CN104015674B

CN104015674B - 具有模拟线路适配的传感器系统和方法

Info

Publication number: CN104015674B
Application number: CN201410068175.6A
Authority: CN
Inventors: D·哈默施密特
Original assignee: Infineon Technologies AG
Current assignee: Infineon Technologies AG
Priority date: 2013-02-28
Filing date: 2014-02-27
Publication date: 2016-11-23
Anticipated expiration: 2034-02-27
Also published as: DE102014102734B4; DE102014102734A1; CN104015674A; US10704988B2; US20140244206A1

Abstract

公开了一种具有模拟线路适配组件的传感器系统和方法。一种测量系统包含：信号总线，电子控制单元以及模拟传感器。所述电子控制单元耦合到所述信号总线。具有模拟线路适配的传感器也耦合到所述信号总线。所述模拟传感器被配置为根据所选择的阻抗和所选择的频率范围适配电流消耗。

Description

具有模拟线路适配的传感器系统和方法

技术领域

本发明涉及传感器，并且更具体地涉及具有仿真线路适配的传感器系统和方法。

背景技术

汽车系统是复杂系统，其包含计算机和组件以操作机动车辆和监控机动车辆的运行。该系统通常包含处理器，处理器控制和监控引擎运行等。该系统一般操作执行汽车功能的各种控制系统。通过监控，小问题能够被识别并且在变成大问题之前进行校正。

可在汽车系统中使用的典型的传感器系统包含：处理器、电子控制单元（ECU）、信号线和传感器。各种元件需要经由信号线彼此通信。然而，信号线和组件中的变化可能导致问题。

发明内容

本文公开了一种测量系统，包括：信号总线；电子控制单元，其耦合到所述信号总线；以及至少一个具有模拟线路适配的传感器，其耦合到所述信号总线，所述模拟线路适配被配置为根据所选择的阻抗和所选择的频率范围适配电流消耗。

并且本文还公开了一种具有模拟线路适配的传感器，包括：供电测量组件，其被配置为获得供电电压测量；线路适配组件，其被配置为根据所选择的阻抗、所选择的频率范围以及所述供电电压测量生成控制信号；以及适配组件，其被配置为根据所述控制信号适配线路阻抗。

附图说明

图1是具有线路适配组件的模拟传感器的汽车控制和测量系统的框图。

图2是图示能够在控制和测量系统中使用的示例传感器的图。

图3是图示提供阻抗适配的模拟传感器的图。

图4是图示在传感器的前端处包含滤波器的模拟传感器的图。

图5是图示在传感器的后端处包含滤波器的模拟传感器的图。

图6是图示用于生成适配电流的方法的示意图，其中在计算调节电流之前进行滤波。

图7是图示操作控制和测量系统的方法的流程图。

具体实施方式

现在，将参照附图描述本发明，其中在全文中相同的附图标记用于指相同的元件，并且其中所图示结构和设备未必按等比例绘出。

公开了有助于传感器系统的系统和方法。所述系统和方法包含具有模拟线路适配的传感器。例如，能够在诸如汽车分析和传感器系统的测量和分析系统中使用该传感器。

图1是具有模拟线路适配的传感器的汽车控制和测量系统100的框图。以简化的形式提供了系统100，以便有助于理解。应当了解的是，省略了组件等。

系统100包括电子控制单元（ECU）102、没有线路适配的传感器104、具有模拟线路适配的传感器106和信号线/总线108。ECU102是控制和/或监控机动车辆中的电气系统的系统。能够将ECU102分配给车辆的特定功能和/或系统，例如，动力传动控制、引擎控制、刹车控制、气囊等。ECU102生成并接收各种信号，所述信号包括测量信号和控制信号。

信号总线108包含：多个信号线，其在ECU102和系统100的其它组件之间传递信息。其它组件包含：可控制的组件、被监测组件，并且包含传感器104。信号总线108允许，通过多个信号线或连接在它们之间的电线，在各种组件之间进行通信。

