CN102607762A

CN102607762A - 压力监测电路和方法

Info

Publication number: CN102607762A
Application number: CN2011104621021A
Authority: CN
Inventors: T·朗格; T·莱门塞
Original assignee: Infineon Technologies AG
Current assignee: Infineon Technologies AG
Priority date: 2010-11-29
Filing date: 2011-11-29
Publication date: 2012-07-25
Anticipated expiration: 2031-11-29
Also published as: US20130289898A1; CN102607762B; DE102011087356A1; US20120136591A1; US9182305B2; US8498829B2

Abstract

本发明涉及压力监测电路和方法。为了与先前可用的相比在更宽的压力范围上提供更好的分辨率，在这里公开的技术基于控制元件提供的控制信号来设置模数转换器(ADC)的输出精度。该控制信号设置ADC的输出精度到第一等级以测量第一压力范围内的环境压力；以及该信号设置ADC的输出精度到第二等级以测量第二压力范围内的环境压力。

Description

压力监测电路和方法

背景技术

压力监测系统被用于很多应用中。例如，轮胎压力监测系统(TPMS)通常测量车辆的轮胎压力并且如果测量到的轮胎压力落在理想的轮胎压力范围以外则告知车辆的操作者。因此，TPMS改进了车辆操作者以及周围车辆操作者的安全性。

车辆的TPMS通常包括每个车轮的一个轮胎压力监测传感器、外加电子控制单元(ECU)。图1示出了常规的轮胎压力监测传感器100的例子。该传感器100包括压力传感器102、模数转换器(ADC)104和微控制器106。在操作期间，压力传感器102提供模拟信号108，以及ADC 104将模拟信号108转换为数字信号110。微控制器106将数字信号表达(put)为适合于传输到ECU的格式。然后，ECU评价格式化的数字信号以确定测量到的压力是否落入可接受的轮胎压力范围内并切如果压力落在这个可接受的范围以外则可以提醒驾驶者。

尽管常规的压力监测系统在很多方面是胜任的，但是它们有如下缺点：它们不能灵活地监测不同的压力范围。例如，尽管一个传感器在测量客车(其可以具有在大约100kPa-450kPa的范围内的正常轮胎压力)的轮胎压力方面是有用的；但是相同的传感器不能有效地测量商用车辆(其可以具有在大约100kPa-850kPa的范围内的正常轮胎压力)的轮胎压力。因此，本公开提供了用于监测压力的改进的方法和系统。

附图说明

图1是示出常规的压力传感器系统的框图；

图2是示出根据本公开一些实施例的压力传感器系统的框图；

图3是示出与图2的框图的一个例子一致的功能的图；

图4是示出与图2的框图的一个例子一致的方法的流程图；

图5是示出根据本公开一些实施例的压力传感器系统的框图；

图6是示出与图5的框图的一个例子一致的功能的图；

图7是与一个实施例一致的双传感器模块的框图；

图8是示出与图7的框图的一个例子一致的方法的流程图。

具体实施方式

现在参照附图来描述所要求保护的主题，其中通篇使用相同的参考数字来表示相同的部件。在以下的描述中，为了解释的目的，阐述了很多具体细节以便提供对要求保护的主题的彻底理解。然而可以显然的是，该要求保护的主题可以不用这些具体细节来实施。

为了与先前可用的相比在可能的更宽压力范围上提供更好的分辨率，在这里公开的技术基于控制元件提供的控制信号来设置ADC的输出精度。该控制信号设置ADC的输出精度到第一等级以测量第一压力范围内的环境压力；以及该信号设置ADC的输出精度到第二等级以测量第二压力范围内的环境压力。

图2示出了根据本公开一些实施例的压力监测系统300。该压力监测系统300包括压力传感器302、可变增益级304、ADC 306、微控制器308和存储器310；它们如所示的那样被可操作地耦合。定时器314诸如看门狗定时器也可以被包括在一些实施方式中。在一个实施例中，微控制器308利用校准例程312(例如，以存储在只读存储器或闪速存储器中的固件的形式)，其中该校准例程312选择多组校准系数313中的为压力传感器302和针对特定压力监测系统所包括的器件所特有的一组校准系数(可以包括多组校准系数313以适应零件间变异)。在一些实施例中，校准系数313被存储在某种可编程但不一定可重编程的存储器(例如，只读存储器、闪存)中。

