CN115220376A - 用于功能安全应用的传感器接口 - Google Patents

Abstract

本申请公开了用于功能安全应用的传感器接口。传感器接口电路(100)，包括：至少两个传感器输入(111，112)和至少两个前端电路(121，122)以从至少两个传感器输入获得传感器信号采集；测试电路(131，132)，其被配置为通过向被测试的前端电路施加测试输入、通过读取前端电路的测试输出、以及通过将测试输出与预期结果进行比较从而获得至少一个测试结果来测试前端电路(121，122)中的一个前端电路中的至少部分的正确功能，其中，在传感器信号采集之间间歇地施加测试输入；处理设备(140)，其被配置用于比较来自不同传感器输入的传感器信号采集，并用于将该比较与至少一个测试结果相结合，以评估传感器接口电路的正确功能。

Description

用于功能安全应用的传感器接口

技术领域

本发明涉及传感器领域。更具体地，它涉及用于功能安全应用中的传感器接口电路。

背景技术

在安全关键应用中，诸如例如汽车应用中，重要的是获得的传感器数据是可靠的，并且重要的是标识不正确的传感器数据。在汽车行业中，汽车安全完整性等级在诸如ISO26262之类的标准中定义。

经常至少有两个传感器用于测量相同的物理参数。例如，这可能是压力。通常，这两个传感器通过传感器接口电路读出，传感器接口电路包括两个独立的模拟前端，如图1中的传感器接口电路10所示。第一模拟前端AFE1具有输入引脚11、输入引脚12和接地输入引脚13。第二模拟前端AFE2具有输入引脚14、输入引脚15和接地输入引脚16。模拟前端的输出与数字模块DM相连，该模块进行模数转换，可能还进行数字处理。在此示例中，数字模块的输出与模拟后端ABE连接，模拟后端ABE的输出与输出引脚17连接。替代地，两个ABE可以输出AFE的两个输出。模拟前端、数字模块和模拟后端由可经由接口16供电的电源系统PS供电。

在这些类型的传感器系统中，一个信号(例如，由模拟前端1测量)被用作主要输出。在这些类型的传感器系统中，次级信号可用于通过数字处理检查一次信号的正确性。在有两个ABE的情况下，检查可通过外部控制单元(ECU)完成。

US9346441B2或US9874609B2中公开了用于双路径传感器布置的现有技术解决方案的示例，其中在单个半导体芯片上实现的单片集成电路传感器系统包括：第一传感器设备，该第一传感器设备具有在半导体芯片上的用于第一传感器信号的第一信号路径；以及第二传感器装置，该第二传感器装置具有在所述半导体芯片上的用于第二传感器信号的第二信号路径，第二信号路径不同于第一信号路径，其中第一信号路径信号和所述第二信号路径信号的比较提供传感器系统自检。

然而，两种现有技术解决方案均涉及两个传感器和信号路径的单片集成。在许多情况下，单片集成是不可能的，或者不是有益的，例如，当传感器芯片使用与接口芯片不同的制造技术时。此类情况的一个示例是当传感器使用具有少量金属层(例如1或2个金属层)用于连接的MEMS技术进行制造并且接口芯片使用具有多于6个的金属层的CMOS技术时。在这些情况下，每个传感器芯片都需要连接到传感器芯片的管芯之外的接口芯片，例如使用电气连接(例如焊盘)来进行连接。当使用此类将传感器芯片与接口芯片互连的较长电气连接时，来自传感器的信号对电磁兼容性(EMC)事件变得敏感，这可能会使传感器输出信号失真。

两个模拟前端通常使用相同或几乎相同的设计。虽然这有助于提高安全性等级，但它仍然可能会遭遇共因故障，如设计缺陷、制造工艺缺陷、EMC事件、机械应力。通过交换差分输入的极性可以产生一些多样性，例如，当物理参数增加时，第一模拟前端的输入和输出增加，而第二模拟前端的输入和输出减少。但这可能还不足够。

替代地，可以使用2个完全不同的模拟前端。这可以减少共因故障，但会使设计工作量加倍。此外，使设计真正多样化可能会很复杂，例如，它们可能使用相同类型的组件。

出于上文原因，仍然存在找到如何检测共因问题的解决方案的需要。

发明内容

本发明的实施例的目的是提供良好的传感器接口电路和方法，其能够给出关于传感器接口电路的正确功能(例如性能)的指示。

以上目的由根据本发明的方法和设备来实现。

在第一方面中，本发明的实施例涉及传感器接口电路，该传感器接口电路包括：

-至少两个传感器输入，每个传感器输入配置为连接到单独的传感器，用于测量相同的物理参数，

-至少两个前端电路，其中，每个传感器输入配置为与前端电路中的一个前端电路连接，并且其中每个前端电路被配置用于调节来自连接的传感器输入的信号，从而从至少两个传感器输入获得传感器信号采集，

-测试电路，该测试电路被配置为通过向被测试的前端电路施加测试输入、通过读取前端电路的测试输出、以及通过将测试输出与预期结果进行比较从而获得至少一个测试结果来测试前端电路中的一个前端电路中的至少部分的正确功能(例如，通过检查性能是否满足预定义要求)，其中，测试输出由测试输入引起，其中，在传感器信号采集之间间歇地施加测试输入，

