TWI489237B - 即時取樣裝置及其方法 - Google Patents

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Description

即時取樣裝置及其方法
本揭露係有關一種即時取樣裝置及其方法，詳而言之，係有關於一種應用於數位伺服控制系統之即時取樣裝置及其方法。
近年來嵌入式系統蓬勃發展，許多控制系統皆採用嵌入式系統架構，藉助其強大運算能力來實現數位控制於高階伺服系統。
一般而言，複雜的高階演算法大多可透過軟體來實現，而對真實系統進行數位化時，系統取樣時間精確度為數位控制正確性的關鍵因素，使用者可選擇適合的軟硬體來建構嵌入式控制系統(如：快速中斷的處理器減少硬體延遲、強即時作業系統減少軟體延遲…)，以期系統可精確的週期取樣回授值，並於週期結束前完成控制演算法運算並送出結果。故實現數位伺服控制前，會先依系統頻寬來進行系統即時性評估，以確保系統符合數位控制需求。於透過軟體實現高階演算法數位控制系統時，除了注意系統運算能力是否足夠外，還需確認系統即時性，確保系統可滿足數位化的固定週期取樣條件。在這些條件限制下，一般的嵌入式伺服控制系統大多應用於低頻寬且計算較簡單的控制，對於高頻寬且計算較複雜的控制，往往會因系統即時性能不足，而使控制結果不如預期。
本揭露提供一即時取樣裝置，係耦接於一處理單元，該即時取樣裝置係包括：計時器，用以輸出一中斷訊號；第一暫存器，係自外部接收第一輸入訊號，以由該第一暫存器對該第一輸入訊號執行處理以產生第一處理資料；第二暫存器，係耦接於該第一暫存器及該計時器，以於接收到該計時器所發出之該中斷訊號時，自該第一暫存器擷取該第一處理資料，且該處理單元於接收到該計時器所發出之該中斷訊號時，自該第二暫存器擷取該第一處理資料並執行計算以產生第一處理資料計算值；第三暫存器，係耦接於該處理單元，以接收並暫存該處理單元所產生之第一處理資料計算值；以及觸發輸出器，係耦接於該第三暫存器及該計時器，以於接收到該計時器所發出之該中斷訊號時，將該第三暫存器中之第一處理資料計算值輸出。
本揭露又提供一種即時取樣方法，係包括以下步驟：(1)令第一暫存器接收第一輸入訊號，以由該第一暫存器對該第一輸入訊號執行處理以產生第一處理資料；(2)令第二暫存器於接收到一中斷訊號時，自該第一暫存器擷取該第一處理資料，且令處理單元於接收到該中斷訊號時，自該第二暫存器擷取該第一處理資料並執行計算以產生第一處理資料計算值，再將該第一處理資料計算值傳輸至第三暫存器；(3)令該第三暫存器暫存該處理單元所產生之第一處理資料計算值；以及(4)令該觸發輸出器於接收到該中斷訊號時，輸出該第三暫存器中之第一處理資料計算值。
本揭露之即時取樣裝置及方法利用第二暫存器於接收 到該中斷訊號時即時自第一暫存器中擷取第一處理資料，以供處理單元於接收到中斷訊號時可至第二暫存器擷取該第一處理資料，觸發輸出器於接收到中斷訊號時將第三暫存器所儲存之由處理單元所產生之第一處理資料計算值輸出，故可避免計時器發出中斷訊號與處理單元擷取第一處理資料之間存在延遲時間。
以下係藉由特定的實施例說明本揭露之實施方式，熟悉此技術之人士可由本說明書所揭示之內容輕易地瞭解本揭露之其他特點與功效。本揭露亦可藉由其他不同的具體實施例加以施行或應用。
請參閱第1A圖，本揭露之即時取樣裝置主要包括以匯流排相互耦接之計時器10、第一暫存器11、第二暫存器12、第三暫存器13和第四暫存器14，以及觸發輸出器16、輸入介面17和輸出介面19。本揭露之即時取樣裝置係耦接於一處理單元20。
計時器10可輸出一中斷訊號。第一暫存器11可透過輸入介面17自外部接收一第一輸入訊號，並對該第一輸入訊號執行處理以產生第一處理資料，並儲存該第一處理資料。
