CN107305235A - 使用多个信号路径的传感器自诊断 - Google Patents

Abstract

本发明涉及使用多个信号路径的传感器自诊断。实施例涉及用于使用多个信号路径进行传感器自诊断的系统和方法。在实施例中，传感器是磁场传感器，并且系统和/或方法配置成满足或超过相关安全或其它工业标准，诸如SIL标准。例如，在单个半导体芯片上实现的单片式集成电路传感器系统可以包括：第一传感器设备，具有半导体芯片上针对第一传感器信号的第一信号路径；以及第二传感器设备，具有半导体芯片上针对第二传感器信号的第二信号路径，第二信号路径与第一信号路径不同，其中第一信号路径信号和第二信号路径信号的比较提供传感器系统自测试。

Description

使用多个信号路径的传感器自诊断

相关申请

本申请是2010年9月24日提交的美国申请序列号12/889,749的部分继续申请（CIP），所述美国申请序列号12/889,749以其整体通过引用并入本文。

技术领域

本发明一般地涉及集成电路（IC）传感器，并且更具体地涉及使用多个通信信号路径的IC传感器自诊断。

背景技术

作为汽车电子领域中的发展的部分，汽车驾驶技术中的最新趋势是比如安全带和安全气囊那样的已建立的被动安全系统将由诸如防抱死制动系统（ABS）、电子稳定性程序（ESP）和电动转向系统之类的主动安全系统展开，以提供范围日益增加的驾驶员辅助功能性。由于这种情况在传动系统中已经有一段时间，因此系统复杂度在此也持续增加，以便检测危险驾驶情形并且通过由控制系统进行的主动干预而促成事故避免。随着不间断的技术进步，这些趋势预计将在未来继续并且变得更强。

结果得到的具有安全相关功能性的电子组件数目中的显著增加已引起可靠性和系统可用性方面的前所未有的要求。为了能够实现这一点而同时满足成本目标，希望开发出用于通过集成的测试方法连同冗余性进行功能自监视的高效方法。同时，希望设计方法学中的进步以便能够在早期标识和避免安全系统中的可能弱点。例如在磁场传感器的领域中，这已通过引入安全完整性水平（SIL）标准而完成。

为了满足汽车领域中的SIL标准，希望实现和使用对应的自测试（包括不仅在启动时而且还在正常操作期间的内建自测试）以及自动监视结构或对应的冗余功能块和/或信号路径。常规的磁传感器系统，特别是线性霍尔测量系统，已使用单通道模拟主信号路径。利用该概念来满足安全关键型应用中的SIL要求在技术上是非常困难的，或者也许甚至是不可能的。因此，利用仅一个传感器系统来覆盖安全要求不再是可能的。因此，其它常规解决方案已使用两个等同的冗余磁场传感器来满足SIL要求。显然，这些解决方案的值得注意的缺陷是用于并非一个而是两个传感器的成本的对应加倍。另外其它的解决方案提出在信号频率范围之外的经定义的叠加测试信号，诸如具有附加片上导体回路的磁场传感器或具有与传感器的叠加静电耦合的压力传感器。

仍然需要满足SIL和/或其它适用安全标准的可靠且成本高效的传感器系统。

附图说明

鉴于结合附图对本发明的各种实施例的以下详细描述，可以更加完整地理解本发明，在所述附图中：

图1描绘了根据实施例的系统框图。

图2描绘了根据实施例的系统框图。

虽然本发明适合于各种修改和可替换形式，但是其细节已在附图中作为示例示出，并且将被详细描述。然而，应当理解的是，意图不是将本发明限制于所描述的特定实施例。相反，意图是涵盖落在如由所附权利要求限定的本发明的精神和范围内的所有修改、等同方案和可替换方案。

具体实施方式

实施例涉及用于使用多个信号路径进行传感器自诊断的系统和方法。在实施例中，传感器是磁场传感器，并且系统和/或方法被配置成满足或超过相关安全或其它工业标准，诸如SIL标准。

