经温度补偿的时钟频率监视器
相关专利申请
本专利申请要求提交于2017年9月28日的美国临时专利申请号62/564,828的优先权，该美国临时专利申请的全部内容出于所有目的据此以引用方式并入。
技术领域
本公开涉及定时电路，并且更具体地涉及经温度补偿的时钟频率监视器。
背景技术
诸如微处理器和微控制器(MCU)等电子器件包括以已知频率运行的至少一个时钟或能够访问以已知频率运行的至少一个时钟，以提供用于处理指令(例如，用于执行应用程序)的受控定时。此类时钟的操作频率往往取决于温度。例如，RC振荡器型时钟往往具有高温系数，从而导致随温度变化频率变化至多50％，而基于晶体和陶瓷谐振器的振荡器往往具有更适中的温度系数。
处理器/MCU时钟中的这些信号频率变化可导致各种功能问题，该等功能问题可通过对结合相应处理器或MCU的热敏器件的温度影响而复杂化。在一些情况下，器件操作温度对最大操作时钟频率具有强烈影响。例如，在高时钟频率下处于高温下的处理器或MCU可能导致不稳定的操作、降低的部件寿命或器件故障。因此，对于一些器件，较高的操作温度可能需要较低的操作频率，并且类似地，较高的操作频率可能需要较低的温度。此外，诸如以太网、USB、UART、I2C等串行通信通常需要正确或可预测的频率以避免通信错误。
此外，在诸如电力供应应用程序和马达控制应用程序等某些控制应用程序中，以不正确的频率操作相关控制回路可导致应用程序或器件损坏，或对用户的危险。此类电子器件可包括监视器以评估处理器/MCU时钟性能。然而，此类监视器通常不检查过频操作。
发明内容
本发明的实施方案提供了用于监视随温度变化数字时钟(例如，进程或微控制器)的时钟信号频率的系统和方法，并且如果所监视的时钟信号频率超过温度依赖性的频率极限，则采取校正措施。在一些实施方案中，系统和方法可包括频率极限逻辑或电路，该频率极限逻辑或电路被配置为基于传感器检测到的与电子器件相关联的温度来选择、计算或以其他方式确定温度依赖性时钟频率极限度量，例如以时钟脉冲极限值(或另选地，频率极限值)的形式。时钟监视逻辑可实现时钟脉冲计数窗口(例如，使用使能信号、清除信号和参考时钟信号)，并且可对被监视的时钟在限定的时钟脉冲计数窗口内输出的时钟脉冲的数量进行计数。数字比较器或其他逻辑可将测得的时钟脉冲计数与时钟脉冲计数极限值进行比较，并且基于该输出来确定是否生成中断信号或用于采取校正措施的其他通知。例如，在一些实施方案中，如果测得的时钟脉冲计数超过时钟脉冲计数极限值，则可生成中断信号。应用程序可处理中断信号或发起其他相关的校正措施，例如减慢时钟、施加时钟分频器、或激活冷却机构。
一个实施方案提供了一种时钟频率监视电路，该时钟频率监视电路包括：温度传感器，该温度传感器被配置为测量与电子器件相关联的温度；时钟，该时钟具有某一操作频率；以及频率监视系统。该频率监视系统可被配置为确定该时钟的操作频率；至少基于(a)时钟的操作频率和(b)与电子器件相关联的测得温度来进行确定，以生成校正措施信号；以及生成该校正措施信号以发起与电子器件或相关器件相关联的校正措施。
在一些实施方案中，电子器件是微控制器或微处理器。
在一个实施方案中，温度传感器、时钟和频率监视系统设置在微控制器上。
在一个实施方案中，频率监视系统被配置为根据与电子器件相关联的测得温度来确定时钟频率极限；确定该时钟的操作频率；将该时钟的操作频率与该时钟频率极限进行比较；以及如果该时钟的操作频率超过该时钟频率极限，则生成校正措施信号。
在一个实施方案中，基于与电子器件相关联的测得温度来确定时钟频率极限包括存储对应于多个不同温度的多个时钟频率极限值，以及基于与电子器件相关联的测得温度来选择所存储的时钟频率极限值中的一个。
在一个实施方案中，频率监视系统包括存储对应于多个不同温度的多个时钟频率极限值的多个数据寄存器，以及被配置为基于与电子器件相关联的测得温度从该多个数据寄存器中选择特定时钟频率极限值的复用器。
