DE102007059536B4 - Verfahren zum Betrieb einer Sensoranordnung und Sensoranordnung - Google Patents

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Abstract

Verfahren zum Betrieb einer Sensoranordnung (1) mit einem Sensor (2), einem Analog-Digital-Umsetzer (4) und einer digitalen Signalverarbeitungseinrichtung (5), wobei ein Analogsignal (10) des Sensors (2) an den Analog-Digital-Umsetzer (4) übermittelt wird, wobei das Analogsignal (10) vom Analog-Digital-Umsetzer (4) mit einer Abtastfrequenz (11) in ein Digitalsignal (12) umgewandelt wird und wobei das Digitalsignal (12) an die digitale Signalverarbeitungseinrichtung (5) übermittelt wird, dadurch gekennzeichnet, dass
- das Analogsignal (10') ferner an einen Taktgeber (6) übermittelt wird, wobei die Abtastfrequenz (11) des Analog-Digital-Umsetzers (4) durch den Taktgeber (6) in Abhängigkeit des Analogsignals (10) gesteuert wird;
- in einem zweiten Betriebsmodus des Analog-Digital-Umsetzers (4) die Abtastfrequenz (11) mit einer steigenden maximalen Amplitude des Analogsignals (10) gesteigert und mit einer sinkenden maximalen Amplitude des Analogsignals (10) gesenkt wird; und
- in einem dritten Betriebsmodus des Analog-Digital-Umsetzers (4) die Abtastfrequenz (11) bei einem Unterschreiten eines ersten Schwellwertes durch die Änderungsrate des Analogsignals (10) und bei einem Unterschreiten eines zweiten Schwellwertes durch die maximale Amplitude des Analogsignals (10) reduziert wird.

Description

  • Stand der Technik
  • Die Erfindung geht aus von einem Verfahren zum Betrieb einer Sensoranordnung nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
  • Solche Verfahren sind allgemein bekannt. Beispielsweise ist aus der Druckschrift DE 102 34 094 A1 ein Verfahren zur Erfassung eines Sensorsignals bekannt, wobei ein von einem Sensor ausgegebenes Analogsignal von einem Analog-Digital-Umsetzer in ein Digitalsignal umgewandelt wird, um in einer digitalen Signalverarbeitungsvorrichtung weiterverarbeitet zu werden. Zur Anpassung des Dynamikbereichs der Amplitude des Sensorsignals an die Erfordernisse des Analog-Digital-Umsetzers wird das Analogsignal vor dem Analog-Digital-Umsetzer durch einen Tiefpassfilter geleitet, wobei die Übertragungsfunktion des Tiefpassfilters abhängig vom Analogsignal selbst ist. Eine Anpassung einer Abtastfrequenz des Analog-Digital-Umsetzers abhängig vom Analogsignal ist nicht vorgesehen.
  • Die Druckschrift US 5 836 982 A beschreibt ein System und ein Verfahren zur Datenkompression und nichtlinearen Abtastung für implantierbare und batteriebetriebene Geräte. Die Druckschrift DE 37 21 827 A1 offenbart eine Einrichtung zur Messung der Frequenz eines von einem Signalerzeuger erzeugten sinusförmigen Signals. Die Druckschrift US 7 259 547 B1 offenbart ein System und ein Verfahren zur dynamischen Anpassung der Abtastrate eines Analog Digital Wandlers an eine Eingangsfrequenz. Die Druckschrift DE 197 13 181 A1 offenbart ein Verfahren zur Bestimmung der Motordrehzahl eines Kraftfahrzeuges, wobei ein Wechselspannungssignal in einem Bordnetz erfasst und analysiert wird. Die Druckschrift DE 691 22 524 T2 offenbart Interferenzsensoren und Verfahren zur Messung einer physikalischen Größe mit derartigen Sensoren.
