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Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine Sensorvorrichtung zum Erfassen einer Eingangsgröße, und insbesondere eine Sensorvorrichtung zum Erfassen einer Eingangsgröße, die geeignet ist, um Bewegungen, Drehraten, eine Position und Schaltzustände zu erfassen.
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Sensorsysteme, die in der Lage sind, wartungsfrei und völlig autark vom Stromnetz zu arbeiten, eröffnen völlig neue Anwendungsgebiete im Bereich der Kontroll- und Überwachungssysteme. Vor Ort gewonnene Messdaten können drahtlos zu einem Empfängerknoten übertragen und ausgewertet werden. Somit kann das Kontrollsystem frei von äußeren Kabelverbindungen sein. Damit ergeben sich Einsatzmöglichkeiten an schwer zugänglichen und räumlich eingeschränkten Stellen.
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Um Bewegungen und Drehraten zu messen, werden häufig auf Magnetismus basierende Sensorsysteme eingesetzt. Diese Systeme können in rauen Umgebungen verwendet werden, da sie unabhängig von Umgebungsparametern wie Staub, Wasser, Schlamm oder dergleichen arbeiten können. Derartige Systeme verwenden häufig eine auf magnetoresistivem Material basierende Wheatstone-Messbrücke, um Änderungen des magnetischen Feldes zu detektieren. Diese Feldänderungen entstehen durch Magnete, die auf ein bewegtes Objekt aufgesetzt sind, und in Zeitintervallen, die abhängig von Geschwindigkeit und Position sind, den Sensor passieren. Möglich ist auch eine komplette Magnetisierung des bewegten Objekts.
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Ein Nachteil solcher bekannter Systeme besteht in dem hohen Leistungsbedarf derselben, der sich aus dem Leistungsbedarf des Magnetfeldsensors, einer Offsetkorrektur, eines Spannungskonverters und eines AD-Wandlers zusammensetzen kann. Beispielsweise kann ein Magnetfeldsensor bei einer Versorgungsspannung von 5 V einen Stromverbrauch von 5 mA, d. h. eine Leistungsaufnahme von P = 25 mW, aufweisen. Zusätzlich benötigt ein solcher Sensor eine ständige Offsetkorrektur, durch die gewährleistet wird, dass sich das Sensormaterial nicht aufmagnetisiert und damit zu Messfehlern führt. Mit Hilfe einer entsprechenden Korrektureinrichtung, die manchmal als Offset-Strap bezeichnet wird, wird in regelmäßigen Zeitabständen die Selbstmagnetisierung des Sensors rückgängig gemacht. Dies erfordert viel Energie, da dafür große Ströme durch eine Spulenanordnung auf der Sensorfläche geleitet werden müssen. Bei einer erforderlichen Rücksetz-Spannung von 16–25 V benötigt der Rücksetzvorgang einen Strom von 3,2 A, was eine Leistungsaufnahme von 51,2 bis 80 W zur Folge hat. Die erforderliche Rücksetzspannung erfordert zusätzlich einen Spannungskonverter, der die Systemspannung, die typischerweise bei 3,3 V liegen kann, auf den Rücksetzspannungswert erhöht. Auch dieser Spannungskonverter verbraucht dabei Energie, typischerweise in der Größenordnung P = 20 μW. Schließlich muss, damit die Daten des Sensors erfasst werden können, der typischerweise bei solchen Systemen eingesetzte Microcontroller über einen internen AD-Wandler (Analog/Digital-Wandler) verfügen, oder es muss zusätzlich ein externer AD-Wandler eingesetzt werden.
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Insgesamt sind die beschriebenen Sensorsysteme aufgrund des Energieverbrauchs nicht geeignet, um in energieautarken Sensorsystemen effektiv eingesetzt werden zu können.
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Sensorsysteme, die in der Lage sind, wartungsfrei und völlig autark vom Stromnetz zu arbeiten, könnten völlig neue Anwendungsgebiete im Bereich der Kontroll- und Überwachungssysteme ermöglichen. Vor Ort gewonnene Messdaten könnten drahtlos zu einem Empfängerknoten übertragen und ausgewertet werden. Somit könnte das Kontrollsystem frei von äußeren Kabelverbindungen sein. Damit würden sich Einsatzmöglichkeiten an schwer zugänglichen und räumlich eingeschränkten Stellen ergeben.