在一个实施方案中，确定时钟的操作频率包括在限定的计数窗口期间确定时钟信号计数。
在一个实施方案中，生成校正措施信号包括生成用于控制编程应用程序的中断信号。
在一个实施方案中，温度传感器被配置为测量电子器件的环境的环境温度。
另一个实施方案提供了一种监视时钟频率的方法，该方法包括使用温度传感器测量与电子器件相关联的温度；测量时钟的操作频率；由频率监视逻辑至少基于(a)时钟的测得操作频率和(b)与电子器件相关联的测得温度来确定是否生成校正措施信号；以及响应于该确定，生成该校正措施信号以发起与电子器件或相关器件相关联的校正措施。
附图说明
下文结合以下附图描述了本公开的示例性方面和实施方案：
图1示出了根据本发明的示例性实施方案的示例性经温度补偿的时钟频率监视器；
图2示出了根据本发明的示例性实施方案的示例性经温度补偿的时钟频率监视器，该经温度补偿的时钟频率监视器包括存储在数据寄存器中的时钟频率极限值；
图3示出了根据本发明的示例性实施方案的用于经温度补偿的时钟频率监视的示例性方法；和
图4示出了根据本发明的示例性实施方案的包括微控制器的示例性电子器件，该微控制器具有用于识别和管理基于温度的时钟频率条件的经温度补偿的时钟频率监视系统。
具体实施方式
图1示出了根据本发明的示例性实施方案的用于监视时钟100的示例性经温度补偿的时钟频率监视系统110。监视系统100可使用时钟信号在任何合适的电子器件(诸如微控制器、处理器或功率调节器)内实现。监控系统100的元件可以由模拟电路、数字电路、存储在机器可读介质中以供由处理器执行的指令，或它们的任何合适组合来实现。
系统100可包括至少一个温度依赖性输入102，该至少一个温度依赖性输入被配置为生成或以其他方式输出随着与至少一个电子器件(例如，系统100的任何元件，或者在其中实现系统100的器件，例如作为微控制器、处理器或功率调节器，或者任何其他电子器件)相关联的温度而变化的温度依赖性数据。例如，(多个)温度依赖性输入102可包括温度传感器，该温度传感器被配置为检测电子器件本身的温度，或接近该电子器件的空气温度或环境温度。温度传感器可生成与该测得温度成比例或具有另一关系的模拟信号。系统100可包括A/D转换器104以将模拟输入数据102(例如，模拟温度传感器信号)转换为数字数据，例如数字温度值。在另一个实施方案中，温度传感器可以是被配置为输出数字温度值的数字传感器。在一些实施方案中，例如如下文参考图2所述，(多个)温度依赖性输入102可附加地或另选地包括电子器件(例如，微控制器、处理器、或功率调节器，或任何其他电子器件)的操作电压(例如，Add)，该操作电压随该电子器件的(或与该电子器件相关联的)温度变化。
系统100可包括频率极限逻辑或电路106(例如，体现在硬件和/或软件/固件中)，该频率极限逻辑或电路被配置为基于从A/D 104接收的温度相关的数字数据来计算、选择或以其他方式确定时钟110的温度依赖性时钟频率极限。如下所述，频率极限的值可以是可与测得的时钟频率进行比较的时钟频率的量化或表示。频率极限可表示测得的时钟频率的最小值或最大值，超过该频率极限可输出警告或可采取中断或其他校正措施。例如，频率极限可为在由来自(多个)输入102的温度依赖性数据(例如，温度传感器信号)所指示的温度下的最大允许时钟频率(或其表示)。如果测得的时钟频率超过该频率极限，则可输出警告或可触发中断或其他校正措施和通知，如下所述。
在图1所示的示例性实施方案中(以及图2所示的实施方案)，频率极限逻辑或电路106被配置为以计数极限值的形式输出频率极限度量，该频率极限度量指示指定计数窗口的最大或最小时钟脉冲计数(例如，基于参考时钟信号)。在其他实施方案中，频率极限逻辑或电路106可以频率值而不是计数极限值的形式输出频率极限度量。在任一种情况下，可将被指示为“B”的频率极限度量传送至数字比较器108，该数字比较器可包括用于将该频率极限度量与时钟信号的被指示为“A”的测得时钟频率度量进行比较的逻辑。如果A大于B，则可生成中断，如下所述。
