DE102008039587B4

DE102008039587B4 - System und Verfahren zum Erhöhen der Genauigkeit von durch eine Schnittstelle empfangenen Sensorsignalen

Info

Publication number: DE102008039587B4
Application number: DE102008039587.0A
Authority: DE
Inventors: Paul A. Bauerle
Original assignee: GM Global Technology Operations LLC
Current assignee: GM Global Technology Operations LLC
Priority date: 2008-03-21
Filing date: 2008-08-25
Publication date: 2021-09-02
Anticipated expiration: 2028-08-26
Also published as: CN101539436B; US20080312860A1; US7761251B2; CN101539436A; DE102008039587A1

Abstract

Messsystem (8), das umfasst:einen Sensor (10), der einen Kalibrierungsimpuls und erste Sensordaten erzeugt und der die ersten Sensordaten unter Verwendung impulsweitenmodulierter Signale überträgt, wobei der Kalibrierungsimpuls den Zeitpunkt angibt, an dem der Sensor (10) die ersten Sensordaten erzeugt; undein Steuermodul (200), das eine Schnittstelle (16) und eine Zentraleinheit (24) umfasst,wobei die Schnittstelle (16) die ersten Sensordaten empfängt und einen Zeitstempel beim Empfang der ersten Sensordaten erzeugt, wobei der Zeitstempel den Zeitpunkt angibt, an dem die Schnittstelle (16) die ersten Sensordaten empfängt, undwobei die Zentraleinheit (24) die Zeitdifferenz zwischen dem Kalibrierungsimpuls und dem Zeitstempel bestimmt und eine Änderungsrate der Sensordaten anhand N früherer Sensordaten und der ersten Sensordaten bestimmt und die ersten Sensordaten anhand der Zeitdifferenz und der Änderungsrate abgleicht.

Description

GEBIET
Die vorliegende Offenbarung bezieht sich auf Systeme und Verfahren zum Erhöhen der Genauigkeit von Sensorsignalen, die durch eine Schnittstelle empfangen werden.
HINTERGRUND
Bei Steuersystemen werden zum Messen verschiedener Parameter eines Systems häufig analoge Sensoren verwendet. Beispielsweise überwachen Fahrzeugsysteme Parameter wie etwa die Abgastemperatur, die Drosselklappenstellung, den Fluid- oder den Luftdruck usw.. Signale, die durch diese analogen Sensoren erzeugt werden, werden im Allgemeinen an einen Analog-Digital-(A/D)-Umsetzer ausgegeben, der das analoge Signal in einen digitalen Wert umsetzt. Die A/D-Umsetzer haben im Allgemeinen eine im Voraus bestimmte Latenzzeit zwischen der Sensorausgabe und der entsprechenden digitalen Darstellung.
Zur Verwendung in Fahrzeugen sind unlängst entwickelte Protokolle, wie etwa das Single Edge Nibble Transmission protocol (SENT-Protokoll, das beispielsweise in dem Dokument SAE J2716 beschrieben ist), vorgeschlagen worden. Bei diesen Systemen geben digitale Sensoren einen Kalibrierungsimpuls und ein Sensorsignal aus. Das Sensorsignal ist ein digitales Signal mit veränderlicher Impulsbreite, das eine Folge von Impulsen mit Daten umfasst, die als Zeiten von einer abfallenden Flanke zur anderen gemessen werden. Folglich hängt der zum Übertragen des Sensorsignals erforderliche Zeitbetrag von dem augenblicklichen Sensorwert, der gemessen wird, ab. Neben dieser veränderlichen Latenzzeit kann infolge von Verarbeitungsverzögerungen eine weitere Latenzzeit auftreten.
Beispielsweise tasten manche Fahrzeuge zu Zwecken der elektronischen Drosselklappensteuerung (electronic throttle control, ETC) die Drosselklappenstellung alle T ms ab. Es kommt eine veränderliche Zeitverzögerung ab dem Zeitpunkt, zu dem die Sensoren abgelesen werden, bis zum Starten der Schleife von T ms in der Zentraleinheit (CPU) oder dem Motorsteuermodul (engine control module, ECM) vor. Der letzte vollständige Abtastwert wird von der Schnittstelle erhalten, wenn die CPU oder das ECM eine Anforderung stellen. Folglich kann eine veränderliche Verzögerung beim Berichten der Drosselklappenstellung an die Anwendungssoftware in der CPU oder dem ECM ab dem Zeitpunkt, zu dem die Sensoren wirklich abgelesen werden, vorkommen. Es kann eine erste Verzögerungsperiode zwischen vollständigen Übertragungen von dem Sensor zu der CPU oder dem ECM über das SENT-Protokoll vorkommen. Während die Anwendung die Hardwareschnittstelle abliest, kann eine weitere Abtastung im Gange sein, die eine zweite Verzögerungsperiode hinzufügen kann. Die Verzögerung ist veränderlich, weil die Daten asynchron zu irgendwelchen zeitbasierten oder ereignisbasierten Softwareschleifen an die CPU oder das ECM übertragen werden.
Die Druckschrift EP 1 098 236 A2 offenbart ein herkömmliches Messsystem mit einer zwischen einem Sensor und einer Zentraleinheit liegenden Schnittstelle, wobei die Schnittstelle vom Sensor erfasste Werte zusammen mit den Zeitpunkten, zu denen die betreffenden Werte erfasst wurden, speichert. Die Druckschrift US 6 486 661 B2 offenbart ein Messsystem mit einer Driftkompensation für einen Sensor.
ZUSAMMENFASSUNG
Ein erfindungsgemäßes Messsystem umfasst einen Sensor, der einen Kalibrierungsimpuls und erste Sensordaten erzeugt und der die ersten Sensordaten unter Verwendung impulsweitenmodulierter Signale überträgt, wobei der Kalibrierungsimpuls den Zeitpunkt angibt, an dem der Sensor die ersten Sensordaten erzeugt. Ferner umfasst das Messsystem ein Steuermodul mit einer Schnittstelle und einer Zentraleinheit. Die Schnittstelle empfängt die ersten Sensordaten und erzeugt einen Zeitstempel beim Empfang der ersten Sensordaten, wobei der Zeitstempel den Zeitpunkt angibt, an dem die Schnittstelle die ersten Sensordaten empfängt. Die Zentraleinheit bestimmt die Zeitdifferenz zwischen dem Kalibrierungsimpuls und dem Zeitstempel und bestimmt ferner eine Änderungsrate der Sensordaten anhand N früherer Sensordatenabtastwerte und der ersten Sensordaten. Weiterhin gleicht die Zentraleinheit die ersten Sensordaten anhand der Zeitdifferenz und der Änderungsrate ab.
Weitere Anwendungsgebiete werden aus der hier gegebenen Beschreibung deutlich.
Figurenliste
Die hier beschriebenen Zeichnungen dienen lediglich zur Veranschaulichung.

