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Die
Erfindung betrifft das Gebiet der Sensortechnik, insbesondere Sensoren
mit Laststrommodulation zur Sensordatenübertragung.
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Sensoren
bzw. Sensorsysteme benötigen üblicherweise
zumindest drei Anschlüsse,
nämlich einen
Anschluss für
eine Versorgungsleitung, die den Sensor mit einer Spannungsquelle
verbindet, einen Anschluss, über
den der Sensor mit einem Massepotential verbunden ist, und einen
Anschluss, über
den der Sensor die Sensordaten über
eine Datenleitung an einen Empfänger übermittelt.
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Sogenannte ”intelligente
Sensoren” oder ”Smart-Sensors” umfassen
neben dem eigentlichen Sensorelement, das mit der zu messenden physikalischen
Größe wechselwirkt,
auch Mittel zur Messsignalaufbereitung, Messdatenverarbeitung und
Datenübertragung,
wie z. B. Verstärker,
Digital/Analog-Wandler, Signalprozesseoren oder Mikrocontroller
usw. Solche Sensoren übertragen
die gemessene Information meist digital über die Datenleitung an den Empfänger, was
im Vergleich zu einer analogen Übertragung
bekannte Vorteile hat.
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Um
die Datenleitung einzusparen ist es bekannt die Information über die
Versorgungsleitung dadurch zu übertragen,
dass die Stromaufnahme des Sensors moduliert wird. Dies wird üblicherweise
dadurch erreicht, dass mit dem Anschluss für die Versorgungsleitung eine
schaltbare Stromquelle verbunden ist, die mit einem digitalen Signal
angesteuert wird. Auf diese weise wird dem ”Ruhestrom”, den der Sensor aufnimmt,
noch ein digitales Stromsignal aufmoduliert, das – digital
codiert – die
zu übertragende Information
enthält.
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Schaltbare
Konstantstromquellen sind jedoch aufwändig in der Realisierung. Einfache
Stromquellen, wie z. B. ein Transistor mit Kollektorwiderstand,
haben andere Nachteile. Insbesondere variiert der Stromquellenstrom
mit der Versorgungsspannung, was bei Systemen mit nicht konstanter
Versorgungsspannung beim Empfänger
Probleme bei der Auswertung des modulierten Stromsignales bereitet.
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Die
der vorliegenden Erfindung zugrunde liegende Aufgabe besteht darin,
eine möglichst
einfach gestaltete und zuverlässige
Möglichkeit
zur Sensordatenübertragung
durch Modulation der Stromaufnahme des Sensors zur Verfügung zu
stellen.
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Diese
Aufgabe wird durch ein Sensorsystem gemäß Anspruch 1 gelöst. Verschiedene
Ausführungsbeispiele
sind Gegenstand der abhängigen
Ansprüche.
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Ein
Beispiel der Erfindung bezieht sich auf ein Sensorsystem, das aufweist:
einen Spannungsregler, dem über
eine Versorgungsleitung eine externe Versorgungsspannung zugeführt ist,
und der dazu ausgebildet ist, eine konstante Betriebsspannung bereitzustellen,
ein Sensorelement, eine mit dem Sensorelement verbundene Controller-Einheit,
die dazu ausgebildet ist, Sensordaten an einem Ausgang bereitzustellen,
wobei der Ausgang mit einem Steuereingang eines elektronischen Schalters
verbunden ist und ein Lastanschluss des elektronischen Schalters über einen
mit der konstanten Betriebsspannung verbunden ist.
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Das
Sensorsystem kann auch zumindest ein weiteres Sensorelement aufweisen,
wobei in diesem Fall alle Sensorelemente mit der Controller-Einheit verbunden
sind. Die Sensorelemente sind z. B. dazu ausgebildet, einen physikalischen
Zustand zu detektieren. Die von der Controller-Einheit bereitgestellten Sensordaten
repräsentieren
in diesem Fall einen Wert, der das jeweilige Sensorelement und den
detektierten Zustand spezifiziert. Die Sensordaten können als
moduliertes Stromsignal über
die Versorgungsleitung übertragen
werden. Die aufmodulierte Information identifiziert den Sensor von
dem die Daten stammen und den detektierten physikalischen Zustand.