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Aus der
DE 103 54 469 A1 ist eine Vorrichtung zum Messen des Drehwinkels eines Drehkörpers bekannt, wobei jedes Mal, wenn der Drehkörper einen Winkel von 360° unter- oder überschreitet, ein Grenzwertsignal erzeugt und einem elektronischen Steuersystem zugeführt wird. Das Grenzwertsignal dient als Weckimpuls für das elektronische Steuersystem.
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Die
DE 101 51 679 A1 offenbart ein Verfahren zur Winkelerfassung, bei dem die Vor- oder Rückflanken eines mittels eines n-Winkelmarken-Geberrads erzeugten Ausgangssignals oder die Vor- und Rückflanken eines mittels eines n/2-Winkelmarken-Geberrads erzeugten Ausgangssignals ausgewertet werden.
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Die
DE 198 49 108 A1 offenbart einen Drehgeber mit Sensoren, deren Ausgangssignale einer Wächterschaltung zugeführt werden. Die Wächterschaltung ist ausgebildet, um bei einem Pegelwechsel der Sensoren ein Logikmodul zu wecken.
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Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht somit darin, eine Sensorvorrichtung zum Erfassen einer Eingangsgröße zu schaffen, die einen effektiven Einsatz in energieautarken Sensorsystemen ermöglicht.
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Diese Aufgabe wird durch eine Sensorvorrichtung gemäß Anspruch 1 gelöst.
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Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung schaffen eine Sensorvorrichtung mit folgenden Merkmalen:
einem GMR-Magnetschalter (GMR = Giant Magnetoresistance), der konfiguriert ist, um an einem Ausgang ein digitales Ausgangssignal auszugeben, das Flanken aufweist, die einem durch ein Magnetfeld bewirkten Schalten des GMR-Magnetschalters entsprechen; und
einem Microcontroller mit einem Eingang, der mit dem Ausgang des GMR-Magnetschalters gekoppelt ist, wobei der Microcontroller einen Schlafmodus und einen aktiven Modus aufweist,
wobei der Microcontroller konfiguriert ist, um ansprechend auf eine Flanke in dem Ausgangssignal des GMR-Magnetschalters aus dem Schlafmodus geweckt zu werden, eine Zeitinformation der Flanke zuzuordnen und danach wieder in den Schlafmodus versetzt zu werden,
wobei der Microcontroller ferner konfiguriert ist, um unter Verwendung von Zeitinformationen, die mehreren Flanken in dem Ausgangssignal zugeordnet sind, ein Sensorausgangssignal abzuleiten.
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Ausführungsbeispiele schaffen ein Verfahren zum Erfassen einer Eingangsgröße mit:
Bewirken einer Relativbewegung zwischen einem Objekt und einem GMR-Magnetschalter, der konfiguriert ist, um an einem Ausgang ein digitales Ausgangssignal auszugeben, das Flanken aufweist, die einem durch ein Magnetfeld bewirkten Schalten des GMR-Magnetschalters entsprechen, wobei der GMR-Magnetschalter relativ zu dem Objekt derart angeordnet ist, dass zumindest eine Struktur des Objekts, die den GMR-Magnetschalter passiert, ein Schalten des GMR-Magnetschalters bewirkt;
Aufwecken eines Microcontrollers aus einem Schlafmodus ansprechend auf eine erste Flanke in dem Ausgangssignal des GMR-Magnetschalters;
Zuordnen einer Zeitinformation zu der ersten Flanke;
Versetzen des Microcontrollers in den Schlafmodus;
Aufwecken des Microcontrollers aus dem Schlafmodus ansprechend auf eine zweite Flanke in dem Ausgangssignal des GMR-Magnetschalters;
Zuordnen einer Zeitinformation zu der zweiten Flanke; und
Ableiten eines der Eingangsgröße entsprechenden Ausgangssignals unter Verwendung der Zeitinformationen, die der ersten und der zweiten Flanke zugeordnet sind.
