CN104281120B - 传感器接口系统和方法 - Google Patents

Abstract

传感器接口系统包括：系统总线、总线主装置和传感器。总线主装置耦合到系统总线。总线主装置配置成在第一频带处提供电压调节并在第二平带内或在第二频带处执行数据传输。传感器也耦合到系统总线。传感器配置成接收或利用电压调节并在第二频带内或在第二频带处执行数据传输。

Description

传感器接口系统和方法

技术领域

本公开涉及传感器领域，更具体而言，涉及一种传感器接口系统和方法。

背景技术

汽车系统是包括用以操作和监视操作汽车车辆的计算机和部件的复杂系统。该系统典型地包括控制和监视引擎操作等的处理器。该系统通常操作各种执行汽车功能的控制系统。通过监视，可以识别微小问题并在变成大问题之前进行校正。

汽车系统典型地使用双重目的的总线来缓和布线和成本。该总线向传感器和部件提供功率，并且也用于数据传输。通常，试图改善功率降级的数据传输的提供，并且类似地试图改善功率的数据传输降级的提供。

发明内容

根据本公开的一个方面，提供一种汽车传感器接口系统，包括：系统总线；总线主装置，耦合到所述系统总线并配置成提供在第一频带处的电压调节作为经调节的电压并在第二频带处执行数据传输；以及至少一个传感器，耦合到所述系统总线并配置成从所述调节电压接收其功率并在所述第二频带内执行数据传输。

根据本公开的另一方面，提供一种传感器接口系统，包括：总线；收发器路径，耦合到所述总线并配置成将数据传输从第一频率范围向上偏移到第二频率范围。

根据本公开的又一方面，提供一种提供电压调节和数据传输的方法，所述方法包括：提供系统总线；在第一频带处产生电压调节；在第二频带处产生数据传输，其中所述第二带宽随着所述第一频带变化；以及将所述电压调节和所述数据传输提供给所述系统总线。

附图说明

图1是图示需要缓冲电容器的常规传感器接口的示图。

图2A是描绘常规传感器接口中信号的频谱位置的图。

图2B是描绘常规传感器接口的频率依赖关系的图。

图3是图示分离数据传输和电压调节的频带的传感器接口系统的示图。

图4A是描绘分离数据传输和电压调节的频带的传感器接口系统中信号的频谱位置的图。

图4B是描绘分离数据传输和电压调节的频带的传感器接口系统的频率依赖关系的图。

图5是图示在总线上提供电压调节和数据传输的方法的流程图。

具体实施方式

现在将参照附图描述本发明，其中贯穿整个附图使用类似的参考标号指代类似的元件，并且其中所示结构和器件并不一定按比例绘制。

公开了便于汽车系统且包括传感器接口的系统和方法。与足以匹配线路阻抗从而缓和谐振效应的传感器和总线主装置(master)的输入和输出阻抗相结合，该接口将数据传输从电压调节的带宽中排除。

图1是图示需要缓冲电容器的常规传感器接口100的示图。该图表示了接口100的操作。可以理解，为图示目的简化了该图并且可以呈现其它部件。

传感器接口100包括总线主装置侧102以及从装置(slave)或传感器侧104。总线主装置侧102和传感器侧104通过总线118连接。总线主装置侧102也称为总线主装置102。类似地，传感器侧104也称为传感器104。这里，总线108是两线总线或接口。总线118用于功率供给和数据传输。总线118具有诸如120欧姆之类的总线线路阻抗和线路电感。线路电感基于长度，该长度的范围可以从数厘米到若干米。应认识到的是，除了总线主装置侧102和传感器侧104外，其它传感器和/或部件可以耦合到总线118。

总线主装置侧102包括电压源106、总线主装置电阻器108和主装置缓冲电容器110。主装置缓冲电容器连接到总线118的第一和第二端子。总线主装置电阻器108连接到电压源106、电容器110和总线118的第一端子。主装置缓冲电容器110使供给电压稳定并且辅助机电符合性(electro-mechanical compliance，EMC)。电容器110具有在约50nF以下的电容。总线主装置电阻器108便于端接阻抗并且具有约1-15欧姆的值。总线主装置侧102具有阻抗Z_MASTER，该阻抗Z_MASTER与线路阻抗相比相对较低。总线主装置电阻器108便于低频下的端接阻抗，而并联电容器在较高频率下占主导地位。

