CN103080853B

CN103080853B - 用于在安全关键的应用范畴中监测dsp的电路装置和方法

Info

Publication number: CN103080853B
Application number: CN201180042668.7A
Authority: CN
Inventors: N·库尔茨; C·博纳茨; E·马赫
Original assignee: Diehl Aerospace GmbH
Current assignee: Diehl Aerospace GmbH
Priority date: 2010-10-01
Filing date: 2011-09-15
Publication date: 2015-06-17
Anticipated expiration: 2031-09-15
Also published as: CN103080853A; US9322841B2; BR112013007426B1; DE102010047269A1; WO2012041450A1; EP2622418B1; EP2622418A1; CA2806759C; DE102010047269B4; CA2806759A1; BR112013007426A2; US20130173198A1

Abstract

本发明涉及一种在安全关键的应用范畴中通过传感器触发的包括DSP的控制和/或显示系统的电路装置和一种用于监测DSP的方法，其中，使传递给DSP的定位和/或位置信号关于其信息量减少，将减少后的信息量输入给定位和位置计算级并且检验由DSP测定的单义的定位和/或位置是否在精度和/或多义性的范畴中包含在由定位和位置计算电路确定的不精确和/或多义的定位和/或位置中，并且在检验结果为否定时发出传感器错误信号。

Description

用于在安全关键的应用范畴中监测DSP的电路装置和方法

技术领域

本发明涉及一种在安全关键的应用范畴中传感器触发的控制和/或显示系统的、包括数字信号处理器（DSP）的电路装置以及一种用于在安全关键的应用范畴中监测DSP的方法，其中，DSP由定位和/或位置传感器的定位和/或位置信号测定物体的当前定位和/或位置。

背景技术

数字信号处理器和其应用可能性是众所周知的。也已知这种DSP可用于定位和位置传感器的定位和位置信号的信号处理范畴中，在此可以以较少的研发费用研制出复杂的系统和电路装置。由于集成电路非常复杂并且电路图通常不向公众公开，这些电路通常不能被充分分析和充分测试。但对于安全关键的应用而言，这些是这种电路应用的基本前提。至少必须能够通过冗余且独立研发的第二电路检测电路中可能出现的错误。原则上可使用来自两个彼此独立的源的DSP并且通过比较这两个DSP发出的信号来检测错误，但这几乎使制造成本翻倍，因而对于廉价的电路装置而言不存在这种可能性。

发明内容

因此，本发明的任务是找到一种将这种DSP研发简单的优势与检验必要性相结合的可能性，且无需使用两个不同的DSP。

该任务通过独立权利要求的特征得以解决。本发明有利的扩展方案为从属权利要求的技术方案。

发明人已有如下认识：

在控制系统中借助不同的传感器采集过程值。一些过程值、尤其是位置值通过传感器来测定，所述传感器需要分析评估多个交流电压相互间的比值，例如线性位置传感器、如LVDT（线性可变差动变压器）、以及角度传感器、如RVDT（旋转可变差动变压器）、分解器和同步器。这些传感器通常通过交流电压来激励并且返回一个或多个次级交流电压。位置信息不仅包含在相对于激励电压的次级电压的振幅中，而且也包含在相位中。

在引入数字信号处理器（DSP）之前，通过定制电路采集这种传感器，即一部分借助分立元件，一部分在集成电路中。对于同步传感器而言，例如将输入滤波器、输入放大器、转换器（斯科特-T变压器）和分解器数字转换器（RDC）构造在一个印刷电路板上。

现在可借助数字信号处理器来采集这种传感器数据，所述处理器能够在高采样频率中同时处理多个模拟的输入信号和输出信号。这种数字信号处理器的优点在于：

－可在DSP中进行测量链的所有功能、即转换和分析评估，可省略放大步骤。

－DSP可采集多个传感器。

－也可由同一DSP产生激励电压。

－采集以高精度进行。

－可通过软件调整测量链的传递函数和其它特性。

－可通过软件实现错误识别、如断线，无需额外的检验电路。

－成本低。

－功耗低。

－在印刷电路板上的安装空间小。

－平均无故障时间（MTBF＝Mean Time Between Failures）高。

－在集成期间并且在日后在现场可通过软件上传进行改变。

在某些应用中，测量值可用于安全关键的功能中，也就是说，错误的数值将导致身体和生命、环境或财产的巨大风险。对于复杂的电子元件、例如DSP通常无法以足够的可靠度证明无缺陷性。因此DSP不能毫无问题地用于安全关键的应用中。

即使使用两个冗余的DSP也无法补救所有错误情况，因为这两个级（Instanz）可能因共同的原因出现错误。而使用两个冗余设置的不同的DSP会使DSP的大部分优点丧失，正如通过一个完整的传统电路来监测DSP。