来自时钟110的时钟信号的频率可以任何合适的方式测量。测量或表示时钟频率的方式可对应于表示频率极限的方式。例如，可将来自时钟110的时钟信号和参考时钟信号输入到控制逻辑112中。控制逻辑112可继而生成用于监视的时钟信号、使能信号和清除信号，并将这些信号输出至时钟脉冲计数器114。可将来自时钟110的输出时钟信号格式化以适当地形成可由时钟脉冲计数器114计数的脉冲。
时钟脉冲计数器114可使用来自控制逻辑112的信号来限定用于测量来自时钟110的时钟信号的频率的计数窗口。例如，时钟脉冲计数器114可在接收到来自控制逻辑112的使能信号时开始时钟脉冲的运行计数，并且在从控制逻辑112接收到清除信号时结束计数。控制逻辑112可基于参考时钟控制使能信号和清除信号的相应定时，从而提供标准化/恒定的计数窗口。在到达计数窗口的结尾时，时钟脉冲计数器114可将测得的时钟脉冲计数输出至数字比较器108，该数字比较器随后可将所确定的温度依赖性频率极限度量(例如，由计数极限值表示)与该测得的时钟脉冲计数进行比较，如下所述。(在一个另选的实施方案中，时钟脉冲计数器114可基于测得的时钟脉冲计数来计算时钟频率值，该时钟频率值可通过数字比较器108与频率极限值进行比较)。
如果数字比较器108确定测得的时钟脉冲计数超过温度依赖性计数极限值(或测得的时钟脉冲计数以其他方式超出界限)，则合适的软件或其他逻辑指令120可输出警告通知或采取其他校正措施。例如，指令120可生成可输出给用户的警告通知，从而指示高温或低温警告。又如，指令120可包括中断逻辑，该中断逻辑被配置为生成中断、警报信号、或其他相关通知。应用程序软件122可以处理该中断。可实现其他校正措施，诸如减慢时钟110、施加时钟分频器、或激活冷却机构。
在一些实施方案中，频率极限逻辑/电路106、比较器108和警告/校正措施指令120可基于温度违反的量值和/或持续时间提供多级分析和响应。例如，频率极限逻辑/电路106可应用与多个温度阈值相对应的多个不同的温度依赖性频率极限度量(例如，时钟脉冲计数极限)，比较器108可将测得的时钟脉冲计数与多个温度依赖性频率极限度量(例如，多个时钟脉冲计数极限)进行比较，并且警告/校正措施指令120可基于不同温度依赖性频率极限度量的违反而发起不同的响应。例如，警告/校正措施指令120可以(a)响应于比较器108确定测得的时钟脉冲计数超过第一时钟脉冲计数极限值，而输出警告通知；以及(b)响应于比较器108确定测得的时钟脉冲计数超过第二时钟脉冲计数极限值，或者响应于确定测得的时钟脉冲计数超过第一时钟脉冲计数极限值达限定的最短时间段，而发起校正措施(例如，软件中断)。
图2示出了根据本发明的示例性实施方案的用于监视时钟210的示例性经温度补偿的时钟频率监视系统200。监视系统200可表示图1所示的系统100的实施方案，其中用于确定温度依赖性时钟频率极限的频率极限逻辑或电路106包括针对多个不同温度的多个存储的频率极限值，其中可基于当前测得的温度来选择频率极限值中的一个适当的频率极限值，如下文更详细讨论的。监视系统200可使用时钟信号在任何合适的电子器件(诸如微控制器、处理器或功率调节器)内实现。监控系统200的元件可以由模拟电路、数字电路、存储在机器可读介质中以供由处理器执行的指令，或它们的任何合适组合来实现。
