СПОСОБ И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ПРОГРАММИРОВАНИЯ МИКРОКОНТРОЛЛЕРА
METHOD AND DEVICE TO PROGRAMME MICROCONTROLLER

Область техники, к которой относится изобретение
Настоящее изобретение, в общем, относится к устройству с сетевым питанием, в состав которого включено управляющее устройство, такое как микроконтроллер или т.п. В конкретном варианте осуществления настоящее изобретение относится к драйверу для управления источником света, например, светодиодной или газоразрядной лампой; далее настоящее изобретение специально описывается именно для случая такого драйвера, но следует отметить, что сущность изобретения можно применять во многих других ситуациях.
Предпосылки изобретения
На фиг.1 показан блок-схема электронного драйвера 1 для управления источником 2 света с питанием драйвера от сети. В частности, драйвер 1 имеет входные клеммы 3, 4 для подключения к сети и выходные клеммы 8, 9 для подключения лампы 2. Как известно специалистам в данной области техники возможны несколько вариантов реализации такого электронного драйвера. Поскольку такие драйверы общеизвестны, а точное конструктивное исполнение драйвера не имеет отношения к реализации настоящего изобретения, подробное описание конструктивного исполнения драйвера здесь опущено. Тем не менее, существенно то, что драйвер 1 включает в себя устройство 10 управления, управляющее работой драйвера, и что такой контроллер выполнен с возможностью его программирования (т.е. возможно изменение программного обеспечения и/или параметров, хранящихся в запоминающем устройстве). Устройство управления может быть реализовано, например, в виде центрального процессора, микропроцессора, микроконтроллера и т.д., и далее именуется контроллером.
Для правильного функционирования драйвера 1, контроллер 10 должен быть сконфигурирован и настроен, что обычно делается на испытательном стенде производителя. Процесс конфигурирования и настройки может производить как персонал, так и настраивающее устройство, которое само может быть реализовано в виде программного приложения, запускаемого на компьютере (ПК, ноутбук). В любом случае, процесс требует передачи данных на контроллер и обратно от контроллера.
До тех пор, пока контроллер 10 не встроен в драйвер, осуществлять связь с контроллером относительно легко. Однако, как только контроллер 10 встроен, осуществлять связь с контроллером становится гораздо труднее. Для обеспечения доступа к контроллеру извне необходимо обеспечить физический контакт с контроллером с помощью специальных штекеров и/или снабдить драйвер 1 отдельным разъемом. Однако эти решения являются относительно дорогостоящими.
Сущность изобретения
Задачей настоящего изобретения является обеспечение решения вышеуказанных проблем.
Учитывая, что потребность в канале связи с контроллером, в основном, существует только на стадии производства драйвера, конкретная задача настоящего изобретения заключается в создании простого и дешевого способа осуществления связи с контроллером, с внесением минимально возможных изменений в драйвер.
В одном аспекте, настоящим изобретением обеспечивается управляемый источник питания, способный создавать переменное напряжение, частотой которого можно управлять. Следует отметить, что в WO-98/21803 описывается система, в которой частота тока питающей сети является управляемой с целью управления системами энергопотребления в общенациональном масштабе. Такая система, очевидно, не подходит для конфигурирования одного индивидуального электронного драйвера. Имеются лишь незначительные изменения частоты, а длительность сигналов является достаточно большой, порядка нескольких секунд на бит. Дополнительно отмечено, что все документы WO 2009/040718 A2, US 2005/231128 A1 и US 2003/030386 A1 описывают управляемые источники питания, способные создавать переменное напряжение, частоту которого можно модулировать для передачи данных. Модулированное переменное напряжение используется для питания источника электромагнитного излучения, такого как лампа, так что данные, содержащиеся в модуляции, передаются посредством электромагнитного излучения, сгенерированного источником.
Во втором аспекте, настоящим изобретением обеспечивается тестирующее оборудование, снабженное таким управляемым источником питания; драйвер в таком оборудовании можно снабдить управляемым источником питания от сети, то есть источником переменного напряжения, частота которого модулируется. Для специалиста в данной области должно быть ясно, что частотная модуляция обеспечивает возможность передачи данных.