-处理设备，该处理设备被配置用于比较来自不同传感器输入的传感器信号采集，并用于将该比较与至少一个测试结果结合，以评估传感器接口电路的正确功能。

本发明实施例的优点是，可以通过测试电路提高安全完整性等级，同时保持至少两个前端电路的冗余。

本发明实施例的优点是，可以检测到与从传感器到前端电路的输出的信号路径有关的问题。由测试电路进行的该测试可以在信号转换为数字信号之前完成，或者更优选地在将其转换为数字信号之后完成(因为这更容易，并且导致潜在更好的性能测试)。当传感器和传感器接口电路位于单独的管芯上时，这种测试尤其有利。在这些情况下，接口管芯的信号路径从将接口管芯连接到传感器管芯的输入引脚开始，且接口管芯内的信号路径包括模拟前端电路。与不包括测试的传感器接口电路相比，本发明的实施例的优点是提高了传感器接口电路的安全完整性等级。优点是，这可在不显著增加传感器接口电路的复杂性的情况下被实现。

在本发明的实施例中，测试输入是跨越传感器接口电路的操作范围的信号。

测试输入可以是正弦波信号。

替代地，测试输入可以包括一个或多个恒定信号。一个或多个恒定信号中的一个可以基本上为零。

在本发明的实施例中，测试电路包括测试输入电路。测试输入电路包括用于以下项的开关：

-将传感器输入中的一个传感器输入的输入引脚连接到前端电路中的一个前端电路的输入触点，用于获得传感器信号采集，

-将传感器输入的输入引脚中的一个输入引脚连接至前端电路的两个输入触点，并且从前端电路断开另一个传感器输入，用于获得测试结果。测试输入电路可包括电容器，该电容器可连接至输入触点中的一个输入触点。

在本发明的实施例中，处理设备被配置用于通过将传感器信号采集的差与预定义阈值进行比较来比较传感器信号采集，以及

-用于当差大于阈值时确定传感器信号采集不可靠，以及

-用于当差小于阈值且前端电路中的一个前端电路的测试结果指示该前端电路工作不正确时确定传感器信号采集不可靠，以及

-用于当差小于阈值且被测试的一个或多个前端电路的一个或多个测试结果指示他们工作正确时确定传感器信号采集是可靠的。

在本发明的实施例中，传感器接口电路包括每个前端电路的单独测试输入电路或用于测试所有前端电路的单个测试输入电路。

在本发明的实施例中，处理设备被配置用于：

通过将来自至少两个传感器输入的传感器信号采集的差与预定义阈值进行比较来比较传感器信号采集，并且如果差大于阈值，

-用于当每个前端电路的至少一个测试结果指示所有前端电路工作不正确，或者当所有测试输入电路的测试结果指示所有前端电路工作正确时确定传感器信号采集不可靠，

-用于当至少一个前端电路的测试结果指示该前端电路工作不正确时确定应使用测试结果指示前端电路工作正确的该前端电路的传感器信号采集，

以及，如果差小于阈值，则用于获得前端电路中的一个前端电路的测试结果，以及

-用于当测试结果指示前端电路工作不正确时确定传感器信号采集不可靠

-用于当测试结果指示前端电路工作正确时确定传感器信号采集是可靠的。

在本发明的实施例中，前端电路可以包括模数转换器(ADC)。

在本发明的实施例中，传感器系统可包括控制器，该控制器被配置用于触发至少一个测试输入电路，用于获得测试结果。

在本发明的实施例中，传感器接口电路包括用于控制传感器接口电路的外部控制器。

在第二方面中，本发明的实施例涉及用于控制传感器接口电路的完整性的方法，该传感器接口电路包括至少两个传感器输入，每个传感器输入被配置为与用于测量相同物理参数的不同传感器连接，且每个传感器输入被配置为与用于调节来自传感器的信号的前端电路连接，该方法包括：

-从前端电路采集信号，从而获得传感器信号采集，

-向前端电路中的至少一个前端电路间歇性地施加测试信号，并读取由测试信号引起的前端电路的测试输出，

-将测试输出与预期结果进行比较，从而获得至少一个测试结果，

-比较来自不同传感器输入的传感器信号采集，并将该比较与至少一个测试结果相结合，以评估传感器接口电路的正确功能。

在本发明的实施例中，该方法可被用于传感器接口电路，该传感器接口电路可具有带有差分输入的前端电路。在这种情况下，该方法可包括：

-将传感器输入中的一个传感器输入的输入引脚连接到前端电路中的一个前端电路的输入触点以用于获得传感器信号采集，

-将传感器输入的输入引脚中的一个输入引脚连接至前端电路的两个输入触点，并从前端电路断开另一个传感器输入，用于获得测试结果。

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与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那样。

