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TWI654843B - 數位週期分頻器 - Google Patents

數位週期分頻器

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Publication number
TWI654843B
TWI654843B TW104103298A TW104103298A TWI654843B TW I654843 B TWI654843 B TW I654843B TW 104103298 A TW104103298 A TW 104103298A TW 104103298 A TW104103298 A TW 104103298A TW I654843 B TWI654843 B TW I654843B
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TW
Taiwan
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counter
signal
pulse
input
sensor
Prior art date
Application number
TW104103298A
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English (en)
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TW201547198A (zh
Inventor
喬瑟夫 喬力雀
凱文 奇爾瑟
伊登 科伯思 范
Original Assignee
美商微晶片科技公司
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by 美商微晶片科技公司 filed Critical 美商微晶片科技公司
Publication of TW201547198A publication Critical patent/TW201547198A/zh
Application granted granted Critical
Publication of TWI654843B publication Critical patent/TWI654843B/zh

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Abstract

本發明揭示一種系統，該系統可具有：一數位週期分頻器，其產生與由一旋轉輸入信號界定之一角度成比例之一輸出信號；及一間隔量測單元，其判定由該輸入輸出信號之後續脈衝界定之一間隔之一間隔時間。該系統亦可進一步具有一遺漏脈衝偵測器，其係可操作以比較一當前間隔與一參數，以判定一脈衝是否在該輸入信號中遺漏。

Description

數位週期分頻器 [相關申請案之交叉參考]
此申請案主張2014年1月31日申請之題為「數位週期分頻器」之美國臨時申請案第61/934,218號之優先權，該案之全文以引用之方式併入本文中。此申請案進一步係關於美國申請案14/200,317，該案作為美國專利US 8,908,823發佈。
本發明係關於一種數位週期分頻器。
在數位應用中，常需要精確劃分一未知週期。舉例而言，藉由一馬達之選擇判定之一週期需要分為360個步驟，其中各步驟指示一度之一旋轉。其他信號(諸如一輸電幹線信號頻率50或60Hz)可需要一類似處理。特定言之，傳入之「旋轉」信號可提供每轉一個脈衝或每轉若干個脈衝。在後者情況中，一個週期可比其他週期還長，(例如)當使用(例如)具有用於指示一頂部死點位置之一缺齒之一雙缺口感測器齒盤或一飛輪。
根據一實施例，一系統可包括：一數位週期分頻器，其產生與藉由一旋轉輸入信號界定之一角度成比例之一輸出信號；一間隔量測單元，其判定藉由該輸出信號之後續脈衝界定之一間隔之一間隔時間；及一遺漏脈衝偵測器，其可操作以將一當前間隔與一參數比較以判定一脈衝是否在該輸入信號中遺漏。
根據一進一步實施例，該參數可係一預定時間值。根據一進一步實施例，該參數可藉由一先前量測之間隔及一預定因數界定，該先前量測之間隔必須超過該預定因數。根據一進一步實施例，該系統可程式化以選擇一輸入信號是否包括一遺漏脈衝，在此情況中啟用該間隔量測單元及遺漏脈衝偵測器。根據一進一步實施例，可提供該輸入信號之一感測器可自係一跨零偵測器、一缺口齒盤感測器、一雙缺口齒盤感測器及一飛輪齒盤感測器選擇。根據一進一步實施例，該系統可進一步包括產生該遺漏脈衝之一輸出。根據一進一步實施例，該數位週期分頻器可包括：一第一計數器，該第一計數器包括R個最低有效位元(LSB)及P個最高有效位元(MSB)且具有一計數輸入及一重設輸入，其中該計數輸入接收一第一時脈信號且該重設輸入接收一第二時脈信號；一鎖存器，其具有P個位元且與該第一計數器之該等P個位元耦合；一第二計數器，其具有P個位元，該第二計數器包括一計數輸入及一重設輸入，其中該計數輸入接收該第一時脈信號；及一第一比較器，其可操作以將該鎖存器之該等P個位元與該第二計數器之該等P個位元比較且產生一輸出信號，其中該輸出信號亦饋送至該第二計數器之該重設輸入。根據一進一步實施例，該第一計數器可包括串聯連接之一MSB計數器及一LSB計數器，其中該LSB計數器係一模數計數器。根據一進一步實施例，該第一時脈信號可係一已知系統時脈且該第二時脈信號係具有小於該系統時脈之一未知頻率之一信號。