传感器侧104包括电流源112、传感器电阻器114和传感器缓冲电容器116。传感器电阻器114便于端接阻抗并且耦合到总线118的第三端子。传感器电阻器114具有1-50欧姆的阻抗。传感器缓冲电容器116连接到传感器电阻器和总线118的第四端子。传感器缓冲电容器116使供给电压稳定并且辅助EMC。电流源112并联连接到传感器缓冲电容器116。传感器侧104具有阻抗Z_SLAVE。传感器电阻器114便于端接阻抗并且影响Z_SLAVE，该阻抗Z_SLAVE在低频下相对较高并且当电容器越来越有效时在更高频率下变低。

通过电压调制执行总线主装置侧102的数据传输，而传感器侧104通过传感器侧104的电流消耗的调制执行数据传输。使用发射信号来发射数据。发射信号具有相对高的信号幅度以保护其免于失真。

数据速率和所得的传输频率较低。比特传输的高幅度和长持续时间的组合需要电压调节器必需能够跟随传感器侧104的传输信号引起的负载电流变化，以便避免调制期间供给电压的相对高的压降。因此，需要跟随与能够向传感器供给仅在窄范围中缓慢变化的电流消耗的普通电压供给相比强瞬态的高度复杂电压调节器。

总线主装置侧102需要是低阻抗或低欧姆，以便使供给电压稳定并且因此操作为高达调制信号频谱以上频率的电压源。传感器侧104理想地如电流源一样工作并且展现相对高的阻抗。具有低阻抗总线主装置侧102和高阻抗传感器侧104的该设置暗示着任一侧上有问题的线路端接设置、短路或开路。附加地，线路端接由于缓冲电容器的存在而变得更差，该缓冲电容器被用于使供给电压稳定并且符合机电要求。缓冲电容器的存在造成在相关的总线118频率处可见的阻抗。此外，由不充分端接带来的高反射因素导致谐振效应，该谐振效应出现在依赖于总线118长度的频率处。

图2A是描绘常规传感器接口中信号的频谱位置的图。提供这些位置作为由诸如上述接口100之类的常规传感器接口产生的典型信号的示例。

该图描绘了沿着x轴的对数频率和沿着y轴的功率频谱密度范围(P)。该图包括供给信号202、传感器信号204、LC谐振信号206、EMC208和控制器信号210。

供给信号202是总线主装置的电压源的输出。供给信号202具有小的带宽、操作频率范围以及接近零的低频率。传感器信号204是由传感器侧104产生的信号。传感器信号204具有小的带宽并且位于某种程度上更高的频率处。然而，由于EMC谐振，传感器信号204需要相对大的幅度。因而，传感器信号204利用显著的功率。

LC谐振信号206示出有相对大的带宽。LC谐振信号206取决于缓冲/阻塞电容器110和116、线路电容和线路电感。应注意到，LC谐振信号206冲突并且可以使至少传感器信号204的一部分恶化。

控制器信号210是控制电压源106的信号。该信号具有相对大的带宽并且依赖于实际总线设置可以包括或排除LC谐振频率。这使得电压调节器的设计极其复杂化，因为这必需操控预先未知的非常不同的负载设置。EMC信号208表示传感器系统中存在的电磁干扰。EMC信号208典型地在实现和操作环境下变化。然而，其在幅度和带宽上相对大。此外，EMC信号208对控制器信号210和传感器信号204具有干扰。

图2B是描绘常规传感器接口的频率依赖关系的图。提供依赖关系作为基于诸如上述接口100之类的常规传感器接口的示例。

x轴描绘对数形式的频率(logf)。y轴描绘阻抗Z的绝对值。

总线主装置阻抗的范围由256所示矩形表示。总线主装置阻抗用于常规总线主装置并且相对低达覆盖通信所需的信号频谱的频率。从装置或传感器阻抗的范围由排除矩形部分260的平面264的整个左侧给出。典型地停留在总线主装置阻抗以上达传输信号频谱的端部，因为传感器应如调制的电流宿(sink)一样工作。传感器或从装置阻抗可以比256处大得多，特别是在较低频率下，但由于阻塞电容器它可以随着增加的频率而减小。相对恒定的线路阻抗由线路252示出。可见线路阻抗随着变化的频率而基本恒定。在一个示例中，线路阻抗是120欧姆。