根据此后所描述的(多个)实施例，本发明的这些方面和其他方面将是显而易见的，并且参考这些实施例阐明了本发明的这些方面和其他方面。

附图说明

图1示出了典型的现有技术传感器接口电路的示意图。

图2示出根据本发明的实施例的传感器传感器接口电路的示意图。

图3示出了根据本发明实施例的包括外部控制器的传感器接口电路的示意图。

图4和图5示出了可在根据本发明实施例的传感器接口电路中实现的典型方法步骤。

图6示出了根据本发明实施例的传感器接口电路(其中测试输入电路包括开关)的示意图。

图7示出了根据本发明实施例的传感器接口电路(其中测试输入电路附加地包括电容器)的示意图。

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，相同的附图标记指代相同或相似的要素。

具体实施方式

将就具体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的而非限制性的。在附图中，出于说明性目的，要素中的一些要素的尺寸可被放大且未按比例绘制。尺寸和相对尺寸不对应于对本发明的实施的实际缩减。

说明书中和权利要求书中的术语第一、第二等用于在类似的要素之间进行区分，而不一定用于描述时间上、空间上、等级上或以任何其他方式的顺序。应理解，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能够以与本文中所描述或图示的不同的顺序来进行操作。

要注意，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，表述包括装置“A和B的设备”的范围不应当限于仅由组件A和B构成的设备。它意味着对于本发明，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所描述的特定的特征、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，如通过本公开将对本领域普通技术人员显而易见的，特定的特征、结构或特性能以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对各个发明性方面中的一个或多个的理解的目的，本发明的各个特征有时一起被编组在单个实施例、附图或其描述中。然而，该公开方法不应被解释为反映要求保护的发明要求比每一项权利要求中明确记载的特征更多的特征的意图。相反，如所附权利要求所反映，发明性方面存在于比单个前述公开的实施例的全部特征更少的特征中。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现方式中，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，但是如本领域技术人员将理解的那样，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能以任何组合来使用。

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，可以在没有这些具体细节的情况下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。

在第一方面中，本发明的实施例涉及传感器接口电路100。图2中示出了此类传感器接口电路的示例。传感器接口电路100包括至少两个传感器输入111、112，每个传感器输入被配置为连接到单独的传感器，用于测量相同的物理参数。

此外，传感器接口电路包括至少两个前端电路121、122。每个传感器输入111、112被配置为与前端电路121、前端电路122中的一个连接，并且每个前端电路121、122被配置用于调节来自连接的传感器输入的信号，从而从至少两个传感器输入获得传感器信号采集。因此，形成至少两条信号路径，每一条从传感器输入开始并经过前端电路。在本发明的实施例中，传感器接口电路可以包括超过2个的传感器输入，并且可以存在超过2个的信号路径。传感器接口电路可以例如包括多路复用器，使得一个或多个前端可以与传感器输入连接。在一些实施例中，传感器接口电路可包括例如3个或更多传感器输入和2个前端，其中至少一个前端可读取多个传感器。在这种配置中，每个传感器可测量相同的物理参数。

此外，传感器接口电路还包括测试电路，该测试电路包括测试输入电路131、测试输入电路132，该测试输入电路被配置为测试前端电路121、前端电路122中的一个前端电路的至少部分的正确功能。例如，可以通过检查性能是否满足预定义的要求来测试正确功能。例如，如果性能不满足一个或多个预定义阈值，则可认为该功能不正确。因此，测试电路可以被配置为向被测试的前端电路施加测试输入，并读取前端电路的测试输出。例如，电压或电流可作为测试输入而施加。测试输出由测试输入引起。测试电路配置为在传感器信号采集之间间歇性地施加测试输入。测试电路被配置用于将测试输出与预期结果进行比较，从而获得至少一个测试结果。测试电路的功能可以分布在不同的组件上。例如，可以在处理设备140中实现测试输出的读取和比较测试输出。

在本发明的实施例中，传感器接口电路100包括用于每个前端电路121、122的测试输入电路131、132。

在本发明的实施例中，一个测试输入电路的测试信号可以与另一个测试输入电路的测试信号交织。这允许在前端电路中的至少一个上采集传感器信号。

此外，传感器接口电路包括处理设备140，处理设备140被配置用于比较来自不同传感器输入的传感器信号采集，并用于将该比较与至少一个测试结果相结合，以便评估传感器接口电路的正确功能。

前端电路包括用于在模拟域中处理传感器信号的模拟前端电路。这可包括放大、过滤或任何其他所需的处理。

在本发明的实施例中，前端电路可以附加地包括用于将模拟前端的输出转换为数字表示的ADC。该数字表示可以被使用作为处理设备的输入。

AD转换优选地针对不同的信号路径单独完成，并且可选地也在路径之间使用不同类型的AD转换器。原则上，可以在路径的模拟输出之间使用一个AD转换器和时间多路复用，但这会减少路径之间的冗余，从而降低安全完整性。因此，每个路径优选地(但不是必须)具有AD转换器。

在本发明的实施例中，存在至少两个信号路径。第一路径通过第一传感器输入和第一前端电路，而第二路径通过第二传感器输入和第二前端电路。每个路径中可存在测试输入电路，或者可仅存在一个测试输入电路。

在本发明的实施例中，测试输入电路可以仅应用于第二路径，或者可以对于第二路径更彻底。

在本发明的一些实施例中，传感器接口可包括仅用于第二路径的测试输入电路。第二前端电路可以在来自传感器的信号和测试输出之间进行多路复用。对于第二路径，可以进行传感器信号采集的较慢更新周期，使得可以在更新之间执行使用测试电路的自测试。

