CN115917267A - 自给式多维测量雷达传感器 - Google Patents

Abstract

用于检测填充材料的物位或填充材料表面的拓扑的雷达传感器，其包括持久运行型时钟，该时钟在预定时间闭合通向处理器的电源线以激活处理器。然后，处理器控制开关装置以激活雷达芯片。

Description

自给式多维测量雷达传感器

技术领域

本发明涉及雷达测量技术。特别地，本发明涉及用于检测填充材料的物位或填充材料的表面拓扑的雷达传感器、这种雷达传感器的多个用途、用于检测填充材料的物位或填充材料的表面拓扑的方法、程序元件以及计算机可读介质。

背景技术

在工业环境中的过程自动化中，尤其在物位测量中，可以使用多维(即，二维或三维)测量雷达系统。这种雷达传感器通常由外部能量源提供操作所需的能量。能量需求可能很大。

发明内容

在此背景下，本发明的目的是提供一种替代的雷达传感器。

该目的通过独立权利要求的特征来实现。本发明的改进示例在从属权利要求和实施例的以下说明中给出。

本发明的第一方面涉及一种被配置和编程为检测填充材料的物位和/或填充材料的表面拓扑的雷达传感器。特别地，雷达传感器可被配置为用于工业环境中的过程自动化，并且包括持久运行型时钟、储能器、诸如处理器等(可能与FPGA结合的)计算电路、一个或多个雷达电路或雷达芯片以及至少第一开关装置。

特别地，持久运行型时钟被配置为在预定时间控制第一开关装置以闭合电源线，使得从储能器向计算电路供电，从而激活计算电路。计算电路被配置和编程为在其激活之后控制第一开关装置以闭合(另一)电源线，使得从储能器向雷达芯片供应物位和/或拓扑检测所需的能量。

在本发明的上下文中使用的术语“开关装置”、“电源线”、“计算电路”应广义地解释。

术语“工业环境中的过程自动化”可以理解为技术的一个子领域，其包含无人工参与的操作机器和设备的所有措施。过程自动化的一个目标是在诸如化学、食品、制药、石油、造纸、水泥、航运或矿业等领域中使工厂的各个部件的交互自动化。为此，可以使用大量的传感器，这些传感器特别适用于过程工业的诸如机械稳定性、对于污染物的不敏感性、极端温度、极端压力等特定要求。通常将这些传感器的测量值传送到控制室，在控制室中可以监测诸如物位、极限物位、流量、压力或密度等过程参数，并且可以手动或自动更改整个工厂的设置。

工业环境中的过程自动化的一个子领域涉及物流自动化。在物流自动化领域中，借助于距离传感器和角度传感器使建筑物内部或外部或者单个物流设备内的过程自动化。典型的应用是例如用于以下领域的物流自动化系统：机场的办理行李和货物托运处理领域、交通监控领域(收费系统)、贸易领域、包裹配送或还有建筑物安全(访问控制)领域。先前列出的示例的共同点在于，各个应用端都需要将存在检测与对象大小和位置的精确测量结合起来。为此，可以使用借助于激光、LED、2D相机或3D相机的基于光学测量方法的传感器，这些传感器根据渡越时间原理(ToF：time of flight)检测距离。

工业环境中的过程自动化的另一子领域涉及工厂/制造自动化。在诸如汽车制造业、食品制造业、制药业或一般包装行业等许多行业中，都可以见到这种应用示例。工厂自动化的目的是使通过机器、生产线和/或机器人执行的货物生产自动化，即，在没有人工参与的情况下运行。在此使用的传感器以及在检测对象的位置和大小时对于测量精度的特定要求与上述物流自动化示例中的传感器和特定要求相当。

根据一实施例，雷达传感器包括第二开关装置，其中，计算电路被配置为在其激活之后控制第二开关装置以闭合控制线，以便将来自计算电路的控制信号发送到雷达芯片。

根据另一实施例，雷达传感器包括第三开关装置，其中，计算电路被配置为在其激活之后控制第三开关装置，以便将来自雷达芯片的测量数据发送到计算电路。

根据另一实施例，雷达传感器包括无线通信模块，其中，计算电路被配置为在其激活之后控制第一开关装置以闭合电源线，以便从储能器向无线通信模块提供无线通信模块的操作所需的能量。

