedrigen Frequenz des niederfrequenten Oszillators die wesentlich höhere Taktfrequenz des Mikrokontrollerkerns generiert, um diesen von dem inaktiven in den aktiven Betriebszustand zu versetzen.

Gemäß einer besonders zweckmäßigen Ausgestaltung ist der erfindungsgemäße Mikrokontroller mit einem Multiplexer versehen, über den der Mikrokontrollerkern in bestimmten Betriebssituationen direkt mit der Frequenz des niederfrequenten Oszillators als seiner Taktfrequenz versorgbar ist.

In vorteilhafter Weise ist der Mikrokontrollerkern nach Abarbeiten bestimmter Funktionen für eine bestimmte, an gewisse Umstände anpaßbare Zeitspanne in den inaktiven Betriebszustand versetzbar. In zweckmäßiger Ausgestaltung der Erfindung ist die anpaßbare Zeitspanne programmierbar und in ein in der Zeitschaltlogik vorgesehenes Zeitvergleichsregister einspeicherbar ist.

In zweckmäßiger Weise ist der erfindungsgemäße Mikrokontroller so ausgestaltet, daß die Frequenz des niederfrequenten Oszillators beispielsweise 100 kHz und die daraus generierte Frequenz des Mikrokontrollerkerns beispielsweise 10 MHz beträgt.

Gemäß einem bevorzugten Einsatzgebiet der Erfindung wird der Mikrokontroller bei elektrischen Verstellantrieben von Kraftfahrzeugen verwendet, und die Unterspannungserkennung unmittelbar an die Bordnetzspannung angeschlossen, um Unterspannungsbedingungen ohne Zeitverzug zu erkennen.

Zeichnung

Die Erfindung ist anhand eines in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiels in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Die einzige Figur zeigt ein Blockschaltbild des erfindungsgemäß gestalteten Mikrokontrollers mit Selbstweckvorrichtung.

Beschreibung des Ausführungsbeispiels

Der in der Figur schematisch als Blockschaltbild dargestellte Mikrokontroller 10 enthält einen Mikrokontrollerkern 11, einen stromsparenden niederfrequenten Oszillator 12, einen Phasenregelkreis 13, einen Multiplexer 14, eine Weckschaltung 15, eine Zeitschaltlogik 16, sowie eine Unterspannungserkennung 17 als wesentliche Bestandteile. Weiterhin ist im Blockschaltbild noch eine Stromversorgung 18 und eine Ein-/Ausgangsschaltung 19 dargestellt.

Der Mikrokontrollerkern 11 dient zur Erfüllung der Aufgaben des Mikrokontrollers 10 und wird mit einer bestimmten Taktfrequenz betrieben. Diese Taktfrequenz kann beispielsweise 10 MHz betragen, wenn der Takt von dem Phasenregelkreis 13 über Leitung 20 zugeführt wird. Diese hohe Taktfrequenz generiert der Phasenregelkreis 13 aus niederfrequenten Signalen, die auf Leitung 21 vom niederfrequenten Oszillator 12 zugeführt werden. Die Frequenz des Oszillators 12 kann beispielsweise 100 kHz betragen. Der Phasenregelkreis 13, für den bevorzugt ein PLL-Schaltkreis (phase-locked loop Schaltung) verwendet wird, stellt also eine Schaltung dar, die aus der niedrigen Frequenz des Oszillators 12 eine wesentlich höhere Taktfrequenz für den Mikrokontrollerkern 11 generiert. Dabei stehen die Phasen von niederfrequenter- und hochfrequenter Taktfrequenz in zueinander geregelter fester Beziehung. Der komplette PLL-Schaltkreis wird im inaktiven Betriebszustand abgeschaltet, da er aufgrund der hohen Frequenz einen hohen Betriebsstrom benötigt.