传感器104测量和/或获得各种特征的测量。所述特征例如可包含：振动测量、化学测量、温度测量、流量测量、导航信息、位置信息、压力信息、温度等。传感器104可包含各种传感器，例如，温度传感器、冷却液液位传感器、霍尔效应传感器、曲轴位置传感器、油门踏板位置传感器、加速器、压力传感器等。

ECU102基于测量信号根据控制算法提供控制信号。控制信号包含用于机动车辆的各种控制系统的控制信息。控制系统例如可包含：速度控制单元、气囊控制单元、传输控制单元、传动控制单元等。

控制信号可基于测量信号中的一个或多个测量信号。例如，可基于扭矩测量、温度、油门踏板的角度等来确定引擎控制信号。在一个示例中，引擎控制信号包含在特定时间注入多少汽油和注入到选定的气缸。

测量信号还向ECU102提供关于所生成的控制信号的影响或产生的行为的反馈。例如，引擎控制信号可对应于所选择的60mph速度，但是可导致所测量的55mph速度。这可指示错误、或在用于生成信号的控制算法中所需的调节、或影响所产生的速度的一些其它因素。

传感器104通常位于ECU102的外部。各种传感器和ECU102之间的距离可大幅地变化。按照重量和花费，接线是代价高的，特别是对于汽车系统。因此，将传感器104与ECU连接的信号总线108通常只使用两个信号线或电线，以输送功率和传送信号。通过使用适当的调制接口来传送信号，以便向传感器供应功率同时传递信息。合适的接口的一些示例包含：外围传感器接口（PSI）标准版本5、以及数字传感器接口（DSI）标准，其用于汽车气囊和传动系统。

传感器104和ECU之间的长度和路径中的变化导致电感和电容中的变化。这些变化能够使信号衰减，减慢通信，或者甚至导致不希望的谐振信号。

可包含RC滤波器，以减轻不希望的谐振信号。在一个示例中，可在传感器104和将传感器104连接到ECU102的总线108的电线之间放置该滤波器。此类滤波器抑制针对传感器104和ECU102的线路电感和电容器之间的谐振。另外，滤波器能够削弱注入的EMC。

然而，使用RC滤波器不足以使ECU102的阻抗匹配于总线电线108。例如，用于信号总线108的公共线路包含具有120欧姆的线路阻抗的双绞线。在一个示例中，要求ECU102输送具有多至70mA的6V至15V。在此类功率水平，由于过多的功率消耗和电阻器两端的超过可用的供应电压的电压降（70mA*120Ohm>6V），因此120欧姆的终端是不可接受的。

对于传感器104，可使用RC滤波器，这是因为传感器104通常包含50欧姆电阻器和5-10nf电容器，并且在所选择的感兴趣的频率范围中，诸如100kHz和5MHz，提供可接受的线路终端。

除了RC滤波器外或替代RC滤波器，使用具有模拟线路适配的传感器106。具有线路适配的传感器106将线路阻抗适配到针对所选择的感兴趣的频率范围的可接受的水平。具有模拟线路适配的传感器106不使用附加的离散组件。

具有线路适配的传感器106被耦合到信号总线108并测量信号总线108上的变化。所测量的变化用于确定阻抗适配量，以产生针对所选择的频率范围的所选择的线路终端。然后，由具有模拟线路适配的传感器106使用电流源或其它合适的机构来实现阻抗适配。通过阻抗适配来获得可接受的线路终端。

需要注意的是，仅针对所选择的频率范围需要阻抗适配。因此，信号总线106上的所选择的频率范围之外的信号不需要测量总线电压的变化和/或阻抗适配。

图2是图示能够在控制和测量系统中使用的示例传感器200的图。以简化的形式提供了传感器200，以便有助于理解。

传感器200经由信号总线210连接到控制和测量系统，信号总线210包括两个信号线。上面的线路处于可变的电势，以及下面的线路通常处于地电势附近，但是也可以在另一个可变的电势上。