根据另一实施例，雷达传感器具有密封壳体，该壳体没有用于外部的电气接口。因此，该雷达传感器特别是具有自身的内部电源的自给式雷达传感器。

根据另一实施例，雷达传感器包括另一储能器和第四开关装置。在这种情况下，时钟被配置为在预定时间控制第一开关装置，以闭合第一储能器和另一储能器之间的电源线，以便首先用来自第一储能器的能量为另一储能器充电。此后，控制第四开关装置以便从第一储能器和另一储能器向计算电路提供能量，从而激活该计算电路。

本发明的另一方面涉及上述和下述雷达传感器的作为微波光栅和/或用于机器安全区域的区域监测的用途。

在上述用途中，可以省去“检测填充材料的物位或填充材料表面的拓扑”的步骤。替代地，可以提供“切换信号的确定”。相应的方法是本领域技术人员已知的。

本发明的另一方面涉及一种用于检测填充材料的物位和/或填充材料表面的拓扑的方法。该方法包括以下步骤：通过设备内部时钟在预定时间控制第一开关装置以闭合电源线，以便从设备内部的储能器向计算电路供电，从而激活该计算电路；通过计算电路控制第一开关装置以闭合电源线，以便从储能器向雷达芯片供应物位和/或拓扑检测所需的能量。

本发明的另一方面涉及一种程序元件，当其在上述和下述的雷达传感器的计算电路上执行时，该程序元件指示雷达传感器执行上述和下述的步骤。

本发明的另一方面涉及一种存储有上述程序元件的计算机可读介质。

附图说明

下面将参考附图来说明本发明的实施例。附图中的图示是示意性的，并且未按比例绘制。如果在以下附图说明中使用相同的附图标记，则这些附图标记表示相同或相似的元件。

图1示出了根据一实施例的雷达传感器。

图2示出了根据一实施例的方法的流程图。

图3示出了根据另一实施例的雷达传感器。

图4示出了根据另一实施例的流程图。

具体实施方式

图1示出了多维(即，二维或三维)测量雷达传感器100，其特别可以被配置和编程为用于工业环境中的过程自动化或工厂自动化。例如，雷达传感器可被配置为(但不限于)用于测量松散材料堆的三维测量雷达系统(拓扑检测雷达系统)，但也可被配置为多维测量微波光栅。特别地，该雷达传感器可被设计为自给式雷达传感器，即，无需外部电源。

由于现有的系统架构，迄今已知的多维测量传感器非常耗能。此外，迄今为止，多维测量雷达系统中的测量结果的传输都通过有线方式实现，这导致设备的安装和维护方面的工作量很大。

本发明的基本思想和实施例消除了上述缺点。特别地，提出了一种用于工厂自动化、物流自动化或过程自动化的多维测量雷达系统(以下也被称为雷达传感器)，该多维测量雷达系统从集成在设备中的至少一个能量源(例如，电池)获得其操作所需的所有能量，并被进一步设计为使用无线通信技术向外部提供确定的测量值和/或从测量值推导的值。

自给地工作的一维测量雷达系统100可以特别用于过程自动化领域，也可以用于工厂自动化或安全技术领域，以确定距物体的距离并通过2线接口(4..20mA)或3线接口(IO-Link)或无线接口112向外部提供该距离。

此外，开辟了将多维测量雷达系统100用于自动化领域的可能性。这种可能性的基础是片上雷达系统(RSoC)，它为实现雷达信号的多个发射信道和多个接收信道提供了大量硬件部件，这些硬件部件包括单个芯片上的必要数字控制电路。

多维测量雷达传感器100也可以用于测量固定生产设备中的容器。尤其可以在物流领域或分散的测量方案(例如，监测河道水位)中找到使用这种测量设备的其他应用领域。在此的核心思想是将雷达传感器配置为完全自主地确定测量值并将测量值无线转发到上级通信网络。