在操作期间，压力传感器302输出模拟信号316，其中模拟信号316的信号电平表示压力传感器302感测到的环境压力。可变增益级304基于微控制器308提供的控制信号318选择性地调节模拟信号316的信号电平。然后，ADC 306将具有选择性调节的信号电平320的模拟信号转换为N位数字值322。典型的N值是8、9、10、11或12位，尽管N可以是理论上从1到无穷大变化的任意整数。

更具体地，如果控制信号318处于第一状态，则增益级304根据第一增益调节模拟信号316的信号电平，从而将ADC 306的N位输出调整到与第一压力范围(例如，用于商用车辆的100Kpa-850Kpa)对应。如果控制信号318处于第二状态，则增益级304根据第二增益调节模拟信号316的信号电平，从而将ADC306的N位输出调整到与第二压力范围(例如，用于客车的100Kpa-450Kpa)对应。这样，控制信号318为单个压力监测系统提供足以用在多种不同应用中的灵活性。

图3示出与图2的实施方式一致的3位ADC(例如，图2中的ADC 306)的更详细例子。在这个例子中，控制信号(例如，图2中的控制信号318)在第一状态和第二状态之间改变ADC的增益以分别测量第一压力范围402和第二压力范围404。

当控制信号在402期间处于第一状态时，设置可变增益级的增益为第一等级，使得ADC的模拟输入值从0V到7V₁/8变化。因此，该ADC的八个独特数字输出值近似相等地遍布在整个第一压力范围402(例如，用于具有从100kPa-850kPa变化的理想轮胎压力的商用车辆的第一压力范围)上。因此，第一输出码可以与100KPa的压力测量对应，第二输出码可以与193.75kPa的压力测量对应，以此类推，使得第八压力测量接近第一压力范围的顶端(例如，850kPa)。

当控制信号在404期间处于第二状态时，设置可变增益级的增益为第二等级，使得模拟输入值被“压缩’。在示出的例子中，现在ADC从0V到2V₁/8 V变化。因此，ADC的8个独特数字输出值近似相等地遍布在整个第二压力范围(例如，用于具有从100kPa-450kPa变化的理想轮胎压力的客车的第二压力范围)。因此，第一输出码可以与100KPa的压力测量对应，第二输出码可以与143.75kPa的压力测量对应，第三输出码可以与187.5kPa的压力测量对应，以此类推，使得第八压力测量接近第二压力范围的顶端(例如，450kPa)。

尽管图3示出ADC的处于0V的下边界，但是要明白，监测到的压力范围通常将具有不同于0V的下边界。0V的下边界只是为了便于解释而选择的并且决不是限制。

图4示出了与由图2的压力监测系统300实行的一个例子一致的方法500，但是也可以使用其它压力监测系统来实行这个方法。

在502，微控制器(例如，图2中的微控制器308)可以对定时器(例如，图2中的定时器314)编程以在预定时间确立(assert)中断或唤醒信号。预定时间可以遵循规则隔开的周期性模式，或者可以以不规则隔开的间隔发生。

在504，定时器在预定时间“开动(fire)”以及可变增益级(例如，图2中的可变增益级304)的增益被设置到第一等级。该第一等级通常对应于第一压力范围。

在506，当增益被设置到第一等级时，压力传感器(例如，图2中的压力传感器302)进行“原始的”模拟环境压力测量。

在508，当增益被设置到第一等级时，ADC将模拟信号转换为第一N位数字值。

在510，当读取这个第一N位数字值时，第一组校准系数被应用到第一N位数字值以说明压力传感器和/或ADC在第一压力范围(例如，100kPa-450kPa)上的非线性和偏移误差。这样，提供第一校准的N位数字值。注意，不要求校准的数字值的位数与ADC的位数相同。例如，在一个实施方式中，ADC是10位，然而校准的值是16位数。