第二暫存器12可於接收到計時器10所發出之該中斷訊號時，自第一暫存器11擷取該第一處理資料，且處理單元20於接收到計時器10所發出之該中斷訊號時，係自第二暫存器12擷取該第一處理資料，俾對該第一處理資料執 行計算以產生第一處理資料計算值，即將該第一處理資料計算值傳輸至第三暫存器13。
第三暫存器13可接收並暫存處理單元20所產生之第一處理資料計算值。
觸發輸出器16可於接收到計時器10所發出之該中斷訊號時，透過輸出介面19輸出該第一處理資料計算值。
以往處理單元20於接收到計時器10發出的中斷訊號而至第一暫存器11擷取該第一處理資料的時間點，和該中斷訊號發出的時間點之間會有延遲，導致處理單元20對該第一處理資料執行演算後儲存至第三暫存器時又會有延遲。因此，本揭露之第二暫存器12可於接收到計時器10發出的中斷訊號時，即時自第一暫存器11擷取該第一處理資料，以供處理單元20於接收到計時器10發出的中斷訊號時從第二暫存器12擷取該第一處理資料以執行計算，而觸發輸出器16可於接收到計時器10發出的中斷訊號時，即時將第三暫存器中的經處理單元20計算的第一處理資料計算值予以輸出，故可達到即時取樣之功效。
請參閱第1B圖，本揭露之即時取樣裝置還可包括以匯流排相互耦接之第四暫存器14和第五暫存器15以及第二輸入介面18，且第1A圖所示之與第一暫存器11連接之輸入介面17於第1B圖為第一輸入介面17’。
第四暫存器14可透過第二輸入介面18接收第二輸入訊號，且對該第二輸入訊號執行處理以產生第二處理資料並儲存之。
第五暫存器15可於接收到計時器10所發出之該中斷訊號時，自第四暫存器14擷取該第二處理資料，且處理單元20於接收到計時器10所發出之該中斷訊號時，自第五暫存器15擷取該第二處理資料，並執行計算以產生第二處理資料計算值，再傳輸至第三暫存器13。
則第三暫存器13接收並暫存處理單元20所產生之第二處理資料計算值，而觸發輸出器16於接收到計時器10所發出之該中斷訊號時，透過輸出介面19輸出該第二處理資料計算值。
因此，於第1B圖所示之本揭露即時取樣裝置的變化例中，處理單元20於接收到計時器10的中斷訊號時，同時自第二暫存器12擷取第一處理資料和自第四暫存器14擷取第二處理資料並執行計算，處理單元20再將第一和第二處理資料計算值傳輸至第三暫存器13中暫存，而第三暫存器13於接收到計時器10的中斷訊號時，將其所暫存之第一和第二處理資料計算值透過輸出介面19輸出。
請參閱第2圖，表示本揭露之即時取樣方法之流程圖。於步驟S201中，令第一暫存器接收第一輸入訊號，且對該第一輸入訊號執行處理以產生第一處理資料，並儲存該第一處理資料。一般而言，於步驟S201之前可預先設定中斷訊號的週期。另外，於執行步驟S201的同時可執行步驟S205，於步驟S205中，令第四暫存器接收第二輸入訊號，且對該第二輸入訊號執行處理以產生第二處理資料，並儲存該第二處理資料。
於步驟S202中，令第二暫存器於接收到一中斷訊號時，自該第一暫存器擷取該第一處理資料，且令處理單元於接收到該中斷訊號時，自該第二暫存器擷取該第一處理資料，並執行計算以產生第一處理資料計算值，再將該第一處理資料計算值傳輸至第三暫存器。另外，於步驟S202的同時可執行步驟S206，於步驟S206中，令第五暫存器於接收到該中斷訊號時，自該第四暫存器擷取該第二處理資料，且令處理單元於接收到該中斷訊號時，自該第五暫存器擷取該第二處理資料，並執行計算以產生第二處理資料計算值，再將該第二處理資料計算值傳輸至第三暫存器。
