JP6155436B1 - 高精度周波数同期が可能な間欠処理型、間欠信号生成装置 - Google Patents
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Abstract
Description
さらに、これらの検針装置等では、上位システムとの通信のため、無線又は有線による通信機能を搭載していることが多い。
実際問題、特許文献1および特許文献2にも、上位システムとの通信のため、無線送受信部が記載されている。これらの無線送受信部においては、一般的に無線通信用に高精度の発振回路が必要であり、例えば、無線送信部、無線受信部、制御部等において、水晶発振回路部を搭載していることが多い。
即ち、従来例では、1台の装置に複数の高価な水晶発振回路部を搭載しているのが一般的であり、装置のコストアップ要因となっていた。
間欠時間と待機時間とからなる間欠信号を、前記間欠時間は前記第1クロック周波数を固定分周比で生成し、前記待機時間は前記第1クロック周波数を可変分周比で生成する間欠信号生成回路部と、
前記第1クロック周波数よりも高速高精度の第2クロック周波数を生成可能な第2クロック発振回路部と
前記間欠時間の時間長を前記第2クロック周波数で計測可能な間欠時間長計測回路部と、前記間欠時間長計測回路部での計測結果を、前記間欠信号生成回路に供給することで前記間欠信号を生成する間欠信号生成装置において、
前記計測結果を時間積分および高精度分周比情報に変換、可能な分周比変換回路部と
前記高精度分周比情報を前記高精度分周比情報よりも低精度の分周比情報で時間軸展開可能な分周比情報展開回路部を備えることで、高精度の動的周波数制御が可能なことを特徴とする間欠信号生成装置。
前記量子化部で量子化した結果と、前記量子化部の量子化前入力信号との誤差を求める量子化誤差抽出部と、
前記量子化誤差抽出部で得られた誤差情報を前記高精度分周比情報にフィードバック加算し、新たな前記量子化前入力信号を生成する量子化情報フィードバック部を備えることで、
前記高精度分周比情報を前記高精度分周比情報よりも低精度の分周比情報で時間軸展開可能とすることを特徴とする、前記間欠信号生成装置。
前記時間長変換回路部で得た前記推定時間長情報と前記間欠時間の前記計測結果との誤差を求め、前記誤差がゼロとなるように前記高精度分周比情報にフィードバック制御する、分周比情報生成回路部を備えたことを特徴とする前記間欠信号生成装置。
前記変動周波数推定回路部から出力された変動情報を前記高精度分周情報に加算し、新たな高精度分周情報を得ることで、前記変動要因に対する動的追従力を改善したことを特徴とする、前記間欠信号生成装置。
図1は、実施の形態のシステム構成図を示す図である。
図1の間欠信号生成装置1000(例えば、本発明では検針装置等)は、電池部1100、電源制御部1200、CPU(中央処理装置:Central Processing Unit)部1300、無線送受信部1400、DTE−IF(データ端末装置インタフェース:Data Terminal Equipment−InterFace)部1600、変動要因1500、から構成されている。
検針装置等での発振周波数精度に対する要求仕様であるが、これには、無線送受信部での無線通信に対する要求仕様と、装置の実運用面での間欠時間制御ならびに稼働時間監視に伴う要求仕様と、大きく2種類の要求仕様がある。
□電波の周波数 :400MHz帯、1,200MHz帯
□チャネル間隔 :12.5kHz(キロヘルツ)
□占有周波数帯幅 :8.5kHz以下
□局部発振器の周波数変動:±4.0ppm以下(ピーピーエム)
□データ通信速度 :2400bps(bit per second)又は3200bps
検針装置等の実現にあたっては、専用のフルカスタムLSI(大規模集積回路:Large Scale Integration)の開発によるアプローチと、汎用の1チップCPUを適用するアプローチと2種類が考えられるが、ここでは、安価な汎用の1チップCPUを使用しての実現案を検討することとする。
□動作クロック :以下、3種類を選択使用可
高速高精度クロック :最大8MHz以下 (CPUに外部クロックを供給)
低速高精度クロック :32.768kHz(CPUに水晶振動子を外付け)