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Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung basieren auf der Erkenntnis, dass durch die Verwendung eines GMR-Magnetschalters im Zusammenspiel mit einem Microcontroller, der einen Schlafmodus aufweist, der Energiebedarf enorm reduziert werden kann, indem der Microcontroller ansprechend auf eine Flanke in dem Ausgangssignal des GMR-Magnetschalters eine Zeitnahmefunktion durchführt, die darin besteht, aus dem Schlafmodus geweckt zu werden, eine Zeitinformation der Flanke zuzuordnen und danach wieder in den Schlafmodus versetzt zu werden. Die Besonderheit von Ausführungsbeispielen der Erfindung liegt somit in der Kombination des GMR-Magnetschalters, des Microcontrollers und dessen Programmierung.
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Bei Ausführungsbeispielen der Erfindung liegt das Ausgangssignal des GMR-Magnetschalters an einem Interrupt-Eingang eines Interrupt-fähigen Microcontrollers, wobei der Microcontroller programmiert ist, um durch eine Flanke in dem an dem Interrupt-Eingang anliegenden Signal aus dem Schlafmodus geweckt zu werden. Der Interruptfähige Microcontroller kann, durch die Kombination mit dem GMR-Magnetschalter, anders als bei bereits bekannten Lösungen, nahezu permanent im Schlafmodus betrieben werden. Im Schlafmodus ist der Energieverbrauch dabei auf ein Minimum reduziert, da beispielsweise lediglich ein Zeitgeber aktiv ist, während alle anderen Komponenten des Microcontrollers ausgeschaltet sind. Der Microcontroller ist bei Ausführungsbeispielen derart programmiert, dass er nur für den kurzen Moment des durch das Ausgangssignal des GMR-Magnetschalters bewirkten Interrupts aktiv wird und die nötigen Verarbeitungsschritte durchführt.
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Bei Ausführungsbeispielen der Erfindung kann der Microcontroller programmiert sein, um ansprechend auf entweder nur ansteigende Flanken oder nur abfallende Flanken in dem Ausgangssignal des GMR-Magnetschalters eine Zeitinformation der jeweiligen Flanke zuzuordnen. Eine solche Vorgehensweise ist beispielsweise geeignet, wenn eine Relativbewegung zu einem Objekt, das eine Mehrzahl von voneinander beabstandeten Magnetfeldgebern aufweist, erfasst werden soll.
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Bei Ausführungsbeispielen der Erfindung ist der Microcontroller konfiguriert, um eine Drehrate, eine Geschwindigkeit, eine Position oder einen Schaltzustand aus den Zeitinformationen, die mehreren Flanken in dem Ausgangssignal zugeordnet sind, abzuleiten. Bei Ausführungsbeispielen ist der Microcontroller programmiert, um bei diesem Ableiten eine räumliche Anordnung der Magnetfeldgeber auf dem Objekt zu berücksichtigen.
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Ausführungsbeispiele ermöglichen somit Sensorvorrichtungen und Verfahren zum Erfassen einer Eingangsgröße, die geeignet sind, um in energieautarken Sensorsystemen effektiv eingesetzt werden können, insbesondere in Systemen zur energieautonomen Messung von Bewegungen und Geschwindigkeiten. Ausführungsbeispiele der Erfindung ermöglichen es, derartige Sensorsysteme möglichst lange und wartungsfrei betreiben zu können, da der Energieverbrauch so gering wie möglich gehalten wird. Bei Ausführungsbeispielen der Erfindung ist verhindert, dass ein wesentlicher Teil der Energie durch die verwendeten Sensoren und aufwändige Auslesemechanismen verbraucht wird. Ausführungsbeispiele der Erfindung beschreiben ein Sensorsystem, das in der Lage ist, Bewegungen, Drehdaten, Position und Schaltzustände bei sehr geringem Energieverbrauch zu erfassen und somit die Betriebsdauer des Gesamtsystems deutlich zu verlängern. Der Einsatz von energieautonomen Systemen wird hierdurch erstmalig für eine Vielzahl neuer Anwendungen ermöglicht.
