DE19828967C2 - Verfahren zur Messung und Kompensation eines ungenauen Taktsignals - Google Patents
Verfahren zur Messung und Kompensation eines ungenauen TaktsignalsInfo
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Description
Die Erfindung betrifft allgemein ein Verfahren zur Bestimmung der Fre
quenz eines Taktsignals und insbesondere ein Verfahren, bei dem zu
nächst die tatsächliche Frequenz eines ungenauen Taktsignals bestimmt
wird, indem während einer bestimmten Zeitdauer die Anzahl der Taktpul
se des Taktsignals gezählt wird, und bei dem danach auf Grundlage der
tatsächlichen Frequenz ein Kompensationsfaktor bestimmt wird, der für
eine spezielle Anwendung für eine Digitalschaltkreis-Zeitgebung als eine
Korrektur der Nennfrequenz des Taktsignals zu verwenden ist.
Aus der US 3,713,033 ist ein System zur digitalen Korrektur der Frequenz
eines Kristalloszillators in Abhängigkeit von der Umgebungstemperatur
bekannt. Zwei temperaturabhängige Korrekturkreise bestimmen die Tem
peratur und kompensieren den Oszillator.
Bekanntlich verwenden alle Digitalschaltkreise zum Zwecke der Digitallo
gik-Zeitgebung ein oder mehrere Taktsignale. Diese Taktsignale können
von unterschiedlichen Vorrichtungen erzeugt werden, beispielsweise von
verschiedenen Kristallen, Resonatoren, usw. Diese verschiedenen Takt
signal-Erzeugungsvorrichtungen können einen großen Bereich verschie
dener Taktsignalfrequenzen mit unterschiedlicher Genauigkeit liefern. Die
Genauigkeit des Taktsignals ist bestimmt durch das Vermögen der Vorrichtung,
eine bestimmte Frequenz zu jeder beliebigen Zeit innerhalb eines
gewissen Prozentfehlers zu erzeugen. In Abhängigkeit von dem jeweiligen
Taktsignalgeber wirken sich die Temperatur, das Alter, usw. auf dessen
Ausgangsfrequenz und Genauigkeit aus. Taktsignal-Erzeugungsvorrich
tungen, die eine höhere Genauigkeit besitzen und ihre Genauigkeit auch
bei variierenden Temperaturen zeitlich beibehalten, sind im allgemeinen
teurer.
In modernen Fahrzeugen mit Verbrennungsmotoren ist zur Steuerung des
Betriebs des Motors und der Übertragungsfunktionen des Fahrzeugs ein
Kraftübertragungssteuermodul (powertrain control module, PCM) mit Di
gitallogik-Schalttechnik vorgesehen. Das PCM steuert die Zeitgebung des
Einsatzes von Kraftstoff und Zündfunken an die verschiedenen Zylinder
des Motors, um die Zündfunken-Verweildauer und -Zugabe sowie die
Kraftstoff-Pulsbreite und -Zugabe zu steuern. Zusätzlich bestimmt das
Zeitgebungssignal die Kommunikationsprotokoll-Bit-Zeitgebung. Um die
für diese Steuerung benötigten Zeitgebungssignale zu erzeugen, verwendet
das PCM einen Systemtaktgeber mit hoher Frequenz (beispielsweise
20 MHz) und einen Steuertaktgeber mit niedrigerer Frequenz (beispiels
weise 2 MHz). Der Hochfrequenz-Taktgeber wird oftmals durch einen Kri
stall mit vergleichsweise niedriger Frequenz (beispielsweise 32 KHz) gebil
det, die innerhalb der CPU zu einer weitaus höheren Frequenz multipli
ziert wird. Der Steuertaktgeber mit niedriger Frequenz ist bei dieser Art
von Anwendung typischerweise ein Resonator. Der vergleichsweise
schnelle Systemtaktgeber wird benötigt, um die Anforderungen an hohe
Datenraten für die Verarbeitung der Zeilen des Mikrocodes in dem PCM
erfüllen. Der langsamere Steuertaktgeber ist erforderlich für die Zeitge
bung der für die Steuerung des Kraftstoffs und der Zündfunken verwen
deten Ausgangssignale.
Der derzeit verwendete Hochfrequenz-Systemtaktgeber besitzt eine Lang
zeitfrequenz, die im allgemeinen vorhersagbar und stabil ist (+/- 0,1%)
bezüglich der Temperatur und des Alters. Jedoch weist er ein Kurzzeit-
Zittern, einen sog. Jitter auf, durch das eine Pulsbreite wesentlich von ei
ner anderen Pulsbreite oder von der erwarteten Pulsbreite abweichen
kann. Dieser Jitter wird durch das Multiplizieren der geringen Frequenz
des Kristalls innerhalb der CPU verursacht. Der Steuertaktgeber mit ge
ringerer Frequenz zeigt typischerweise keinen Kurzzeit-Jitter, jedoch be
sitzt er einen relativ großen Langzeit-Fehler (+/- 2,0%) und zeigt daher
aufgrund von Alter und Temperaturschwankungen eine wesentliche Drift.
Das relativ ungenaue Steuertaktgebersignal ist ausreichend für die Er
kennung von Fehlzündungen. Es ist jedoch unzureichend für andere
Zwecke, wie beispielsweise die Kraftmaschinen-Pulsbreitenmodulation
(PCM). Überdies kann der Jitter des Hochfrequenz-Systemtaktgebersignals
die Genauigkeit der Kraftstoff- und Zünd-Steuersignale verringern, was zu
höheren Emissionen und/oder geringerer Kraftstoff-Wirtschaftlichkeit
führen kann sowie zur Nichterfüllung von sonstigen Anforderungen.