1A ist ein funktionaler Blockschaltplan eines Messsystems gemäß der vorliegenden Offenbarung;
1B ist ein funktionaler Blockschaltplan eines Fahrzeugs, das ein Messsystem gemäß der vorliegenden Offenbarung umfasst;
2A ist ein Signaldiagramm von Eingaben an die Schnittstelle von 1;
2B ist ein Signaldiagramm eines Extrapolationsmoduls, das der CPU von 1 zugeordnet ist;
3 zeigt Schritte eines Verfahrens zum Extrapolieren von Sensordaten bei einem System mit veränderlicher Latenzzeit; und
4 ist ein funktionaler Blockschaltplan eines weiteren beispielhaften Steuermoduls.

GENAUE BESCHREIBUNG
Die folgende Beschreibung ist dem Wesen nach rein beispielhaft. Es ist versteht sich von selbst, dass in den gesamten Zeichnungen sich entsprechende Bezugszeichen gleiche oder sich entsprechende Teile und Merkmale angeben. Der Begriff „Modul“, wie er hier verwendet wird, bezieht sich auf eine anwendungsspezifische integrierte Schaltung (ASIC), eine elektronische Schaltung, einen Prozessor (gemeinsam genutzt, eigens zugewiesen oder für eine Gruppe) mit Speicher, der ein oder mehrere Software- oder Firmwareprogramme ausführt, eine kombinatorische Logikschaltung und/oder andere geeignete Komponenten, die die beschriebene Funktionalität verschaffen.
Die vorliegende Offenbarung beschreibt ein System und ein Verfahren, die in einer Hardwareschnittstelle, einer CPU und/oder einem ECM implementiert sein können, um die veränderliche Latenzzeit auszugleichen. Lediglich als Beispiel können bei Fahrzeuganwendungen die Daten durch Fahrzeugsensoren wie beispielsweise einen Drosselklappenstellungssensor (throttle position sensor, TPS), einen Massenluftdurchfluss-(mass airflow, MAF)-Sensor oder andere Sensoren erzeugt werden. Obwohl hier die Drosselklappenstellung bei einem Fahrzeug beschrieben wird, werden Fachleute erkennen, dass weitere Sensoren verwendet werden können und/oder eine Umgebung, die kein Fahrzeug ist, verwendet werden kann.
Der Sensor erzeugt einen Kalibrierungsimpuls und Sensordaten. Das System und das Verfahren erzeugen einen Zeitstempel bei einem Beginn des Kalibrierungsimpulses und einen Zeitstempel des momentanen Zeitpunkts, zu dem die CPU oder das ECM die Sensordaten anfordert. Die Zeitdifferenz wird dazu verwendet, die Sensordaten zu extrapolieren, damit die Sensordaten den wirklichen Sensorwert (wie etwa die Drosselklappenstellung) genauer wiedergeben, wenn die CPU oder das ECM die Daten wirklich verwendet.
Beispielsweise können N frühere Werte der Sensordaten dazu verwendet werden, eine Änderungsrate festzulegen, wobei N eine ganze Zahl größer als Null ist. Die Zeitdifferenz und die Änderungsrate können dazu verwendet werden, den neuen Wert zu schätzen. Beispielsweise kann eine Interpolation, wie etwa die lineare Interpolation, angewandt werden.
Folglich werden die Sensoren nahezu in „Echtzeit“ abgelesen, so dass vorhandene Steuersysteme die Daten ohne Stabilitätsprobleme, die durch die veränderliche Latenzzeit der über eine Kommunikationsverbindung, wie etwa eine SENT-Digitalkommunikationsverbindung, empfangenen Daten verursacht wird, zur Rückkopplung verwenden können.
