CN110954852A - 传感器设备、系统以及相关方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种传感器设备(1)，包括用于生成指示物理量的信号(S)的传感器单元(2)。该设备包括用于接收信号(S)的处理单元(3)，其中处理单元(3)包括存储内存(4)，用于存储从如由传感器单元在至少两个时间点处提供的信号(S)导出的数据。该设备包括总线接口(6)，用于经由数字通信总线(7)与电子控制单元通信。当从电子控制单元接收到读取命令时，响应于电子控制单元发送物理量的估计。处理单元(3)包括估计器(5)，用于基于存储在存储内存(4)中的数据来计算参考时间点处的估计，其中该参考时间点与接收到读取命令的时间点相差基本上预定偏移。

Description

传感器设备、系统以及相关方法
技术领域
本发明涉及用于经由总线通信系统报告传感器数据的传感器设备的领域。更具体地，本发明涉及传感器设备、包括此类传感器设备的系统和用于经由总线系统传送传感器数据的方法。
背景技术
在各种应用中，诸如在汽车系统架构中，存在对传感器系统中复杂性和环境适应性的不断增长的需求的趋势。例如，用于监测车辆变量和/或用于感测环境属性的传感器的数量在现代汽车中持续增加。这样获取的传感器数据对于大多数主要车辆功能的决策可能是至关重要的。在协调系统(诸如汽车)中集成大量传感器也对传感器数据通信总线系统提出不断增加的要求。
然而，尽管系统和通信总线的复杂性可能会增加，但是所获取的传感器信息在关键决策过程(诸如安全措施的部署(例如安全气囊、ABS、障碍物检测等)和/或必要的驾驶过程(例如踏板、电动机扭矩信息等))中的集成可能需要极低的传感器等待时间和/或等待时间的高可预测性。
US 2017/0163366公开了一种实现传感器数据的稳健、高速通信的方法。电子控制单元(ECU)输出同步信号到传感器总线。然后，连接到总线的一个或多个传感器响应于同步信号对传感器数据进行采样，并将经采样的传感器数据传送到传感器总线。
图1说明了这种方法。当传感器设备接收到由ECU发送的触发信号31时，对传感器信号S进行采样，参见采样n。然而，这意味着相对于触发信号的等待时间32，这是由于读出传感器、对信号进行采样、以及使经采样信号准备好用于以要被报告的值的形式经由总线被发送所需的时间。
在其他现有技术方法中，如图2所示，以采样频率fs(对应于采样周期Ts)连续地对传感器读出进行采样。当从ECU接收到触发信号31时，报告最后的采样值，参见采样n-1。然而，这意味着可变延迟不确定性33。尽管可变不确定性对于所有应用而言可能不是问题，但是对于需要基本上同时读出多个传感器的某些应用而言是有问题的。
发明内容
本发明的实施例的目的在于提供有效和/或良好的装置和/或方法，以确保在对来自总线传感器系统中的电子控制单元的数据的请求之间基本恒定(例如，在可忽略的容限内)和预定的等待时间。
本发明的实施例的优点在于受控的等待时间，例如，可以在总线连接的传感器设备中实现基本恒定的数据年龄。
本发明的实施例的优点在于，可以将等待时间控制为预定偏移和用于将数据从传感器传送到电子控制单元的协议等待时间的总和。预定偏移和协议等待时间都可以是基本上(例如，高达可忽略的变化，例如为大约10μs、或5μs、或2μs、或1μs和更小)恒定且可重复的。
本发明的实施例的目的是提供一种传感器系统，该系统包括主设备和连接到数字总线的多个传感器设备，这些传感器设备能够在基本上同一时刻提供指示待测量的各个物理量的值。
本发明实施例的目的是提供一种传感器系统，该系统包括主设备(例如ECU)和连接到数字总线(例如汽车环境中的CAN总线或CAN-FD总线)的多个传感器设备，该传感器系统被配置成用于在不同步采集样本的多个传感器设备的时钟的情况下，从多个传感器设备获得传感器数据，其中由每个传感器设备提供的测量数据之间具有减小的抖动(例如，大约1μs或更小)。
以上目的通过根据本发明的各实施例的方法、设备和系统来实现。
在第一方面，本发明涉及一种传感器设备，包括传感器单元和处理单元，该传感器单元用于生成指示物理量的信号，该处理单元用于接收该信号。处理单元包括存储内存，该存储内存用于存储从如由传感器单元在至少两个时间点处提供的信号导出的数据，即，从至少两个不同时间点处获得的信号值导出的数据。传感器设备包括总线接口，用于经由数字通信总线与电子控制单元通信。总线接口适于在与该至少两个不同时间点不相关的时间点从电子控制单元接收读取命令，并且响应于该读取命令，将物理量的估计发送到电子控制单元。处理单元进一步包括估计器，用于基于存储在存储内存中的数据来计算参考时间点处的物理量的估计。参考时间点与接收读取命令的时间点相差基本上预定偏移，该预定偏移可以是正的、负的或基本上为零(例如可忽略不计)。
在实施例中，传感器设备是用于汽车环境(例如用于电动机控制)的传感器设备。
在实施例中，数字通信总线是CAN总线。
在实施例中，数字通信总线是CAN-FD总线。