数据传输典型地出现在258所指示的频率范围处。应注意到，频率和阻抗的区域262标示为“不关心”，因为不管主装置阻抗还是从装置阻抗区域都基本上不影响总线的电压调节和/或数据传输。

图3是图示分离数据传输和电压调节的频带的传感器接口系统300的示图。系统300并入调制技术以将数据传输信号偏移到排除电压调节所需频带的更高频率。此外，由于频率分离，调制幅度比常规接口相对更低。附加地，不需要或不利用阻塞或缓冲电容器。类似地，不需要外部电阻器。系统300可以用作汽车系统等或者与汽车系统等一起用。附加地，应理解到附加的部件可以包括或添加到该系统。

系统300包括总线主装置侧302和从装置或传感器侧304。总线主装置侧302和传感器侧304通过总线318连接。总线318示为两线总线或接口，但允许其它总线配置。总线318用于电压调节(功率供给)和数据传输。总线318示为连接总线主装置侧302和从装置/传感器侧304，但应理解到，其它部件诸如传感器、电子控制单元、致动器、节流机构、气囊机构、防抱死制动系统等也可以连接到总线318。此外，应理解到，为图示目的，在附图和该论述中示出单个传感器304。然而，与传感器304类似和/或相同的附加传感器也可以连接到总线318。

总线318具有包括线路阻抗和线路电感的若干特性。线路阻抗在一个示例中约为120欧姆。在另一示例中，线路阻抗在约50欧姆到约200欧姆的范围内。线路电感随主装置侧和传感器侧之间的导线长度或距离变化。在一个示例中，该距离仅为几厘米，在另一个示例中，该距离约为12米。距离并且作为结果的线路电感可以实质地变化。在一个示例中，距离的范围可以从1厘米到20米。该变化对未知和/或难以预测谐振频率作出贡献。

总线主装置侧302包括电压源306、总线主装置接收器308、总线主装置调制部件310和调制偏置电压源320。电压源306是DC供给并且与其它方法相比具有有限的带宽，并且因而不切断调制信号，该调制信号在其电压调节频带以外产生。其不使用用于传输的频率范围。电压源306连接到总线318的第一端子和第二端子。总线主装置接收器308、调制部件310和调制电压偏置源320总体形成总线主装置收发器路径。

调制偏置电压源320连接到第二端子并且提供调制电压，该调制电压通常低于电压源306所提供的电压。调制偏置电压源320也连接到调制部件310。

主装置调制部件310连接到接收器308和调制偏置电压源320。调制部件310产生调制信号，该调制信号包括或提供信息/数据给总线318。该信息包括总线主装置所提供的信息并且可以包括控制信号、测量等。在一个示例中，调制部件310产生毫伏级的调制信号。

主装置接收器308连接到调制部件310和第一端子。主装置接收器308具有并联连接的电阻器以便于接收。电阻器具有通常设定在约为总线318的线路阻抗ZL的阻抗。在一个示例中，总线的线路阻抗约为120欧姆并且电阻器也约为120欧姆的阻抗。接收器308也称为收发器并且从总线318获得接收信号。

调制部件310和接收器308被配置用于在传输频率或传输频带处执行数据传输。在一个示例中，传输频率的范围从约100kHz到约50MHz。

在低频率处，总线主装置侧302由于电压源306的反馈环路特性而展现相对低的欧姆行为。一旦超过控制环路的单位增益频率，电压源306的阻抗充分地增加，使得总线主装置收发器路径基本确定总线主装置302的阻抗。

传感器侧304包括DC负载312、传感器调制源322、传感器调制部件316和传感器接收器314。传感器调制源322、传感器调制部件316和传感器接收器314形成传感器收发器路径。

DC负载312连接到总线318的第三端子和第四端子。DC负载312消耗功率。在一个示例中，DC负载312表示由传感器消耗的功率。在另一示例中，DC负载312表示由控制机构消耗的功率。

传感器调制偏置源322提供或补充传感器收发器路径的功率。传感器调制偏置源322耦合到总线318的第四端子。传感器调制部件316路径到调制偏置源322和传感器接收器314。