In 1A ist ein Messsystem 8 gemäß der vorliegenden Offenbarung gezeigt. Ein Sensor 10 erzeugt den Kalibrierungsimpuls und ein Sensordatensignal, das an einen Bus 14 ausgegeben wird. Der Sensor 10 kann einen digitalen Sensor umfassen, der Pulsbreitenmodulationssignale erzeugt. Eine Schnittstelle 16 kommuniziert mit dem Bus 14. Eine Zentraleinheit 24 umfasst ein Extrapolationsmodul 26. Wohlgemerkt kann die Schnittstelle 16, falls erwünscht, in die CPU 24 integriert sein. Lediglich als Beispiel kann die CPU ein ECM sein.
Beim Gebrauch erzeugt der Sensor 10 den Kalibrierungsimpuls und digitale Sensordaten, die an den Bus 14 ausgegeben werden. Der Sensor 10 kann zuerst den Kalibrierungsimpuls an die Schnittstelle 16 oder die CPU 24 übertragen. Der Sensor 10 sendet die digitalen Sensordaten über den Bus 14 unter Verwendung veränderlicher Impulsbreiten. Beispielsweise kann der Sensor 10 mit dem SENT-Protokoll normkonform sein. Die veränderliche Latenzzeit kann durch Schwankungen des Wertes der Daten und durch Unterschiede im Zeitpunkt, zu dem die CPU die Daten benötigt, verursacht sein.
Die CPU 24, das Extrapolationsmodul 26 und/oder die Schnittstelle 16 empfangen die Sensordaten und erzeugen ein Alter der Daten anhand einer Differenz zwischen dem Zeitpunkt, zu dem der Kalibrierungsimpuls empfangen wird, und dem Zeitpunkt, zu dem die Sensordaten von der CPU 24 angefordert oder verwendet werden. Die CPU 24 oder das Extrapolationsmodul 26 erzeugt eine Änderungsrate anhand N früherer Werte der Sensordaten und der momentanen Sensordaten, wobei N eine ganze Zahl größer als Null ist. Die Rate wird dann auf die Differenz angewandt, um zeitgenauere Sensordaten zu erzeugen.
In 1B umfasst nun ein Fahrzeug 50 ein Motorsteuermodul 52 mit einer Drosselklappenstellungseinheit (throttle position unit, TPU) 54. Das ECM 52 und die TPU 54 führen den Ausgleich aus, wie hier beschrieben wird.
In den 2A und 2B sind nun beispielhafte Eingaben an die Schnittstelle 16 bzw. das der CPU 24 von 1 zugeordnete Extrapolationsmodul 26 gezeigt. Bei dieser beispielhaften Implementierung berechnet die Schnittstelle 16 das Alter der Sensordaten und berichtet, wie viel Zeit ab dem Zeitpunkt, zu dem die Nachricht empfangen wurde (durch den Beginn des Kalibrierungsimpulszeitstempels), bis sie der CPU 24 berichtet wurde, verstrichen ist.
Die CPU 24 kann einen Sensorabtastwert wieder anfordern, bevor ein neuer Abtastwert empfangen worden ist. Wenn kein neuer gültiger Abtastwert empfangen worden ist, können dieselben Sensordaten nochmals berichtet werden. Jedoch kann das Alter der Sensordaten aktualisiert werden, um zu zeigen, dass die Sensordaten nun älter sind.
Die Schnittstelle 16, die CPU 24 und/oder das Extrapolationsmodul 26 können die extrapolierten oder ausgeglichenen Sensordaten berechnen. Die CPU 24 und/oder das Extrapolationsmodul 26 können den Alterswert verwenden und einen zeitbasierten Ausgleich in Abhängigkeit von einem Extrapolationsfaktor (wie etwa einem Wert zwischen 0 und 1) anwenden. Lediglich als Beispiel geeignete Gleichungen (ausschließlich der Initialisierung, der Fehler und der Fehler-/Freigabebedingungen):

