CN102957416B - 应用虚拟电阻器技术的传感器接口 - Google Patents

Abstract

本公开的一些实施方式涉及一种应用虚拟电阻器技术的传感器接口模块。该传感器接口模块包括：比较器，具有第一比较器输入端、第二比较器输入端和比较器输出端；电流或电压控制元件，具有被耦接至比较器输出端的控制端子，以及被设置用于传递经调制的电流或经调制的电压信号至传感器接口模块输出端的输出端；第一反馈通路，将电流或电压控制元件的输出端耦接至第一比较器输入端；求和元件，具有第一求和输入端、第二求和输入端和求和输出端，其中求和输出端被耦接至所述第二比较器输入端；电源电压模块，被配置为向所述第一求和输入端提供电源电压；以及第二反馈通路，将所述比较器输出端耦接至所述第二求和输入端。

Description

应用虚拟电阻器技术的传感器接口

技术领域

本发明涉及传感器接口，具体地，涉及应用虚拟电阻器技术的传感器接口。

背景技术

现代车辆包含有大量的传感器阵列，诸如气囊传感器、轮胎压力传感器、发动机传感器、安全带传感器以及很多其他的传感器。例如，发动机传感器能够为发动机控制单元（engine control unit，ECU）提供关于车辆发动机循环的数据。基于来自发动机传感器的数据，ECU可以对发动机循环做出改变（例如，火花塞定时（timing）和/或燃料注入参数）以优化发动机性能。

随着车辆传感器数量的增加，对于汽车制造商来说集成正成为严峻的挑战。例如，将ECU连接到其对应发动机传感器的配线可能是几米长。这些配线在汽车系统中是很重要的成本因素而且增加了车辆的整体重量。因此，一些例如诸如PSI5和DSI的传统接线接口将配线数量限制在两线。这些接口可以被应用于汽车气囊传感器、传动系系统、以及ABS轮速传感器的非标准化脉宽调制（pulse width modulated，PWM）协议等中。

然而，据发明人所知，传统传感器接口因一些原因还并不理想。因此，发明人已设计如下文所述的改进的传感器接口。

发明内容

根据本发明实施方式的一个方面，提供了一种传感器接口模块，其包括：比较器，具有第一比较器输入端、第二比较器输入端和比较器输出端；电流或电压控制元件，具有：控制端子，被耦接至比较器输出端；以及输出端，被配置为将经调制的电流或经调制的电压信号传递至传感器接口模块的输出端；第一反馈通路，将电流或电压控制元件的输出端耦接至第一比较器输入端；求和元件，具有第一求和输入端、第二求和输入端和求和输出端，求和输出端被耦接至第二比较器输入端；电源电压模块，被配置为向第一求和输入端提供电源电压信号；以及第二反馈通路，将比较器输出端耦接至第二求和输入端。

根据本发明实施方式的另一方面，提供了一种传感器接口模块，包括：比较器，具有第一比较器输入端、第二比较器输入端和比较器输出端；电流或电压控制元件，具有：控制端子，被耦接至比较器输出端；以及输出端，被配置为传递经调制的电流或经调制的电压信号至传感器接口模块的输出端；第一反馈通路，将电流或电压控制元件的输出端耦接至第一比较器输入端；第二反馈通路，将比较器输出端耦接至第二比较器输入端；以及第二反馈通路上的虚拟电阻元件。

附图说明

图1为根据一些实施方式的车辆传感系统的方框图。

图2为可被发送至车辆传感系统传感器的经调制的电压信号的波形图。

图3为可从车辆传感系统传感器被发送的经调制的电流信号的波形图。

图4为包括实际电阻器并有一些缺陷的传感器接口模块的方框图。

图5至图6为示出图4的传感器接口模块如何可以展示以配线网的谐振频率进行不期望的衰减的波形图。

图7为根据一些实施方式的传感器接口模块的方框图。

图8为根据另一种实施方式的传感器接口模块的方框图。

图9为根据另一种实施方式的传感器接口模块的方框图。

图10至图12示出使用图9的调制单元的PSI5接收器的模拟结果。

具体实施方式

现参照附图描述所要求的主题，其中，通篇相似的参照数字用于指示相似的元件。在下面的描述中，为了解释的目的，众多的具体细节被阐述以提供对所要求的主题的透彻理解。然而，很明显没有这些具体细节，所要求的主题也是可以实践的。

