CN110426061B - 用于功能操作期间的传感器诊断的系统和方法 - Google Patents

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Abstract

一种系统包括用于检测外部磁场的磁场感测元件和用于提供参考磁场的接近所述磁场感测元件的磁场源。所述磁场感测元件产生具有参考和测量信号部分的复合信号，所述参考信号部分指示所述参考磁场且所述测量信号部分指示所述外部磁场。电源提供通过所述磁场源的供应电流，以在所述系统处于操作模式时持续地生成所述参考磁场。处理电路处理所述复合信号以产生指示所述外部磁场的测量输出信号。在多个测试点处与所述处理电路耦合的检核电路检测所述多个测试点处的所述参考信号部分，并根据检测到的参考信号部分确定所述系统的可操作性。

Description

用于功能操作期间的传感器诊断的系统和方法
技术领域
本发明大体上涉及传感器系统。更具体地说，本发明涉及一种磁场传感器系统，例如速度传感器，和一种用于在功能操作期间持续地确定磁场传感器系统的可操作性以进行功能安全故障检测的方法。
背景技术
磁场传感器系统用于各种商业、工业和汽车应用中，以出于速度和方向感测、旋转角感测、接近感测等目的测量磁场。在一些应用中，磁场传感器系统可被用作用于读取车轮旋转速度的车轮速度传感器。车轮速度传感器可实施于防抱死制动系统(ABS)内。ABS是一种汽车安全系统，其允许机动车辆上的车轮根据驾驶员在制动时的输入而保持与路面的牵引接触，由此防止车轮锁死(停止旋转)且避免失控滑行。
发明内容
根据本发明的第一方面，提供一种系统，包括：
磁场感测元件，其被配置成检测外部磁场；
磁场源，其接近所述磁场感测元件且被配置成提供可由所述磁感元件检测到的参考磁场，其中所述磁场感测元件被配置成产生复合信号，所述复合信号具有参考信号部分和测量信号部分，所述参考信号部分指示所述参考磁场且所述测量信号部分指示所述外部磁场；以及
电源，其与所述磁场源耦合且被配置成提供通过所述磁场源的供应电流，以用于在所述系统处于操作模式时持续地生成所述参考磁场。
在一个或多个实施例中，所述系统进一步包括：
处理电路，其与所述磁感元件耦合，所述处理电路被配置成处理所述复合信号以产生指示所述外部磁场的测量输出信号；以及
检核电路，其在多个测试点处与所述处理电路耦合，所述检核电路被配置成检测所述多个测试点处的所述参考信号部分，并根据可在所述多个测试点中的每一个处检测到的所述参考信号部分确定所述系统的至少一部分的可操作性。
在一个或多个实施例中，所述处理电路包括第一滤波器元件，其被配置成从所述复合信号移除所述参考信号部分以从所述复合信号的所述测量信号部分产生所述测量输出信号。
在一个或多个实施例中，所述检核电路包括第二滤波器元件，其被配置成从所述复合信号移除所述测量信号部分以在确定所述系统的所述至少一部分的所述可操作性之前产生所述参考信号部分。
在一个或多个实施例中，所述处理电路包括模/数转换器(ADC)系统，所述ADC系统被配置成将所述复合信号转换成数字化复合信号；并且
所述多个测试点包括第一测试点，所述第一测试点包括在所述ADC系统与所述检核电路之间的第一互连，其中所述检核电路被配置成检测所述数字化复合信号中所述参考信号部分的数字化检核参考信号部分，并当所述数字化检核参考信号部分在第一预期信号范围外时产生第一错误标记。
在一个或多个实施例中，所述ADC系统包括：
三角积分ADC，其被配置成接收所述复合信号并将所述复合信号转换成数字化中间复合信号；以及
抽取结构，其被配置成接收所述数字化中间复合信号并处理所述数字化中间复合信号以产生所述数字化复合信号，其中所述数字化检核参考信号部分在所述第一预期信号范围外的状况指示三角积分ADC故障和抽取结构故障中的一个。
在一个或多个实施例中，所述处理电路进一步包括：
线性化电路，其被配置成响应于所述数字化复合信号而产生线性化复合信号；并且
所述多个测试点包括第二测试点，所述第二测试点包括在所述线性化电路与所述检核电路之间的第二互连，其中所述检核电路被进一步配置成检测所述线性化复合信号中所述参考信号部分的线性化检核参考信号部分，并当所述线性化检核参考信号部分在第二预期信号范围外时产生第二错误标记。
在一个或多个实施例中，所述线性化电路进一步包括杂散场补偿区段，其被配置成补偿叠加在所述复合信号上的杂散场信号部分，所述杂散场信号部分指示在存在所述外部磁场的情况下的杂散磁场，其中所述线性化检核参考信号部分在所述第二预期信号范围外的状况指示线性化电路故障和所述杂散场补偿区段处所述杂散场信号部分的不充分抑制中的至少一个。
在一个或多个实施例中，所述处理电路进一步包括：
信号调节电路，其被配置成补偿所述数字化复合信号内的可变信号部分以产生补偿复合信号；以及
比较器元件，其具有与所述信号调节电路耦合的输入，所述比较器元件被配置成当所述补偿复合信号在第三预期信号范围外时产生第三错误标记。
在一个或多个实施例中，所述系统选择性地在所述操作模式和待用模式中的任一个中原位运作，其中在所述操作模式中所述外部磁场可由所述磁感元件检测，在所述待用模式中所述外部磁场不可由所述磁感元件检测，且所述电源被配置成当所述系统处于所述操作和待用模式时均提供所述供应电流。
在一个或多个实施例中，所述系统进一步包括处理电路，所述处理电路与所述磁感元件耦合，所述处理电路被配置成处理所述复合信号的所述测量信号部分以当所述系统处于所述操作模式时产生指示所述外部磁场的测量输出信号，且所述处理电路被进一步配置成处理所述复合信号的所述参考信号部分以当所述系统处于所述待用模式时产生指示所述参考磁场的参考输出信号。
在一个或多个实施例中，所述磁感元件、所述磁场源、所述电源和所述处理电路实施于速度传感器系统内，且所述待用模式是所述速度传感器系统的停止模式，在所述停止模式中所述速度传感器系统检测到物体响应于不存在所述外部磁场而不能移动。
根据本发明的第二方面，提供一种用于在能够在操作模式和待用模式中的任一个中原位运作的系统的方法，所述系统包括磁感元件，所述方法包括：
当所述系统处于所述操作模式和所述待用模式时均持续地对接近所述磁感元件的磁场源通电，所述磁场源提供可由所述磁感元件检测到的参考磁场；
在所述磁感元件处检测外部磁场和所述参考磁场；
产生具有参考信号部分和测量信号部分的复合信号，所述参考信号部分指示所述参考磁场且所述测量信号部分指示所述外部磁场；
在处理电路处处理所述复合信号，以产生指示所述外部磁场的测量输出信号；
在检核电路处检测检核参考信号部分，所述检核电路在多个测试点处与所述处理电路耦合；以及
在所述检核电路处根据可在所述多个测试点中的每一个处检测到的所述检核参考信号部分确定所述系统的至少一部分的可操作性。
在一个或多个实施例中，所述方法进一步包括：
将所述复合信号转换成数字化复合信号；
在所述检核电路处对所述数字化复合信号进行滤波，以检测所述数字化复合信号中所述参考信号部分的数字化检核参考信号部分；以及
当所述数字化检核参考信号部分在第一预期信号范围外时产生第一错误标记，所述第一错误标记指示所述系统的第一故障状况。
在一个或多个实施例中，当所述数字化检核参考信号部分在所述第一预期信号范围内时，所述方法进一步包括：
处理所述数字化复合信号以产生线性化复合信号；
在所述检核电路处对所述线性化复合信号进行滤波，以检测所述线性化复合信号中所述参考信号部分的线性化检核参考信号部分；以及
当所述线性化检核参考信号部分在第二预期信号范围外时产生第二错误标记，所述第二错误标记指示所述系统的第二故障状况。
在一个或多个实施例中，当所述线性化检核参考信号部分在所述第二预期信号范围内时，所述方法进一步包括：
对所述线性化复合信号进行滤波，以从所述线性化复合信号移除所述参考信号部分，以产生线性化测量信号部分；以及
处理所述线性化测量信号部分，以产生指示所述外部磁场的所述测量输出信号。
在一个或多个实施例中，所述方法进一步包括：
确定所述测量输出信号指示不存在所述外部磁场；
从所述线性化复合信号获得所述参考信号部分；
处理所述参考信号部分以产生指示所述参考磁场的参考输出信号；以及
识别不存在所述参考输出信号，其中所述参考输出信号的所述不存在指示所述系统的第三故障状况。
根据本发明的第三方面，提供一种速度传感器系统，包括：
磁场感测元件，其被配置成检测外部磁场，其中所述速度传感器系统选择性地在操作模式和待用模式中的任一个中原位运作，在所述操作模式中所述外部磁场可由所述磁感元件检测，且在所述待用模式中所述外部磁场不可由所述磁感元件检测；
磁场源，其接近所述磁场感测元件且被配置成提供可由所述磁感元件检测到的参考磁场，其中所述磁场感测元件被配置成产生复合信号，所述复合信号具有参考信号部分和测量信号部分，所述参考信号部分指示所述参考磁场且所述测量信号部分指示所述外部磁场；
电源，其与所述磁场源耦合且被配置成提供通过所述磁场源的供应电流，以当所述速度传感器系统处于所述操作和停止模式时持续地生成所述参考磁场；
处理电路，其与所述磁感元件耦合，所述处理电路被配置成处理所述复合信号以产生指示所述外部磁场的测量输出信号；以及