根據另一實施例，如上文描述包括該數位週期分頻器之一系統可進一步包括：一第三計數器，其具有P個位元且包括一重設輸入及一計數輸入，其中該重設輸入接收該第二時脈信號且該計數輸入接收該第一比較器之該輸出信號；一使用者值暫存器；一第二比較器，其可操作以比較該第三計數器之該值與該使用者值暫存器；及一正反器，其具有一設定及重設輸入，其中該設定輸入接收該第一時脈信號 且該重設輸入接收該第二比較器之一輸出信號。根據該上述系統之一進一步實施例，該第二時脈信號可藉由與一馬達耦合之一感測器產生，該馬達產生該馬達軸件之每個完整旋轉之至少一個脈衝。根據該上述系統之一進一步實施例，該感測器可係一霍爾(Hall)或光學感測器。
根據又一實施例，用於劃分一未知頻率之一週期之一方法可包括下列步驟：接收一系列分度脈衝；藉由具有P個最高有效位元及R個最低有效位元且藉由一系統時脈計時之一第一計數器量測在兩個連續分度脈衝之間的一時間；將與一當前間隔與一參數比較以判定一脈衝是否在該輸入信號中遺漏；且若偵測該遺漏脈衝，則產生一遺漏脈衝信號。
根據該上述方法之一進一步實施例，該參數係一預定時間值。根據該上述方法之一進一步實施例，該參數可藉由一先前量測之間隔及一預定因數界定，該先前量測之間隔必須超過該預定因數。根據該上述方法之一進一步實施例，該方法可進一步包括選擇輸入信號之一類型之該步驟，該輸入信號類型啟用或停用一遺漏脈衝偵測。根據該上述方法之一進一步實施例，該方法可進一步包括下列步驟：鎖存該等最高有效位元，且將該鎖存之值與藉由該系統時脈計時之一第二計數器比較且當該第二計數器等於該等鎖存之最高有效位元時產生輸出脈衝。根據該上述方法之一進一步實施例，該第一計數器可包括串聯連接之一MSB計數器及一LSB計數器，其中該LSB計數器係一模數計數器。根據該上述方法之一進一步實施例，該方法可進一步包括自該等輸出脈衝產生一脈衝寬度調變(PWM)信號之該步驟。根據該上述方法之一進一步實施例，該分度脈衝可藉由一旋轉機產生，且其中該量測之週期係旋轉之一週期。根據該上述方法之一進一步實施例，該方法可進一步包括下列步驟：用該等分度脈衝計時具有P個位元之一第 三計數器，且用該等輸出脈衝重設該第三計數器；將該第三計數器之一值與一使用者值比較；且用該等分度脈衝設定一正反器且當該第三計數器等於該使用者值時重設該正反器。根據該上述方法之一進一步實施例，該分度脈衝可藉由與一馬達耦合之一感測器產生。根據該上述方法之一進一步實施例，該感測器可自一跨零偵測器、一缺口齒盤感測器、一雙缺口齒盤感測器及一飛輪齒盤感測器選擇。根據該上述方法之一進一步實施例，該感測器可產生一馬達軸件之每個完整旋轉之至少一個脈衝。根據該上述方法之一進一步實施例，該感測器可係一霍爾(Hall)或光學感測器。
根據又一實施例，一系統可包括：一數位週期分頻器，其產生與藉由一旋轉輸入信號界定之一角度成比例之一輸出信號；及一間隔量測單元，其判定藉由該輸入輸出信號之後續脈衝界定之一間隔之一間隔時間。
根據該上述系統之一進一步實施例，該系統可進一步包括一遺漏脈衝偵測器，其可操作以將一當前間隔與一參數比較以判定一脈衝是否在該輸入信號中遺漏，且其中該系統可程式化以選擇一輸入信號是否包括一遺漏脈衝，在此情況中啟用該間隔量測單元及遺漏脈衝偵測器。根據該上述系統之一進一步實施例，提供該輸入信號之一感測器可自係一跨零偵測器、一缺口齒盤感測器、一雙缺口齒盤感測器及一飛輪齒盤感測器選擇。根據該上述系統之一進一步實施例，該數位週期分頻器可包括：一第一計數器，其包括R個最低有效位元(LSB)及P個最高有效位元(MSB)且具有一計數輸入及一重設輸入，其中該計數輸入接收一第一時脈信號且該重設輸入接收一第二時脈信號；一鎖存器，其具有P個位元且與該第一計數器之該等P個位元耦合；一第二計數器，其具有P個位元，該第二計數器包括一計數輸入及一重設輸入，其中該計數輸入接收該第一時脈信號；及一第一比較器，其可 操作以將該鎖存器之該等P個位元與該第二計數器之該等P個位元比較且產生一輸出信號，其中該輸出信號亦饋送至該第二計數器之該重設輸入。根據該上述系統之一進一步實施例，該第一計數器可包括串聯連接之一MSB計數器及一LSB計數器，其中該LSB計數器係一模數計數器。根據該上述系統之一進一步實施例，該第一時脈信號可係一已知系統時脈且該第二時脈信號係具有小於該系統時脈之一未知頻率之一信號。
根據又一實施例，如上文描述包括該數位週期分頻器之一系統可進一步包括：一第三計數器，其具有P個位元且包括一重設輸入及一計數輸入，其中該重設輸入接收該第二時脈信號且該計數輸入接收該第一比較器之該輸出信號；一使用者值暫存器；一第二比較器，其可操作以比較該第三計數器之該值與該使用者值暫存器；及一正反器，其具有一設定及重設輸入，其中該設定輸入接收該第一時脈信號且該重設輸入接收該第二比較器之一輸出信號。根據該上述系統之一進一步實施例，該第二時脈信號可藉由與一馬達耦合之一感測器產生，該馬達產生該馬達軸件之每個完整旋轉之至少一個脈衝。根據該上述系統之一進一步實施例，該感測器可係一霍爾(Hall)或光學感測器。