在实施例中，读取命令是周期性信号。
在实施例中，读取命令是非周期信号(即，不以恒定的时间间隔重复)。
在实施例中，数字通信总线是双向通信总线。
在实施例中，传感器单元是磁传感器单元，并且待测量的物理量是磁场值或从其导出的值(例如，磁场梯度)。
在根据本发明实施例的传感器设备中，读取命令可以是广播读取命令，该广播读取命令同时针对连接到总线的多个传感器设备。
在根据本发明的实施例的传感器设备中，估计器可以适于在已经接收到读取命令时从总线接口接收到请求之际计算估计。
在实施例中，总线接口适于在接收到所述读取命令时向估计器提供请求信号，并且所述估计器适于在接收到所述请求信号之际计算所述估计。
在根据本发明的实施例的传感器设备中，估计器可以适于重复更新估计并使得更新的估计可用于总线接口以在接收读取命令时使用。
在根据本发明实施例的传感器设备中，存储内存可以适于至少存储信号的最后样本和倒数第二个样本，并且估计器可以适于通过将存储在存储内存中的数据内插和/或外推到参考时间点来计算估计。
在根据本发明的实施例的传感器设备中，估计器可以适于通过基于线性内插、二次内插、高阶内插、移动平均和/或指数移动平均的估计方法来计算估计。
在实施例中，内插器以内插频率不断地进行内插。内插频率优选地是采样频率的整数倍，并且比平均读取命令频率高至少2.0倍或至少5.0倍或至少10倍，并且与读取命令异步。
在实施例中，内插器包含内存或FIFO，并且适于输出一个已经存在于内存或FIFO中的内插值、或直接在其之前的内插值、或直接在其之后的内插值，该已经存在于内存或FIFO中的内插值在时间上最接近于读取命令的到达时间减去预定义偏移。
在根据本发明实施例的传感器设备中，处理单元可包括相位跟踪环单元和/或锁相环单元以用于跟踪物理量。存储内存可以适于存储相位跟踪环和/或锁相环的至少一个参数。估计器可以适于基于相位跟踪环单元和/或锁相环单元的输出来计算估计。
在根据本发明实施例的传感器设备中，处理单元可包括Σ-Δ调制器。
在根据本发明的实施例的传感器设备中，传感器设备可以是角位置传感器设备，并且传感器单元可以包括多个传感器元件，这些传感器元件被布置成用于产生多个信号，每个信号是输入量的函数，诸如表示待测量的位置的输入相位。
在根据本发明的实施例的传感器设备中，相位跟踪环单元可以适于通过根据存储在存储内存中的权重因子阵列组合多个信号来生成误差信号，适于对误差信号进行滤波以生成输出量(例如表示待测量位置的相位值)作为相位跟踪环单元的输出，并适于基于所述输出量来调整权重因子阵列。
在根据本发明实施例的传感器设备中，传感器单元可以包括多个传感器元件，这些传感器元件被布置成用于产生多个信号，每个信号是输入量的函数，例如表示待测量位置的相位。估计器可以实现用于跟踪物理量的相位跟踪环和/或锁相环，并且适于通过将多个信号与权重因子阵列进行组合来生成误差信号。
在根据本发明的实施例的传感器设备中，传感器单元可以适于以预定采样频率fs对物理量或指示该物理量的另一物理量进行采样。
在实施例中，采样频率(fs)和读取命令是异步的。
在实施例中，采样频率(fs)和读取命令是不相关的信号，意味着读取命令可以在任何时刻到达，并且传感器设备以规则的间隔采样，而不管读取命令如何。
在实施例中，预定采样频率(fs)具有在+/-1％的容差内的基本固定的频率，并且不会被读取命令的时序改变。
在实施例中，读取命令定义第一周期(例如，如果读取命令是周期性的)或第一平均周期(例如，在读取命令是非周期性的情况下两个读取命令之间的平均时间)，并且该第一周期或第一平均周期大于采样周期(采样周期Ts是采样频率的倒数Ts＝1/fs)，或大于采样周期的至少2倍、或至少5倍、或至少10倍、或者至少20倍、或至少50倍或至少100倍。这可以在数学上写为fr≤k*fs，其中fr是读取命令的频率或平均频率，fs是传感器设备的采样频率，并且k是大于1.0、或大于2.0或大于2.2、或大于2.5、或大于3.0、或大于4.0、或大于5.0。
在实施例中，读取命令具有小于50kHz的第一频率或第一平均频率，并且传感器设备的采样率至少为200kHz。
在实施例中，读取命令具有在10Hz至1000Hz范围内的第一频率或第一平均频率，并且传感器中的采样频率是至少2倍、或者至少5倍、或者至少10倍、或者至少高于20倍、或者至少高于50倍、或者至少高于100倍的预定义的频率。采样频率与读取命令的频率(或平均频率)的比率可以是2到1000范围内的值、或者5到1000范围内的值、或者10到1000范围内的值、或者2至100范围内的值、或者5至100范围内的值、或者10至100范围内的值。
在实施例中，读取命令具有在500Hz至50kHz范围内的第一频率或第一平均频率，并且传感器中的采样频率是至少2倍、或者至少5倍、或者至少10倍、或者至少高于20倍、或者至少高于50倍、或者至少高于100倍的预定义的频率。采样频率与读取命令的频率(或平均频率)的比率可以是2到1000范围内的值、或者5到1000范围内的值、或者10到1000范围内的值、或者2至100范围内的值、或者5至100范围内的值、或者10至100范围内的值。