Fig. 1 zeigt in den Zeilen A bis F eine Folge von Taktsignalen, welche die
vorstehend erörterten Signale darstellen. Zeile A stellt das Signal eines
Hochfrequenz-Systemtaktgebers dar mit einer gewissen Taktperiodendau
er, wobei die Genauigkeit der Langzeit-Durchschnittsfrequenz des
Systemtaktsignals äußerst hoch ist, ein Kurzzeit-Jitter die einzelnen Pulse
jedoch ungenau relativ zueinander macht. Zeile B stellt ein Signal eines
Steuertaktgebers mit vergleichsweise geringer Frequenz dar, wobei die ein
zelnen Taktpulse relativ zueinander stabil sind, die Langzeit-Taktfrequenz
jedoch vergleichsweise ungenau sein kann. Zeile C zeigt ein Ausgangs
steuersignal mit einer erwünschten Pulsbreite, welches beispielsweise in
einem Verbrennungsmotor für die Kraftstoff- und Zündfunken-Zeitgebung
verwendet wird. Wegen des Jitter in dem Systemtaktgebersignal kann die
tatsächliche Taktpulsbreite des Ausgangssignals des Systemtaktgebers
unterschiedlich ausfallen, wie für das Ausgangssignal in Zeile D darge
stellt. Dadurch ist der Systemtaktgeber ungeeignet für die Verwendung als
Zeitgebungs-Signalgeber für solche Ausgangssignale, die den Kraftstoff
und die Zündfunken in bestimmten Anwendungen mit höheren Anforde
rungen an die Auflösung und die Genauigkeit steuern.
Die bekannten Resonatoren, welche für die Erzeugung der Steuertaktge
bersignale in einem PCM verwendet werden, sind nicht teuer, und ihre
Langzeit-Genauigkeit hat sich, wie vorstehend erörtert, auf die Genauig
keit der Ausgangssignale der Kraftstoff und Zündsteuerung ausgewirkt.
Zur Veranschaulichung dieses Sachverhalts zeigt Zeile E ein Ausgangs
steuersignal, das auf einem Steuertaktsignal mit zu hoher Frequenz ba
siert, und Zeile F stellt ein Ausgangssignal dar, das auf einem Steuertakt
gebersignal basiert, dessen Frequenz zu gering ist für das erwünschte
Ausgangssignal. Mit den neuen Anforderungen und aufgrund des Takt-
Jitter ergibt sich ein bedeutender Fehlerstreubereich, innerhalb welchem
in den bekannten PCM die Zündung und der Funke an die Zylinder gege
ben werden.
Industriestandards legen die Genauigkeit des Steuertaktsignals fest, um
die Präzision jener Zeitpunkte zu gewährleisten, zu denen die Kraftstoff-
und Zündsignale angewendet werden. Mit der höheren Ausgeklügeltheit
und den gesteigerten Leistungsanforderungen moderner Fahrzeuge wird
die Genauigkeit, mit welcher der Kraftstoff und der Zündfunke gesteuert
werden, kritischer, und die Genauigkeit des Steuertaktgebers wird des
halb immer wichtiger. Zur Erzeugung genauerer Steuertaktsignale können
zwar genauere Resonatoren in dem PCM vorgesehen sein, oder der Resonator
kann durch Kristalle ersetzt werden. Jedoch sind diese Resonatoren
und Kristalle um so teuerer, je höher ihre Genauigkeit sein soll.
Daher wird eine Technik benötigt, durch welche die Frequenz eines relativ
ungenauen Taktsignals bestimmt werden kann und welche - sobald das
Taktsignal bestimmt ist - eine Kompensation desselben vorsieht, so daß
die Notwendigkeit einer genaueren Takterzeugungsvorrichtung entfallen
kann. Es ist daher eine Aufgabe dieser Erfindung, eine derartige Technik
zu schaffen.
Die Erfindung lehrt ein Verfahren zur Bestimmung der tatsächlichen Fre
quenz eines ungenauen Taktsignals und zur Verwendung der tatsächli
chen Frequenz zur Erzeugung eines Kompensationsfaktors, um Berech
nungen, die das Taktsignal verwenden, korrigieren zu können. Das Ver
fahren verwendet Software, wodurch zusätzliche Hardware und Kosten
vermieden werden können. Bei dem Verfahren werden die Taktpulse des
Taktsignals während einer vorbestimmten und programmierbaren Zeit
dauer gezählt, und auf Grundlage dieser Zählung der Taktpulse wird die
tatsächliche Frequenz des Taktsignals bestimmt. Nach Bestimmung der
tatsächlichen Frequenz des Taktsignals wird dieser Wert dazu verwendet,
um auf Grundlage der erwarteten oder Soll-Frequenz des Taktsignals den
Kompensationsfaktor zu ermitteln zur Kompensation solcher Berechnun
gen, die das Taktsignal verwenden. Alternativ hierzu kann die tatsächliche
Frequenz des Taktsignals in den Berechnungen verwendet werden ohne
die Notwendigkeit, den Kompensationsfaktor zu berechnen.