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Die
Controller-Einheit kann aber auch für jedes Sensorelement einen
Ausgang aufweisen. In diesem Fall ist jeder Ausgang der Controller-Einheit mit
einem Steuereingang eines elektronischen Schalters verbunden. Die
Lastanschlüsse
der elektronischen Schalter sind wiederum jeweils über einen Widerstand
mit der konstanten Betriebsspannung verbunden. Diese Widerstände können jeweils
unterschiedliche Werte aufweisen, so dass jedem Sensorelement ein
Widerstandswert zugeordnet ist. Die Sensorelemente sind z. B. dazu
ausgebildet, einen physikalischen Zustand zu detektieren. Die von
der Controller-Einheit
bereitgestellten Sensordaten repräsentieren in diesem Fall einen
Wert, der den detektierten Zustand spezifiziert. Die Sensordaten
können
als moduliertes Stromsignal über
Versorgungsleitung übertragen
werden und so wird aufgrund der unterschiedlichen Widerstandswerte
der Sensor von dem die Sensordaten stammen über die Stromhöhe identifiziert
und nicht durch die dem Stromsignal aufmodulierte Information.
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Ein
weiteres Beispiel der Erfindung bezieht sich auf ein Sensorsystem,
das aufweist: einen Spannungsregler, dem über eine Versorgungsleitung
eine externe Versorgungsspannung zugeführt ist, und der dazu ausgebildet
ist, eine konstante Betriebsspannung bereitzustellen, ein Sensorelement,
eine mit dem Sensorelement verbundene Controller-Einheit, die dazu
ausge bildet ist, Sensordaten an einem Ausgang bereitzustellen, wobei
der Ausgang über
einen Widerstand mit einem konstanten Potential verbunden ist.
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Das
Sensorsystem kann auch zumindest ein weiteres Sensorelement aufweisen,
wobei in diesem Fall alle Sensorelemente mit der Controller-Einheit verbunden
sind. Die Sensorelemente sind z. B. dazu ausgebildet, einen physikalischen
Zustand zu detektieren. Die von der Controller-Einheit bereitgestellten Sensordaten
repräsentieren
in diesem Fall einen Wert, der das jeweilige Sensorelement und den
detektierten Zustand spezifiziert. Die Sensordaten können als
moduliertes Stromsignal über
die Versorgungsleitung übertragen
werden. Die aufmodulierte Information identifiziert den Sensor von
dem die Daten stammen und den detektierten physikalischen Zustand.
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Die
Controller-Einheit kann aber auch für jedes Sensorelement einen
Ausgang aufweisen. In diesem Fall ist jeder Ausgang der Controller-Einheit über einen
Widerstand mit dem konstanten Potential verbunden. Diese Widerstände können jeweils
unterschiedliche Werte aufweisen, so dass jedem Sensorelement ein
Widerstandswert zugeordnet ist. Die Sensorelemente sind z. B. dazu
ausgebildet, einen physikalischen Zustand zu detektieren. Die von
der Controller-Einheit bereitgestellten Sensordaten repräsentieren
in diesem Fall einen Wert, der den detektierten Zustand spezifiziert.
Die Sensordaten können
als moduliertes Stromsignal über
Versorgungsleitung übertragen
werden und so wird aufgrund der unterschiedlichen Widerstandswerte
der Sensor von dem die Sensordaten stammen über die Stromhöhe identifiziert
und nicht durch die dem Stromsignal aufmodulierte Information.
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Die
Erfindung wird nachfolgend anhand der folgenden Figuren näher erläutert.
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1 zeigt
anhand eines Schaltplanes ein Beispiel eines bekannten intelligenten
Sensors, bei dem zur Sensordatenübertragung
die Stromaufnahme des Sensors moduliert wird.
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2 zeigt
anhand eines Schaltplanes ein Beispiel eines intelligenten Sensors
gemäß der vorliegenden
Erfindung.
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3 zeigt
anhand eines Schaltplanes ein weiteres Beispiel eines intelligenten
Sensors gemäß der vorliegenden
Erfindung.
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4 zeigt
anhand eines Schaltplanes ein Beispiel eines intelligenten Sensorsystems
mit mehreren Einzelsensoren.