在实施例中，采样频率为至少100kHz、或至少200kHz、或至少500kHz、或至少1MHz；并且在传感器设备包含内插器的情况下，内插器频率至少比采样频率高2倍或5倍或10倍。
在根据本发明实施例的传感器设备中，传感器单元可以适于提供指示相同物理量的多个信号，诸如角位置，例如转子相对于定子的角位置。
在第二方面，本发明涉及一种系统，该系统包括传感器总线、连接到所述传感器总线的根据本发明第一方面的实施例的多个传感器设备以及电子控制单元，该电子控制单元连接到所述传感器总线并且被配置成用于生成同时针对所述多个传感器设备的广播读取命令。
在实施例中，该系统是汽车环境中的通信系统。
在实施例中，该系统是汽车环境中的通信系统，包括多个磁场传感器和/或多个电流传感器、和/或多个电压传感器。
在实施例中，该系统用于电动机控制系统中，例如用于测量发动机的扭矩。
在第三方面，本发明涉及用于经由数字通信总线传送传感器数据的方法。该方法包括，在连接到总线的多个传感器设备中的每一个传感器设备中，生成表示物理量的信号，并存储从如在至少两个不同时间点处获得的信号导出的数据。该方法包括经由所述总线从电子控制单元向多个传感器设备发送广播读取命令。该方法包括，在连接到总线的多个传感器设备中的每一个传感器设备中，在与该至少两个时间点不相关的时间点处接收广播读取命令，并响应于读取命令向电子控制单元发送物理量的估计。基于存储的数据在参考时间点处计算估计。参考时间点与接收读取命令的时间点相差基本上预定偏移，该预定偏移可以是正的、负的或基本上为零(例如可忽略不计)。
在根据本发明的实施例的方法中，计算估计可以包括执行相位跟踪环以跟踪物理量并基于相位跟踪环的输出计算估计。
在所附独立和从属权利要求中阐述了本发明的特定和优选方面。来自从属权利要求的特征可以与独立权利要求的特征以及其他从属权利要求的特征适当地结合，而不仅仅是如在权利要求中明确阐述的。
参考下文描述的(多个)实施例，本发明的这些和其他方面将变得显而易见并得以阐明。
附图说明
图1示出了用于响应于由电子控制单元经由总线发送的触发信号来报告传感器值的现有技术方法。
图2示出了用于响应于由电子控制单元经由总线发送的触发信号来报告传感器值的另一现有技术方法。
图3示出了根据本发明的实施例的设备。
图4示出了说明根据本发明的实施例的传感器设备的操作的示例性时序图。
图5示出了说明根据本发明的实施例的传感器设备的操作的另一示例性时序图。
图6示出了根据本发明的实施例的另一设备。
图7示出根据本发明的实施例的设备中的相位跟踪环单元。
图8示出了根据本发明的实施例的系统。
图9示出了根据本发明的实施例的方法。
这些附图仅是示意性而非限制性的。在附图中，出于说明性目的，可将要素中的一些尺寸放大且不按比例绘制。
权利要求中的任何附图标记不应被解释为限制范围。在不同的附图中，相同的附图标记指示相同或相似的要素。
具体实施方式
将就特定实施例并且参考某些附图来描述本发明，但是本发明不限于此，而仅由权利要求书来限定。所描述的附图仅是示意性且非限制性的。在附图中，出于解说性目的，可将要素中的一些尺寸放大且不按比例绘制。尺寸和相对尺寸不对应于对本发明的实施的实际减少量。
此外，说明书中和权利要求中的术语第一、第二等等用于在类似的要素之间进行区分，并且不一定用于在时间上、空间上、以排名或任何其他方式来描述顺序。应当理解，如此使用的术语在适当的情况下是可互换的并且本文中所描述的本发明实施例与本文中所描述或图示的相比能够以其他顺序操作。
另外，说明书和权利要求书中的术语顶部、下方等等被用于描述性目的而不一定用于描述相对位置。应当理解，如此使用的术语在适当的情况下是可互换的并且本文中所描述的本发明的实施例与本文中所描述或图示的相比能够以其他定向进行操作。
应当注意，权利要求中使用的术语“包括”不应被解释为限定于其后列出的装置；它并不排除其他要素或步骤。因此，该术语应被解释为指定如所提到的所陈述的特征、整数、步骤或组件的存在，但不排除一个或多个其他特征、整数、步骤或组件、或其群组的存在或添加。因此，表述“一种包括装置A和B的设备”的范围不应当被限定于仅由组件A和B构成的设备。这意味着对于本发明，该设备的仅有的相关组件是A和B。
贯穿本说明书对“一个实施例”或“实施例”的引用意指结合该实施例描述的特定的特征、结构或特性被包括在本发明的至少一个实施例中。因此，短语在“在一个实施例中”或“在实施例中”贯穿本说明书在各个地方的出现并不一定全部指代同一实施例，而是可以指代同一实施例。此外，在一个或多个实施例中，如从本公开中对本领域普通技术人员将是显而易见的，特定的特征、结构或特性可以用任何合适的方式进行组合。