     IF (Schleifen_Rate + Letztes_Alter - Momentanes_Alter) >= Kalibrierung #
     Schütze gegen Division durch null, wenn sich seit der letzten Schleife keine neuen
     Sensordaten ergeben haben
     THEN
        Sensor Rate = (Sensor_Daten - Sensor_Daten_alt)/(Schleifen_Rate + Let
        ztes_Alter - Momentanes_Alter)
        Sensor_Daten_alt = Sensor_Daten
     ENDIF
        Letztes_Alter = Momentanes_Alter
        Extrapolierte_Sensor_Daten = Sensor_Rate * Extrapolations_Faktor *
 Momentanes_Alter + Sensor_Daten

In 3 ist nun ein Verfahren zum Extrapolieren von Sensordaten bei einem System mit veränderlicher Latenzzeit gezeigt. Die Steuerung beginnt mit Schritt 100. Im Schritt 108 erzeugt der Sensor einen Kalibrierungsimpuls. Außerdem erzeugt im Schritt 108 der Sensor Sensordaten und überträgt die Daten über den Bus. Im Schritt 112 liest die Schnittstelle die Sensordaten und erzeugt einen Zeitstempel beim Empfang. Alternativ erzeugt die Schnittstelle ein Alter für die Sensordaten und schickt die Daten zu der CPU. Die CPU und/oder das Extrapolationsmodul bestimmen außerdem im Schritt 116 eine Änderungsrate zwischen der momentanen Sensorablesung und einer oder mehreren früheren Sensorablesungen. Die CPU und/oder das Extrapolationsmodul bestimmen im Schritt 120 die Zeitdifferenz zwischen dem Kalibrierungsimpuls und dem Zeitstempel. Im Schritt 124 gleichen die CPU und/oder das Extrapolationsmodul die momentane Ablesung anhand der Änderungsrate und der Differenz ab. Um einen veränderlichen Abgleich zu bewirken, falls erwünscht, kann ein Extrapolationsfaktor verwendet werden, wie oben beschrieben worden ist. Die Steuerung endet im Schritt 128 oder kehrt zurück.

Wie erkennbar ist, können das System und das Verfahren bei einem Fahrzeugsystem mit dem SENT-Protokoll verwendet werden. Eine TPU, die dem ECM zugeordnet ist, kann die empfangenen SENT-Daten vorverarbeiten und der CPU Daten zur Verfügung stellen, die die Werte der Sensorablesungen für die letzte vollständige SENT-Nachricht und die zuvor abgeschlossene SENT-Nachricht repräsentieren. Außerdem kann die TPU die zwei Sätze von Sensordaten von den zwei zuletzt empfangenen SENT-Nachrichten mit Zeitstempeln versehen.

Bei einer anderen Implementierung wird der oben beschriebene Lösungsweg beschritten. Jedoch kann dann, wenn die Sensordaten von der TPU gelesen werden, die TPU die Deltazeit ab dem Zeitpunkt der Anforderung bis zum Zeitpunkt des Empfangs der Nachricht für einen Zeitstempel und die Deltazeit zwischen dem Empfang der letzten zwei SENT-Nachrichten zurückgeben.

Bei beiden Lösungswegen können das ECM und/oder die TPU diese Daten dazu verwenden, um zu extrapolieren, welches die momentanen Werte oder Positionen der Sensoren zum Zeitpunkt der Anforderung an die TPU sind. Dieser Lösungsweg wertet die Deltaänderung des Sensorwertes dividiert durch die Deltazeit zwischen den beiden aus. Die Deltazeit zwischen dem Ablesen der TPU und der letzten Nachricht multipliziert mit der Steigung kann zu den letzten Sensorablesewerten addiert werden, um einen ausgeglichenen Sensorablesewert zu liefern, die zumeist immuner gegenüber der veränderlichen Latenzzeit der TPU-Daten ist.