Der im Mikrokontroller 10 vorgesehene Multiplexer 14 wird über Leitung 20 mit der hohen Taktfrequenz des Phasenregelkreises 13 oder über Leitung 21 mit der niedrigen Frequenz des niederfrequenten Oszillators 12 beaufschlagt. Über eine Ausgangsleitung 23 wird die Zeitschaltlogik 16 angesteuert und entweder mit der hohen oder der niedrigen Taktfrequenz versorgt. Weiterhin wird dem Multiplexer 14 über eine Leitung 24 ein Steuersignal vom Mikrokontrollerkern 11 zugeführt. Die Zeitschaltlogik 16 steht über Leitung 25 mit dem Mikrokontrollerkern 11 in zweiseitigem Signalaustausch und gibt über eine Ausgangsleitung 26 ein Signal an die Weckschaltung 15. Diese ihrerseits beaufschlagt über eine Ausgangsleitung 27 den Mikrokontrollerkern 11 mit ihrem Wecksignal, um den Mikrokontrollerkern 11 vom inaktiven in den aktiven Betriebszustand zu bringen. Dies erfolgt nach einer bestimmten abgelaufenen Zeitspanne, welche in der aktiven Phase vom Mikrokontrollerkern 11 bestimmt wird und über Leitung 25 in ein Register in der Zeitschaltlogik 16 eingestellt wird. Versorgt mit Taktsignalen über den Multiplexer 14 und die Leitung 23 überwacht und vergleicht die Zeitschaltlogik 16 die eingestellten Zeitvorgaben. Zum rechten Zeitpunkt wird dann die Weckschaltung 15 über Leitung 26 angesteuert.

Der Mikrokontrollerkern 11 steht über eine Eingangsleitung 28 und eine Ausgangsleitung 29 mit der Ein-/Ausgangsschaltung 19 in Verbindung. Über diese Schaltung wird der Mikrokontrollerkern 11 beispielsweise mit Signalen versorgt und beaufschlagt, die z. B. von der Tastaturerfassung, Relaistreibern, Positionssignalgebern und anderen interessierenden und angeschlossenen Baueinheiten stammen und über die Eingangsleitung 28 eingelesen werden. Umgekehrt werden über die Ausgangsleitung 29 diese Baueinheiten mit Steuer- und sonstigen Signalen über die Ein-/Ausgabeschaltung 19 versorgt.

Anhand eines bevorzugten Anwendungsbeispiels werden wesentliche Funktionen des erfindungsgemäßen Mikrokontrollers 10 anschließend erläutert. Bei elektrischen Verstellantrieben in Kraftfahrzeugen wird eine Positionserfassung mittels Inkrementalgebern eingesetzt. Dazu können z. B. Hallsensoren diesen. Solche Antriebe mit Positionserfassung sind beispielsweise bei elektrischen Fensterhebern mit Einklemmschutz, Schiebedächern und Sitzverstellungen mit Memory-Funktion im Einsatz. Für derartige Systeme soll die Positionserfassung auch nach einer Notabschaltung infolge von Unterspannung, insbesondere durch Abklemmen der Batterie oder Ansprechen einer Fahrzeugsicherung während des Verstellvorgangs, noch realisierbar sein. Die Nachlaufzeit eines typischen Verstellmotors kann bis zu 100 ms betragen. Da anschließend noch die Positionsdaten in einen nicht flüchtigen Speicher geschrieben werden müssen, muß das System Mikrokontroller plus Sensorik für Pufferzeiten von ca. 120 ms aus einer Kapazität gespeist werden.

Die minimale Bordnetzspannung, bei welcher die Antriebe noch angesteuert werden, beträgt üblicherweise 9 V. Für die Verpoldiode und den Spannungsabfall an einen Spannungsregler muß mit ca. 1,2 V gerechnet werden. Die minimale Funktionsspannung für Hallsensoren, die zur Positionserfassung dienen, und Mikrokontroller liegt bei ca. 3,8 V. Daraus resultiert ein zulässiger Spannungsabfall an der Pufferkapazität von

ΔU = 9 V - 1,2 V - 3,8 V = 4 V.

Bei Annahme von 30 mA Gesamtstromverbrauch für dieses System ergibt sich damit eine Mindestgröße für die Pufferkapazität von

Kondensatoren dieser Kapazität sind aufgrund ihrer großen Abmessungen nur sehr schwer in den üblichen Motorsteuerelektroniken zu integrieren.