检核电路，其在多个测试点处与所述处理电路耦合，所述检核电路被配置成检测所述多个测试点处的所述参考信号部分，并根据可在所述多个测试点中的每一个处检测到的所述参考信号部分确定所述系统的至少一部分的可操作性。
在一个或多个实施例中，所述处理电路包括模/数转换器(ADC)系统，所述ADC系统被配置成接收所述复合信号并将所述复合信号转换成数字化复合信号；并且
所述多个测试点包括第一测试点，所述第一测试点包括在所述ADC系统与所述检核电路之间的第一互连，其中所述检核电路被配置成检测所述数字化复合信号中所述参考信号部分的数字化检核参考信号部分，并当所述数字化检核参考信号部分在第一预期信号范围外时产生第一错误标记。
在一个或多个实施例中，所述处理电路进一步包括：
线性化电路，其被配置成响应于所述数字化复合信号而产生线性化复合信号；并且
所述多个测试点包括第二测试点，所述第二测试点包括在所述线性化电路与所述检核电路之间的第二互连，其中所述检核电路被进一步配置成检测所述线性化复合信号中所述参考信号部分的线性化检核参考信号部分，并当所述线性化检核参考信号部分在第二预期信号范围外时产生第二错误标记。
本发明的这些和其它方面将根据下文中所描述的实施例显而易见，且参考这些实施例予以阐明。
附图说明
附图用来另外示出各种实施例并解释根据本发明的所有各种原理和优点，在附图中类似附图标记贯穿不同的视图指代相同的或功能类似的元件，各图不一定按比例绘制，附图与下文的具体实施方式一起并入本说明书并且形成本说明书的部分。
图1示出防抱死制动系统的简化框图；
图2示出根据实施例的具有磁场源的防抱死制动系统的车轮速度传感器系统的感测部分的俯视图；
图3示出沿着图2的截面线3-3得到的车轮速度传感器系统和磁场源的感测部分的侧截面图；
图4示出用于测试速度传感器系统的可操作性的并有磁场源的车轮速度传感器系统的简化框图；
图5示出用于提供供应电流通过图2的磁场源的图4的车轮速度传感器系统的电流开关电路的示例配置的电路图；
图6示出图4的车轮速度传感器系统的处理电路的简化框图；
图7示出对图4和6的系统内的复合信号的模/数(ADC)转换、下取样和带通滤波之后的检核参考信号部分的曲线图；
图8示出对图4和6的系统内的复合信号的线性化、杂散磁场补偿和带通滤波之后的检核参考信号部分的曲线图；
图9示出用于从图4和6的系统内的外部测量信号移除参考信号的陷波滤波器方案的曲线图；
图10示出用于图4的车轮速度传感器系统的信号处理链的例子；且
图11示出在图4的车轮速度传感器系统内实施的功能安全测试方法的流程图。
具体实施方式
概括地说，本公开涉及磁场传感器系统和用于在功能操作期间持续地测试此类磁场传感器系统的可操作性的方法。更具体地说，磁场传感器系统可实施为防抱死制动系统(ABS)应用的车轮速度传感器系统。在ABS应用中，车轮速度传感器系统通常在操作模式和待用(例如，停止)模式中的任一个中运作。在操作模式中，车轮速度传感器的磁感元件检测到指示例如车辆等物体的速度的外部磁场。在停止模式中，对车辆通电但车辆尚未移动。因此，外部磁场(例如，外部磁场的改变)不可由磁感元件检测。当系统处于操作和停止模式两者时接近于速度传感器的磁感元件的磁场源持续地提供参考磁场。在限定幅值和频率的情况下，参考磁场可通过磁感元件检测以确定速度传感器系统的原位可操作性。也就是说，可在磁场传感器系统的功能操作期间监测整个信号路径以识别在操作期间的装置故障和/或检测灵敏度改变或漂移、过量噪声级等等。
提供本公开以另外通过能够实现的方式对在应用时制造和使用根据本发明的各种实施例的最佳模式进行解释。另外提供本公开以加强对本发明的创造性原理及优点的理解和了解，而不是以任何方式限制本发明。本发明仅通过所附权利要求书限定，所述所附权利要求书包括在发布的本申请和那些权利要求的所有等效物的未决期间进行的任何修正。
应理解，例如第一和第二、顶部和底部等等相关术语(如果存在的话)的使用仅用于区分实体或动作，而不必要求或意指在此类实体或动作之间的任何实际此种关系或次序。此外，附图中的一些可通过使用各种底纹和/或阴影线来示出以区分在各个结构层内产生的不同元件。可利用当前和未来的沉积、图案化、蚀刻等微型制造技术来产生结构层内的这些不同元件。因此，尽管在附图中利用了不同的底纹和/或阴影线，但是结构层内的不同元件可由相同材料形成。
参看图1，图1示出用于例如车辆22等物体的防抱死制动系统(ABS)20的简化框图。正如本领域的技术人员所知，牵引控制系统(TCS)可设置在防抱死制动系统上。因此，本文所使用的术语ABS意图涵盖可额外包括牵引控制性能的防抱死制动系统。为简单起见，不在本文中详细示出车辆22。代替地，车辆22由四个车轮24和耦合到其上的相应制动器26表示。尽管示出四个车轮24，但车辆22可具有任何数目个车轮24。
一般来说，ABS 20包括通信耦合到液压调节器系统30的ABS电子控制单元28。电子控制单元28额外耦合到多个车轮速度传感器系统32。液压调节器系统30可包括用以调节供应到制动器26的制动器致动压力的任何数量和配置的液压阀、液压泵、液压流体储存器等等(为简单起见未示出)。在此例子中，多个车轮速度传感器系统32中的每一个耦合到相应车轮24且被配置成感测与相应车轮24相关联的旋转速度。在其它配置中，ABS可使用通道的数目(即，个别地受控的阀的数量)和速度传感器的数目有差异的多个方案中的任一个。这些各种配置可包括例如1)四通道、四传感器的ABS，2)三通道、四传感器的ABS，3)三通道、三传感器的ABS，4)两通道、四传感器的ABS，5)一通道、一传感器的ABS等等。
每个车轮速度传感器系统32可包括呈一个或多个磁场传感器(未示出)形式的感测部分，所述一个或多个磁场传感器被配置成检测已创建或修改的磁场的改变或其中的干扰，并据此推导关于其相关联的车轮24的旋转速度的信息。为此目的，ABS 20可包括多个旋转的编码器车轮34，其中的每一个耦合到相应车轮24。编码器车轮34被配置成促使通过车轮速度传感器系统32感测其相应车轮24的旋转速度。借助于例子，当在车轮24的旋转期间编码器车轮34的交替磁北极和磁南极(未示出)经过其相关联的车轮速度传感器系统32时可检测到外部磁场。车轮速度传感器系统32可将极序转换成脉冲输出电压，且可通过计算每秒脉冲数来推导编码器车轮34且因此车轮24的旋转速度。偏置磁体(未示出)可用于调整磁场传感器的灵敏度和测量范围。编码器车轮34可实施为磁化编码器车轮，或编码器车轮34可以是未磁化的，如同无源编码器一样，或替代实施例可实施铁磁齿轮或其它类似结构。
电子控制单元28连续监测每个车轮24的旋转速度。如果电子控制单元28检测到车轮24中的一个旋转明显慢于其它车轮，指示车轮即将锁定的状况，则电子控制单元28用信号通知液压调节器系统30降低到受影响车轮24的制动器26的液压。液压的降低减少了车轮24上的制动力，使得车轮24旋转更快。相反，如果电子控制单元28检测到车轮24中的一个旋转明显快于其它车轮24，则电子控制单元28用信号通知液压调节器系统30增大到受影响车轮24的制动器26的液压。液压的增大增加了车轮24上的制动力，使得车轮24旋转更慢。连续重复此过程，使得配备有ABS 20的车辆22的车轮24即使在极端状况下的紧急制动期间也不太可能锁定。如果在ABS 20中发生故障，则耦合到电子控制单元28的指示器36可告知驾驶员故障情况。举例来说，可点亮车辆仪表板上的警示灯，且可停用ABS 20，直到故障被矫正为止。ABS可明显降低在大力制动状况下失去牵引力、滑行、打滑等情况的可能性。
有必要确保ABS保持运作且解决ABS的问题，以获得最大安全。一般来说，安全是免于人身伤害和/或财产损失的不可接受风险，且风险是伤害发生概率和伤害严重程度的组合。功能安全取决于响应于其输入而正确操作的系统或设备。因此，功能安全可以被认为是由于电气/电子/可编程电子系统的故障行为所引起的危险而实现不存在不合理的风险。系统的功能安全可通过例如故障避免和故障控制来确定。故障避免解决了系统安装前发生的故障所引起的系统故障，而故障控制解决了系统安装后发生的故障所引起的硬件错误。
为了“原位”检测故障(即，在系统安装之后)，实施为速度传感器的现有技术磁场传感器系统通常在传感器输出处施加周期性人工电速度脉冲信号，所述传感器输出用信号通知接收电子控制单元与磁场传感器相关联的专用集成电路(ASIC)正在运作。不利的是，由于速度脉冲信号是人工生成的电输出信号，因此无法确定磁感元件是否能够适合于检测到被转化成电输出信号的磁场。此外，在不存在磁场转换的情况下，无法检测到正确的信号放大、模/数转换、滤波、偏移校正等等。因此，在此操作状态期间故障检测限于输出级。另外，无法准确地检测和校正电和磁偏移漂移(例如，过温)。
本文中所描述的实施例能够利用磁感元件进行磁场转换且利用在ASIC内部生成的磁场来监测整个信号处理链。如下文将更详细地描述，可检测到信号处理链内的缺陷。因此，可检测到可由在功能操作期间或在停止期间“原位”发生的物理缺陷所引起(且因此无法通过生产测试检测到)的永久和/或间歇寿命故障。另外，将磁场转换成明确限定的电信号可用以检查温度相关的偏移漂移和传感器灵敏度校准。下文涉及用于ABS应用的车轮速度传感器系统。然而，应理解，本文中所描述的系统和方法可以相同方式适用于其它传感器系统。