In die TPU kann ein Kalibrierungsfaktor zwischen 0 und 1 eingegeben werden oder in dem ECM verwendet werden, um zu definieren, wie viel Extrapolation gewünscht wird. Null kann keiner Extrapolation entsprechen, und 1 kann der vollen linearen Extrapolation entsprechen.

In 4 ist nun ein alternatives beispielhaftes Steuermodul 200 gezeigt. Das Steuermodul 200 umfasst einen Kalibrierungsimpulsdetektor 204, der den Kalibrierungsimpuls, der durch den Sensor übertragen wird, wie oben beschrieben worden ist, erfasst. Das Steuermodul 200 umfasst ein Altersbestimmungsmodul 208, das anhand einer Zeitdifferenz zwischen dem Kalibrierungsimpuls und dem Zeitpunkt, zu dem die Sensordaten empfangen und/oder verwendet werden, ein Alter der ersten Sensordaten bestimmt. Ein Ratenbestimmungsmodul 212 bestimmt eine Änderungsrate der Sensordaten anhand N früherer Sensordatenabtastwerte und der ersten Sensordatenabtastwerte. Ein Latenzzeitausgleichsmodul 216 gleicht die ersten Sensordaten anhand der Zeitdifferenz und der Änderungsrate aus. Das Latenzzeitausgleichsmodul 216 kann einen Extrapolationsfaktor von einem Extrapolationsmodul 220 empfangen und anhand der Zeitdifferenz, der Änderungsrate und des Extrapolationsfaktors die ersten Sensordaten ausgleichen.

Claims

Messsystem (8), das umfasst: einen Sensor (10), der einen Kalibrierungsimpuls und erste Sensordaten erzeugt und der die ersten Sensordaten unter Verwendung impulsweitenmodulierter Signale überträgt, wobei der Kalibrierungsimpuls den Zeitpunkt angibt, an dem der Sensor (10) die ersten Sensordaten erzeugt; und ein Steuermodul (200), das eine Schnittstelle (16) und eine Zentraleinheit (24) umfasst, wobei die Schnittstelle (16) die ersten Sensordaten empfängt und einen Zeitstempel beim Empfang der ersten Sensordaten erzeugt, wobei der Zeitstempel den Zeitpunkt angibt, an dem die Schnittstelle (16) die ersten Sensordaten empfängt, und wobei die Zentraleinheit (24) die Zeitdifferenz zwischen dem Kalibrierungsimpuls und dem Zeitstempel bestimmt und eine Änderungsrate der Sensordaten anhand N früherer Sensordaten und der ersten Sensordaten bestimmt und die ersten Sensordaten anhand der Zeitdifferenz und der Änderungsrate abgleicht.
Messsystem (8) nach Anspruch 1, wobei das Steuermodul (200) einen Extrapolationsfaktor empfängt und wobei das Steuermodul (200) die ersten Sensordaten anhand der Zeitdifferenz, der Änderungsrate und des Extrapolationsfaktors abgleicht.
Fahrzeug, das das Messsystem (8) nach Anspruch 1 umfasst.
Verfahren, das umfasst: Erzeugen eines Kalibrierungsimpulses und erster Sensordaten durch einen Sensor (10), wobei der Kalibrierungsimpuls den Zeitpunkt angibt, an dem der Sensor (10) die ersten Sensordaten erzeugt; Übertragen der ersten Sensordaten unter Verwendung impulsweitenmodulierter Signale; Empfangen der ersten Sensordaten durch eine Schnittstelle (16) und Erzeugen eines Zeitstempels beim Empfang der ersten Sensordaten durch die Schnittstelle (16), wobei der Zeitstempel den Zeitpunkt angibt, an dem die Schnittstelle (16) die ersten Sensordaten empfängt; Bestimmen der Zeitdifferenz zwischen dem Kalibrierungsimpuls und dem Zeitstempel; Bestimmen einer Änderungsrate der Sensordaten anhand N früherer Sensordaten und der ersten Sensordaten; und Abgleichen der ersten Sensordaten anhand der Zeitdifferenz und der Änderungsrate.
Verfahren nach Anspruch 4, das ferner umfasst: Empfangen eines Extrapolationsfaktors; und Abgleichen der ersten Sensordaten anhand der Zeitdifferenz, der Änderungsrate und des Extrapolationsfaktors.