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Die
Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Filtern eines Sensorsignals
gemäss
Anspruch 1 und ein entsprechendes Verfahren gemäss Anspruch 9.
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Steuergeräte für Insassenschutzeinrichtungen
in Kraftfahrzeugen werden in der Regel beim Einschalten initialisiert.
Der Einschaltvorgang wird auch als Power-On bezeichnet. Im Rahmen
einer Initialisierungsphase laufen im Steuergerät bestimmte Vorgänge wie
z.B. Tests ab, die nach einer vorgegebenen Zeit abgeschlossen sind.
Nach Beendigung der Initialisierungsphase muss Auslösebereitschaft hergestellt
sein, d. h. das Steuergerät
muss zuverlässig
ein Insassenschutzsystem steuern können.
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Die
oben erwähnte
Initialisierungsphase betrifft auch externe Komponenten, die an
ein Steuergerät
angeschlossen sind, wie beispielsweise aus dem Steuergerät ausgelagerte
Beschleunigungssensoren, die an bestimmten Positionen in einem Kraftfahrzeug
platziert sind und gemessene Beschleunigungsinformationen an das
Steuergerät
melden. Durch kurzzeitige Unterbrechungen von elektrischen Verbindungen
zwischen diesen externen Komponenten und einer Spannungsversorgung
kann wieder eine neue Initialisierungsphase gestartet werden.
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Für einen
hohen Sicherheitsstandart ist es besonders wichtig, dass die Initialisierungsphasen möglichst
kurz sind, so dass das Steuergerät
von den externen Komponenten möglichst
schnell gültige Messdaten
erhält
und damit einsatzbereit ist.
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Im
Wesentlichen wird die Zeitdauer insbesondere bei externen Komponenten
durch Filter bestimmt. Derartige Filter werden zur Bandbegrenzung eines
Messsignals eingesetzt. Als Signalfilter werden vorzugsweise aktive
Filter, SC (Switched Capacitor)-Filter und digitale Filter eingesetzt.
Aufgrund der Sprungantwort der Filter wird erst nach Ablauf einer für einen
Filter charakteristischen Einschwingzeit die vom Sensor gemessene
physikalische Größe korrekt abgebildet.
In den meisten Fällen wird
daher beim Einsatz derartiger Filter die Dauer einer Initialisierungsphase
im Wesentlichen durch die Filtereinschwingzeit bestimmt.
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Um
die Dauer des Einschwingvorgangs eines Hochpass-Filters, der in
ausgelagerten Sensoren bzw. Messwertaufnehmern üblicherweise zur Korrektur
von Offsets eingesetzt wird, zu verkürzen, ist es daher aus der
DE 197 08 115 C1 bekannt,
die Grenzfrequenz eines Filters stufenweise jeweils nach fest vorgegebenen
Zeitdauern umzuschalten. Hierzu wird zu einem Zeitpunkt, an dem
ein Power-On stattfindet, der Filter mit einer hohen Grenzfrequenz
betrieben. Dadurch besitzt er eine relativ kurze Zeitkonstante und
ermöglicht
somit ein schnelles Einschwingen. Allerdings folgt bei einer derart
hohen Frequenz das Ausgangssignal des Filters auch relativ schnell am
Sensor anliegenden Störgrössen, wie
z.B. Störbeschleunigungen
im Falle eines Beschleunigungssensors. Um diesen unerwünschten
Effekt zu verringern, wird der Filter sukzessive auf eine jeweils
niedrigere Grenzfrequenz umgeschaltet, wodurch unerwünschte Signalanteile
kontinuierlich ausgeregelt werden. Das aus der
DE 197 08 115 C1 bekannte Verfahren
ist zwar sehr stabil, benötigt
aber eine konstante und relativ lange Zeitdauer, die unter Umständen bei
sicherheitskritischen Anwendungen nicht mehr tolerierbar ist.
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Aufgabe
der vorliegenden Erfindung ist es daher, eine Vorrichtung und ein
Verfahren zum Filtern eines Sensorsignals vorzuschlagen, mit denen
eine kürzere
Einschwingzeit nach einem Power-On-Vorgang erreicht werden kann.