类似地，应当领会，在本发明的示例性实施例的描述中，出于精简本公开和辅助理解各个发明性方面中的一个或多个的目的，本发明的各个特征有时被一起编组在单个实施例、附图或其描述中。然而，这种公开的方法不应被解释为反映所要求保护的本发明需要比每项权利要求中所明确记载的更多特征的意图。相反，如所附权利要求反映的，各发明方面可以存在比单个前述公开的实施例的全部特征更少的特征。因此，具体实施方式之后所附的权利要求由此被明确纳入本具体实施方式中，其中每一项权利要求本身代表本发明的单独实施例。
此外，尽管本文中所描述的一些实施例包括其他实施例中所包括的一些特征但不包括其他实施例中所包括的其他特征，但是不同实施例的特征的组合旨在落在本发明的范围内，并且形成如将由本领域技术人员所理解的不同实施例。例如，在所附的权利要求书中，所要求保护的实施例中的任何实施例均可以任何组合来使用。
在本文中所提供的描述中，阐述了众多具体细节。然而应当理解，在没有这些具体细节的情况下也可实践本发明的实施例。在其他实例中，公知的方法、结构和技术未被详细示出，以免混淆对本描述的理解。
在本文档中，表达“(周期性或非周期性)信号的平均频率”是指在预定数量的周期内测量的(例如在50个连续周期内测量的)该信号的平均“周期”的倒数，其中术语“周期”是指该信号的两个相似事件之间(例如，在两个下降沿之间、或者在两个上升沿之间、或者在两个读取命令的起始点之间，等等)的时间段。此类时间段对于周期性信号是恒定的，但对于非周期性信号不是恒定的。
本发明的根本问题在于，除非采取特殊措施，否则由不同传感器(这些传感器是不同步的)进行的测量通常不在(完全)相同的时刻进行，因此由于时间扩展而存在一些可变性。
发明人希望提供(尤其)一种传感器系统，该传感器系统包括主设备和连接到数字总线的多个传感器设备，这些传感器设备能够在未实际地同步这些传感器设备的情况下，在基本上同一时刻提供指示待测量的各个物理量的值。
与图1相反，其中在接收到读取命令之后进行测量，并且与图2相反，其中周期性地进行测量并且根据请求输出最近的样本，本发明的发明人惊奇地发现，对于一些应用来说，具有零等待时间(例如，小于1.0μs)较不重要，而更重要的是，减少基本上恒定的延迟上的抖动(即使该基本上恒定的延迟将大于例如1.0μs、或大于1.5μs、或甚至大于2.0μs、或甚至大于3.0μs)。更具体地，发明人提出的想法是：提供对信号进行重复采样的传感器设备，并将采样数据存储在本地内存中，并且根据请求(例如，当读取命令到达时)，提供从所存储的数据样本导出的合适值作为在特定时刻的信号的估计，即读取命令到达的时刻减去预定义的基本恒定的时间段。以这种方式，所有传感器都提供具有基本恒定的非零等待时间的数据，但具有减少的抖动。实际上，抖动量主要不是由采样频率决定的，而是由估计器的特性决定的。这是本发明的基本概念中的一个概念。设想了几种类型的估计器，尤其是内插器、外推器和相位跟踪环，但是也可以使用其他估计器。
在第一方面，本发明涉及一种传感器设备，包括传感器单元和处理单元，该传感器单元用于生成指示物理量(例如，磁场分量)的信号，该处理单元用于接收信号。处理单元包括存储内存，该存储内存用于存储从如由传感器单元在至少两个时间点处提供的信号导出的数据，例如，从与过去的至少两个不同时间点相对应的信号值导出。传感器设备包括总线接口，该总线接口用于经由数字通信总线与电子控制单元(ECU)通信，数字通信总线更具体地说是双向通信总线，例如CAN总线。总线接口适于在与该至少两个不同时间点不相关的时间点处接收来自ECU的读取命令。换句话说，信号采集与读取命令时序不同步。总线接口适于响应于读取命令将物理量的估计发送到电子控制单元。处理单元进一步包括估计器，该估计器用于基于(已经)存储在存储内存中的数据来计算参考时间点(例如，该参考时间点通常可以与该至少两个时间点中的任一时间点不同)处的物理量的估计。参考时间点与接收读取命令的时间点相差基本上预定偏移。该偏移可以是正的、负的或甚至是零。例如，预定偏移可以在0到25μs的范围内，例如，在1μs至10μs的范围内，例如，在3μs至8μs的范围内，例如，等于约5μs。“基本上预定偏移”意味着一些微不足道且可忽略的抖动可能影响预定偏移，例如，使得预定偏移可以在小的容限内变化，优选的是在0μs到2μs的范围内的容差，例如，+/-2μs或+/-1μs。
物理量可以是电量(例如电流和/或电压)、电阻、阻抗、和/或场特性(诸如电场分量、幅度和/或方向和/或磁场分量、幅度和/或方向)。
对于某些应用，例如用于电动机控制，重要的是，例如由三个传感器进行的三次测量，例如每个传感器被配置成用于测量一个磁场分量(在特定方向上)，基本上同时以最小容差(例如+/-2μs或+/-1μs)进行。例如，这对于
图1的系统是可能的，其中每个传感器设备响应于读取信号(即在接收到读取信号之后)采样。
