CN102419403A - 使用多个信号路径的传感器自诊断 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及使用多个信号路径的传感器自诊断。实施例涉及用于使用多个信号路径的传感器自诊断的系统和方法。在一个实施例中，传感器是磁场传感器，并且系统和/或方法被配置成满足或者超过相关安全或者其它工业标准，比如SIL标准。例如，在单个半导体芯片上实施的单片集成电路传感器系统可以包括：在半导体芯片上的第一传感器器件，具有用于第一传感器信号的第一信号路径；以及在半导体芯片上的第二传感器器件，具有用于第二传感器信号的第二信号路径，第二信号路径不同于第一信号路径，其中第一信号路径的信号与第二信号路径的信号的比较提供传感器系统自测试。

Description

使用多个信号路径的传感器自诊断
技术领域
本发明一般涉及集成电路（IC）传感器并且更具体地涉及使用多个通信信号路径的IC传感器自诊断。
背景技术
汽车驱动技术的最新趋势（作为汽车电子器件部分的发展的部分）是通过主动安全系统（比如防锁制动系统（ABS）、电子稳定程序（ESP）和电转向系统）来扩展建立的被动安全系统（例如座椅安全带和气囊）以提供范围越来越多的驾驶员辅助功能。如已经在传动系统（drive train）中颇有时日的情况那样，系统复杂性在这里也持续增加以便检测危险驾驶情形并且有助于通过由控制系统的主动干预来避免事故。随着当前技术发展，这些趋势有望继续并且将来变得更强。
电子部件数目因而随着安全有关功能的明显增加已造成在可靠性和系统可用性方面的前所未有的要求。为了能够实现这一点而又同时满足成本目标，期望通过集成测试方法以及冗余性来开发用于功能自监视的高效方法。同时期望设计方法的进步以便能够早期标识和避免安全系统中的可能弱点。例如在磁场传感器领域中，这已通过引入安全完整性水平（SIL）标准来完成。
为了在汽车领域中满足SIL标准，期望实施和使用不仅在启动时而且在正常操作期间的对应自测试（包括内置自测试）以及自动监视结构或者对应冗余功能块和/或信号路径。常规磁传感器系统（具体为线性霍尔测量系统）已使用单信道模拟主要信号路径。用这一概念在安全关键应用中满足SIL要求在技术上很难或者可能甚至不可能。因此不再有可能用仅一个传感器系统覆盖安全要求。因此，其它常规解决方案已使用两个相同冗余磁场传感器以满足SIL要求。显然，这些解决方案的重要弊端在于用于并非一个而是两个传感器的成本的对应倍增。更多其它解决方案提出在信号频率范围以外的限定叠加测试信号，比如具有附加片上导体回路的磁场传感器或者具有与传感器的叠加静电耦合的压力传感器。
仍然需要一种满足SIL和/或其它适用安全标准的可靠和成本高效传感器系统。
发明内容
在一个实施例中，一种单片集成电路传感器系统包括：在半导体芯片上的第一传感器器件，具有用于第一传感器信号的第一信号路径；以及在半导体芯片上的第二传感器器件，具有用于第二传感器信号的第二信号路径，第二信号路径不同于第一信号路径，其中第一信号路径的信号与第二信号路径的信号的比较提供传感器系统自测试。
在一个实施例中，一种在单片集成电路传感器系统中提供自测试的方法包括：在单个半导体芯片上实施包括主要传感器的主要信号路径；在单个半导体芯片上实施辅助传感器和辅助信号路径，辅助信号路径不同于主要信号路径并且在与主要信号路径相比时具有从由更慢、精确性更低、具有更多噪声和具有不同工作原理组成的组中选择的至少一个特性；并且通过比较主要信号路径的信号与辅助信号路径的信号来进行传感器系统的自测试。
附图说明
可以结合附图考虑对本发明各种实施例的以下具体描述来更完整地理解本发明，在所述附图中：
图1描绘了根据一个实施例的系统框图；
图2描绘了根据一个实施例的系统框图。
