CN103608734A - 计时器设备及其操作方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及计时器设备（1）（特别是用于车辆的计时器设备（1）），其包括由时钟发生器可同步的用于计时的控制单元（2）。因此，计时器设备（1）具有分别由至少一个晶体单元（3.1、3.2）构建的至少两个晶体振荡器，由此，具有第一晶体单元（3.1）并具有预定的标称振荡频率的第一晶体振荡器适合于在车辆备用模式期间用作控制单元（2）的时钟发生器，且由此，通过具有第二晶体单元（3.2）的第二晶体振荡器至少临时测量并可调节第一晶体振荡器的振荡频率，第二晶体振荡器的标称振荡频率高于第一晶体振荡器的标称振荡频率。此外，本发明涉及计时器设备（1）的操作的方法，由此，对照温度由控制单元（2）内部的软件对第二晶体振荡器的振荡频率进行补偿。

Description

计时器设备及其操作方法

技术领域

本发明涉及包括可由时钟发生器同步的控制单元的计时器设备。 

此外，本发明涉及计时器设备的操作的方法。 

背景技术

具有常规模拟运动的时钟和具有由至少一个步进电机供电的模拟显示器的时钟是通过现有技术而被熟知的。此外，存在使用晶体振荡器来计时的已知的模拟和/或数字时钟。由于晶体单元所实现的晶体振荡器的非常精确的振荡频率，这个所谓的石英时钟是最广泛使用的计时技术。 

发明内容

本发明的目的是提供改进的计时器设备（特别是用于车辆的）以及其改进的操作方法，借助于该方法，需要在车辆备用模式期间非常低的平均消耗电流，同时保持与现有技术有关的计时器设备的提高的准确度。 

根据本发明，该目的由根据权利要求1的计时器设备和根据权利要求8的方法实现。 

本发明的优选实施方式在从属权利要求中给出。 

计时器设备（特别是用于车辆的计时器设备）包括可由时钟发生器同步的用于计时的控制单元。控制单元优选地被设计为微控制器。根据本发明，计时器设备还包括至少两个晶体振荡器，其中每个振荡器分别由至少一个晶体单元构建。具有预定的标称振荡频率的第一晶体振荡器包括第一晶体单元，并适合于在车辆备用模式期间用作控制单元的时钟发生器，且由此，第一晶体振荡器的振荡频率至少被临时测量并可由具有第二晶体单元的第二晶体振荡器调节，第二晶体振荡器的标称振荡频率高于第一晶体振荡器的标称振荡频率。 

计时器设备可被设计为具有时间的模拟和/或数字可视化的模拟或数 字计时器或被设计为将时间传递到耦合到该计时器设备的另一设备或仪器的设备。晶体振荡器分别由至少一个晶体单元和附加的晶体电路实现，由此，晶体电路被构建在控制单元中。可选地，该附加的振荡电路也由其它电子部件实现。晶体振荡器的主要部件是定义振荡频率的晶体单元。 

通过使用具有第一晶体单元的包括相对低的振荡频率的第一晶体振荡器作为在车辆备用模式期间的时钟发生器，其中车辆不在使用中（例如当被停放时），计时器设备的电流消耗明显降低，使得车辆可在电池不被完全放电的情况下被停放延长的时间段。在车辆备用模式期间，具有第二晶体单元的包括相对高和精确的振荡频率的第二晶体振荡器只临时运转。优选地，第二晶体振荡器每分钟或每两分钟测量下第一晶体振荡器的振荡频率，且在测量之间的时间期间被去激活。因此，比起通过使用第二晶体振荡器作为时钟发生器，通过使用第一晶体振荡器作为时钟发生器，控制单元的电流消耗是更低的。这通过第一晶体振荡器的较低频率是证明有效的，因为控制单元的电流消耗与工作振荡频率成比例。优选地，这允许在室温下（大约25℃）的车辆备用模式中低至100微安（=100μA）的平均电流消耗规范的实现。 

在本发明的优选实施方式中，第一晶体振荡器的标称振荡频率低于0.1兆赫（=0.1MHz），特别是32.768千赫（kHz）。优选地，在车辆备用模式期间通过使用广泛已知的音叉晶体单元和因此使用模拟计时器的较不昂贵的时钟发生器来实现这个频率。因此，第一晶体振荡器包括耦合到控制单元或其它振荡电路的至少一个音叉晶体单元。而且，音叉晶体单元在-40摄氏度（=-40℃）和85摄氏度（=85℃）之间的整个温度范围内包括达到百万分之二百（=200ppm）的频率偏差。 

