CN104508431A - 具有扫描时刻时间戳的传感器 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种传感器，所述传感器包括检测元件、模拟前端和数字后端；其中，所述数字后端通过数字接口可与控制单元连接，其中，所述传感器在数字后端中提供经扫描的数据。所述传感器包含用于在所述数字后端中提供经扫描的数据的时间信息的机构，所述控制单元能够通过数字接口访问所述机构。此外本发明涉及一种将时间信息分配给传感器的经扫描的测量数据的方法。

Description

具有扫描时刻时间戳的传感器

技术领域

本发明涉及一种传感器，所述传感器具有检测元件、模拟前端和数字后端；其中，数字后端通过数字接口可与控制单元连接，其中，所述传感器在数字后端中提供经扫描的数据。

此外，本发明还涉及一种用于将时间信息分配到传感器的经扫描的测量数据的方法。

背景技术

文献US-7382780Bl描述了在使用扫描值计数器和实时时钟的情况下的回顾性的时间同步以及帧中的数据的采集。该文献不涉及子扫描间隔时间。传感器典型地由检测元件、模拟前端和数字后端组成，如在图1中可以看出。检测元件将待测量的物理参量转换为模拟信号，而模拟前端控制检测元件并且处理模拟信号并且将其转换为数字信号。数字后端实施例如数字滤波、事件产生以及模拟前端的控制。一个或多个传感器通过数字传感器后端的数字接口与一个控制单元连接，例如智能手机或互联网平板中的应用处理器、专用微控制器(μC)或者控制单元以硬件或软件形式的任意其他的实现。传感器以可配置的输出数据速率odr扫描传感器数据并且将经处理的传感器数据扫描值存储在数字后端中。必要时数字后端可以包含用于传感器数据存储的先入先出(FIFO)存储器。控制单元经由数字接口从数字后端读取传感器数据。传感器不具有全局时间的概念，也就是说在控制单元中处理传感器数据时典型地假定，控制单元读取传感器数据的时间与传感器数据被扫描的时间是相同的。

传感器典型地实现滤波功能，例如具有确定的带宽限制的低通滤波器。

传感器的输出数据速率经常与环境参数如温度相关。在这些参数变化时输出数据速率的10％的波动并不少见。具有独立的和典型更准确的时间参考的控制单元异步地以读取数据速率rdr从传感器读取数据，如在图2中所示。

每个扫描间隔框(10)说明新的传感器数据扫描值，其存储在数字部分中，下面的箭头说明控制单元从传感器的读取(30)，该控制单元在该例子中相比于传感器更频繁地产生输出数据。因为典型地假设，传感器数据扫描时间和传感器数据读取时间是相同的，这意味着，不考虑输出数据的产生与读取之间的延迟。通过该假设引入时间抖动(Zeitjitter)，该时间抖动通过抖动框(20)说明。通过该机制添加的平均抖动通过以下给定：

抖动_平均＝MIN(1/odr,1/rdr)/2。

经常应用一个以上传感器的数据，以便计算合并数据，例如移动装置在空间上的取向或者其位置。这些技术经常应用在惯性测量单元(IMUs)中。抖动使得所计算的数据的精度变差。

除odr与rdr之间的不匹配以外，延迟还导致，延迟可能对确定的应用——例如实时游戏应用产生影响。

对于上述问题具有三个已知的解决方案。根据用于抖动_平均的等式，读取数据速率rdr的增大缩小了平均抖动。根据用于抖动_平均的等式，输出数据速率odr的增大缩小了平均抖动。输出数据速率的增大通过当前传感器例如三轴加速度传感器BMA255Digital支持。另一种技术是通过中断触发读取，该技术应由传感器要求，如果新数据可用，则发送中断到控制单元。然后这开始由传感器读取数据。

然而这些已知的解决方案可能包括一些缺点。读取数据速率rdr的增大对于控制单元而言增大了工作负荷。如果控制单元以软件实现并且执行处理器仅仅具有低的满负荷(Auslastung)，则该解决方案增大了执行处理器从非激活到一个状态的过渡的次数，由此显著增大了电流消耗。

输出数据速率odr的增大意味着，如果增大扫描速率，则由此增大传感器数据上的噪音。如果仅仅与低通滤波器的带宽无关地改变输出数据速率，则数字后端的实现更复杂。由此，数字后端的所需要的硅面积和电流消耗提高。因此，用于传感器硬件和传感器的运行的成本增加。

通过中断触发读取除了典型的接口如I2C之外也要求用于中断信号的单独的线路，由此增加了成本。附加地通过在控制单元上的软件来处理中断不是非常高效，因为中断要求在处理器中的上下文切换。这对处理器中的缓存命中率和类似的效率参数产生影响。如果多个传感器与一个处理器连接，则该解决方案没有很好地缩放。附加地在多个现代移动平台中不直接提供中断，并且由此该解决方案仅仅部分地处理该问题。

发明内容

本发明具有的任务在于实现一种传感器，可以尽可能精确地给所述传感器的测量数据分配测量时刻。本发明也具有以下任务：实现一种用于将传感器的测量数据分配给测量时刻的方法。