尽管本发明可有（amenable to）各种修改和替代形式，但是在附图中已通过例子方式示出了并且将具体描述其细节。然而应当理解，意图并非在于使本发明限于描述的具体实施例。恰好相反，意图在于覆盖落入如所附权利要求限定的本发明的精神和范围内的所有修改、等效和替代方案。
具体实施方式
实施例涉及用于使用多个信号路径的传感器自诊断的系统和方法。在一个实施例中，传感器是磁场传感器，并且系统和/或方法被配置成满足或者超过相关安全或者其它工业标准，比如SIL标准。
图1描绘了根据一个实施例的传感器系统100的概念框图。系统100包括每个与数字信号处理器（DSP）103通信的第一传感器102和第二传感器104。在一个实施例中，第一传感器102、第二传感器104和DSP 103构成在单个芯片105上实施的单片集成电路，并且DSP 103与外部电子控制单元（ECU）106通信。
传感器之一是初级或者主要传感器。在图1的实施例中，传感器102是主要传感器，而传感器104是辅助传感器。如下面更具体讨论的那样，主要传感器102经由主要信号路径来与DSP 103通信，并且辅助传感器104经由至少部分与主要信号路径不同的辅助信号路径来与DSP 103通信。
辅助传感器104及其对应辅助信号路径一般是在与主要传感器102相比时准确性更低、更慢和/或噪声更高、使用不同工作原理来操作和/或包括附加辅助感测任务的传感器。辅助传感器104因此可以比主要传感器102成本更低并且也可以对可能影响系统100的成本和复杂性的定位、芯片面积和其它因素具有更少约束。这些辅助感测任务可以包括测量补偿信号，比如温度、机械应力、内部操作或者偏置电压、操作或者偏置电流和/或附加更简单目标测量。例如，传感器102和104在一个实施例中包括磁场传感器，并且这样的传感器的目标测量将是磁场。然而在实施例中，辅助传感器104可以在一个例子实施例中包括多个传感器或者传感器阵列，比如用于镜像主要传感器102的磁场传感器以及温度传感器和应力传感器。
然而在一个实施例中，辅助传感器和信号路径可以用于与主要传感器和信号路径的真实性（plausibility）比较。另外，辅助传感器和信号路径可以用于故障检测以及对主要传感器和信号路径的验证。这样的配置可以提供若干优点。首先可以实现SIL兼容性。其次与常规解决方案相比可以实现尺寸和成本优点并且可以在正常操作期间实施自测试而无大量附加硬件。另外可以实施数字信号处理（DSP）和信号处理软件的附加自测试特征。此外也可以减少现场失效和返修率从而在两个方面（即对于原芯片制造商以及实施芯片的客户而言）提高成本效率。
参照图2，描绘了基于图1中所描绘的概念的传感器系统200实施例的框图。系统200包括主要磁场传感器202和辅助磁场传感器204比如霍尔效应或者巨磁阻（GMR）传感器，尽管传感器202和204可以在其它实施例中是其它类型的传感器并且不限于磁场传感器。传感器202在概念上类似于上面参照图1讨论的传感器102而传感器204在概念上类似于传感器104。
系统200也包括也视为辅助或者从属传感器的一个或者多个附加传感器208。（一个或多个）传感器208可以在各种实施例中包括温度、应力、电流、磁场或者某一其它传感器格式。
在一个实施例中，主要传感器202与数字信号处理（DSP）部分220通信。DSP部分220又可以经由输入/输出210来与外部ECU或者其它控制单元（例如参考图1）通信。根据一个实施例，传感器202和204经由不同信号路径来与DSP部分220通信，这些信号路径可以包括结构上不同的模拟信号路径、混合信号路径并且在某一程度上包括数字信号路径和过程以及软件部件。在图2中用粗线示出了与主要传感器202关联的主要信号路径，而用简单虚线示出了与传感器204关联的辅助信号路径。