此外，第二晶体振荡器的标称振荡频率高于0.5MHz，特别是12MHz。优选地，这个频率通过使用在-40℃和85℃之间的整个温度范围内具有达到35ppm的频率偏差的AT切割晶体来实现。因此，第二晶体振荡器包括至少一个AT切割晶体单元，该至少一个AT切割晶体单元耦合到控制单元或某个其它振荡电路。 

因此，第二晶体振荡器的随温度变化的频率偏差低于第一晶体振荡器的随温度变化的频率偏差。这允许使用第二晶体振荡器以获得适当的参考 振荡频率。 

在包括可由时钟发生器同步的用于计时的控制单元的（特别是用于车辆的）计时器设备的操作方法中，第一晶体振荡器的标称振荡频率至少被临时测量并由第二晶体振荡器调节，第二晶体振荡器的标称振荡频率高于第一晶体振荡器的标称振荡频率。 

根据本发明的方法是用于在-40℃和85℃之间的宽汽车温度范围内实现与所维持的时间的非常高的准确度相结合的模拟计时器的非常低的平均备用消耗电流的成本有效的方法。 

因为第二晶体振荡器的振荡频率也取决于温度，所以以预定的时间段测量第二晶体振荡器的第二晶体单元的工作温度。优选地，工作温度由温度传感器测量。 

基于第二晶体单元的温度测量，通过第二晶体单元的供应者所提供的温度曲线来知晓振荡频率的预期偏差，即，已知第二晶体振荡器的实际振荡频率应是什么。作为结果，执行第二晶体单元的周期性温度补偿。优选地，温度补偿仅通过软件执行，使得没有对特殊硬件的需要。 

在下文中描述本发明的细节。然而，应理解，详细描述和特定的例子指示本发明的可能实施方式，且仅作为例证被给出。本领域中的技术人员应认识到在本发明的精神和范围内的所示实施方式的各种变化和修改。 

附图说明

根据在下文中给出的详细描述将更好地理解本发明。附图仅为了例证性目的而给出，且不限制本发明的范围。 

图1示出根据本发明的计时器设备的实施方式的示意图， 

图2示出作为环境温度的函数的第一晶体振荡器的特性线的示意图，以及 

图3示出作为环境温度的函数的第二晶体振荡器的特性线的示意图。 

具体实施方式

图1示出被设计为模拟计时器的计时器设备1的实施方式，由此，时间由刻度盘1.3上的两只手1.1、1.2显示。这样的模拟计时器设备1优选地 布置在车辆的仪表盘中。 

计时器设备1由控制单元2，例如微控制器或某个其它振荡电路控制，由此，手1.1、1.2由步进电机1.4驱动。步进电机1.4转而由控制单元2控制，控制单元2耦合到作为第一晶体振荡器的一部分的第一晶体单元3.1和作为第二晶体振荡器的一部分的第二晶体单元3.2。这些晶体振荡器分别还包括附加的振荡电路，由此，该振荡电路被构建在控制单元2中。可选地，必要的振荡电路也由其它电子部件实现。 

此外，控制单元2和第二晶体单元3.2耦合到温度传感器4且因此第二晶体振荡器耦合到温度传感器4，其在图3中被更详细地描述。 

被证明用在车辆中的大部分已知的微控制器具有每兆赫（=1MHz）大约50微安（=500μA）或甚至更高的电流消耗因子。因为计时器设备1也包含步进电机1.4还有零点探测电路、车辆总线（局域互联网络=LIN或控制器区域网=CAN）收发器等，所以对控制电路2的电流消耗的要求非常高。例如，计时器设备1经由LIN总线连接到车辆网络。 

在本实施方式中的计时器设备1的在车辆的备用模式中优选地小于100μA的低平均电流消耗要求导致使用非常低的频率进行计时的要求。它应有助于控制单元2的不大于20μA平均电流的总消耗。 