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Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung werden nachfolgend Bezug nehmend auf die beiliegenden Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:
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1 eine schematische Darstellung eines Objekts und einer Sensorvorrichtung;
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2 ein funktionales Blockdiagramm eines GMR-Magnetschalters;
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3 eine schematische Darstellung eines Ausgangssignals eines GMR-Magnetschalters im Vergleich zu einem analogen MR-Sensor;
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4 eine schematische Darstellung zur Veranschaulichung eines Ausführungsbeispiels der Erfindung;
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5 eine schematische Darstellung des Energieverbrauchs eines Microcontrollers;
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6a und 6b schematische Darstellungen von Objekten;
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7 ein Flussdiagramm eines Ausführungsbeispiels eines Verfahrens;
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1 zeigt eine schematische Darstellung eines Ausführungsbeispiels einer erfindungsgemäßen Sensorvorrichtung, die einen GMR-Magnetschalter 10 und einen Microcontroller 12 aufweist. Die Sensorvorrichtung ist relativ zu einem Objekt 14 in einem festgelegten Abstand positioniert. Das Objekt 14 weist Magnete 16 auf, die beispielsweise in dasselbe eingelassen sind. Alternativ kann das Objekt 14 an vorbestimmten Positionen selbst magnetisiert sein. Die Magnete 16 erzeugen Magnetfelder 18. Der GMR-Magnetschalters 10 ist so relativ zu dem Objekt 14 angeordnet, dass er durch die Magnetfelder 18 bewegt wird, wenn das Objekt 14 an der Sensorvorrichtung vorbei bewegt wird, wie durch einen Pfeil 20 in 1 angedeutet ist, so dass ein Schalten des GMR-Magnetschalters bewirkt wird.
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Obwohl in 1 durch den Pfeil 20 eine translatorische Bewegung angedeutet ist, kann eine entsprechende Bewegung bei Ausführungsbeispielen der Erfindung rotatorisch, linear, konstant, beschleunigt oder intermittierend sein. Es bedarf keiner weiteren diesbezüglichen Erläuterung, dass das Objekt, das Strukturen, die ein Schalten des GMR-Magnetschalters bewirken, aufweist, eine geeignete Form besitzen kann, beispielsweise eine rotationssymmetrische Form.
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Durch die Relativbewegung zwischen dem Objekt 14 und der Sensorvorrichtung, die durch eine Bewegung des Objekts, eine Bewegung der Sensorvorrichtung oder eine Bewegung von beiden bewirkt werden kann, passieren die Magnete 16 in definierten Zeitabständen den GMR-Magnetschalter 10.
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Eine beispielhafte Ausführungsform eines GMR-Magnetschalters 10 ist in 2 gezeigt. Der GMR-Magnetschalter 10 umfasst einen Oszillator und Zeitgeber 22, ein GMR-Sensorelement 24, einen Komparator 26, ein Latch 28 und einen Schalter 30, beispielsweise in Form eines Feldeffekttransistors. Ein Ausgang des Oszillators und Zeitgebers 22 ist mit dem GMR-Sensorelement 24 und dem Komparator 26 gekoppelt, um einen geeigneten Messzyklus anzuwenden, wie durch Pulse 32 in 2 angedeutet ist. Ferner ist in 2 eine Versorgungsspannung VDD gezeigt.
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Das GMR-Sensorelement 42 kann beispielsweise als Wheatstone-Brücke ausgebildet sein, wobei das Ausgangssignal des Komparators 26 abhängig von dem durch das GMR-Sensorelement 24 erfassten Magnetfeld einen hohen oder tiefen Pegel aufweist. Der Ausgang des Komparators 26 ist mit einem Eingang des Latch 28 gekoppelt, dessen Ausgang wiederum mit einem Steueranschluss des Schalters 30 gekoppelt ist. Abhängig vom Ausgangssignal des Latch 28 lässt der Schalter 30 einen Ausgang 34 des GMR-Magnetschalters 10 auf einem hohen logischen Pegel oder zieht ihn auf einen tiefen logischen Pegel. Am Ausgang 33 wird somit ein digitales Ausgangssignal ausgegeben, das einen logisch hohen oder logisch tiefen Pegel annehmen kann.
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Bei einem derartigen GMR-Magnetschalter ist keine Offset-Korrektur notwendig, da sich das magnetoresistive Material, das in dem GMR-Sensorelement verwendet ist, nicht irreversibel aufmagnetisiert. Beispiele eines derartigen Sensors ziehen im Betriebsmodus durchschnittlich lediglich ca. 0,125 μA.
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Der Ausgang 34 des Sensors 10 ist mit einem Eingang, der insbesondere ein Interrupt-Eingang sein kann, des Microcontrollers 12 gekoppelt, wie durch eine Verbindungsleitung 36 in 1 angedeutet ist.