於步驟S203中，令該第三暫存器暫存該處理單元所產生之第一處理資料計算值(及第二處理資料計算值)，並將該第一處理資料計算值(及第二處理資料計算值)傳輸至觸發輸出器。
於步驟S204中，令該觸發輸出器於接收到該中斷訊號時，將第三暫存器中之第一處理資料計算值(及第二處理資料計算值)輸出。
藉由本揭露第1A、1B及2圖所示及其說明，可知本揭露之即時取樣裝置及其方法，能避免以往中斷訊號發出時與取樣時之間的延遲，以達到即時取樣的功效。
以下係以第3A、3B和3C圖分別說明本揭露之第一、第二和第三具體實施例。
第一具體實施例
如第3A圖所示，本揭露之即時取樣裝置耦接於處理單 元20，即時取樣裝置包括以匯流排相互耦接之計時器10、解碼器30、D/A轉換器40及匯流排控制器60，處理單元20可藉由匯流排控制器60透過匯流排控制計時器10、解碼器30和D/A轉換器40。需說明的是，第1A圖中所示之第一暫存器11、輸入介面17、第二暫存器12、第三暫存器13、觸發輸出器16、輸出介面19之具體實施係分別為第3A圖所示之計數暫存器301、解碼器邏輯單元303、閂鎖暫存器302、D/A資料暫存器402、觸發輸出器401、D/A邏輯單元403。
計時器10可包括資料暫存器101、控制暫存器102和計時器邏輯單元103，用以發出一中斷訊號至處理單元20、解碼器30的閂鎖暫存器302、及D/A轉換器40的觸發輸出器401。
解碼器30可包括計數暫存器301、閂鎖暫存器302和解碼器邏輯單元303，解碼器邏輯單元303可接收一編碼器輸入訊號，計數暫存器301對該編碼器輸入訊號執行計數並暫存計數值，閂鎖暫存器302於接收到該中斷訊號時，即時自計數暫存器301擷取該計數值。接著，處理單元20藉由匯流排控制器60透過匯流排自閂鎖暫存器302擷取該計數值，對該計數值執行計算以計算出電壓值並儲存至D/A轉換器40的D/A資料暫存器402。
D/A轉換器40包括觸發輸出器401、D/A資料暫存器402和D/A邏輯單元403，觸發輸出器401於接收到該中斷訊號時，即時自D/A資料暫存器402擷取該電壓值，並透 過D/A邏輯單元輸出該電壓值，所輸出之該電壓值為類比式的輸出訊號。
第二具體實施例
如第3B圖所示，本揭露之即時取樣裝置耦接於處理單元20，即時取樣裝置包括以匯流排相互耦接之計時器10、D/A轉換器40、A/D轉換器50及匯流排控制器60，處理單元20可藉由匯流排控制器60透過匯流排控制計時器10、D/A轉換器40和A/D轉換器50。需說明的是，於第1A圖中所示之第一暫存器11、輸入介面17、第二暫存器12、第三暫存器13、觸發輸出器16、輸出介面19之具體實施係分別為第3B圖所示之A/D資料暫存器501、A/D邏輯單元504、閂鎖暫存器502、D/A資料暫存器402、觸發輸出器401、D/A邏輯單元403。
計時器10可用以發出一中斷訊號至處理單元20、A/D轉換器50的閂鎖暫存器502、及D/A轉換器40的觸發輸出器401。
A/D轉換器50可包括A/D資料暫存器501、閂鎖暫存器502、A/D控制暫存器503和A/D邏輯單元504，A/D邏輯單元503可接收一類比式輸入訊號，A/D資料暫存器501對該類比式輸入訊號執行轉換並暫存轉換值，閂鎖暫存器502於接收到該中斷訊號時，即時自A/D資料暫存器501擷取該轉換值。接著，處理單元20藉由匯流排控制器60透過匯流排自閂鎖暫存器502擷取該轉換值，對該轉換值執行計算以計算出電壓值並儲存至D/A轉換器40的D/A資 料暫存器402。
於D/A轉換器40中，觸發輸出器401於接收到該中斷訊號時，即時自D/A資料暫存器402擷取該電壓值，並透過D/A邏輯單元輸出該電壓值，所輸出之該電壓值為類比式的輸出訊號。
第三具體實施例