参看图2到3，图2示出根据实施例的包括磁场源38的车轮速度传感器系统32的感测部分的俯视图，且图3示出沿着图2的截面线3-3得到的车轮速度传感器系统32和磁场源38的感测部分的侧截面图。在此例子中，速度传感器系统32包括呈第一磁场感测元件40和第二磁场感测元件42(各自由图1中的虚线框划定)形式的感测部分，所述第一磁场感测元件和第二磁场感测元件被配置成检测，即感测，外部磁场44(在页面上的右-左方向上定向)。第一磁场感测元件40和第二磁场感测元件42可以是能够响应于外部施加的磁场而改变其电阻值的各向异性磁阻(AMR)感测元件。第一磁感元件40包括相对于外部磁场44的方向呈正四十五度定向的镍-铁(NiFe)条带，且第二磁场感测元件42包括相对于外部磁场44的方向呈负四十五度定向的NiFe条带。NiFe条带的定向可实现第一磁感元件40和第二磁感元件42对外部磁场44的最高灵敏度。然而，其它角定向也是可能的。尽管本文中提及AMR感测元件。但替代实施例可包括能够检测磁场的隧道磁阻(TMR)感测元件、巨磁阻(GMR)感测元件、霍耳效应感测元件等。
第一磁感元件40和第二磁感元件42可以半桥式结构45连接。连接端包括VBR端46、VSS端48和VH端50。VBR端46可连接到调节后的内部电压供应器(下文论述)且VSS端48可连接到系统接地。VH终端50是用于半桥式结构45的输出端，在所述输出端处，由第一磁感元件40和第二磁感元件42的半桥式结构45响应于外部磁场44而产生的第一输出信号52可供用于另外处理以确定车辆22(图1)的当前速度。
根据实施例，磁场源38包括用于提供内部磁场的导电线圈结构，所述内部磁场在本文中被称作参考磁场54，其通常定向在与外部磁场44相同的方向上。因此，磁场源38可替代地在本文中被称作线圈结构38。线圈结构38可包括接近第一磁感元件40和第二磁感元件42的导电迹线，例如金属迹线。在所示出的例子中，线圈结构38可包括定位在第一磁感元件40和第二磁感元件42正下方的第一组迹线56(参见图3)和大致与第一磁感元件40和第二磁感元件42共面且远离第一磁感元件40和第二磁感元件42(参见图3)侧向位移以消除其对由第一组迹线56生成的参考磁场54的影响的第二组迹线58。第一组迹线56和第二组迹线58在其端点处与通孔60连接以形成线圈结构38。
端接到线圈结构38的连接包括CP端62和CN端64。线圈结构38可被布置成使得由箭头覆盖迹线56、58表示的线圈电流66从CP端62流动通过线圈结构38到CN端64。线圈电流66可被接通和切断和/或极性被改变(下文论述)。在对线圈结构38通电时，线圈电流66IC流动通过线圈结构38并生成参考磁场54。此参考磁场54可通过第一磁感元件40和第二磁感元件42检测。因此，第二输出信号68可响应于参考磁场54而通过第一磁感元件40和第二磁感元件42的半桥式结构45产生。
如下面将更详细地讨论，当对车辆22(图2)，因此ABS 20，通电时，线圈电流66可以持续地接通。因此，当操作第一磁场感测元件40和第二磁场感测元件42时持续地生成参考磁场54。因此，第一磁感元件40和第二磁感元件42的半桥式结构45被配置成产生复合信号69作为第一输出信号52和第二输出信号68的组合。也就是说，复合信号69包括指示外部磁场44的第一输出信号52(下文被称作测量信号部分52)和叠加在指示参考磁场54的测量信号部分52上的第二输出信号68(下文被称作参考信号部分68)。复合信号69可被适当地处理(下文论述)以确定第一磁感元件40和第二磁感元件42的半桥式结构45以及下游信号处理链的可操作性。
在一些状况下，第一磁场感测元件40和第二磁场感测元件42可沿着磁场传感器的非感测轴和感测轴经受磁干扰场，也被称作杂散磁场。因此，复合信号69可另外包括杂散场信号部分73，其指示沿着第一磁场感测元件40和第二磁场感测元件42的感测轴且可由第一磁场感测元件40和第二磁场感测元件42检测的杂散磁场71。杂散磁场71可改变传感器的灵敏度和线性范围，因此不利地影响磁场检测质量。因此，另外包括杂散场信号部分73的复合信号69可被适当地处理(下文论述)以基本上减少杂散场信号部分73的不利影响。
第一感测元件40和第二感测元件42被配置成测量在平行于三维坐标系的X轴70的方向上的外部磁场44。因此，第一组迹线56和第二组迹线58可大致垂直于外部磁场44的方向而定向，且更具体地说，第一组迹线56和第二组迹线58以平行于三维坐标系的Y轴72的纵向方向而定向，以便产生也平行于X轴70的参考磁场54。
在图2到3中示出的配置中，线圈电流66流动通过第一组迹线56的总共三个迹线且通过第二组迹线58的总共两个迹线以形成三匝线圈结构38。定位在第一感测元件40和第二感测元件42正下方的第一组迹线56能够实现良好的磁场耦合，以响应于参考磁场54而产生参考信号部分68。然而，在第二组迹线58处生成(远离第一感测元件40和第二感测元件42侧向位移)的参考磁场54对第二输出信号68具有极少影响或无影响。
可使用例如ASIC 74的顶部金属层在专用集成电路(ASIC)74(以图3中虚线形式示出)上制造第一感测元件40和第二感测元件42以及线圈结构38。在示出的例子中，高频交流七毫安(mA)线圈电流66可以生成大约140安培/米(A/m)的参考磁场54。然而，所生成的参考磁场54的磁场强度额外取决于层距、厚度和面积。替代实施例可包括多于或少于三线圈匝以获得内部磁场的所需磁场强度。另外其它实施例可包括在磁感元件正上方的第一组迹线和在磁感元件正下方的第二组迹线，以另外增大内部磁场的磁场强度。
车轮速度传感器系统32包括两个AMR磁感元件40、42。应理解，替代实施例可采用隧道磁阻(TMR)磁感元件、巨磁阻(GMR)感测元件等等。另外或替代地，车轮速度传感器可包括多于两个磁感元件。举例来说，车轮速度传感器可包括具有线圈结构38的两对或多于两对竖直堆叠的磁感元件，以形成更复杂的半桥式结构(例如，以减少或消除场梯度)。
现参看图4，图4示出用于测试车轮速度传感器系统32的可操作性的并有磁场源38(例如，线圈结构)的车轮速度传感器系统32中的一个的简化框图。提供车轮速度传感器系统32的框图以展现向线圈结构38供应线圈电流66并启动复合信号69的信号流通过ASIC 74的处理电路76(通常由虚线框标示)的信号处理链。结合图6提供对处理电路的特征的另外描述。
一般来说，车轮速度传感器32包括电流开关电路78，其用于向在第一磁感元件40和第二磁感元件42附近的线圈结构38提供受控线圈电流66以生成参考磁场54(图2)。将结合图5更详细地描述电流开关电路78。车轮速度传感器32额外包括形成于ASIC 74上的第一磁感元件40和第二磁感元件42的半桥式结构45，如上文所提及。ASIC 74可以是被定制成与第一磁感元件40和第二磁感元件42的半桥式结构45一起运作的集成电路。
在示例配置中，ASIC 74包括模/数转换器(ADC)系统，其包括例如三角积分ADC。三角积分ADC 80耦合到VH终端50和参考半桥式结构84的VR终端82中的每一个。通过第一磁感元件40和第二磁感元件42的半桥式结构45检测磁场(例如，图2的外部磁场44和参考54)且将输出信号(例如，复合信号69)馈送到ADC 80的输入中。在一些实施例中，三角积分ADC 80被配置成接收复合信号69并将复合信号转换成数字化中间复合信号86。一般来说，三角积分ADC 80包括过取样调制器，其接收复合信号69且对其进行多次取样，被称为过取样，以产生数字化中间复合信号86。此方法可产生具有高分辨率的高效抗混叠滤波。
ADC系统79另外包括抽取结构88。抽取结构88，有时被称作抽取器或抽取滤波器，耦合到三角积分ADC 80的输出。在将复合信号69模/数转换成数字化中间复合信号86之后，抽取结构88接收数字化中间复合信号86并将其转换成高分辨率、较慢数字代码，被称作下取样。抽取结构88可额外包括低通数字滤波器，其用于在下取样之前从数字化中间复合信号86移除高频噪声。尽管本文中论述包括三角积分ADC 80和抽取结构88的ADC系统79，但其它实施例可实施不同ADC技术和结构。
在抽取结构88处进行带宽限制(例如，下取样和/或低通滤波)之后，可从抽取滤波器88输出数据字(例如，十六位且经过低通滤波)，在本文中被称作对应于复合信号69的数字化复合信号90。由于数字化复合信号对应于复合信号69，因此数字化复合信号90还将包括测量信号部分52、参考信号部分68和可能的杂散场信号部分73。
形成于ASIC 74中的数字信号处理器92的输入可耦合到抽取结构88的输出，以用于接收数字化复合信号90。另外，数字信号处理器92的输出可耦合到电流开关电路78且可因此将开关控制信号93传达到电流开关电路78。开关控制信号93可用信号通知电流开关电路78来提供以高频交替的恒定供应电流(例如，线圈电流66)通过线圈结构38。