低速低精度クロック :約10kHz (CPU内部クロックを使用)
□間欠処理時消費電流 :約270μA(マイクロアンペア)/MHz
□待機時消費電流 :約1.2μA
検針装置等の主要デバイスである、CPUデバイスが決定した場合、次に重要となるのは、具体的にどのクロックをどのように使用するかである。CPUクロックの選択肢には以下3種ある。
図4は、第1クロック周波数を生成可能な第1クロック発振回路部1310と、
間欠時間と待機時間とからなる間欠信号を、前記間欠時間は前記第1クロック周波数を固定分周比で生成し、前記待機時間は前記第1クロック周波数を可変分周比で生成する間欠信号生成回路部1320と、
前記第1クロック周波数よりも高速高精度の第2クロック周波数を生成可能な第2クロック発振回路部1410と
前記間欠時間の時間長を前記第2クロック周波数で計測可能な間欠時間長計測回路部1330と、前記間欠時間長計測回路部での計測結果を、前記間欠信号生成回路に供給することで前記間欠信号を生成する間欠信号生成装置において、
前記計測結果を時間積分および高精度分周比情報に変換、可能な分周比変換回路部1340と
前記高精度分周比情報を前記高精度分周比情報よりも低精度の分周比情報で時間軸展開可能な分周比情報展開回路部1380を備えることで、高精度の動的周波数制御が可能なことを特徴とする間欠信号生成装置となっている。以降に、個々の発明のポイントを順次説明する。
(本発明の特徴1:間欠時間は固定分周、待機時間は可変分周)
本発明の第1の特徴は、間欠時間を固定分周で信号生成し、待機時間は可変分周で信号生成することである。
図5の間欠信号生成回路部1320は、間欠時間分周部1321、間欠信号生成部1322、待機時間分周部1323、からなる。
一方、可変の分周比でカウントし出力する場合であるが、周波数が6kHz〜14kHzとバラツクため、同様に分周比を計算すると、分周比k0は、28〜68分周の範囲となる。
この分周差は40カウントである。もし、この40カウントの分解能で±400kppmの周波数を分周制御するとすれば、量子化単位は、±400kppm/40分周=±10kppmの偏差となり、所望の±100ppm以下を満足させることは不可能である。
本発明の第2の特徴は、分周比情報展開回路部1380を設けたことである。
間欠信号タイムチャート2000の信号生成のためには、待機時間を高精度で分周比制御することが必要である。一方、間欠信号生成回路部1320には、第1クロック発振回路部1310より、±400kppmの偏差を伴った周波数(6kHz〜14kHz)が入力される。これを高精度の2秒クロックとする時の分周比を求めると以下に示すようになる。尚、間欠信号2100は、48カウントの固定カウント数となっている。
図6の分周比情報展開回路部1380は、量子化部1390、量子化誤差抽出部1395、量子化フィードバック部1385、から構成されている。
分周比情報展開回路部1380は、高精度分周比情報p(図6)をより低精度の情報に量子化する量子化部1390と、
量子化部1390で量子化した結果と、量子化部1390の量子化前入力信号t(図6)との誤差を求める量子化誤差抽出部1395と、
量子化誤差抽出部1395で得られた誤差情報v(図6)を高精度分周比情報p(図6)にフィードバック加算し、新たな量子化前入力信号t(図6)を生成する量子化情報フィードバック部1385を備えることで、
高精度分周比情報p(図6)を高精度分周比情報p(図6)よりも低精度の分周比情報m(図6)で時間軸展開可能とすることを特徴としている。
本発明では、分周比変換回路部を設けていることを第3の特徴としている。
図4に戻り、動作を以下に説明する。
図7は、実施の形態3の時間長変換回路部を説明するための図である。
分周比変換回路部1340は、分周情報生成回路部1350と時間長変換回路部1360より構成される。
時間長変換回路部1360で得た推定時間長情報r(図7)と間欠時間の計測結果n(図7)との誤差を求め、誤差がゼロとなるように高精度分周比情報p(図7)にフィードバック制御する、分周比情報生成回路部1350を備えたことを特徴とする。
本発明では、変動要因推定回路部を設けていることを第5の特徴としている。