图2示出了另一种现有技术解决方案，其中例如三个传感器被(例如，与外部时钟)同步，并且每个传感器基于该时钟周期性地采样，并提供响应于读取信号而采取的最后一个样本。为了计算一致的角位置，需要在基本相同的时刻测量三个磁场值，其中测量之间的抖动最小(例如，最多+/-5μs、或最多+/-2μs、或者最多+/-1μs)。如果这些值仅在某个延迟(或等待时间，例如在10μs之后)之后读出，则对于某些应用(例如电动机控制回路)不太重要。发明人想到通过不同步它们的内部时钟(如图2所示)或通过根据请求进行实际测量(如图1所示)而是通过以相对较高的频率进行采样来减少由多个传感器所进行的测量之间的抖动，将这些值存储在内存中，并且在接收到读取命令时，(例如通过对存储在所述内存中的值进行内插或外推)提供表示读取命令到达之前的预定义的时间待测量信号的值。如果连接到数字总线的所有传感器设备都执行此操作，则所提供的值将显示最小的抖动。这是本发明的基本概念中的一个概念。
图3示出了根据本发明的各实施例的示例性传感器设备1的框图。传感器设备可以是集成电路设备。
传感器设备可以是位置传感器设备，本发明的实施例不必限于此。传感器设备可以是角位置传感器设备。
传感器设备1包括传感器单元2(例如，包括一个或多个磁敏元件)，该传感器单元2用于生成指示物理量(例如，磁场分量)的信号S。例如，传感器单元2可以适于提供(例如，以数字形式或模拟形式的)信号。传感器单元2可以适于提供指示相同或不同物理量的多个信号S1、...、Sn。例如，传感器单元可以包括多个传感器元件，这些传感器元件被布置成用于产生感测信号，每个感测信号是输入量的函数，诸如表示待测量位置的相位(θi)或另一个值，诸如(例如由电流引起的)磁场的幅度。例如，传感器单元可以是角位置传感器单元，该角位置传感器单元包括多个水平或垂直霍尔元件以用于提供信号S1、...、Sn，其中多个信号(共同地)指示角度。
多个传感器元件可以被配置成用于测量至少两个非平行磁场分量。例如，多个传感器元件可包括至少两个，例如，至少三个，例如至少四个，例如至少六个感应线圈。例如，多个传感器元件可包括至少两个，例如，至少三个，例如至少四个，例如至少六个水平或垂直或圆形霍尔元件。例如，多个传感器元件可包括至少两个，例如，至少三个，例如至少四个，例如至少六个个磁阻传感器元件。
传感器元件(或多个传感器元件)可以配置成用于测量指示电流的磁场幅度。本发明的实施例可以同样地涉及，例如，位置传感器和/或电流传感器。
现参考图4，示出了说明根据本发明实施例的传感器设备的操作的示例性时序图。
传感器单元2可以适于以预定的采样频率fs对物理量或指示该物理量的另一物理量进行采样(例如，使用基于本地晶体振荡器的独立时钟信号)，例如，使得信号S重复地生成，在规则地间隔的时间点(例如，对应于采样周期Ts＝1/fs)形成序列...、n-1、n、n+1、n+2、...。例如，传感器单元可以以预定采样频率对来自多个霍尔元件的信号进行采样。
传感器设备1包括用于接收信号S的处理单元3。处理单元3包括存储内存4以用于存储从如由传感器单元在至少两个时间点处提供的信号S导出的数据。存储内存可以例如是嵌入在处理器中的RAM(随机存取内存)。
例如，在根据本发明的实施例的设备中，存储内存可以至少存储信号S的最后样本n和紧邻最后的(即倒数第二个)样本n-1。
传感器设备1进一步包括总线接口6以用于(例如，经由数字通信总线7)与外部处理器(例如，电子控制单元(ECU))进行通信。例如，数字通信总线可以是串行总线，诸如基于UART的通信总线。例如，数字通信总线可以是CAN总线或CAN-FD总线。
总线接口6适于从电子控制单元接收读取命令，并且适于响应于读取命令将物理量的估计值Sest发送到电子控制单元。
例如，参考图4，在有利的简单实施例中，ECU可以简单地通过总线的状态转换11(即，从1到0的边沿或从0到1的边沿)发送读取命令。
读取命令可以是广播读取命令，例如，同时针对连接到总线的多个传感器设备的读取命令。
处理单元3进一步包括估计器5，该估计器5用于基于存储在存储内存4中的数据来计算参考时间点处的物理量的估计，该参考时间点通常不同于该至少两个时间点中的任何一个(除了可能罕见的随机对齐)。
再次参考图4，可以通过将存储在存储内存中的数据内插到参考时间点n'来计算估计Sest，例如，对于该至少两个时间点的信号Sn-1、Sn的内插。此类内插可以是线性内插、二次内插、正弦内插或本领域已知的其他内插技术。或者，可以通过将存储在存储内存中的数据外推到参考时间点n'来计算估计Sest。
应当理解，采样频率(fs＝1/Ts)可能是重要的参数，因为它将影响由测量之间的内插引起的不确定性，例如，实际值和内插值之间的误差。通过存储多于两个的先前样本并应用更高阶内插方法，可以减少这种不确定性。可选地或另外地，通过应用更高的采样率也可以减少这种不确定性。在高阶内插方法的情况下，选择预定偏移使得Td>n*Ts(其中n指内插阶数或内插阶数减1)以具有多于一个在内插点之后可用的传感器读数也可能是有利的。然而，这可能意味着与系统的整体等待时间和延迟的权衡。
处理单元3可以例如包括时间戳生成器和/或计数器(例如，在接收到时钟信号时进行计数的计数器)以确定例如获取信号S的最新样本与接收到读取命令的时间之间流逝的时间。