例如在图2的实施例中，主要信号路径可以向模数（A/D）转换器212和A/D转换信道交叉开关214传达来自主要传感器202的信号。辅助信号路径向复用器216传达来自辅助传感器204的信号，该复用器也从附加或者从属传感器208接收任何信号作为（一个或多个）输入。辅助信号路径然后从MUX 216向第二A/D转换器218继续，该第二A/D转换器也向交叉开关214发送它的输出。
在一个实施例中，主要信号路径的元件和辅助信号路径的元件并不相同和/或使用不同工作原理来实施。例如，在主要信号路径中的A/D转换器212可以包括三阶Σ-Δ (sigma-delta)转换器，而在辅助信号路径中的A/D转换器218可以包括一阶Σ-Δ转换器，或者一个或者多个A/D转换器可以利用相继近似寄存器（SAR）或者闪存技术而不是Σ-Δ。换而言之，与辅助传感器204一般是在与主要传感器102相比时准确性更低、更慢和/或噪声更高、使用不同工作原理来操作和/或包括附加辅助感测任务的传感器一样，对于A/D转换器218而言在与A/D转换器212相比时可以同样成立。
交叉开关214的输出与主要和辅助信号路径关联并且向数字信号处理（DSP）部分220馈送。DSP 220在一个实施例中包括状态机222、钳位算法224和存储器矩阵226。与主要和辅助信号路径概念一致，DSP 220也包括与主要信号路径关联的第一软件部分和与辅助信号路径关联的第二软件部分。另外或者备选地，DSP 220也可以实施用于主要信号路径和第二信号路径的不同DSP方法或者技术。在一个实施例中，DSP 220经由接口228耦合到I/O 210，并且I/O 210又耦合到外部ECU（在图2中未描绘）。
主要和辅助信号路径由此可以提供两个不同的准冗余模拟信号路径，这些信号路径提供众多有益性质。例如，经由主要信号路径在周期中从传感器202发送主要磁场信号可以提供高度精确的计算结果，其中主要信号路径本身比如通过使用斩波或者其它技术来很精确地并且至少关于辅助信号路径快速地操作。主要信号路径也独立和自由地操作而不受其它系统部件影响。
出于分析目的，第二信号路径也提供向控制单元（其中可以处理具有正号或者负号的数据）提供它的数据的可能性。在系统200中示出了从DSP 220向接口228和I/O 210的可能并行输出，而也可以例如利用时分复用或者如外部请求的那样按照需要来实施顺序发送。
传感器202和204以及可选208可以关于它们的测量值（包括传感器202和204本身的布局和/或尺寸、过程、技术性能和规范、以及偏置）利用不同感测原理。系统200的一个实施例包括两个带隙偏置部分230和232以及偏置比较234。偏置部分230与主要信号路径关联，并且偏置部分232与辅助信号路径关联。偏置部分230和232分别提供传感器102和104的不同偏置选项，而偏置比较234可以向DSP 220提供输出信号以供考虑。
系统200的实施例也可以经由A/D转换器212和218以及交叉开关214而利用不同A/D转换和/或切换概念。例如，如先前提到的那样，在主要信号路径中的A/D转换器212可以包括三阶Σ-Δ转换器，而在辅助信号路径中的A/D转换器218可以包括一阶Σ-Δ转换器，或者一个或者多个A/D转换器可以利用相继近似寄存器（SAR）或者闪存技术而不是Σ-Δ。在各种实施例中，这些不同A/D转换和/或切换概念可能提供不同故障行为和/或失效概率。也可以在实施例中经由图2中所指出的向A/D转换器212和218的输入来切换测量范围以便检测钳位或者限制效果。
实施例也可以提供切换传感器202和204及其相应主要和辅助信号路径的选项。例如，辅助传感器204可以交换到主要信号路径中，并且对于传感器202和辅助信号路径而言同样如此。这一选项可以例如通过将传感器与它的路径隔离来提供改进的故障检测和/或定位。