图1描绘了根据实施例的传感器系统100的概念框图。系统100包括第一传感器102和第二传感器104，每一个传感器与数字信号处理器（DSP）103通信。在实施例中，第一传感器102、第二传感器104和DSP 103包括在单个芯片105上实现的单片式集成电路，并且DSP103与外部电子控制单元（ECU）106通信。

传感器之一是初级传感器或主传感器。在图1的实施例中，传感器102是主传感器，而传感器104是次级传感器。主传感器102经由主信号路径与DSP 103通信，并且次级传感器104经由与主信号路径至少部分不同的次级信号路径而与DSP 103通信，如以下更详细地讨论的。

次级传感器104及其对应的次级信号路径一般是这样的一个传感器和信号路径：在与主传感器102相比时较不准确、较慢和/或噪声较大；使用不同的工作原理进行操作；和/或包括附加的次级感测任务。次级传感器104可以因而不及主传感器102昂贵，并且还可能具有对定位、芯片面积和其它影响系统100的成本和复杂度的因素的较少约束。这些次级感测任务可以包括测量补偿信号，诸如温度、机械应力、内部操作或偏置电压、操作或偏置电流和/或附加的、更简单的目标测量。例如，在实施例中，传感器102和104包括磁场传感器，并且这样的传感器的目标测量将是磁场。然而，在实施例中，次级传感器104可以包括多个传感器或传感器阵列，诸如在一个示例实施例中，与主传感器102成镜像的磁场传感器以及温度传感器和应力传感器。

然而，在实施例中，次级传感器和信号路径可以使用在与主传感器和信号路径的似然性比较中。另外，次级传感器和信号路径可以用于主传感器和信号路径的验证以及故障检测。若干优点可以由这样的配置提供。第一，可以实现SIL兼容性。第二，可以实现与常规解决方案相比的尺寸和成本优势，并且可以在没有大量附加硬件的情况下在正常操作期间实施自测试。另外，可以实现数字信号处理（DSP）和信号处理软件的附加的自测试特征。此外，还可以减少现场故障和返回率，从而改进双方的成本效率，即对于原始芯片制造商以及实施芯片的客户而言改进成本效率。

参照图2，描绘了基于图1中描绘的概念的传感器系统200的实施例的框图。系统200包括主磁场传感器202和次级磁场传感器204，诸如霍尔效应或巨磁阻（GMR）传感器，尽管传感器202和204在其它实施例中可以是其它类型的传感器并且不限于磁场传感器。传感器202在概念上类似于传感器102，而传感器204在概念上类似于以上参照图1讨论的传感器104。

系统200还包括：一个或多个附加传感器208，也被认为次级或辅助传感器。在各种实施例中，（一个或多个）传感器208可以包括温度、应力、电流、磁场或某种其它传感器格式。

在实施例中，主传感器202与数字信号处理（DSP）部分220通信。DSP部分220可以进而经由输入/输出210与外部ECU或其它控制单元（例如参照图1）通信。根据实施例，传感器202和204经由不同的信号路径与DSP部分220通信，所述不同的信号路径可以包括结构上不同的模拟信号路径、混合信号路径以及在某种程度上数字信号路径和过程，以及软件组件。在图2中，与主传感器202相关联的主信号路径以粗体线示出，而与传感器204相关联的次级信号路径以简单的虚线示出。

例如，在图2的实施例中，主信号路径可以从主传感器202向模拟到数字（A/D）转换器212和A/D转换通道交叉开关214传送信号。次级信号路径从次级传感器204向复用器216传送信号，复用器216还从附加或辅助传感器208接收作为（一个或多个）输入的任何信号。次级信号路径然后从MUX 216继续到第二A/D转换器218，第二A/D转换器218还将其输出发送到交叉开关214。