Das Verfahren findet Anwendung insbesondere bei einem Kraftübertra
gungssteuermodul mit einem Resonator geringer Frequenz und mit einem
Systemtaktgeber hoher Frequenz, wobei der Resonator ein ungenaues
Taktsignal erzeugt, das für kurze Zeitdauern äußert stabil ist, und wobei
der Systemtaktgeber über lange Zeit relativ stabil ist, jedoch einen Kurz
zeit-Jitter aufweist. Es werden Zeiterfassungsregister verwendet zur Zäh
lung des Resonatortaktgebersignals und des Systemtaktgebersignals. Die
Frequenz des Resonatortaktgebersignals wird während einer Zeitdauer be
stimmt, welche auf Grundlage des Systemtaktgebersignals festgestellt
wird. Durch Verwendung dieses Verfahrens kann der vergleichsweise billi
ge Niederfrequenz-Resonator beibehalten werden für die Erzeugung be
stimmter Zeitgebungssignale, wie zum Beispiel die Zündfunken-
Verweildauer und -Zugabe sowie die Kraftstoff-Pulsbreite und -Zugabe.
Weitere Aufgaben, Vorteile und Merkmale der Erfindung sind aus der fol
genden Beschreibung und den Ansprüchen in Verbindung mit den Figu
ren ersichtlich.
Fig. 1 zeigt zur Veranschaulichung der Vorteile der Erfindung eine
Folge von Taktsignalen eines Systemtaktgebers und eines
Steuertaktgebers, sowie ein Ausgangszeitgebungssignal;
Fig. 2 zeigt ein Blockdiagramm eines Kraftübertragungssteuermo
duls mit Firmware zur Messung und Kompensation eines un
genauen Taktsignals, gemäß einer Ausführungsform der Er
findung; und
Fig. 3 zeigt ein detaillierteres Flußdiagramm, das gemäß einer Aus
führungsform der Erfindung eine Technik zur Erzeugung ei
nes Kompensationsfaktors darstellt.
Im folgenden werden beispielhaft bevorzugte Ausführungsformen eines
Verfahrens beschrieben, bei dem die tatsächliche Frequenz eines ver
gleichsweise ungenauen Taktsignals bestimmt wird und danach auf
Grundlage der Abweichung des gemessenen Taktsignals von dem Soll-
Taktsignal ein Kompensationsfaktor bestimmt wird. Insbesondere ist die
folgende Beschreibung auf ein Verfahren gerichtet zur Messung und Kom
pensation eines Resonatortaktsignals von geringer Frequenz, das einem
Kraftübertragungssteuermodul zugeordnet ist, welches für die Erzeugung
von Zünd- und Kraftstoffsignalen in einem Verbrennungsmotor verwendet
wird. Jedoch findet das erfindungsgemäße Verfahren auch Anwendung
auf die Messung und Kompensation eines beliebigen ungenauen Taktsi
gnals, das für die Verwendung im Zusammenhang mit einem Digital
schaltkreis vorgesehen ist. Fig. 2 zeigt ein System 10, das erfindungsge
mäß eine Technik zur Messung eines ungenauen Taktsignals und zur Er
zeugung eines Kompensationsfaktors auf Grundlage des gemessenen
Taktsignals verwirklicht. Das System 10 besitzt ein Kraftübertragungs
steuermodul (PCM) 12 von der Art, wie sie in modernen Fahrzeugen be
kanntlich für die Steuerung des Betriebs des Motors und der Übertra
gungsfunktionen des Fahrzeuges verwendet wird. Das PCM 12 weist Di
gitallogik-Schalttechnik auf mit einer zentralen Prozessoreinheit (central
processing unit, CPU) 14, welche die Datenverarbeitung innerhalb des
PCM 12 übernimmt. Jegliche bekannte, für die vorliegende Erfindung ge
eignete CPU kann verwendet werden.
Ein Teil der CPU 14 ist als eine Zeitprozessoreinheit (time processor unit,
TPU) 16 ausgebildet, welche die Verarbeitung von Zeitgebungsoperationen
innerhalb der verschiedenen Funktionen der CPU 14 übernimmt. Weiterhin
besitzt die CPU 14 einen CPU-Programmspeicher 18, der die verschie
denen im Betrieb der CPU 14 verwendeten Daten und Codes speichert. Bei
dem Programmspeicher 18 kann es sich um einen beliebigen, insbesonde
re um einen bekannten, für den Zweck dieser Erfindung geeigneten Mi
kroprozessor-Speicher handeln, wie beispielsweise um einen Festwertspei
cher (read only memory, ROM), einen löschbaren, programmierbaren
Festwertspeicher (erasable programmable read only memory, EPROM), ei
nen elektrisch löschbaren programmierbaren Festwertspeicher (electrically
erasable programmable read only memory, EEPROM), einen Direktzu
griffsspeicher (random access memory, RAM), einen Flash-RAM oder um
eine beliebige Kombination hiervon, wie sie dem Fachmann geläufig sind.
In ähnlicher Weise besitzt die Zeitprozessoreinheit TPU 16 einen TPU-
Programmspeicher 20, bei dem es sich um einen beliebigen für den Zweck
dieser Erfindung geeigneten Speicher handeln kann und der als eine be
liebige der vorstehend aufgeführten Speicherarten ausgebildet sein kann.
Im Rahmen der Erfindung können der CPU-Programmspeicher 18 und der
TPU-Programmspeicher 20 in dem Kraftübertragungssteuermodul PCM 12
als ein einziger Speicher vereint sein.
Für die vorstehend erläuterten Zwecke besitzt das Kraftübertragungssteu
ermodul PCM 12 eine Systemtakterzeugungsvorrichtung 24, üblicherweise
einen Kristall, zur Erzeugung eines Systemtaktsignals hoher Frequenz,
sowie einen Resonator 26 zur Erzeugung eines Steuertaktsignals geringer
Frequenz. Bei der Systemtakterzeugungsvorrichtung 24 und dem Reso
nator 26 kann es sich um eine beliebige bekannte Vorrichtung handeln,
die dazu geeignet ist, ein Taktsignal von der gewünschten Frequenz mit
einer gegebenen nominellen Genauigkeit zu erzeugen.
