CN105443286A - 执行器/传感器设备 - Google Patents

Abstract

本发明涉及执行器/传感器设备（1），其包括由控制信号控制的至少一个执行器（3）和传输获取信号的至少一个传感器（5），所述执行器（3）和所述传感器（5）被集成到同一部件中，此外还包括：执行器/传感器引脚（8），其将所述执行器（3）的端子和所述传感器（5）的输出连接到所述执行器/传感器设备（1）外部的同一单个电线（9）；以及切换装置，其被适配为使控制阶段（19）中的控制信号或者获取阶段（21）中的传感器信息在所述电线（9）上被发送。

Description

执行器/传感器设备

技术领域

本发明一般地涉及一种执行器/传感器设备。

本发明在汽车行业中具有应用，以及特别是在引擎控制领域中具有应用。

背景技术

现代的车辆包括多个执行器以及多个传感器，其由处理器独立地控制并且使调节引擎的操作成为可能。执行器一般用于调节诸如燃料、空气或气体之类的流体的流动。传感器，就其部分而言，被用于提供代表物理量并且将用于控制执行器的信息。此外，传感器也可以用于检测可能的问题（诸如泄漏）或用于诊断执行器。

执行器一般包括两个外部连接线，一个用于执行器的电力供应以及另一个用于控制执行器。传感器，就其部分而言，一般包括三个外部连接线，一个用于传感器的电力供应，一个用于接地以及一个用于数据传输。

汽车行业的当前环境是这样的，使得存在对减小系统尺寸以及连接线数量的期望，以便降低成本和增加系统的可靠性。

为了这个目的，一个提出的解决方案是将执行器和传感器集成在单个部件中。这个解决方案有助于减小系统的尺寸。然而，因为执行器的操作和传感器的操作保持完全地独立，这样的系统需要多个连接线，以及根据上述示例更精确地是五个。具有大量连接线增加了系统的尺寸，增加了故障的风险以及降低了所述系统的可靠性。

发明内容

本发明旨在消除或至少减少现有技术的前述缺点中的所有或一些。

因此本发明的目标是提供使控制执行器和获取由传感器测量的数据成为可能的执行器/传感器设备，该执行器/传感器设备的电连接的数量以及尺寸受到限制。

本发明尤其旨在提供这样的具有高可靠性和/或适中成本价的执行器/传感器设备。

为了这个目的，本发明提供了一种执行器/传感器设备。根据本发明，该执行器/传感器设备包括由控制信号控制的至少一个执行器和经由获取信号传输传感器信息的至少一个传感器，该执行器和该传感器被集成到同一部件中，

以及其特征在于该执行器/传感器设备此外还包括：

·执行器/传感器引脚，其将执行器的端子和传感器的输出连接到在所述执行器/传感器设备外部的同一单个电线；以及

·切换装置，其被适配为使控制阶段中的控制信号或者获取阶段中的传感器信息在该电线上被发送。

测试已经表明这样的设备特别适合于驱动执行器并且适合于经由传感器获取数据，以及此外具有良好性能。

执行器和传感器在同一单个部件中的集成使减小设备的尺寸和成本成为可能。

此外，在单个电线上将控制信号和传感器信息进行组合有利地使减少连接数量以及电线数量成为可能。因而这一点的效果是减小设备的尺寸，降低例如由于不良的连接或者对电线之一的损坏而引起的故障风险，以及因此增加了设备的可靠性。

此外，切换装置有利地使避免控制信息和传感器信息的丢失成为可能。

根据一个实施例，在这种情况下，执行器是螺线管（solenoid）类型的阀。该阀还有利地是借助于线圈来驱动的。

这种执行器可以是这样的，使得其由脉冲宽度调制（PWM）信号来驱动。这有利地使在具有离散状态的电路的帮助下合成连续的信号成为可能。

在一个实施例中，通过使用标准化的“单边沿半字节传输”（SENT）通信线路来传输传感器信息。有利地，SENT使产生紧凑和简单的布置成为可能。此外，数据经由SENT的传输可以利用不需要屏蔽线或双绞线的简单的线缆来执行。而且，SENT信号有利地是对故障不敏感的以及可以用在高温和强振动的状况下。