系统200的实施例呈现的另一优点在于有能力比如通过形成商来比较主要和辅助信号路径中的每个信号路径的输出信号并且评估结果。可以评估结果以确定与传感器202和204、信号路径、系统200和/或一些其它部件的性能或者运行有关的一个或者多个方面。例如，比较输出信号可以检测输入信号的迅速改变。在利用补偿（比如在传感器208包括温度传感器时的温度补偿）的实施例中，可以根据温度补偿信号来比较输出信号。在其它实施例中可以实施对来自传感器208的信息的钳位或者限制以隔离其它信号、性质或者信息。
由于DSP 220将软件1用于主要信号路径而将软件2用于辅助信号路径，所以可以在实施例中比较信号路径的输出结果。这样的比较可以提供对软件算法本身的校验。也可以在DSP 220的两个信号路径或者计算结果的真实性校验中使用内部或者外部窗口比较。作为这样的真实性校验的部分，可以实施警告和/或失效阈值。
实施例因此可以在传感器系统中提供安全标准兼容性以及故障自诊断。尽管故障处置可以根据类型和严重性以及讨论的具体系统和/或相关安全标准而变化，但是实施例可以提供用于向系统用户通知检测到的问题的机会。例如在利用磁场传感器的安全关键汽车电子动力转向传感器应用中，检测到的故障可能造成ECU向驾驶员通知关键系统问题，使得可以采取适当动作。在某些应用中可以将ECU编程为在错误故障情形中向安全模式或者安全操作协议切换。
另外，实施例比利用冗余初级传感器的常规解决方案更加空间和/或成本高效。例如，主要/辅助传感器和信号路径可以在实施例中在利用仅单个初级传感器而不是两个时将芯片面积增加不到10%，而辅助传感器通常是鉴于对它的性能需求减少而成本更低的器件。鉴于辅助传感器成本更低，也实现较在单个芯片上利用两个初级传感器的常规解决方案而言的优点。
这里已描述了系统、器件和方法的各种实施例。这些实施例仅通过例子方式来给出而并非旨在于限制本发明的范围。另外应当理解，可以用各种方式组合已描述的实施例的各种特征以产生众多附加实施例。另外尽管已描述了各种材料、尺度、形状、植入位置等用于与公开的实施例一起使用，但是可以利用除了公开的那些材料、尺度、形状、植入位置等之外的其它材料、尺度、形状、植入位置等而未超过本发明的范围。
本领域普通技术人员将认识到本发明可以包括比在任何上述个别实施例中示例的特征更少的特征。这里描述的实施例将并非打算对可以组合本发明各种特征的方式的穷举呈现。因而，实施例并非互斥的特征组合；相反，如本领域普通技术人员理解的那样，本发明可以包括从不同个别实施例选择的不同个别特征的组合。
限制上面通过引用对文档的任何结合，使得未并入与这里的明确公开内容相反的主题。还限制上面通过引用对文档的任何结合，使得这里未通过引用来结合在文档中包括的权利要求。还进一步限制上面通过引用对文档的任何结合，使得除非这里明确包括，否则这里未通过引用来并入在文档中提供的任何定义。
出于解释本发明的权利要求的目的，明确旨在除非在权利要求中记载具体术语“用于……的装置”或者“用于……的步骤”否则将不援引35 U.S.C第12节第六段的规定。

Claims (25)

1.一种单片集成电路传感器系统，包括：
在半导体芯片上的第一传感器器件，具有用于第一传感器信号的第一信号路径；以及
在所述半导体芯片上的第二传感器器件，具有用于第二传感器信号的第二信号路径，所述第二信号路径不同于所述第一信号路径，
其中第一信号路径的信号与第二信号路径的信号的比较提供传感器系统自测试。
2.根据权利要求1所述的传感器系统，还包括在所述半导体芯片上并且耦合到第一和第二信号路径以接收第一和第二信号路径的信号的数字信号处理器（DSP），其中所述比较由所述DSP实施。
3.根据权利要求2所述的传感器系统，其中所述DSP包括与所述第一信号路径关联的第一软件块和与所述第二信号路径关联的第二软件块、或者与所述第一信号路径关联的第一数字信号处理部分和与所述第二信号路径关联的第二数字信号处理部分中的至少一个。
4.根据权利要求2所述的传感器系统，其中所述DSP通过模数（A/D）转换信道交叉切换器件而耦合到第一和第二信号路径。