在512，方法500确定第一校准的N位数字值是否在第一压力范围内。如果这样(在512的‘是’)，则不执行进一步的处理，并且该方法返回到502或504以等待下一个预定时间。

如果第一校准的测量落在第一压力范围以外(在512的‘否’)，则在框514-520中执行第二压力测量——这次具有可变增益级的不同增益设置。通常，在框514-520期间使用的增益设置比在504-510期间使用的增益设置大(即，第一压力范围是第二压力范围的子集)。

更具体地，在514，可变增益级的增益被设置到第二等级。在516，在增益被设置到第二等级的情况下进行第二“原始的”模拟环境压力测量。在518，将第二“原始的”模拟环境压力测量经由ADC变换为第二N位数字值。当读取这个第二N位数字值时，第二组校准系数被应用到第二N位数字值以说明压力传感器和/或ADC在第二压力范围(例如，100kPa-850kPa)上的非线性和偏移误差，如在520中所示。

在520之后，该方法分析第一和第二N位数字值，并且做出哪个所测量的压力是准确的确定。然后，微处理器确定所测量的压力是否落在指定的压力范围以外。如果所测量的压力在这个指定的范围以外，则微处理器可以告知车辆操作者或采取其它适当的补救措施以帮助确保适当地处理不期望的压力。

在一些实施例中，不同于总是以固定顺序执行两个压力测量，微控制器可以试图使用与针对先前的环境压力测量所确定的相同的压力范围。例如，如果微控制器确定一个测量的环境压力落入100kPa-450kPa压力范围内，则该微控制器然后可以在相同压力范围的条件下进行下一个环境压力测量。假设轮胎内部的压力正随着时间缓慢变化，对随后的测量来说先前的范围多半也是合适的范围。通过只进行单个压力测量而不是两个压力测量，这样的实施方式减小功率。只有当微控制器确定单个压力测量可能不正确时，才进行第二测量。

尽管上面关于图4描述的压力测量仅仅在预定时间进行，但是在其它实施例中压力传感器可以连续地监测而不基于中断或周期性唤醒进行触发。然而，由于压力通常相对缓慢变化并且由于这样的连续监测倾向于消耗更多功率，因此基于中断的或周期性唤醒的方法通常更合需要。

图5-6示出了另一实施例，其中除了先前讨论的部件之外，压力监测系统还包括比较器602。不是实行两个单独环境压力测量(例如，如图3的例子中的采用(assume)第一压力范围的一个压力测量和采用第二压力范围的第二压力测量)，比较器602充当控制元件以提供告知微控制器环境压力是在第一压力范围还是第二压力范围中的控制信号604。

图6示出了如何可以在3位ADC的背景中使用比较器的例子。比较器将阈值信号与模拟信号的电平进行比较。如果控制信号处于第一状态(例如，表示比较器检测到压力小于阈值)，则微控制器设置可变增益级到第一增益等级，使得ADC输出码近似相等地遍布在第一压力范围上。如果控制信号处于第二状态(例如，表示比较器检测到压力大于阈值)，则微控制器设置可变增益级到第二增益等级，使得ADC输出码近似相等地遍布在第二压力范围上。因此，在与图6-7一致的实施例中，控制信号604充当灵活的控制位。

图8示出了与一些实施例一致的双传感器模块700的实施例。双传感器模块包括第一传感器702(例如，加速度计)和第二传感器704(例如，压力传感器)，但是其它实施例可以包括多于两个传感器。为了进行传感器测量，双传感器模块700也包括多路复用器706，可变增益级708，ADC 710，微控制器712，存储器单元714和解码器/状态机716。虽然第一和第二传感器702、704分别关于加速度计和压力传感器进行描述，但是要明白，根据该本公开可以利用任意类型的传感器。

在操作期间，微控制器712在控制总线718上提供N位传感器控制字到解码器/状态机716。例如，在一个实施例中，N位传感器控制字可以包括5位并目采用表1中所示的格式：

位5(传感器类型)	0＝加速度
		1＝压力
位4(压力范围)	0＝低压力
		1＝高压力
位3(自动范围选择)	0＝手动范围选择
		1＝自动范围选择
位2：1(ADC增益)	00＝增益76
		01＝增益60
	10＝增益50
		11＝增益38