  • Offenbarung der Erfindung
  • Das erfindungsgemäße Verfahren zum Betrieb einer Sensoranordnung und die erfindungsgemäße Sensoranordnung gemäß den nebengeordneten Ansprüchen haben gegenüber dem Stand der Technik den Vorteil, dass die Abtastfrequenz durch den Taktgeber in Abhängigkeit des Analogsignals gesteuert wird. Dadurch wird die Abtastfrequenz an die Erfordernisse des Analogsignals automatisch angepasst, so dass insbesondere im Hinblick auf die Datenverfügbarkeit und den Energieverbrauch des Analog-Digital-Umsetzers der Betriebsmodus des Analog-Digital-Umsetzers optimiert wird. Der Energieverbrauch und die Schnelligkeit der Datenverfügbarkeit sind im Wesentlichen abhängig von der Abtastfrequenz des Analog-Digital-Umsetzers. Für eine kostengünstige Implementierung einer Sensoranordnung, beispielsweise in einem Fahrzeug, ist ein vergleichsweise geringer Energieverbrauch des Analog-Digital-Umsetzers von erheblichem Vorteil, da somit insbesondere eine kompakte Bauweise, eine Einsparung von Kühlungsmitteln und/oder eine batteriebetriebene Sensoranordnung realisierbar sind. Gleichzeitig ist aber ein permanentes Auslesen des Sensors notwendig, insbesondere wenn der Sensor zum Auslösen von Sicherheits- und/oder Stabilitätssystemen im Fahrzeug, wie beispielsweise ABS, ESP und/oder Airbags, fungiert. Im Falle eines Unfalls und/oder einer sicherheitsrelevanten Situation ist ferner eine vergleichsweise schnelle Datenverfügbarkeit und somit eine hohe Abtastfrequenz erforderlich, damit eine vergleichsweise schnelle Änderung der Analogsignalamplitude ausgewertet und die Sicherheits- und/oder Stabilitätssysteme gegebenenfalls zeitnah ausgelöst werden. Das erfindungsgemäße Verfahren optimiert nun den Analog-Digital-Umsetzer im Hinblick auf die genannten Anforderungen derart, dass der Energieverbrauch des Analog-Digital-Umsetzers durch eine Abtastfrequenz, welche über einen Taktgeber vom Analogsignal abhängt und somit auf die Erfordernisse des Analogsignals angepasst wird, im laufenden Betrieb der Sensoranordnung minimiert wird. Insbesondere wird die Abtastfrequenz der Änderungsrate der Analogsignalamplitude und/oder der Analogsignalamplitude angepasst, so dass beispielsweise bei vergleichsweise schnellen Amplitudenänderungen der Analog-Digital-Umsetzer mit einer vergleichsweise hohen Abtastfrequenz reagiert, während bei geringen oder keinen Änderungen der Analogsignalamplitude die Abtastfrequenz vergleichsweise gering ist, so dass der Energieverbrauch des Analog-Digital-Umsetzers minimiert wird. Der Sensor umfasst vorzugsweise einen Beschleunigungs- und/oder Drehratensensor.
  • Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen, sowie der Beschreibung unter Bezugnahme auf die Zeichnung entnehmbar.
  • Gemäß einer bevorzugten Weiterbildung ist vorgesehen, dass in einem ersten Betriebsmodus des Analog-Digital-Umsetzers die Abtastfrequenz mit einer steigenden Änderungsrate des Analogsignals gesteigert und mit einer sinkenden Änderungsrate des Analogsignals gesenkt wird.
  • Erfindungsgemäß wird in einem zweiten Betriebsmodus des Analog-Digital-Umsetzers die Abtastfrequenz mit einer steigenden maximalen Amplitude des Analogsignals gesteigert und mit einer sinkenden maximalen Amplitude des Analogsignals gesenkt. Somit wird der Energieverbrauch des Analog-Digital-Umsetzers vorteilhafterweise lediglich im Bedarfsfall erhöht, während der Energieverbrauch außerhalb des Bedarfsfalles vergleichsweise gering ist. Insbesondere wird im Bedarfsfall die Datenrate erhöht und daher eine höhere Ausgangsbandbreite vorgetäuscht, so dass ein vergleichsweise geringer Energieverbauch bei gleichzeitiger hoher virtueller Bandbreite des Analog-Digital-Umsetzers erzielt wird. Ein Bedarfsfall im Sinne der vorliegenden Erfindung umfasst beispielsweise eine Situation mit vergleichsweise großen Amplituden und/oder Amplitudenänderungen des Analogsignals, d.h. insbesondere im Falle von vergleichsweise großen Beschleunigungen und/oder Drehraten bzw. Beschleunigungsänderungen und/oder Drehratenänderungen, welche auf den Sensor wirken.