第二路径的传感器信号采集可与测试输出采集交替进行。第二路径的传感器信号采集和测试输出采集的整体更新周期可与第一路径的传感器信号采集的更新率相同，但样本中的一些样本将与测试电路(也称为内置自检BIST)和一些相关应用相关，因此对于与样本相关的应用的更新率可低于第一条路径中的更新率。

在不同的应用中，对于第二信号路径相对于更新率的要求不像对于第一路径那样严格。这使得在第二前端电路(以及可选的次级传感器)上应用的自测试比在第一前端电路上进行的自测试要显著地更多。在此类应用中，不需要实现第一路径的测试输入电路。由于对称性的原因，它可存在。在这种情况下，它可被禁用(在正常操作期间)，以保证第一条路径的完整传感器信号更新率。例如，可在正常操作期间禁用，并在启动时启用。在本发明的一些实施例中，可以根据请求(例如，当存在关于正确的性能的某疑问时)进行对第一模拟前端的检查。

传感器接口电路可被配置用于触发测试电路，以在启动时或在生产测试期间测试第一前端电路和第二前端电路的正确功能。

在本发明的实施例中，接口电路包括控制器150，控制器150被配置用于触发至少一个测试输入电路131、132，以获得测试结果。

在本发明的实施例中，控制器和处理设备可以是相同的设备。例如，可以使用微处理器、现场可编程门阵列或数字信号处理器。它们也可以是独立的设备。

被配置用于触发至少一个测试输入电路131、132的控制器150也可以控制前端电路，并且也被称为前端控制块。图2中示出了此类控制块150的示例。在图2中，(多个)测试输入电路的操作由传感器接口电路内的控制器控制(这可在相同芯片/管芯中)。传感器接口电路可配置用于在触发测试输入电路以测试相应前端电路的正确功能时，从前端电路断开传感器信号。这可以使用由控制器150控制的开关来实现。

测试电路被配置为测试前端电路中的至少部分的正确功能(例如性能)。例如，测试输入电路可不完全位于模拟前端(AFE)之前，如图2所示，而是它的一部分。例如，对来自传感器输入的信号的滤波可以通过模拟前端开始处的滤波电路来完成。那么，出于EMC的原因，最好的可以是在该滤波器之前不具有开关或其他有源组件。在这种情况下，测试输入电路也优选地在该滤波器之后实现。附加地，测试输入电路还可以配置用于测试前端电路的ADC转换器。

如下文所讨论的，测试电路可以被配置用于修改前端电路，以获得振荡前端电路(前端电路的模拟部分是振荡的)。

在本发明的实施例中，可以在处理设备中实现将测试输出与预期结果进行比较，从而获得至少一个测试结果。因此，控制器150可以向处理设备140指示在哪个时刻应用哪个测试输入。这由从控制器150到处理设备140的虚线指示。

在本发明的实施例中，前端电路121、前端电路122的输出包括用于将模拟前端的模拟输出转换为用于处理设备140(例如DSP块)的数字信号的ADC。该处理设备被配置为处理前端电路121、前端电路122的输出。处理设备可被配置用于检测模拟前端的故障操作，例如，通过比较两条路径的输出并将其与测试电路操作的结果相结合来进行该检测。

测试电路操作的测试结果可以是通过或未通过，或者在某些实现中，例如不确定。在这种情况下，传感器接口电路可被配置用于对第二前端电路进行更详细的测试，代价是中断该第二前端电路的传感器信号采集，例如触发测试输入电路以运行振荡测试(这将在后面的描述中讨论)。在这种情况下，传感器接口电路也可以被配置用于与第一前端电路的测试输入电路一起运行测试。

在本发明的实施例中，接口电路管芯中的前端控制和DSP块可以被实现在一个块中，或者它们的功能可以分布在不同的处理设备上。测试电路包括测试输入电路131、测试输入电路132，用于向被测试设备(例如前端电路)提供测试输入。此外，测试电路包括附加功能，例如，将具有测试输入的被测试的设备的输出与预期输出比较，或触发至测试设备的测试输入。这些功能可以在测试输入电路中或在分布式处理设备的共享电路中实现。

测试输入电路可以针对每个路径单独实现，或者测试输入电路可以在路径之间共享，或者测试输入电路的部分可以共享。在本发明的实施例中，测试输入可例如同时施加于两条路径或以时间复用的方式施加。即使图2中表示测试输入电路131、测试输入电路132的块被绘制为单独的块，它们的功能的部分也可以实现为共享电路。在图2中，表示第一路径的测试电路的块131以虚线绘制，以指示块131是可选的。

在图3所示的示例性实施例中，在传感器接口电路的两个前端电路上均执行内置自测试。然而，让前端中的一个在正常应用模式下工作的同时测试另一个前端可能是有利的，以便在每一时刻两个传感器信号中的至少一个是可用的。