Die Zeitprozessoreinheit TPU 16 besitzt weiterhin ein erstes Zeiterfas
sungsregister (time capture register, TCR) 28, mit TCR1 bezeichnet, sowie
ein zweites TCR 30, mit TCR2 bezeichnet. Bekanntlich ist ein Zeiterfas
sungsregister ein Register, das ein Takt- oder Zeitgebungssignal erhält
und zur Speicherung einer auf dem Taktsignal basierenden Zählung zu
jeder bestimmten Anzahl von Pulsen inkrementiert. Das TCR 28 empfängt
das Systemtaktsignal von der Vorrichtung 24, um eine Zeitzählung des
Systemtaktsignals durchzuführen. Das TCR 30 empfängt das Resonator
taktsignal von dem Resonator 26 und das Systemtaktsignal von der Vor
richtung 24, und es liefert eine Zeitzählung zu jeder vorbestimmten An
zahl von Resonatortaktzyklen. Das TCR 28 und das TCR 30 zählen entwe
der bei der steigenden Flanke oder bei der fallenden Flanke des Taktsi
gnals. Da die Flanken des Resonatortaktsignals und des Systemtaktsi
gnals normalerweise nicht zusammenfallen, sorgt die TPU 16 für eine
Synchronisierung zwischen dem TCR 28 und dem TCR 30. Beispielsweise
kann das Systemtaktsignal 16,7 MHz betragen, und das TCR 28 kann die
se Frequenz um 16 herunterteilen auf ein Taktsignal von 1,048 MHz an
seinem Ausgang. Außerdem kann der Resonator 26 beispielsweise ein
Taktsignal von 2 MHz erzeugen, und das TCR 30 kann die Frequenz die
ses Signals halbieren, um ein Taktsignal von 1 MHz zu erzeugen.
Die Zeitprozessoreinheit TPU 16 weist in der Darstellung gemäß Fig. 2 au
ßerdem einen Eingangs-/Ausgangskanal 32 auf, stellvertretend für einen
oder mehrere, beispielsweise 16 Eingangs-/Ausgangskanäle der TPU 16.
Der Eingangs-/Ausgangskanal 32 überträgt die Eingangs- und Ausgangs
signale zu bzw. von der CPU 14, wie beispielsweise das Eingangssignal
von einem nicht dargestellten externen Sensor, oder ein Ausgangssignal,
bei dem es sich um das Steuersignal zur Weitergabe der Kraftstoff- und
Zündfunkensignale an das Fahrzeug handelt. Die bislang erläuterte Ar
chitektur des PCM 12 ist konventionell, und der Betrieb dieser Systeme
zur Steuerung des Motors und der Übertragungsfunktionen des Fahrzeu
ges ist bekannt.
Der Resonator 26 kann zur Verringerung oder Beibehaltung der Kosten
des PCM 12 vergleichsweise ungenau (2% des Nominalwerts) und somit
billig sein. Erfindungsgemäß ist innerhalb der Firmware der CPU 14 ein
Algorithmus vorgesehen, wobei zunächst die Frequenz des ungenauen
Taktsignals des Resonators 26 gemessen und anschließend aus der tat
sächlichen Frequenz des Taktsignals und der Soll-Frequenz des Taktsi
gnals ein Kompensationsfaktor bestimmt wird, um die gewünschte Puls
breite der Eingangs- und Ausgangssignale der CPU 14 und/oder des Ein
gangs-/Ausgangskanals 32 zu gewährleisten.
Fig. 2 zeigt zur Veranschaulichung der Erfindung Flußdiagramm-Käst
chen innerhalb der beiden Programmspeicher 18 und 20, welche die ver
schiedenen im Rahmen der Erfindung getätigten Operationen innerhalb
des Mikrocodes und der Software der CPU 14 repräsentieren. Die CPU 14
bestimmt die tatsächliche Frequenz des Taktsignals des Resonators 26,
wie sie in dem Zeiterfassungsregister TCR 30 erscheint, über eine vorbe
stimmte und programmierbare Zeitdauer. In diesem speziellen Beispiel ist
ein Wert dtcr1 die programmierbare Zeitdauer, während der die Frequenz
des Resonatortaktsignals gemessen wird, und ein Wert dtcr2 ist die tat
sächliche Periodendauer (Frequenz) des Resonatortaktsignals über diese
Zeitdauer. Die Frequenz des Resonatortaktsignals wird kontinuierlich be
stimmt für jede nacheinanderfolgende dtcr1-Zeitdauer, so daß die tatsächliche
Frequenz des Resonatortaktsignals aktualisiert werden kann,
falls das Resonatortaktsignal driftet.
Während einer Initialisierungssequenz der verschiedenen Speicher und
Register innerhalb der CPU 14 wird die Zeitdauer des dtcr1-Werts von dem
Algorithmus festgelegt und in dem Kästchen "Messung einrichten" 36 ge
speichert. Während des Betriebs kann der dtcr1-Wert aus einer Vielzahl
von Gründen geändert werden. Der Algorithmus bestimmt an dem Ent
scheidungsrhombus 38, ob der dtcr1-Wert geändert werden soll. Falls dies
der Fall ist, wird bei dem Kästchen "Messung einrichten" 36 ein neuer
dtcr1-Wert gespeichert. Falls der dtcr1-Wert gleich bleiben soll, was nor
malerweise der Fall ist, umgeht der Entscheidungsrhombus 38 - wie ge
zeigt - das Kästchen "Messung einrichten" 36.