  • Erfindungsgemäß wird in einem dritten Betriebsmodus des Analog-Digital-Umsetzers die Abtastfrequenz bei einem Unterschreiten eines ersten Schwellwertes durch die Änderungsrate des Analogsignals und bei einem Unterschreiten eines zweiten Schwellwertes durch die maximale Amplitude des Analogsignals reduziert und insbesondere gleich Null gesetzt. Vorteilhafterweise wird somit der Energieverbrauch des Analog-Digital-Umsetzers, insbesondere außerhalb eines Bedarfsfalles, erheblich reduziert. Durch eine Einstellung des ersten und zweiten Schwellwertes wird zudem vorzugsweise eine präzise Festlegung und Veränderung des dritten Betriebsmodus ermöglicht, wobei insbesondere ein Toleranzbereich zur Reduzierung der Abtastfrequenz durch den ersten und zweiten Schwellwert einstellbar ist.
  • Gemäß einer weiteren bevorzugten Weiterbildung ist vorgesehen, dass in einem vierten Betriebsmodus des Analog-Digital-Umsetzers die Abtastfrequenz bei sinkenden maximalen Amplituden des Analogsignals erhöht wird, während bei steigenden maximalen Amplituden des Analogsignals die Abtastfrequenz gesenkt wird. Vorteilhafterweise wird somit die Präzision der Auswertung des Analogsignals erhöht. Bei vergleichsweise geringen Amplituden eines Signals ist das Signal-Rausch-Verhältnis naturgemäß kleiner als bei höheren Amplituden eines Signals. Eine vergleichsweise hohe Abtastfrequenz bei einem Analogsignal mit vergleichsweise geringen Amplituden ermöglicht eine Mittelung über eine Vielzahl von Analogwerten und/oder Digitalwerten, so dass das Rauschen des Analogsignals unterdrückt und eine höhere Auflösung erzielt wird. Bei steigenden Amplituden ist aufgrund des größeren Signal-Rausch-Verhältnis eine Mittelung nicht mehr notwendig, so dass zur Reduzierung des Energieverbrauchs des Analog-Digital-Umsetzers die Abtastfrequenz verringert wird.
  • Gemäß einer weiteren bevorzugten Weiterbildung ist vorgesehen, dass in einem fünften Betriebsmodus des Analog-Digital-Umsetzers die Abtastfrequenz als eine Funktion des Analogsignals gesteuert wird, wobei bevorzugt die Abtastfrequenz als eine Funktion des Integrals über das Analogsignal gegen eine Zeiteinheit gesteuert wird, so dass die Abtastfrequenz vorteilhafterweise mittels einer beliebigen mathematischen Abhängigkeit von dem Analogsignal steuerbar ist. Die mathematische Abhängigkeit bzw. Funktion ist anwendungsspezifisch anpassbar. Beispielsweise wird zur Steuerung der Abtastfrequenz in Abhängigkeit der Geschwindigkeit der Sensoranordnung die Abtastfrequenz in Abhängigkeit des Zeitintegrals über das Analogsignal gebildet.