В третьем аспекте, настоящим изобретением обеспечивается драйвер, способный производить демодуляцию частотно-модулированного напряжения сети электропитания.
В четвертом аспекте, настоящим изобретением обеспечивается способ загрузки информации от источника напряжения в устройство, получающее энергию от этого источника напряжения.
Дополнительно, является предпочтительным, что контроллер может осуществлять связь в обратном направлении с устройством программирования без потребности в специальных линиях связи. Поэтому, в пятом аспекте, настоящим изобретением обеспечивается электронный драйвер, содержащий контроллер, выполненный с возможностью модуляции тока, потребляемого от источника напряжения.
В шестом аспекте, настоящим изобретением обеспечивается тестирующее оборудование, содержащее датчик тока для детектирования модулированного тока.
В седьмом аспекте, настоящим изобретением обеспечивается способ загрузки информации в источник напряжения от устройства, получающего энергию от этого источника напряжения.
В восьмом аспекте, настоящим изобретением обеспечивается способ двусторонней связи по линии питания.
Дополнительные предпочтительные разработки упоминаются в зависимых пунктах формулы изобретения.
Краткое описание чертежей
Эти и другие аспекты, признаки и преимущества настоящего изобретения объяснены ниже с помощью следующего описания одного или более предпочтительных вариантов со ссылкой на чертежи, на которых одинаковыми позициями обозначены одинаковые или аналогичные части и на которых показано следующее:
фиг.1 - блок-схема электронного драйвера, питающегося от электросети;
фиг.2 - схематическая иллюстрация устройства программирования для электронного драйвера;
фиг.3 - график выходного напряжения устройства программирования как функция от времени;
фиг.4 - блок-схема электронного драйвера согласно настоящему изобретению;
фиг.5 - график тока, потребляемого от источника напряжения, как функция от времени.
Подробное описание изобретения
На фиг.2 схематически показано устройство 100 программирования для электронного драйвера, содержащее устройство 20 программного управления и источник 30 напряжения, пригодный для обеспечения напряжения Vs питания для драйвера электронной лампы и рассматриваемый в качестве замены обычному сетевому питанию. Так, например, источник напряжения выполнен с возможностью создания переменного напряжения амплитудой около 330 В на своих выходных клеммах 38, 39, подключенных к выходным клеммам 108 устройства 100 программирования. Во входном каскаде драйвера лампы (или другом устройстве, получающем такое напряжение) входное напряжение сначала выпрямляется, например, при помощи диодного моста, поскольку, как это должно быть понятно специалисту в данной области техники, правильное функционирование драйвера лампы (или другого устройства) в большей или меньшей степени зависит от частоты входного переменного напряжения. Для обычных источников питания, в частности, для нормального сетевого электропитания, эта частота питания является практически постоянной (то есть, 50 Гц в Европе). Отдельным аспектом настоящего изобретения является то, что частота питающего напряжения модулируется для передачи данных драйверу лампы (или другому устройству). Для этого источник 30 напряжения имеет вход 31 управления, а устройство 20 программного управления имеет выход 21 управления, соединенный с данным входом 31 управления; источник 30 напряжения выполнен с возможностью установления своей выходной частоты в соответствии с управляющим сигналом, принятым на входе управления 31.
Частотная модуляция может быть исполнена многими способами, как должно быть известно специалистам в данной области техники, и в принципе все схемы модуляции могут быть применены при реализации настоящего изобретения. Тем не менее, настоящее изобретение предлагает также очень простую схему модуляции, которая описана ниже и показана на фиг.3. В этой схеме источник 30 напряжения может работать в трех рабочих состояниях, отличающихся друг от друга выходными частотами. Первое состояние будет показано как нормальное состояние, в котором данные не передаются: в этом состоянии напряжение на выходе имеет первую частоту, например, 50 Гц. Второе состояние будет показано как первое состояние данных, в котором передается один бит данных, имеющий первое значение (например, "1"): в этом состоянии выходное напряжение имеет вторую частоту, например 125 Гц, легко отличимую от первой частоты. Третье состояние будет показано как второе состояние данных, в котором передается один бит данных, имеющий второе значение (например, "0"): в этом состоянии, выходное напряжение имеет третью частоту, например, 250 Гц, легко отличимую от первой и второй частот.