数字信号处理器92经由三角积分ADC 80和抽取结构88与第一磁感元件40和第二磁感元件42的半桥式结构45耦合。数字信号处理器92被配置成处理数字化复合信号90以产生指示测得的外部磁场44(图1)的测量输出信号94。检核电路96可形成于ASIC 74中且与抽取结构88的输出耦合且在多个测试点处与数字信号处理器92耦合(下文论述)。检核电路96被配置成在多个测试点处检测数字化复合信号90中的参考信号部分68，并根据可在多个测试点中的每一个处检测到的参考信号部分68确定车轮速度传感器系统32的至少一部分的可操作性。如将结合图6更详细地论述，检核电路96与数字信号处理器92协作地运作以根据对通过测量输出信号94的输出的外部磁场44的检测和其后续传达到电子控制单元28(图1)来测试整个信号链。尽管本文中论述单个半桥式结构，但可替代地结合检核电路96实施其它桥式结构。举例来说，可实施包括多于一个所描述的信号通道的差接桥式结构以因此消除杂散磁场71的杂散场信号部分73。
现在参看图5，图5示出用于提供供应线圈电流66通过线圈结构38(图2)的速度传感器系统32(图4)的电流开关电路78的示例配置的电路图。内部ASIC供应调节块98生成带隙稳定的参考电流100，IREF。将参考电流100馈入到高电压电流镜102中。一般来说，电流镜是用以通过复制第二有源装置中电流而在一个有源装置中产生电流副本的电路块。电流镜具有相对高的输出电阻，其有助于在不考虑负载状况的情况下保持输出电流恒定。高电压电流镜102可例如通过分别标记为P1和P2的高电压PMOS(HV-PMOS)晶体管104、106构建，所述高电压晶体管将电流开关电路78从电压(VCC)供应器108解耦并生成标记为ICONST的恒定供应电流110，其可用以对ASIC 74(图4)的所有有源功能电路组件供电。标记为N1的NMOS晶体管112将内部ASIC供应调节块98从电流开关电路78的线圈开关电路114解耦。晶体管112，N1，确保将供应ASIC 74(图4)的所有有源功能块并添加标记为IDUMP的经调节的转储电流116，其被调节并直接旁通到接地(GND)以在内部ASIC电路的电源电压108(VCC)、温度和交流负载条件下保持供电电流110恒定。
在实施例中，线圈开关电路116包括五个P型MOS电晶体装置(即，PMOS晶体管)118、120、122、124、126(相应地标记为P3、P4、P5、P6、P7)，其被配置成切换通过线圈结构38或绕过线圈结构38的恒定供应电流110。晶体管118、120、122、124、126受开关控制电路128控制。当接通P3晶体管118(即，通过将SA切换到“低”闭合)且切断P4、P5、P6、P7晶体管120、122、124、126(即，通过将SC4、SC5、SC6、SC7切换到“高”断开)时，可使用恒定供应电流110供应ASIC74。在此配置中，标记为IA的电流130相当于恒定供应电流110。
为了生成参考磁场54(图2)，线圈结构38中需要标记为IC的高频交流线圈电流66。当切断P3、P6、P7晶体管118、124、126(即，通过将SA、SC6、SC7切换到“高”断开)且接通P4、P5晶体管120、122(即，通过将SC4、SC5切换到“低”闭合)时，恒定供应电流110将流动通过线圈结构38以在水平方向上生成正参考磁场分量。相反地，当切断P3、P4、P5晶体管118、120、122(即，通过将SA、SC4、SC5切换到“高”断开)且接通P6、P7晶体管124、126(即，通过将SC6、SC7切换到“低”闭合)时，恒定供应电流110将在相反的方向上流动通过线圈结构38以在水平方向上生成负参考磁场分量。为了避免线圈电流66的极性的切换期间的电压尖峰，可简单地通过将SA切换到“低”来闭合P3晶体管118。这还可用以使边缘平滑以实现谐波减少。又另外，可断续地淡化通过线圈结构38的恒定供应电流66以免信号失真。因此，交流线圈电流切换的频率将具有比外部磁场分量(例如，指示外部磁场44的测量信号部分52)的最大指定信号频率更高的频率。
图5中还示出第一磁感元件40和第二磁感元件42的半桥式结构45。内部生成的恒定电压VDD供应具有其磁场敏感NiFe条带以及ASIC74的其余部分的第一磁感元件40和第二磁感元件42的半桥式结构45。因此，在功能模式(例如，操作模式或停止模式中的任一个)中且通过经由电流开关电路78提供的开关控制，有源ASIC 74消耗受P1晶体管104和P2晶体管106控制的恒定电流110。此恒定电流110，如线圈电流66，将额外用以供应线圈结构38。经由线圈结构38和开关(即，晶体管118、120、122、124、126)的压降应保持为低(例如，小于200mV)。因此，针对第一组迹线56和第二组迹线58(图2)，宽金属线和最小线圈匝可以是有益的。ASIC电流可通过另一调节环路(未示出)在ASIC74内保持恒定。
图6示出车轮速度传感器系统32(图4)的数字信号处理器92的简化框图。提供图6的框图以展现多个测试点，在所述多个测试点处可沿着数字信号处理器92的信号处理链确定车轮速度传感器系统32(图4)的可操作性。因此，将首先描述用于产生测量输出信号94的信号处理链的例子，接着论述用于确定信号处理链的可操作性的多个测试点和检核电路96。
如上文所论述，在三角积分ADC 80(图4)处对复合信号69进行模/数转换且在抽取结构88(图4)处进行带宽限制(例如，下取样和低通滤波)之后，可从抽取结构88输出对应于复合信号69的数字化复合信号90(例如，数据字)。信号调节电路(例如，偏移校正电路132)的输入可耦合到抽取结构88，以用于接收数字化复合信号90并补偿数字化复合信号90内的可变信号部分。在例子中，可变信号部分可能由于车轮速度传感器系统32(图4)所经历的温度变化。因此，偏移校正电路132可被配置成将温度补偿值134施加到数字化复合信号90(其包括图2中所示出的参考信号部分68和叠加在测量信号部分52上的杂散场信号部分73)以用于偏移和幅值校正，从而得到补偿复合信号136。由于补偿复合信号136对应于数字化复合信号90，因此补偿复合信号还将包括测量信号部分52、参考信号部分68和杂散场信号部分73。
线性化电路138的输入经由中间抽取结构88和偏移校正电路132与三角积分ADC80的输出通信。一般来说，线性化电路138被配置成在偏移校正电路132处进行偏移和幅值校正之后接收补偿复合信号136。将磁激励信号(例如，外部磁场44、参考磁场54和杂散磁场71)转换成电信号通常是非线性的且因此可尤其在饱和期间生成谐波失真分量。因此，可能需要此电信号的线性化。因此，线性化电路138被配置成处理补偿复合信号136以产生线性化复合信号140，其中可减小在抽取结构88的输出处存在的信号路径的谐波失真分量。另外，线性化电路138可包括杂散场补偿区段142，其被配置成检测和校正补偿复合信号136中杂散场信号部分73的存在。因此，为了在均匀外部杂散磁场下获得准确磁场检测，在线性化电路138处执行传感器曲线线性化以产生线性化复合信号140。在线性化电路138处进行线性化和杂散场补偿之后，线性化复合信号140将包括测量信号部分52和参考信号部分68，且杂散场信号部分73大大衰减。
线性化电路138的输出与在本文中被称作陷波滤波器144的第一滤波器元件通信。陷波滤波器144被配置成接收线性化复合信号140且从线性化复合信号140移除参考信号部分68以获得测量信号部分52。在示例配置中，参考信号部分68可以是50kHz信号(高于外部磁场分量的最大指定信号频率)，且具有+/-140A/m的明确限定的激励场强。由于人工生成的参考磁场54(图2)的幅值和频率为人所熟知，可容易地从线性化复合信号140滤除参考信号部分68以将测量信号部分52从参考信号部分68分离。
陷波滤波器144可耦合到过零检测电路146。过零检测电路146推导对应于测量信号部分54的输出信号(例如，线性化和经滤波的数据字)过零点以取决于速度脉冲输出生成激励信号频率。例如，可将这些过零点检测为编码器车轮34(图1)的交替的磁北极和磁南极(未示出)。因此，过零检测电路146可检测车轮速度传感器系统32(图4)何时处于车辆22在运动中的操作模式中，且可检测到外部磁场44(图2)。类似地，过零检测块146可检测车轮速度传感器32何时处于车辆22可通电但车辆22不在运动中的停止模式中。停止模式可以在开关点火之后且在车辆22移动之前当车辆22暂时停在停车标志或停车灯处时和/或在车辆22的车轮24(图1)目前没有旋转的其它状况下出现。
过零检测块146与ASIC 74的数字核心的协议生成器148耦合，所述协议生成器可根据合适的数字输出协议(例如，AK协议)对速度和方向信息进行编码以产生测量输出信号94。编码的速度和方向信息(例如，测量输出信号94)经由协议生成器148输出到速度脉冲输出缓冲器150，其取决于信号极性信息而在两个电平(例如，7mA和14mA)之间切换其电流。此测量输出信号94可因此传达到ABS20的电子控制单元28(图1)。