传感器包含：上面节点210、下面节点208、传感器电容器204以及传感器电路202。上面节点210连接到信号总线210的上面线路。上面线路还被称为PDL线路。下面节点208连接到信号总线210的下面线路。电容器204和电路202使用共同的连接并联连接到上面节点210和下面节点208。电路202提供调制电流，可经由ECU或控制和测量系统的其它组件接收该调制电流。

电路202通常具有较高的阻抗，诸如大于1k欧姆。这种高阻抗限制了电流消耗的变化，在一个示例中限制到由供应电压的1V变化所引起的小于1mA。然而，此类传感器可具有每传感器的大量的电容，每当ECU使用供应电压的调制发送同步脉冲或消息时，可对电容进行充电和/或放电。

图3是图示具有提供阻抗适配的模拟线路适配的传感器300的图。以简化形式提供传感器300，以便有助于理解。

传感器300包含：传感器供电302、电流调制组件304、供电测量组件306、适配组件308以及传感器和数据处理组件314。传感器300连接到信号线310，该信号线310将该传感器连接到其它组件，诸如ECU。传感器和数据处理组件314包含线路适配组件312。

供电测量组件306是用以测量供电电压并获得供电或信号测量318的机构。在一个示例中，测量组件包含模拟数字转换器（ADC）。该组件向线路适配组件312提供供电电压的信号测量318。信号测量318还被称为偏移，并且代表在要求线路适配的已知频带内的电压或电流中的变化。供电测量组件可测量包括DC组件的完整的供电电压，但是它还包含高通或带通滤波器307，以针对测量范围将输入范围限制到能够在信号和线路谐振的频率范围中出现的频谱成分的幅度。

线路适配组件312是处理块，其根据供电测量318确定阻抗适配量320。在一个示例中，使用数字信号处理器来实现线路适配组件312。在另一个示例中，使用模拟组件来实现线路适配组件312，模拟组建诸如带通滤波器，其对所测量的供电电压进行滤波并调节适配组件308的控制电压。

然后，向适配组件308提供阻抗适配量320。在一个示例中，以数字信号的形式向组件308供应适配量320，以及在另一个示例中，以控制电压的形式供应适配量320。

适配组件308根据阻抗适配量320来适配线路阻抗。在一个示例中，适配组件308提供偏移电流，以产生阻抗适配量。

传感器和数据处理组件314包含线路适配组件312，并且可包含其它组件（未示出）。传感器组件314获得测量，并且以信号的形式提供该信息。通过经由电流调制组件304的调制电流来提供该信号。

为了便于理解，提供了示出具有模拟线路适配的传感器300如何考虑较大延展的电容和阻抗的示例。然而，应当了解的是，除了所呈现的示例外，可预期传感器300和变形。

PSI5标准指定了被称为L_L的线路电感的范围、被称为C_E的ECU电容范围、以及被称为C_S的累积传感器电容。线路电感（L_L）范围从0至8.7mH。ECU电容范围（C_E）从5nF变化至35nF。传感器电容（C_S）范围可从5nF变化至107nF。因此，负载网络的谐振频率可接近于或甚至在用于数据传输所指定的频带内。

因此，只针对指定频带的线路阻抗的适配限制了谐振并提高了信号总线的可靠性。此外，通过减少传感器电容器来使最低的谐振频率显著地向上移动是可能的，这导致可实现的的信道容量的增加。

对于这个示例，L_L=0mH至8.7mH，C_E=5nF至35nF，并且C_S=5nF至107nF。使用这些值，典型的传感器可通过具有125至189Bit/s的数据率的曼彻斯特编码的电流调制来传送数据。