С целью осуществления связи можно определить последовательные временные фреймы одинаковой длины и установить выходную частоту для каждого временного фрейма. Однако, это потребует согласование по времени и синхронизацию. В простом варианте осуществления длина блока данных определяется как период времени, начинающийся и заканчивающийся переходом через нуль, по возможности, с заранее определенным количеством переходов через нуль внутри данного интервала. Таким образом, блок данных может иметь длительность, соответствующую фазе 360° сигнала напряжения, но в предпочтительном на текущий момент варианте осуществления блок данных соответствует фазе 180° сигнала напряжения; это не только обеспечивает большую скорость передачи данных, но дает также преимущество, заключающееся в простоте декодирования.
На фиг.3 представлен график выходного напряжения Vs как функция от времени для типичной ситуации. Сначала устройство 20 программного управления не посылает никаких данных; его управляющий сигнал Vc для источника 30 напряжения имеет первое значение, что заставляет источник 30 напряжения работать в первом состоянии, указывающем, что выходное напряжение Vs имеет первую частоту, например, равную 50 Гц. Предположим, что на момент t0 устройство 20 программного управления собирается передать данные. Оно генерирует свой управляющий сигнал Vc для источника 30 напряжения со вторым значением, указывающим на бит данных "1", и в ответ на это источник 30 напряжения, начиная с момента времени t1, соответствующего следующему переходу через нуль, делает переход ко второму состоянию, в котором он генерирует выходное напряжение Vs на второй частоте, в данном случае, 125 Гц. Источник 30 напряжения остается в этом втором состоянии до следующего перехода через нуль в момент времени t2, так что выходное напряжение Vs соответствует полупериоду или фазе 180° на второй частоте. Это означает, что в данном примере интервал между двумя переходами через нуль в моменты времени t1 и t2 равен 4 мс. По истечении времени t2 источник 30 напряжения готов подчиниться следующей команде устройства 20 программного управления.
Предположим, что данные, которые должны быть переданы, содержат второй бит "0", что указывается третьим значением управляющего сигнала Vc. В ответ источник 30 напряжения, начиная с момента времени t2 перехода через нуль, делает переход к своему третьему состоянию, в котором он генерирует выходное напряжение Vs на третьей частоте, например 250 Гц. Источник 30 напряжения остается в этом втором состоянии до следующего перехода через нуль, так что выходное напряжение Vs показывает половину периода или фазу 180° на третьей частоте. Это означает, что в этом примере интервал между двумя переходами через нуль равен 2 мс.
Описанная выше процедура продолжается для всех битов данных. Рисунок показывает, что устройство 20 программного управления готово в момент времени t3, так что источник 30 напряжения продолжает работать в своем первом состоянии, с временными интервалами между переходами через нуль, равными 10 мс. Должно быть ясно, что длина одного бита данных может также соответствовать n·180°, где n - любое действительное число.
Также должно быть ясно, что используемые частоты не обязательно должны быть очень точными. Например, в приведенном выше примере, частоты в диапазоне от 100 Гц или ниже, соответствующие временным интервалам 5 мс или больше, могут указывать на отсутствие данных; частоты в диапазоне от 100 Гц до 200 Гц, соответствующие временным интервалам между от 5 мс до 2,5 мс, могут указывать на данные "1", а частоты в диапазоне от 200 Гц и выше, соответствующие временным интервалам 2,5 мс или меньше, могут указывать на данные "0".
Дополнительно для увеличения скорости передачи данных можно использовать более двух различающихся частот данных. Например, использование набора из четырех возможных частот данных позволяет передавать одновременно два бита данных.
На фиг.4 показан блок-схема, сопоставимый с фиг.1, электронного драйвера 200 согласно настоящему изобретению, иллюстрирующий драйвер 200, получающий напряжение питания Vs, которое подается источником 30 напряжения устройства 100 программирования. Драйвер 200 содержит выпрямитель 210, например диодный мост, входные клеммы 211, 212 которого подключены к входным клеммам 3, 4 драйвера для получения переменного напряжения Vs от источника питания, а выходные клеммы 218, 219 соединены с линиями 205, 206 электропитания драйвера 200. Контроллер 10, в котором клеммы 15, 16 подключены к этим линиям 205, 206 электропитания, получает выпрямленное напряжение питания, например, после сглаживающего фильтра (не показан), предназначенного для удаления частотных составляющих.