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Diese
Aufgabe wird durch eine Vorrichtung zum Filtern eines Sensorsignals
mit den Merkmalen nach Anspruch 1 und durch ein entsprechendes Verfahren
mit den Merkmalen von Anspruch 9 gelöst. Bevorzugte Ausgestaltungen
der Erfindung ergeben sich aus den abhängigen Ansprüchen.
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Ein
wesentlicher Gedanke der Erfindung besteht darin, die Umschaltung
der Grenzfrequenz eines Filters zum Filtern eines Sensorsignals,
wie sie prinzipiell aus der
DE 197 08 115 C1 bekannt ist, dahingehend
zu verbessern, dass die Grenzfrequenz des Filters abhängig von
einem Signalverlauf eingestellt wird. Dies ermöglicht eine variable Einstellung der
Umschaltzeitpunkte der Grenzfrequenz des Filters im Gegensatz zu
dem aus der
DE 197
08 115 C1 bekannten Verfahren, bei dem eine „starre" Grenzfrequenzumschaltung
stattfindet. Durch diese variable Umschaltung ermöglicht die
Erfindung eine wesentliche Verkürzung
des Einschwingvorgangs nach einem Power-On-Vorgang.
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Konkret
betrifft die Erfindung eine Vorrichtung zum Filtern eines Sensorsignals
mit einem Filter, dem ein Sensorsignal zugeführt ist und das mindestens
eine umschaltbare Grenzfrequenz aufweist, und einer Regelschaltung,
die abhängig
von einem Signalverlauf die Grenzfrequenz des Filters umschaltet.
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Der
Signalverlauf kann beispielsweise der Verlauf des Sensorsignals
und/oder des Ausgangssignals des Filters sein.
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Alternativ
oder auch zusätzlich
kann der Signalverlauf zusätzliche
Informationen, insbesondere eine Initialisierungsdauer umfassen.
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Insbesondere
umfasst die Regelschaltung eine Signalauswerteschaltung, die den
Signalverlauf, insbesondere einen Restfehler im Ausgangssignal des
Filters bewertet und davon abhängig
eine Umschaltung der Grenzfrequenz steuert. Wenn die gesamte Signalverarbeitung
in der Vorrichtung digital erfolgt, kann die Signalauswerteschaltung
in Form eines Algorithmus implementiert werden, beispielsweise als
Teileines digitalen Signalprozessors zur Verarbeitung von Sensorsignalen.
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Typischerweise
ist der Restfehler ein Offsetanteil im Ausgangssignal.
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Der
Signalverlauf kann dadurch bewertet werden, dass festgestellt wird,
ob er einen vorgegebenen Wert unterschreitet, welchen Wert er nach
Ablauf einer vorgegebenen Zeitdauer aufweist und/oder indem eine
Nulldurchgangsdetektion (z.B. wann das Signal sein Vorzeichen wechselt),
eine Gradientenbewertung, eine Frequenzanalyse (z.B. eine Wavelet-Transformation)
und/oder eine Mittelwertbildung des Signalverlaufs durchgeführt wird.
Beispielsweise kann ein Restfehler im einfachsten Fall dadurch bewertet
werden, dass festgestellt wird, ob der Signalverlauf einen vorgegebenen
Wert unterschreitet. Um eine genauere Bewertung des Signalverlaufs
zu erzielen, können
komplexere Kriterien für
die Bewertung angewandt werden, wie beispielsweise Kombinationen
aus Zeit, Nulldurchgangsdetektion, Gradientenbewertung, Frequenzanalyse
und/oder Mittelwertbildung.
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Vorzugsweise
ist die Regelschaltung durch ein Eingangssignal aktivierbar, beispielsweise
durch ein Rücksetz-
oder Power-On-Signal. Im Normalbetrieb ist dann die Regelschaltung
nicht in Betrieb und verbraucht dadurch nur einen geringen Ruhestrom oder
sogar überhaupt
keinen Strom.