図8は、実施の形態4の変動周波数推定回路部を説明するための図である。
図8は、変動周波数推定回路部1370が追加となっている。
分周比変換回路部1340は、第1クロック周波数k(図8)の変動要因である温度及び又は電圧及び又は素子のバラツキ(1500)のいずれか又は全ての情報により、時間変動する第1クロック周波数k(図8)を推定可能な変動周波数推定回路部1370を備え、
変動周波数推定回路部1370から出力された変動情報s(図7)を高精度分周情報p(図8)に加算し、新たな高精度分周情報p(図8)を得ることで、変動要因に対する動的追従力を改善したことを特徴とする。
本発明では、このような状況に対応するため、変動周波数推定回路部1370を設けている。
本発明の実施の形態1,2,3,4のさらなる詳細について、個々のブロック単位で以下に詳細に補足説明する。
図9内の同一番号は、同一ブロック内容を示しているため、説明は割愛する。
電池部1100は、例えば、市販の汎用のリチウムイオン電池であり、3.0Vの電圧で2400mAhの電池容量を持った電池を1個または2個、検針装置等の要求仕様に従い搭載している。
図4の第1クロック発振回路部1310は、抵抗やコンデンサ等で構成された所謂アナログ型の発振回路であり、高価な水晶発振子をCPU外部に搭載を必要とすることなく、低速の周波数を発振可能である。このため、低コストでシステムを構築できる。ただし、発振回路自体がアナログ素子のため、温度や電圧や素子のバラツキ等(図9の1500)に敏感であり、高精度の周波数が要求されるシステムでの適用は一般的には不可能である。例えば、水晶発振回路であれば一般的に±数ppm〜±数10ppm程度の精度が得られるが、この発振回路部ではアナログのため、±400kppmなどの低精度となる。
間欠時間分周部1321は、図2の間欠信号2100を生成する。
間欠時間分周部1321は、間欠信号e(図5)のオフからオンへの立ち上がりで、間欠時間2110をカウント開始する。ここでは、固定のカウント時間がk0(図5)で与えられており、本発明では例えば48カウントである。第1クロック周波数k(図5)の周波数が約10kHzの場合には、48カウントで約4.8msとなり、4.8ms時点で間欠時間分周部1321は、カウントアップ信号k1(図5)を間欠信号生成部1322に通知する。この後は、再度のトリガがかかるまで、間欠時間分周部1321はカウントを休止する。
待機時間分周部1323は、間欠信号e(図5)のオンからオフへの立ち下がりで、待機時間2210(図2)をカウント開始する。ここでは、可変の分周比m(図4)が分周比情報展開回路部1380より与えられており、本発明では例えば(12,000−50=11,950)〜(28,000−50=27,950)カウントの動的信号である。第1クロック周波数k(図4)の周波数が約10kHzの場合には、(20,000−50=19,950)カウントで約2秒となり、約2秒時点で待機時間分周部1323は、カウントアップ信号k2(図5)を間欠信号生成部1322に通知する。この後は、再度のトリガがかかるまで、待機時間分周部1323はカウントを休止する。
図10は、実施の形態2の分周比情報展開回路部1380の詳細を説明したものである。
加算器1396は、量子化前入力情報t(図10)から、逆量子化情報u(図10)を差し引き、誤差情報v(図10)を得、量子化情報フィードバック部1385にフィードバック情報を供給する。
図4の間欠時間長計測回路部1330は、カウントイネイブル端子を搭載したカウンタ回路である。間欠時間長計測回路部1330には、第2クロック発振回路部1410より、例えば、約3,993.6kHz±4ppmの第2クロック周波数f(図4)が基準クロック信号として供給される。また、間欠信号e(図4)は、間欠時間長計測回路部1330のカウントイネイブル端子に接続され、間欠時間2110のみ、時間長をカウントし、計測結果n(図4)を分周比変換回路部1340へ出力する。
図11は、実施の形態3の分周比変換回路部1340の詳細を説明したものである。
図11は、分周情報生成回路部1350と時間長変換回路部1360とから構成される。