与系统100类似，系统200可包括至少一个温度依赖性输入，该至少一个温度依赖性输入被配置为生成或以其他方式输出随着与至少一个电子器件(例如，系统200的任何元件，或者在其中实现系统200的器件，例如作为微控制器、处理器或功率调节器，或者任何其他电子器件)相关联的温度而变化的温度依赖性数据。在该示例中，(多个)温度依赖性输入可包括温度传感器201，该温度传感器被配置为检测与电子器件202相关联的温度，例如电子器件本身的温度，或接近该电子器件的空气温度或环境温度。温度传感器201可生成与测量温度成比例或具有另一关系的模拟信号。系统202还可(或另选地)包括电子器件202或另一电子器件(例如，微控制器、处理器、或功率调节器，或任何其他电子器件)的操作电压(例如，Vdd)作为温度依赖性输入，该操作电压随相关电子器件的(或与该相关电子器件相关联的)温度而变化。
A/D转换器204可将模拟的温度依赖性输入数据(例如，模拟的温度传感器信号和/或模拟的Vdd信号)转换为数字数据，例如数字温度或温度相关值。
系统200可包括多个数据寄存器207，该多个数据寄存器存储对应于多个不同的预定义阈值温度度量的多个预定义时钟频率极限值，在该示例性实施方案中，三个数据寄存器207A-207C存储三个预定义时钟频率极限度量，该三个预定义时钟频率极限度量可以例如对应于三个预定义阈值温度，例如85℃、105℃和125℃。在一个实施方案中，所存储的时钟频率极限度量可随着温度阈值的増大而减小，因为最大允许时钟频率可随着器件温度的増大而降低。预定义时钟频率极限度量可以是频率值、脉冲计数极限值、或表示时钟频率极限的任何其他值。在例示的示例中，预定义时钟频率极限度量为(例如，基于参考时钟信号)指示指定计数窗口的最大或最小时钟脉冲计数的脉冲计数极限值。
此外，在一些实施方案中，存储在数据寄存器(例如，寄存器207A-207C)中的一个或多个预定义时钟频率极限度量可被实现为速度下限(或最小温度阈值)，使得系统可实现速度上限(或最大温度阈值)、速度下限(或最小温度阈值)，或它们的任何组合。
复用器206可以被配置为基于从A/D转换器204接收的测得温度值从数据寄存器207A-207C中选择时钟频率极限度量(例如，时钟脉冲计数极限值)中的一个。取决于具体实施方案，复用器206可被配置为将阈值温度值处理为关于测得温度的上限阈值或下限阈值。例如，在复用器206将阈值温度值处理为下限阈值的情况下，复用器206为低于第一温度阈值(例如，85℃)的测得温度选择快速度时钟频率极限值(来自寄存器207A)，为高于第一温度阈值但低于第二温度阈值(例如，大于或等于85℃但低于105℃)的测得温度选择中速度时钟频率极限值(来自寄存器207B)，并为高于第二温度阈值(例如，125℃)的测得温度选择慢速度时钟频率极限值(来自寄存器207C)。
复用器206可以将选择的频率极限度量(例如，时钟脉冲计数极限值)输出至数字比较器208，该数字比较器可以包括用于将该频率极限度量与时钟信号的测得时钟频率度量进行比较的逻辑，例如如上面关于系统100的数字比较器108所讨论的。
来自时钟210的时钟信号的频率可以任何合适的方式测量，例如以上面关于系统100讨论的任何方式测量。例如，可将来自时钟210的时钟信号和参考时钟信号输入至控制逻辑212，该控制逻辑可生成并输出用于监视的时钟信号、使能信号和清除信号，并且可将来自时钟210的时钟信号和参考时钟信号输入至时钟脉冲计数器214。时钟脉冲计数器214可使用来自控制逻辑212的信号来限定用于测量来自时钟210的时钟信号的频率的计数窗口，例如如上所述。在到达计数窗口的结尾时，时钟脉冲计数器214可将测得的时钟脉冲计数输出至数字比较器208，该数字比较器随后可将所选择的温度依赖性频率极限度量(例如，由计数极限值表示)与该测得的时钟脉冲计数进行比较，如下所述。