根據又一實施例，一微控制器可包括：一中央處理單元(CPU)；複數個計時器；一可程式化邏輯單元，其可在程式控制下經組態以形成至少一個邏輯元件；一擷取比較周邊設備；一內部系統匯流排，其耦合該CPU、該複數個計時器、該可程式化邏輯單元及該擷取比較周邊設備；及一可程式化內部選路邏輯，其可操作以連接該複數個計時器、該可程式化邏輯單元及該擷取比較周邊設備，使得形成一數位週期分頻器而產生與藉由一旋轉輸入信號界定之一角度成比例之一輸出信號；及一間隔量測單元，其判定藉由該輸出信號之後續脈衝界定之 一間隔之一間隔時間。
100‧‧‧數位週期分頻器
110‧‧‧量測單元
120‧‧‧單元
130‧‧‧計數器
140‧‧‧時基
410‧‧‧分頻器
420‧‧‧計數器單元
430‧‧‧鎖存器
440‧‧‧分頻器
700‧‧‧角度計數器
710‧‧‧額外計數器單元
720‧‧‧擷取及比較單元
900‧‧‧週期分頻器
910‧‧‧計數器
915‧‧‧計數器
920‧‧‧鎖存器
930‧‧‧頻率源/馬達
940‧‧‧比較器
950‧‧‧高頻率時脈源
960‧‧‧第二計數器
970‧‧‧時脈
1010‧‧‧模數比較器
1020‧‧‧模數暫存器
1120‧‧‧SR鎖存器
1130‧‧‧使用者值暫存器
1140‧‧‧輸出
1150‧‧‧第三計數器
1210‧‧‧馬達
1220‧‧‧感測器
1300‧‧‧微控制器
1310‧‧‧中央處理單元
1320‧‧‧內部匯流排
1330‧‧‧計時器
1340‧‧‧擷取比較單元
1350‧‧‧可組態邏輯單元件
1360‧‧‧中央可程式化內部選路邏輯
1400‧‧‧角度計時器/模組
at_angle_clock‧‧‧角度時脈
at_angle[9：0]‧‧‧角度資料值
at_capture[x]‧‧‧輸入信號
at_missed_pulse‧‧‧輸出脈衝
at_period_clock‧‧‧週期時脈
at_period_clk‧‧‧週期時脈
ATANG‧‧‧暫存器
ATEN‧‧‧暫存器
ATPOV‧‧‧暫存器
ATSIG‧‧‧暫存器
ATVALID‧‧‧暫存器
ATxANG‧‧‧暫存器
ATxCCy‧‧‧暫存器
ATxERR‧‧‧暫存器
ATxMISS‧‧‧暫存器
ATxPER‧‧‧暫存器
ATxRES‧‧‧暫存器
ATxSTPT‧‧‧暫存器
clock_in/ATRES‧‧‧脈衝
clock_in/ATPER‧‧‧脈衝
圖1展示一數位週期分頻器之一方塊圖；圖2展示根據一實施例之一數位週期分頻器之各自輸入及輸出信號；圖3及圖4展示一數位週期分頻器及相關聯輸入輸出信號之一更詳細實施例；圖5展示一數位週期分頻器之各種輸入信號之實例；圖6展示用於偵測一遺漏脈衝之一時序圖；圖7及圖8展示根據一實施例之一角度計數器及相關聯輸入輸出信號；圖9展示一數位週期分頻器之一方塊圖；圖10展示可用作該週期分頻器之該第一計數器之該LSB計數器之一模數計數器之一實施例。
圖11展示使用圖9之週期分頻器之一第一應用實施例。
圖12展示使用圖9之一週期分頻器之另一應用。
圖13展示經設計以根據各種實施例體現該週期分頻器之一微控制器。
圖14展示(例如)適用於一微控制器內之整合之一角度計時器周邊設備之一方塊圖。
圖15展示圖14之角度計時器周邊設備之週期計時器及角度計數器之一方塊圖。
圖16展示圖14之角度計時器周邊設備之週期計時器之細節。
圖17展示圖14之角度計時器周邊設備之角度計數器之細節。
圖18展示圖14之角度計時器周邊設備之一設定點誤差特徵。
圖19展示圖14之角度計時器周邊設備之一中斷邏輯。
圖20展示圖14之角度計時器周邊設備之比較及擷取邏輯。
圖21展示(例如)在一高速馬達控制中之一第一COG應用。
圖22展示(例如)在一燃料噴射器應用中之一第二COG應用。
圖23展示(例如)一馬達同步閃光燈系統中之一CLC/CWG應用。
圖24展示(例如)一風扇控制器應用之一脈衝工作循環量測。
圖25展示模式ATMD=00之一時序圖。
圖26展示具有ATXRES=5之一實例操作之一時序圖。
圖27展示根據一暫存器ATMD之各種操作模式之一表及模式ATMD=00之一時序圖。
圖28展示模式ATMD=01之一時序圖。
圖29展示模式ATMD=11之一時序圖。
根據各種實施例，一數位週期分頻器可經組態以產生將一典型週期/間隔劃分為複數個脈衝之一脈衝列且偵測何時一個間隔超過一預定臨限(例如)一典型量測之間隔之50%。超過部分可藉由一固定時間量(例如，40毫秒)或藉由與先前量測之間隔比較而識別。
舉例而言，如上文提及，憑藉一引擎飛輪，一偵測器發射一系列等間距脈衝，惟一個脈衝遺漏除外。遺漏脈衝可與引擎旋轉之「頂部死點」(TDC)位置重合，故偵測無異於及時定位TDC。
偵測器經併入至一角度計時器(亦稱為數位週期分頻器)中，其提供用於量測脈衝間隔之計時器。
圖1展示操作以自一輸入信號產生一角度時脈信號之一數位週期分頻器100之一方塊圖。輸入信號之週期藉由量測單元110量測且藉由單元120除以R。按由時基140提供之一較高頻率操作之一計數器130計算出角度持續時間。一使用者可選擇角度時脈輸出信號之角度參數。圖2展示相關聯時序圖，其中頂部信號表示所接收之表示一完整 旋轉之脈衝。底部信號表示角度時脈，(例如)此處已選擇90°之一劃分。如上文敘述，用如在圖1中展示之一時基140提供之一快速時脈量測信號週期。接著，量測計數除以數個角度/轉，且產生等間隔之一脈衝列。
根據在圖3中展示之一實施方案，一量測週期可由R*P表示，其中R係每轉之角度之數量。亦在圖3中展示之實例中，週期分為各表示90°之四個角度部分。圖3亦展示一捨入誤差，其可取決於由時基信號提供之解析度。圖4展示此一週期分頻器之一相關聯方塊圖。