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Die
Vorrichtung wird vorzugsweise in Form eines ASIC implementiert und
in einem Steuergerät für eine Insassenschutzeinrichtung
in einem Kraftfahrzeug eingesetzt.
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Die
Erfindung betrifft ferner ein Verfahren zum Filtern eines Sensorsignals,
wobei das Sensorsignal einem Filter zugeführt wird, das mindestens eine
umschaltbare Grenzfrequenz aufweist, und wobei eine Regelschaltung
abhängig
von einem Signalverlauf die Grenzfrequenz des Filters umschaltet.
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Der
Signalverlauf kann beispielsweise der Verlauf des Sensorsignals
und/oder des Ausgangssignals des Filters sein.
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Alternativ
oder auch zusätzlich
kann der Signalverlauf zusätzliche
Informationen, insbesondere eine Initialisierungsdauer umfassen.
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Vorzugsweise
bewertet die Regelschaltung mit einer Signalauswerteschaltung den
Signalverlauf, insbesondere einen Restfehler im Ausgangssignal und
steuert davon abhängig
eine Umschaltung der Grenzfrequenz.
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Der
Restfehler ist typischerweise ein Offsetanteil im Ausgangssignal.
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Insbesondere
wird der Signalverlauf bewertet, indem festgestellt wird, ob er
einen vorgegebenen Wert unterschreitet, welchen Wert er nach Ablauf einer
vorgegebenen Zeitdauer aufweist und/oder indem eine Nulldurchgangsdetektion, eine
Gradientenbewertung, eine Frequenzanalyse und/oder Mittelwertbildung
des Signalverlaufs durchgeführt
wird.
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Die
Regelschaltung kann durch ein Eingangssignal aktiviert werden, beispielsweise
durch ein Reset- oder Start-Signal, um im Rahmen einer Initialisierungsphase
ausgeführt
zu werden.
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Weitere
Vorteile und Anwendungsmöglichkeiten
der vorliegenden Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung
mit den in den Zeichnungen dargestellten Ausführungsbeispielen.
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In
der Beschreibung, in den Ansprüchen,
in der Zusammenfassung und in den Zeichnungen werden die in der
hinten angeführten
Liste die Bezugszeichen verwendeten Begriffe und zugeordneten Bezugszeichen
verwendet.
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Die
Zeichnungen zeigen in
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1 ein
Blockschaltbild eines Ausführungsbeispiels
einer erfindungsgemässen
Filtervorrichtung für
Sensorsignale,
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2 ein
Ausführungsbeispiel
eines digitalen Hochpassfilters mit umschaltbarer Grenzfrequenz
für die
erfindungsgemässe
Filtervorrichtung,
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3A ein
Ablaufdiagramm einer Initialisierungsphase eines Ausführungsbeispiels
einer erfindungsgemässen
Filtervorrichtung, und
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3B ein
Ablaufdiagramm einer Teilfunktion der in 3A dargestellten
Initialisierungsphase.
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Die
in 1 dargestellte Vorrichtung umfasst einen Hochpassfilter 12,
dem ein Sensorsignal 10 zum Filtern zugeführt wird.
Das Sensorsignal 10 kann beispielsweise von einem Beschleunigungssensor
stammen. Das Filter 12 dient im Wesentlichen dazu, das
Sensorsignal 10 in der Bandbreite zu begrenzen und Offsetanteile
aus dem Sensorsignal 10 zu filtern.
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Das
Filter 12 weist eine umschaltbare Grenzfrequenz auf, die über eine
Regelschaltung abhängig vom
Ausgangssignal 14 des Filters 12, insbesondere von
Restfehlern im Ausgangssignal 14 und/oder abhängig vom
Sensorsignal 10 (gestrichelte Linie) eingestellt wird.
Die Regelschaltung umfasst eine Signalauswerteschaltung 16 und
eine Grenzfrequenzauswahlschaltung 18. Ferner ist eine
Zusatzinformationsschaltung 15 vorgesehen, die über ein
Resetsignal zurückgesetzt
werden kann und eine Initialisierungsdauer aufweist, die sie an
die Signalauswerteschaltung 16 überträgt.