如果数字比较器208确定测得的时钟脉冲计数超过温度依赖性计数极限值(或测得的时钟脉冲计数以其他方式超出界限)，则警告/校正措施逻辑220可生成警告通知、中断、警报信号、或其他相关通知或措施。应用程序软件222可以处理该中断。可实现校正措施，诸如减慢时钟210、施加时钟分频器、或激活冷却机构。如上面关于图1所述，在一些实施方案中，速度极限选择逻辑205、比较器208和警告/校正措施逻辑220可基于温度违反的量值和/或持续时间提供多级分析和响应。例如，比较器208可将来自计数器214的测得的时钟脉冲计数与存储在寄存器207A-207C中的多个时钟脉冲计数极限值进行比较，并且警告/校正措施逻辑220可基于不同计数极限的违反来发起不同的响应。例如，警告/校正措施逻辑220可以(a)响应于比较器208确定测得的时钟脉冲计数超过快速度计数极限(来自寄存器207C)而输出警告通知，以及(b)响应于比较器208确定测得的时钟脉冲计数超过中速度计数极限(来自寄存器207B)而发起第一校正措施(例如，软件中断)，以及(c)响应于比较器208确定测得的时钟脉冲计数超过慢速度计数极限(来自寄存器207A)而发起更严苛的第二校正措施(例如，关闭电子器件)。
图3示出了根据本发明的示例性实施方案的用于数字时钟(例如，处理器或微控制器)的经温度补偿的时钟频率监视的示例性方法300。方法300可结合上面关于图1和图2所示的系统100和200所讨论的任何系统、部件和功能性。
在302处，温度传感器可生成与器件温度成比例的模拟信号，例如从而指示器件本身的温度或该器件所位于的环境的温度。在一些实施方案中，如上所述，也可检测或获得附加的温度依赖性数据，例如相关电子器件的操作电压Vdd。在304处，A/D转换器可将模拟的温度依赖性信号(例如，传感器信号和/或Vdd信号)转换为数字温度信号。在306处，频率极限逻辑或电路可基于由数字温度信号指示的温度来选择、计算或以其他方式确定温度依赖性时钟频率极限度量。时钟频率极限度量可体现为例如时钟脉冲计数极限值(针对指定的计数窗口)，或频率值。
在308处，时钟监视逻辑(例如，控制逻辑和脉冲计数逻辑)可例如使用使能信号、清除信号和参考时钟信号来实现时钟脉冲计数窗口，例如如上所述。在310处，脉冲计数逻辑可对限定的时钟脉冲计数窗口内的时钟脉冲(来自正被监视的时钟)的数量进行计数，并且输出测得的时钟脉冲计数。在312处，数字比较器或其他逻辑可将在310处确定的测得的时钟脉冲计数与在306处确定的时钟脉冲计数极限值进行比较，并且基于该输出，在314处生成中断信号或其他通知(例如，用于采取校正措施)。例如，如果测得的时钟脉冲计数超过时钟脉冲计数极限值(或在另一个实施方案中，如果测得的时钟脉冲计数低于时钟脉冲计数最小极限值)，则可生成中断信号。在314处，相关应用程序可处理中断信号或发起其他相关的校正措施，例如减慢时钟、施加时钟分频器、或激活冷却机构。
图4示出了根据本发明的示例性实施方案的示例性电子器件400，该示例性电子器件包括多个器件部件402和微控制器404，该微控制器具有用于识别和管理基于温度的时钟频率条件的经温度补偿的时钟频率监视系统。微控制器404可包括时钟410、至少一个应用程序412，和经温度补偿的时钟频率监视系统414，该微控制器可结合上面公开的任何概念。例如，时钟频率监视系统414可被配置为根据由至少一个温度传感器420测量的器件温度来确定时钟410的频率极限。该至少一个温度传感器420可设置在微控制器404中，或经布置以用于特定器件部件402A的直接温度测量，或经布置以用于测量例如器件400的外壳内的空气温度/环境温度，或以其他方式经布置以用于测量与微控制器404或电子器件400相关联的温度。时钟频率监视系统414可被配置为测量时钟410的时钟脉冲频率，将测得的时钟脉冲频率与确定的温度依赖性频率极限进行比较，并且如果该测得的时钟脉冲频率超过该频率极限，则基于检测到的频率违反而生成针对应用程序412的中断或用于发起校正措施的其他信令。