在本发明的实施例中，传感器接口电路被配置用于连接用于控制传感器接口电路的外部控制器。例如，可以使用外部控制器触发测试电路。传感器信号采集的比较和测试输出与预期结果的比较，以及测试结果与传感器信号采集的比较的组合，可以内部地、在单独的管芯或芯片上(例如，在外部控制器处)或内部和外部二者地完成。这在图3中示出，其中处理设备是包括内部控制器140a(例如DSP)和外部控制器140b的分布式设备。两者都可以在单独的芯片/管芯上实现。在图3的示例中，外部控制器是发动机控制单元(ECU)。如前所述，DSP块可在两个信号路径的输出之间执行分析，并将比较的结果传送给外部控制器。在本发明的一些实施例中，比较结果可以与DSP块中的测试结果相结合，并且组合输出可以被传送到外部控制器(处理设备是分布式设备)。在本发明的实施例中，两条路径的输出值(传感器信号采集)和测试结果都可以传送到外部控制器，但与传输数据之前完成的该部分处理相比，这需要用于数据的更大的带宽。

如之前所解释的，外部控制器140b可以可选地用于触发测试操作。例如，当对前端电路(例如前端电路的模拟部分)的正确操作存在疑问时，可以完成此操作。在本发明的实施例中，外部控制器可被配置用于通过与内部控制器(例如DSP)通信来请求测试操作，内部控制器进而连接到前端控制块150。外部控制器也可以直接连接到前端控制块150，或者甚至可以直接连接到(多个)测试输入电路。

处理设备可被配置用于执行包括以下步骤的方法(图4中示出了根据本发明的实施例的示例性方法的流程图)。处理设备可被配置用于通过将传感器信号采集的差与预定义阈值比较来比较传感器信号采集，以及

-用于当差大于阈值时确定传感器信号采集不可靠，以及

-用于当该差小于阈值且前端电路中的一个前端电路的测试结果指示该前端电路工作不正确时确定传感器信号采集不可靠，以及

-用于当该差小于阈值并且被测试的(多个)前端电路中的该一个或多个测试结果指示其工作正确时确定传感器信号采集是可靠的。

本发明的实施例的优点是，根据本发明的实施例的测试电路可以检测到前端电路中的在比较传感器信号采集之间的差时原本将保持不被注意的错误。

对于两个前端，可以通过比较两个前端的结果来检测两个前端中的一个前端的故障。但两个前端都可出现相同或类似的故障，因为前端之间可存在某种相关性。例如，如果在传感器接口电路运行期间对第二前端进行了广泛测试，则可以在第二模拟前端中检测到故障。如果前端之间存在相关性，则可以检测到在两个前端同时发生的相关故障。

本发明的实施例的优点是，测试电路和相应的测试操作允许检测影响两个模拟前端的从属故障。因此，应注意，通过比较两个前端的信号采集，无论如何可以检测到仅影响一个前端的故障，因为两个传感器测量的物理参数相同，因此前端的输出应该相同。

从属故障的一些示例包括：

-EMC事件(EMC事件可以被耦合在传感器输入中，也可以被耦合在其他位置中，诸如例如通过电源)；

-电源电压低或受干扰；

-两个前端均使用的组件(例如MIM电容器)的泄漏电流或其他工艺偏差；

-随寿命漂移(该设计针对随寿命漂移不稳健)。

本发明的实施例的优点是，可以使用本发明增加传感器接口电路的可用性。如果检测到两个前端之间存在差，但如果一个前端被证明是无故障的，则该前端仍可用于产生输出信号。这在图5中示出。

图5中的流程图示出了根据本发明的实施例的示例性方法。处理设备被配置用于比较两个前端的传感器信号采集。如果差大于预定义的阈值，如果具有来自测试输入电路的测试输入的两个前端的测试结果指示两个前端电路均未正确工作，或者如果具有来自测试输入电路的测试输入的两个前端的测试结果指示两个前端电路均正确工作，则处理设备得出结论：传感器信号采集不可靠。如果具有来自测试输入电路的测试输入的两个前端都未通过测试，则可以得出结论输出不可靠，这可能是由共因造成的。如果两个前端都通过，则传感器信号采集(输出)不可靠，这可能是由于测试电路未覆盖的部分(例如传感器本身，如果传感器未被测试电路覆盖)。

如果一个前端电路通过测试，而另一个前端电路未通过测试，则可以使用通过测试的前端电路生成输出。应注意，在这种情况下，可靠性会降低。这可由处理设备标记，以指示传感器接口电路的可靠性降低。事实上，在两个传感器系统的一个路径未通过测试的情况下，则不会再检测到附加的故障(例如传感器的漂移)。

如果差小于预定义阈值，则处理设备的结论取决于第二前端的测试结果(在该示例中，测试第二前端，但这也可以是另一前端)。如果该测试结果有故障，则得出结论：两个模拟前端都有故障。如果测试结果正确，则得出结论：输出是可靠的。

