JP5235674B2 - 暗視システム電力システムにおける電力低減アルゴリズム実装方法およびシステム - Google Patents

Description

暗視システムは、軍事、産業、商業等数々の応用に用いられる。一般に、システムは光増幅管で受光した光を増倍して可視画像を生成することで動作する。電力の保存は典型的には携帯型電池供給によって駆動される個人用暗視システムにおいて問題となる。よって、暗視システムの動作を拡張するために暗視システムに電力の保存の特徴を組み込むことは有益である。

発明の実施形態は、高電圧部と結合された低電圧部を有する電力システムからなる暗視システムである。前記低電圧部は、低電圧コントローラとステップ値をパルス幅に関連付けた低電圧テーブルを含み、前記低電圧コントローラは所望のパルス幅を得て前記テーブルにアクセスしてステップ値を得る。前記低電圧部は前記ステップ値を前記高電圧部にパルスカウント変調フォーマットを使って送信する。前記高電圧部は、前記低電圧コントローラから前記ステップ値を受け取るオプトアイソレータと、前記ステップ値を復調する高電圧コントローラを含む。前記高電圧コントローラは、前記ステップ値に応答してステップ値をパルス幅に関連付けた高電圧テーブルにアクセスしてパルス幅を得て、前記高電圧コントローラは前記パルス幅に応答して制御パルスを生成する。

発明の別の実施形態は、暗視システムを制御する方法である。方法は、低電力部において、所望のパルス幅を得て低電圧テーブルにアクセスしてステップ値を得ることを含む。前記低電圧部は前記ステップ値を前記高電圧部にパルスカウント変調フォーマットを使って送信する。前記高電圧部において、ステップ値をパルス幅に関連付けた高電圧テーブルにアクセスしてパルス幅を得て、前記高電圧部が前記パルス幅に応答して制御パルスを生成する。

図１は実施例における暗視システムの電力部品のブロック図である。電力部品は低電圧部１００と高電圧部２００を含む。低電圧部１００と高電圧部２００は、それらの間にかなりの電圧ポテンシャル差をもって動作する。低電圧部１００は、低電圧エレクトロニクス１０４と高電圧部２００のオプトアイソレータ２０２と通信する低電圧コントローラ１０２を含む。低電圧エレクトロニクス１０４は、増幅器、インバータ、変圧器、等を含んでもよい。電池１０８は低電圧エレクトロニクス１０４に結合されて高電圧部２００に電力を提供する。

低電圧コントローラ１０２は格納媒体に含まれたコンピュータコードを実行する汎用マイクロコンピュータであってもよい。それに代えて、低電圧コントローラ１０２は、特別仕様のコンピュータ、例えばマイクロコンピュータやミニコンピュータやメインフレームを含んだコンピュータシステム、プログラムされたマイクロプロセッサ、マイクロコントローラ、周辺集積回路素子、ＣＳＩＣ（Customer Specific Integrated Circuit）やＡＳＩＣ(Application Specific Integrated Circuit)や他の集積回路、論理回路、デジタル信号プロセッサ、ＦＰＧＡ，ＰＬＤ，ＰＬＡ，ＰＡＬなどのプログラム可能論理デバイス、あるいは発明の実施形態のプロセスのステップを実施することができるあらゆるその他のデバイスやデバイス群の配置、を含んだ多種多様な他のテクノロジーを使って実装してもよい。

低電圧コントローラ１０２は、ここで更に詳しく説明するように高電圧部に送信されたステップ値を取り出す低電圧テーブル１０３とインタフェースしている。低電圧テーブル１０３は、それによって低電圧コントローラ１０２が所望のパルス幅に基づいたステップ値を求めるルックアップテーブルであってもよい。低電圧テーブル１０３は、低電圧コントローラ１０２または低電圧コントローラ１０２によってアクセス可能な別のデバイス内に位置するメモリに格納されてもよい。