此外，在由SENT传输期间，从传感器中的转换到计算机中的处理，数据保持为完全数字的。因此，与模拟传输形成对照，在这种情况下传输的信号有利地是更精确的。

有利地，切换装置包括适配为传输控制信号的开路集电极输出类型的布置以及适配为传输传感器信息的开路集电极输出类型的布置。因此，执行器部分和传感器部分包括开路集电极输出级的事实使简化将控制信号和获取信号合并成单个主信号成为可能。

有利地，切换装置此外包括适配为强制电线连接到电接地的接地系统以及适配为在控制阶段期间将电线信号的电压反相的反相器系统。

在一个实施例中，执行器/传感器设备此外包括在执行器/传感器引脚和执行器之间的滤波系统。这样的滤波系统因此使得在没有产生干扰的情况下使用由具有与由传感器传输的数据的再发生相似的反应时间的信号所驱动的执行器成为可能。

本发明此外涉及一种组件，其特征在于该组件包括如上文所描述的执行器/传感器设备和中央处理单元，以及在于所述执行器/传感器设备仅经由一根电线连接到该中央处理单元。

中央处理单元的引脚数量可以因此被减少。执行器/传感器设备和中央处理单元之间的布线因此可以被简化。同样地，执行器/传感器设备的处理可以被简化。此外，因为中央处理单元包括更少的引脚，它的尺度可以被减小。

中央处理单元的功能是通过发送控制信号来控制执行器，以及通过解译由传感器所传输的信号来获取传感器信息。使用相同的中央处理单元来执行这两个功能有利地允许中央处理单元将传输传感器信息的阶段与中央处理单元正控制执行器的阶段相区分。

本发明也涉及一种车辆，其特征在于所述车辆包括至少一个上文描述的执行器/传感器设备。有利地，在车辆中这样的执行器/传感器设备的使用使得使引擎的控制更简单且更可靠成为可能。

最后，本发明涉及用于执行器的控制和用于通过传感器进行获取的方法，该执行器和该传感器被集成到同一部件中，其特征在于该方法包括下述阶段：

·通过由将执行器输入和传感器输出连接到所述执行器/传感器设备外部的同一单个电线的执行器/传感器引脚所接收到的控制信号来控制执行器的阶段；以及

·当执行器未正被控制时通过传感器进行数据获取以及通过由所述执行器/传感器引脚所发送的获取信号传输所述数据的阶段，

以及在于切换装置使控制阶段中的控制信号或者获取阶段中来自于传感器的信号在该电线上被发送。

这样的方法有利地使以简单的方式将执行器的控制和经由传感器对数据的获取进行组合成为可能。

附图说明

在给出对所附示意性附图的参考的情况下，在阅读下面的描述时本发明的细节和优点将变得更显而易见，其中：

-图1是图示了本发明的一个实施例的示图，以及

-图2是图示了根据本发明的一个实施例的控制信号和来自传感器的信号的图表。

具体实施方式

图1图示了包括执行器3和传感器5的执行器/传感器设备1的一个实施例的总体结构。

执行器3是（例如针对描述的剩余部分）例如用于液压回路或气体回路的螺线管类型的阀。该阀例如是开/关（ON/OFF）阀。

执行器3优选包括线圈4和在打开位置和关闭位置之间移动的物理部分6。执行器3由来自中央处理单元7的控制信号来驱动。

控制信号优选是脉冲宽度调制的（PWM），也就是说，根据控制信号的占空比来控制执行器3。更精确地，遍及控制信号（输入35）的高脉冲的长度来控制执行器3。

传感器5执行对数据的获取，以及包括输出，所述输出经由获取信号将所述数据传输到中央处理单元7。传感器5优选使用用于传输数据的标准化的“单边沿半字节传输”通信线路，其被称为SENT。在SENT中，通过由两个后沿之间的时间所估算的脉冲来传输四比特数据。由传感器5测量的模拟信息因此可以经由获取信号被数字地传输到中央处理单元7以便被分析。