根据一些实施例，可从在第一磁感元件40和第二磁感元件42(图4)的半桥式结构45处的检测监测例如外部磁场44(图1)的物理信号的测量以在正常功能操作期间在ASIC内部实现的转换通道内从速度脉冲输出缓冲器150输出。相应地，可检测到ASIC74的信号处理链内的缺陷和车轮速度传感器系统32在整个寿命期内的性能降级。车轮速度传感器系统32的性能降级或寿命故障可能由在功能操作期间发生的物理硬件缺陷所引起，而所述物理硬件缺陷将不会在生产测试期间被检测到。这些缺陷可能导致统计故障，其被视为参数漂移或固定故障，这在特定应用内，例如ABS20(图1)内，可能是安全关键的。
因此，本文中所描述的实施例提供具有已知幅值和固定频率的ASIC内部生成的连续磁激励场(例如，参考磁场54)的连续故障监测。此参考磁场54刺激第一磁感元件40和第二磁感元件42的半桥式结构45，且半桥式结构45从外部磁场44生成叠加在测量信号部分52上的明确限定的输出信号(例如，参考信号部分68)。此明确限定的参考信号部分68可用于例如监测45或其供应器、三角积分ADC 80、抽取结构88、偏移校正电路132、具有杂散场补偿区段142的线性化电路138、过零检测电路146等的可操作性。
同时参看图4和6，检核电路96在测试点152处耦合到抽取结构88的输出。更具体地说，在抽取结构88的输出与检核电路96的第一输入155之间形成互连154。在测试点152处，数字化复合信号90(其包括测量信号部分52和参考信号部分68)传达到检核电路96。在测试点152处，可检查第一磁感元件40和第二磁感元件42的半桥式结构45的灵敏度和信号削波。可关于由切换的内部线圈电流66生成的参考磁场54(图2)测得来自半桥式结构45的输出信号(例如，复合信号69)的幅值。由此，可以确定传感器灵敏度是否足够高于指定的高度。另外，通过将测得的信号幅值与预期的信号幅值进行比较，可以在抽取结构88后面检查ADC80处的模/数转换以及抽取结构88处的下取样和滤波的性能。可以给出关于车轮速度传感器系统32在参考信号部分68的激励电平下的传递函数的指示。
为此，数字化复合信号90经由互连154从测试点152传达到检核电路96。检核电路96包括第二滤波器，在本文中被称作带通滤波器156。带通滤波器156在确定半桥式结构45的至少灵敏度的可操作性、ADC 80处进行模/数转换以及在抽取结构88处进行下取样和滤波之前通过对参考信号部分68的明确限定的频带进行带通滤波来从数字化参考信号部分68移除数字化测量信号部分52。在示例实施例中，外部磁场44的最大输入信号频率可限于12kHz。由线圈结构38生成的开关参考磁场54的频率与内部数据处理取样率同步且应至少比特定最大信号频率高四倍。因此，开关参考磁场54的示例频率可以是50kHz，且带通滤波器156可被配置成在以50kHz为中心的合适范围内传递频率并且拒绝在所述范围之外的频率，以便有效地衰减由外部磁场44产生测量信号部分52。为了独立于50kHz检核参考信号部分的温度和处理相关的传播延迟，可以在带通滤波器96处实施移动平均值滤波器。
在带通滤波之后，检核电路96可根据限定的保护频带内的预期结果来评估所提取的检核参考信号部分。检核电路96应考虑抽取结构88处的检核参考信号部分的信号形状(正弦或矩形)和实施的衰减。
参看图7，图7示出在图4和6的车轮速度传感器系统32内进行模/数转换、下取样和带通滤波之后数字化检核参考信号部分160的例子的曲线图158。更具体地说，数字化检核参考信号部分160(在所阐述的例子中，大致50KHz)由在检核电路96的带通滤波器156处进行滤波产生且接着另外在指定限值内检核。50kHz数字化参考信号部分的检核可使用在检核电路96内的经滤波的50kHz数字化参考信号部分的多个样本(例如，8个样本)的移动平均值以及另外的检核程序。预定检测限值可用以检查50kHz数字化检核参考信号部分160在幅值和频率纯度方面的质量。在此简化例子中，在ADC和下取样之后的预定检测限值是由上限值164和下限值166限定的第一预期信号范围162。如曲线图158中所示出，数字化检核参考信号部分160的一些样本落在第一预期信号范围162外且可因此指示系统32内的故障。
返回参看图4和6，在一些配置中，互连168可设置于检核电路96与功能安全诊断电路170之间。检核电路96可将数字化检核参考信号部分160(图7)与第一预期信号范围162(图7)比较。如果在第一预期信号范围162内未实现数字化检核参考信号部分160的预期结果，则检核电路96可发出错误标记172以用信号通知传感器测量故障。错误标记172可传达到功能安全诊断电路170以用于另外处理。
在一些配置中，另一互连174可设置于测试点152与功能安全比较器电路176之间。功能安全比较器电路176可与非易失性存储器元件(未示出)相关联，所述非易失性存储器元件可用以存储与预期信号值相关联的信息。举例来说，可以由功能安全比较器电路176测量抽取结构88的输出处(例如，在测试点152处)的数字化复合信号90中的噪声级且将其与由ASIC 74的内部信号处理(例如，归因于热噪声)所生成的理论预期噪声级比较。如果这些噪声级超过预期保护频带，则功能安全比较器电路176可发出错误标记178以用信号通知未预期的噪声故障且此错误标记178还可传达到功能安全诊断电路170。未预期的噪声可能由外部干扰磁场或信号处理链内的破裂分量所引起。
因此，错误标记172表示从检核电路96到功能安全诊断电路170的通信，其用信号通知传感器测量故障。类似地，错误标记178表示来自功能安全比较器电路176的通信，其也用信号通知传感器测量故障。因此，如果在抽取结构88后面的测试点152处未检测到50KHz数字化检核参考信号部分160，或50KHz数字化检核参考信号部分160落在第一预期信号范围162或理论预期噪声级外，则可确定存在参考磁场54的生成的故障、电流开关电路78处的电流切换的故障、线圈结构38中的故障、第一磁感元件40和第二磁感元件42的半桥式结构45或相关联的电源的故障、ADC 80处的模/数转换的故障，和/或抽取结构88的故障。
处理电路76可包括偏移校正电路132的输出处的另一测试点180。测试点180经由互连182与功能安全比较器176通信。在测试点180处，如果温度在恒定的外部磁激励场下随时间变化，则可以检查基于温度的电和磁偏移校正。如果温度已改变，则可能需要偏移校正，以便在短时间内检测小信号幅值的过零点。这可通过在功能安全比较器176处将测得的偏移电平与存储的参考值进行比较来实现。由于从偏移校正电路132输出的补偿复合信号136包括由内部生成的参考磁场54产生的参考信号部分68，因此可以通过计算参考信号部分68的中值电平来监测基于温度的偏移和幅值校正。如果基于温度的偏移和幅值校正在存储于例如存储器(未示出)内的预期信号电平外，则可由功能安全比较器电路176发出错误标记178且此错误标记可传达到功能安全诊断电路170。
继续参看图4和6，检核电路96在测试点184处耦合到线性化电路138的输出。更具体地说，在线性化电路138的输出与检核电路96的第二输入188之间形成互连186。在测试点184处，线性化复合信号140(其包括测量信号部分52和参考信号部分68)传达到检核电路96。在测试点184处，可检查具有杂散场补偿区段142的线性化电路138的可操作性。
为此，线性化复合信号140经由互连186从测试点140传达到检核电路96。同样，带通滤波器156在确定具有杂散场补偿区段142的至少线性化电路138的可操作性之前通过对参考信号部分68的明确限定的频带进行带通滤波来从数字化参考信号部分68移除数字化测量信号部分52。在带通滤波之后，检核电路96可根据限定的保护频带内的预期结果来评估所提取的线性化检核参考信号部分。
参看图8，图8示出在图4和6的车轮速度传感器系统32内进行线性化、杂散磁场补偿和带通滤波之后线性化检核参考信号部分192的例子的曲线图190。更具体地说，线性化检核参考信号部分192(在所阐述的例子中，大致50KHz)由在检核电路96的带通滤波器156处进行滤波产生且接着另外在指定限值内检核。50kHz线性化参考信号部分的检核可使用在检核电路96内的经滤波的50kHz线性化参考信号部分的多个样本(例如，8个样本)的移动平均值以及另外的检核程序。预定检测限值可用以检查50kHz线性化检核参考信号部分192在幅值和频率纯度方面的质量。在此简化例子中，在线性化和杂散场补偿之后的预定检测限值是由上限值196和下限值198限定的第二预期信号范围194。如果线性化检核参考信号部分192的一些或所有样本落在第二预期信号范围194外，则可能在车轮速度传感器系统32内发生故障。
返回参看图4和6，如果在第二预期信号范围194内未实现线性化检核参考信号部分192的预期结果，则检核电路96可发出错误标记172以用信号通知关于线性化和杂散场补偿的传感器测量故障。错误标记172可接着经由互连168传达到功能安全诊断电路170以用于另外的处理。
在一些配置中，另一互连200可设置于测试点184与功能安全比较器电路176之间。功能安全比较器电路176可评估在线性化电路138的输出处(例如，在测试点184)处的线性化复合信号140中的噪声级。如果这些噪声级超过预期保护频带，则功能安全比较器电路176可发出错误标记178以用信号通知未预期的噪声故障且此错误标记178还可传达到功能安全诊断电路170。