オプトアイソレータ２０２は、低電圧部１００から高電圧部２００に情報を転送するために用いる光学的にアイソレートされた一方向データリンクとして働く。情報項目の一つは、所望のパルス幅に相当するステップ値である。ステップ値は、高電圧部で使われる所望のパルス幅を表し、ここで更に詳しく説明するように低電圧テーブル１０３から求められる。実施例では、ステップ値は所望のパルス幅を表すＮビットデジタルワードである。ステップ値が一旦高電圧部２００で受け取られると、高電圧部２００はステップ値でもって高電圧テーブル２０３にアクセスして１２５０μｓから３００ｎｓの間の長さをもった制御パルスを生成する。オプトアイソレータ２０２はステップ値を受け取り、ステップ値を高電圧コントローラ２０４に提供する。高電圧コントローラ２０４は、暗視システムをバイアスする高電圧パワーエレクトロニクス２０６を制御するパルス整形モジュール２１０とインタフェースするために、ステップ値を用いる。

高電圧コントローラ２０４は、低電圧部１００から送信されたステップ値に応答してパルス幅を取り出す高電圧テーブル２０３とインタフェースしている。高電圧テーブル２０３は、それによって高電圧コントローラ２０４が受信したステップ値に基づいたパルス幅を求めるルックアップテーブルであってもよい。高電圧テーブル２０３は、高電圧コントローラ２０４または高電圧コントローラ２０４によってアクセス可能な別のデバイス内に位置するメモリに格納されてもよい。

パルス幅を規定する従来の方法は、各カウントが最小分解能に等しいデジタルワードを作るものである。最小パルス分解能が１ｎｓで最大値が１２５０μｓである図１の電力システムでは、１カウント＝１ｎｓでスケーリングされたデジタルワードは所望の分解能と最大範囲に適合するためには１，２５０，０００カウントを格納可能となっている必要があるであろう。これは１，２５０，０００カウントを表すために２１ビットのデジタルワードを要求する。

上述した通り、暗視システム電力システムの制約は電力消費である。２１データビットを送ることは、それだけ多くのビットのために光送信機を駆動するのに要求されるエネルギーとデータ送受信の間に必要とされるリアルタイムの電力消費のためにシステム電力を押し上げる。

上述した通り、低電圧部は低電圧テーブル１０３にアクセスして所望のパルス幅に相当するステップ値を得る。ステップ値は低減された数のビットを用いてパルス幅を通信する。ステップ値とパルス幅の例を表１に示す。パルス幅は、例えば１２５０μｓの最大値から始まり、各ステップ毎にパーセント（例えば２．５％）で下がっていく。１２５０μｓから３１９ｎｓのパルス幅に相当する０から３３５の全部で３３６ステップが規定される。

動作において、低電圧コントローラ１２０は所望のパルス幅を決めて低電圧テーブル１０３にアクセスして適当なステップ値を決める。低電圧部１００は、所望のパルス幅をステップ値にインデックスする低電圧テーブル１０３にアクセスして、ステップ値を表すデジタルワードを送る。これにより、データリンクを渡ってパルス幅値を送る代わりに表１からのステップ値が送られる。この方法を用いると、データリンクを渡って送信されるデータには、もしパルス幅値が送られる場合の２１ビットとは違って１０ビットだけが必要となる。９ビットはステップ値を送るのに使われ、第１０のビットは９ビットワードを適当な高電力回路に向けるステアリングビットとして含まれてもよい。パワーエレクトロニクス２０６は、暗視ＭＣＰにおけるＤＣレベルと電圧ゲーティングの両方を制御する回路を含む。１０ビットを送ることは、２１ビットを送ることと比べて、２倍の電力低減と送信時間低減となる。

低電圧コントローラ１０２は、オプトアイソレータ２０２を介して高電圧コントローラ２０４にステップ値を送る。高電圧コントローラ２０４は、低電圧テーブル１０３のローカルなコピーである高電圧テーブル２０３にアクセスし、受信したステップ値に相当するパルス幅を決める。高電圧コントローラ２０４はパルス整形モジュール２１０を通じてこのパルス幅が作られるようにし、そこでそれは制御パルスを通じて高電圧エレクトロニクス２０６を駆動する。例えば、高電圧エレクトロニクス２０６は、その全てが高電圧ブロック内に置かれたＤ／Ａコンバータやいくつかのアナログ出力機能を含んでもよい。

この通信プロトコルは、標準的なデジタル通信プロトコルよりも少ない電力と通信時間を使う。テーブル１０３と２０３の使用は、早くて低電力の動作を提供する。ステップ間の２．５％の変化に基づいた相関テーブルの使用は、入力と出力の間に対数的なスケーリング関係をもたらす。