在实施例中，主信号路径的元件和次级信号路径的元件不是相同的和/或使用不同的工作原理来实现。例如，主信号路径中的A/D转换器212可以包括三阶的Σ-Δ（sigma-delta）转换器，而次级信号路径中的A/D转换器218可以包括一阶的sigma-delta转换器，或者一个或多个A/D转换器可以利用逐次逼近寄存器（SAR）或闪存技术而不是sigma-delta。换言之，如同次级传感器204一般地是在与主传感器102相比时较不准确、较慢和/或噪声更大、使用不同的工作原理进行操作和/或包括附加次级感测任务的一个传感器那样，这同样可以适用于与A/D转换器212相比时的A/D转换器218。另外，次级传感器204在与主传感器102相比时可以具有较低的采样率、较高的延时时间、较低的带宽、较小的模拟到数字转换分辨率、较小的信号范围、不同的信号编码、不同的传感器信号映射、不同的补偿算法和/或不同的处理调度。甚至进一步，与主传感器102包括第一感测元件相比，次级传感器204可以包括更少的第二感测元件。与主传感器102包括第一感测面积的第一感测元件相比，次级传感器204还可以包括更小的第二敏感面积的第二感测元件。

不同的工作原理可以按许多方式中的任何方式实现。可以实现不同的工作原理以使第一信号路径的功能部分作为硬件实现，而将第二信号路径的对应功能部分实现为软件。可替换地，可以针对第一信号路径使用与针对第二信号路径不同的感测技术来实现不同的工作原理。可替换地，不同的工作原理可以通过如下来实现：对第一信号路径的第一功能部分采用的功能处理硬件至少部分地不同于对与第一功能部分对应的第二信号路径的第二功能部分采用的功能处理硬件。

交叉开关214的输出与主信号路径和次级信号路径二者相关联并且被馈送到数字信号处理（DSP）部分220。在实施例中，DSP 220包括状态机222、箝位算法224和存储器矩阵226。与主信号路径和次级信号路径概念一致，DSP 220还包括与主信号路径相关联的第一软件部分和与次级信号路径相关联的第二软件部分。此外或可替换地，DSP 220还可以针对主信号路径和第二信号路径实现不同的DSP方法或技术。在实施例中，DSP 220经由接口228耦合到I/O 210，并且I/O 210进而耦合到外部ECU（图2中未描绘）。

DSP 220可以实现为多核处理器，或多于一个DSP。多核DSP可以包括相同的核或不同的核。DSP 200可以具有主路径中的一个提供商的DSP以及次级信号路径中的来自不同提供商的多核DSP。

主信号路径和次级信号路径由此可以提供两个不同的准冗余模拟信号路径，所述两个不同的准冗余模拟信号路径提供众多有益的性质。例如，来自传感器202的主磁场信号经由主信号路径在周期中的传输可以提供高度精确的计算结果，其中主信号路径本身至少关于次级信号路径非常精确地（诸如通过使用斩波或其它技术）且快速地操作。主信号路径还独立且自由地操作，而不受其它系统组件影响。

为了分析目的，次级信号路径还提供将其数据提供给控制单元的可能性，其中数据可以用正号或负号进行处理。在系统200中示出从DSP 220到接口228和I/O 210的可能并行输出，同时还可以例如利用时分复用或在被外部请求时按需实现顺序传输。

从DSP 220到接口228的输出可以经由仅一个终端输出，所述仅一个终端根据复用方案而将在一个实例处提供与主信号路径相关联的第一输出信号并且在另一实例处依照复用方案而提供与次级信号路径相关联的第二输出信号。

传感器202和204以及可选地208可以关于其所测量的值而利用不同的感测原理，所述所测量的值包括传感器202和204本身的过程、技术性能和规范、尺寸和/或放置、以及偏置。系统200的实施例包括两个带隙偏置部分230和232以及偏置比较234。偏置部分230与主信号路径相关联，并且偏置部分232与次级信号路径相关联。偏置部分230和232分别提供传感器102和104的不同偏置的选项，同时偏置比较234可以向DSP 220提供输出信号以供考虑。

系统200的实施例还可以经由A/D转换器212和218以及交叉开关214而利用不同的A/D转换和/或切换概念。例如，如先前所提到的，主信号路径中的A/D转换器212可以包括三阶的sigma-delta转换器，而次级信号路径中的A/D转换器218可以包括一阶的sigma-delta转换器，或者一个或多个A/D转换器可以利用逐次逼近寄存器（SAR）或闪存技术而不是sigma-delta。在各种实施例中，这些不同的A/D转换和/或切换概念可以提供不同的故障行为和/或故障概率。在实施例中，测量范围也可以经由到图2中的A/D转换器212和218的所指出的输入来切换以便检测箝位或限制效果。