Um die mittlere Stromaufnahme des Systems zu reduzieren, werden Mikrokontroller und Hallsensoren nur noch zeitweise eingeschaltet, um die Sensorpegel abzutasten. Zu diesem Zweck erfüllt der erfindungsgemäße Mikrokontroller 10 die folgenden Anforderungen:
er besitzt einen stromsparenden inaktiven Betriebszustand (power down mode);
die Anlaufzeit des Mikrokontrollers 10 ist deutlich kleiner als das zu erwartende Abtastzeitintervall;
der Mikrokontroller 10 enthält eine Unterspannungserkennung 17, die beispielsweise als Schwellwerterfassung unmittelbar an die Bordnetzspannung angeschlossen ist, und damit die Unterspannungsbedingung ohne Zeitverzug feststellt und dem Mikrokontrollerkern 11 über Leitung 30 mitteilt;
schließlich wird nach Ablauf einer bestimmten Zeit nach Eintritt in den inaktiven Betriebszustand oder bei Eintritt eines bestimmten Ereignisses der Mikrokontroller durch seine Selbstweckvorrichtung wieder in den aktiven Betriebszustand versetzt.

Wird bei dem erfindungsgemäß gestalteten Mikrokontroller 10 in der Unterspannungserkennung 17 festgestellt, daß die Bordnetzspannung unter einen Minimalpegel abgesunken ist, werden folgende Aktionen ausgeführt:
die Positionssignale der Hallsensoren werden ausgewertet;
die Hallsensoren werden abgeschaltet;
es erfolgt die Bestimmung der gewünschten Zeitspanne für den inaktiven Betriebszustand und die Einstellung dieses Wertes in das Register in der Zeitschaltlogik als Vergleichswert;
der Systemtakt wird vom Phasenregelkreis 13 auf den niederfrequenten Oszillator 12 umgeschaltet;
schließlich wird der Mikrokontrollerkern 11 angehalten, d. h. der Mikrokontroller 10 in den inaktiven Betriebszustand (stop mode) versetzt.

In dem inaktiven Betriebszustand wird die Zeitschaltlogik 16 mit dem niederfrequenten Takt versorgt. Bei der Berechnung des Wertes für die inaktive Zeitspanne, die in das Register eingeschrieben wird, wird dies berücksichtigt, damit die richtige Aufweckzeit erreicht werden kann. Wenn die Zeitspanne für den inaktiven Betriebszustand abgelaufen ist, wird die Weckschaltung 15, eingeleitet von einem Signal auf Leitung 26 der Zeitschaltlogik 16, ein Aufwecksignal für den Mikrokontrollerkern 11 generieren und diesem über Leitung 27 zuführen. Das Aufwecksignal bewirkt, daß der Phasenregelkreis 13 aktiviert wird. Nach Ablauf der Einschwingzeit des Phasenregelkreises 13 von beispielsweise ca. 200 µs ist der Mikrokontrollerkern 11 voll funktionsfähig.

Wenn innerhalb des aktiven Betriebszustandes, der Laufphase des Mikrokontrollers 10 nur wenige Funktionen ausgeführt werden, z. B. das Auswerten der Positionssignale von Hallsensoren, so wird in sinnvoller Weise der Mikrokontrollerkern 11 mittels des entsprechend gesteuerten Multiplexers 14 nur mit dem niederfrequenten Takt auf der Ausgangsleitung 21 des niederfrequenten Oszillators 12 versorgt. In diesem Fall muß der Phasenregelkreis 13 nicht aktiviert werden und die zugehörige Einschwingzeit wird eingespart. Der Mikrokontrollerkern 11 ist sofort nach Eintreffen des Wecksignals funktionsbereit, arbeitet allerdings mit der niedrigeren Taktfrequenz. Wenn die Aufgaben abgearbeitet sind, wird erneut die Zeitspanne für den inaktiven Betriebszustand ermittelt, in das Register der Zeitschaltlogik 16 eingestellt und der Mikrokontroller schaltet sich selbst für diese Zeitspanne ab.