  • Gemäß einer weiteren bevorzugten Weiterbildung ist vorgesehen, dass in einem sechsten Betriebsmodus des Analog-Digital-Umsetzers das Analogsignal abhängig von einem Geschwindigkeitswert ist und bevorzugt die Abtastfrequenz in Abhängigkeit des Geschwindigkeitswertes gesteuert wird. Besonders vorteilhafterweise ist der Energieverbauch bei einer Geschwindigkeit unterhalb des Geschwindigkeitswertes somit minimierbar, da beispielsweise eine Vielzahl von Sicherheits- und/oder Stabilitätssystemen erst beim Überschreiten einer bestimmten Minimalgeschwindigkeit sinnvoll sind. Beispielsweise stellt der Betrieb des ABS-Systems oder eines Bremskraftassistenten beim Stillstand des Fahrzeugs an einer Bahnschranke einen unnötigen Energieverbrauch dar. Weiterhin wird die Geschwindigkeit der Datenverfügbarkeit bei zunehmender Geschwindigkeit eines Fahrzeugs zunehmend wichtiger, da die Sicherheits- und/oder Stabilitätssysteme bei zunehmender Geschwindigkeit des Fahrzeugs auch zunehmend schneller reagieren müssen.
  • Gemäß einer weiteren bevorzugten Weiterbildung ist vorgesehen, dass in einem siebten Betriebsmodus des Analog-Digital- Umsetzers die Abtastfrequenz vom Taktgeber in Abhängigkeit des Analogsignals und einem weiteren Signal der digitalen Signalverarbeitungseinrichtung gesteuert wird. Somit ist eine Ausführung vergleichsweise komplizierter Funktionen bzw. Abhängigkeiten der Abtastfrequenz von dem Analogsignal auf digitaler Basis in der digitalen Signalverarbeitungseinrichtung möglich. Ferner ist eine Steuerung des Taktgebers durch die digitale Signalverarbeitung realisierbar, so dass die Abtastfrequenz beispielsweise sowohl vom Analogsignal, als auch vom weiteren Signal der digitalen Signalverarbeitungseinrichtung abhängt.
  • Gemäß einer weiteren bevorzugten Weiterbildung ist vorgesehen, dass die digitale Signalverarbeitungseinrichtung eine zeitliche Mittelung über eine Mehrzahl von Digitalsignalen und/oder der Taktgeber eine zeitliche Mittelung über das Analogsignal durchführt. Vorzugsweise ist die Mittelung somit in analoger Weise und/oder in digitaler Weise möglich. Vorzugsweise wird der Mittelwert der digitalen Signalverarbeitungseinrichtung als weiteres Signal zur Steuerung der Abtastfrequenz durch den Taktgeber verwendet.
  • Ein weiterer Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist eine Sensoranordnung, wobei die Sensoranordnung einen Sensor, einen Analog-Digital-Umsetzer, eine digitale Signalverarbeitungseinrichtung und einen Taktgeber aufweist, wobei bevorzugt der Taktgeber zur Einstellung des ersten, zweiten, dritten, vierten, fünften, sechsten und/oder siebten Betriebsmodus des Analog-Digital-Umsetzers vorgesehen ist. Besonders vorteilhaft wird somit eine Sensoranordnung realisiert, welche im Vergleich zum Stand der Technik einen erheblich geringeren Energieverbrauch aufweist und gleichzeitig die Auflösung und/oder die Bandbreite der Sensoranordnung bedarfsweise automatisch optimiert.
  • Gemäß einer weiteren bevorzugten Weiterbildung ist vorgesehen, dass die Sensoranordnung in ein Fahrzeug und bevorzugt in ein elektronisches Sicherheits-, Stabilitäts- und/oder Komfortsystems eines Fahrzeugs integriert ist.
  • Gemäß einer weiteren bevorzugten Weiterbildung ist vorgesehen, dass die Sensoranordnung zum Auslesen eines Drehraten- und/oder eines Inertialsensors verwendet wird.
  • Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den Zeichnungen dargestellt und in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert.
