CN101669019A - 与电容式传感器的诊断有关的改进 - Google Patents
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Abstract
一种用于检测远端电容式传感器的存在的检测器电路，该远端电容式传感器具有通过保护电路连接的至少两个端子，该保护电路包括一个或多个电容器，该检测器电路包括：电流供应装置，用于改变传感器和保护电路上电荷；检测器，用于测量一个或多个端子上的电压；其中，通过以预定方式改变所述电容式传感器和所述保护电路的一个或多个电容器上的电荷，使得当所述传感器存在时所述一个或多个端子上的电压测量与所述传感器不存在时的所述电压测量明显不同，从而确定所述传感器的存在。
Description
技术领域
本发明涉及与电容式传感器，例如发动机控制系统中的爆震传感器的诊断有关的改进。
背景技术
异常燃烧，通常称为爆震，是内燃机中能量产生的一个限制因素。爆震指的是引起活塞、连杆和轴承共振的多个火焰前缘的碰撞以及增加的气缸压力而产生的噪声。爆震传感器检测发动机爆震，且将电压信号发送至发动机控制单元(ECU)。ECU使用爆震传感器信号来控制发动机的定时。发动机爆震通常在特定频率范围内发生，且爆震传感器布置在发动机组，气缸盖或进气歧管上，且能够检测上述频率范围。
在电容式电缆的一端，穿过由电磁兼容(EMC)电容器保护的发动机控制单元(ECU)，检测诸如爆震传感器的电容式传感器的存在，是一个长期存在的问题。这是因为爆震传感器具有高阻抗且不会产生非常强的输出信号，这意味着ECU的灵敏度是关键的。另外，由于有关发动机中排放控制的法律，法律上需要知道爆震传感器是否在工作。爆震是一个相对安静的噪声，其可以很容易与其他发动机噪声混淆，爆震传感器是否工作的判定由此而变得很难。另一个存在的问题是，爆震传感器的电容相对低且由于EMC电容器及电缆上的电容值而常常难于测量。
已经提出了很多不同的方法以克服检测电容式传感器存在的问题。其中一个是关于例如EP 0720007(Bosch)中描述的使用阈值检测的诊断。在此方法中，传感器的正常输出被表征为与发动机速度相关，并且高于或低于预期的输出被用于指示爆震传感器的故障。存在的问题是爆震检测系统就是用于最小化爆震，因此意味着正常条件是初期或无爆震且由此的来自传感器的输出。因为ECU输入是高阻抗，其趋向于承受相当的电噪声的拾取。因此，当传感器断开时，来自连接器传感器的低噪声以及由导线进行的电拾取变得不可区分。
已经公开的克服此问题的第二种方法是US 5421191(Chrysler)中描述的使用自共振的诊断。在此方法中，由与传感器的预定共振匹配的脉冲激励传感器，在激励去除后测量这些脉冲的幅值。此方法需要了解传感器的共振频率，在被安装时负载和导线的结合，这些都可能显著地变化。如果驱动频率错了，那么不会产生任何共振。
已经公开的克服此问题的第三种方法是在EP 0704706(Marelli)中描述的使用电容器振荡的诊断。在此方案中，传感器作为振荡器的一部分而使用。如果将传感器连接，则应当假定一个特定的频率。此方案存在容限问题。传感器大约800pF，并且连接它的连接器可以是1m到5m的300pF/m的同轴电缆。EMC保护电容器典型地在470pF到1000pF之间。这些电容通常具有低的容限，因此，由于传感器上连接有大量的低容限电容，很难识别传感器本身是否被连接。
本发明的一个目的是克服至少一些与现有技术相关的问题。另外，进一步的目的是提供由于电荷共享的电容性感测的诊断。
发明内容
本发明提供如随附权利要求所描述的一种方法和装置。
为了克服现有技术中的问题，传感器诊断部件利用用于偏置的相同部件。带来的额外优点就是最小化需要的外部组件的总数量。使电流从模数转换器(ADC)管脚流出，穿过包括爆震传感器的外部部件的网络，来实现这点。连接的电容的比产生可使用ADC读取的电压的比。爆震传感器的连接是通过其电容的存在而指示的。可以测量其的这种方式中是精确和持续的。现有技术中与“看”爆震传感器的能力相关的问题通过观察相对值而不是观察绝对值而克服的。