輸入信號經體送至一計數器單元420，其計算出一預除週期。為此目的，一時基時脈透過分頻器410除以R。來自計數器單元420之輸出信號藉由鎖存器430鎖存。接收時基時脈之一分頻器440將時基時脈除以鎖存值以產生輸出信號。
圖5展示由各種裝置提供之典型輸出信號，該等信號可用作數位週期分頻器之一輸入信號。數位週期分頻器可程式化以能夠與在圖5中展示之任何類型之信號操作。舉例而言，在圖5中之信號A表示與一AC主線信號耦合之一跨零偵測器之輸出。信號B可由一缺口齒盤提供。信號C可由一雙缺口齒盤提供且信號D可由一齒狀飛輪提供，該飛輪具有一缺齒。
圖6解釋一數位週期分頻器可如何偵測可操作以使用在圖5中展示之第三及第四類型之輸入信號(信號C及D)之遺漏脈衝。量測短間隔且儲存其等持續時間以判定何時出現一長間隔。由於一硬體折衷，無法量測完整週期。實情係，週期經劃分為短間隔之倍數。遺漏脈衝可基於一使用者界定時間偵測。換言之，當由時基提供之一預定數量之時脈循環出現而不具有輸入信號造成之一重設時，一遺漏脈衝被判定且可如在圖6之頂部中展示產生。底部圖展示根據另一實施例之一適應性量測，其中一週期時間藉由先前量測之間隔判定。當一當前量測 之間隔超過一預定量(例如150%)時，則一遺漏脈衝被判定且可如在圖6之底部半中展示而產生。
圖7展示根據一實施例之一角度計數器700，且圖8展示相關聯輸入及輸出信號。角度計數器可經組態以計算出如上文討論之角度。舉例而言，如在圖4中展示之一系統係與可操作以計算出角度之一額外計數器單元710一起使用。單元710接收分頻器440之輸入信號及輸出信號。一擷取及比較單元720自計數器單元710接收輸出值及一臨限值，且由於比較而產生一輸出信號。因此，因為已知信號何時開始，故標記各角度且可產生與角度成比例之一計數值。如在圖7中展示，擷取及比較單元720經連接至計算出角度以執行此功能之輸出信號。
圖9展示根據各種實施例之一數位週期分頻器之一方塊圖。一第一計數器可係由兩個計數器910及915形成，其中具有P個位元之第一計數器與具有R個位元之一第二計數器915序連。因此，計數器910提供最高有效位元(MSB)且計數器915提供最低有效位元(LSB)。然而，根據其他實施例，可使用具有P+R個位元之一單一計數器。在使用兩個計數器的情況中，計數器915之溢流為計數器910之輸入計時。提供一高頻率時脈源950(例如，一32MHz系統時脈)，其提供第一計數器910、915之計數時脈輸入信號。第一計數器(或組合計數器910、915)具有自一頻率源930接收未知頻率X之一重設輸入。具有P個位元之一鎖存器920與計數器910耦合，且因此與第一計數器之MSB耦合。未知頻率觸發鎖存器920之負載輸入。具有P個位元之一第二計數器960在其計數輸入處接收系統時脈之時脈信號。提供一比較器940，其比較鎖存器920之值與第二計數器960之計數值。若相等，則比較器940之輸出上升(或下降)，且可用於重設第二計數器。同樣地，比較器的輸出信號提供經分頻的時脈信號X*2R。
一般接受當控制旋轉機器時，正弦、餘弦及正切計算係必要 的，但根據各種實施例，提供一選擇脈衝至角度轉換。
參考圖11，提供在圖9中展示之週期分頻器900之一第一應用1100。如上文提及，(例如)一馬達或其他旋轉機930之一未知頻率M經提供至週期分頻器1100。電路910、915、920、940、950及960量測旋轉週期，且產生係旋轉頻率之一固定倍數之一時脈970。通常此可係每旋轉度數之一個時脈(即，乘360)，或任何適當倍數。系統可應用至馬達系統或至如具有50或60HZ之一頻率或任何其他未知頻率信號之AC電力線的系統。
參考圖11，系統1100需要2個輸入。未知頻率輸入(例如，馬達脈衝)供應指示在一馬達930的情況中馬達930已轉過一轉之一參考。此一信號可自(例如)一霍爾效應感測器或光學斷續器(其等將在下文中更詳細討論)獲得。此等應用可供應每轉超過一個脈衝，且吾人為此採取M cps(每秒循環)以供討論。其他輸入係具有任何適當頻率之一固定時脈源950，只要其遠快於所預期之輸出信號。舉例而言，一6000RPM馬達產生100cps之一輸入，且若機器設定至乘以360(每旋轉度之一個時脈)，則輸出將係36000Hz。一32MHz時脈信號950之時脈源幾乎快1000倍，此係足夠的。
如上文提及，根據一些實施例，第一計數器實際上可係兩個計數器915及910。計數器915隨著各時脈脈衝進位，且經繪示具有一模數2R計數之R個位元。計數器915可係任何模數(如360或180)，且吾人認為計數器915具有模數R以供討論。計數器920保留P位元且每次計數器915翻轉進位。合計起來，此等計數器915、910計數馬達之1轉所需之時脈脈衝數。憑藉各轉，在鎖存器920中擷取計數器910之當前值，且整個第一計數器915、910重設至零。算術上，鎖存器920接收每轉時脈脈衝之總數除R之一值，其隨著未知頻率之每個循環更新。應選擇計數器910之大小(值P)以防止計數器溢流辨識M及時脈頻率。 同時，第二計數器960隨著各時脈脈衝進位，且計數直至其達到等於鎖存值之一值。當相等時，相等邏輯940發射一單一脈衝且第二計數器960重設至零。將瞭解，第二計數器960將在鎖存值改變之前將此進行總計R次，且故將存在針對未知信號(例如，馬達旋轉信號)之各循環發射之R個相等脈衝。因此，已達成在輸出970產生比馬達分度脈衝快R倍之一時脈列之目標，且新的時脈列每當馬達速度改變時(即使在一個循環後)均將改變頻率。延時可藉由組態馬達以產生每轉之許多脈衝且按比例減少R而改良。