表1：采样传感器控制字格式

因此，在解码器/状态机接收到来自微控制器的控制字后，解码器/状态机可以使得适合的框能够实行由控制字指示的功能。

图8示出一种方法，该方法示出了N位控制字如何可以诱导与图7一致的双传感器模块中的功能的一个例子。

在802，该方法分析控制字以确定要读取的传感器类型。如果该方法确定要进行加速度测量(在802的‘是’)，则该方法行进到804，其中它设置ADC的增益到第一等级。随后在806，当对ADC使用第一增益等级时，通过将来自加速度计的模拟电压转换为数字值而进行加速度测量。

相反，如果要进行压力测量(在802的‘否’)，则该方法继续到808，其中它确定要执行手动压力感测还是自动压力感测。如果选择手动压力感测(在808的‘是’)，则该方法继续到810，其中该方法评价要读取低压力范围还是高压力范围。如果要读取低压力范围(在810的‘是’)，则在812中设置ADC增益到第二等级，在812之后在814处使用第二ADC增益等级将来自压力传感器的模拟电压转换为数字值。如果要读取高压力范围(在810的‘否’)，则在816中设置ADC增益到第三等级，在816之后在814处使用第三ADC增益等级将来自压力传感器的模拟电压转换为数字值。

如果选择自动压力感测(在808的‘否’)，则该方法前进到818以确定首先要读取高压力范围还是低压力范围。如果在818要首先读取低范围(‘是’)，则在820设置ADC的增益等级到第二等级，其中第二ADC增益等级可以不同于第一ADC增益等级(在804)。在822，将压力传感器的模拟电压转换为数字值。在824，该方法确定环境压力是否大于高压力阈值(PTh_High)。如果否(在824的‘否’)，则来自822的数字值被认为是正确的并且不进行进一步的测量，从而倾向于限制功率。然而如果这样(在824的‘是’)，则在826中该方法设置ADC增益到第三等级以实行高压力测量。然后在828中，读取模拟值并且使用第三ADC增益等级将其转换为数字值。

如果首先要读取高压力范围(在818的‘否’)，则接着是框830-838。特别地，框838可以利用不同的压力阈值PTh_Low(其中PTh_Low未必与PTh_High相同)以确定高压力测量是否可靠。

尽管关于一个或多个实施方式示出和描述了本公开，但是基于对说明书和附图的阅读和理解，本领域其他技术人员将想到等效的更改和修改。例如，尽管在这里示出的例子只示出了两个压力范围，但是在其它实施例中可以包括多于两个压力范围。无论包括的压力范围的精确数目多少，压力范围可以完全无重叠、部分重叠和/或可以相互隔开。压力范围是相同大小(例如，具有其间共享共同差值的相应端点)，或者可以是不同大小(例如，具有其间具有不同差值的相应端点)。另外，ADC范围的范围不仅可以通过增益级进行改变，也可以通过改变数字输出值的位数N进行改变。

本公开包括所有这样的修改和更改，并且仅受以下的权利要求范围限制。特别关于上述部件(例如，元件和/或资源)执行的各种功能，除非另外表示，用于描述这样的部件的术语意在对应于执行所描述部件的指定功能的任意部件(例如，其在功能上是等效的)，尽管在结构上不与在这里示出的示例性公开实施方式中执行该功能的所公开结构等效。另外，尽管可以关于若干实施方式中的仪一个实施方式公开了本公开的特定特征，但是这样的特征可以与其它实施方式的一个或多个其它特征相结合，如针对任何给定或特定应用可能所预期的和有利的。另外，在本申请以及附加的权利要求中使用的冠词“a(一)”和“an(一个)”要被解释为意指“一个或多个”。