因此，错误标记172表示从检核电路96到功能安全诊断电路170的通信，其用信号通知传感器测量故障。类似地，错误标记178表示从功能安全比较器电路176到功能安全诊断电路170的通信，其也用信号通知传感器测量故障。因此，如果在线性化电路138后面的测试点184处未检测到50KHz线性化检核参考信号部分192(图8)或50KHz线性化检核参考信号部分192落在第二预期信号范围194(图8)或理论预期噪声级外，则可确定测试点184的上游存在故障。也就是说，在线性化电路处的至少线性化、杂散场补偿部分142处的补偿和/或偏移校正电路132处的偏移校正可能存在故障。另外，可能存在参考磁场54的生成的故障、电流开关电路78处的电流切换的故障、线圈结构38中的故障、第一磁感元件40和第二磁感元件42的半桥式结构45或相关联电源的故障、ADC 80处的模/数转换的故障，和/或抽取结构88的故障。
应理解，在测试点152和184处，检核电路96对相关联的复合信号90、140进行滤波以衰减测量信号部分并评估参考信号部分以响应于参考信号部分而检核系统的可操作性。检核电路96可在测试点152处检查抽取结构88后面的传感器灵敏度和信号削波，且检核电路96可在测试点184处检查传感器曲线线性化和杂散场补偿。另外，在测试点152、180、184处，功能安全比较器176评估包括测量信号部分52和参考信号部分68的复合信号，以响应于复合信号而识别系统的可操作性。举例来说，功能安全比较器176可检查信号幅值、噪声级、偏移校正等。
功能安全诊断电路170可与协议生成器148通信。因此，如果标记172或标记178从检核电路96或功能安全比较器176传达到功能安全诊断电路170，则协议生成器148可根据数字输出协议对由标记172或标记178表示的错误信息进行编码以传达到电子控制单元28。
如先前所论述，线性化电路138的输出与陷波滤波器144通信。陷波滤波器144被配置成接收包括参考信号部分68和测量信号部分52的线性化复合信号140，且移除参考信号部分68。如果在过零检测电路146处检测到测量信号部分52且未发出标记172、176，则可以假定适当地操作在陷波滤波器144之前的上游信号处理。然而，在过零检测电路146处，如果在过零检测电路146处未检测到测量信号部分52，则车辆22(图1)可能处于停止模式中且信号处理链中可能存在故障。
当在过零检测电路146处未检测到测量信号部分52时，线性化和经滤波数字化参考信号部分将经由线性化电路138与过零检测电路146之间的旁通陷波滤波器144的旁通互连202传达到过零检测电路146。举例来说，可切断陷波滤波器144。在预定时间段内没有检测到参考信号部分68指示处理信号链中的故障。参考信号部分68的检测指示车辆22处于停止模式。由于检测到的参考信号部分68与内部数据处理同步，因此其将被检测为“内部信号”(即，参考信号而非外部激励信号)。因此，在一些实施例中，车轮速度传感器输出协议可切换到停止协议(下文论述)。
在预定时间段内检测到线性化复合信号140(其包括测量信号部分52加参考信号部分68)指示外部激励信号正在恢复(例如，从停止模式向功能模式移动)。在此状况下，可再次接通陷波滤波器144，使得可适当地处理线性化复合信号140并恢复正常功能操作。
图9示出用于从车轮速度传感器系统32(图4和6)内的外部测量信号移除参考信号的陷波滤波器方案的曲线图203。可以生成具有已知幅值和频率的参考磁场54(图4)。在先前所描述的例子中，参考磁场54在50kHz的频率下可具有+/-140A/m的幅值。因此，陷波滤波器144(图6)可被配置成滤除或以其它方式衰减参考信号部分68和其谐波中的至少一些，使得测量信号部分52仍用于过零检测。
返回参看图6，另一比较器电路204可与速度脉冲输出缓冲器150的输出耦合。比较器电路204可从速度脉冲输出缓冲器150接收经编码的速度和方向信息(例如，测量输出信号94)。如果在由协议生成器148所参考的限定的保护频带内未实现测量输出信号94的预期结果，则可发出错误标记206且将其传达到功能安全控制电路170以用信号通知传感器测量或通信故障。协议生成器148可根据数字输出协议对与错误标记206相关联的错误信息进行编码以传达到电子控制单元28。因此，可利用错误标记206实现速度脉冲输出缓冲器150的故障检测。
应另外观察到过零检测电路146的输出可与停止检测电路208通信。停止检测块208从由过零检测电路146输出的信息识别车轮速度传感器32是否处于操作模式(其中过零检测块92检测测量信号部分52的过零点，因此指示车辆22处于运动中)或车轮速度传感器32是否处于停止模式(其中过零检测块92检测参考信号部分68的过零点，因此指示车辆22不在运动中)。停止检测电路208可与停止脉冲产生电路210耦合。
停止脉冲生成电路210可经由协议生成器148生成停止协议并经由速度脉冲输出缓冲器150传达到输出，以传达到例如电子控制单元28(图1)。停止协议可向电子控制单元28指示车辆22处于停止模式中，在所述停止模式中对车辆22通电，但车辆22不在运动中。因此，外部磁场44不可用于供车轮速度传感器系统32检测。尽管如此，当在停止模式中时，开关控制信号93被传达到电流开关电路78以提供恒定供应电流(例如，线圈电流66)通过线圈结构38。
图10示出用于车轮速度传感器系统32(图4)的信号处理链212的例子。另外，信号处理链212展现处理的主要级和用于确定系统32的可操作性的上文所论述各个测试点。
在信号处理链212的第一级214处，对系统32(图4)通电且将线圈电流66施加到线圈结构38以提供参考磁场54(图4)。在第一级214处，第一磁感元件40和第二磁感元件42的半桥式结构45可检测到外部磁场44(图4)。从信号处理链212的第一级214输出复合信号69。在信号处理链212的第二级216处，经由三角积分ADC 80对复合信号69进行数字化以产生数字化中间复合信号86。在信号处理链212的第三级218处，数字化中间复合信号86在抽取结构88(图4)处进行处理以产生数字化复合信号90。抽取结构88的输出在测试点152处连接到的检核电路96(图6)的输入。在测试点152处，可检查系统32的至少参考磁场54的生成、产生线圈电流66的电流切换、线圈结构38、磁感元件40、42的半桥式结构45、三角积分ADC 80处的模/数转换和抽取结构88(图4)的可操作性。
在信号处理链212的第四级220处，数字化复合信号90进行偏移校正、线性化和杂散场补偿以得到线性化复合信号140。线性化电路138(图6)的输出在测试点184处连接到的检核电路96的输入。在测试点184处，可检查系统32的至少偏移校正电路132(图6)处的偏移校正和线性化电路138处的线性化和杂散场补偿，以及参考磁场54的生成、产生线圈电流66的电流切换、线圈结构38、磁感元件40、42的半桥式结构45、三角积分ADC 80处的模/数转换和抽取结构88的可操作性。
在信号处理链212的第五级222处，线性化复合信号140在过零检测电路146(图6)处进行过零检测以得到测量输出信号94。更具体地说，线性化复合信号140经由陷波滤波器144滤波以得到线性化数字化测量信号部分193。如果未检测到数字化测量信号部分193的过零点，则数字化参考信号部分68在过零检测电路146处进行过零检测以确定至少陷波滤波器144(图6)、过零检测电路146，以及偏移校正电路处的偏移校正、线性化和杂散场补偿、参考磁场54的生成、产生线圈电流66的电流切换、线圈结构38、磁感元件40、42的半桥式结构45、三角积分ADC 80处的模/数转换和抽取结构88的可操作性。
图11示出在车轮速度传感器系统32内实施的功能安全测试过程230的流程图。功能安全测试过程230“原位”执行。也就是说，当车轮速度传感器系统32并入在最终应用中，例如在ABS 20中，且能够以操作模式和待用(例如，停止)模式中的任一个在最终应用中运作时执行过程230。因此，当车辆22(图1)且因此具有车轮速度传感器系统32的ABS 20被通电时，即当车辆22的点火开启时，可自动执行功能安全测试过程230。结合车轮速度传感器32(图4和6)的运作描述过程230。因此，可同时参考图4和6的框图。尽管结合车轮速度传感器系统32中的一个描述功能安全测试过程230，但应理解，功能安全测试过程230可在ABS20(图1)的车轮速度传感器系统32中的每一个处同时执行。
在框232处，对系统32通电。也就是说，可开启车辆22，使得经由电流开关电路78为系统32提供电力。因此，还对接近第一磁场感测元件40和第二磁场感测元件42的半桥式结构45定位的磁场源(例如，线圈结构38)通电，以便提供参考磁场54。
在框234处，第一磁场感测元件40和第二磁场感测元件42的半桥式结构45检测到磁场。更具体地说，半桥式结构45可检测到外部磁场44、参考磁场54和杂散场磁场71。在框236处，半桥式结构45产生具有测量信号部分52、参考信号部分68和可能的杂散场信号部分73的复合信号69。测量信号部分52指示外部磁场44，参考信号部分68指示参考磁场54，且杂散场信号部分73指示杂散磁场71。