第一谐振是由串联连接的传感器电容器和信号线电感所引起的串联谐振模式。由Zres1和Zres2表示的零点，由下式确定：

Z_{res 1} = j \times \sqrt{\frac{1}{C_{S} * L_{L}}}

Z_{res 2} = - j \times \sqrt{\frac{1}{C_{S} * L_{L}}}

第二谐振是由线路电感与ECU电容器C_E和多个传感器的串联连接的并联连接所引起的并联谐振。它的极点，由Pres1和Pres2表示，由下式确定：

P_{res 1} = j \times \sqrt{\frac{C_{E} + C_{S}}{C_{S} * L_{L} * C_{E}}}

P_{res 2} = - j \times \sqrt{\frac{C_{E} + C_{S}}{C_{S} * L_{L} * C_{E}}}

因此，减小针对传感器电容性负载的最大值实现了增加所有谐振频率的目标。为了影响不同谐振模式的品质因数，可提供串联模拟的电阻器。

应当了解的是，其它组件可与传感器300和/或与在其中使用该传感器的控制和/或测量系统一起使用。其它组件包含滤波器等。

图4是图示在传感器400的前端处包含滤波器的具有模拟线路适配的传感器400的示意图。以简化形式提供传感器400，以便有助于理解。

传感器400基本上类似于以上所描述的传感器300。对于类似命名的组件的描述，参照以上描述。

为了有助于线路适配，传感器400包含模拟的传感器滤波器416。滤波器416，在供电电压被供电测量组件306测量之前，对该供电电压进行滤波。对供电电压进行滤波，以移除DC成分，这是因为不需要它以增加传感器400的电流消耗，它将只有助于功率消耗，并且不影响信号总线310上的谐振效果。

滤波器416还可包含更复杂的转移函数，以便均衡所测量的供电，并且例如允许，在通信信号的不同频率范围和只对于谐振和EMC畸变有关的更高频率中，设置不同的阻抗。

除了测量供电电压外，供电测量组件306获得滤波后的供电电压测量，然后，由线路适配组件312使用该测量。在这种情况下，在模拟阻抗（Vmeasure/Iadapt）的调节中必须考虑RC滤波器。现在，模拟阻抗与电容器并联，并且这种并联连接与电阻器串联。并且2个真实元件和1模拟元件的整个网络必须与线路适配。

图5是图示在传感器500的后端处包含滤波器的模拟传感器500的图。以简化形式提供传感器500，以便有助于理解。

传感器500类似于以上所描述的传感器300和传感器400。对于类似命名的组件的描述，参照以上描述。

为有助于线路适配，传感器500包含模拟的传感器滤波器516。滤波器516连接到信号总线310，并且在由供电测量组件306测量供电电压之前，对供电电压进行滤波。对供电电压进行滤波，以移除DC成分，因为不需要它以增加传感器500的电流消耗，它将只有助于功率消耗，并且不影响信号总线310上的谐振效果。

此外，滤波器516还可包含更复杂的转移函数，并且例如允许，在通信信号的不同频率范围和只对于谐振和EMC畸变有关的更高频率中，设置不同的阻抗。

在这种情况下，供电测量直接测量供电电压。但是，当计算用于模拟阻抗的目标转移函数时，不得不再次考虑附加的RC网络。

应当了解的是，还可将滤波移动到适配计算之后。

图6是图示用于生成适配电流的方法600的示意图，其中在计算调节电流之前进行滤波。

方法600开始在框602处，在这里测量供电电压。在这个示例中，供电电压没有被滤波，并且可包含DC成分。

在框604，对信号测量进行滤波，以移除来自测量的DC成分。需要注意的是，对于模拟高通或带通输入滤波器已经对供电电压进行了滤波的情况下，可以不需要框604。

在框606处，信号测量除以预期的或所选择的阻抗，以生成相除后的量。在框610处，从信号测量计算偏移调节量。偏移调节电流代表例如经由RC网络416或516旁路芯片的电流。