本公开的各方面旨在提供传感器接口模块，该传感器接口模块将电源电压传递到多个传感器，并在多个传感器与控制器（例如，ECU）之间交换数据信号。传感器接口常采用虚拟电阻器而非实际电阻器，以限制功耗及制造成本。例如鉴于第一反馈通路帮助将传感器接口的输出调谐为目标信号（例如，来自控制单元的第一控制信号），虚拟电阻器可以以乘法器的形式被设置在第二反馈通路。与带有实际电阻器的传感器接口模块相比，带有虚拟电阻器的传感器接口模块限制了制造成本和功耗。

为了更好地理解本公开的一些方面，根据本公开的一些实施方式，图1示出了包括传感器接口模块102的车辆传感系统100。一方面，传感器接口模块102具有耦接至控制单元106（例如，ECU）的控制单元接口104；另一方面，传感器接口模块102具有耦接至一对配线112和114的传感器接口108。这对配线被耦接至多个传感器116（例如，116a，116b，……116c）。为了抑噪和削弱线谐振，RC滤波器118被耦接至传感器接口108。

为传送信息至传感器116，传感器接口102包括调制单元120，该调制单元调制电源电压（例如，直流电源电压）以向至少一个传感器116传送信息。为了从传感器116接收信息，传感器接口包括解调单元122，该解调单元解调经调制的电流信号以从至少一个传感器116接收信息。

图2示出调制单元（例如，图1中的调制单元120）如何可以传送经调制的电压信号200至传感器。经调制的电压信号200被传送以在高电源电压（V_HIGH）和低电源电压（V_LOW）之间变化。尽管也可以使用其他编码方案，但在图2的实例中，上升沿电压阶跃对应于逻辑“0”，下降沿电压阶跃对应于逻辑“1”。当数据不被传送时，调制单元经常向传感器提供未经调制（例如，直流）的电源电压，从而通过这对配线给传感器供电而不使用其他专用电源导线。

图3示出解调单元（例如，图1中的解调单元122）如何可以评估经调制的电流信号300以解码由传感器传送的信息的一个实例。在图3的实例中，数据比特可以被编码为经调制的电流信号300的符号（symbol），其中每个符号由三个码片组成并对四个数据比特编码。解调单元可以对经调制的电流信号300进行数字采样以辨别（discern）在给定符号周期内已经传送了符号中的哪个，进而解码由传感器传送的数字比特流。

图4示出有一些缺点的调制单元400（例如，图1的调制单元120）更详细的示意图。从图4中可以看到，在一侧，调制单元400包括接口至控制单元404的控制单元接口402。在另一侧，调制单元400包括传感器接口406，该传感器接口406接口至耦接至传感器的一对配线408、410。调制单元400包括耦接至比较器414的第一输入端的电源412。比较器414的输出端被耦接至PID控制器416。PID控制器416的输出端又被耦接至第一和第二数字控制电流源418、420。反馈通路422将调制单元400的输出节点424耦接回比较器414的第二输入端。

在运行期间，调制单元400可以基于来自控制单元404的第一控制信号426改变输出节点424上的其输出电压。具体地，426上的第一控制信号设定比较器输入端428上的目标电压。然后比较器414调整其在430上的误差信号电压（其设定由PID控制器416输出的第二控制信号432）直到在输出节点424上的调制单元的输出电压匹配目标电压428为止。简而言之，调制单元400接收426上的第一控制信号调节其在输出节点424上的输出电压，以使输出电压追踪（track）第一控制信号426，进而将期望的信号传送至传感器。

尽管图4的结构某些方面是充分的，但其确实有一些缺陷。例如，由于不同的车辆配线不同，在本构造中PID控制器416无法容易地适配不同的电感和/或电容。例如，一个车辆可能需要较长的配线（例如，大的电容和电感），而另一辆车可能需要较短的配线（例如，小的电容和电感）。从制造的角度看，单个PID控制器通用于这些不同的车辆是理想的。然而，不同车辆负载情况的宽广的范围（例如，电容和电感的大范围）令固定元件尺寸的单个PID控制器难以通用于这些车辆。