Die Zeitprozessoreinheit TPU 16 besitzt, wie die meisten digitalen Zeitge
bungseinheiten, spezielle Hardware zur Erzeugung eines Ereignisses auf
Grundlage eines bestimmten Zeitwerts, sowie spezielle Hardware zur Er
fassung bestimmter Eingangsinformationen, wie beispielsweise Flanken
zeiten im Verhältnis zu einem Zeitregister. Im laufenden Betrieb wird die
TPU 16 von dem Algorithmus dazu angewiesen, ein Ereignis zu erzeugen,
nachdem eine dem dtcr1-Wert entsprechende Zeitdauer verstrichen ist.
Der bei dem Kästchen "Messung einrichten" 36 gespeicherte dtcr1-Wert
wird in Einheiten des Systemtakts in den TPU-Speicher 20 geschrieben
und wird - wie gezeigt - an ein Kästchen "nächste Erfassung einrichten"
40 übergeben. Der Algorithmus gibt ein Signal von dem Kästchen "nächste
Erfassung einrichten" 40 an das Zeiterfassungsregister TCR 30, um eine
Inkrementierung nach jeder gewissen Anzahl von Zyklen des Taktsignals
des Resonators 26 zu veranlassen. Der Algorithmus gibt auch an das TCR
28 ein Signal, um es dazu zu veranlassen, der TPU 16 anzuzeigen, wann
die Zeitdauer dtcr1 verstrichen ist. Beispielsweise kann das TCR 30 für
eine eins-zu-eins-Zählung pro Taktzyklus bei jeder steigenden Flanke oder
fallenden Flanke des Taktsignals eine Zählung durchführen. Alternativ
hierzu kann das TCR 30 alle zwei Taktzyklen eine Zählung durchführen,
um die Frequenz des Resonatortaktsignals zu halbieren.
Wenn die TPU 16 anzeigt, daß die dem dtcr1-Wert entsprechende Zeitdau
er verstrichen ist, gibt der Algorithmus ein Signal an das TCR 30, um da
durch zu veranlassen, daß der in dem TCR 30 gespeicherte Zählwert zu
einem Kästchen "erfasse Flanke" 42 weitergegeben wird. Bei diesem Käst
chen 42 bestimmt der Algorithmus die Anzahl der in dem TCR 30 während
der letzten dtcr1-Zeitdauer gespeicherten Zählungen, und er erhält somit
eine Flankeninformation über das Taktsignal während einer bestimmten
Zeitdauer. Jedesmal wenn die dtcr1-Zeitdauer verstreicht, wird das Zähl
signal von dem TCR 30 an das Kästchen "erfasse Flanke" 42 übergeben,
um den aktuell in dem TCR 30 gespeicherten Zählwert bzw. die Perioden
dauer des Resonators 26 anzuzeigen. In diesem Verfahrensschritt zeichnet
die TPU 16 bei Eintritt des Ereignisses von dem TCR 28 die Flankenzeit-
und Flankenzählungsdaten in Einheiten des Werts von dem TCR 30 auf.
Der Algorithmus bestimmt - wie durch ein Kästchen "Periodendauer be
rechnen" 44 dargestellt - die Periodendauer bzw. Frequenz des Reso
natortaktsignals über jede dtcr1-Zeitdauer, wenn die Flanke des Reso
natortaktsignals erfaßt ist. Diese Periodendauer entspricht dem Wert dtcr2
und ist im wesentlichen die gemessene Frequenz des Taktsignals des Re
sonators 26. Außerdem übermittelt der Algorithmus ein Signal von dem
Kästchen "Periodendauer berechnen" 44 an das Kästchen "nächste Erfassung
einrichten" 40, damit der Algorithmus zur Weitergabe eines Signals
an das TCR 28 veranlaßt wird, aufgrund dessen das Zeiterfassungsregi
ster TCR 28 der Zeitprozessoreinheit TPU 16 anzeigt, wann die nächste
dtcr1-Zeitdauer verstrichen ist. Jedesmal wenn das TCR 30 nach Verstrei
chen der dtcr1-Zeitdauer das Zählsignal übermittelt, bestimmt der Algo
rithmus die Periodendauer des Taktsignals aus diesem Zählwert.
Bei einem Kästchen "Messung einlesen" 46 übermittelt der Algorithmus
den dtcr2-Wert von dem Kästchen "Periodendauer berechnen" 44 an den
CPU-Speicher 18. An dem Kästchen "Messung einlesen" 46 bestimmt der
Algorithmus den dtcr2-Wert bzw. die Taktfrequenz, und gibt diesen Wert
weiter an ein Kästchen "berechne Kompensationsfaktor" 48. Auf Grundla
ge der Werte dtcr1 und dtcr2 berechnet der Algorithmus einen Kompensa
tionsfaktor. Dieser Kompensationsfaktor ist der Faktor, der den Unter
schied zwischen der Soll-Taktfrequenz des Resonators 26 und der tat
sächlich gemessenen Taktfrequenz wiedergibt. Bei einem Kästchen "Kom
pensation anwenden" 50 wendet der Algorithmus diesen Kompensations
faktor auf die entsprechenden Zeilen des Codes innerhalb der CPU 14 an,
um korrigierte Signale an dem Eingangs-/Ausgangskanal 32 sowie den
anderen Eingangs-/Ausgangskanälen zu erzeugen. Der Kompensations
faktor wird auf alle Berechnungen angewendet, die eine Zeitgebungs-
Ausgabe oder Zeitgebungs-Eingabe betreffen, welche auf dem Taktsignal
des Resonators 26 basiert. Beispielsweise können diese Berechnungen
- ohne hierauf beschränkt zu sein - die Zündfunken-Verweildauer und
-Zugabe, die Kraftstoff-Pulsbreite und -Zugabe, sowie die Kommunikati
onsprotokoll-Bit-Zeitgebung betreffen. Alternativ hierzu kann die CPU 14 -
anstelle einen Kompensationsfaktor zu erzeugen - in den verschiedenen
Berechnungen, welche das Taktfrequenzsignal des Resonators 26 verwenden,
die tatsächliche gemessene Frequenz des Taktsignals von dem Reso
nator 26 benutzen.