暗視システムの電力消費を低減するためにさらなる電力削減メカニズムを用いても良い。一つの電力削減技術は、低電圧部１００と高電圧部２００の間で送信されるデータを削減することを含む。データ送信にオプトアイソレータ２０２を使うことは、電力が投入された際にかなりの量の電力を消費する。送信されるデータ量を削減することは電力消費の低減をもたらす。上述した通り、パルス幅データの対数的スケーリングは送信されるビット数を最小化する。加えて、データ送信のためのデータ変調フォーマットも電力消費にかなりの衝撃を与えることができる。発明の実施形態は電力消費に対処するのにデータ変調技術を用いる。変調技術の一つの特徴は、最小の電力消費となるようにオプトアイソレータのオン時間を最小に留めることである。変調技術の別の特徴は、データを出来るだけ高いレートで送信してトータルの送信時間と、それによって送信や受信をしているコントローラにおける電力消費を、最小化することである。

可能な限り最短のパルスを使う変調技術は最小の電力消費をもたらす。高電圧コントローラ２０４はデータをリアルタイムで復調するので、容易に復調できるフォーマットも低減された電力消費をもたらす。発明の実施形態は、０．５μｓのパルスを１００ｋＨｚのベースレートで送信し、図２に示すようにロジック１状態にパルスが追加されたパルスカウント変調の変調フォーマットを用いる。この実装は最小のオプトアイソレータのオン時間（０．５μｓのパルスが使われる）の２つの条件を満たしながら、簡素で高速な復調を提供する。

電力消費を低減するのに使われる別の技術はコントローラのダウンクロッキングである。高電圧コントローラ２０４はそのクロック速度と、それによってその電力消費を、低減する能力を有する。システムは、各サブシステムがタイミング周期の一部の間実行され、残りの時間の間はその電力を低減するように設計されている。例えば、１ｋＨｚのサイクルでは、必要なタスクは利用可能な１０００μｓのうちの６００μｓを消費する。残りの４００μｓの間は、高電圧コントローラ２０４はダウンクロックしてその電力を低減する。４００μｓ時間の終わりにおいて、高電圧コントローラ２０４はアップクロックして動作を再開する。

電力消費を低減するのに使われる別の技術は光学的データリンクの受信端における高電圧コントローラ２０４を低電圧コントローラ１０２のスレーブとなるように構成することである。発明の実施形態はシステムをアイドリングして電力を保存する能力を提供する。暗視システムＭＣＰからのフィードバック電圧Ｖ_０は低電圧部１００に提供される。このフィードバック電圧Ｖ_０がおよそ０ボルトであると、暗視システムはフルゲインで作動し、高電圧部２００内の制御パルスは静的で低電圧部１００から高電圧部２００へのステップ値は必要ない。電力システムがアイドリングしている時は、制御パルスがＭＣＰ電圧を０か０に近いボルトに確立する。Ｖ_０のこれらの値については、電圧と制御パルスは光学的データリンクの受信端における高電圧部２００にとって静的である。実効的な電力消費の低減は、Ｖ_０のこの領域で動作しているときに低電圧部１００と高電圧部２００の間の光学的データリンク上の送信を停止することによって達成される。

受信する高電圧部２００は、もしオプトアイソレータ２０２におけるデータ受信が止まるとその出力を最後の値のまま残すように設計されている。よって、低電圧部１００からのデータ送信の停止はその出力が正しい状態にある高電圧部２００をアイドリングにする。 アイドリングは高電圧部２００の電力消費をその通常の電力消費の約２０％にまで低減する。低電圧部と高電圧部の両方でほぼ等しい電力消費であると、システムのアイドリング
はシステム全体の電力消費を約４０％削減する。

以上説明したように、発明の実施形態は、プロセッサ実装されたプロセスとそれらのプロセスを実施する装置の形で実施されてもよい。また発明の実施形態は、フロッピーディスクやＣＤ−ＲＯＭやハードディスクなどの実体のあるメディアあるいはその他のあらゆるコンピュータ読み取り可能な格納メディアに実装された命令を含んだコンピュータプログラムコードの形で実施されてもよく、ここでコンピュータプログラムコードがプロセッサに読み込まれて実行されると、プロセッサは発明を実施する装置となる。また本発明は、例えば、コンピュータプログラムコードの形で実施することができ、格納メディアに格納されたり、コンピュータに読み込まれかつ／または実行されたり、光ファイバを通してあるいは電磁波を介して電気ワイヤやケーブルなどの何らかの送信メディア上を送信されたりでき、ここでコンピュータプログラムコードがコンピュータに読み込まれて実行されると、コンピュータは発明を実施する装置となる。汎用のマイクロプロセッサ上に実装された場合には、コンピュータプログラムコードのセグメントは特定の論理回路を作り出すようにマイクロプロセッサの構成を行う。