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Wenn eine Relativbewegung zwischen dem Objekt 14, das mit den Magneten 16 bestückt ist, und dem GMR-Magnetschalter 10 bewirkt wird, passieren die Magneten 16 abhängig von ihrer Position und der Geschwindigkeit der Relativbewegung den GMR-Magnetschalter 10 und somit das GMR-Sensorelement 24. Dieser schaltet seinen digitalen Ausgang 24 bei Eintritt in das Magnetfeld 18 (das eine ausreichende Stärke aufweist, um ein Schalten des GMR-Magnetschalters zu bewirken) von einem hohen logischen Pegel auf einen tiefen logischen Pegel. Ein sich ergebendes Ausgangssignal 40 des GMR-Magnetschalters 10 und ein Ausgangssignal, das sich bei Verwendung eines analogen MR-Sensors ergibt, sind in 3 gezeigt. Wie in 3 gezeigt ist, weist das Ausgangssignal 40 des GMR-Magnetschalters zu Zeitpunkten t1, t2, t3 und t4 fallende Flanken 42 auf, die den Zeitpunkten entsprechen, zu denen der GMR-Magnetschalter 10 aufgrund des Eintretens desselben in das Magnetfeld 18 der Magneten 16 umschaltet. Jeder fallenden Flanke 42 ist eine steigende Flanke 44 zugeordnet, aufgrund des Umschaltens des GMR-Magnetschalters 10, wenn derselbe das einem jeweiligen Magneten 16 zugeordnete Magnetfeld 18 verlässt.
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Um eine Eingangsgröße, beispielsweise die Geschwindigkeit des Objekts 14, erfassen zu können, ist es nun ausreichend, die Zeitpunkte von zumindest zwei Flanken in dem Ausgangssignal des GMR-Magnetschalters und die räumliche Anordnung der Magneten 16, d. h. den Abstand zwischen denselben, auf dem Objekt zu kennen. Somit ist es möglich, aus der Zeitdifferenz zwischen den beiden Flanken sowie der Beabstandung der Magneten auf dem Objekt auf die Geschwindigkeit des Objekts zurückzuschließen. Bei Ausführungsbeispielen der Erfindung kann ferner eine Beschleunigung des Objekts ermittelt werden, wenn die Zeitpunkte von mehr als zwei Flanken bekannt sind. Ferner kann unter Verwendung der ermittelten Geschwindigkeit bzw. Beschleunigung auf eine Position bzw. einen Schaltzustand eines Objekts zurückgeschlossen werden.
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Bei Ausführungsbeispielen der Erfindung kann der Microcontroller programmiert sein, um unter Verwendung von Zeitinformationen, die jeweils abfallenden Flanken in dem Ausgangssignal des GMR-Magnetschalters 10 zugeordnet sind, das Sensor-Ausgangssignal abzuleiten. Bei Ausführungsbeispielen kann der Microcontroller programmiert sein, um basierend auf Zeitinformationen, die jeweils ansteigenden Flanken in dem Ausgangssignal des GMR-Magnetschalters zugeordnet sind, das Sensor-Ausgangssignal abzuleiten. Bei wiederum alternativen Ausführungsbeispielen kann der Microcontroller programmiert sein, um unter Verwendung einer abfallenden Flanke 42 und einer ansteigenden Flanke 44 das Sensor-Ausgangssignal abzuleiten, da auch der Abstand dieser Flanken von der Relativgeschwindigkeit zwischen GMR-Magnetschalter und Objekt abhängt.
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Bei Ausführungsbeispielen der Erfindung kann die Sensorvorrichtung zu Erfassung einer Drehrate ausgebildet sein. Bei solchen Ausführungsbeispielen kann es zur Erfassung der Drehrate ausreichend sein, die Anzahl von Strukturen, die sich auf dem Drehkörper befinden und den GMR-Magnetschalter bei einer Umdrehung passieren, zu kennen, um basierend auf den erfassen Zeitinformationen und der Anzahl von Strukturen die Drehrate abzuleiten. Hierbei kann eine entsprechende Struktur auf dem Drehkörper ausreichend sein, wenn eine hohe Auflösung nicht erforderlich ist.