在无线通信方面，近年来该技术发展迅速，尤其产生了用于节能物联网设备的新型窄带无线电技术。这些技术的缺点是它们只能传输有限数量的用户数据字节。

然而，在集成的片上雷达系统(RSoC)方面，节能解决方案没有显著改进。由于这些部件主要是为了在汽车领域中使用而开发的，因此在未来几年内，在能耗方面不会有根本的改善。

图1所示的自给式测量的多维雷达传感器100完全从集成在设备中的储能器102(例如，电池102)获得其操作所需的所有能量。

持久运行型实时时钟(RTC)103固定连接到储能器102，处理器104可通过(此处未示出的)通信线路对RTC 103参数化。当达到先前参数化的激活时间时，RTC 103在其输出端105产生逻辑开关信号，可以利用该逻辑开关信号控制和闭合开关元件106，开关元件106是第一开关装置106、109的一部分并且例如可以是半导体晶体管106。通过该闭合，电池102经由电源线129连接到处理器104，以便激活处理器104，随后该处理器读出并执行来自非易失性存储器107的程序代码。特别地，处理器104从现在起接管对开关106的控制，由此经由线路108接管自保持功能。在程序运行过程中，处理器104可以通过电源开关109激活各个部件，即，向它们施加电源电压。特别地，在此可以将电压经由电源线130施加到第一雷达芯片110，经由电源线131施加到第二雷达芯片111，且/或经由电源线132施加到无线通信模块112(例如，LPWAN模块112)。为了参数化和/或控制目的，可以通过控制开关113额外连接处理器104和单元110、111、112之间的至少一条控制线117、118、128，并再次断开。因此，尤其可以实现的是，单元110、111、112在无电压供应期间经由控制线从处理器获取对能耗产生不利的影响的未定义的横向电流

出于完全相同的原因，用于在激活测量期间将雷达芯片110、111的数据传输到处理器104的数据线114、115可以在停用期间通过数据线开关116与处理器断开连接。

在此应注意的是，图1所示的所有开关装置109、113、116都可以具有大量的单独开关元件，通过这些开关元件可以闭合和/或断开大量实际存在的电气上必要的线路连接，这些线路连接的数量取决于各自的信号技术。因此，控制线117、118例如可以是SPI、QSPI或IIC技术，其例如可以包括传输线、接收线、芯片选择和/或时钟线。在技术实施中，单条线路117、118的图示可能意味着以本领域技术人员已知的方式插入多根电线。相应的考虑也适用于信号线114、115。还应注意的是，开关109、113、116内的开关元件的“闭合”可能意味着建立电气连接，或者还意味着激活控制电路或电平转换器。此外，开关109、113、116内的开关元件的“断开”可能意味着断开电气连接，或者还意味着停用控制电路或电平转换器，或者还意味着切换到高欧姆状态。以此方式，可以防止对能耗有负面影响的未定义的横向电流能够从激活的部件104流向停用的部件110、111。

本设备提供了用于实现多维测量雷达系统的第一雷达芯片110和第二雷达芯片111，这些雷达芯片经由数据线110、111连接到处理器104。为匹配雷达模块110、111而专门开发的处理器104为此具有专用数据线接口，例如，诸如LVDS或CSI-2等同步高速接口。此外，处理器104具有专用计算单元，该计算单元能够高效、快速地处理多维雷达测量的程序步骤。在这一点上应注意的是，也可以使用更多或更少的雷达芯片110、111来操作设备101。