発明は実施例を参照して説明されたが、その本質的な範囲から逸脱することなく種々の変更を行ったりその構成要素に等価なものを代入したりしてもよいことは当業者には理解されるであろう。従って、発明は発明を実行するために開示された特定の実施形態に限定されず、発明は添付された請求項の範囲内に収まる全ての実施形態を含んでいることが意図されている。

図１は実施例における暗視システムの電力部品のブロック図である。 図２は暗視システムで使われる変調方式の例を示す。

Claims (12)

1. 高電圧部と結合された低電圧部を有する電力システムと、
   低電圧コントローラとステップ値をパルス幅に関連付けた低電圧テーブルを含んだ前記低電圧部であって、前記低電圧コントローラは所望のパルス幅を得て前記テーブルにアクセスしてステップ値を得るものであり、前記低電圧部は前記ステップ値を前記高電圧部にパルスカウント変調フォーマットを使って送信するものと、
   前記低電圧コントローラから前記ステップ値を受け取るオプトアイソレータと、前記ステップ値を復調し、前記ステップ値に応答してステップ値をパルス幅に関連付けた高電圧テーブルにアクセスしてパルス幅を得る高電圧コントローラを含んだ前記高電圧部であって、前記高電圧コントローラは前記パルス幅に応答して制御パルスを生成するものと、
   からなる暗視システム。
2. 前記パルスカウント変調フォーマットは予め規定された周波数で送られたパルスを含み、パルスはロジック１状態を表すように挿入されている、請求項１の暗視システム。
3. 前記高電圧コントローラは非稼動期間中そのクロック速度を低減する、請求項１の暗視システム。
4. 前記高電圧コントローラは、前記低電圧部から前記オプトアイソレータへの送信が中断された時に前記制御パルスを一定値に維持する、請求項１の暗視システム。
5. 前記ステップ値は最大値から最小値まで対数的に減少する範囲のパルス幅に対応する、請求項１の暗視システム。
6. 前記パルス幅は前記最大値から前記最小値まで２．５％ずつ減少する、請求項５の暗視システム。
7. 暗視システムを制御する方法であって、
   低電圧部において、所望のパルス幅を得て低電圧テーブルにアクセスしてステップ値を得て、
   前記低電圧部が前記ステップ値を高電圧部にパルスカウント変調フォーマットを使って送信し、
   前記高電圧部において、ステップ値をパルス幅に関連付けた高電圧テーブルにアクセスしてパルス幅を得て、前記高電圧部が前記パルス幅に応答して制御パルスを生成する、
   ことからなる方法。
8. 前記パルスカウント変調フォーマットは予め規定された周波数で送られたパルスを含み、パルスはロジック１状態を表すように挿入されている、請求項７の方法。
9. 前記高電圧部は、前記ステップ値を復調し、前記ステップ値に応答してステップ値をパルス幅に関連付けた高電圧テーブルにアクセスしてパルス幅を得る高電圧コントローラを含み、
   前記高電圧コントローラは非稼動期間中そのクロック速度を低減する、請求項７の方法。
10. 前記高電圧部は、前記低電圧部から前記ステップ値を受け取るオプトアイソレータと、前記ステップ値を復調し、前記ステップ値に応答してステップ値をパルス幅に関連付けた高電圧テーブルにアクセスしてパルス幅を得る高電圧コントローラを含み、
    前記高電圧コントローラは、前記低電圧部から前記オプトアイソレータへの送信が中断された時に前記制御パルスを一定値に維持する、請求項７の方法。
11. 前記ステップ値は最大値から最小値まで対数的に減少する範囲のパルス幅に対応する、請求項７の方法。
12. 前記パルス幅は前記最大値から前記最小値まで２．５％ずつ減少する、請求項１１の方法。

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