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Bei Ausführungsbeispielen der Erfindung werden Flanken in dem Ausgangssignal 40 des GMR-Magnetschalters 10 genutzt, um einen Interrupt-fähigen Microcontroller, der sich zuvor in einem Schlafmodus befindet, zu wecken. Im Schlafmodus ist der Energieverbrauch des Microcontrollers auf ein Minimum reduziert, indem beispielsweise lediglich ein Zeitgeber aktiv ist, während alle anderen Komponenten ausgeschaltet sind.
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Eine schematische Darstellung eines Beispiels eines GMR-Magnetschalters 10, dessen digitaler Ausgang 34 über die Verbindungsleitung 36 mit einem Interrupt-Eingang 50 des Microcontrollers 12 verbunden ist, ist in 4 gezeigt. Der Microcontroller 12 kann eine CPU 52, einen Zeitgeber 54, weitere periphere Komponenten 56, einen Speicher 58 und einen Ausgang 60 aufweisen. Der Speicher 58 kann Teil der CPU 52 oder von derselben getrennt sein. Der Ausgang 60 kann ein drahtloser oder drahtgebundener Ausgang sein.
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Während des Schlafmodus kann beispielsweise lediglich der Zeitgeber 54 aktiv sein, während alle anderen Komponenten des Microcontrollers ausgeschaltet sind. Durch ein Interrupt-Signal an dem Interrupt-Eingang 50, das durch eine entsprechende Flanke in dem Ausgangssignal des GMR-Magnetschalters 10 gegeben sein kann, wird der Microcontroller aktiviert und kann somit das Passieren des Magneten detektieren. Beispielsweise kann der Microcontroller ansprechend auf eine fallende Flanke an dem Interrupt-Eingang aufgeweckt werden, um der fallenden Flanke eine Zeitinformation zuzuordnen. Diese Zeitinformation kann auf dem Zustand des Zeitgebers 54, der während des Schlafmodus aktiv ist, basieren. Der Microcontroller kann programmiert sein, um die der fallenden Flanke zugeordnete Zeitinformation in dem Speicher 58 abzulegen. Bei Ausführungsbeispielen der Erfindung kann der Microcontroller programmiert sein, um bei Erfassen einer ersten Flanke in dem Ausgangssignal des GMR-Magnetschalters den Zeitgeber 54 zurückzusetzen und bei Erfassen einer zweiten Flanke in dem Ausgangssignal des GMR-Magnetschalters den Zustand des Zeitgebers auszulesen, so dass der Zustand des Zeitgebers 54 die Zeitdifferenz zwischen den beiden Flanken wiedergibt. Alternativ kann der Microcontroller ausgebildet sein, um die den jeweiligen Flanken zugeordneten Zeitinformationen in dem Speicher 58 abzulegen, so dass sie verwendet werden können, um das entsprechende Sensor-Ausgangssignal abzuleiten.
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Nach dem Zuordnen der Zeitinformation zu der ersten erfassten Flanke wird der Microcontroller wieder in den Schlafmodus versetzt. Passieren mehrere Magnete nacheinander den GMR-Magnetschalter, so kann mit Hilfe des internen Zeitgebers des Microcontrollers, wie ausgeführt, das Sensor-Ausgangssignal abgeleitet werden, beispielsweise die, die Geschwindigkeit und/oder die Beschleunigung der Bewegung eines Objekts errechnet werden. Das abgeleitete Sensor-Ausgangssignal kann dann über den drahtlosen oder drahtgebundenen Ausgang 60 ausgegeben werden.
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Bei Ausführungsbeispielen der Erfindung kann somit der Microcontroller zwischen den Erfassungen der Flanken in den Schlafmodus versetzt werden. Der Microcontroller kann also immer dann, wenn er nicht durch ein entsprechendes Interrupt-Signal veranlasst wird, Zeitinformationen Flanken zuzuordnen, und wenn er nicht damit beschäftigt ist, das Sensor-Ausgangssignal abzuleiten und nach außen zu übertragen, im Schlafmodus sein. Im Vergleich dazu müsste bei Verwendung eines analogen MR-Sensors der Microcontroller mit zusätzlichem Analog/Digital-Wandler ständig aktiv sein oder sehr hoch getaktet betrieben werden, um das analoge Ausgangssignal des MR-Sensors zu überwachen. Eine Interrupt-Steuerung wäre im Falle eines MR-Sensors nicht möglich.