传感器5因此可以是包括诸如模拟/数字转换器之类的电子芯片的模拟传感器，以便在发送模拟信号前将该模拟信号格式化成数字信号。

执行器3和传感器5彼此相集成，也就是说，它们在被称为执行器/传感器的同一单个部件中被关联。该执行器/传感器设备1然后包括公共传感器/执行器引脚8，视为对于执行器3的输入以及视为对于传感器5的输出。传感器5的输出和执行器3的输入分别被连接到传感器/执行器引脚8。

中央处理单元7包括单个中心引脚15，其使既发送控制信号（输入35）又接收传感器信息成为可能。中心引脚15因此在一种情况下用作为输出，以及在另一种情况下用作输入。

此外，控制信号（输入35）和传感器信息在执行器/传感器设备1和中央处理单元7之间经由同一单个电线9传播。切换装置使对两个信号进行交替以便避免任何信息丢失成为可能。电线9被连接在中央引脚15和传感器/执行器引脚8之间。因此它将中央处理单元7连接到执行器/传感器设备1。

此外，执行器/传感器设备1也由馈电线（supplywire）11供电以及由接地线13连接到接地。执行器/传感器设备1则包括三个连接线和三个引脚。

馈电线11和接地线13可以分别直接连接到外部电源和外部接地。在车辆的情况下，例如，馈电线11和接地线13被连接到用于恢复电池电压的配电器（distributor）和车辆的接地。

图2表示图示了表示电线9（图1）的电压的主信号17的图表。图2在横坐标上呈现以秒为单位的时间，在左侧纵坐标上呈现（对于主信号17的）以伏特为单位的电压，以及在右侧纵坐标上呈现所传输的有效帧的数量（由示出所传输的完整帧的数量的曲线23所图示）。

为了避免控制信息和传感器信息的丢失，主信号17包括第一控制阶段19和第二获取阶段21。

在控制阶段19期间，执行器3由中央处理单元7凭借控制信号（输入35）来驱动。中央处理单元7因此并不从传感器5接收数据。信号17因此对应于控制信号（输入35）。

在获取阶段21期间，传感器5经由获取信号将数据传输到中央处理单元7。执行器3因此不再被控制。信号17因此对应于获取信号。

在这种情况下，执行器3需要跨线圈端子的车辆电池电压（一般为12V）以便被控制。当执行器3不再需要被控制时，跨其线圈4的端子的电压可以是零。控制信号（输入35）可以因此对应于在此信号的高电平期间控制执行器3的PWM信号。

传感器5，就其部分而言，发送帧，每个帧对应于由所述传感器执行的测量。例如，传感器5通过使用SENT每毫秒发送一帧。然而，这样的测量再发生一般是不必要的。这是因为所传输的模拟数据一般不会每毫秒变化。相反地，大约10ms的再发生是足够的。

因此，在控制阶段19中，主信号17优选是接近于0V的连续信号，从而使控制执行器3成为可能。在获取阶段21中，主信号17优选是以帧的形式。

在图2的示例中，控制信号（输入35）在100Hz的频率下具有75%的占空比。因此，控制阶段19持续7.5ms以及获取阶段21持续2.5ms。在图2的示例中，主信号17在获取阶段21期间传输两个完整帧。

在获取阶段21期间，由主信号17传输的帧的数量可以变化。然而，主信号17在每个获取阶段21中应该传输至少一个完整帧以免丢失来自传感器5的信息。

在可替代的实施例中，占空比可以根据所使用的执行器3和它的应用而变化。

参考图1，执行器/传感器设备1可以包括在传感器5的输出和电线9之间连接的整形系统25。此整形系统25的功能是生成与传感器信息相对应的也称为获取信号的电信号。它也可以具有滤波和免受外部环境影响的功能。

整形系统25可以包括以开路集电极输出模式连接的晶体管，也就是说在中央处理单元7的旁边。

中央处理单元7可以包括经由引脚15接收获取信号的解码系统27。解码系统27通过使用SENT来解码获取信号，以便再造由传感器提供的信息。中央处理单元7此外包括微处理器29，其分析由解码系统27解码的数据。