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In
den Figuren bezeichnen gleiche Bezugszeichen gleiche Komponenten
oder Signale mit gleicher Bedeutung.
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Die 1 zeigt
anhand eines einfachen Blockschaltbilds den grundsätzlichen
Aufbau eines bekannten Smart-Sensors (”intelligenten Sensors”) 1 mit
Sensordatenübertragung über eine
Versorgungsleitung 5, die den Sensor auch mit Energie versorgt. Der
Sensor 1 benötigt
nach folglich nur zwei externe Anschlüsse, nämlich eben jene Versorgungsleitung 5,
die auch zur Sensordatenübertragung
genutzt wird, und eine Masseleitung 6, die auf einem Referenzpotential
(Masse) GND liegt. Im Falle einer Anwendung im Automobil ist die
Versorgungsleitung z. B. die Leitung KL31 (Dauerplus), die zum Pluspol
der Autobatterie führt
und die Masseleitung z. B. die Leitung KL30, die zum Minuspol der
Autobatterie führt. Zwischen
der Versorgungsleitung 5 und der Masseleitung 6 liegt
eine Versorgungs spannung UB an, die z. B.
von einer Autobatterie zur Verfügung
gestellt wird. In diesem Fall kann die Versorgungsspannung im Bereich
von beispielsweise 6 V bis 28 Volt schwanken. Die Anwendung im Automobil
ist nur ein mögliches
Beispiel, der erfindungsgemäße Sensor kann
jedoch auch problemlos in Anwendungen außerhalb des Automobils eingesetzt
werden.
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Mit
den Anschlüssen
für die
Versorgungs- und die Masseleitung ist im Inneren des Sensors ein interner
Spannungsregler 2 verbunden, der in Bezug auf das Referenzpotential
(Masse) GND eine konstanten interne Betriebsspannung (UINT)
erzeugt. Mit dieser internen Betriebsspannung UINT werden
ein Sensorelement 4 und die damit verbundene Auswerteelektronik
gespeist. Das Sensorelement 4 ist jenes Bauteil, das tatsächlich mit
der zu messenden physikalischen Größe wechselwirkt und ein davon
abhängiges
Sensorsignal erzeugt. Die Auswerteelektronik umfasst z. B. eine
Controller-Einheit 3. Diese ist unter anderem dazu ausgebildet,
Sensordaten an einem Ausgang A bereitzustellen. Diese Sensordaten
hängen
von dem Sensorsignal ab, das der Controllereinheit an einem Eingang
E vom Sensorelement 4 zugeführt wird, wobei das (gegebenenfalls
vorverstärkte) Sensorsignal
häufig
in analoger Form vorliegt und, wenn dies der Fall ist, im Controller
digitalisiert wird. Eventuelle analoge Messverstärker sind in den Abbildungen
der Einfachheit halber nicht explizit dargestellt. Als Controller-Einheit
kann z. B. ein Mikrocontroller verwendet werden.
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Die
Sensordaten am Ausgang A der Controller-Einheit können z.
B. als serieller Bitstrom in einem vorgegebenen Format vorliegen.
Da die Versorgungsspannung UB nicht vom
Sensor 1 beeinflusst werden kann (und auch nicht soll)
werden die Sensordaten als Stromsignal übertragen, d. h. die Stromaufnahme
wird entsprechend dem seriellen Bitstrom, der die im Sensorsignal
enthaltene Information repräsentiert,
moduliert. Zu diesem Zweck ist im Sensor 1 zwischen den
Anschluss für
die Versorgungsleitung 5 und dem Anschluss für die Masseleitung 6 eine schaltbare
Konstantstromquelle Q geschaltet, die dazu ausgebildet ist, abhängig von
einem Steuersignal entweder einen konstanten Strom iQ =
iMOD zu treiben oder den Strom abzuschalten
(iQ = 0). Die geschaltete Konstantstromquelle
Q umfasst z. B. einen elektronischen Schalter S und in Serie zu
dem Laststrompfad des Schalters S eine Konstantstromquelle. Das
Steuersignal wird von dem Ausgang A der Controller-Einheit 3 bereitgestellt
und ist z. B. der oben erwähnte
Bitstrom oder ein davon abhängiges
Signal.