附图说明
下面根据附图的例子给出了参考，其中：
图1示例出依据本发明一个实施例的爆震传感器诊断电路处于偏置状态的电路图，
图2示例出依据本发明一个实施例的爆震传感器诊断电路处于放电状态的电路图，
图3示例出依据本发明一个实施例的爆震传感器诊断电路处于电荷共享状态的电路图，以及
图4示例出依据本发明一个实施例将存在传感器与没有传感器进行比较的仿真结果图，
图5示例出依据本发明一个实施例的针拉(pin pull)电阻器配置的例子。
具体实施方式
现在参考图1，示出了爆震传感器100。爆震传感器通常是压电元件，其在电气上趋向于具有电容表征。爆震传感器通过电容式电缆104连接到发动机控制单元(ECU)102。通常，爆震传感器将具有800pF的电容，且电缆将具有大约100pF的电容。发动机控制单元102中的第一元件是两个EMC保护电容器C2和C3。这两个电容每一个都大约为1000pF。C2和C3是发动机控制单元的保护电容器。两个约为20千欧姆的电阻器R1和R2与电容器C2和C3串联连接，这些电阻器限制电流且保护模数转换器ADC 106。另外的电容器C4与爆震传感器并联连接。电容器C4大约为100pF且具有低通抗混叠滤波器的效果，其从爆震传感器接收的信号中去除高频噪声。电路包括总体示为108的传感器偏置电路，下面会详细描述其功能。传感器偏置电路随后连接到模数转换器(ADC)106上。
在示出的电路中，传感器偏置电路根据电阻的值而将ADC 106的电压偏置在5V和0V之间。在这种情况下，因为电阻均相等，ADC上的偏置电压为2.5V。这具有一个优点，即ADC不需要在负电压操作且因此可以不像其他情况那么复杂。该情况中的ADC是微分ADC，其实现来自任一个输出管脚的输出测量，或来自两个输出管脚的微分测量。如果需要，ADC可由微分放大器和模拟检测单元替换。此电路还包括使用在爆震传感器诊断中的很多N和P型MOSFET(未示出)，且下面将详细描述此电路。
为了确定爆震传感器是否被连接或正在操作，将电路首先置于放电状态。下面将参考图2来进行描述。这是通过将两个管脚(图中的ANP和ANM)强制接地(0V)而实现的。通过将ANP和ANM强制接地，使爆震传感器、电缆以及EMC电容器都放电。接地是通过在管脚和地之间连接两个MOSFET 110和112实现的。在此放电状态下，ADC上的输出将是0，这可对每一个管脚单独地测量或微分地测量。这种将管脚强制接地的方式不局限于图示的例子，还可以是任何其他合适的装置。
尽管没有示出细节，但应该了解，图2中包括传感器偏置电路。同样，尽管在图1和3中没有示出MOSFET 110和112，但它们也包括在图1和图3中。
在已经将诊断电路放电后，该电路会在一侧被上拉到最大电压(5V)。在图中，这是在电路的ANP侧示出的，但同样也可以在电路的ANM侧示出。同样，也可以上拉电路的一侧，接着顺序地上拉另一侧。通过将MOSFET 116连接到5V电源而上拉ANP侧。这就将电路置于电荷共享状态，且由于电路的对称性，可读取ADC的输出管脚以确定爆震传感器是否被连接和/或正在操作。
在此状态下，R1、R2和C2不起作用。由于电路一旦充电就不会有电流流过的事实，R1和R2相互抵销。由于C2一侧接地，另一侧接5V，因此其电容与ANM上的电压无关。
C3上的电压通过爆震传感器和电缆而被电荷共享。就电容而言，爆震传感器、电缆，和电容器C4的电容，是相互并联的。上述三个电容在电容器C3的高侧。爆震传感器、电缆和C4的电容值与C3的电容值非常接近。这意味着该电路一旦稳定，ADC的管脚ANM上的电压将接近2.5V。爆震传感器的电容值明显大于电缆和C4的电容值。因此，如果爆震传感器不在那里或出现故障，则在爆震传感器、电缆和C4的电容与C3的电容之间将会出现差值。这会导致C4上的电压大于C3上的电压，这意味着在ADC的管脚ANM上出现差值输出。为了实现该电荷共享状态中的电路读取，最好在单端模式中测量对于ADC的输入，尽管也可以采用微分模式。