传感器调制部件316产生传感器调制信号，该传感器调制信号提供传感器信息/数据给总线318。传感器信息包括例如传感器测量、温度等。传感器调制偏置源322的存在便于传感器调制信号在诸如毫伏之类的相对低电压下的产生。传感器信号和该信号在传输频带内产生。

传感器接收器314连接到传感器调制部件316和总线318的第三端子。传感器接收器314接收信号，诸如主装置调制部件310产生的主装置调制信号。传感器接收器314包括并联连接的电阻器以便于接收。电阻器具有通常设置在总线318的线路阻抗ZL处的阻抗。在一个示例中，总线的线路阻抗在约120欧姆处并且电阻器也在约120欧姆的阻抗处。

传感器侧304的阻抗在相对低频率下典型地大于总线318的线路阻抗，并且当频率范围进入传输信号频带范围中时趋向于线路阻抗。

传感器侧304和总线主装置侧302的阻抗被配置成具有在有限匹配频带内的阻抗。该频带是约或围绕用于数据传输的频带内的线路阻抗的值范围。在一个示例中，有限的匹配频带包括传输频带内的线路阻抗的约0.5倍到2倍之间的范围。

可以通过使用数据传输频率的较宽频带或收发器路径使用的频率范围获得EMC符合性。数据传输然后可以偏移到基本免于失真的频率范围内。此外，由于针对在数据传输频率范围下供给到传感器侧304的功率不存在低阻抗要求，所以在较高频率下的数据传输是可能的，因而便于适当的线路端接。

与其它方法相比，由于供给带宽或频率与数据传输频率的分离，在较低频率下可以减少供给阻抗，省略串行电阻器。

总线侧302和传感器侧304可以用于汽车系统等。对于汽车系统，电子控制单元(ECU)可以耦合到总线318并且配置成利用数据传输和电压调节。例如，ECU可以配置成产生控制信息并将控制信息经由总线318提供给传感器304。此外，诸如传感器304之类的多个传感器也可以连接到总线318并且也利用数据传输和电压调节。这样的传感器可以配置成产生上述传感器信息并且提供诸如车轮振动、旋转速度等之类的汽车类型信息。

图4A是描绘分离数据传输和电压调节的频带的传感器接口系统中信号频谱位置的图400。提供这些位置作为由传感器系统诸如上述图3的传感器系统300产生的典型信号的示例。

该图描绘沿着x轴的对数频率和沿着y轴的功率频谱密度范围(P)。该图包括供给信号402、传感器信号404、LC或线路谐振信号406、EMC408和控制器信号410。

供给信号402是诸如总线主装置302之类的总线主装置的电压源的输出。供给信号402具有小的操作频率带宽或范围，这示出为相对低。数据信号404是数据传输或调制信号。可以例如通过上述传感器收发器路径和/或主装置收发器路径产生信号404。信号404具有相对大的频率范围或带宽，也是处于相对低的功率。在一个示例中，信号404使用在供给信号402的一部分处的功率频谱密度。

与诸如图2A所示的其它方法相比，由于缓冲/阻塞电容器的省略，线路谐振信号406示出在相对高的频率处。与其它方法相比，由于谐振Q因素受适当线路端接选择的限制，线路谐振信号406较小，所述适当线路端接将主装置和传感器阻抗与线路阻抗匹配。应注意，线路谐振信号406示出仅与信号404的一小部分共存。因而，线路谐振对数据信号404的影响基本小于其它方法。

控制器信号410是控制诸如上述供给电压306之类的主装置侧供给电压的电压供给。该信号具有充分超过功率供给频谱的低带宽的带宽，但基本不干扰数据信号404，该数据信号404已经被调制或偏移到较高频率。

EMC信号408表示存在于传感器系统中的电磁干扰。EMC信号408典型地随着实施和操作环境而变化。

图4B是描绘分离数据传输和电压调节的频带的传感器接口系统的频率依赖关系的图。提供这些依赖关系作为基于传感器接口系统诸如上述系统300的示例。

x轴描绘对数形式的频率(logf)。y轴描绘阻抗Z的绝对值。

线路464表示诸如上述总线318之类的系统总线的线路阻抗。线路阻抗随着变化的频率基本恒定。线路458描绘诸如上述总线主装置侧302之类的总线主装置的阻抗。可见总线主装置阻抗在较低频率下相对较低。然而，总线主装置阻抗与传输频率范围462内的线路阻抗基本一致。诸如上述传感器侧304之类的传感器或总线从装置具有线460所描绘的阻抗。传感器阻抗在较低频率下相对较大，但与传输频率范围462内的线路阻抗基本一致。传感器线路阻抗和总线主装置线路阻抗二者落入传输频率范围或传输频带内的有限匹配频带466内。