Fig. 3 zeigt mit einem detaillierteren Flußdiagramm 52 der erfindungsge
mäßen Betriebsweise der CPU 14, wie der Algorithmus den Kompensati
onsfaktor berechnet. Während einer Initialisierung der CPU 14, wird die
Zeitprozessoreinheit TPU 16 - wie mit Kästchen 54 gezeigt - auf die Be
stimmung des von dem TCR 30 gemessenen dtcr2-Werts vorbereitet. Die
CPU 14 bestimmt den dtcr1-Wert innerhalb des Codes, und schreibt die
sen Wert in einen von der TPU 16 auszulesenden Speicher. Der dtcr1-Wert
wird durch verschiedene Faktoren bestimmt, wie beispielsweise eine Lang
zeit-Drift des Resonatortaktsignals 26 und einen Kurzzeit-Jitter des Sy
stemtaktgebers 24, und er wird in dem Code als eine Kalibrierungskon
stante K_MEASURE_TIME festgesetzt, wie in dem Kästchen 56 gezeigt.
K_MEASURE_TIME ist die Zeitdauer, über welche die Messung erfolgt, und
zwar in Einheiten des Systemtaktsignals, wie es in dem TCR 28 erscheint.
Sobald der dtcr1-Wert bestimmt ist, wird bei Kästchen 58 die TPU 16 zum
Betrieb freigegeben.
Der dtcr2-Wert wird bestimmt, wie vorstehend erläutert, und dieser Wert
wird bei Kästchen 60 von einer Stelle eingelesen, an die er von der CPU 16
geschrieben wurde. Als nächstes wird bei Kästchen 62 ein Kompensati
onsfaktor bestimmt als COMP_FACTOR = dtcr2/K_NOMINAL_DTCR2.
Dabei ist K_NOMINAL_DTCR2 die erwartete gemessene Zeitdauer, ausge
drückt in Einheiten des Zählwerts in dem Zeiterfassungsregister TCR 30.
Zur Bestimmung des Kompensationsfaktors wird der dtcr2-Wert in der
CPU 16 mit jenem Wert verglichen, wie er erwartet würde, falls der Reso
nator 26 vollkommen genau wäre. In diesem Beispiel wird der erwartete
Wert von der Kalibrierungskonstante K_NOMINAL_DTCR2 repräsentiert.
Es ist zu beachten, daß die beiden Kalibrierungskonstanten in Beziehung
zueinander stehen.
Als nächstes wird bei Kästchen 64 eine Operation durchgeführt zur Be
stimmung, ob der Kompensationsfaktor innerhalb gewisser vorbestimmter
Grenzwerte liegt, die auf der spezifizierten Genauigkeit des Taktsignals des
Resonators 26 basieren. Der Kompensationsfaktor wird auf einen Ent
scheidungsrhombus 66 angewendet, welcher bestimmt, ob der Kompen
sationsfaktor größer ist als ein vorbestimmter Maximalwert CF_MAX. Falls
der Kompensationsfaktor größer ist als der vorbestimmte Maximalwert,
dann wird der Kompensationsfaktor bei Kästchen 68 auf diesen vorbe
stimmten Maximalwert festgesetzt. Falls der Algorithmus ermittelt, daß
der Kompensationsfaktor geringer ist als der maximale vorbestimmte
Grenzwert, so prüft der Algorithmus bei dem Entscheidungsrhombus 70,
ob der Kompensationsfaktor geringer ist als ein minimaler vorbestimmter
Wert CF_MIN. Falls der Kompensationsfaktor geringer ist als der vorbe
stimmte Minimalwert, so wird der Kompensationsfaktor bei Kästchen 72
auf diesen vorbestimmten Minimalwert festgesetzt. Somit wird entweder
der tatsächliche Kompensationsfaktor, der vorbestimmte minimale Kom
pensationsfaktor, oder der vorbestimmte maximale Kompensationsfaktor
als Kompensationsfaktor festgesetzt. Der Algorithmus wendet den somit
festgesetzten Kompensationsfaktor auf jeden beliebigen Parameter inner
halb des Betriebs und der Operationen der CPU 14 an, der das Taktsignal
des Resonators 26 verwendet. Wie in Kästchen 74 gezeigt werden die Ein
gangs-/Ausgangs-Paramter IO-PARAMETER festgesetzt als der gewünschte
Taktwert DESIRED_VALUE multipliziert mit dem Kompensationsfaktor
COMP_FACTOR: IO-PARAMETER = DESIRED_VALUE.COMP_FACTOR.
Nachstehend wird ein Beispiel aufgezeigt für die Kompensation eines be
stimmten Eingangs oder Ausgangs, in diesem Fall eine Bit-Rate, die im
Code als Bit Rate dargestellt ist. Bit_Rate ist eine ganze Zahl, welche die
Anzahl von Taktzyklen des Resonators 26 repräsentiert, die einem Bit an
Zeit in dem Zeiterfassungsregister TCR 30 entspricht, wobei eine Bit-Zeit
(Zeitdauer entsprechend einem Bit) der Kehrwert der Baud-Rate baud rate
ist.