5.根据权利要求1所述的传感器系统，还包括耦合到所述第二信号路径以提供比较信号的至少一个附加传感器器件。
6.根据权利要求5所述的传感器系统，其中所述至少一个附加传感器器件选自由温度传感器、应力传感器、电流传感器、电压传感器和磁场传感器组成的组。
7.根据权利要求5所述的传感器系统，还包括在所述半导体芯片上并且将所述第二传感器器件和所述至少一个附加传感器器件耦合到所述第二信号路径的复用器。
8.根据权利要求1所述的传感器系统，其中第一和第二传感器器件包括磁场传感器。
9.根据权利要求1所述的传感器系统，其中所述第一信号路径包括第一模数（A/D）转换器并且所述第二信号路径包括与所述第一A/D转换器不同的第二A/D转换器。
10.根据权利要求9所述的传感器系统，其中所述第一A/D转换器用与所述第二A/D转换器的工作原理不同的至少一个工作原理来操作。
11.根据权利要求1所述的传感器系统，还包括耦合到所述第一传感器器件和所述第一信号路径的第一偏置电路以及耦合到所述第二传感器器件和所述第二信号路径的第二偏置电路。
12.根据权利要求11所述的传感器系统，还包括配置成接收来自所述第一偏置电路的信号和来自所述第二偏置电路的信号并且比较所述信号的偏置比较器。
13.根据权利要求1所述的传感器系统，其中所述第一信号路径在与所述第二信号路径比较时具有从由更快、更精确、具有更少噪声和具有不同工作原理组成的组中选择的至少一个特性。
14.根据权利要求1所述的传感器系统，其中所述传感器系统满足安全完整性水平（SIL）标准。
15.一种在单片集成电路传感器系统中提供自测试的方法，包括：
在单个半导体芯片上实施包括主要传感器的主要信号路径；
在所述单个半导体芯片上实施辅助传感器和辅助信号路径，所述辅助信号路径不同于所述主要信号路径并且在与所述主要信号路径相比时具有从由更慢、精确性更低、具有更多噪声和具有不同工作原理组成的组中选择的至少一个特性；并且
通过比较所述主要信号路径的信号与所述辅助信号路径的信号来进行所述传感器系统的自测试。
16.根据权利要求15所述的方法，还包括向所述辅助信号路径复用至少一个附加传感器。
17.根据权利要求16所述的方法，还包括从所述至少一个附加传感器接收至少一个补偿信号。
18.根据权利要求15所述的方法，还包括：
在所述主要信号路径上实施第一模数（A/D）转换技术；并且
在所述辅助信号路径上实施第二A/D转换技术，所述第二A/D转换技术不同于所述主要A/D转换技术。
19.根据权利要求15所述的方法，还包括：
第一偏置部分偏置所述主要传感器；
与所述第一偏置部分不同的第二偏置部分偏置所述辅助传感器；并且
测量所述主要传感器的偏置电流和所述辅助传感器的偏置电流。
20.根据权利要求15所述的方法，还包括：
将主要和辅助信号路径耦合到数字信号处理器（DSP）；
使用所述DSP的第一软件部分来处理所述主要信号路径的信号；并且
使用所述DSP的第二软件部分来处理所述辅助信号路径的信号，所述第二软件部分不同于所述第一软件部分。
21.根据权利要求20所述的方法，还包括提供包括主要信号路径部分和辅助信号路径部分的所述DSP的并行输出。
22.根据权利要求15所述的方法，其中比较包括形成所述主要信号路径的信号和所述辅助信号路径的信号的商或者线性变换中的至少一个。
23.根据权利要求22所述的方法，还包括评估所述至少一个商或者线性变换以检测系统失效。
24.根据权利要求15所述的方法，还包括调节所述主要传感器或者辅助传感器中的至少一个传感器的测量范围。
25.根据权利要求15所述的方法，还包括交换所述主要传感器和所述辅助传感器，使得所述主要传感器耦合到所述辅助信号路径并且所述辅助传感器耦合到所述主要信号路径。
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