实施例还可以提供切换传感器202和204与其相应的主信号路径和次级信号路径的选项。例如，次级传感器204可以交换到主信号路径中，并且关于传感器202和次级信号路径也是同样的。该选项可以例如通过例如将传感器与其路径隔离来提供改进的故障检测和/或定位。

由系统200的实施例呈现的另一个优点是比较（诸如通过形成商）主信号路径和次级信号路径中的每一个的输出信号并且评估结果的能力。可以评估结果以确定与传感器202和204、信号路径、系统200和/或某个其它组件的性能或运转有关的一个或多个方面。例如，比较输出信号可以检测输入信号中的快速改变。在利用补偿（诸如当传感器208包括温度传感器时的温度补偿）的实施例中，输出信号可以作为温度补偿信号的函数进行比较。在其它实施例中，可以实现来自传感器208的信息的箝位或限制以隔离其它信号、性质或信息。

由于DSP 220对主信号路径利用软件1而对次级信号路径利用软件2，因此在实施例中可以比较信号路径的输出结果。这样的比较可以提供对软件算法本身的检查。内部或外部窗口比较也可以用在DSP 220的两个信号路径或计算结果的似然性检查中。作为这样的似然性检查的部分，可以实现警告和/或故障阈值。

两个信号路径的输出结果的比较可以包括形成以下中的至少一个：两个信号路径的输出结果的线性变换，商，以及两个信号路径的输出结果之间的绝对差异对照差异阈值的比较。

实施例可以因而在传感器系统中提供安全标准兼容性以及故障自诊断。虽然故障的处置可能根据类型和严重性以及所涉及的特定系统和/或相关安全标准而变化，但是实施例可以提供用于向系统用户提醒所检测到的问题的机会。例如，在利用磁场传感器的安全关键型汽车电子动力转向传感器应用中，所检测到的故障可以导致ECU向驾驶员提醒关键系统问题，使得可以采取适当的动作。在某些应用中，ECU可以被编程为在错误故障或偏离情形中切换到安全模式或安全操作协议。

另外，实施例比利用冗余初级传感器的常规解决方案更加空间高效和成本高效。例如，在实施例中，主/次级传感器和信号路径可以使芯片面积增加小于10％，同时仅利用单个初级传感器而不是两个，其中次级传感器鉴于对其性能的降低需求而典型地是较便宜的设备。鉴于较便宜的次级传感器，还实现了超过在单个芯片上利用两个初级传感器的常规解决方案的优势。

本文已描述了系统、设备和方法的各种实施例。这些实施例仅作为示例给出，并且不旨在限制本发明的范围。而且，应当领会到，已描述的实施例的各种特征可以按各种方式组合以产生众多附加的实施例。而且，虽然已描述了供所公开的实施例使用的各种材料、尺寸、形状、植入位置等，但是在不超出本发明的范围的情况下可以利用除了所公开的那些之外的其它材料、尺寸、形状、植入位置等。

相关领域的普通技术人员将认识到，本发明可以包括比以上描述的任何个体实施例中所说明的特征更少的特征。本文所描述的实施例并不意在详尽地呈现可以组合本发明的各种特征所用的方式。因此，实施例不是相互排斥的特征组合；而是，如本领域普通技术人员所理解的，本发明可以包括从不同的个体实施例选择的不同个体特征的组合。

以上的文献通过引用的任何并入受限成使得没有并入与本文的明确公开相反的主题。以上的文献通过引用的任何并入还受限制成使得没有包括在文献中的权利要求通过引用并入本文。以上的文献通过引用的任何并入还进一步受限成使得文献中提供的任何定义不通过引用并入本文，除非本文明确地包括。

出于解释本发明的权利要求的目的，明确意图在于，不援引35 U.S.C.的第112节第六款的规定，除非在权利要求中记载了具体术语“用于……的部件”或“用于……的步骤”。

Claims (38)