图4示出了在图1、2、3中所示的不同阶段，ADC的输出电压与时间的图。该图示出一个例子中爆震传感器工作的三个阶段以及另一个例子中爆震传感器不工作的三个阶段。第一个阶段是传感器由于爆震信号和噪声而偏置，在图中，此阶段在0秒到200μs之间持续。但在车辆上，这会是传感器的正常使用情况。如上所示，此阶段中电压大约在2.5V。第二个阶段是放电阶段，在此实施例中，在200μs到250μs之间持续。在这点，电压下降且趋于0。第三阶段即最后阶段是电荷共享阶段，其从约250μs持续至500μs。图中所示有两条截然不同的线，一个电压大约在2.5V，另一个电压较低，接近1.8V。电压测量中的差值足以使其在ADC输出管脚上被测量。当爆震传感器工作时可实现2.5V的输出，且导线及传感器的总电容大约1000pF。当爆震传感器不工作或没有被连接时可实现低电压输出，在该情况下，总电容大约200pF。
本发明相对现有技术具有显著的优点，即可提供确定爆震传感器是否被连接的可靠方法。由图4可看出，ADC输出管脚上的电压差可很容易测量出来。由于电压差处于合理的相当水平，所以没有必要使用昂贵、灵敏的设备来测量输出管脚上的不同电压。
如前所述，爆震传感器诊断电路包括在该过程不同阶段都需使用的很多MOSFET。为了提供高度的自适应性，可以采用图5所示的针拉电阻器配置。该配置包括接收爆震传感器信号的输入管脚500；多个电阻器502a、b、c、d；多个电平位移器504；以及多个MOSFET 508。MOSFET包括某些n型MOSFET和某些p型MOSFET。该电路示出了大量电阻器和切换装置，尽管运行诊断并不需要全部。可以包括它们，使得爆震传感器诊断电路就不同发动机中的不同的爆震传感器是可调整的。电阻和MOSFET的连接方式根据发动机控制单元中的数字逻辑通过电平位移器被控制，并且根据发动机和爆震传感器的需要而被调整。
应当理解，所示的例子仅仅作为一个示例，且存在电路的很多变形，其也处于本发明的范围内。例如，可以采用不同的电容值、电阻或电路设计。它们的共同特征是，对于爆震传感器存在和其不存在时，ECU管脚上产生的电压在实质上且在测量时是不同的。
权利要求书(按照条约第19条的修改)
1.一种用于检测远端电容式传感器(100)的存在的检测器电路(102)，所述远端电容式传感器(100)具有通过保护电路(103，105)连接的至少两个端子，所述保护电路(103，105)包括一个或多个电容器，所述检测器电路包括：
电压供应装置，用于改变所述传感器和所述保护电路上的电荷，
检测器(106)，用于测量一个或多个所述端子上的电压；
其中，通过使所述端子接地以及然后通过以预定方式使一个端子上的电荷改变，使得所述检测器能够通过测量所述一个或多个端子上的电压变化来检测所述传感器的存在，从而确定所述传感器的存在，其中所述传感器存在时的所述电压变化大于所述传感器不存在时的所述电压变化。
2.根据权利要求1所述的检测器电路，进一步包括：电流源和电流吸收器中的至少一个，作为电流供应装置。
3.根据权利要求2所述的检测器电路，其中通过使电流灌入一个传感器端子或者使电流流出而进入到一个传感器端子中，来改变所述电荷。
4.根据权利要求2或3所述的检测器电路，其中使电流流出而进入到传感器中是通过将一个传感器端子拉到预定电压而实现的。
5.根据权利要求2至4的任何一项所述的检测器电路，其中使电流流出而进入到传感器中是通过电容器实现的。
6.根据权利要求1至5的任何一项所述的检测器电路，进一步包括切换装置，用于将一个或两个端子上的负载切换至具有预定值的高阻抗电平，以允许检测所述电压变化。
7.根据权利要求1至6的任何一项所述的检测器电路，其中传感器的一个端子被连接至地。
8.根据权利要求1至7的任何一项所述的检测器电路，其中用于测量电压的装置是模数转换器(ADC)。
9.根据前述任一权利要求所述的检测器电路，所述检测器电路是单片硅设备的形式。
10.根据前述任一权利要求所述的检测器电路，进一步包括用于在所述传感器上提供偏置电压的装置。