进一步地，即使在给定的车辆内，固定配线网的电容和电阻也会引起不期望的谐振频率。例如，图5示出当使用图4的调制单元时，被插在RC滤波器（例如，图1中的118）和其对应传感器（例如，图1中的116）之间的电阻器-电感器-电容器（resistor-inductor-capacitor，RLC）电路的开环传递函数。对图5的开环传递函数而言，电感器和电容器具有固定值，而不同的曲线对应不同的电阻器值（曲线1R_E=0Ω、曲线2R_E=4Ω、曲线3R_E=12Ω）。在串联谐振频率502处开环增益有一个明显的下降（drop），其中在该下降的幅度取决于电阻器R_E的大小。通常，越小的电阻器对应越大的信号衰减。

图6示出与图5相同的设定对应的闭环传递函数。如可以看到的，未减弱的串联谐振在谐振频率602处引起信号严重的失真，其中，谐振频率602位于100KHz到2MHz之间的频段内，在很多实施中该频段可以用于控制单元和其对应传感器间的通信。为了准确并可靠地传输信号，闭环传递函数应在传送信号频带中提供常量增益和最小化相移。如由图5至图6可推断，相比于低电阻值，越高的电阻值趋于提供越好的信号质量。因此，有人可能认为应用大的分立电阻器R_E将是首选。然而，发明人认识到从制造的观点来看大电阻器R_E的成本是不可忽略的，而且这样的电阻器在运行中会消耗大量的电能。

为了限制这些缺陷，发明人已开发了使用虚拟电阻器的改进传感器接口。具体地，不应用具有不可忽略的制造成本和不可忽略的功耗的大电阻器R_E，本公开的多方面使用虚拟电阻器方案，通过使用虚拟电阻器方案，调制单元调制其功率以仿真实际电阻器的性能（即使不用实际电阻器或用相对小的电阻器）。图7至图9示出使用这种虚拟电阻器技术的传感器接口的实施方式。

图7示出根据本公开的一些方面的传感器接口模块700。除了通过第一反馈通路708耦接的比较器（或模拟数字转换器（ADC））702、PID控制器704和电流或电压控制元件706之外，传感器接口模块还包括促进虚拟电阻功能的第二反馈通路710。第二反馈通路710包括进行所示耦接的高通滤波器712、乘法器714以及求和元件716。乘法器714的输出端被耦接至求和元件716的第一求和输入端。电源电压模块718将其输出端耦接至第二求和输入端。求和输出端被耦接至比较器702的输入端。

在本构造中，PID控制器704的输出端直接控制电流或电压控制元件706（从而控制输出节点720上的电流和电压）。因此，PID控制器704的数字输出信号与输出节点720上的电流成正比。为了得到由实际电阻器R_E所引起的电压降（如果这种电阻位于图4所示的位置），乘法器714将PID控制器输出（电流）与虚拟电阻值R_EVI相乘。在求和元件716中，该乘积被从电源电压718提供的目标信号中减去。由于该附加的反馈/虚拟电阻，720上的调制单元的输出随负载的电流消耗而成比例地降低——正像真实的电阻器被插入在电流通路上那样。然而，因为图7的方案能够省略电阻器R_E或用比之前更小的电阻器R_E，图7的调制单元相比之前的实施潜在地节省了成本和电能。

在图7的实施方式中，虚拟电阻值R_EVI是固定的数字值。例如，虚拟电阻值R_EVI可能是16比特的数字值，其中，更大的虚拟电阻值仿真更大的实际电阻器，更小的虚拟电阻值仿真更小的实际电阻器。

一旦电阻器的性能被数字建模，对于在有助于数据传输的频率范围以下的频率或在线谐振范围内的需要减弱的频率，可以容易地绕开该虚拟电阻功能。例如，如果数据将在100KHz与2MHz之间的频段中被发送，则高通滤波器712可被设定为只通过100KHz以上的频率，这样低于100KHz的频率被衰减，从而致使对小于100KHz频率乘法器714的乘积为零值。以这种方式，高通滤波器712仿真了由在高频率范围起主要作用的电阻器和在低频上绕开该电阻器的线圈组成的电源阻抗。如果希望在高频上有更低的阻抗，另一选择是可以将高通滤波器712换成带通滤波器。总之，可仿真任何种类的能够用数字滤波器建模的具有频率依赖性的阻抗。

图8示出了虚拟电阻值R_EVI作为在720上输出的经调制的电流信号的函数（例如，非线性函数）变化的另一实施方式。例如，只要经调制的电流在正常操作范围内，在一些实施方式中可使用更高的虚拟电阻值，而如果经调制的电流超出了正常操作范围，则可用更低的虚拟电阻值。该特征对于传感器接口来说可能是很重要的，因为常常期望能保持传感器的电源电压在某一界限之上——否则传感器会进入电源重置并在恢复供电后重启。传感器的该重启可包括长初始化序列，该初始化序列包括自检和启动消息序列的传送，而在此期间ECU无法感应，这对于如气囊这样要求高使用性的安全相关系统是特别不期望的。