在圖11中亦展示一第三計數器1150、用於儲存一值UV之一使用者值暫存器1130及一SR鎖存器1120。此表示類似於具有PWM配置之一習知計時器之邏輯，惟該邏輯具有用來自源930之未知信號之每個循環重設第三計數器1150之附加能力除外。由於每轉R次計時第三計數器1150，故計數器值將在未知信號之各循環內自零進位至(R-1)。在由一馬達930提供未知信號的情況中，假定馬達速度相對恒定，計數器將在分度脈衝後之360*(UV/R)度之一旋轉角度處等於使用者值。更重要的係，使用者值UV與度數成比例而獨立於馬達速度。此容許UV直接表示一角度，而無自傳統計時器及PWM之固定時間量測至角度量測之轉換(或反之亦然)一般所需要之正弦、餘弦或正切計算。針對AC電力系統，不管使用一50、60或甚至400Hz之電力系統，UV=90(度)之一值皆將產生相同角度分度。
圖12展示具有一馬達1210之一實例，馬達包括(例如)一感測器1220(例如，一霍爾感測器或光學感測器)，該感測器能夠隨著馬達軸件之各旋轉產生一脈衝。此信號用作未知頻率信號，且經饋送至圖1之週期分頻器及在圖11之實施例中討論之額外邏輯中。此處，由比較器邏輯940產生之重設信號僅用於計時計數器1150。正反器1120包括輸出1140，輸出1140提供一使用者控制之脈衝寬度調變信號，該信號 可藉由與旋轉度成比例之一值直接控制。
在圖中展示之配置可較佳地在一微控制器內實現。為此目的，可提供容許所展示配置之一可撓性計時器比較器單元。為此目的，鎖存器920可藉由與一第一計數器耦合之一擷取單元形成且可提供容許比較在圖12中展示之各種值之可程式化選路。舉例而言，在微控制器內之控制暫存器可容許將欲被分配之數位比較器之輸入分配至計時器或擷取鎖存器。再者，微控制器可包含可程式化邏輯(諸如提供組合邏輯之可組態邏輯單元件)或各種類型之正反器或鎖存器(諸如D正反器、JK正反器或SR鎖存器)。此等微控制器係藉由申請者(例如)在PIC10F32x及PIC1xF150X族中製造。
圖13展示一例示性微控制器1300，其經設計以能夠經程式化以形成如在圖9、圖11及圖12中展示之功能單元。微控制器1300包括與一內部匯流排1320連接之一中央處理單元1310。各種周邊設備(諸如計時器1330、一擷取比較單元1340及可組態邏輯單元件1350)可用且與內部匯流排1320耦合。另外，各周邊設備可具有可程式化緊連邏輯，其容許將內部信號選路至其各種輸入，例如，內部或外部信號可計時一計時器。兩個計時器可程式化以形成一單一序連計時器，計時器值可與擷取/比較單元等等之輸入耦合。替代地，可提供容許將各種內部或外部信號分配至周邊裝置之各種輸入/輸出之相同功能之一中央可程式化內部選路邏輯1360。各種周邊設備可具有容許選擇各種輸入/輸出信號之特殊功能暫存器。即使提供一可程式化內部選路邏輯1360，仍可提供此等特殊功能暫存器來控制單元1360，其中特殊功能暫存器可與各自周邊設備單元相關聯。因此，單元1360對於一使用者無法視為一單獨周邊設備。因此，在無任何額外硬體的情況下，如上文討論之一週期分頻器及/或額外邏輯可在程式控制下形成於微控制器1300內。
圖10展示具有一變量模數之一模數計數器之一實例。為此目的，提供一模數暫存器1020，其可程式化以含有模數值。一模數比較器1010將LSB計數器915之值與模數暫存器1020之值比較且每當值相等時產生一脈衝。此脈衝用於重設LSB計數器915且計時MSB計數器910。模數暫存器1020可(例如)經程式化以儲存一值180或360或任何其他適當值以用於劃分未知頻率之週期。
圖14展示根據在一微控制器內之整合之各種實施例之一角度計時器1400之一特定實施例。角度計時器之主輸出係角度時脈at_angle_clock(圖15、圖17)。在基本操作模式中，角度時脈具有係signal_in之一倍數之一頻率。其他模式提供其他特徵。角度時脈可係一I/O接腳上之輸出，或用作其他裝置計時器之時基。
在此模組1400內使用角度時脈來產生角度資料值at_angle[9：0]，其可由軟體讀取，由擷取及比較邏輯使用，或經選路至其他系統CCP或PWM裝置。針對各角度時脈脈衝用信號通知一中斷。模組1400亦量測輸入信號之週期。將量測之週期與一設定點值(ATxSTPT)比較以產生一誤差值(ATxERR)。
在圖15中展示基本計時器，且在圖16及圖17中各自詳述週期計時器及角度計數器之細節。熟習此項技術者將瞭解，亦在圖15中展示週期量測及角度產生器之各種元件。
此方塊之輸出係：at_angle_clock，其中由ATPHP(暫存器)控制極性，at_angle[9：0)資料，at_period_clock，其中由ATPRP(暫存器)控制極性，以及週期及角度中斷。
存在至如在圖14中展示之模組1400之兩個類型的輸入：主輸入ATSIG及擷取邏輯輸入信號at_capture[x]。所有信號及擷取輸入使用 類似於在圖16中展示之邊緣偵測邏輯而同步至模組時脈。在圖15中繪示遺漏脈衝偵測器。邏輯比較當前週期計數器值與自先前循環(ATxPER)之鎖存值，而產生一有符號之差。當差等於ATxMISS暫存器時，宣告一遺漏脈衝。用一對應中斷，在所有ATMD模式中，使at_missed_pulse輸出產生脈衝。
當在ATMD模式暫存器中停用遺漏脈衝偵測時，每一輸入脈衝被視為「週期結尾」，且產生一週期時脈脈衝。