11.根据前述任一权利要求所述的检测器电路，进一步包括：一个或多个切换装置，用于改变所述检测器电路的状态，使得所述传感器及接口部件能够被充电或放电；第一传感器端子，能够被上拉至预定电压；以及，第二端子，能够被切换至具有预定值的阻抗电平，以允许检测所述电压变化。
12.根据前述任一权利要求所述的检测器电路，所述检测器电路用于检测发动机控制系统中爆震传感器的存在。
13.根据前述任一权利要求所述的检测器电路，所述检测器电路用于检测发动机控制系统中压力传感器的存在。
14.一种发动机的电子控制单元，包括前述任一权利要求所述的检测器电路。
15.一种用于检测远端电容式传感器(100)的存在的方法，所述远端电容式传感器(100)具有通过保护电路连接的至少两个端子，所述保护电路包括一个或多个电容器，所述方法包括：
改变所述传感器和所述保护电路上的电荷，
测量一个或多个所述端子上的电压；
其中，通过使所述端子接地以及然后通过以预定方式使一个端子上的电荷改变，使得所述检测器能够通过测量所述一个或多个端子上的电压变化来检测所述传感器的存在，从而确定所述传感器的存在，其中所述传感器存在时的所述电压变化大于所述传感器不存在时的所述电压变化。
Claims (15)
1.一种用于检测远端电容式传感器(100)的存在的检测器电路(102)，所述远端电容式传感器(100)具有通过保护电路(103，105)连接的至少两个端子，所述保护电路(103，105)包括一个或多个电容器，所述检测器电路包括：
电流供应装置，用于改变所述传感器和所述保护电路上的电荷，
检测器(106)，用于测量一个或多个所述端子上的电压；
其中，通过以预定方式改变所述电容式传感器和所述保护电路的一个或多个电容器上的电荷，使得当所述传感器存在时所述一个或多个端子上的电压测量与所述传感器不存在时的所述电压测量明显不同，从而确定所述传感器的存在。
2.根据权利要求1所述的检测器电路，进一步包括电流源和电流吸收器的至少一个，作为电流供应装置。
3.根据权利要求2所述的检测器电路，其中通过使电流灌入一个传感器端子或者使电流流出而进入到一个传感器端子中，来改变所述电荷。
4.根据权利要求2或3所述的检测器电路，其中使电流流出而进入到传感器中是通过将一个传感器端子拉到预定电压而实现的。
5.根据权利要求2至4的任何一项所述的检测器电路，其中使电流流出而进入到传感器中是通过电容器实现的。
6.根据权利要求1至5的任何一项所述的检测器电路，进一步包括切换装置，用于将一个或两个端子上的负载切换至高阻抗。
7.根据权利要求1至6的任何一项所述的检测器电路，其中所述传感器的一个端子被连接至地。
8.根据权利要求1至7的任何一项所述的检测器电路，其中用于测量电压的装置是模数转换器(ADC)。
9.根据前述任一权利要求所述的检测器电路，所述检测器电路是单片硅设备的形式。
10.根据前述任一权利要求所述的检测器电路，进一步包括用于在所述传感器上提供偏置电压的装置。
11.根据前述任一权利要求所述的检测器电路，进一步包括：一个或多个切换装置，用于改变所述检测器电路的状态，使得所述传感器及接口部件能够被充电或放电；第一传感器端子，能够被上拉至预定电压；以及第二端子，能够被切换至高阻抗电平。
12.根据前述任一权利要求所述的检测器电路，所述检测器电路用于检测发动机控制系统中爆震传感器的存在。
13.根据前述任一权利要求所述的检测器电路，所述检测器电路用于检测发动机控制系统中压力传感器的存在。
14.一种发动机的电子控制单元，包括前述任一权利要求所述的检测器电路。
15.一种用于检测远端电容式传感器(100)的存在的方法，所述远端电容式传感器(100)具有通过保护电路连接的至少两个端子，所述保护电路包括一个或多个电容器，所述方法包括：
改变所述传感器和所述保护电路上的电荷，
测量一个或多个所述端子上的电压；
其中，通过以预定方式改变所述电容式传感器和所述保护电路的一个或多个电容器上的电荷，使得所述一个或多个端子上的电压测量在所述传感器存在时与所述传感器不存在时明显不同，从而确定所述传感器的存在。
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