响应于对磁场234的检测，在处理电路76(处理操作由图11中的虚线框237标示)处处理复合信号69，以标称地产生指示外部磁场44的测量输出信号94。然而，结合功能安全测试过程230执行各种检查(下文论述)以确保车轮速度传感器系统32的可操作性。因此，结合正常操作功能(即，应发生什么)描述操作框，且询问框穿插有操作框且大体上与测试点对应且比较器在系统32内操作以测试系统32的可操作性。由环绕那些操作框的虚线标示由处理电路76执行以产生测量输出信号94或以确定车轮速度传感器系统32的可操作性的操作和询问框。
因此，在框238处，在三角积分ADC 80处对复合信号69进行数字化并在抽取结构88处适当地处理复合信号69以产生数字化复合信号90。在询问框240处，确定是否检测到故障。询问框240与测试点152对应，在所述测试点152处，数字化复合信号90被传达到检核电路96，在带通滤波器96处被滤波，以检测数字化复合信号90中的参考信号部分68的数字化检核参考信号部分160(图7)，且当数字化检核参考信号部分160在预期信号范围162(图7)外时产生错误标记172。
当在询问框240处检测到故障时，过程230进行到框242。在框242处，执行矫正措施来改善车轮速度传感器系统32的可操作性，和/或如果信号路径未正确地工作，则车轮速度传感器系统32标记电子控制单元28(图1)以将ABS 20切换到诊断安全状态。
当在询问框240处确定未检测到故障时，功能安全测试过程230继续框244。在框244处，数字化复合信号在偏移校正电路132处进行偏移校正以产生补偿的复合信号136。在询问框246处，确定是否检测到故障。询问框246与测试点180对应，在所述测试点180处，功能安全比较器176可针对幅值、噪声级、偏移等评估补偿复合信号136。当在询问框246处检测到故障时，过程230再次进行到框242以执行矫正措施或将ABS 20切换成诊断安全状态。
当在询问框246处确定未检测到故障时，功能安全测试过程继续框248。在框248处，补偿复合信号136在线性化电路138处进行线性化和杂散场补偿以产生线性化复合信号140。在询问框250处，确定是否检测到故障。询问框250与测试点184对应，在所述测试点184处，线性化复合信号140被传达到检核电路96，在带通滤波器96处被滤波以检测线性化复合信号140中的参考信号部分68的线性化检核参考信号部分192(图8)，且当线性化检核参考信号部分192在预期信号范围194(图8)外时产生错误标记172。当在询问框250处检测到故障时，过程230再次进行到框242以执行矫正措施或将ABS 20切换成诊断安全状态。
当在询问框250处确定未检测到故障时，功能安全测试过程230继续框252。在框252处，线性化复合信号140进行过零检测。更具体地说，在陷波滤波器144处对线性化复合信号140进行滤波以移除数字化参考信号部分68并产生测量信号部分193(图10)。在过零检测电路146处处理线性化数字化测量信号部分193，以便检测指示感测到的外部磁场44的过零点，这将指示车辆22处于运动中。如果过零检测电路146未在数字化测量信号部分193中检测到过零点，则数字化参考信号部分68经由旁通互连202(图8)，因此旁通陷波滤波器144，传达到过零检测电路146。随后，数字化和线性化参考信号部分68进行过零检测，以便检测指示交流的参考磁场54的过零点。
过程230继续询问框254。在询问框254处，确定是否检测到故障。询问框254与过零检测电路146对应，所述过零检测电路146检测线性化测量信号场中的过零点(例如，车辆22处于运动中)或线性化参考信号部分68中的过零点(例如，车辆22处于停止模式)。当在询问框254处检测到故障时，过程230再次进行到框242以执行矫正措施或将ABS20切换成诊断安全状态。
当在询问框254处确定未检测到故障时，功能安全测试过程230继续框256。在框256处，在协议生成器148处处理线性化测量信号部分，所述协议生成器148根据合适的数字输出协议(例如，AK协议)对速度和方向信息进行编码以产生测量输出信号94。将编码的速度和方向信息(例如，测量输出信号94)经由协议生成器148输出到速度脉冲输出缓冲器150。在询问框258处，确定是否检测到故障。在例子中，比较器电路204可从速度脉冲输出缓冲器150接收编码的速度和方向信息(例如，测量输出信号94)。如果在限定保护频带内未实现测量输出信号94的预期结果，则将错误标记206传达到功能安全控制电路170以用信号通知传感器测量或通信故障。当在询问框258处检测到故障时，过程230再次进行到框242以执行矫正措施或将ABS 20切换成诊断安全状态。
当在询问框258处确定未检测到故障时，过程230继续框260。在框260处，将测量输出信号94传达到ABS 20的电子控制单元28(图1)。随后，过程控制循环回到框234以继续检测磁场并持续地检查信号处理链的可操作性。可在每次对车辆22通电时持续地重复此过程。因此，在车轮速度传感器系统32的寿命期间对功能安全的连续故障检测在操作模式(例如，车辆22在运动中)和停止模式(对车辆22通电但目前未在运动中)期间是可能的，且可在由协议生成器生成的输出协议内或通过将电路切换成诊断安全状态来用信号通知故障。
实施线圈结构38的方法可实现对明确限定的开关激励场，例如参考磁场54的检测。可以测量磁场转换和传感器灵敏度，这是由于内部磁场54具有限定的值和定时，这仅取决于流动通过线圈结构38的电流。因此，参考磁场54可被用作参考以用于校准并用于持续地监测在外部状况下的传感器灵敏度(例如，在整个寿命期间的供应电压或温度)。
可在带通滤波器156(图6)后面测得表示参考磁场54的数据字的最低有效位(LSB)的幅值。在此幅值测量的情况下，可确定与第一磁感元件40和第二磁感元件42相关联的偏置磁体是否仍附接或可能已丢失其磁化。另外，可通过比较测得的幅值与预期信号幅值来检查模/数转换以及抽取和线性化的性能。因此，可计算传感器灵敏度并施加校正因素。又另外，可原位计算和校准供应电压和温度相依性，可施加校正因素，且有可能在ABS停止之后非常快速地恢复过零点。
实施线圈结构38的方法可另外实现抽取滤波器的输出处的噪声级的测量。可将测得的噪声与由ASIC 74的内部信号处理生成的理论预期噪声级(例如，归因于热噪声)比较。如果测得的噪声级超出预期保护频带，则可能发出错误标记。此过量的噪声级可指示外部干扰磁场或ASIC信号处理链内的破裂分量。
实施线圈结构38的方法可另外通过数字电平和定时检查实现ASIC内部生成的磁激励场(即，内部磁场54)与理论上预期信号比较，其在信号幅值和频率的可控公差范围内。如果超出公差范围，则可设置错误标记或装置可切换成诊断安全状态。
因此，响应于参考磁场54而产生的结果可用于后续故障信号处理，以便指示装置故障或参数移位(例如，错误场转换或不正确的灵敏度，归因于缺失或部分毁坏的偏置磁体)、高噪声级、不正确模/数转换和滤波，和/或错误的零交叉检测。这些故障可在ABS停止期间通过错误协议指示或在指定故障公差时间内通过ASIC的诊断安全状态指示。
上述实施例是关于包括一个或多个磁感元件的磁场传感器系统，和用于测试磁场传感器系统的可操作性的方法。然而，此原理还可适用于其它传感器系统。举例来说，传感器系统可包括被配置成检测外部信号(例如，加速力、角速度、压力等)的感测元件(例如，加速度感测元件、角速度感测元件、压力感测元件等)。传感器系统可额外包括源极结构，所述源极结构接近被配置成提供可由感测元件检测到的参考信号的感测元件。感测元件因此被配置成产生具有参考信号部分和测量信号部分的复合信号，其中参考信号部分指示参考信号且测量信号部分指示外部信号。当系统处于操作模式时可持续地提供参考信号。例如上文所描述的处理电路，可与感测元件耦合，其中处理电路被配置成处理复合信号以产生指示外部信号的测量输出信号。例如上文所描述的检核电路，可在多个测试点处与处理电路耦合，其中检核电路被配置成检测多个测试点处的参考信号部分，并根据可在多个测试点中的每一个处检测到的参考信号部分确定系统的至少一部分的可操作性。
本文中所描述的实施例需要磁场传感器系统和用于在功能操作期间持续地测试此类磁场传感器系统的可操作性的方法。系统的实施例包括磁场感测元件，所述磁场感测元件被配置成检测外部磁场和接近磁场感测元件的磁场源，且被配置成提供可由磁感元件检测到的参考磁场，其中磁场感测元件被配置成产生具有参考信号部分和测量信号部分的复合信号，参考信号部分指示参考磁场且测量信号部分指示外部磁场。系统另外包括电源，其与磁场源耦合且被配置成提供通过磁场源的供应电流，以当系统处于操作模式时持续地生成参考磁场。