在传输频率范围462以外的频率处，传感器阻抗和/或总线主装置阻抗可以随着线路阻抗变化，但这出现在不重要的频率、不关心的频率处。

图5是图示在总线上提供电压调节和数据传输的方法500的流程图。方法500调制或偏移数据传输的频率远离电压调节。附加地，由于频率分离，减少了数据传输的功率消耗。

方法500开始于框502，其中提供系统总线。系统总线可以是用于汽车系统中的汽车系统总线。这种汽车系统总线典型地具有范围从几厘米到几米的线路长度。在另一示例中，总线包括用于电压调节和数据传输二者的两个线。

总线典型地具有与其耦合的多个部件。例如，总线主装置和多个传感器可以耦合到该总线。

在框504处，在电压调节带宽处产生电压调节。通过诸如存在于耦合到系统总线的总线主装置中的电压源之类的电压源产生电压调节。电压调节提供有选择的特性，包括调节带宽、上下电压电平、电流水平等。电压调节带宽相对较低，诸如由图4A中的线402所示。

在框506处，在传输带宽处产生数据传输。数据传输包括将发送到系统总线并由耦合到系统总线的另一部件接收的信息/数据。数据传输信息包括控制信息、传感器测量等。数据传输从在原始中心频率处的原始带宽调制或偏移到在偏移或更高中心频率处的偏移频带，原始带宽诸如由图2A中的线204所示的带宽，偏移频带诸如由图4A中的线404所示的频带。带宽本身可以基于利用的调制机制从原始带宽变化到偏移带宽。可以利用诸如上述那样的调制部件来偏移和产生数据传输。

在框508处将电压调节和数据传输提供给系统总线。可以在将电压调节和数据传输放在总线上之前组合电压调节和数据传输。在一个示例中，使用耦合器或混频器来组合电压调节和数据传输。在另一示例中，通过总线主装置将电压调节放在总线上并通过传感器将数据传输放在总线上。

附加地，可以执行阻抗匹配来适当地端接数据传输。这通过配置参与总线上数据传输的部件的端接阻抗来获得。通过将部件的端接阻抗与总线的线路阻抗进行匹配来配置这些部件。

尽管下面将方法500描述和图示为一系列动作或事件，但将理解到的是，这种动作或事件的所示顺序并不应以限制的意义解释。例如，一些动作可以以不同的顺序出现和/或与这里描述和/或图示的那些不同的其它动作或时间并发。此外，并不是会需要所有示出的动作来实施这里公开的一个或多个方面或实施例。同样，可以在一个或多个分离的动作和/或阶段中实施这里描绘的动作中的一个或多个动作。

应理解到，请求保护的主题可以实现为方法、设备或商品，使用标准编程和/或工程技术来制作软件、固件、硬件或其任意组合，以控制计算机实现所公开的主题(例如图1、图2等所示的系统是可以用于实现方法500的系统的非限制性示例)。这里使用的术语“商品”旨在于涵盖可从任意计算机可读器件、载体或介质访问的计算机程序。当然，本领域技术任意将认识到，在不脱离请求保护的主题的精神或范围的情况下，可以对该配置进行许多修改。

传感器接口系统包括系统总线、总线主装置和传感器。总线主装置耦合到系统执行。总线主装置配置为在第一带宽处提供电压调节以及在第二带宽内或在第二带宽处执行数据传输。传感器也耦合到系统总线。传感器配置为接收或利用电压调节并在第二带宽内或在第二带宽处执行数据传输。

另一传感器接口系统包括总线和收发器路径。收发器路径耦合到总线。此外，收发器路径配置为将数据传输从第一频率范围向上偏移到第二频率范围。

公开了提供电压调节和数据传输的方法。提供系统总线或总线。在第一频带中产生电压调节。在第二频带处产生数据传输。第二频带随着第一带宽变化。电压调节和数据传输提供到系统总线。

