DE19828967C2 - Verfahren zur Messung und Kompensation eines ungenauen Taktsignals - Google Patents

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 TCR2_freq 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 f_system die Frequenz des Systemtakts, und TCR1_prescaler 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:

• - 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.

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.

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.