1.一种单片式集成电路，包括：

配置成指示物理量的第一传感器设备，第一传感器设备具有半导体芯片上针对第一传感器信号的第一信号路径；以及

配置成指示所述物理量的第二传感器设备，第二传感器设备具有半导体芯片上针对第二传感器信号的第二信号路径，第二信号路径与第一信号路径分离且不同并且当与第一信号路径相比时具有选自包括以下的组的至少一个特性：具有较低的采样率、较高的延时时间、较低的带宽、较低的精度、具有较多的噪声、较小的模拟到数字转换分辨率以及较小的信号范围，

其中与第一传感器设备包括第一感测元件相比，第二传感器设备包括更少的第二感测元件；与第一传感器设备包括第一感测面积的第一感测元件相比，第二传感器设备包括更小的第二敏感面积的第二感测元件，具有不同的工作原理、不同的信号编码、不同的传感器信号映射、不同的补偿算法和不同的处理调度，并且

其中与第一信号路径有关的第一输出信号和与第二信号路径有关的第二输出信号能从单片式集成电路传送到外部控制单元。

2.权利要求1的单片式集成电路，其中实现不同的工作原理以使第一信号路径的功能部分作为硬件实现，而将第二信号路径的对应功能部分实现为软件。

3.权利要求1的单片式集成电路，其中针对第一信号路径使用与针对第二信号路径的感测技术不同的感测技术来实现不同的工作原理。

4.权利要求1的单片式集成电路，其中通过如下来实现不同的工作原理：针对第一信号路径的第一功能部分采用的功能处理硬件至少部分地不同于针对与第一功能部分对应的第二信号路径的第二功能部分采用的功能处理硬件。

5.权利要求1的单片式集成电路，还包括：

数字信号处理器（DSP），在半导体芯片上并且耦合到第一和第二信号路径以接收第一和第二信号路径信号，其中DSP配置成比较第一和第二信号路径信号。

6.权利要求2的单片式集成电路，其中DSP包括与第一信号路径相关联的第一数字信号处理部分和与第二信号路径相关联的第二数字信号处理部分。

7.权利要求2的单片式集成电路，其中DSP通过模拟到数字（A/D）转换通道交叉切换设备而耦合到第一和第二信号路径。

8.权利要求1的单片式集成电路，还包括：

至少一个附加传感器设备，耦合到第一信号路径和第二信号路径中的一个。

9.权利要求8的单片式集成电路，其中所述至少一个附加传感器设备选自包括以下的组：温度传感器、应力传感器、电流传感器、电压传感器和磁场传感器。

10.权利要求8的单片式集成电路，还包括：

在半导体芯片上的复用器，配置成将第二传感器设备和所述至少一个附加传感器设备耦合到第一和第二信号路径中的所选一个。

11.权利要求1的单片式集成电路，其中第一和第二传感器设备包括磁场传感器。

12.权利要求1的单片式集成电路，还包括：

耦合到第一传感器设备和第一信号路径的第一偏置电路，以及耦合到第二传感器设备和第二信号路径的第二偏置电路。

13.权利要求12的单片式集成电路，还包括：

偏置比较器，配置成从第一偏置电路接收第一偏置信号和从第二偏置电路接收第二偏置信号并且比较第一和第二偏置信号。

14.一种监视单片式集成电路的方法，包括：

在单个半导体芯片上实现包括主传感器的主信号路径；

在所述单个半导体芯片上实现次级传感器和次级信号路径，次级信号路径与主信号路径分离且不同并且当与主信号路径相比时具有选自包括以下的组的至少一个特性：具有较低的采样率、较高的延时时间、较低的带宽、较低的精度、具有较多的噪声、较小的模拟到数字转换分辨率、较小的信号范围和不同的工作原理，

其中与主传感器包括第一感测元件相比，次级传感器包括更少的第二感测元件；与主传感器包括第一感测面积的第一感测元件相比，次级传感器包括更小的第二敏感面积的第二感测元件，不同的工作原理、不同的信号编码、不同的传感器信号映射、不同的补偿算法和不同的处理调度；