特别地，关于通过上述部件或结构(装配件、器件、电路、系统等)执行的各种功能，除非另外指出，否则用于描述这种部件的术语(包括提及“是指”)旨在于对应于执行所述部件的特定功能的任意部件或结构(例如功能等同)，即使不在结构上等同于执行这里所示本发明示例性实现中的功能的所公开结构。此外，尽管可能已经关于仅若干实现中的一种实现公开了本发明的特定特征，但这种特征可以与对于任意给定或特定应用期望和有利的其它实现的一个或多个其它特征组合。而且，对于术语“包括”、“含有”、“具有”、“有”、“具备”或其变体用在详细描述和权利要求任一中的程度而言，这样的术语旨在于以类似于术语“包含”的方式是包容性的。

Claims (19)

1.一种汽车传感器接口系统，包括：

系统总线，所述系统总线包括成对的导线；

总线主装置，耦合到所述系统总线并配置成通过所述成对的导线提供在第一频带处的电压调节作为经调节的电压并在第二频带处执行数据传输，其中所述总线主装置包括调制部件，所述调制部件被配置成将所述数据传输从原始频带偏移至所述第二频带，其中所述第二频带的频率比所述第一频带的频率高；以及

至少一个传感器，耦合到所述系统总线并配置成从所述调节电压接收其功率并在所述第二频带内执行数据传输。

2.根据权利要求1所述的系统，其中所述系统总线具有约120欧姆的线路阻抗。

3.根据权利要求1所述的系统，其中所述系统总线具有在约2厘米和12米之间的长度。

4.根据权利要求1所述的系统，还包括耦合到所述系统总线的附加部件。

5.根据权利要求1所述的系统，其中所述总线主装置包括主装置收发器路径，所述主装置收发器路径配置成在所述第二频带内执行所述数据传输。

6.根据权利要求1所述的系统，其中所述总线主装置包括供给电压，所述供给电压配置成向连接到所述总线的所述传感器或其它从装置提供所述调节电压。

7.根据权利要求1所述的系统，其中所述传感器包括传感器收发器路径，所述传感器收发器路径配置成执行所述数据传输。

8.根据权利要求1所述的系统，其中所述传感器包括表示配置成利用所述电压调节的负载的电路装置。

9.根据权利要求1所述的系统，其中所述总线主装置和所述传感器配置成具有在有限匹配频带内的阻抗，所述有限匹配频带在所述第二频带内的所述系统总线的线路阻抗周围。

10.根据权利要求9所述的系统，其中所述有限匹配频带在所述线路阻抗的0.5倍和2倍之间的范围内。

11.根据权利要求1所述的系统，其中所述第二频带比所述第一频带高约10倍。

12.一种传感器接口系统，包括：

总线，所述总线包括成对的导线；

电压源，耦合至所述总线并且被配置成供应DC电压；以及

收发器路径，耦合到所述总线并配置成通过所述成对的导线将数据传输从第一频率范围向上偏移到第二频率范围，其中所述收发器路径包括接收器、调制部件和调制电压偏置源，其中所述接收器被配置成从所述总线接收信号，所述调制电压偏置源具有低于所述DC电压的电压，并且所述调制部件被配置成将所述数据传输偏移至所述第二频率范围。

13.根据权利要求12所述的系统，其中所述收发器路径进一步配置成从所述总线接收数据。

14.根据权利要求12所述的系统，其中所述电压源执行电压调节。

15.根据权利要求12所述的系统，进一步包括耦合到所述总线的负载，其中所述负载消耗来自所述总线的功率。

16.根据权利要求12所述的系统，其中所述收发器路径包括调制部件，所述调制部件配置成在所述第二频率范围处产生调制信号。

17.一种提供电压调节和数据传输的方法，所述方法包括：

提供系统总线；

在第一频带处产生电压调节；

通过成对的导线将原始频带的数据传输偏移至第二频带，其中所述第二频带由所述第一频带变化所得；以及

将所述电压调节和所述数据传输提供给所述系统总线。

18.根据权利要求17所述的方法，进一步包括将阻抗匹配到所述系统总线的线路阻抗。

19.根据权利要求17所述的方法，进一步包括从所述总线接收所述电压调节并通过传感器向所述总线提供传感器数据。