例如，此类计数器可以被配置成用于在获取信号S的新样本时重置。计数器可以以计数器频率fc＝a.fs计数，其中a是计数器频率与采样频率之比。“a”的值可以是整数值，例如a＝2、或a＝4、或a＝8，但是本发明不限于此，也可以使用其他值。
估计器可以适于在每次计数器更新时计算内插值，例如，当接收到读取命令时，更新可用作估计值被提供的存储值。
在每次更新时，当计数器达到值c时，计算并存储的内插值对应于时隙c.fc+(Td-Ts).fc。因此，仅单个值需要存储和频繁更新(fc),，因此减少了内存需求，但是在接收读取命令时，在没有进一步的计算负担的情况下该值是容易获得的。
内插值可以是最近的样本Sn和倒数第二个样本Sn-1之间的线性内插。在这种线性内插的情况下，可以基于计数值c、预定偏移Td、采样周期Ts，例如通过以下公式计算在计数值c处生成的更新估计：
Sn-1+(Sn–Sn-1).(c/a+(Td-Ts).fc)。
本领域技术人员应该清楚，此类时间戳生成器和/或计数器可以提供估计器5用于计算估计的相关时序信息。
估计器5可以适用于在从总线接口6接收到请求时(例如，当已经接收到读取命令时)计算估计。例如，参考图4，在此示例中，在接收到读取命令时，估计器5可以通过内插采样值n-1和n来计算值n'。
然而，在本发明的其他实施例中，估计器5可以连续地或至少频繁地更新估计并使得当前估计可用于总线接口6以便在接收读取命令时使用。优点在于，这可以进一步减少该过程的等待时间，例如，通过确保该值是在接收到读取命令时容易获得的。例如，参考图5，可以(例如，通过在采样值n-1和n之间进行内插)预先计算多个值51，使得在接收到读取命令时可以选择与参考时间点对应的适当值n'。
参考时间点与接收读取命令的时间点T0相差预定偏移Td，例如，使得经由总线发送的估计始终表示相对于由ECU发送的读取请求的固定时间点。例如，预定偏移Td可以是预定延迟，使得参考时间点可以以预定时间间隔位于过去。换句话说，估计可以对应于在接收读取命令之前的预定时间T0–Td处的物理量的估计。如上所述，对于某些应用，T0–Td的值接近于零(不需要零等待时间)并不重要，但可能更为重要的是传感器设备提供一致的数据“就像它们在大致相同的时刻被测量一样(“最小抖动”)”。
在根据本发明实施例的传感器设备中，预定偏移Td可以大于或等于采样周期Ts。此类实施例的优点在于，参考时间点总是位于过去获取采样值的两个时间点之间。换句话说，在这种情况下，估计可以总是基于内插，即不需要外推。内插可能更加稳健，因为它不会受到过冲或下冲的影响。
在一些实施例中，预定偏移Td可以大于采样周期Ts的两倍。
但是，本发明的实施例不限于此。例如，预定偏移可以基本上为零，使得估计对应于接收读取命令时的物理量的当前估计，或者预定偏移可以位于将来，例如，从而提供将来物理量的预测(或外推)。
再次参考图4，为了克服由传感器单元的内部读出频率(即采样频率fs)与读取命令的不可预测时序之间的错位引起的不确定性，例如，检测开始位11，可以执行诸如来自测量的内插或外推的之类的对应于参考时间点T0-Td的估计以确保基本恒定且基本上预定的延迟。
参考图6，在根据本发明的实施例的设备中，处理单元3可包括相位跟踪环单元8和/或锁相环单元，以用于基于至少一个信号S来跟踪物理量。例如，存储内存4可以存储相位跟踪环和/或锁相环的至少一个参数。可以定期(或连续地)更新该至少一个参数以使跟踪环适应信号S的变化。此外，估计器5可以适于基于相位跟踪环单元和/或锁相环单元的输出(例如表示所跟踪的物理量的输出)来计算估计。相位跟踪环单元8可以包括上采样滤波器。相位跟踪环8可以包括Σ-Δ调制器。
传感器设备可以是角位置传感器设备，并且传感器单元2可以包括多个传感器元件，这些传感器元件被布置成用于产生多个信号S1、…、Sn，每个信号是输入量的函数，输入量例如输入相位(例如，代表待测量的位置)或输入幅度。
相位跟踪环单元8可以适于通过根据存储在存储内存中的权重因子阵列组合多个信号来生成误差信号，例如，存储在存储内存中的至少一个参数可以包括权重因子。相位跟踪环单元8可以适于对误差信号进行滤波以生成输出量(例如，表示待测位置的输出相位值或输出幅度)，作为相位跟踪环的输出。相位跟踪环单元8还可以适于基于输出量来调整权重因子阵列。
例如，在2018年1月25日提交的题为“位置感测设备(POSITIONSENSING DEVICE)”的欧洲专利申请第EP 18153346.4号，公开了一种用于测量位置的位置感测设备，其内容通过引用结合于此。根据本发明实施例的传感器设备可包括根据EP 18153346.4中公开的实施例的此类位置感测设备。在专利申请EP 18153346中可以找到此类位置感测设备的更详细的概述。