附图说明

图1示出了预先已知的传感器以及控制单元。

图2示出了预先已知的传感器输出数据速率作为控制单元的读取数据速率的函数。

图3示出了根据本发明的第一实施方式的传感器的扫描定时器。

图4示出了根据本发明的第二实施方式的传感器定时器，该传感器定时器由传感器的扫描计数器和扫描定时器组成。

图5示出了两个传感器，所述两个传感器分别以略微不同的扫描速率在FIFO存储器中存储它们的扫描值。

图6示出了根据本发明的传感器以及控制单元。

图7示出了用于避免传感器的数据读取时的抖动的方法。

图8示出了用于传感器的实时输出数据速率估计的方法。

图9示出了用于减小从传感器获得数据时的延迟的方法。

图10示出了用于在使用传感器中的FIFO存储器的情况下减小抖动的方法。

具体实施方式

图3根据本发明的第一实施方式示出了传感器的扫描定时器。在本发明的第一实施方式中将寄存器添加至在图1中所述的传感器。寄存器包含传感器数据的龄期(Alter)并且通过传感器的数字后端更新。附加的寄存器允许控制单元从传感器数据的产生起读取所述传感器数据的龄期。附加的寄存器可以实现为单独的计数器，或者存在的计数器可以被重新使用，由此控制数据扫描。计数器在新的数据扫描值产生之后被复位并且继续运行，直至数据通过控制单元来读取或者更长时间。“扫描定时器”是扫描时间寄存器的值，标准化到一个扫描周期上。扫描周期通过1/odr给定。如果例如具有10毫秒的扫描周期，则如果数据扫描值在读取的时刻有3毫秒之久，则扫描定时器具有值：0.3个扫描周期(在读取时刻)。由此可以减小抖动。

扫描定时器的读取允许控制单元确定数据在从传感器读取的时刻有多久。在理想情况下所述扫描定时器寄存器原子式(在数据块中在没有中断的情况下)与传感器数据一起被读取。控制单元可以参照其控制系统时间重建在过去的一个实际产生传感器数据的时刻。如果一个以上传感器——例如加速计、偏航率传感器以及磁力计处于系统中，则经同步化的传感器数据对于传感器合并算法是重要的。所减小的抖动允许更好的传感器数据同步。由此传感器合并算法的效率增大。

图4示出了根据本发明的第二实施方式的传感器定时器，所述传感器定时器由传感器的扫描计数器和扫描定时器组成。在本发明的第二实施方式中，将寄存器添加至在图3中所述的传感器。如果除了扫描定时器之外还存在扫描计数器，则这应该称为传感器时间。因此，可以测量传感器时钟作为控制系统时钟的函数。控制单元可以读取两个时刻时的传感器时间并且计算真实的输出数据速率rodr。真实的输出数据速率允许预测紧接着产生的传感器数据何时可用，这可以用于减小在读取传感器数据时的延迟，而不会显著增大功率。附加地允许FIFO中的数据帧的数据产生时间的估计，由此又实现了更好的数据同步。

图5示出了两个传感器，所述两个传感器分别以略微不同的扫描速率在FIFO存储器中存储它们的扫描值，即使对于这些传感器所配置的输出数据速率可能是相同的。附图在一个例子中示出了两个传感器的异步扫描的问题。随着扫描的开始在相同的时刻在一个给定的时间段中传感器A在FIFO中存储12个扫描值，而传感器B存储仅仅11个扫描值。在没有传感器定时器的情况下，如果基于读取时间和所配置的ODR计算扫描时间，则FIFO中的扫描值在该例子中错位(Fehlausgerichtet)一个以上扫描周期。

图6示出了根据本发明的传感器以及控制单元。除了图1的预先已知的传感器以外，在数字后端中还设有用于传感器数据的数据寄存器、扫描定时器和扫描计数器。为了读取所测量的数据、扫描计数器和扫描时间，控制单元CU经由接口与传感器连接。附加地可以在数字后端中设有FIFO存储器。在该FIFO中可以存储传感器数据的值。

本发明的另一方面是用于在从传感器获得数据时的抖动减小的方法。图7示出了用于避免在传感器的数据读取时的抖动的方法。控制单元读取传感器数据和传感器时间。传感器时间内容的扫描定时器部分直接是在图2中的抖动框20中示出的抖动。控制单元通过从其当前系统时间减去扫描定时器*扫描周期来计算数据产生时间，也就是实际的传感器时间。控制单元CU然后使用实际的传感器时间代替系统时间作为用于在数据读取时提供的经扫描的数据的时间戳。

实际的传感器数据时间＝在数据读取时的系统时间-扫描定时器*扫描周期。

作为扩展可以减去用于扫描(例如在传感器前端中)、数据处理(例如在传感器后端中)和数据读取的附加的延迟。

本发明的另一方面是用于在从传感器获得数据时的实时输出数据速率估计的方法，如在图8中所示。假设原子式读取传感器时间，也就是在在数字接口上的操作中不允许传感器时间在读取操作期间发生改变，例如扫描计数器必须与扫描定时器兼容。