Предполагается, что контроллер 10 имеет аналоговый вход 11 данных, что характерно для большинства контроллеров. Измерительный сигнал, представляющий выпрямленное напряжение питания, подается на этот аналоговый вход 11 данных. Этот измерительный сигнал создается резистивным делителем напряжения, составленным из двух последовательно соединенных резисторов 221, 222, подсоединенных между линиями 205, 206 электропитания. Контроллер 10 сконфигурирован, посредством программирования с помощью соответствующего программного обеспечения, производить выборку сигнала на своем входе 11 с подходящей высокой частотой дискретизации и обрабатывать эту информацию с целью выделения данных, переносимых посредством напряжения питания, например, путем изначального выделения временных интервалов между переходами через нуль. Другими словами, контроллер 10 предназначен для демодуляции частотно-модулированного напряжения питания. Дополнительно, контроллер 10 предназначен для обработки таким образом принятых данных с целью регулирования его настроек и/или конфигурации, что должно быть понятно специалисту в данной области техники.
В качестве альтернативы, например, в случае если контроллер не имеет аналогового входа данных, возможно, чтобы драйвер 200 содержал дополнительный модуль обработки данных для получения выпрямленного тока сети электропитания на аналоговом входе, выделения битов данных и передачи битов данных на цифровой вход контроллера. Но этот вариант требует дополнительного аппаратного компонента и, следовательно, является более дорогостоящим, в то время как предпочтительный вариант осуществления, обсуждавшийся выше, имеет то преимущество, что может быть просто реализован в программном обеспечении контроллера.
В одном из возможных вариантов осуществления настоящего изобретения программирование контроллера 10 является открытым, т.е. без обратной связи в качестве подтверждения. В предпочтительном варианте осуществления контроллер 10 способен осуществлять связь в обратном направлении с устройством 100 программирования, также используя линии электропитания. При осуществлении связи может задействоваться простое подтверждение, но может также задействоваться отчет о состоянии или список текущих настроек. В любом случае, электронный драйвер 200 должен иметь средства связи.
Возможно, конечно, снабдить электронный драйвер 200 устройством для наложения некоторого высокочастотного сигнала связи на напряжение питания Vs, который может быть принят и обработан устройством 100 программирования. Однако это является сложным и дорогостоящим. Чтобы избежать этого, настоящее изобретение предлагает решение, достоинство которого в том, что оно может быть реализовано в рамках программного обеспечения контроллера 10. В этом варианте реализации выходы 8, 9 электронного драйвера 200 подключаются к подходящей нагрузке, например, лампе 2, так что электронный драйвер 200 создает выходной ток и, следовательно, потребляет входной ток от устройства программирования, а далее контроллер 10 предназначается для модуляции этого входного тока. Чтобы иметь возможность детектировать эту модуляцию входного тока драйвера, устройство 100 программирования можно оснастить датчиком 40 тока для измерения выходного сигнала тока, создаваемого на выходах 108, 109 устройства программирования, и передачи измерительного сигнала на вход 24 измерения тока из состава устройства 20 программного управления. Специалисту в данной области техники должно быть ясно, что устройство 20 программного управления может быть выполнено (запрограммировано) с возможностью обработки измерительного сигнала от датчика 40 тока с целью извлечения данных, передаваемых контроллером 10.
Поскольку рассматривается модуляция тока, отмечается, что контроллер 10 имеет выход 19, который создает управляющий сигнал Sc, определяющий мгновенную величину тока, подаваемую на нагрузку 2. Обычно электронный драйвер 200 содержит устройство 230 коррекции коэффициента мощности, принимающее этот управляющий сигнал, и берущее на себя все дальнейшее управление током. Поскольку такие устройства коррекции коэффициента мощности хорошо известны, дополнительных объяснений здесь не требуется. Для последующего обсуждения предполагается, что управляющий сигнал Sc обычно является сигналом постоянной величины, указывающим постоянный средний уровень тока.