出于这个原因，理想的是提供一种装置或方法，其能够以最小的附加电路花费用来检验由DSP采集到的测量值。与传统的电路相反，在此可利用对检验值精度、传递速度和单义性方面不那么严格的要求。由此并且通过使用其它现有的元件本发明提供了一种简单且廉价的方法来检验由DSP采集到的传感器值使得其适合用于安全关键的应用中。

如将次级交流电压整流，它们可通过任何常规的A/D转换器（模拟/数字转换器）来采集。控制系统需要至少有一个中央处理器（CPU），该中央处理器借助由传统电路和/或数字信号处理器采集到的过程数据进行控制计算。

所述中央处理器通常支持至少一个模拟输入信道，该输入信道借助多路复用器可采集任意数量的模拟电压，尽管采样频率减小。

但却无法单义地由整流后的电压确定传感器位置。另外，整流构成低通滤波过程并导致时间延迟和信号放大。

出于这个原因，整流后的次级电压不能以和用于计算传感器位置的正常算法相同的方式被处理。为此，须在计算时考虑信号采集时的时间延迟和基于相位信息损失的多义性：

－采集整流后的次级电压、例如x和y；

－使一个或两个电压反相：x^*=－x，y^*=－y，以补偿整流期间相位信息的损失;

－与p＝(x,y)和p^*＝f(x^*,y)关联计算传感器位置。

低通滤波和其它引入信号链中的时间延迟可通过传递函数f(t)来表示。为了补偿该传递函数，可借助倒置的传递函数转化采集到的电压或计算出的传感器位置。由于用于补偿信号延迟（例如PD元件）的超前特性（Voreilverhalten）通常导致背景噪声的高度放大，所以优选将该传递函数用于由数字信号处理器计算出的传感器位置P：

P'=f(P(t))

通常，P信号链g(t)中的时间延迟明显小于p或p^*信号链中的时间延迟，因此可忽略该时间延迟。如情况并非如此，则可如下导出P'：

P'=g^-1f(P(t))

在到目前为止的过程中，未考虑电压对（x,y^*)和(x^*,y^*)。但所述电压对也可被计算或者原始位置P可被减小到大致相应于p、p^*的值域上，该值域通常由m=180度的模除（Modulo-Operation）来产生：

P''＝P'mod(m)

现在，p、p^*值中的至少一个必须几乎/精确地与P''一致，否则P值错误。此外，可监测x和y电压，以便检验所述值是否位于有效范围内。

根据上面所述的基本思想，发明人提出了一种电路装置和一种方法。

因此，在利用DSP的安全关键的应用范畴中，通过传感器触发的控制和/或显示系统的根据本发明的电路装置包括：

－至少一个传感器，该传感器向DSP发出交替的具有振幅和相位的差动电压形式的定位和/或位置信号，DSP由输入的信号计算出相对精确和单义的定位和/或位置信息、

－信号调节电路，该信号调节电路使所述定位和/或位置信号关于其信息量减少、

－第一子元件，该第一子元件从关于其信息量减少的定位和/或位置信号进行关于其精度减少的和/或多义的定位和位置计算、

－第二子元件，该第二子元件用作控制级，其检验由DSP测定的单义的定位和/或位置是否在精度和/或多义性的范畴中与由定位和位置计算电路确定的不精确和/或多义的定位和/或位置一致和/或被包含在其中，以及

－第三子元件，该第三子元件在控制级的检验结果为否定时发出传感器错误信号。

有利的是，可这样构造信号调节电路，使得其仅传递定位和/或位置信号的振幅。

尤其是为了实现简单的、可根据现有安全规定完全被分析和测试的电路规定，信号调节电路由模拟构件构成，尤其是包括至少一个整流器二极管和至少一个后接的低通滤波器。

此外有利的是，至少一个子元件通过计算单元和在运行中在其中被执行的软件的组合来实现。

根据本发明的电路装置的一种具体应用，该电路装置尤为适合用于安全关键的应用中，例如所述至少一个传感器是飞机着陆襟翼的位置传感器。

此外，发明人还提出一种用于在安全关键的应用范畴中监测DSP的方法，其中，DSP由定位和/或位置传感器的定位和/或位置信号测定物体的当前定位和/或位置，其方式是：

－使传递给DSP的定位和/或位置信号关于其信息量减少，

－将减少的信息量输入给定位和位置计算级，该定位和位置计算级从关于其信息量减少的定位和/或位置信号计算出关于其精度减少的和/或多义的定位和/或位置，

－检验由DSP测定的单义的定位和/或位置是否在精度和/或多义性的范畴中与由定位和位置计算电路确定的不精确和/或多义的定位和/或位置一致，并且

－在检验结果为否定时发出传感器错误信号。

在此有利的是，信号调节电路可仅传递定位和/或位置信号的振幅信息。

有利的是，定位和/或位置信号的信息量的减少通过模拟整流器和随后的模拟低通滤波器进行。这类电路通常可被完全分析和测试，因此满足航空技术或军事的高安全性要求。

此外，可通过计算单元借助在运行中被执行的软件由定位和/或位置信号的减少的信息量进行定位和/或位置计算。

也可通过计算单元借助在运行中被执行的软件检验由DSP测定的单义的定位和/或位置是否在精度和/或多义性的范畴中包含在与由定位和位置计算电路确定的不精确和/或多义的定位和/或位置中。