可选地，如果传感器信号采集之间的差小于预定义阈值，则可以测试所有前端，而不是仅测试一个前端。

在这种情况下，可以得出以下结论：

-如果其中一个前端的测试结果仍然正确，则可以得出结论：该前端的输出是可靠的；

-如果所有前端的测试结果都正确，则可以得出结论：所有前端的输出都是可靠的；

-如果所有前端的测试结果都不正确，则可以得出结论：所有输出都不可靠。

例如，这可适用于两个前端的情况，其中第一前端工作100％正确，且第二前端对于小输入信号工作，但对于大信号不工作(例如箝位或增益误差)。如果此时的应用输入很小，那么两者都将给出正确的输出，并且它们的差很小。不过，第二前端可能不会通过BIST。虽然第二前端在应用输入小的时候正确工作，但在应用输入大的时候就不再可靠了。

在本发明的实施例中，(多个)测试电路不仅可以配置为测试前端电路的正确功能，还可以测试传感器本身的正确功能。

外部引起的故障(诸如EMC事件)可对连接到传感器的传感器输入造成严重干扰。这些错误可以是暂时的，但它们可持续足够长的时间，引起安全问题。如果用内部测试信号替换传感器的输入，以检查前端是否正确工作，则可不会注意到此类错误。注意，EMC干扰在大多数情况下主要是共模信号。也可产生小的差分信号，例如，由于寄生电容的一些差。然而，应始终尝试(通过设计)使传感器元件、读出电路和差分输入的连接尽可对称。由于干扰可能太大，仍可能得到误差，从而超出模拟前端的共模输入范围，这将引起其输出的偏差。

为了检测此类干扰，根据本发明实施例的测试电路被配置为施加从实际输入引脚导出的测试输入，作为施加内部地生成的测试输入的替代或补充。

因此，在本发明的实施例中，可以通过将前端的输入节点(用于接收差分信号的2个输入节点)连接到接口电路的相同输入引脚(例如，图6中的INP2引脚)来生成测试输入。在这种配置中，测试信号差分为0，但它具有的共模等于输入引脚中可受EMC干扰的一个输入引脚。这在图6中示出，其中次级路径测试输入电路还包括将输入节点连接到相同电位的开关配置。自然地，取决于哪个输入引脚提供公共电位，另一个输入引脚需要与测量断开。

一般而言，还如图7中所示，测试输入电路131、测试电路132可包括用于以下项的开关：

-将传感器输入中的一个传感器输入112的输入引脚连接到前端电路122中的一个前端电路的输入触点以用于获取传感器信号采集，

-将传感器输入112的输入引脚中的一个输入引脚连接至前端电路122的两个输入触点，并从前端电路122断开另一个传感器输入112，用于获得测试结果。

为了图的简单性，图6和图7中未示出AD转换器。AD转换器例如可以位于处理设备140的输入之前，或者可以是处理设备140的部分。

因此，本发明的实施例的优点是，可以检测到由于MC事件引起的传感器信号中的误差。

可选地，可通过仅在一侧添加例如小电容来在差分测试信号路径的两侧之间创建小不对称，以模拟真实传感器信号路径上的最坏情况不对称。可选地，可能存在RC滤波器而不是单个电容，但实际上，开关的电阻可足够，因此只需要电容。例如，电容器可具有小于1pF或甚至小于100fF的电容。

检测EMC影响的另一种替代方法可通过以下完成，仅在例如INM2线路中添加(或移除)一些额外电容(或RC)，而不使INP2和INM2短路。如果没有EMC(并且假设有用的信号变化不是很快)，两个前端电路仍应给出相同的结果。这更容易，但缺点是系统的“可用性”可能会下降，因为EMC问题可能已经被检测到，而对于正常应用来说还不是问题。

在本发明的实施例中，测试输入电路可被配置为施加内部创建的稳定零差分输入。测试电路可被配置用于在具有短路输入的情况下将两个测试的输出进行比较，这通常会生成相同的结果。

此类与EMC的检测有关的配置如图7所示，其中测试输入电路包括开关和可切换电容器。

在本图中，测试输入电路附加地包括电容器(或RC滤波器)，该电容器可连接到输入触点中的一个。这具有的好处是，对EMC事件的敏感度会进一步提高。例如，电容器(或RC滤波器)可以连接到输入触点中的一个和接地或另一参考电压之间。RC滤波器可以是低通滤波器。

除了施加零差分输入并对照预期结果检查输出之外，根据本发明的实施例的测试输入电路还可以被配置为施加附加的输入信号以增加覆盖范围。

在本发明的实施例中，测试输入例如可以是跨越传感器接口电路的操作范围的信号。在优选实施例中，测试输入覆盖模拟前端的全部输入范围。本发明实施例的优点是，在前端电路的整个操作范围内测试前端电路的正确操作。在本发明的实施例中，不仅可以施加0作为差分输入，还可以施加例如接近传感器满刻度的信号。如果传感器由模拟调节器提供电压VDDA(并假设传感器输出与其电源成比例)，则测试输入电路可配置为内部地产生10％VDDA的差分信号。对于一个信号，无法检测到纯增益误差。如果非线性误差需要良好的覆盖范围，则测试输入电路需要配置多于2个的信号(优选地明显多于2个信号)，例如1％VDDA、2％VDDA等。