  • Figurenliste
  • Es zeigt 1 eine schematische Aufsicht einer Sensoranordnung gemäß einer beispielhaften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
  • Ausführungsform der Erfindung
  • In 1 ist eine schematische Aufsicht einer Sensoranordnung 1 gemäß einer beispielhaften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung dargestellt, wobei die Sensoranordnung 1 einen Sensor 2, einem Analog-Digital-Umsetzer 4 und eine digitale Signalverarbeitungseinrichtung 5 aufweist, wobei ein Analogsignal 10 des Sensors 2 an den Analog-Digital-Umsetzer 4 und an den Taktgeber 6 übermittelt wird, wobei das Analogsignal 10 vom Analog-Digital-Umsetzer 4 mit einer Abtastfrequenz 11 in ein Digitalsignal 12 umgewandelt wird und wobei das Digitalsignal 12 an die digitale Signalverarbeitungseinrichtung 5 übermittelt wird. Die Abtastfrequenz 11 des Analog-Digital-Umsetzers 4 wird durch den Taktgeber 6 in Abhängigkeit des Analogsignals 10 gesteuert. Insbesondere wird die Abtastfrequenz 11 in Abhängigkeit der Amplitude des Analogsignals 10 und /oder der Änderung der Amplitude des Analogsignals 10 eingestellt. Der Sensor 2 umfasst insbesondere einen Beschleunigungs- und/oder Drehratensensor. Vorzugsweise wird einem ersten Betriebsmodus des Analog-Digital-Umsetzers 4 die Abtastfrequenz 11 mit einer steigenden Änderungsrate des Analogsignals 10 gesteigert und mit einer sinkenden Änderungsrate des Analogsignals 10 gesenkt. Erfindungsgemäß wird in einem zweiten Betriebsmodus des Analog-Digital-Umsetzers 4 die Abtastfrequenz 11 mit einer steigenden maximalen Amplitude des Analogsignals 10 gesteigert und mit einer sinkenden maximalen Amplitude des Analogsignals 10 gesenkt und in einem dritten Betriebsmodus des Analog-Digital-Umsetzers 4 die Abtastfrequenz 11 bei einem Unterschreiten eines ersten Schwellwertes durch die Änderungsrate des Analogsignals 10 und bei einem Unterschreiten eines zweiten Schwellwertes durch die maximale Amplitude des Analogsignals 10 reduziert und insbesondere gleich Null gesetzt. Vorzugsweise wird in einem vierten Betriebsmodus des Analog-Digital-Umsetzers 4 die Abtastfrequenz 11 bei sinkenden maximalen Amplituden des Analogsignals 10 erhöht, während bei steigenden maximalen Amplituden des Analogsignals 10 die Abtastfrequenz 11 gesenkt wird, in einem fünften Betriebsmodus des Analog-Digital-Umsetzers die Abtastfrequenz 11 als eine Funktion des Analogsignals 10 gesteuert, wobei bevorzugt die Abtastfrequenz 11 als eine Funktion des Integrals über das Analogsignal 10 gegen eine Zeiteinheit gesteuert wird, in einem sechsten Betriebsmodus des Analog-Digital-Umsetzers 4 das Analogsignal 10 abhängig von einem Geschwindigkeitswert ist und bevorzugt die Abtastfrequenz 11 in Abhängig des Geschwindigkeitswertes gesteuert und/oder in einem siebten Betriebsmodus des Analog-Digital- Umsetzers 4 die Abtastfrequenz 11 vom Taktgeber 6 in Abhängigkeit des Analogsignals 10 und einem weiteren Signal 13 der digitalen Signalverarbeitungseinrichtung 5 gesteuert. Besonders bevorzugt führt die digitale Signalverarbeitungseinrichtung 5 eine zeitliche Mittelung über eine Mehrzahl von Digitalsignalen 12 und/oder der Taktgeber 6 eine zeitliche Mittelung über das Analogsignal 10 durch.