Dabei ist TCR2freq die in dem TCR 30 gespeicherte Frequenz des Taktsi
gnals in Hertz, und die Baud-Rate baud rate ist in Bits pro Sekunde ange
geben.
Die CPU 14 benutzt den vorstehend erläuterten Algorithmus, um die
Baud-Rate genau zu halten, indem sie den dtcr2-Wert periodisch einliest,
die Berechnung durchführt und Bit_Rate unter Verwendung der folgenden
Beziehung aktualisiert.
Dabei ist fsystem die Frequenz des Systemtakts, und TCR1prescaler ist die in
dem TCR 28 gespeicherte skalierte Systemtaktzahl.
Der Wert dtcr1 wird so festgelegt, daß mit dem dtcr2-Wert einfache Be
rechnungen zur Bestimmungen einer neuen Bit_Rate durchgeführt werden
können. Zum Beispiel kann eine Systemtaktfrequenz von 16,8 MHz und
eine Baud-Rate von 8192 angenommen werden. Unter Verwendung der
Gleichung (2) wird die kompensierte Bit_Rate folgendermaßen bestimmt:
Unter der Annahme, daß die CPU 14 einen Wert von 2048 als dtcr1-Wert
einsetzt, ergibt sich:
Die CPU 14 kann in diesem Fall einfach den dtcr2-Wert einlesen und sein
höherwertiges Byte in Bit Rate schreiben. Indem lediglich das höherwerti
ge Byte verwendet wird, wird die Genauigkeit des verwendeten Wertes
noch weiter erhöht. Es ist zu beachten, daß bei dieser dtcr1-Rate der
dtcr2-Wert alle 31,25 Millisekunden aktualisiert wird.
Als ein weiteres Beispiel kann eine Systemfrequenz von 21,75 MHz ange
nommen werden. Unter Verwendung von Gleichung (3) ergibt sich:
Angenommen, die CPU 14 setzt einen Wert von 64 als dtcr1-Wert ein.
Dann ergibt sich:
Die CPU 14 liest den dtcr2-Wert ein und multipliziert diesen mit 83, und
sie schreibt dann den rechts verschobenen Wert des höherwertigen Bytes
in Bit_Rate. Bei dieser dtcr1-Rate wird der dtcr2-Wert alle 753 Mikrose
kunden aktualisiert.
Für jede Anwendung sollte aufgrund der Rate, mit welcher die Frequenz
des Resonators 26 variiert, und des Jitter des Systemtaktgebers 24 fest
legt werden, wie oft der dtcr2-Wert eingelesen werden muß.
Um die Genauigkeit der Bit-Zeit bit time zu bestimmen, wird die erbrachte
und detektierte Baud-Rate berechnet als:
Dies ergibt eine Bit-Zeit bit time von:
Diese Bit-Zeit ist genau richtig, wenn die Synchronisierung zwischen dem
TCR 28 und dem TCR 30 nicht betrachtet wird. Jedoch müssen die Flan
ken des Taktsignals des Resonators synchronisiert werden mit den Flan
ken des SystemTaktsignals. Da das TCR 30 synchronisiert wird, liegt die
Genauigkeit der vorstehend genannten Bit-Zeit innerhalb einer Synchro
nisierungs-Rate synchronization rate. Diese ergibt sich aus:
Die Bit-Zeit kann mit anderen Worten so bestimmt werden, daß ihr Wert
einem der beiden nächsten synchronisierten Werten entspricht, wobei die
synchronisierten Werte ganzzahlige Vielfache der synchronization rate
sind. Die tatsächliche Bit-Zeit actual bit time ist dann entweder
wobei gilt:
Als Beispiel kann ein Systemtakt von 21,757952 MHz, ein Bit_Rate-Wert
von 244 und eine von dem Resonator 26 an das TCR 30 abgegebene Fre
quenz von 2 MHz angenommen werden. Unter Verwendung der Gleichun
gen (8) und (9) ergibt sich:
Die tatsächliche Bit-Zeit actual bit time für N = 663 ist dann entweder:
In diesem Beispiel beträgt die erwünschte baud rate 8192, entsprechend
einer Bit-Zeit von 122,070 Mikrosekunden. Wie die obengenannten Werte
zeigen, beträgt die Genauigkeit der Bit-Zeit der seriellen Kommunikations
schnittstelle -183,841 Nanosekunden.
Im allgemeinen ist die Genauigkeit des Resonators 26 viel geringer als die
Genauigkeit des Systemtaktgebers 24. Beispielsweise sei ein Taktsignal
betrachtet, das von dem Resonator 26 an das TCR 30 abgegeben wird mit
einer Frequenz von 2 MHz und einer Genauigkeit von 2%. Falls das Takt
signal + 2% wäre, würde sich folgende unberichtigte Bit-Zeit bit time erge
ben:
Durch Verwendung dieses Kompensationsverfahrens wird für Bit Rate ein
Wert 249 berechnet. Mit einer Berichtigung zu Bit_Rate würde die tatsächliche
Bit-Zeit actual bit time dieselbe sein wie mit einem nominellen
Resonatoreingang:
Ohne Kompensation würde der Ausgangsfehler 2% betragen.