参考图7，根据本发明的实施例并且还根据EP 18153346.4的实施例的传感器设备可以包括多个传感器2，该多个传感器2被布置成用于产生感测信号(S1、…、Sk、…、Sn)，每个感测信号都是物理量的函数，所述物理量是表示待测量的位置的输入相位θi。虽然针对表示待测量位置的输入相位和相应的输出相位说明了该示例性实施例，但是本领域技术人员应该清楚，本发明的实施例可以涉及不同的输入量和相应的输出量，例如，但是不限于，与表示电流的磁场幅度有关的输入量和相应的输出量。
例如相位跟踪环单元8中的传感器设备可以包括组合器电路71，该组合器电路71被布置成用于通过根据权重因子阵列组合感测信号来生成误差信号72，例如形成(或包含在)存储在存储内存中的相位跟踪环单元8的至少一个参数。例如相位跟踪环单元8中的传感器设备可以包括处理块73，该处理块73被布置成用于对误差信号进行滤波并用于输出表示位置的相位值θo。例如相位跟踪回路单元8中的传感器设备可以包括反馈回路，该反馈回路包括反馈信号单元74，该反馈信号单元74被布置成用于接收输出相位值并且用于基于所接收的输出相位值来调整权重因子阵列。
在该示例性实施例中，由输入相位θi表示的待测量的广义位置影响至少两个传感器2的输出。得到的感测信号被馈送到组合器电路，其中信号Sk各自与它们对应的权重因子Gk相乘。得到的加权和信号72接着进入处理块73，在此它在环路滤波器75中被滤波，并且在此可以获得输出相位θo的估计。由组合器电路产生的信号是表示输入相位θi和估计输出相位θo之间的误差的信号。输出相位θo可以被馈送到反馈信号单元74，在反馈信号单元74中执行相位-权重转换，并且确定更新的权重因子以用于下一次迭代。处理块可以同时(即，以并行方式)处理各种感测信号的组合。当输入位置/角度以高(角度)速度变化时，该并行处理可以允许低位置/角度误差。在每个读出时隙期间可以获得误差估计，因此，对于相同的读出速度，比采用顺序方法时更快。由于传感器信号在组合器电路中被组合，因而传感器的不同噪声贡献被平均掉，导致与单个感测元件信号的信噪比(SNR)相比具有更好的信噪比(SNR)的输出。换句话说，传感器的并行读出允许在每个时刻平均噪声。感测元件的读出还可以包括对不同相位上的测量结果进行平均和/或组合，诸如在霍尔读出中应用旋转电流平均时的情况。这种组合/平均可以在每个时隙内进行。然后，每个感测信号可以对应于同一感测元件上的读出的平均值/组合值。同样在这种情况下，相同的结论认为，与顺序处理相比，由此获得的感测信号的并行处理允许更好的SNR和/或更快的误差估计。此外，特别有利的是，可以基于输出相位θo来确定物理量(例如，角度)的估计(或者估计可以是输出相位)。输出相位可以以特别高的频率更新，例如，至少1kHz，优选地至少100kHz，例如1MHz，甚至更高，例如在500kHz至10MHz的范围内。因此，估计可以是非常高的时间分辨率下的物理量，例如，因此，它总是基本上表示参考时间点。
参照图8，在第二方面，本发明涉及一种系统100，该系统100包括传感器总线7、连接到传感器总线的根据本发明的第一方面的实施例的多个传感器设备1以及电子控制单元81，所述电子控制单元81连接到传感器总线并且被配置成用于生成同时针对多个传感器设备的广播读取命令BR。该系统可用于汽车环境。
参照图9，在第三方面，本发明涉及一种用于经由数字通信总线传送传感器数据的方法90。该方法包括，在连接到总线的多个传感器设备中的每一个传感器设备中，生成91表示物理量的信号，并存储95从在至少两个不同时间点处获得的信号导出的数据。该方法包括经由总线从电子控制单元向多个传感器设备发送92广播读取命令。该方法包括，在连接到总线的多个传感器设备中的每一个传感器设备中，在与该至少两个时间点不相关的时间点处接收93广播读取命令，并响应于读取命令向电子控制单元发送94物理量的估计。基于存储的数据在参考时间点处计算96估计。参考时间点与接收读取命令的时间点相差基本上预定偏移。
在根据本发明的实施例的方法中，计算估计可以包括执行相位跟踪环以跟踪物理量并基于相位跟踪环的输出计算估计。
根据本发明的实施例的方法的进一步细节，例如，基于与根据本发明的第一方面的实施例的传感器设备的功能的直接对应，例如，这种方法的基本或可选特征应该是清楚的，如上文详细描述的那样。

Claims (20)

1.一种传感器设备(1)，包括：
-传感器单元(2)，用于生成指示物理量的信号(S)；
-处理单元(3)，用于接收所述信号(S)，所述处理单元(3)包括存储内存(4)，所述存储内存(4)用于存储从如由所述传感器单元在至少两个时间点处提供的所述信号(S)导出的数据；以及
-总线接口(6)，用于经由数字通信总线(7)与电子控制单元进行通信，其中所述总线接口(6)适于在与所述至少两个不同时间点不相关的时间点处接收来自所述电子控制单元的读取命令，并且适于响应于所述读取命令，经由所述数字通信总线(7)向所述电子控制单元发送所述物理量的估计，
其中所述处理单元(3)进一步包括估计器(5)，所述估计器(5)用于基于存储在所述存储内存(4)中的所述数据来计算参考时间点处的所述物理量的所述估计，
其中所述参考时间点与接收到所述读取命令的时间点相差基本上预定偏移。