時間長変換回路部1360は、乗算器1361、加算器1362、加算器1363、判(判定回路)1364、加算器1365、LM(リミッタ)1366、遅延素子1367、乗算器1368、から構成されている。
信号p(図11)は、本来、24,000〜56,000であるが、中間の40,000を差し引いて、40,000±16,000の値とし、実際には、この差分情報±16,000を信号p(図11)として入力する。このことで、CPU内部の信号処理をできるだけ、16ビットの範囲で扱えるようにしている。
即ち、系の関係上、扱うパラメータが周波数に比例した情報と周波数に反比例した情報と2種類の情報が存在しており、どこかで変換が必要である。この変換をどこで、どのようにして行うかが、本発明の特徴とも言える。
時間長変換回路部1360の基本的な考え方は、高精度分周比情報p(図11)、と、計測結果n(図11)の関係にある。ここでのpは前述したオフセット値を含む値、即ち、40,000±16,000と仮定する。高精度分周比情報p(図11)は、周波数k(図7)に対して、p/k=2000msとなるように制御する。p=k*2000msとなる。一方、計測結果n(図11)は、n=48/k*3993.6kHzの関係にある。従って、このpとnを乗算した結果をp2とすれば、p2=p*n=k*2000ms*48/k*3993.6kHz=2000*48*3993.6=固定値=基準値p3(図11)となり、周波数のパラメータが消える。従って、高精度分周比情報p(図11)と計測結果n(図11)=推定時間長情報r(図11:収束時)を乗算すれば、高精度分周比情報p(図11)を推定時間長情報r(図11)に変換可能である。
図12は、実施の形態4の変動周波数推定回路部1370の詳細を説明したものである。
各種変動要因は、変動要因一覧4000によれば、温度4300、電圧4400、素子4500となっている。
また、個々の周波数値および偏差(max.:最大値、typ.:通常値、min.:最小値)は変動要因一覧4000に示す通りの値となっている。
これらの値は、例えば、一例であるが、温度が支配的な劣化要因となっている。
また、詳細データは割愛されているが、各種変動要因に対する変動結果は、比例関係となっており、温度と電圧と値および素子の個体差バラツキが把握できれば、実際の周波数をかなりの高精度で推測可能な状況となっている。これは、動的追従力を確保する上で重要なポイントである。
温度センサ1371は、CPU部1300内部の温度または周辺の温度を測定し、結果を加算器1372に供給する。
また、本発明は、前述した各実施の形態のうちの、任意の2以上の構成(特徴)を組み合わせたものであってもよい。
総務省の電波の利用状況調査(平成21年度〜平成26年度)によれば、これらの出荷台数は毎年130万台前後で推移している。また、ドローン制御、農薬散布、無人重機、救助用ロボット、山岳遭難事故対策用登山者や、鳥獣被害対策用狩猟者の位置把握、更に、社会インフラのスマート化など、新たな利用用途の拡大の検討も進んでおり、本発明はこれらの産業分野等にも利用が可能である。
また、一般的な同期装置で、間欠処理型で高精度周波数同期が必要な用途に幅広く利用が可能である。
1000:間欠信号生成装置
1100:電池部
1200:電源制御部
1300:CPU部
1400:無線送受信部
1500:温度、電圧、素子
1600:DTE−IF部
1410:第2クロック発振回路部
(図2関係)
2000:間欠信号タイムチャート
2100:間欠信号
2200:待機信号
2110:約4.8ms
2210:待機時間
2310:約2秒(間欠制御周期)
2120:カウントx
2220:カウントy
2130:間欠処理時間
2230:待機時間
2330:約2秒(間欠制御周期)
(図3関係)
3000:選択肢、比較表
3100:項
3200:区分
3300:選択肢
3400:評価項目
3500:総合判断
(図4関係)
1310:第1クロック発振回路部
1320:間欠信号生成回路部
1330:間欠時間長計測回路部
1340:分周比変換回路部
1380:分周比情報展開回路部
(図5関係)
1321:間欠時間分周部
1322:間欠信号生成部
1323:待機時間分周部
(図6関係)
1385:量子化情報フィードバック部
1390:量子化部
1395:量子化誤差抽出部