如第3C圖所示，本揭露之即時取樣裝置耦接於處理單元20，即時取樣裝置包括以匯流排相互耦接之計時器10、解碼器30、D/A轉換器40、A/D轉換器50及匯流排控制器60，處理單元20可藉由匯流排控制器60透過匯流排控制計時器10、解碼器30、D/A轉換器40及A/D轉換器50。需說明的是，於第1A和1B圖中所示之第一暫存器11、第一輸入介面17’、第二暫存器12、第三暫存器13、觸發輸出器16、輸出介面19、第四暫存器14、第二輸入介面18、第五暫存器15之具體實施係分別為第3C圖所示之計數暫存器301、解碼器邏輯單元303、閂鎖暫存器302、D/A資料暫存器402、觸發輸出器401、D/A邏輯單元403、A/D資料暫存器501、A/D邏輯單元504、閂鎖暫存器502。
於第3C圖中，處理單元20分別自閂鎖暫存器302和502中擷取計數值和轉換值，並計算成為電壓值儲存在D/A資料暫存器402，則當觸發輸出器401接收到計時器10所發出之中斷訊號時，即時將D/A資料暫存器402中所儲存之電壓值透過D/A邏輯單元403輸出。
請參閱第4圖，說明本揭露之即時取樣裝置及其方法 之功效，於第4圖中，綜軸向上箭頭表示計時器輸出中斷訊號，中斷訊號的週期為Ts，虛線方塊A和B分別為習知利用軟體方法擷取第一暫存器中的處理資料和輸出第三暫存器中的處理資料計算值的動作，實線方塊A’和B’分別為本揭露利用第二暫存器擷取第一暫存器中的處理資料和利用觸發輸出器輸出第三暫存器中的處理資料計算值的動作。由第4圖可知，習知技術之擷取處理資料和輸出處理資料計算值的時間點與中斷訊號的時間點之間有延遲時間T0 和T1 ，且擷取動作和輸出動作間隔了t0 和t1 。反觀本揭露，擷取處理資料和輸出處理資料計算值的時間點與中斷訊號的時間點之間沒有延遲，且擷取動作和輸出的動作間沒有時間間隔。
因此，本揭露之即時取樣裝置及其方法可應用於數位伺服控制系統，對於受控體可達到即時取樣之功效。
上述實施例僅例示性說明本揭露之原理及其功效，而非用於限制本揭露。任何熟習此項技藝之人士均可在不違背本揭露之精神及範疇下，對上述實施例進行修飾與改變。因此，本揭露之權利保護範圍，應如後述之申請專利範圍所列。
10‧‧‧計時器
101‧‧‧資料暫存器
102‧‧‧控制暫存器
103‧‧‧計時器邏輯單元
11‧‧‧第一暫存器
12‧‧‧第二暫存器
13‧‧‧第三暫存器
14‧‧‧第四暫存器
15‧‧‧第五暫存器
16‧‧‧觸發輸出器
17‧‧‧輸入介面
17’‧‧‧第一輸入介面
18‧‧‧第二輸入介面
19‧‧‧輸出介面
20‧‧‧處理單元
30‧‧‧解碼器
301‧‧‧計數暫存器
302‧‧‧閂鎖暫存器
303‧‧‧解碼器邏輯單元
40‧‧‧D/A轉換器
401‧‧‧觸發輸出器
402‧‧‧D/A資料暫存器
403‧‧‧D/A邏輯單元
50‧‧‧A/D轉換器
501‧‧‧A/D資料暫存器
502‧‧‧閂鎖暫存器
503‧‧‧A/D控制暫存器
504‧‧‧A/D邏輯單元
60‧‧‧匯流排控制器
S201至S206‧‧‧步驟
第1A圖係本揭露之即時取樣裝置之基本構件示意圖；第1B圖係本揭露之即時取樣裝置之變化例之構件示意圖；第2圖係本揭露之即時取樣方法之流程圖； 第3A圖係本揭露之即時取樣裝置之第一實施例的示意圖；第3B圖係本揭露之即時取樣裝置之第二實施例的示意圖；第3C圖係本揭露之即時取樣裝置之第三實施例的示意圖；以及第4圖係運用本揭露之即時取樣裝置及其方法之功效說明圖。
10‧‧‧計時器
11‧‧‧第一暫存器
12‧‧‧第二暫存器
13‧‧‧第三暫存器
16‧‧‧觸發輸出器
17‧‧‧輸入介面
19‧‧‧輸出介面
20‧‧‧處理單元