由于整个设备101没有用于外部的电气接口，因此在一实施例中可以将属于设备101的所有部件都布置在密封壳体117内，从而确保针对外部影响的最大保护。

图2示出了用于操作设备101的流程图。该方法从起始状态201开始。在步骤202中，RTC 103检查是否已达到新的警报时间。如果是，则通过闭合开关106来激活处理器104，并且处理器104从非易失性存储器107中加载软件程序并执行该软件程序。在步骤203中，处理器经由线路108激活自保持电路并通过(此处未示出的)通信线路编程实时时钟105的下一个警报时间。在步骤204中，通过闭合相应的电源开关109向雷达芯片110、111供电。然后，在步骤205中，通过适当的控制命令，将雷达芯片110、111的控制线117、118连接到处理器104。为此，尤其闭合控制线开关113的一部分。现在，通过在步骤206中额外闭合数据线开关116，最终将RSoC连接到处理器104。通过借助于控制线117、118传输合适的控制序列，在步骤207中，处理器可以将雷达芯片转换到操作就绪状态。在这种情况下，尤其将初始化和参数化命令传递到雷达芯片。在这种情况下，线路117、118尤其连接到同步串行接口，例如连接到SPI或QSPI接口。然后，在步骤208中，控制雷达芯片，以利用至少一个激活的高频发射器和激活的高频接收器进行测量。将在该测量期间由RSoC 110、111检测的数据例如经由数据线114、115传递到处理器104，并且存储在布置在处理器中或处理器外部的存储器中。在步骤209中，首先通过断开与线路117、118、114、115相关的开关113、116来断开与处理器104的连接，从而开始关闭雷达芯片。处理器通过相应的信号例如经由GPIO引脚来控制开关113、116。在步骤210中，通过由处理器启动的相关电源开关109的断开，完全防止RSoC 110、111的进一步不必要的能耗。在步骤211中，根据已知的方法步骤，在处理器104内使用专用计算单元基于检测的数据确定测量值。为了能够以无线的方式向外提供该测量值，在步骤212中闭合无线电单元112的电源开关109，并且在步骤213中闭合到无线电单元的控制线开关113。在步骤214中，将确定的测量值经由无线电单元112传输到外部。可能是有利的但绝不是限制性的是，可以使用诸如LoRa、NB-IoT或Sigfox等低功率无线电标准(LPWAN)。然而，也可以使用其他无线电标准，以便传输测量值和状态值。在步骤215中，再次断开开关109、113，从而停用无线电模块112。在步骤216中，处理器104停用自保持电路108，使得开关106断开并且整个设备101转换到关断状态。在超过实时时钟103中的下一个参数化的警报时间之后，重新开始上述方法。

可视为本发明的核心方面的是，在两次测量之间完全停用设备101，从而实现最大程度的能量节约。本发明的另一要素是以尽可能短的时间激活各个部件，然后尽可能快地再次断电。此外，可能有利的是，使用专用处理器104，该处理器可以有效且节能地处理根据本发明的计算任务，从而进一步节省能量并且最大化电池102的使用寿命。

所提出的示例性实施例允许构造具有最多两个雷达芯片的简单多信道雷达系统。通过进一步增加雷达芯片的数量，可获得更好的测量结果。图3示出了根据本发明的另一示例性实施例，其原理也可应用于具有大量RSoC的系统301。相同的附图标记表示与图1中相同或相似的部件。

改进的多维测量雷达系统301包括另一雷达芯片302，与图1的示例相比，该雷达芯片可以改进设备的成像特性，尤其改进其空间分辨率。由于大量雷达芯片110、111、302的并行操作可能在芯片的电源线上引起巨大的电流峰值，因此作出如下规定：在达到RTC 103的警报时间之后，首先通过固定存储在可编程逻辑模块305中的状态机闭合开关106，使得向中间存储器303(例如，电容器303或蓄电池303)补充能量。特别地，为此也可以使用来自能量收集模块308的补充能量。在已达到充满状态之后，逻辑305闭合开关304，这导致所使用的低功率处理器306的激活。与图1的示例性实施例相比，该处理器专门为最大程度的节能而进行优化，尤其不具有用于与RSoC 110、111、302进行交互的专用接口和计算单元。在专门用于此目的的硬件单元307(例如，ASIC 307或FPGA 307)中进行RSoC的信号114、115、309的读取和信号处理。