Die Erfindung stellt einen besonders gestalteten Mikrokontroller mit Selbstweckvorrichtung zur Verfügung, bei dem durch nur kurzzeitiges Einschalten in den aktiven Betriebszustand die mittlere Stromaufnahme entsprechend dem Verhältnis von Lauf- zu Ruhezeit vorteilhaft reduziert wird. Damit ist die notwendige Pufferkapazität für den Fall der Notabschaltung bei Unterspannung reduziert. Er kann sowohl mit hoher als auch mit niedriger Frequenz betrieben werden. In dem inaktiven Betriebszustand wird der Takt von dem stromsparenden niederfrequenten Oszillator, der in den Mikrokontroller 10 mitintegriert ist, zur Verfügung gestellt.

Claims

1. Mikrokontroller mit Selbstweckvorrichtung, insbesondere zur Verwendung in elektrischen Verstellantrieben, mit einer Steuervorrichtung zur Vorgabe eines aktiven und eines inaktiven Betriebszustands, um Versorgungsenergie einzusparen, und einem Oszillator für die Abgabe eines Aufwecksignals, dadurch gekennzeichnet, daß der Oszillator (12) ein niederfrequenter Oszillator ist, daß im Mikrokontroller (10) eine Schaltung (13) vorgesehen ist, die aus der niedrigen Frequenz dieses Oszillators (12) eine wesentlich höhere Taktfrequenz des Mikrokontrollerkerns (11) generiert, daß der Oszillator (12) als originäres Bauelement in den Mikrokontroller (10) mitintegriert ist, und daß eine Unterspannungserkennung (17) vorgesehen ist, deren Ausgangssignal (30) unmittelbar dem Mikrokontrollerkern (11) zuführbar ist.

2. Mikrokontroller nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Schaltung zur Generierung der hohen Taktfrequenz des Mikrokontrollerkerns (11) ein abschaltbarer Phasenregelkreis (13) ist.

3. Mikrokontroller nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß er mit einer Weckschaltung (15) versehen ist, welche nach Ablauf einer bestimmten Zeit oder bei Eintritt eines bestimmten Ereignisses den Mikrokontrollerkern (11) von dem inaktiven in den aktiven Betriebszustand versetzt.

4. Mikrokontroller nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß er mit einer Zeitschaltlogik (16) versehen ist, welche nach Ablauf einer verschieden vorgebbaren Zeitspanne die Weckschaltung (15) beaufschlagt, damit diese den Mikrokontrollerkern (11) von dem inaktiven in den aktiven Betriebszustand versetzt.

5. Mikrokontroller nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß das Wecksignal (27) der Weckschaltung (15) diejenige Schaltung (13) aktiviert, welche aus der niedrigen Frequenz des niederfrequenten Oszillators (12) wesentlich höhere Taktfrequenz des Mikrokontrollerkerns (11) generiert, um diesen von dem inaktiven in den aktiven Betriebszustand zu versetzen.

6. Mikrokontroller nach einem der vorigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß er mit einem Multiplexer (14) versehen ist, über den der Mikrokontrollerkern (11) in bestimmten Betriebssituationen direkt mit der Frequenz des niederfrequenten Oszillators (12) als seiner Taktfrequenz versorgbar ist.

7. Mikrokontroller nach einem der vorigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Mikrokontrollerkern (11) nach Abarbeiten bestimmter Funktionen für eine bestimmte, an gewisse Umstände anpaßbare Zeitspanne in den inaktiven Betriebszustand versetzbar ist.

8. Mikrokontroller nach Anspruch 4 und 7, dadurch gekennzeichnet, daß die anpaßbare Zeitspanne programmierbar und in ein in der Zeitschaltlogik (16) vorgesehenes Zeitvergleichsregister einspeicherbar ist.

9. Mikrokontroller nach einem der vorigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Frequenz des niederfrequenten Oszillators (12) beispielsweise 100 kHz und die daraus generierte Frequenz des Mikrokontrollerkerns (11) beispielsweise 10 MHz beträgt.

10. Mikrokontroller nach einem der vorigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß er bei elektrischen Verstellantrieben von Kraftfahrzeugen verwendet wird, und daß die Unterspannungserkennung (17) unmittelbar an die Bordnetzspannung angeschlossen ist, um Unterspannungsbedingungen ohne Zeitverzug zu erkennen.