在大多数情况下，传感器接口的带宽要求低，因此仅施加DC信号作为测试输入可能就足够了。可以施加一个或多个恒定信号。恒定信号的电平可以使得它们跨越传感器接口电路的操作范围。施加(多个)恒定信号的优点是，可以轻松地生成输入，也可以轻松地检查输出。在其他情况下，可能还需要施加不同的信号，例如，需要施加正弦波。例如，可以通过进行快速傅里叶变换(FFT)以检查频谱来检查输出。

以上示例是功能测试，因为它们检查组件的正常功能。在某些情况下，结构测试可有助于发现缺陷(潜在地与一些功能测试相结合)。因此，测试输入电路可被配置用于修改前端电路，使得其开始振荡。例如，前端电路的放大器可以配置有正反馈，而在正常应用中，它使用负反馈。其优点是，测试输入固有地作为振荡的结果而生成。在此类实施例中，测试输出可包括振荡的频率和振幅。此类振荡信号也可用于测试ADC。

在本发明的实施例中，处理设备被配置用于比较来自不同传感器输入的传感器信号采集。例如，可以将它们的差与阈值进行比较。阈值可以预定义。

传感器性能可影响接口电路的安全性。比较两个前端输出时，预定义的阈值可取决于在不存在故障的情况下来自传感器的2个输入之间的可预期的差。

例如，如果两个传感器输入可各自漂移(无故障)1％，并且这两个传感器信号之间的差可漂移1.5％，则经处理的传感器信号的2个输出之间的差也可漂移1.5％，而用于传感器处理的接口电路中没有任何故障。因此，用于输出比较的阈值应为满刻度信号范围的至少1.5％，通常甚至更高，以便为接口电路提供一定的净空。这意味着无法检测到接口中引起1.5％或更低误差的故障。如果传感器向相反方向漂移1.5％，甚至可能无法检测到接口中引起3％误差的故障。通常喜欢检测接口芯片的较小偏差。

因此，在本发明的一些实施例中，处理设备被配置用于补偿传感器漂移。例如，这可以通过自动调零来实现。这意味着处理设备在某一时刻测量漂移，并将其从随后测量的结果中减去。这可以定期重复。如果物理输入已知，则可以分别在2个输出(不同传感器的信号采集)上执行此操作。此操作也可以根据两个输出之间的差完成，具有的优点是不需要知道物理输入(假设两个传感器测量相同的物理输入)。

在本发明的实施例中，处理设备可被配置用于检查不带漂移补偿的输出差和带漂移补偿的输出差，每个输出差都具有其自己的阈值。代替在没有补偿的情况下检查漂移，处理设备可以被配置为检查所需补偿的幅度，该幅度基本上是漂移的倒数。

完成不带补偿检查以检查传感器的漂移，该漂移通常很慢。带补偿的检查可以使用更严格的限制来覆盖接口电路和传感器的快速漂移。处理设备可以配置用于跟踪传感器的缓慢漂移，而不是在一个或几个离散时刻测量漂移并对其进行补偿。传感器接口电路可包括具有足够高的时间常数(例如1分钟)的低通滤波器，以减少由于内部或外部故障(包括EMC引起的偏差)而产生的快速变化的影响。

在某些情况下，也可能存在共享两个模拟前端的多于两个的传感器，例如3个传感器和2个前端。

在本发明的实施例中，模拟前端可以具有相同的设计。

单独的传感器可各自存在于单独的管芯上。替代地，单独的传感器可存在于具有单个膜的单个管芯上，其中不同的传感器仅使用一组不同的压电电阻器。

在第二方面中，本发明的实施例涉及用于控制传感器接口电路的完整性的方法，该传感器接口电路包括至少两个传感器输入，每个传感器输入被配置为与用于测量相同物理参数的不同传感器连接，且每个传感器输入被配置为与用于调节来自传感器的信号的前端电路连接。与上文广泛描述的传感器接口电路类似，该方法包括：

-从前端电路采集信号，从而获得传感器信号采集，

-向前端电路中的至少一个前端电路间歇性地施加测试信号，并读取由测试信号引起的前端电路的测试输出，

-将测试输出与预期结果进行比较，从而获得至少一个测试结果，

-比较来自不同传感器输入的传感器信号采集，并将该比较与至少一个测试结果相结合，以评估传感器接口电路的正确功能。

在本发明的实施例中，该方法可包括：

-将传感器输入中的一个传感器输入的输入引脚连接到前端电路中的一个前端电路的输入触点以用于获得传感器信号采集，

-将传感器输入的输入引脚中的一个输入引脚连接至前端电路的两个输入触点，并从前端电路断开另一个传感器输入，用于获得测试结果。

根据本发明实施例的方法可以包括附加特征，这些附加特征也在上文描述中描述。

Claims (15)

1.一种传感器接口电路(100)，所述传感器接口电路包括：

至少两个传感器输入(111，112)，每个所述传感器输入(111，112)被配置为连接到单独的传感器，用于测量相同的物理参数，

至少两个前端电路(121，122)，其中，每个传感器输入(111，112)被配置为与所述前端电路(121，122)中的一个相连接，并且，其中每个前端电路(121，122)被配置用于调节来自所连接的传感器输入的信号，从而从所述至少两个传感器输入获得传感器信号采集，