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Die
geschaltete Stromquelle wird durch den Bitstrom am Ausgang A der
Controller-Einheit 3 entsprechend dem Wert der einzelnen
Bits ein- und ausgeschaltet, und folglich wird die Stromaufnahme
des Sensors über
die Versorgungsleitung 5 entsprechend dem Bitstrom, der
die Sensordaten repräsentiert,
moduliert.
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Die
Konstantstromquelle Q ist verhältnismäßig aufwändig zu
implementieren. Wesentlich einfacher ist eine schaltbare Stromquelle,
die keinen konstanten Strom garantiert. Die Serienschaltung aus Stromquelle
QC und elektronischen Schalter S kann durch
eine einfache Serienschaltung eines Transistors T und eines Widerstandes
RC ersetzt werden. Als erstes Beispiel der
Erfindung ist in der 2 ein Sensor 1 gezeigt
bei dem die schaltbare Stromquelle Q aus der erwähnten Serienschaltung von Transistor
T und Widerstand RC besteht.
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Ein
einfaches Ersetzen der Konstantstromquelle QC in
aus 1 durch einen Widerstand (vgl. RC in 2)
führt jedoch
zu einem unbefriedigenden Ergebnis, da mit einer Veränderung
der Versorgungsspannung UB auch eine Veränderung
der Amplitude iMOD der modulierten Stromaufnahme
des Sensors einhergeht, was beim Empfänger, der die Modulationen
in der Stromaufnahme des Sensors auswerten muss, Probleme bereitet.
Bei dem Ausführungsbeispiel
aus 2 ist die einfach aufgebaute schaltbare Stromquelle
Q nicht zwischen die Anschlüsse für die Versorgungsleitung 5 und
die Masseleitung 6 geschaltet, sondern zwischen einen Ausgang
des Spannungsreglers 2, der die konstante interne Betriebsspannung
UINT bereitstellt, und dem Anschluss für die Masseleitung 6.
Durch diese Maßnahme
wird es möglich
die Stromquelle sehr einfach zu gestalten, nämlich durch einen einfachen
Widerstand RC in Kombination mit einem elektronischen
Schalter zu auszubilden.
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In
dem Beispiel aus 2 bildet der Transistor T mit
dem Ausgang A der Controller-Einheit 3 praktisch einen
Open-Collector-Ausgang,
der über einen
Widerstand mit der internen Betriebsspannung UINT verbunden
ist. Da diese Betriebsspannung von dem Spannungsregler 2 auf
einen konstanten, von der Betriebsspannung UB unabhängigen,
Wert (z. B. 5 V) geregelt wird, ist auch die Höhe der Strommodulation iMOD konstant und beträgt rund iMOD ≈ UINT/RC. Bei dieser
Abschätzung
wurde der Spannungsabfall über
dem Laststrompfad des Transistors im eingeschalteten Zustand vernachlässigt.
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Gemäß einem
weiteren Beispiel der Erfindung umfasst der Smart-Sensor 1 mehrere
einzelne Sensorelemente 4, die alle mit je einem Eingang
der Controller-Einheit 3 verbunden sind und dieser ihr Sensorsignal
zuführen
(nicht gezeigt). Die Controller-Einheit ist dazu ausgebildet, die
Sensorsignale zu verarbeiten und die darin enthaltenen Sensordaten zum
Zwecke der Datenübertragung
aufzubereiten. Die Controller-Einheit 3 kann diese Sensordaten
der einzelnen Sensoren seriell an einem einzigen Ausgang A zur Verfügung stellen,
wobei die Daten über die
in der 2 gezeigten Weise an einen Empfänger übertragen
werden. Alternativ kann die Controller-Einheit 3 für jedes
Sensorelement 4 einen eigenen Ausgang A aufweisen, wobei
jeder Ausgang in der in 2 gezeigten weise mit einem
Steuereingang eines elektronischen Schalter T verbunden ist und
der Laststrompfad des elektronischen Schalters über einen Widerstand RC mit der internen Betriebsspannung gekoppelt
ist (vgl. 2). Der Widerstand RC kann dabei für jeden Ausgang, der einem
bestimmten Sensorelement 4 zugeordnet ist einen unterschiedlichen
Wert aufweisen (iMOD ≈ UINT/RC) Somit kann der Empfänger der Sensordaten von der
Amplitude der Modulation jenen Sensor identifizieren, von dem die
Sensordaten stammen. Die Übertragung
der Sensordaten kann somit schneller erfolgen, da die Controller-Einheit 3 deine
Kennung übertragen muss,
aufgrund der ein Empfänger
der Sensordaten den Sensor identifizieren kann.