在本说明书的上下文中，车辆的备用模式是车辆不在使用中例如当被停放时的模式。 

为了实现所需的低电流消耗，第一晶体振荡器在车辆的备用模式期间用作控制单元2中的时钟发生器。 

第一晶体振荡器优选地是具有第一晶体单元3.1的普通石英时钟，第一晶体单元3.1被设计为具有32.768千赫（=32.768kHz）的标称振荡频率的音叉晶体单元。第一晶体单元3.1优选地不包括特殊要求。具有相对低的振荡频率的这样的第一晶体单元3.1允许在车辆的备用模式期间计时器设备1的非常低的电流消耗。可选地，第一晶体振荡器可包括具有低于0.1MHz的任何其它标称振荡频率的第一晶体单元3.1。 

通常，晶体振荡器是电子振荡器电路，并用于电振荡的产生和/或稳定化，特别是记录时间。因此，晶体振荡器使用压电材料的振动晶体的机械共振来产生具有非常精确的频率的电信号。此外，晶体振荡器由单晶压电 石英晶体单元组成，单晶压电石英晶体单元的尺寸和相对于结晶轴的取向（也被称为晶体切割）确定了晶体振荡器的振荡频率。 

另一要求是振荡频率准确度，由此，振荡频率偏差f_d在-40摄氏度（=-40℃）和85摄氏度（=85℃）之间的整个温度范围内应小于或等于每百万±23（=±23ppm）。这是因为计时器设备的时间误差应小于每24小时两秒。 

遗憾的是，这样的高温度稳定性不能通过第一晶体单元3.1实现，由此，第一晶体单元3.1不能被确定具有这样的准确度，即使在它的工作温度是确切地已知的情况下。 

这是因为诸如第一晶体单元3.1之类的晶体振荡器的振荡频率偏差f_d由下面的方程确定： 

$\frac{\mathrm{\Δf}}{f}\left(T\right)=\frac{\mathrm{\Δ}{f}_0}{f}+\mathrm{\α}{(T-T_0)}^2---\left[1\right]$

然而

是在温度T₀下适当的晶体单元（特别是第一晶体单元3.1）的初始（或机械）频率容差；T₀是由晶体单元规范提供的拐点温度（turn-over temperature），通常是25℃±5℃；T是环境温度；以及α是由适当的晶体单元规范提供的系数，通常是-0.04ppm/℃²。 

图2示出作为环境温度T的函数的第一晶体振荡器的振荡频率偏差f_d的特性线的图。 

该图具有以单位ppm作为纵坐标的振荡频率偏差f_d和以单位℃作为横坐标的环境温度T。 

第一特性线L1.1（被示为实线）表示包括具有20℃的拐点温度的第一晶体单元3.1的第一晶体振荡器的振荡频率偏差f_d，由此，第二特性线L1.2（被示为虚线）表示包括具有25℃的拐点温度的第一晶体单元3.1的第一晶体振荡器的振荡频率偏差f_d，以及第三特性线L1.3（被示为点划线）表示包括具有30℃的拐点温度的第一晶体单元3.1的第一晶体振荡器的振荡频率偏差f_d。因此，第二特性线L1.2是典型线，而第一和第三特性线L1.1、L1.2是与拐点温度T₀有关的最坏情况。 

假设在室温下的初始（机械）频率容差通过软件测量并补偿（存储），随温度变化的项仍然是α(T-T₀)²。因为拐点温度T₀的不确定性是±5℃，所 以估计的振荡频率偏差f_d在下列的范围之间： 

-0,04(T-(25+5))²<偏差<-0,04(T-(25-5))²   [2] 

或 

-0,04(T-30)²<偏差<-0,04(T-20)²      [3] 

当环境温度T是-40℃时，振荡频率偏差f_d在-196ppm和-144ppm之间，即，不准确度范围是52ppm或±26ppm。 

当环境温度T是85℃时，振荡频率偏差f_d在-169ppm和-121ppm之间，即，不准确度范围是48ppm或±24ppm。 

第一晶体单元3.1的振荡频率的最佳准确度由25℃的环境温度T给出。更高或更低的环境温度T增加了振荡频率偏差f_d并因此降低了计时器设备1的准确度，使得在车辆的备用模式中的计时器设备1的所需准确度在所有环境温度T下是不可达到的。 

为了解决这个问题，必须以可预先确定的间隔周期性地测量第一晶体振荡器的实际振荡频率。 

这通过具有12MHz的标称振荡频率的第二晶体振荡器执行。优选地，第二晶体振荡器的第二晶体单元3.2被设计为AT切割晶体单元。可选地，第二晶体振荡器可包括具有在0.5MHz和200MHz之间的范围内的标称振荡频率的任何其它AT切割晶体单元。 