Предпочтительно, модуляция тока является амплитудной модуляцией. Специалисту в данной области техники должно быть известно, что амплитудная модуляция может быть выполнена различными путями, и, в принципе, все схемы модуляции могут быть применены при реализации настоящего изобретения. Тем не менее, настоящее изобретение также предлагает очень простую схему модуляции, описанную ниже со ссылкой на фиг.5. В этой схеме модуляция включает в себя подавление тока на достаточно высокой частоте подавления, например, на 500 Гц. Это может также рассматриваться как умножение на 500 Гц прямоугольную волну. Каждый бит информации соответствует одному полупериоду напряжения питания, то есть периоду между двумя последовательными переходами через нуль. В расчете на бит, сигнал высокочастотного подавления либо присутствует, либо нет, что соответствует двум разным значениям для одного бита данных, которые легко распознаваемы.
На фиг.5 приведен график тока, потребляемого от источника 30 напряжения, как функция от времени, при этом график представляет собой наглядный пример, в котором предполагается, что устройство 100 программирования не передает данные электронному драйверу 200, так что ток имеет номинальную частоту 50 Гц. Переходы функции тока через нуль обозначены как t0, t1, t2, t3 и т.д. Временные интервалы между последовательными переходами через нуль обозначены как временные фреймы. Во временные фреймы между t0 и t3 контроллер 10 не посылает данных устройству 100 программирования, поэтому формируется невозмущенная волна тока. Во временной фрейм между t3 и t4 контроллер 10 передает один бит информации ("0") путем генерации импульсов тока: этот бит интерпретируется как стартовый бит, начинающий последовательность из заранее заданного количества битов. Во временной фрейм между t4 и t5 контроллер 10 не генерирует импульсы тока, передавая таким образом один бит данных ("1"), в то время как во временной фрейм между t5 и t6 контроллер 10 передает один бит данных ("0") путем генерации импульсов тока.
Подводя итоги, настоящим изобретением обеспечивается устройство 100 программирования для программирования контроллера 10 в электронном драйвере 200, содержащее управляемый источник 30 напряжения, пригодный для генерирования переменного напряжения и питания электронного драйвера 200 при отключенной электросети и программируемый контроллер 20 для управления источником 30 напряжения. Устройство 100 программирования предназначено для модулирования частоты питания с целями как обеспечения питанием электронного драйвера 200, так и передачи данных программирования в электронный драйвер 200.
Хотя изобретение проиллюстрировано и подробно описано выше, для специалиста в данной области техники должно быть ясно, что такие иллюстрации и описание должны рассматриваться как иллюстративные и типичные, а не как носящие ограничительный характер. Изобретение не ограничивается рассмотренными вариантами осуществления, напротив, возможны несколько вариаций и модификаций в пределах объема изобретения, определяемого приложенной формулой изобретения.
Другие изменения в рассмотренных вариантах осуществления могут быть понятны и осуществлены специалистами в данной области техники при реализации изобретения, по изучению чертежей, описания и приложенной формулы изобретения. В формуле изобретения слово "содержащий" не исключает и других элементов или этапов, а упоминание в единственном числе не исключает множественности. Единичный процессор или другое устройство может выполнять функции нескольких элементов, указанных в формуле изобретения. Тот факт, что определенные характеристики повторяются в различных зависимых пунктах, не означает, что сочетание этих характеристик не может быть использовано как преимущество. Никакие ссылочные обозначения в формуле изобретения не должны истолковываться как ограничивающие объем.
В приведенном выше описании настоящее изобретение было объяснено со ссылкой на блок-схемы, которые иллюстрируют функциональные блоки устройства согласно настоящему изобретению. Понятно, что один или более из этих функциональных блоков могут быть реализованы на аппаратном уровне, в таком случае функция таких функциональных блоков реализуется отдельными компонентами аппаратного обеспечения, но возможно также, что один или более из этих функциональных блоков могут реализовываться в виде программного обеспечения, так что функция такого функционального блока осуществляется одной или несколькими строками компьютерной программы или программируемого устройства, такого как микропроцессор, микроконтроллер, цифровой сигнальный процессор и т.д.