测试电路，所述测试电路被配置为通过使用测试输入电路(131，132)向被测试的所述前端电路施加测试输入、通过读取所述前端电路的测试输出、以及通过将所述测试输出与预期结果进行比较从而获得至少一个测试结果来测试所述前端电路(121，122)中的一个前端电路中的至少部分的正确功能，其中，所述测试输出由所述测试输入引起，其中，在传感器信号采集之间间歇地施加所述测试输入，

处理设备(140)，所述处理设备被配置用于比较来自不同传感器输入的所述传感器信号采集，并用于将所述比较与所述至少一个测试结果结合，以评估所述传感器接口电路的正确功能。

2.如权利要求1所述的传感器接口电路(100)，其中，所述测试输入是信号，所述信号跨越所述传感器接口电路的操作范围。

3.如权利要求1所述的传感器接口电路(100)，其中，所述测试输入为正弦波信号。

4.如权利要求1所述的传感器接口电路(100)，其中，所述测试输入包括一个或多个恒定信号。

5.如权利要求4所述的传感器接口电路(100)，其中，所述一个或多个恒定信号中的一个基本上为零。

6.如权利要求1所述的传感器接口电路(100)，其中，所述测试输入电路(132)包括用于以下项的开关：

将所述传感器输入(112)中的一个传感器输入的输入引脚连接到所述前端电路(122)中的一个前端电路的输入触点以用于获得传感器信号采集，

将所述传感器输入(112)的所述输入引脚中的一个输入引脚连接到所述前端电路(122)的两个输入触点，并从所述前端电路(122)断开另一个传感器输入(112)，用于获得所述测试结果。

7.如权利要求6所述的传感器接口电路(100)，所述测试输入电路包括电容器，所述电容器可连接到所述输入触点中的一个输入触点。

8.如权利要求1所述的传感器接口电路(100)，其中，所述处理设备(140)被配置用于通过将所述传感器信号采集的差与预定义阈值进行比较来比较传感器信号采集，以及

用于当所述差大于所述阈值时确定所述传感器信号采集不可靠，以及

用于当所述差小于所述阈值且所述前端电路中的一个前端电路的所述测试结果指示所述前端电路工作不正确时确定所述传感器信号采集不可靠，以及

用于当所述差小于所述阈值并且所述被测试的一个或多个前端电路的所述一个或多个测试结果指示他们工作正确时确定所述传感器信号采集是可靠的。

9.如权利要求1所述的传感器接口电路(100)，所述传感器接口电路(100)包括每个前端电路(121，122)的单独测试输入电路(131，132)或用于测试所有前端电路的单个测试输入电路。

10.如权利要求9所述的传感器接口电路(100)，其中，所述处理设备(140)被配置用于：

通过将来自所述至少两个传感器输入的所述传感器信号采集的差与预定义阈值进行比较来比较所述传感器信号采集，并且如果所述差大于所述阈值，

用于当每个前端电路的至少一个测试结果指示所有前端电路工作不正确或者当所述测试结果指示所有前端电路工作正确时确定所述传感器信号采集不可靠，

用于当至少一个前端电路的测试结果指示所述前端电路工作不正确时确定应使用测试结果指示前端电路工作正确的所述前端电路的所述传感器信号采集，

以及，如果所述差小于所述阈值，则用于获得所述前端电路中的一个前端电路的所述测试结果，以及

用于当所述测试结果指示所述前端电路工作不正确时确定所述传感器信号采集不可靠，

用于当所述测试结果指示所述前端电路工作正确时确定所述传感器信号采集是可靠的。

11.如权利要求1所述的传感器接口电路(100)，其中，所述前端电路包括模数转换器(ADC)。

12.如权利要求1所述的传感器接口电路(100)，所述传感器系统包括控制器(150)，所述控制器(150)被配置用于触发所述至少一个测试电路(131，132)，用于获得测试结果。

13.如权利要求1所述的传感器接口电路(100)，所述传感器接口电路(100)被配置用于连接用于控制所述传感器接口电路的外部控制器。

14.一种用于控制传感器接口电路的完整性的方法，所述传感器接口电路包括至少两个传感器输入，每个传感器输入被配置为与不同的传感器连接，用于测量相同的物理参数，且每个传感器输入被配置为与前端电路连接，用于调节来自所述传感器的信号，所述方法包括：

从所述前端电路采集信号，从而获得传感器信号采集，

向所述前端电路中的至少一个前端电路间歇性地施加测试信号，并读取由所述测试信号引起的所述前端电路的测试输出，

将所述测试输出与预期结果进行比较，从而获得至少一个测试结果，

比较来自不同传感器输入的所述传感器信号采集，并且将所述比较与所述至少一个测试结果结合，以评估所述传感器接口电路的正确功能。

15.如权利要求14所述的方法，用于传感器接口电路，所述传感器接口电路具有前端电路，所述前端电路具有差分输入，所述方法包括：

将所述传感器输入中的一个传感器输入的输入引脚连接到所述前端电路中的一个前端电路的输入触点以用于获得传感器信号采集，

将所述传感器输入的所述输入引脚中的一个输入引脚连接到所述前端电路的两个输入触点，并且将另一个传感器输入从所述前端电路断开，用于获得所述测试结果。

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