在计时器设备1的常规工作中，即，在车辆正在使用中期间，第二晶体振荡器用作控制单元2的时钟发生器，因为当车辆在使用中时，电流消耗要求不如在车辆的备用模式中那么严格。 

AT切割晶体单元是异常旋转的Y轴切割，其中晶体的上半部分和下半部分在振荡期间在相反的方向上运动。此外，AT切割晶体单元容易制造且以非常精确的频率为特征。因此，与第一晶体振荡器比较，第二晶体振荡器以较低的随温度变化的特性和因此在不同的环境温度T下的较低的振荡频率偏差f_d为特征。这个事实在图3中示出。 

图3示出作为环境温度T的函数的第二晶体振荡器3.2的振荡频率偏差f_d的特性线。 

第一特性线L2.1（中心曲线；被示为点划线）表示在35°15’的角度下具有第二晶体单元3.2的第二晶体振荡器的振荡频率偏差f_d，由此，第二特 性线L2.2（最小曲线；被示为虚线）表示在35°15’加上负切割角容差的角度下具有第二晶体单元3.2的第二晶体振荡器的振荡频率偏差f_d，而第三特性线L2.3（最大曲线；被示为实线）表示在35°15’加上正切割角容差的角度下具有第二晶体单元3.2的第二晶体振荡器的振荡频率偏差f_d。 

任何其它AT切割晶体单元的特性线在第二和第三特性线L2.2、L2.3之间。 

该图示出第二晶体振荡器的振荡频率偏差f_d的振幅（第一特性线L2.1）在上面描述的整个温度范围（-40℃到85℃）内是±20ppm。第二振荡频率偏差f_d的幅度（在第二特性线L2.2和第三特性线L2.3之间的差异）取决于第二晶体单元3.2的切割角容差。 

第二晶体振荡器的所示最大绝对振荡频率偏差f_d通常在两个范围R1、R2（被示为框）中是分开的，其中第一范围R1是在-20℃和+70℃之间的温度范围，且在这个范围内的振荡频率偏差f_d是最大±10ppm。第二范围R2是在-40℃和+85℃之间的整个温度范围，且在这个范围内的振荡频率偏差f_d是最大±35ppm。 

第二晶体单元3.2还具有在25℃的环境温度T下的具有规定的最大值的初始（机械）频率偏移，例如在25℃下最大±10ppm。这个初始频率偏移不是随温度变化的。来自相应的序列的所有AT切割晶体单元具有在这个范围内的其自己的机械偏移。 

所以，在25℃的环境温度周围的第一范围R1的绝对准确度足够高，但在第二范围R2内的准确度不够高。 

然而，针对第二范围R2内的每个环境温度T，确定第一和第二特性线L2.1、L2.2之间的最大差异以及第一和第三特性线L2.1、L2.3之间的最大差异是有用的。 

因此，用于操作计时器设备1的方法使用由第二晶体单元3.2的供应者提供的第一特性线L2.1，且通过被布置成靠近第二晶体单元3.2的温度传感器4来测量第二晶体单元3.2的环境温度T。优选地，温度传感器4提供±3℃的中等温度准确度。 

第二晶体单元3.2的温度常常在车辆的备用模式期间例如每一分钟或每两分钟被测量。 

基于第二晶体单元3.2的温度测量，已知了预期的振荡频率偏差f_d，即，知道第二晶体单元3.2的实际振荡频率应是多少。在这种情况下最大不准确度是第二晶体单元3.2的第一特性线L2.1与实际特性线之间的差异，其大约在第二和第三特性线L2.2、L2.3之间。 

从本图中，显然在第一和第二特性线L2.1、L2.2之间和在第一和第三特性线L2.1、L2.3之间的差异不大于±10ppm。 

此外，如上所述的在25℃的环境温度下±10ppm的初始振荡频率容差必须被添加。 

在这种情况下，第二晶体振荡器将在最坏的情况下将提供具有±20ppm的最大振荡频率偏差f_d的参考振荡频率。 

为了更加精确，每一分钟或两分钟周期性地测量第二晶体单元3.2的温度且评估第二晶体振荡器的振荡频率偏差f_d。在此之后，通过使用第二晶体振荡器的所测量的振荡频率，来测量第一晶体振荡器3.1的振荡频率偏差f_d。在每次测量之后，计算时间误差的大小，即，计算自从最后一次测量以来的时间误差是多大。 