2.如权利要求1所述的传感器设备，其特征在于，所述读取命令是广播读取命令，所述广播读取命令同时针对连接到所述总线的多个传感器设备。
3.如权利要求1所述的传感器设备，其特征在于，所述总线接口(6)适于在接收到所述读取命令时向所述估计器(5)提供请求信号；并且其中所述估计器(5)适于在接收到所述请求信号时计算所述估计。
4.如权利要求1所述的传感器设备，其特征在于，所述估计器(5)适于重复地更新所述估计并使更新的估计可用于所述总线接口(6)以在接收所述读取命令时使用。
5.如权利要求4所述的传感器设备，其特征在于，所述估计器适于以内插频率计算所述估计，所述内插频率独立于所述读取命令并且与所述读取命令异步。
6.如权利要求1所述的传感器设备，其特征在于，所述存储内存适于至少存储所述信号(S)的最后样本和倒数第二个样本，并且其中所述估计器(5)适于通过将存储在所述存储内存中的所述数据内插或外推到所述参考时间点来计算所述估计。
7.如权利要求6所述的传感器设备，其特征在于，所述估计器(5)适于通过基于线性内插、二次内插、移动平均和/或指数移动平均的估计方法来计算所述估计。
8.如权利要求1所述的传感器设备，其特征在于，所述估计器(5)包括用于跟踪所述物理量的相位跟踪环单元(8)和/或锁相环单元，其中所述存储内存适于存储所述相位跟踪环单元和/或锁相环单元的至少一个参数，并且其中所述估计器(5)适于基于所述相位跟踪环单元(8)和/或所述锁相环单元的输出来计算所述估计。
9.如权利要求8所述的传感器设备，其特征在于，所述传感器设备是角位置传感器设备，并且其中所述传感器单元(2)包括多个传感器元件，所述多个传感器元件被布置成用于产生多个信号，每个信号都是表示待测量的位置或电流的输入量的函数。
10.如权利要求1所述的传感器设备，
其中所述传感器单元(2)包括一个或多个传感器元件，所述一个或多个传感器元件被配置成用于测量磁场；
和/或其中所述传感器单元(2)包括一个或多个传感器元件，所述一个或多个传感器元件被配置成用于测量电流。
11.如权利要求8所述的传感器设备，其特征在于，所述相位跟踪环单元(8)适于通过根据存储在所述存储内存中的权重因子阵列组合所述多个信号来生成误差信号，适于对所述误差信号进行滤波，以生成表示作为所述相位跟踪环单元的所述输出的待测量的所述位置或电流的输出量值，并适于基于所述输出量值来调整所述权重因子阵列。
12.如权利要求1所述的传感器设备，其特征在于，所述传感器单元(2)适于以预定的采样频率fs对所述物理量或指示所述物理量的另一物理量进行采样。
13.如权利要求12所述的传感器设备，其特征在于，所述采样频率fs和所述读取命令的出现是独立的和/或异步的。
14.根据权利要求1所述的传感器设备，其特征在于，所述传感器单元(2)包括多个传感器元件，所述多个传感器元件被布置成用于产生多个信号，每个信号是表示待测量的位置或电流的输入量的函数，并且其中所述估计器(5)实现用于跟踪所述物理量的相位跟踪环和/或锁相环，并且适于通过将所述多个信号与权重因子阵列进行组合来生成误差信号。
15.如权利要求1所述的传感器设备，其特征在于，所述传感器单元(2)适于提供指示单个物理量的多个信号(S1,…,Sn)。
16.一种系统(100)，包括：
传感器总线(7)，
根据权利要求1所述的多个传感器设备(1)，所述多个传感器设备(1)连接到所述传感器总线；
电子控制单元(81)，所述电子控制单元(81)连接到所述传感器总线，并配置成用于生成同时针对所述多个传感器设备的广播读取命令。
17.如权利要求16所述的系统，所述系统用于在汽车环境中使用，其中所述数字总线是CAN总线或CAN FD总线。
18.如权利要求16所述的系统，
其中，所述多个传感器设备(1)中的每一个传感器设备包括估计器，所述估计器适于以内插频率计算所述估计，所述内插频率独立于所述读取命令并且与所述读取命令异步，所述内插频率比读取命令的平均频率高至少2.0倍或至少5.0倍。
19.一种用于经由数字通信总线传送传感器数据的方法(90)，所述方法包括：
-在连接到所述总线的多个传感器设备中的每一个传感器设备中，生成(91)表示物理量的信号，并存储(95)从如在至少两个不同时间点处获得的信号导出的数据；
-经由所述总线从电子控制单元向多个传感器设备发送(92)广播读取命令；
-在连接到所述总线的所述多个传感器设备中的每一个传感器设备中，在与所述至少两个时间点不相关的时间点处接收(93)所述广播读取命令，并且响应于所述读取命令向所述电子控制单元发送(94)所述物理量的估计，其中基于所述所存储的数据来计算(96)参考时间点处的所述估计，并且其中所述参考时间点与接收到所述读取命令的所述时间点相差基本上预定偏移。
20.如权利要求19所述的方法，其特征在于，计算(96)所述估计包括执行相位跟踪环以用于跟踪所述物理量并基于所述相位跟踪环的输出来计算所述估计。
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