实施例：

传感器时间寄存器具有一个区域rst

Rst<＝2^{扫描计数器的比特}

最大可能的输出数据速率是odr_max

如果在时刻t1和t2(其中，t2<t1+rst/odr_max)读取传感器时间，则可以纠正潜在的溢出。可以使用rodr＝mod(传感器时间(t2)–传感器时间(t1),rst)/(t2-t1)来估计真实的输出数据速率rodr(例如单位为扫描值/秒)，其中，模运算由Knuth,Donald E所著的(《The Art of Computer Programming，Addison-Wesley，1972年)限定。

如果在控制单元收到数据之前使用FIFO，则rodr的应用例如是延迟的减小或抖动的减小。

本发明的另一方面是用于减小从传感器获得数据时的延迟的方法，如在图9中示出。那么rodr可以用于计算将来的时间t(n)，在所述时间，紧接着的n个扫描值对于控制单元而言准备好用于从传感器的调用，

t(n)＝t2+(n-扫描定时器(t2)/rodr

n>＝l…

由此，控制单元可以预测何时产生紧接着的数据，并且能够直接在数据在传感器中可用之后以小的延迟调用所述数据。

本发明的另一方面是用于在使用传感器中的FIFO存储器的情况下减小抖动的方法，如在图10中所示。rodr可以用于计算过去的时间tf(n)，在所述时间在FIFO中产生第n个帧。

tf(n)＝t2-扫描定时器(t2)+n–1)/rodr

如果使用odr代替rodr，则在具有10个元素的FIFO中在一次扫描周期抖动的50％中产生odr中5％的错误。如果取而代之地应用rodr，则解决了该问题。

本发明的另一方面是用于扩展传感器的测量间隔的方法，如在图8中所示。如果最小可能的输出数据速率odr_min对于测量间隔rst/(odr_max-odr_min)是预先已知的，则测量间隔限于rst/odr_max是可以松动的，由此参照传感器时间(t1)实现与传感器时间溢出的次数的明确唯一的相关性，

rodr＝(mod(传感器时间(t2)–传感器时间(t1),rst)+sto*rst)/(t2-t1)

其中，

在此，

sto＝(t2-t1)*odr_min/rst

stomod_min＝mod((t2-t1)*odr_min,rst)

realmod＝mod(传感器时间(t2)–传感器时间(t1),rst)

在此，sto_min是传感器时间溢出的最小次数，其基于最小odr。如果传感器时间(t)＝传感器时间(t1)，则有在时刻t的传感器时间溢出。

溢出的最大次数可以仅仅比最小次数大1，否则不再能够实现传感器时间溢出与传感器时间的明确唯一的相关性。如果所测量的传感器时间数据的模值位于最小odr的模值以下，则必须有附加的传感器时间溢出。

Claims (10)

1.一种传感器，其包括检测元件、模拟前端和数字后端；其中，所述数字后端通过数字接口能够与控制单元连接，其中，所述传感器在所述数字后端中提供经扫描的数据，其特征在于，所述传感器包含用于在所述数字后端中提供经扫描的数据的时间信息的机构，所述控制单元能够通过所述数字接口访问所述机构。

2.根据权利要求1所述的传感器，其特征在于，所述用于提供时间信息的机构包括扫描定时器寄存器。

3.根据权利要求2所述的传感器，其特征在于，所述用于提供时间信息的机构包括扫描计数器寄存器。

4.根据权利要求2或3所述的传感器，其特征在于，所述扫描计数器寄存器和/或所述扫描定时器寄存器在原子式操作中能够与所述经扫描的数据一起被读取。

5.根据以上权利要求中任一项所述的传感器，其特征在于，所述数字后端包括FIFO存储器。

6.一种用于将时间信息分配给传感器的经扫描的测量数据的方法，其特征在于以下步骤：

a)提供根据以上权利要求1-5中任一项所述的传感器；

b)提供控制单元，所述控制单元经由数字接口与所述传感器连接；

c)通过所述控制单元访问所述传感器的经扫描的数据；

d)通过所述控制单元访问所述传感器的经扫描的数据的时间信息；

e)通过所述控制单元计算时间戳；

f)通过所述控制单元将所述时间戳分配给所述经扫描的数据。

7.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，所述控制单元设计用于当达到所预测的扫描时间时减小通过读取所述经扫描的数据的数据读取延迟；其中，应用方法t(1)，以便预测在所述数字后端中提供紧接着的经扫描的数据的时间。

8.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，所述控制单元设计用于减小所述时间戳的抖动，其中，所述控制单元使用所述扫描定时器寄存器和/或所述扫描计数器寄存器，以便以子扫描分辨率计算实际的扫描时间。

9.根据权利要求8所述的方法，其特征在于，提供根据权利要求5所述的传感器，并且对于FIFO中的扫描值1…n在使用t＝f(n)的情况下计算所述时间戳t。

10.一种传感器系统，其包括根据权利要求1至5中任一项所述的传感器和与所述传感器连接的控制单元。