图9示出了说明取决于增益电流的虚拟电源阻抗如何能够被用来限制可容许电压降的另一种调制单元900的一个实施方式。在该实例中，第二乘法器902接收最大调制电流信号（I_{mod_max}）将其与虚拟电阻器值（R_EVI）相乘。然后电压降限制元件904基于第二乘法器输出的乘积限制电压降。这种情况下确保了预期由调制电流信号产生的信号如所期望的那样受虚拟电阻的影响，但是，可能超出可容许电压降的信号引起随实际调制电流信号和最大调制电流信号间的差的增加而持续降低的电阻。

图10至图12示出使用图9的调制单元的PSI5接收器的模拟结果。对于这些图中的每一幅，右上方的图表包括曲线4和曲线5。曲线4表示用作控制器的指导值（lead value）的参考电压，而曲线5表示调制单元的输出值。在这些图中中右方图表中的每一个包括曲线6和曲线7，曲线6表示被传感器传送的曼彻斯特调制电流，曲线7表示被控制单元传递的电流。每幅图中下方的图表是眼图，其中重叠接收曲线间的内眼的张开（空白区域）给出了对接收信号质量的测量。在x方向和y方向上眼睛越大，接收信号的质量越好。

图10的实例将真实电阻器R_E和虚拟电阻值R_EVI值设定为零，以证明负载谐振对经调制的电流的影响。模拟结果说明从经调制的电流信号接收传送图案（pattern）将是困难的。此外，其示出当传感器消耗其静态电流时，在规则图案（regulation pattern）之前和之后传感器电源电压与目标电压V_ref相等，但却展示出高水平的更高频率失真。

图11的实例仅使用真实电阻器R_E（即，虚拟电阻值R_EVI被设为零）。模拟结果说明从经调制的电流信号接收传送图案是轻而易举的。此外，其示出由于电阻器R_E上的直流电压降，传感器电源电压在传感器的静态电流消耗期间处于目标值V_ref之下。

图12的实例用非零虚拟电阻值代替真实电阻器R_E。该模拟说明从经调制的电流信号接收传送图案是轻而易举的。此外，其示出传感器电源电压在传感器的静态电流消耗期间达到目标值V_ref，并避免由于在电流通路中真实电阻器上的电压降而产生的额外的功耗。

尽管关于一个以上的实施示出和描述了本公开，其他本领域技术人员将也会基于对该说明书和附图的阅读和理解对其进行等同替换和修改。

进一步地，应理解诸如“第一”“第二”的标识符并不意味关于其他元件的任何类型的顺序或布置；但其实“第一”和“第二”以及其他相似标识符只是通用标识符。另外，应理解术语“耦接”包括直接和间接耦接。本公开包括所有这样的修改和改变并仅被限制于所附的权利要求范围中。特别是对于被以上描述的多种组件（元件和/或资源）所运行的各种功能，如无其他指示，用于描述这样的组件的术语，旨在与运行所述组件特定函数的任何组件（例如功能性等同）对应，即使非结构性地等同于所公开的执行本公开的示例性实施说明的本文中功能的结构。另外，尽管本公开的特定特征可能仅对于几个实施之一进行了公开，这种特征可以与其他实施中的一个或多个其他特征相结合以满足或有利于任何给定的或特定的申请。此外，本申请和所附权利要求中所用的量词“a”和“an”应解释为“一个或更多”。

此外，关于应用于详细描述或权利要求中的术语“包括”、“具有”、“有”、“带有”或其变型的范围，这些术语旨在以与术语“包括”近似的方式被包括。

Claims (20)