此外，可通过计算单元借助在运行中被执行的软件在检验结果为否定时发出传感器错误信号。

最后要指出，在根据本发明的方法的一种优选应用中，所述至少一个传感器可检测着陆襟翼的位置。

附图说明

下面参考附图借助优选的实施例详细说明本发明，在此仅示出对理解本发明而言重要的特征。附图如下：

图1为分解器的激励电压的曲线；

图2为第一次级电压的曲线（正弦）；

图3为第二次级电压的曲线（余弦）；

图4为分解器的次级电压在第一象限中在角度位置为40°时的相移；

图5为分解器的次级电压在第二象限中在角度位置为130°时的相移；

图6为分解器的次级电压在第三象限中在角度位置为220°时的相移；

图7为分解器的次级电压在第四象限中在角度位置为310°时的相移；

图8为用于根据本发明监测由DSP采集到的传感器值的电路装置。

具体实施方式

常见的位置传感器，如LVDT、RVDT、分解器和同步器通常借助交流电压来激励并且输出一个或多个根据检测到的位置相对于激励电压不仅振幅不同而且相位也不同的次级交流电压。所述次级电压在其相对于激励电压的振幅和相位中包含传感器位置信息，这在图1至3中以分解器、即角度传感器为例通过一个完整的旋转来示出。

图1的曲线图示出纵坐标上的激励电压关于横坐标上的时间（通过分解器的角度位置表示）的曲线。图2和3示出高频正弦波和余弦波形式的两个次级电压在时间上并行的曲线，另外包络线表示振幅随时间的变化。附加的矩形延伸的线在此表示次级电压的相位，其中值1表示与激励同相并且（-1）表示与激励反相。

可以看出，在每个象限内相位是恒定的并且在向下一象限过渡时次级电压分别在相位中发生阶跃变化。而每个象限内的精确位置则仅可由振幅的比值识别出。

交流电压的振幅可通过简单的整流来测定，而相位的分析评估则是导致传统电路复杂性的关键因素之一。

为了获得简单的电路，在本发明中将次级电压整流并省略对相位的分析评估。通常，控制或调节系统包括至少一个CPU，该CPU执行调节和控制算法。CPU通常具有至少一个模拟输入端（A/D-转换器），借助其可独立于DSP采集整流后的次级电压。

但无法借助整流后的电压单义地测定传感器位置。图4至7示出开头所提分解器的激励电压和次级电压，例如用于角度传感器的四个不同角度位置，在所述角度位置中电压仅相位不同，而相应振幅是相同的。图4相当于第一象限中40°的角度位置，图5相当于第二象限中130°的角度位置，图6相当于第三象限中220°的角度位置并且图7相当于第四象限中310°的角度位置。

为了获得均匀的振幅信号，将整流器与低通滤波器耦合、组合或两者集成地构造，另外还可设置一个放大器。在此测量值被加载时间延迟，以致应在随后与DSP输出信号的比较时考虑整流后的次级电压的延迟或者应进行相应的时间调整。

但原则上也可检验由DSP输出的定位或位置是否匹配四个由低通滤波后的振幅信号计算出的可能的位置变量之一。如情况并非如此，则存在错误。

最后，图8示出根据本发明的用于监测DSP的电路装置的一种具体的实施方式。在此，传感器定位和位置信号以次级电压x和y的形式不仅输入给DSP，而且与此并行地也输入给信号调节装置，在那里传感器位置信号通过整流器和低通滤波器分别从交流电压被转换为直流电压并且必要时被放大。在在此所示的最简单的实施方式中，该必要的唯一附加硬件电路可借助两个二极管和两个电阻来实现。

接着，通过CPU独立于DSP数字采集整流后的次级电压。

由于不存在相位信息，现在必须考虑相位的不同情况。相位信息现在被整流后的次级电压的符号所代替。因此将一个或两个电压x^*=－x，y^*=－y反相。

然后测定两个传感器位置，这两个传感器位置与采集到的和反相的次级电压一致，其中p＝f(x,y)并且p^*＝f(x^*,y)。

低通滤波的延迟和测量链的其它延迟可通过传递函数f(t)来表示。为了补偿该延迟，可为采集到的次级电压加载倒转的（inverse）传递函数。由于这通常导致信号错误不希望的放大，所以取而代之优选也借助f(t)来延迟由DSP计算出的位置值：P'=f(P(t))。