在612处，使用加法器从相除后的量中减去来自框610的调节量，以产生总的调节量。在框608处，使用总的调节量以创建调节电流，进而产生所选择的终端量。

应当了解的是，可预期其它合适的变型。例如，可在总的调节量的生成之后，执行滤波器框604。在另一个示例中，省略了滤波器。在又一个示例中，另一个框替代滤波器框，并且使用如在网络416中所使用的串联电阻器来校正电压降/偏移。在另一个示例中，将滤波器604、除法器606和偏移计算组合成计算阻抗函数的单个滤波器，要求其形成所需的阻抗转移函数。如果外部组件是如RC网络416或516的传感器的一部分，则在这个滤波器中考虑它们的影响。

图7是图示操作控制和测量系统的方法700的流程图。方法700，通过生成响应于所测量的供电电压和所选择的阻抗，适配信号总线的特征。

虽然以下将方法700图示并描述为一系列的动作和事件，但是应当了解的是，此类动作或事件的图示的顺序不应当被解读为限制的意思。例如，一些动作可以以不同的顺序发生，和/或与本文所说明和/或描述的那些动作和事件之外的其它动作和事件共同发生。另外，可以要求并非所有的所说明的动作来实现本文所公开的一个或多个方面或实施例。此外，可以以一个或多个分离的动作和/或阶段来执行本文所描述的动作中的一个或多个动作。

在框702处，方法700开始，其中提供了或获得了用于传感器的运行参数。该参数包含所选择的阻抗和所选择的频率范围。在一个示例中，由诸如DSI标准的接口标准来指定该参数。

在框704处，对供电电压进行滤波。供电电压是时变信号，并且可能包含不希望的DC成分等。在一个示例中，RC滤波器用于移除DC成分。在另一个示例中，具有转移函数的滤波器用于针对所选择的频率范围移除DC成分。转移函数特定于所选择的频率。

在框706处，测量供电电压。合适的测量机构用于从信号线或信号总线获得测量。在一个示例中，测量机构包含模拟数字转换器。由于由参数（例如，信号线长度、线的粗细、其它组件、电容变化等）所影响的传感器总线上的动态处理，因此供电电压测量通常变化。

在框708处，根据所测量的供电电压和运行参数生成控制信号。可以对所测量的供电电压进行高通或带通滤波以确定动态变化。该变化可用于计算适配量以生成选择的阻抗。控制信号是根据适配量生成的，并且只当所测量的供电电压在所选择的频率范围内变化时才需要。

在框710处，根据控制信号调节针对传感器的电流消耗。在一个示例中，通过使用由控制信号所驱动的可控制的电流源来调节电流消耗。电流调节实现针对传感器的阻抗，其接近于预期的或所选择的阻抗。

应当了解的是，可使用标准的编程和/或工程技术，以产生软件、固件、硬件或其任何组合，进而控制计算机来实现本公开的主题（例如，图1、图2等中所示出的系统是非限制性的示例系统，其可用于实现方法700），将所要求的主题实现为方法、装置、或制造品（articleof manufacture）。如本文所使用的术语“制造品”旨在包含可从任何计算机可读的设备、载体或介质访问的计算机程序。当然，本领域的技术人员将认识到，在不背离所要求的主题的范围或精神的情况下，可对这个配置进行许多修改。

测量系统包含：信号总线、电子控制单元以及模拟传感器。电子控制单元耦合到信号总线。模拟传感器也耦合到信号总线。模拟传感器被配置为根据所选择的阻抗和所选择的频率范围适配电流消耗。

模拟线路传感器包含：供电测量组件、线路适配组件以及阻抗适配组件。供电测量组件被配置为获得供电电压测量。线路适配组件被配置为根据所选择的阻抗、所选择的频率范围以及所获得的供电电压测量生成控制信号。适配组件被配置为根据控制信号十倍线路阻抗。

公开了操作传感器系统的方法。提供了所选择的阻抗和所选择的频率范围。测量了供电电压。根据所测量的供电电压、所选择的阻抗以及所选择的频率范围生成控制信号。根据控制信号调节电流消耗。