1.一种传感器接口模块，包括：

比较器，具有第一比较器输入端、第二比较器输入端和比较器输出端；

电流或电压控制元件，具有：控制端子，被耦接至所述比较器输出端；以及输出端，被配置为将经调制的电流或经调制的电压信号传递至所述传感器接口模块的输出端；

第一反馈通路，将所述电流或电压控制元件的所述输出端耦接至所述第一比较器输入端；

求和元件，具有第一求和输入端、第二求和输入端和求和输出端，所述求和输出端被耦接至所述第二比较器输入端；

电源电压模块，被配置为向所述第一求和输入端提供电源电压信号；以及

第二反馈通路，将所述比较器输出端耦接至所述第二求和输入端。

2.根据权利要求1所述的传感器接口模块，进一步包括所述第二反馈通路上的虚拟电阻元件。

3.根据权利要求2所述的传感器接口模块，其中，所述虚拟电阻元件包括：

乘法器，被设置在所述第二反馈通路上，其中，所述乘法器被配置为基于所述第一反馈通路上的信号与虚拟电阻值的相乘向所述第二求和输入端提供乘积信号。

4.根据权利要求3所述的传感器接口模块，其中，所述虚拟电阻值是固定且预定的值。

5.根据权利要求3所述的传感器接口模块，其中，所述虚拟电阻值作为所述第一反馈通路上的所述信号的函数进行变化。

6.根据权利要求3所述的传感器接口模块，其中，所述虚拟电阻值在所述经调制的电流或经调制的电压信号的上升沿或下降沿被改变。

7.根据权利要求3所述的传感器接口模块，其中，所述虚拟电阻值基于所述第一反馈通路上的所述信号进行非线性变化。

8.根据权利要求3所述的传感器接口模块，进一步包括：

高通滤波器，位于所述第二反馈通路上的所述乘法器的上游或下游。

9.根据权利要求3所述的传感器接口模块，进一步包括：

电压降限制元件，位于所述第二反馈通路上的所述乘法器的上游或下游，被配置为限制电压降。

10.根据权利要求3所述的传感器接口模块，进一步包括：

第二乘法器，被配置为基于所述虚拟电阻值和电流阈值提供第二乘积信号，以及

电压降限制元件，位于所述第二反馈通路上的所述乘法器的下游，被配置为基于所述第二乘积信号限制电压降。

11.根据权利要求1所述的传感器接口模块，进一步包括：

PID控制器，包括PID输入端和PID输出端，其中，所述PID输入端被耦接至所述比较器输出端，所述PID输出端被耦接至所述电流或电压控制元件的所述控制端子。

12.根据权利要求11所述的传感器接口模块，其中，所述电流或电压控制元件包括：

第一和第二可变电流元件，被串联放置在电流通路上；其中，所述第一和第二可变电流元件的所述控制端子被耦接至所述PID控制器的所述输出端，其中，所述电流或电压控制元件的所述输出端被设置在所述第一和第二可变电流元件之间的电流通路上。

13.一种传感器接口模块，包括：

比较器，具有第一比较器输入端、第二比较器输入端和比较器输出端；

电流或电压控制元件，具有：控制端子，被耦接至所述比较器输出端；以及输出端，被配置为将经调制的电流或经调制的电压信号传递至所述传感器接口模块的输出端；

第一反馈通路，将所述电流或电压控制元件的所述输出端耦接至所述第一比较器输入端；

第二反馈通路，将所述比较器输出端耦接至所述第二比较器输入端；以及

所述第二反馈通路上的虚拟电阻元件。

14.根据权利要求13所述的传感器接口模块，其中，所述虚拟电阻元件包括：

乘法器，设置在所述第二反馈通路上，其中，所述乘法器被配置为基于所述第一反馈通路上的信号与虚拟电阻值的相乘向第二求和输入端提供乘积信号。

15.根据权利要求13所述的传感器接口模块，其中，所述虚拟电阻元件以固定且预定的数字值表征。

16.根据权利要求13所述的传感器接口模块，其中，所述虚拟电阻元件以作为所述第一反馈通路上的信号的函数进行变化的数字值表征。

17.根据权利要求16所述的传感器接口模块，其中，所述数字值基于所述第一反馈通路上的所述信号进行非线性变化。

18.根据权利要求14所述的传感器接口模块，进一步包括：

高通滤波器，位于所述第二反馈通路上的所述乘法器的上游或下游。

19.根据权利要求14所述的传感器接口模块，进一步包括：

电压降限制元件，位于所述第二反馈通路上的所述乘法器的上游或下游，被配置为限制电压降。

20.根据权利要求14所述的传感器接口模块，进一步包括：

第二乘法器，被配置为基于所述虚拟电阻值与电流阈值提供第二乘积信号，以及

电压降限制元件，位于所述第二反馈通路上的所述乘法器的下游，被配置为基于所述第二乘积信号限制电压降。