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Die 3 zeigt
eine weiteres Beispiel der Erfindung, bei dem auf den elektronischen
Schalter ganz verzichtet werden kann. Das Beispiel aus 3 entspricht
im Wesentlichen dem Baispiel aus 2, wobei
der Ausgang A der Controller-Einheit 3 direkt über einen
Widerstand R1 mit einem konstanten Potential
z. B. mit Massepotential GND verbunden ist. Bei diesem Beispiel
wird also kein Open-Collector-Ausgang verwendet, wie im Beispiel
der 2, sondern die mit dem Ausgang A verbundene Ausgangsstufe
der Controller-Einheit 3 muss den zusätzlichen Strom iMOD treiben
können.
Die Modulation der Stromaufnahme des Smart-Sensors zum Zwecke der Sensordatenübertragung
erfolgt dann nicht direkt über
das Schalten eines Widerstandes mit Hilfe eines separaten elektronischen
Schalters (so wie in 2) sondern durch eine erhöhte Stromaufnahme
der Controller-Einheit 3.
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Auch
das in 3 gezeigte Ausführungsbeispiel ist auf einen
Sensor bzw. ein Sensorsystem mit mehreren einzelnen Sensorelementen 41, 42, 43, 44 erweiterbar.
Wie bereits weiter oben im Zusammenhang mit 2 erläutert, ist
in diesem Fall jedes Sensorelement 41, 42, 43, 44 mit
einem dazugehörigen Eingang
E1, E2, E3, E4 der Controller-Einheit 3 verbunden.
Der Controller-Einheit 3 werden über die Eingänge E1, E2, E3,
E4 die Sensorsignale der jeweiligen Sensorelemente 41, 42, 43, 44 zugeführt. Die Controller-Einheit
ist dazu ausgebildet, die Sensorsignale zu verarbeiten und die darin
enthaltene Information als Sensordaten für die digitale Signalübertragung über die
Versorgungsleitung aufzubereiten. Die Sensordaten werden dann an
einem Ausgang A1 der Controller-Einheit 3 bereitgestellt,
wie bereits weiter oben erläutert.
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Als
Alternative, die in 4 dargestellt ist, kann die
Controller-Einheit 3 für
jedes Sensorelement 41, 42, 43, 44 einen
korrespondierenden Ausgang A1, A2, A3, A4 aufweisen,
der jeweils über
einen Widerstand R1, R2,
R3, R4 an ein konstantes
Potential gekoppelt ist. Diese Widerstände R1,
R2, R3, R4 können
jeweils unterschiedliche Widerstandswerte aufweisen, womit die Amplitude
iMOD = UINT/Ri (für
i = 1, ..., 4) der Modulation der Strommaufnahme des Sensorsystems
direkt einem bestimmten Sensorelement zugeordnet werden kann. Damit
kann, wie bereits weiter oben erläutert, die Datenübertragung
schneller erfolgen, da die übertragenen
Sensordaten keine Kennung für
den betreffenden Sensor, von dem die in den Daten enthaltenen Information
stammt, enthalten muss.
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- 1
- Sensor,
Smart-Sensor
- 2
- Spannungsregler
- 3
- Controller
Einheit
- 4
- Sensorelement
- 41,
42, 43, 44
- Sensorelement
- 5
- Versorgungsleitung
- 6
- Masseleitung
- A
- Ausgang
- A1, A2, A3,
A4
- Ausgang
- E
- Eingang
- E1, E2, E3,
E4
- Eingang
- GND
- Referenzpotential,
Massepotential
- iMOD
- Amplitude,
Strommodulation
- Q
- Konstantstromquelle
- QC
- Stromquelle
- R1, R2, R3,
R4
- Widerstand
- RC
- Widerstand
- S
- Schalter
- T
- Transistor,
Schalter
- UB
- Versorgungsspannung,
Betriebsspannung
- UINT
- interne
Betriebsspannung