Claims (9)
1. Verfahren zur genauen Steuerung einer Ausgabevorrichtung in ei
nem System, bei dem ein zeitlich festgelegtes Steuersignal für die
Ausgabevorrichtung erzeugt wird entsprechend einem von dem Sy
stem entwickelten zeitbezogenen Steuerparameter,
wobei ein Steuertaktsignal verwendet wird mit einer tatsächlichen Taktfrequenz, die dazu neigt, von einer Soll-Taktfrequenz weg zu driften, und
wobei bei dem Verfahren die folgenden Schritte durchgeführt wer den:
wobei ein Steuertaktsignal verwendet wird mit einer tatsächlichen Taktfrequenz, die dazu neigt, von einer Soll-Taktfrequenz weg zu driften, und
wobei bei dem Verfahren die folgenden Schritte durchgeführt wer den:
- - Festlegen einer vorbestimmten Zeitdauer;
- - Durchführen einer Steuertaktzählung auf Grundlage der An zahl von Zyklen des Steuertaktsignals während der Zeitdauer;
- - Bestimmen der tatsächlichen Taktfrequenz des Steuertaktsi gnals auf Grundlage der Taktzählung während der Zeitdauer; und
- - Anpassen des zeitbezogenen Steuerparameters auf Grundlage des Unterschieds zwischen der bestimmten tatsächlichen Taktfrequenz und der Soll-Taktfrequenz, und Erzeugen des zeitlich festgelegten Steuersignals auf Grundlage des ange paßten Steuerparameters, um den Betrieb der Ausgabevor richtung hinsichtlich einer Frequenzdrift des Steuertaktsi gnals zu kompensieren.
2. Verfahren nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet,
daß zur Durchführung der Taktzählung das Steuertaktsignal an ein
Zeiterfassungsregister übergeben wird, das die Taktzählung der
Taktzyklen durchführt, wobei das Zeiterfassungsregister eine Infor
mation über die Flanke des Steuertaktsignals bestimmt.
3. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet,
daß bei dem Festlegen der vorbestimmten Zeitdauer eine program
mierbare vorbestimmte Zeitdauer festgelegt wird.
4. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet,
daß das Taktsignal von einem Resonator eines Kraftübertragungs
steuermoduls erzeugt wird, das einem Fahrzeug zugeordnet ist.
5. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet,
daß zur Anpassung des zeitbezogenen Steuerparameters
ein Kompensationsfaktor auf Grundlage des Unterschieds zwischen der bestimmten tatsächlichen Taktfrequenz und der Soll-Taktfrequenz erzeugt wird,
bestimmt wird, ob der Kompensationsfaktor zwischen einem vorbestimmten maximalen Kompensationsfaktor und einem vorbestimmten minimalen Kompensationsfaktor liegt,
der Kompensationsfaktor auf den vorbestimmten maximalen Kompensationsfaktor gesetzt wird, falls der Kompensations faktor größer ist als der maximale Kompensationsfaktor,
der Kompensationsfaktor auf den vorbestimmten minimalen Kompensationsfaktor gesetzt wird, falls der Kompensations faktor geringer ist als der minimale Kompensationsfaktor, und
andernfalls der ermittelte Kompensationsfaktor verwendet wird.
ein Kompensationsfaktor auf Grundlage des Unterschieds zwischen der bestimmten tatsächlichen Taktfrequenz und der Soll-Taktfrequenz erzeugt wird,
bestimmt wird, ob der Kompensationsfaktor zwischen einem vorbestimmten maximalen Kompensationsfaktor und einem vorbestimmten minimalen Kompensationsfaktor liegt,
der Kompensationsfaktor auf den vorbestimmten maximalen Kompensationsfaktor gesetzt wird, falls der Kompensations faktor größer ist als der maximale Kompensationsfaktor,
der Kompensationsfaktor auf den vorbestimmten minimalen Kompensationsfaktor gesetzt wird, falls der Kompensations faktor geringer ist als der minimale Kompensationsfaktor, und
andernfalls der ermittelte Kompensationsfaktor verwendet wird.
6. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet,
daß zur Durchführung der Taktzählung während der Zeitdauer
von einem ersten Zeiterfassungsregister eine Taktzählung ei nes Systemtaktsignals durchgeführt wird,
von einem zweiten Zeiterfassungsregister die Taktzählung des Steuertaktsignals durchgeführt wird, und
von dem ersten Zeiterfassungsregister ein Signal übermittelt wird, nachdem die vorbestimmte Zeitdauer verstrichen ist, um das zweite Zeiterfassungsregister zur Ausgabe der Taktzahl des Steuertaktsignals zu veranlassen.
daß zur Durchführung der Taktzählung während der Zeitdauer
von einem ersten Zeiterfassungsregister eine Taktzählung ei nes Systemtaktsignals durchgeführt wird,
von einem zweiten Zeiterfassungsregister die Taktzählung des Steuertaktsignals durchgeführt wird, und
von dem ersten Zeiterfassungsregister ein Signal übermittelt wird, nachdem die vorbestimmte Zeitdauer verstrichen ist, um das zweite Zeiterfassungsregister zur Ausgabe der Taktzahl des Steuertaktsignals zu veranlassen.
7. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet,
daß der Kompensationsfaktor innerhalb eines Algorithmus verwen
det wird, der zur Berechnung eines Zeitgebungssignals verwendet
wird.
8. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet,
daß das zeitlich festgelegte Steuersignal innerhalb eines Kraftüber
tragungssteuermoduls verwendet wird, um eine Zündfunken-
Verweildauer, eine Zündfunken-Zugabe, eine Kraftstoff-Pulsbreite,
eine Kraftstoff-Zugabe und/oder eine Kommunikationsprotokoll-Bit-
Zeitgebung zu steuern.
9. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet,
daß ein Systemtaktsignal vorgesehen ist, wobei bei dem Festlegen
der vorbestimmten Zeitdauer die vorbestimmte Zeitdauer auf
Grundlage des Systemtaktsignals festgelegt wird.
Applications Claiming Priority (1)
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- 1998-06-22 JP JP10174792A patent/JPH11153630A/ja active Pending
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Effective date: 20120103 |