通常P测量链中的延迟g(t)远小于p、p^*测量链中的延迟，因此可被忽略不计。否则需要如下测定P'：P'=g^-1f(P(t))。

到目前为止未考虑电压对（x,y^*)和(x^*,y^*)。所述电压对也可被计算或者位置P'被减小到通过p、p^*覆盖的值域上。这例如通过模除P''＝P'mod(m)且m=180度来进行。

现在，p、p^*值中的至少一个必须在测量精度范围中与P''接近一致，否则在传感器采集中存在错误。

此外，也可对采集到的信号进行其它检验，以改善错误识别。例如可检验次级电压是否位于有效值域内或检验位置P的不连续性。

总之，借助本发明提出一种在利用DSP的安全关键的应用范畴中、通过传感器触发的控制和/或显示系统的根据本发明的电路装置和用于监测DSP的方法，其中，使传递给DSP的定位和/或位置信号关于其信息量减少，将减少的信息量输入给定位和位置计算级并且检验由DSP测定的单义的定位和/或位置是否在精度和/或多义性的范畴中包含在由定位和位置计算电路确定的不精确和/或多义的定位和/或位置中，并且在检验结果为否定时发出传感器错误信号。

当然，本发明的上述特征不仅可在所说明的组合中，而且也可在其它组合中或单独被使用，而不离开本发明的范畴。

Claims

1.在利用DSP的安全关键的应用范畴中通过传感器触发的控制和/或显示系统的电路装置，包括：

1.1至少一个传感器，该传感器向DSP发出形式为交替的差动电压的定位和/或位置信号，所述差动电压具有振幅和相位，DSP由输入的信号计算出相对精确和单义的定位和/或位置信息；

1.2信号调节电路，该信号调节电路使所述定位和/或位置信号关于其信息量减少；

1.3第一子元件，该第一子元件从关于其信息量减少的定位和/或位置信号中进行关于其精度减少的和/或多义的定位和位置计算；

1.4第二子元件，该第二子元件用作控制级，检验由DSP测定的单义的定位和/或位置是否在精度和/或多义性的范畴中与由定位和位置计算电路确定的不精确的和/或多义的定位和/或位置一致和/或被包含在其中，以及

1.5第三子元件，该第三子元件在控制级的检验结果为否定时发出传感器错误信号。

2.根据上述权利要求1的电路装置，其特征在于，这样构造信号调节电路，使得该信号调节电路仅传递定位和/或位置信号的振幅。

3.根据上述权利要求2的电路装置，其特征在于，所述信号调节电路由模拟构件构成。

4.根据上述权利要求1至3之一的电路装置，其特征在于，所述信号调节电路包括至少一个整流二极管和至少一个随后的低通滤波器。

5.根据上述权利要求1至3之一的电路装置，其特征在于，至少一个子元件通过包括计算单元和运行时在计算单元中被执行的软件的组合来实现。

6.根据上述权利要求1至2之一的电路装置，其特征在于，所述至少一个传感器是着陆襟翼的位置传感器。

7.用于在安全关键的应用范畴中监测DSP的方法，其中，DSP由定位和/或位置传感器的定位和/或位置信号测定物体的当前定位和/或位置，其方式是：

7.1使传递给DSP的定位和/或位置信号关于其信息量减少，

7.2将减少后的信息量输入给定位和位置计算级，该定位和位置计算级从关于其信息量减少的定位和/或位置信号计算出关于其精度减少的和/或多义的定位和/或位置，

7.3检验由DSP测定的单义的定位和/或位置与由定位和位置计算电路确定的不精确和/或多义的定位和/或位置是否包含在精度和/或多义性的范畴中，并且

7.4在检验结果为否定时发出传感器错误信号。

8.根据上述权利要求7的方法，其特征在于，所述信号调节电路仅传递定位和/或位置信号的振幅信息。

9.根据上述权利要求7至8之一的方法，其特征在于，所述定位和/或位置信号的信息量的减少通过模拟整流装置和随后的模拟低通滤波装置进行。

10.根据上述权利要求7至8之一的方法，其特征在于，通过计算单元借助运行时被执行的软件从定位和/或位置信号的减少后的信息量中进行定位和/或位置计算。

11.根据上述权利要求7至8之一的方法，其特征在于，通过计算单元借助运行时被执行的软件检验由DSP测定的单义的定位和/或位置是否在精度和/或多义性的范畴中与由定位和位置计算电路确定的不精确的和/或多义的定位和/或位置一致。

12.根据上述权利要求7至8之一的方法，其特征在于，通过计算单元借助运行时被执行的软件在检验结果为否定时发出传感器错误信号。

13.根据上述权利要求7至8之一的方法，其特征在于，所述至少一个传感器分别检测着陆襟翼的位置。