(図7関係)
1350:分周情報生成回路部
1360:時間長変換回路部
(図8関係)
1370:変動周波数推定回路部
(図10関係)
1386:加算器
1387:LM(リミッタ)
1388:遅延素子
1391:1ビット右シフト量子化部
1392:加算器
1393:逆量子化部
1396:加算器
(図11関係)
1351:加算器
1352:LM(リミッタ)
1353:加算器
1354:判(判定回路)
1355:加算器
1355:LM(リミッタ)
1357:遅延素子
1361:乗算器
1362:加算器
1363:加算器
1364:判(判定回路)
1365:加算器
1366:LM(リミッタ)
1367:遅延素子
1368:乗算器
(図12関係)
1371:温度センサ
1372:加算器
1373:乗算器
1374:電圧センサ
1375:加算器
1376:固定値
1377:遅延素子
1378:加算器
5371:加算器
5372:判(判定回路)
5373:加算器
5374:LM(リミッタ)
5375:遅延素子
(図13関係)
4000:変動要因一覧
4100:区分
4200:周波数
4300:温度
4400:電圧
4500:素子
Claims (4)
- 第1クロック周波数を生成可能な第1クロック発振回路部と、
間欠時間と待機時間とからなる間欠信号を、前記間欠時間は前記第1クロック周波数を固定分周比で生成し、前記待機時間は前記第1クロック周波数を可変分周比で生成する間欠信号生成回路部と、
前記第1クロック周波数よりも高速高精度の第2クロック周波数を生成可能な第2クロック発振回路部と
前記間欠時間の時間長を前記第2クロック周波数で計測可能な間欠時間長計測回路部と、前記間欠時間長計測回路部での計測結果を、前記間欠信号生成回路部に供給することで前記間欠信号を生成する間欠信号生成装置において、
前記計測結果を時間積分および高精度分周比情報に変換、可能な分周比変換回路部と
前記高精度分周比情報を前記高精度分周比情報よりも低精度の分周比情報で時間軸展開可能な分周比情報展開回路部を備えることで、高精度の動的周波数制御が可能なことを特徴とする間欠信号生成装置。 - 前記分周比情報展開回路部は、前記高精度分周比情報をより低精度の情報に量子化する量子化部と、
前記量子化部で量子化した結果と、前記量子化部の量子化前入力信号との誤差を求める量子化誤差抽出部と、
前記量子化誤差抽出部で得られた誤差情報を前記高精度分周比情報にフィードバック加算し、新たな前記量子化前入力信号を生成する量子化情報フィードバック部を備えることで、
前記高精度分周比情報を前記高精度分周比情報よりも低精度の分周比情報で時間軸展開可能とすることを特徴とする、請求項1記載の間欠信号生成装置。 - 前記分周比変換回路部は、前記高精度分周比情報と推定時間長情報とを乗算し、前記乗算した結果と基準値との差を求め、前記差がゼロとなるように、前記推定時間長情報をフィードバック更新し、前記第1クロック周波数の周波数情報を消すことにより、前記高精度分周比情報を前記推定時間長情報に変換する、時間長変換回路部と、
前記時間長変換回路部で得た前記推定時間長情報と前記間欠時間の前記計測結果との誤差を求め、前記誤差がゼロとなるように前記高精度分周比情報にフィードバック制御する、分周比情報生成回路部を備えたことを特徴とする請求項1又は2に記載の間欠信号生成装置。 - 前記分周比変換回路部は、前記第1クロック周波数の変動要因である温度及び又は電圧及び又は素子のバラツキのいずれか又は全ての情報により、時間変動する前記第1クロック周波数を推定可能な変動周波数推定回路部を備え、
前記変動周波数推定回路部から出力された変動情報を前記高精度分周比情報に加算し、新たな高精度分周比情報を得ることで、前記変動要因に対する動的追従力を改善したことを特徴とする、請求項1又は2又は3記載の間欠信号生成装置。
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- 2016-10-11 JP JP2016199664A patent/JP6155436B1/ja active Active
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