时间误差被存储为带符号的32位变量，所选择的单位是第二晶体振荡器的一次滴答（one tick）。正值意味着额外滴答被加到时间上，所以如果误差是一千两百万，这意味着一秒将被加到时间上，以便补偿累积的误差。在负一千二百万之下的逻辑上负的值（=x）通过从时间减去x/12000000秒来补偿。 

上面描述的温度补偿优选地仅由软件执行。利用此，不需要在模拟计时器的制造期间执行任何振荡频率或温度较准，因为根据本发明的方法足够鲁棒且准确度仅由所使用的第二晶体单元3.2的规范限定。 

作为结果，可以说用于操作计时器设备1的方法允许在备用模式中低于100μA（在T=25℃下）的低平均消耗电流，同时在-40℃和85℃之间的整个温度范围内保持计时器准确度好于每24小时2秒（～23ppm）。 

在车辆的备用模式中的计时器设备1的所达到的准确度好于在只使用没有温度补偿的第二晶体振荡器作为计时晶体振荡器的情况下所达到的准确度。 

此外，该方法不限于关于在车辆备用模式中的计时器设备1和/或当车 辆在使用中时的电流消耗和/或温度范围和/或准确度的所提到的要求。该方法可用于其它规范要求，例如以需要150μA的平均电流或需要在其它温度范围内的另一准确度。 

根据本发明的计时器设备1不限于模拟计时器。它可被设计为具有时间的模拟和/或数字可视化的数字计时器或被设计为将时间传递到耦合到计时器设备1的另一设备或仪器的设备。 

附图标记的列表 

1         计时器设备 

1.1,1.2   手 

1.3       刻度盘 

1.4       步进电机 

2         控制单元 

3.1       第一晶体单元 

3.2       第二晶体单元 

4         温度传感器 

f_d        振荡频率偏差 

L1.1,L2.1 第一特性线 

L1.2,L2.2 第二特性线 

L1.3,L2.3 第三特性线 

R1        第一范围 

R2        第二范围 

T         环境温度 。

Claims (9)

1.一种计时器设备（1），特别是用于车辆的计时器设备，包括能够由时钟发生器同步的用于计时的控制单元（2），特征在于，至少两个晶体振荡器分别由至少一个晶体单元（3.1、3.2）构建，由此，具有第一晶体单元（3.1）并具有预定的标称振荡频率的第一晶体振荡器适合于在车辆备用模式期间用作所述控制单元（2）的所述时钟发生器，并且由此，所述第一晶体振荡器的振荡频率至少被具有第二晶体单元（3.2）的第二晶体振荡器临时测量并能够由所述第二晶体振荡器调节，所述第二晶体振荡器的标称振荡频率高于所述第一晶体振荡器的标称振荡频率。

2.根据权利要求1所述的计时器设备（1），

特征在于，所述第一晶体振荡器的标称振荡频率低于0.1MHz，特别是32.768kHz。

3.根据权利要求1或2所述的计时器设备（1），

特征在于，所述第一晶体单元（3.1）被设计为音叉晶体单元。

4.根据前述权利要求中的任一项所述的计时器设备（1），

特征在于，所述第二晶体振荡器的标称振荡频率高于0.5MHz，特别是12MHz。

5.根据前述权利要求中的任一项所述的计时器设备（1），

特征在于，所述第二晶体单元（3.2）被设计为AT切割晶体单元。

6.根据前述权利要求中的任一项所述的计时器设备（1），

特征在于，所述第二晶体振荡器的随温度变化的频率偏差（f_d）低于所述第一晶体振荡器的随温度变化的频率偏差。

7.一种计时器设备（1）的操作方法，所述计时器设备（1）包括能够由时钟发生器同步的用于计时的控制单元，特征在于，在车辆备用模式中通过第二晶体振荡器至少临时测量并且调节第一晶体振荡器的标称振荡频率，所述第二晶体振荡器的标称振荡频率高于所述第一晶体振荡器的标称振荡频率。

8.根据权利要求7所述的方法，

特征在于，在预定的时间段中测量所述第二晶体振荡器的第二晶体单元（3.2）的工作温度。

9.根据权利要求8所述的方法，

特征在于，根据所测量的所述第二晶体单元（3.2）的工作温度，执行对所述第二晶体单元（3.2）的周期性温度补偿。

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