提供主信号路径的信号作为第一输出信号和提供次级信号路径的信号作为第二输出信号；以及

比较第一输出信号和第二输出信号。

15.权利要求14的方法，还包括将至少一个附加传感器复用到次级信号路径。

16.权利要求15的方法，还包括从所述至少一个附加传感器接收至少一个补偿信号。

17.权利要求14的方法，还包括：

通过第一偏置部分来偏置主传感器；

通过与第一偏置部分不同的第二偏置部分来偏置次级传感器；以及

测量主传感器的偏置电流和次级传感器的偏置电流。

18.权利要求14的方法，还包括：

将主信号路径和次级信号路径耦合到数字信号处理器（DSP）；

使用DSP的第一软件部分来处理主信号路径的信号以确定第一输出信号；以及

使用DSP的第二软件部分来处理次级信号路径的信号以确定第二输出信号，第二软件部分不同于第一软件部分。

19.权利要求18的方法，还包括：

提供包括主信号路径部分和次级信号路径部分的DSP的并行输出。

20.权利要求14的方法，其中所述比较包括形成主信号路径的信号和次级信号路径的信号的商或线性变换中的至少一个。

21.权利要求20的方法，还包括评估所述至少一个商或线性变换。

22.权利要求14的方法，还包括：

调节主传感器或次级传感器中的所选一个的测量范围，而主传感器或次级传感器中的未选择一个的测量范围保持不变。

23.权利要求14的方法，还包括：交换主传感器和次级传感器，使得主传感器耦合到次级信号路径并且次级传感器耦合到主信号路径。

24.权利要求2的单片式集成电路，其中外部控制单元配置成响应于通过外部控制单元接收和比较可传送的第一和第二输出信号而提供警报。

25.权利要求19的方法，还包括：

通过主信号路径部分提供第一输出信号；以及

通过次级信号路径部分提供第二输出信号。

26.权利要求18的方法，还包括：

通过输出部分提供第一输出信号；以及

使用时间复用方案通过输出部分提供第二输出信号。

27.权利要求25的方法，还包括将DSP的并行输出耦合到外部控制单元。

28.权利要求26的方法，还包括：作为所述比较的结果，通过外部控制单元提供警报。

29.权利要求14的方法，其中在单个半导体芯片处实施所述比较。

30.权利要求14的方法，还包括作为所述比较的结果提供以下中的至少一个：

单片式集成电路中的误差或偏差的标识；

传感器、信号路径或DSP中的至少一个的似然性检查；或者

传感器、信号路径或DSP中的至少一个的验证。

31.权利要求1的单片式集成电路，其中第一输出信号和第二输出信号能从单片式集成电路传送到外部控制单元以供比较。

32.权利要求31的单片式集成电路，其中所述比较包括以下中的至少一个：单片式集成电路中的误差或偏差的标识；传感器、信号路径或DSP中的至少一个的似然性检查；或者传感器、信号路径或DSP中的至少一个的验证。

33.权利要求31的单片式集成电路，其中所述比较包括形成以下中的至少一个：第一输出信号和第二输出信号的线性变换，商，第一输出信号和第二输出信号之间的绝对差异对照差异阈值的比较。

34.权利要求14的方法，还包括：

在主信号路径上实现第一模拟到数字（A/D）转换技术；以及

在次级信号路径上实现第二A/D转换技术，第二A/D转换技术不同于第一A/D转换技术。

35.权利要求1的单片式集成电路，其中第一信号路径包括第一模拟到数字（A/D）转换器，并且第二信号路径包括与第一A/D转换器不同的第二A/D转换器，并且来自第一A/D转换器的与第一信号路径有关的第一输出信号和来自第二A/D转换器的与第二信号路径有关的第二输出信号能从单片式集成电路传送到外部控制单元。

36.权利要求35的单片式集成电路，其中第一A/D转换器以与第二A/D转换器的工作原理不同的至少一个工作原理进行操作。

37.权利要求2的单片式集成电路，其中DSP包括仅与第一信号路径相关联的第一数字信号处理部分和仅与第二信号路径相关联的第二数字信号处理部分。

38.权利要求2的单片式集成电路，其中外部控制单元配置成接收和比较可传送的第一和第二输出信号。