Claims (8)

  1. 一種即時取樣裝置，係耦接於一處理單元，該即時取樣裝置係包括：計時器，用以輸出一中斷訊號；第一暫存器，係自外部接收第一輸入訊號，俾對該第一輸入訊號執行處理以產生第一處理資料；第二暫存器，係耦接於該第一暫存器及該計時器，以於接收到該計時器所發出之該中斷訊號時，自該第一暫存器擷取該第一處理資料，且該處理單元於接收到該計時器所發出之中斷訊號時，自該第二暫存器擷取該第一處理資料並執行計算以產生第一處理資料計算值；第三暫存器，係耦接於該處理單元，以接收並暫存該處理單元所產生之第一處理資料計算值；觸發輸出器，係耦接於該第三暫存器及該計時器，俾於接收到該計時器所發出之該中斷訊號時，輸出該第三暫存器中之第一處理資料計算值；第四暫存器，係自外部接收第二輸入訊號，以對該第二輸入訊號執行處理以產生第二處理資料；及第五暫存器，係耦接於該第四暫存器及該計時器，俾於接收到該計時器所發出之該中斷訊號時，自該第四暫存器擷取該第二處理資料，且該處理單元於接收到該計時器所發出之該中斷訊號時，自該第五暫存器擷取該第二處理資料並執行計算以產生第二處理資料計算值；其中，該第三暫存器接收並暫存該處理單元所產生 之第二處理資料計算值，該觸發輸出器於接收到該計時器所發出之該中斷訊號時，將該第三暫存器中之第二處理資料計算值輸出。
  2. 如申請專利範圍第1項所述之即時取樣裝置，其中，該第一輸入訊號為編碼輸入訊號。
  3. 如申請專利範圍第2項所述之即時取樣裝置，其中，該第一暫存器為計數暫存器，該第二暫存器為閂鎖暫存器，且該即時取樣裝置復包括具有該計數暫存器和該閂鎖暫存器之解碼器。
  4. 如申請專利範圍第1項所述之即時取樣裝置，其中，該第一輸入訊號為類比式輸入訊號。
  5. 如申請專利範圍第4項所述之即時取樣裝置，其中，該第一暫存器為資料暫存器，該第二暫存器為閂鎖暫存器，且該即時取樣裝置復包括具有該資料暫存器和該閂鎖暫存器之類比數位轉換器。
  6. 如申請專利範圍第1項所述之即時取樣裝置，其中，該第三暫存器為資料暫存器，該第一輸入訊號為類比式輸入訊號，且該即時取樣裝置復包括具有該資料暫存器與該觸發輸出器之數位類比轉換器。
  7. 如申請專利範圍第1項所述之即時取樣裝置，復包括匯流排控制器，係與該處理單元、計時器、第一暫存器、第二暫存器及第三暫存器相互耦接，該處理單元藉由該匯流排控制器輸出匯流排訊號以驅動該處理單元、計時器、第一暫存器、第二暫存器及第三暫存器。
  8. 一種即時取樣方法，係包括以下步驟：令第一暫存器接收第一輸入訊號，以對該第一輸入訊號執行處理以產生第一處理資料；令第四暫存器接收第二輸入訊號，以由該第四暫存器對該第二輸入訊號執行處理以產生第二處理資料；令第二暫存器於接收到一中斷訊號時，自該第一暫存器擷取該第一處理資料，且令處理單元於接收到該中斷訊號時，自該第二暫存器擷取該第一處理資料並執行計算，以產生第一處理資料計算值，再將該第一處理資料計算值傳輸至第三暫存器；令第五暫存器於接收到該中斷訊號時，自該第四暫存器擷取該第二處理資料，以於該處理單元接收到該中斷訊號時，自該第五暫存器擷取該第二處理資料，俾執行計算以產生第二處理資料計算值，再將該第二處理資料計算值傳輸至該第三暫存器；令該第三暫存器暫存該處理單元所產生之第一處理資料計算值；令該第三暫存器暫存該處理單元所產生之第二處理資料計算值；以及令該觸發輸出器於接收到該中斷訊號時，將該第三暫存器中之第一處理資料計算值輸出；令該觸發輸出器於接收到該中斷訊號時，輸出該第三暫存器中之第二處理資料計算值。
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