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Die
Signalauswerteschaltung 16 verarbeitet das Ausgangssignal 14 bzw.
das Sensorsignal 10 derart, dass es aus diesem einen Restfehler
extrahiert und diesen Restfehler bewertet. Beim Restfehler handelt
es sich in der Regel um einen im Ausgangssignal 14 enthaltenen
Offsetanteil. Beispielsweise kann die Signalauswerteschaltung 16 aus
dem Ausgangssignal 14 einen enthaltenen Offset- bzw. DC-Anteil extrahieren
und diesen mit einem vorgegebenen Wert vergleichen. Liegt der enthaltene
Offset- bzw. DC-Anteil unter dem vorgegebenen Wert, so kann die
Signalauswerteschaltung 16 veranlassen, dass die Grenzfrequenz
des Filters 12 auf den niedrigsten Wert eingestellt wird,
da der im Ausgangssignal 14 enthaltene Restfehler ausreichend
gering ist. Die Signalauswerteschalung kann auch einen Mittelwert
des Ausgangssignals 14 bilden, der zum Ermitteln des Restfehlers
herangezogen wird. Denkbar sind im Übrigen weitere komplexere Kriterien
wie Kombinationen aus Zeit, Nulldurchgangsdetektion, Gradientenbewertung,
Frequenzanalyse und/oder Mittelwertbildung, um einen Restfehler
im Ausgangssignal 14 festzustellen.
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Die
Regelschaltung umfasst ferner die Grenzfrequenzauswahlschaltung,
die abhängig
von einem Steuersignal der Signalauswerteschaltung 16 die
Grenzfrequenz des Filters 12 einstellt. Im Falle einer
digitalen Signalverarbeitung kann die Grenzfrequenzauswahlschaltung 18 beispielsweise
als eine Art Multiplexerschaltung implementiert sein, die abhängig vom
digitalen Ausgangssignal der Signalauswerteschaltung 16 einen
1-aus-n-Multiplexer derart umschaltet, dass ein der gewünschten
Grenzfrequenz entsprechender Eingang des nun digitalen Filters 12 ausgewählt wird.
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Die
dargestellte Vorrichtung zum Filtern eines Sensorsignals wird vorzugsweise
in einem Steuergerät
für Airbags
eingesetzt und dient zum Filtern von Signalen von Beschleunigungs-
aufnehmern, insbesondere von piezo-elektrischen oder -resistiven Beschleunigungsaufnehmern.
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In 2 ist
ein einstufiges digitales Hochpassfilter 20 mit einer umschaltbaren
Grenzfrequenz dargestellt, das mit einem ausgelagerten Beschleunigungsaufnehmer
verwendet wird. Das Signal des Beschleunigungsaufnehmers ist ein
analoges elektrisches Signal, das mit einem Tiefpass als Antialiasingfilter
gefiltert und anschließend
in ein digitales Signal mittels eines Analog-Digital-Wandlers umgewandelt
wird. Das digitale Signal, genauer gesagt die digitalen Wert werden
als Eingangssignal einem Eingang 22 des Filters 20 zugeführt. An
einem Ausgang 24 stehen die vom Filter 20 verarbeiteten
Werte zur Verfügung,
die über
ein digitales Übertragungsprotokoll
an ein zentrales Airbag-Steuergerät in einem Fahrzeug übertragen
werden können.
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Im
Folgenden wird anstelle von digitalen Werten von Ein- und Ausgangssignal
gesprochen. Das Ausgangssignal wird durch Subtraktion eines rückgekoppelten
Ausgangssignals vom Eingangssignal gebildet. Der Filter 20 besitzt
einen weiteren digitalen Eingang 26 für einen Faktor zum Einstellen
der Filtergrenzfrequenz.
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Das
in 3A abgebildete Ablaufdiagramm verdeutlicht die
Initialisierungsphase einer erfindungsgemässen Filtervorrichtung. Das
Diagramm wird durch ein Programm realisiert, das in einem ASIC (Application
Specific Integrated Circuit) für
ein Airbag-Steuergerät
implementiert ist.