當啟用遺漏脈衝偵測時，僅在遺漏脈衝計時器與ATxMISS暫存器相等後產生週期時脈，且並不執行週期鎖存器更新。所有其他輸入脈衝鎖存週期資料。
容許可在ATxMISS暫存器中設定一負值，低位元組必須在最後被寫入；高位元組經遮蔽以保證原子更新。注意，以時間(時脈循環)而非以度數來量測遺漏脈衝延遲，因為週期計數器係作為參考。一般言之，遺漏脈衝偵測器僅啟動一次，且接著需要一正常輸入邊緣來重設其自身。此係一自動行為，因為週期計數器將在FFFF最大化輸出且不再等於ATxMISS。
如在圖18中展示，使用者可在暫存器ATxSTPT中鍵入一設定點值。自量測週期暫存器ATxPER減去設定點以產生暫存器ATxERR。
在圖19中展示用於產生一中斷之一中斷邏輯之一實施例。在圖20中繪示比較及擷取邏輯之一實施例，此等特徵提供：輸入同步，及報告禁止。
根據一實施例，當寫入暫存器ATxCCy，低位元組必須在最後被寫入；高位元組經遮蔽以保證原子更新。
下列部分描述每個轉模式之單一脈衝中的操作。
在圖25中繪示基本操作。如在圖15中展示，角度計時器包含兩 個分頻器鏈，且兩者量測輸入信號之週期。
第一鏈(圖16)將clock_in除以儲存於各自暫存器中之使用者指定之ATxRES值。產生之脈衝(clock_in/ATRES)係用於計時一計數器。在輸入週期之結尾(即，signal_in之下一主動邊緣)，方程式1所給出的值經鎖存至暫存器ATxPER中，且用信號通知一中斷(除禁止時外)。
同時，第二鏈(圖17)將clock_in除以暫存器ATxPER，其保留在先前循環中量測之值。產生之時脈(clock_in/ATPER)計時可讀取為ATxANG之計數器。藉由用於ATxPER之相同推論，角度計數器(若理論上在週期之結尾取樣)將如在方程式2中所展示。
比較方程式1及方程式2將顯示，ATxANG應在ATSIG週期期間自零計數至等於ATxRES之一值。因此，可知至ATANG計數器之時脈具有一頻率F(信號)．A TRES，其係所需角度時脈。
注意，若輸入週期改變，則角度時脈週期將不改變直至下一循環。因此，在一循環之結尾，ATxANG中之值可係大於或小於ATxRES。亦認識到，at_angle_clock之產生並不需要ATxANG計數器。計數器係一模數特徵，其容許擷取及比較邏輯，且容許使用者監測瞬時輸入角度。
當ATSIG表示一機器或AC主線之旋轉時，輸入應理解為提供每 360度之1主動邊緣。由於角度時脈等量劃分信號週期，故時脈亦除360度旋轉週期，且各時脈脈衝標記旋轉之一固定角度AR(方程式3)。
ATxANG在旋轉之開始(即，在at_period_clk脈衝)處清除至零，且接著共計數整個循環，故計數器之值如在方程式4中展示係線性關於瞬時相位角度。
在圖26中展示一計時實例，其中ATxRES=5，形成每360/5=72度之一角度時脈脈衝。
ATRES之值判定週期量測之解析度，且大大影響在各轉之結尾處之角度時脈之時序。當ATRES小時，ATxPER將計數值一高值。ATxPER截斷實際週期值，故固有精確度以+0/-1計數，乘以ATRES(因為在ATRES之增量中量測週期)。計數值一高ATRES意謂誤差係總數之一較小百分比。當ATRES大(例如，720)時，ATxPER中之值將係小的，且截斷將係一重要誤差源。截斷誤差在角度脈衝位置中累積，且其各者比其前者更早到達。若ATRES大，則最後一週期時脈可早許多時脈。此處之實際問題係讀取ATRES且應用方程式2至4可常產生大於360°之一值。
一小ATxRES有利於精確度，但無法滿足系統需要。系統之優質數經界定為最小預期之ATxPER值，且方程式1可重寫為方程式5。建議為良好之操作，選擇clock_in及ATxRES來給定FOM>500。
如方程式1展示，一高頻率clock_in將產生較高計數及較低百分比誤差，但以較高系統電力為代價。若ATxPER溢位，則ATPOV位元將在一控制暫存器中設定，且ATxPER之值將不更新(因此，ATVALID將保持未設定直至第三信號循環)。
當ATSIG之信號丟失時，週期計數器將溢位且ATPOV變為1。然而，不存在週期中斷，且ATxPER中之值不更新，故角度時脈頻率不會改變。最後甚至ATxANG將溢位，且ATVALID將變為0。注意，遺漏脈衝偵測器應用於偵測輸入之損失且產生一中斷。time-out值將(a)被保證，且(b)遠短於藉由等待ATxANG溢位所實現之值。
角度時脈輸出並不精確直至輸入週期已正確取樣，此需要至少兩個完整輸入循環(見圖26中之實例)。因此，角度時脈關閉同時ATVALID=O，角度計數器不會進位，且不會發生角度中斷。無論何時ATEN=O或ATxRES=O，ATVALID保持於0，或變為0，因為：任何重設(包含cfg_at_en=0)，任何寫入至ATxRES(暫存器1-1)，角度計數器溢位，或凍結(freeze=1)。
在鎖存ATxPER之信號第三(3rd)主動輸入邊緣後ATVALID變為1。當ATVALID=0時，禁止下列特徵：週期時脈輸出及中斷，遺漏脈衝之脈衝輸出及中斷，角度時脈輸出及中斷，角度計數器計數 擷取邏輯及相關聯中斷，比較邏輯及相關聯中斷。
同樣地，當ATVALID=O時，每個輸入邊緣擷取週期持續時間，而忽略遺漏脈衝偵測器，使得可建立一基線量測。換言之，當系統剛啟動時，不管選擇哪個ATMD，每一輸入循環經擷取至ATxPER中。
在圖27中概述操作模式。
每轉之單一脈衝
‧ATMD=00