Claims (10)

  1. Verfahren zum Betrieb einer Sensoranordnung (1) mit einem Sensor (2), einem Analog-Digital-Umsetzer (4) und einer digitalen Signalverarbeitungseinrichtung (5), wobei ein Analogsignal (10) des Sensors (2) an den Analog-Digital-Umsetzer (4) übermittelt wird, wobei das Analogsignal (10) vom Analog-Digital-Umsetzer (4) mit einer Abtastfrequenz (11) in ein Digitalsignal (12) umgewandelt wird und wobei das Digitalsignal (12) an die digitale Signalverarbeitungseinrichtung (5) übermittelt wird, dadurch gekennzeichnet, dass - das Analogsignal (10') ferner an einen Taktgeber (6) übermittelt wird, wobei die Abtastfrequenz (11) des Analog-Digital-Umsetzers (4) durch den Taktgeber (6) in Abhängigkeit des Analogsignals (10) gesteuert wird; - in einem zweiten Betriebsmodus des Analog-Digital-Umsetzers (4) die Abtastfrequenz (11) mit einer steigenden maximalen Amplitude des Analogsignals (10) gesteigert und mit einer sinkenden maximalen Amplitude des Analogsignals (10) gesenkt wird; und - in einem dritten Betriebsmodus des Analog-Digital-Umsetzers (4) die Abtastfrequenz (11) bei einem Unterschreiten eines ersten Schwellwertes durch die Änderungsrate des Analogsignals (10) und bei einem Unterschreiten eines zweiten Schwellwertes durch die maximale Amplitude des Analogsignals (10) reduziert wird.
  2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass in einem ersten Betriebsmodus des Analog-Digital-Umsetzers (4) die Abtastfrequenz (11) mit einer steigenden Änderungsrate des Analogsignals (10) gesteigert und mit einer sinkenden Änderungsrate des Analogsignals (10) gesenkt wird.
  3. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass in einem vierten Betriebsmodus des Analog-Digital-Umsetzers (4) die Abtastfrequenz (11) bei sinkenden maximalen Amplituden des Analogsignals (10) erhöht wird, während bei steigenden maximalen Amplituden des Analogsignals (10) die Abtastfrequenz (11) gesenkt wird.
  4. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass in einem fünften Betriebsmodus des Analog-Digital-Umsetzers die Abtastfrequenz (11) als eine Funktion des Analogsignals (10) gesteuert wird, wobei bevorzugt die Abtastfrequenz (11) als eine Funktion des Integrals über das Analogsignal (10) gegen eine Zeiteinheit gesteuert wird.
  5. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass in einem sechsten Betriebsmodus des Analog-Digital-Umsetzers (4) das Analogsignal (10) abhängig von einem Geschwindigkeitswert ist und bevorzugt die Abtastfrequenz (11) in Abhängigkeit des Geschwindigkeitswertes gesteuert wird.
  6. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass in einem siebten Betriebsmodus des Analog-Digital-Umsetzers (4) die Abtastfrequenz (11) vom Taktgeber (6) in Abhängigkeit des Analogsignals (10) und einem weiteren Signal (13) der digitalen Signalverarbeitungseinrichtung (5) gesteuert wird.
  7. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die digitale Signalverarbeitungseinrichtung (5) eine zeitliche Mittelung über eine Mehrzahl von Digitalsignalen (12) und/oder der Taktgeber (6) eine zeitliche Mittelung über das Analogsignal (10) durchführt.
  8. Sensoranordnung (1) zur Durchführung eines Verfahrens gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Sensoranordnung (1) einen Sensor (2), einen Analog-Digital-Umsetzer (4), eine digitale Signalverarbeitungseinrichtung (5) und einen Taktgeber (6) aufweist, wobei bevorzugt der Taktgeber (6) zur Einstellung der Abtastfrequenz (11) des Analog-Digital-Umsetzers (4) vorgesehen ist.
  9. Sensoranordnung (1) nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Sensoranordnung (1) in ein Fahrzeug und bevorzugt in ein elektronisches Sicherheits-, Stabilitäts- und/oder Komfortsystems eines Fahrzeugs integriert ist.
  10. Sensoranordnung (1) nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Sensoranordnung (1) zum Auslesen eines Drehraten- und/oder eines Inertialsensors verwendet wird.
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