整形系统25的内部布置和使用SENT的解码系统27的内部布置并未在这里被详细描述，因为它们对本领域技术人员而言是已知的。

此外，中央处理单元7包括接地系统31，其使在没有获取信号干扰控制信号（输入35）的情况下将控制信号（输入35）发送到执行器3成为可能。

接地系统31例如由具有在中心引脚15和接地之间切换的功能的晶体管33来形成。晶体管33由经由输入35传输到所述晶体管的控制信号（输入35）来驱动。

当中央处理单元7促成（instigate）控制阶段19时，控制信号（输入35）处于高电平。控制信号（输入35）的高电平使致动晶体管33成为可能。后者然后可以将中心引脚15连接到接地。

因此，在这个控制阶段19中，电线9的电势为零。换言之，电线9的电势处于接地。因此，获取信号被强制接地，传感器5的输出因此具有零电压。

反相器系统37（例如作为反相器安装的放大器）使得反相电线9中的电压值并且将经反相的信号传输到执行器3的线圈4成为可能。反相器系统37的输出信号则优选处于与输入35处的控制信号一样的高电平。

线圈4优选是被“低侧”控制的。它在第一端子43处具有供电电压，例如电池电压，以及在第二端子45处具有由经反相的信号经由操作为开关的晶体管39控制的电压。晶体管39也以开路集电极输出模式来安装，也就是说在执行器3的旁边。

仍然在控制阶段19期间，经反相的信号的高电平使致动晶体管39成为可能。第二端子45然后被连接到接地。因此电流流过线圈4，其使致动执行器3成为可能。

要注意的是，在这个实施例中，控制信号（输入35）在被传输到执行器3之前被反相两次。

相反地，当中央处理单元7促成获取阶段21时，控制信号（输入35）处于低电平。晶体管33没有被激活，后者相当于开路。控制器3则未被控制。这是因为，晶体管39没有被激活，没有电流流过线圈4。

在这种情况下，中央处理单元7可以读取由传感器5经由电线9传输的获取信号，因为所述信号不再被强制接地。

此外，执行器/传感器设备1可以包括滤波系统41，其优选具有低通类型，连接在反相系统37的输入和整形系统25的输出之间。滤波系统例如由诸如RC电路之类的无源滤波器或使用运算放大器的有源滤波器形成。

滤波系统41的使用主要取决于执行器3的反应时间。具体地，传感器5的获取信号不应在获取阶段21中导致执行器3的打开和/或闭合，或者在控制阶段19中干扰所述执行器3的控制。

因此，在所谓的快速执行器的情况下，滤波系统41防止执行器3受到获取信号的影响。相反地，在所谓的慢速执行器的情况下，因为执行器将不能够对与执行器3的反应时间相比具有过高频率的获取信号做出反应，滤波系统41是没有用的。

本发明还涉及使用所述执行器/传感器设备1的车辆。尤其是，所述设备用于车辆的引擎控制。

因此，执行器3可以例如是燃料箱的放气阀或者可替代地是EGR（废气再循环）阀。此外，传感器5例如是压力传感器或温度传感器，或者可替代地是位置传感器。事实上，传感器5的类型取决于执行器3的类型和它的用途。

与中央处理单元相关联的执行器/传感器设备使高效地执行引擎控制成为可能。这是因为数据是由传感器测量的，然后在被用于控制执行器之前由中央处理单元读取和分析。

此外，本发明还使得使连接线的数量从用于现有技术的五根减少到用于本发明的三根成为可能。此外，本发明使得用于执行器和相关联传感器的中央处理单元的引脚数量从用于现有技术的四个减少到用于本发明的一个成为可能。这是因为，在以上描述中，中央处理单元经由允许中央处理单元接收传感器信息并且传输控制信号的单个电线连接到执行器/传感器设备（接地，以及传感器和执行器的来自车辆电池的电源）。相反地，在现有技术中，中央处理单元经由电线连接到执行器以允许该中央处理单元发送控制信号（执行器的来自车辆电池的供电信号）。现有技术的中央处理单元也经由三根电线连接到传感器以便允许该中央处理单元接收传感器信息并且将接地信号和供电电压传输到传感器。