如在圖25中展示，馬達感測器或跨零偵測器精確提供各轉之一個脈衝。每一ATSIG重設週期及角度計數器，且用各輸入循環量測週期。
ATRES經設定以產生所需角度解析度。此上文描述之基本時序模式。at_missed_pulse輸出及相關聯中斷係主動的，但不影響操作或其他模組輸出。
每轉之多個脈衝，固定時間遺漏脈衝
‧ATMD=01
馬達感測器提供每轉之超過一個脈衝。針對在圖28中展示之情況，馬達感測器按一已知角度差每轉產生兩次脈衝。第一脈衝經假定為「頂部死點」(TDC)參考，且第二脈衝用於量測(部分)週期。
通常自一內燃機之飛輪取得圖29之信號圖樣。飛輪上常具有超過200個鋸齒，且除最後鋸齒之鋸齒間隙外之所有鋸齒出現一脈衝。週期計數器量測除間隙外之鋸齒至鋸齒之持續時間。在間隙後之第一脈衝標誌為TDC。
當ATVALID=0時，所有輸入邊緣更新ATxPER，且忽略遺漏脈衝偵測器以建立一基線週期量測：因為如此多脈衝出現於ATSIG上，故ATRES之值必須設定相當低 以達成一適當FOM。一合理值可係小於5。方程式3經重編為方程式6以包含鋸齒之效應。ATRES亦必須係小的，因為ATxANG將共計至ATRES．TEETH之值，甚至在馬達速度下降時該值必須保持低於1023(10位元)。
調適性單一脈衝
‧ATMD=10
此模式與ATMD=00相同，惟未使用ATxMISS中之值除外。遺漏脈衝逾時如在圖27之時序圖中展示係當前量測之週期之一半，且將追蹤改變馬達速度。注意：ATxMISS中之值並不改變。
每轉之多個脈衝，調適性遺漏脈衝
‧ATMD=11
此模式與ATMD=01相同，惟未使用ATxMISS中之值除外。遺漏脈衝逾時如在圖27之時序圖中展示係當前量測之週期之一半，且將追蹤改變馬達速度。注意：ATxMISS中之值並不改變。
輸出應用
模組之主輸出係角度時脈at_angle_clock。多數應用亦將需要週期時脈作為一「零」或「頂部死點」參考。
角度計數器
為簡化裝置邏輯，模組包含使用兩個信號之角度計數器。在圖16中繪示且在上文描述此計數器。
PWM產生
圖20之比較暫存器按ATxANG之指定值產生一輸出信號。給定一所需相位角度，使用方程式4或方程式6且解出表示角度之ATxANG之值。繪示比較輸出之三個應用。
1在具有COG之裝置中(圖21)，可使用單獨比較暫存器來設定輸出脈衝之開始及停止角度。
2一固定持續時間輸出常在值必須開放時有助於遞送一固定體積產品。圖22展示一COG系統，其中設定開始角度，且藉由具有一單獨計時器時脈之一TMR2+HLT判定輸出持續時間。
3圖23類似於#1，但使用一CLC中之RS翻轉以產生在僅具有一CWG之一裝置中之輸出脈衝。CLC亦有助於軟體必須涉及啟用或停用輸出之情況。
工作循環量測
當ATxRES=100時，擷取/比較特徵可解釋為一循環之百分比。若週期輸入信號施加至一擷取輸入，且擷取極性係下降邊緣(圖24)，則所擷取之值將指示輸入信號之工作循環。遺漏脈衝偵測器可指示輸入是否已丟失。不論輸入頻率為何，只要其係相對恒定且非DC，則此應用將可實現。其亦不受振盪器校準誤差影響。
因此，所揭示之各種實施例可用於馬達繞組之整流、產生固定小部分之一脈衝(例如，作為脈衝寬度調變之一類型)、按一特定小部分啟動某物(諸如視覺暫留推進槳顯示器)、計時正弦波產生期間之輸出改變(其(例如)可使用一數位類比轉換器且不必使用脈衝寬度調變)等等。

Claims (31)

  1. 一種系統，其包括：一數位週期分頻器(period divider)，其產生包括複數個後續脈衝(subsequent pulses)與由一旋轉輸入信號界定之一角度成比例(proportional to)之一輸出信號，其中該數位週期分頻器包括：一第一計數器，其包括具有R個最低有效位元(least,significant bits；LSB)及P個最高有效位元(most significant bits；MSB)之N個位元、一計數輸入及一重設輸入，其中該計數輸入接收一參考時脈信號，且該重設輸入接收該旋轉輸入信號，其中R和P係大於1之整數且R+P=N；一鎖存器，其具有P個位元且與該第一計數器之該等P個最高有效位元耦合；一第二計數器，其具有P個位元且包括一計數輸入及一重設輸入，其中該計數輸入接收該參考時脈信號；及一第一比較器，其係可操作以比較該鎖存器之該等P個位元與該第二計數器之該等P個位元，且產生一輸出信號，其中該輸出信號亦被饋送至該第二計數器之該重設輸入；一間隔(interval)量測單元，其判定由該輸出信號之後續(succeeding)脈衝界定之一間隔之一間隔時間；及一遺漏(missing)脈衝偵測器，其係可操作以比較一當前間隔與一參數，以判定一脈衝是否在該旋轉輸入信號中遺漏。
  2. 如請求項1之系統，其中該參數係一預定時間值。
  3. 如請求項1之系統，其中該參數係由一先前量測之間隔及一預定因數界定。
  4. 如請求項1之系統，其中該系統係可程式化以判定一脈衝是否在 該旋轉輸入信號中遺漏，在此情況中產生啟用遺漏脈衝(enabled missing pulse)。
  5. 如請求項4之系統，其中提供該旋轉輸入信號之一感測器係選自由一跨零偵測器、一缺口齒盤感測器、一雙缺口齒盤感測器及一飛輪齒盤感測器組成之群組。
  6. 如請求項1之系統，進一步包括產生該遺漏脈衝之一輸出。
  7. 如請求項1之系統，其中該第一計數器可包括經串聯連接之一MSB計數器及一LSB計數器，其中該LSB計數器係一模數計數器。