而且，就在详细的描述或权利要求中使用术语“包括”，“具有”，“有”，“带有”或它们的变形而言，这样的术语意在以类似于术语“包括”的方式是包括性的。

Claims

1.一种压力监测系统，包括：

压力传感器，用于输出模拟信号，其中所述模拟信号具有表示压力传感器所感测的环境压力的信号电平；

模数转换器(ADC)，用于在给定时间将所述模拟信号转换为N位数字信号，该N位数字信号代表2^N个独特输出码中的一个；

控制元件，用于向ADC提供控制信号，其中所述控制信号促使ADC从第一状态变化到第二状态，在所述第一状态中所述2^N个独特输出码在第一压力范围上隔开而在所述第二状态中所述2^N个独特输出码在第二压力范围上隔开。

2.如权利要求1的系统，进一步包括：

压力传感器与ADC之间的可变增益级，其中所述控制信号促使可变增益级从第一增益变化到第二增益，从而分别促使ADC从第一状态变化到第二状态。

3.如权利要求2的系统，其中控制元件包括用于提供控制信号的微控制器。

4.如权利要求1的系统，其中控制元件包括用于将模拟信号与压力阈值进行比较的比较器，并且其中控制信号是基于该比较。

5.如权利要求1的系统，进一步包括：

补偿模块，用于在第一状态期间应用第一多个补偿参数并且在第二状态期间应用第二多个补偿参数，其中第一和第二多个补偿参数分别说明在第一和第二压力范围上ADC和压力传感器中的非线性和其它误差因素。

6.如权利要求1的系统，其中第一压力范围完全落入第二压力范围内。

7.如权利要求1的系统，其中第一压力范围与第二压力范围仅仅部分重叠而没有完全落入第二压力范围内。

8.如权利要求1的系统，其中第一压力范围和第二压力范围无重叠。

9.如权利要求1的系统，其中限定第一压力范围的端点由第一差值分隔，该第一差值大于分隔限定第二压力范围的端点的第二差值。

10.如权利要求9的系统，其中第一压力范围中的相邻独特输出码以第一距离隔开，并且其中第二压力范围中的相邻独特输出码以第二距离隔开。

11.一种压力监测方法，包括：

接收与环境压力对应的模拟压力信号；

提供控制信号以将模拟压力信号转换为N位数字信号，其中当控制信号处于第一状态时N位数字信号代表在第一压力范围上隔开的2^N个独特输出码，并且其中当控制信号处于第二状态时N位数字信号代表在第二压力范围上隔开的2^N个独特输出码。

12.如权利要求11的方法，进一步包括：

在接收到监测环境压力的请求后，设置控制信号到第一状态并且存储第一数字压力测量以及随后设置控制信号到第二状态并且存储第二数字压力测量。

13.如权利要求12的方法，进一步包括：

选择第一和第二数字压力测量之一并且提供选择的数字压力测量以响应于测量环境压力的请求。

14.一种压力监测系统，包括：

模数转换器(ADC)，用于在给定时间将模拟信号转换为N位数字信号，该N位数字信号表示2^N个独特输出码中的一个；

控制器，用于向ADC提供控制信号，其中所述控制信号促使ADC从第一状态变化到第二状态，在所述第一状态中试图在第一压力范围中测量环境压力而在所述第二状态中试图在第二压力范围中测量环境压力；以及

位于压力传感器与ADC之间的可变增益级，其中所述控制信号促使可变增益级从第一增益变化到第二增益，从而分别促使ADC从第一状态变化到第二状态。

15.如权利要求14的系统，其中第一压力范围完全落入第二压力范围内。

16.如权利要求14的系统，其中第一压力范围与第二压力范围仅仪部分重叠而没有完全落入第二压力范围内。

17.如权利要求14的系统，其中第一压力范围和第二压力范围无重叠。

18.一种压力监测系统，包括：

比较器，用于将模拟信号与压力阈值进行比较并且基于该比较来提供控制信号；以及

模数转换器(ADC)，用于将模拟信号转换为N位数字信号，其中控制信号促使ADC从第一状态变化到第二状态，在所述第一状态中试图在第一压力范围中测量环境压力而在所述第二状态中试图在第二压力范围中测量环境压力。

19.如权利要求18的系统，其中第一压力范围完全落入第二压力范围内。

20.如权利要求18的系统，其中第一压力范围与第二压力范围仅仅部分重叠而没有完全落入第二压力范围内。

21.如权利要求18的系统，其中第一压力范围和第二压力范围无重叠。