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Zunächst wird
ein Test eines Antialiasingfilters ausgeführt (Schritt S1). Nach dem
Beenden des Tests wird die Grenzfrequenz eines einstellbaren Hochpassfilters,
z.B. das in 2 dargestellte Filter, auf den
höchsten
Wert und ein Zähler
auf den Wert 0 gesetzt (Schritt S2). Anschließend wird das Ausgangssignal
des Antialiasingfilters mit dem Eingang des Hochpassfilters verbunden
(Schritt S3). Nun startet eine Schleife zum Bilden eines Mittelwerts
des Filterausgangssignals. Diese Schleife wird durch den Zähler kontrolliert,
der im Schritt S4 inkrementiert wird. Im darauffolgenden Schritt
S5 wird eine Unterfunktion zum Bilden eines Mittelwerts des Filterausgangssignals
aufgerufen.
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Die
Unter- bzw. Teilfunktion ist in 3B detailliert
dargestellt. Sie umfasst zwei aufeinanderfolgende Schritt S51 und
S52. Im Schritt S51 wird ein digitaler Wert des Filterausgangssignals
in ein Schieberegister geschoben. Im Schritt S52 wird der Mittelwert
von vier im Schieberegister befindlichen Werten gebildet.
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Zurück zu 3A wird
in einem Schritt S6 geprüft,
ob der Zähler
=> 4 ist. Falls nein,
wird zurück zu
Schritt S4 gesprungen. Andernfalls wird im Schritt S7 geprüft, ob die
im Schritt S52 gebildete Summe < 1
ist. Ist dies nicht der Fall, wird zurück zu Schritt S5 gesprungen
und erneut ein Mittelwert gebildet. Andernfalls wird im Schritt
S8 die Grenzfrequenz des Hochpassfilters auf einen kleineren Wert
gesetzt, beispielsweise auf die Hälfte der vorher eingestellten Grenzfrequenz.
Anschließend
wird wieder im Schritt S9 die Unterfunktion zum Bilden eines Mittelwerts des
Filterausgangssignals aufgerufen. Im Schritt S10 wird danach geprüft, die
im Schritt S52 gebildete Summe < 1
ist. Ist dies nicht der Fall, wird erneut im Schritt S9 die Unterfunktion
zum Bilden eines Mittelwerts des Filterausgangssignals aufgerufen.
Ist die Summe < 1
wird die Filtergrenzfrequenz nochmals verringert. Anschließend folgen
die Schritte S12 und S13, die den Schritten S9 bzw. S10 entsprechend.
Ist die Summe < 1,
was im Schritt S13 geprüft
wird, wird im Schritt S14 die Filtergrenzfrequenz auf die endgültig gewünschte Grenzfrequenz
eingestellt. Das Verfahren zum Initialisieren ist dann abgeschlossen.
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Im
obigen Ausführungsbeispiel
wurde die endgültige
Grenzfrequenz des Hochpassfilters nach dreimaligen Einstellen der
Filtergrenzfrequenz auf höhere
Werte erreicht. Selbstverständlich
können
im Rahmen dieser Erfindung auch mehr oder weniger Einstellungen
vor Erreichen des endgültigen
Werts der Grenzfrequenz vorgenommen werden.
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- 10
- Sensorsignal
- 12
- Hochpassfilter
- 14
- Ausgangssignal
des Hochpassfilters 12
- 15
- Zusatzinformationsschaltung
- 16
- Signalauswerteschaltung
- 18
- Grenzfrequenzauswahlschaltung
- 20
- digitales
Hochpassfilter
- 22
- Eingang
des digitalen Hochpassfilters 20
- 24
- Ausgang
des digitalen Hochpassfilters 20
- 26
- Eingang
für Faktor
zur Einstellung der Grenzfrequenz des digitalen
-
- Hochpassfilters 20
- S1–S14
- Verfahrensschritte
- S51,
S52
- Verfahrensschritte