FPGA 307用于在构建多维雷达时考虑在大量RSoC 110、111、302的评估方面以及在有效计算雷达信号的评估步骤所需的运算结构方面的特殊要求。此时，可以使用经典的基于SRAM的FPGA，在经由控制线311(例如，诸如SPI或QSPI等同步控制线311)从外部任意连接到电源电压310之后，必须利用二进制编程序列(位流)对FPGA进行重新配置。然而，也可以使用具有集成在壳体中的闪速存储器的基于SRAM的集成FPGA。在这种情况下，可能不需要通过控制线311来配置FPGA，因为相应预编程的FPGA在连接到工作电压310之后会直接从闪速存储器中自动加载配置数据。在特别有利的实施例中，还可以提供非易失性FPGA技术307。这些是基于闪存技术构建的，并且在本发明的上下文中提供的特殊优势是，在工厂中进行了一次配置之后或在第一次调试期间不会再次丢失所配置的位流逻辑。因此，可以省略在操作期间重新写入二进制编程序列(位流)。

图4示出了用于操作设备301的流程图。该方法从起始状态401开始。在步骤402中，RTC 103检查是否已到达新的警报时间。如果已到达新的警报时间，则在步骤403中，借助于逻辑305闭合开关106，并且用来自电池102和/或能量收集模块308(光伏模块、热电偶、风力涡轮机等)的能量给储能器303充电。在达到充满状态之后，逻辑模块305在步骤404中闭合开关304并且激活处理器306。在步骤405中，该处理器从非易失性存储元件107中加载其程序序列逻辑，对RTC 103的下一个警报时间进行参数化并激活自保持电路108。然后，在步骤406中，处理器控制雷达芯片110、111、302的电源开关109。在步骤407中，通过对控制开关113的适当控制，处理器306的序列逻辑将雷达芯片的控制线117、118、312连接到处理器306的同步串行接口，例如连接到处理器306的SPI或QSPI接口。在步骤408中，通过传输适当的控制命令，对雷达芯片110、111、302进行初始化、配置并将它们转换到就绪状态。在可以开始实际测量之前，在步骤409中，首先通过开关109激活FPGA 307，然后经由控制线路开关113将FPGA 307连接到处理器。在本示例中，假定FPGA 307是基于闪存的FPGA，因此不需要进一步的初始化。否则，现在可以通过处理器306传输位流文件来初始化FPGA。在步骤410中，将数据线114、115、309(例如，雷达芯片的LVDS线或CSI-2线)连接到FPGA。在步骤411中，处理器306控制雷达芯片执行测量，并将在此确定的数据传递到FPGA中。在步骤412中，处理器306通过断开相应的开关113、116来分离雷达芯片110、111、302，并通过断开电源开关109而使它们断电。通过经由控制线311(例如，SPI线311)施加相应的命令，处理器在步骤413中启动FPGA 307中对一个或多个测量值的确定。这是通过高度专业化的硬件模块配置的，以有效地进行该计算。在借助于开关109断开控制线311之后在步骤415中使FPGA 307断电之前，在步骤414中，经由控制线311将计算结果传递到处理器306。在步骤416中，通过闭合开关109激活无线电单元112，并通过闭合相关开关元件113将该无线电单元112连接到处理器。在步骤418中通过断开开关113、109再次使无线电模块112断电之前，在步骤417中，将测量值以无线的方式提供给外部。在步骤419中，处理器306停用自保持电路108，使得逻辑305断开开关304和106并且整个设备301转换到关断状态。在超过实时时钟103中的下一个参数化的警报时间之后，重新开始上述方法。

需要注意的是，处理器306可以与FPGA形成集成片上系统。处理器还可以在FPGA的编程逻辑内实现为软核处理器。

还可将计算单元集成到RSoC中。因此，可对雷达信号进行预处理。

可以通过RTC 103以时间控制的方式激活系统101、301。还可以使激活取决于诸如振动或可用能量等外部环境。

还应注意的是，模块或部件的“关闭”也可以是模块或部件的“停用”，以降低所需功率。

还应注意，开关元件113也可以集成在处理器104、306中。还可以将开关元件116集成或实现在FPGA 307中。还可以通过额外的外部存储器来补充FPGA。

本发明的核心思想是在雷达系统中提供多个电源域，这些电源域激活时间长短不同。也可被视为一方面的是，组合专用硬件模块，使得这些硬件模块由于它们的结构和/或由于各自的任务而在系统中相互作用，从而在整体结果中实现节能系统。以此方式，可以将储能器102保持得较小。此外，每个测量周期仅消耗最少的能量，这在电池现有的最大能量预算的情况下使电池的使用寿命最大化。