特别是关于由上述组件或结构（装置、设备、电路、系统等）所执行的各种功能，用于描述此类组件的术语（包含参照“构件”）旨在对应于，除非以其它方式指示，执行所描述的组件的指定功能（例如，即功能等同）的任何组件或结构，即使结构上不等同于执行本文中所说明的本发明的示例性实施方式的公开的结构。另外，虽然仅相对于若干实施方式中的一个实施方式，已经公开了本发明的特定特征，但是此类特征可以与如对于任何给定或特定应用可能是期望的或有利的其它实施方式的一个或多个其它特征相结合。此外，在一定程度上，在详细描述或权利要求中使用术语“包含有”、“包含”、“具有”、“有”、“含有”或其变型，此类术语旨在以类似于术语“包括”的方式包容。

Claims

1.一种测量系统，包括：

信号总线；

电子控制单元，其耦合到所述信号总线；以及

至少一个具有模拟线路适配的传感器，其耦合到所述信号总线，所述模拟线路适配被配置为根据所选择的阻抗和所选择的频率范围适配电流消耗。

2.根据权利要求1所述的系统，其中所述电子控制单元被配置为接收测量信号。

3.根据权利要求1所述的系统，还包括多个传感器，所述多个传感器被耦合到所述信号总线并被配置为提供测量信号。

4.根据权利要求3所述的系统，其中所述多个传感器包括压力传感器、加速传感器或磁场传感器。

5.根据权利要求1所述的系统，其中具有模拟线路适配的所述传感器被配置为测量供电电压，并且根据所测量的供电电压和所选择的阻抗计算调节量。

6.根据权利要求1所述的系统，其中具有模拟线路适配的所述传感器包含模拟数字转换器，所述模拟数字转换器被配置为从所述信号总线测量供电电压。

7.根据权利要求1所述的系统，其中具有所述模拟线路适配的所述传感器包含电流源、测量组件以及线路适配组件，其中所述测量组件耦合到所述信号总线和所述线路适配组件，并且所述电流源耦合到所述信号总线和所述线路适配组件。

8.根据权利要求7所述的系统，其中所述测量组件被配置为从所述信号总线测量供电电压，并且向所述线路适配组件提供供电测量。

9.根据权利要求8所述的系统，其中所述线路适配组件至少部分地根据所述供电测量生成用于所述电流源的控制信号。

10.根据权利要求9所述的系统，其中所述控制信号是控制电压。

11.根据权利要求9所述的系统，其中所述控制信号是数字信号。

12.根据权利要求1所述的系统，还包括滤波器，所述滤波器耦合到所述信号总线。

13.根据权利要求1所述的系统，还包括滤波器，所述滤波器耦合到所述信号总线，并被配置为从供电电压移除DC成分。

14.一种具有模拟线路适配的传感器，包括：

测量组件，其被配置为获得供电电压测量；

线路适配组件，其被配置为根据所选择的阻抗、所选择的频率范围以及所述供电电压测量生成控制信号；以及

适配组件，其被配置为根据所述控制信号适配线路阻抗。

15.根据权利要求14所述的传感器，其中所述测量组件被配置为从信号总线获得所述供电电压测量。

16.根据权利要求14所述的传感器，其中所述线路适配组件被配置为将所述供电电压测量除以所选择的阻抗以生成第一值。

17.根据权利要求16所述的传感器，其中所述线路适配组件被配置为计算旁路电流以生成第二值。

18.根据权利要求17所述的传感器，其中所述控制信号基于所述第一值和所述第二值的组合。

19.根据权利要求17所述的传感器，其中所述线路适配组件使用滤波器以根据阻抗转移函数计算调节值。

20.根据权利要求14所述的传感器，其中所述适配组件被配置为根据所述控制信号改变电流消耗。

21.一种操作传感器系统的方法，所述方法包括：

提供所选择的阻抗和所选择的频率范围；

测量供电电压；

根据所测量的供电电压、所选择的阻抗以及所选择的频率范围生成控制信号；以及

根据所述控制信号调节电流消耗。

22.根据权利要求21所述的方法，还包括在测量所述供电电压之前对所述供电电压进行滤波。