在能够在操作模式和待用模式中的任一个中原位运作的系统中，所述系统包括磁感元件，方法的实施例包括当系统处于操作模式和待用模式两者时持续地对接近磁感元件的磁场源通电，磁场源提供可由磁感元件检测到的参考磁场，检测外部磁场和在磁感元件处的参考磁场，以及产生具有参考信号部分和测量信号部分的复合信号，参考信号部分指示参考磁场且测量信号部分指示外部磁场。方法另外包括在处理电路处处理复合信号以产生指示外部磁场的测量输出信号，在多个测试点处检测在与处理电路耦合的检核电路处的参考信号部分，且在检核电路处根据可在多个测试点中的每一个处检测到的参考信号部分确定系统的至少一部分的可操作性。
速度传感器系统的实施例包括被配置成检测外部磁场的磁场感测元件，其中速度传感器系统选择性地在操作模式和待用模式中的任一个中原位运作，在操作模式中，外部磁场可由磁感元件检测，且在待用模式中，外部磁场不可由磁感元件检测。速度传感器系统另外包括磁场源，所述磁场源接近磁场感测元件且被配置成提供可由磁感元件检测到的参考磁场，其中磁场感测元件被配置成产生复合信号，所述复合信号具有参考信号部分和测量信号部分，参考信号部分指示参考磁场且测量信号部分指示外部磁场。速度传感器系统另外包括：电源，所述电源与磁场源耦合且被配置成提供通过磁场源的供应电流以当速度传感器系统处于操作和停止模式时持续地生成参考磁场；处理电路，所述处理电路与磁感元件耦合，处理电路被配置成处理复合信号以产生指示外部磁场的测量输出信号；以及检核电路，所述检核电路在多个测试点处与处理电路耦合，检核电路被配置成在多个测试点处检测参考信号部分且根据可在多个测试点中的每一个处检测到的参考信号部分确定系统的至少一部分的可操作性。
磁场传感器系统可实施为防抱死制动系统(ABS)应用的车轮速度传感器系统，其中车轮速度传感器系统通常在操作模式和待用(即，停止)模式中的任一个中运作。在操作模式中，车轮速度传感器的磁感元件检测到指示例如车辆等物体的速度的外部磁场。在停止模式中，对车辆通电但车辆尚未移动。因此，外部磁场(例如，外部磁场的改变)不可由磁感元件检测。当系统处于操作和停止模式两者时接近于速度传感器的磁感元件的磁场源持续地提供参考磁场。在限定幅值和频率的情况下，参考磁场可通过磁感元件检测以确定速度传感器系统的原位可操作性。也就是说，可在磁场传感器系统的功能操作期间监测整个信号路径以识别在操作期间的装置故障和/或检测灵敏度改变或漂移、过量噪声级等等。
本公开旨在阐明使用根据本发明的各种实施例的方式而非限制本发明的各种实施例的真实、既定和公平的范围和精神。以上描述并不意图是详尽的或将本发明限于所公开的确切形式。鉴于以上教示，可能有许多修改或变化。选择和描述实施例是为了提供对本发明的原理和本发明的实际应用的最佳说明，并且使本领域的技术人员能够在各种实施例中并用适合于所预期特定用途的各种修改来利用本发明。当根据清楚地、合法地并且公正地赋予的权利的宽度来解释时，所有此类修改和变化及其所有等效物均处于如由所附权利要求书所确定的本发明的范围内，并且在本专利申请未决期间可进行修正。

Claims (8)

1.一种系统，其特征在于，包括：
磁场感测元件，其被配置成检测外部磁场；
磁场源，其接近所述磁场感测元件且被配置成提供可由所述磁场感测元件检测到的参考磁场，其中所述磁场感测元件被配置成产生复合信号，所述复合信号具有参考信号部分和测量信号部分，所述参考信号部分指示所述参考磁场且所述测量信号部分指示所述外部磁场；以及
电源，其与所述磁场源耦合且被配置成提供通过所述磁场源的供应电流，以用于在所述系统处于操作模式时持续地生成所述参考磁场；
处理电路，其与所述磁场感测元件耦合，所述处理电路被配置成处理所述复合信号以产生指示所述外部磁场的测量输出信号；其中所述处理电路包括模/数转换器ADC系统，所述ADC系统被配置成将所述复合信号转换成数字化复合信号；以及
检核电路，其在多个测试点处与所述处理电路耦合，所述检核电路被配置成检测所述多个测试点处的所述参考信号部分，并根据可在所述多个测试点中的每一个处检测到的所述参考信号部分确定所述系统的至少一部分的可操作性；其中所述多个测试点包括第一测试点，所述第一测试点包括在所述ADC系统与所述检核电路之间的第一互连，其中所述检核电路被配置成检测所述数字化复合信号中所述参考信号部分的数字化检核参考信号部分，并当所述数字化检核参考信号部分在第一预期信号范围外时产生第一错误标记。
2.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述处理电路包括第一滤波器元件，其被配置成从所述复合信号移除所述参考信号部分以从所述复合信号的所述测量信号部分产生所述测量输出信号。
3.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述检核电路包括第二滤波器元件，其被配置成从所述复合信号移除所述测量信号部分以在确定所述系统的所述至少一部分的所述可操作性之前产生所述参考信号部分。
4.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述ADC系统包括：
三角积分ADC，其被配置成接收所述复合信号并将所述复合信号转换成数字化中间复合信号；以及
抽取结构，其被配置成接收所述数字化中间复合信号并处理所述数字化中间复合信号以产生所述数字化复合信号，其中所述数字化检核参考信号部分在所述第一预期信号范围外的状况指示三角积分ADC故障和抽取结构故障中的一个。
5.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述处理电路进一步包括：
线性化电路，其被配置成响应于所述数字化复合信号而产生线性化复合信号；并且
所述多个测试点包括第二测试点，所述第二测试点包括在所述线性化电路与所述检核电路之间的第二互连，其中所述检核电路被进一步配置成检测所述线性化复合信号中所述参考信号部分的线性化检核参考信号部分，并当所述线性化检核参考信号部分在第二预期信号范围外时产生第二错误标记。
6.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述系统选择性地在所述操作模式和待用模式中的任一个中原位运作，其中在所述操作模式中所述外部磁场可由所述磁场感测元件检测，在所述待用模式中所述外部磁场不可由所述磁场感测元件检测，且所述电源被配置成当所述系统处于所述操作和待用模式时均提供所述供应电流。
7.一种用于在能够在操作模式和待用模式中的任一个中原位运作的系统中的方法，所述系统包括磁场感测元件，其特征在于，所述方法包括：
当所述系统处于所述操作模式和所述待用模式时均持续地对接近所述磁场感测元件的磁场源通电，所述磁场源提供可由所述磁场感测元件检测到的参考磁场；
在所述磁场感测元件处检测外部磁场和所述参考磁场；
产生具有参考信号部分和测量信号部分的复合信号，所述参考信号部分指示所述参考磁场且所述测量信号部分指示所述外部磁场；
在处理电路处处理所述复合信号，以产生指示所述外部磁场的测量输出信号；
将所述复合信号转换成数字化复合信号；
通过在检核电路处对所述数字化复合信号进行滤波以检测所述数字化复合信号中所述参考信号部分的数字化检核参考信号部分，来在检核电路处检测检核参考信号部分，所述检核电路在多个测试点处与所述处理电路耦合；
在所述检核电路处根据可在所述多个测试点中的每一个处检测到的所述检核参考信号部分确定所述系统的至少一部分的可操作性；以及
当所述数字化检核参考信号部分在第一预期信号范围外时产生第一错误标记，所述第一错误标记指示所述系统的第一故障状况。
8.一种速度传感器系统，其特征在于，包括：
磁场感测元件，其被配置成检测外部磁场，其中所述速度传感器系统选择性地在操作模式和待用模式中的任一个中原位运作，在所述操作模式中所述外部磁场可由所述磁场感测元件检测，且在所述待用模式中所述外部磁场不可由所述磁场感测元件检测；
磁场源，其接近所述磁场感测元件且被配置成提供可由所述磁场感测元件检测到的参考磁场，其中所述磁场感测元件被配置成产生复合信号，所述复合信号具有参考信号部分和测量信号部分，所述参考信号部分指示所述参考磁场且所述测量信号部分指示所述外部磁场；
电源，其与所述磁场源耦合且被配置成提供通过所述磁场源的供应电流，以当所述速度传感器系统处于所述操作和停止模式时持续地生成所述参考磁场；
处理电路，其与所述磁场感测元件耦合，所述处理电路被配置成处理所述复合信号以产生指示所述外部磁场的测量输出信号；其中所述处理电路包括模/数转换器ADC系统，所述ADC系统被配置成接收所述复合信号并将所述复合信号转换成数字化复合信号；以及
检核电路，其在多个测试点处与所述处理电路耦合，所述检核电路被配置成检测所述多个测试点处的所述参考信号部分，并根据可在所述多个测试点中的每一个处检测到的所述参考信号部分确定所述系统的至少一部分的可操作性；其中所述多个测试点包括第一测试点，所述第一测试点包括在所述ADC系统与所述检核电路之间的第一互连，其中所述检核电路被配置成检测所述数字化复合信号中所述参考信号部分的数字化检核参考信号部分，并当所述数字化检核参考信号部分在第一预期信号范围外时产生第一错误标记。
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