还应注意，“包括”或“具有”不排除其它元件或步骤，“一”或“一个”不排除多个。此外，应注意，已经参考其中一个上述实施例说明的特征或步骤也可以与上述其它实施例的其它特征或步骤组合使用。权利要求中的附图标记不应被解释为限制性的。

Claims (10)

1.一种用于检测填充材料的物位或填充材料表面的拓扑的雷达传感器(100)，其包括：

持久运行型时钟(103)；

储能器(102)；

计算电路(104、307)；

雷达芯片(110、111)；以及

第一开关装置(106、109)，

其中，所述时钟被配置为在预定时间控制所述第一开关装置以闭合电源线(129)，以便从所述储能器向所述计算电路供电，从而激活所述计算电路，

其中，所述计算电路被配置为在其激活之后控制所述第一开关装置以闭合电源线(130、131)，以便从所述储能器向所述雷达芯片供应检测所述物位或所述拓扑所需的能量。

2.根据权利要求1所述的雷达传感器(100)，其还包括：

第二开关装置(113)，

其中，所述计算电路(104、307)被配置为在其激活之后控制所述第二开关装置以闭合控制线(117、118)，以便将来自所述计算电路(104、307)的控制信号发送到所述雷达芯片(110、111)。

3.根据前述任一项权利要求所述的雷达传感器(100)，其还包括：

第三开关装置(116)，

其中，所述计算电路(104、307)被配置为在其激活之后控制所述第三开关装置，以便将来自所述雷达芯片(110、111)的测量数据发送到所述计算电路(104、307)。

4.根据前述任一项权利要求所述的雷达传感器(100)，其还包括：

无线通信模块(112)，

其中，所述计算电路(104、307)被配置为在其激活之后控制所述第一开关装置(106、109)以闭合电源线(128)，以便从所述储能器(102)向所述无线通信模块供应所述无线通信模块的操作所需的能量。

5.根据前述任一项权利要求所述的雷达传感器(100)，其还包括：

密封壳体(117)，其不具有用于外部的电气接口。

6.根据前述任一项权利要求所述的雷达传感器(100)，其还包括：

另一储能器(303)；以及

第四开关装置(304)，

其中，所述时钟(103)被配置为在预定时间控制所述第一开关装置(106、109)以闭合所述电源线(129)，以便首先用所述储能器(102)为所述另一储能器充电，并且然后控制所述第四开关装置，以便从所述储能器(102)和所述另一储能器(303)向所述计算电路(104、307)供电，从而激活所述计算电路。

7.根据前述任一项权利要求所述的雷达传感器(100)的作为微波光栅或用于机器安全区域的区域监测的用途。

8.一种用于检测填充材料的物位或填充材料表面的拓扑的方法，其包括以下步骤：

通过设备内部时钟(103)在预定时间控制第一开关装置以闭合电源线(129)，以便从设备内部储能器(102)向计算电路(104、307)供电，从而激活所述计算电路；以及

通过所述计算电路控制所述第一开关装置以闭合电源线(130、131)，以便从所述储能器向所述雷达芯片供应检测所述物位或所述拓扑所需的能量。

9.一种程序元件，当其在雷达传感器(100)的计算电路(104、307)上运行时，所述程序元件指示所述雷达传感器执行以下步骤：

通过设备内部时钟(103)在预定时间控制第一开关装置以闭合电源线(129)，以便从设备内部储能器(102)向计算电路(104、307)供电，从而激活所述计算电路；以及

通过所述计算电路控制所述第一开关装置以闭合电源线(130、131)，以便从所述储能器向所述雷达芯片供应检测所述物位或所述拓扑所需的能量。

10.一种存储有根据权利要求9所述的程序元件的计算机可读介质。

Images