  8. 如請求項1之系統，其中該參考時脈信號可係一已知系統時脈，且該旋轉輸入信號係具有小於該參考時脈信號之頻率之一未知頻率之一信號。
  9. 如請求項1之系統，且其進一步包括：一第三計數器，其具有P個位元且包括一重設輸入及一計數輸入，其中該重設輸入接收該旋轉輸入信號，且該計數輸入接收該第一比較器之該輸出信號；一使用者值暫存器；一第二比較器，其係可操作以比較該第三計數器之值及該使用者值暫存器；及一正反器(flip-flop)，其具有一設定及重設輸入，其中該設定輸入接收該參考時脈信號，且該重設輸入接收該第二比較器之一輸出信號。
  10. 如請求項9之系統，其中該旋轉輸入信號係由與一馬達耦合之一感測器產生，該馬達產生一馬達軸件之每個完整旋轉之至少一個脈衝。
  11. 如請求項10之系統，其中該感測器係一霍爾或光學感測器。
  12. 一種劃分一未知頻率之一週期之方法，其包括：接收包括一系列分度脈衝(index pulses)之一輸入信號；藉由一第一計數器來量測兩個連續分度(index)脈衝之間之一時間，該第一計數器具有N個位元，其具有P個最高有效位元(most significant bits)及R個最低有效位元(least significant bits)且由具有高於該輸入信號之頻率的一頻率之一系統時脈計時，該頻率，其中R和P係大於1之整數且R+P=N；鎖存該等P個最高有效位元，及比較該鎖存值與由該系統時脈計時之一第二計數器，且當該第二計數器等於該等鎖存之最高有效位元時產生輸出脈衝。比較一當前間隔與一參數，以判定一脈衝是否在該輸入信號中遺漏；及若偵測到該遺漏脈衝，則產生一遺漏脈衝信號。
  13. 如請求項12之方法，其中該參數係一預定時間值。
  14. 如請求項12之方法，其中該參數係由一先前量測之間隔及一預定因數界定。
  15. 如請求項12之方法，其包括選擇輸入信號之一類型之步驟，該輸入信號類型啟用或停用一遺漏脈衝偵測。
  16. 如請求項12之方法，其中該第一計數器包括經串聯連接之一MSB計數器及一LSB計數器，其中該LSB計數器係一模數計數器。
  17. 如請求項12之方法，進一步包括：自該等輸出脈衝產生一脈衝寬度調變(PWM)信號。
  18. 如請求項12之方法，其中該分度脈衝係由一旋轉機產生，且其中該量測之週期係旋轉之一週期。
  19. 如請求項17之方法，其包括：用該等分度脈衝計時具有P個位元之一第三計數器，且用該等輸出脈衝重設該第三計數器；比較該第三計數器之一值與一使用者值；及用該等分度脈衝設定一正反器，且當該第三計數器等於該使用者值時重設該正反器。
  20. 如請求項19之方法，其中該等分度脈衝係由與一馬達耦合之一感測器產生。
  21. 如請求項20之方法，其中該感測器係選自由一跨零偵測器、一缺口齒盤感測器、一雙缺口齒盤感測器及一飛輪齒盤感測器組成之群組。
  22. 如請求項20之方法，其中該感測器產生一馬達軸件之每個完整旋轉的至少一個脈衝。
  23. 如請求項22之方法，其中該感測器係一霍爾或光學感測器。
  24. 一種系統，其包括：一數位週期分頻器，其產生與由一旋轉輸入信號界定之一角度成比例之一輸出信號，其中該數位週期分頻器包括一第一計數器，其包括具有R個最低有效位元(LSB)及P個最高有效位元(MSB)之N個位元、一計數輸入及一重設輸入，其中該計數輸入接收一參考時脈信號，且該重設輸入接收該旋轉輸入信號，其中R和P係大於1之整數且R+P=N；一鎖存器，其具有P個位元且與該第一計數器之該等P個最高有效位元耦合；一第二計數器，其具有P個位元且包括一計數輸入及一重設輸入，其中該計數輸入接收該參考時脈信號；及一第一比較器，其係可操作以比較該鎖存器之該等P個位元 與該第二計數器之該等P個位元，且產生一輸出信號，其中該輸出信號亦被饋送至該第二計數器之該重設輸入；且一間隔量測單元，其判定由該輸出信號之後續脈衝界定之一間隔之一間隔時間。
  25. 如請求項24之系統，進一步包括一遺漏脈衝偵測器，其係可操作以比較一當前間隔與一參數以判定一脈衝是否在該旋轉輸入信號中遺漏，且其中當該遺漏脈衝偵測器偵測到該遺漏脈衝時，該系統係可程式化以產生一遺漏脈衝信號。
  26. 如請求項25之系統，其中提供該輸入信號之一感測器可係選自由一跨零偵測器、一缺口齒盤感測器、一雙缺口齒盤感測器及一飛輪齒盤感測器組成之群組。
  27. 如請求項24之系統，其中該第一計數器可包括經串聯連接之一MSB計數器及一LSB計數器，其中該LSB計數器係一模數計數器。
  28. 如請求項24之系統，其中該參考時脈信號可係一已知系統時脈，且該旋轉輸入信號係具有小於該系統時脈之一未知頻率之一信號。
  29. 如請求項24之系統，且進一步包括：一第三計數器，其具有P個位元且包括一重設輸入及一計數輸入，其中該重設輸入接收該旋轉輸入信號，且該計數輸入接收該第一比較器之該輸出信號；一使用者值暫存器；一第二比較器，其係可操作以比較該第三計數器之該值及該使用者值暫存器；及一正反器，其具有一設定及重設輸入，其中該設定輸入接收該參考時脈信號，且該重設輸入接收該第二比較器之一輸出信 號。
  30. 如請求項29之系統，其中該旋轉輸入信號係由與一馬達耦合之一感測器產生，該馬達產生一馬達軸件之每個完整旋轉的至少一個脈衝。
  31. 如請求項30之系統，其中該感測器係一霍爾或光學感測器。
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