本发明因此提供了包括具有一根电线的执行器和集成传感器的执行器/传感器设备。本发明因此使得优化引擎控制系统的布线以及使得减小引擎控制系统的尺寸成为可能。

第二传感器集成到执行器/传感器设备中以便传输达到两种的不同获取信息项（例如温度和压力）将不脱离本发明的范围。事实上，SENT使传输达到两种不同的传感器信息项成为可能。因此可以实现额外的成本节约。

而且，执行器/传感器设备可以不包括集成传感器，而仅包括执行器。在这种情况下，仅执行器/传感器设备需要被改变。这样的执行器/传感器设备的结构使得当改变部件时不修改车辆的连接成为可能。

本发明可以例如不仅在汽车行业中而且在得益于执行器和传感器的集成和布线优化的任意其他行业中得到应用。

当然，本发明并不限于以上以非限制性示例的方式所呈现的优选实施例和可替代实施例。本发明也涉及在本领域技术人员的范围内在所附权利要求的情境内的可替代实施例。

Claims (10)

1.一种执行器/传感器设备（1），其包括由控制信号（输入35）控制的至少一个执行器（3）和经由获取信号传输传感器信息的至少一个传感器（5），所述执行器（3）和所述传感器（5）被集成到同一部件中，

其特征在于所述设备此外还包括：

·执行器/传感器引脚（8），其将所述执行器（3）的端子和所述传感器（5）的输出连接到所述执行器/传感器设备（1）外部的同一单个电线（9）；以及

·切换装置，其被适配为使控制阶段（19）中的控制信号或者获取阶段（21）中的传感器信息在所述电线（9）上被发送。

2.根据权利要求1所述的设备，其特征在于，所述执行器（3）是螺线管类型的阀。

3.根据权利要求1或2所述的设备，其特征在于，所述执行器（3）由脉冲宽度调制（PWM）信号来驱动。

4.根据权利要求1至3中的任一项所述的设备，其特征在于，通过使用标准化的“单边沿半字节传输”（SENT）通信线路来传输所述传感器信息。

5.根据权利要求1至4中的任一项所述的设备，其特征在于，所述切换装置包括适配为传输所述控制信号的开路集电极输出类型的布置和适配为传输传感器信息的开路集电极输出类型的布置。

6.根据权利要求1至5中的任一项所述的设备，其特征在于，所述切换装置此外还包括适配为强制所述电线（9）连接到电接地的接地系统（31）和适配为在控制阶段（19）反相所述电线（9）的信号电压的反相器系统（37）。

7.根据权利要求1至6中的任一项所述的设备，其特征在于，所述设备此外还包括在所述执行器/传感器引脚（8）和所述执行器（3）之间的滤波系统（41）。

8.一种组件，其特征在于，所述组件包括如在权利要求1至7中的任意一项中所述的执行器/传感器设备（1）和中央处理单元（7），以及在于，所述执行器/传感器设备（1）仅经由一根电线（9）连接到所述中央处理单元（7）。

9.一种车辆，其特征在于，所述车辆包括至少一个如权利要求1至7中的任一项所述的执行器/传感器设备（1）。

10.一种用于控制执行器（3）以及用于通过传感器（5）进行获取的方法，所述执行器（3）和所述传感器（5）被集成到同一部件中，其特征在于，所述方法包括下述阶段：

·通过由将所述执行器（3）的端子和所述传感器（5）的输出连接到所述执行器/传感器设备（1）外部的同一单个电线（9）的执行器/传感器引脚（8）所接收到的控制信号来控制所述执行器的阶段（19）；以及

·当所述执行器（3）未正被控制时通过所述传感器（5）进行数据获取以及通过由所述执行器/传感器引脚（8）发送的获取信号来传输所述数据的阶段（21），

以及在于，切换装置使控制阶段（19）中的控制信号或者获取阶段（21）中来自所述传感器的信号在所述电线（9）上被发送。