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Der Energiebedarf eines Microcontrollers in beiden Fällen ist in 5 gezeigt, wobei Kurve 70 den Energiebedarf des Microcontrollers unter Verwendung eines analogen MR-Sensors darstellt, während Kurve 72, die vier Pulse aufweist, den Energiebedarf eines Microcontrollers unter Verwendung eines GMR-Magnetschalters darstellt. Wie 5 zu entnehmen ist, kann durch die Interrupt-Steuerung, wie sie erfindungsgemäß verwendet wird, der Energiebedarf des Microcontrollers enorm reduziert werden.
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Die folgende Tabelle 1 stellt den Energieverbrauch bei Verwendung eines GMR-Magnetschalters dem Energieverbrauch bei Verwendung eines MR-Sensors pro aktivem Messzyklus gegenüber. Energieverbrauch pro aktivem Messzyklus
| | GMR-Magnetschalter | MR-Sensor |
| Sensor: | 1,44 pJ | 500 nJ |
| Rücksetzeinrichtung | X | 50 μJ |
| Spannungskonverter | X | 60 μJ |
| Microcontroller | 20 nJ | 70 nJ |
| AD-Wandler | X | 30 nJ |
| Gesamt: | ca. 20 nJ | ca. 56 μJ |
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Tabelle 1 lässt erkennen, dass die Erfindung den Energieverbrauch pro aktivem Messzyklus enorm reduzieren kann, beispielsweise um einen Faktor von 2800.
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Ausführungsbeispiele der Erfindung eignen sich beispielsweise zur Realisierung einer Sensorik zur Dreherkennung von rotierenden Teilen, beispielsweise von Antriebswellen, Rollen, Rädern oder auch Bohrern, wie z. B. Tunnelbohrern. Bei solchen Einsatzgebieten kann die Herausforderung darin bestehen, bei extrem rauer Umgebungsbedingung (Staub, Schlamm, Wasser) eine zuverlässige Dreherkennung zu realisieren.
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Eine mögliche Anordnung von Magneten 80 auf einem Drehkörper, der mit einer Welle 84 verbunden ist, ist beispielsweise in 6a gezeigt. Eine Sensorvorrichtung 86 ist relativ zu dem Drehkörper 82 angeordnet, so dass bei einer Rotation des Drehkörpers 82 die Magnete 80 die Sensorvorrichtung 86 passieren. Eine alternative Ausführungsform ist in 6b gezeigt, wobei jeweils drei Magnete 88 benachbart zueinander auf einem rotierenden Körper 90 angeordnet sind, um deren Wirkung zu verstärken, um gemeinsam ein Schalten des GMR-Magnetschalters zu bewirken. Beispielsweise können die Magnete in eine Welle oder dergleichen eingegossen sein.
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Die vorliegende Erfindung ermöglicht die Realisierung einer Sensorik, die eine zuverlässige Dreherkennung auch bei extrem rauen Umgebungsbedingungen ermöglicht. Aufgrund des stark reduzierten Energiebedarfs ermöglichen Ausführungsbeispiele der Erfindung ferner ein System, bei dem sowohl die Sensorik als auch die Datenübertragung per Funk mit Energie aus einem sogenannten „Energy-Harvester” versorgt wird, also einer Vorgehensweise, bei der verfügbare Energie aus der Umgebung in elektrische Energie umgewandelt wird.
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Ein Ausführungsbeispiel eines Verfahrens ist in 7 gezeigt. In einem Schritt 100 wird ein GMR-Magnetschalter relativ zu einem Objekt angeordnet. Das Objekt umfasst Strukturen, die bei einer Relativbewegung zwischen GMR-Magnetschalter und Objekt ein Schalten des GMR-Magnetschalters bewirken. Bei Ausführungsbeispielen der Erfindung können solche Strukturen durch Magneten gebildet sein. Bei alternativen Ausführungsbeispielen können derartige Strukturen durch eine Strukturierung, beispielsweise Ausnehmungen, eines magnetisierten Körpers gebildet sein. Bei wiederum alternativen Ausführungsbeispielen können die Strukturen ausgebildet sein, um ein angelegtes Permanentmagnetfeld derart zu beeinflussen, dass ein Schalten des GMR-Magnetschalters bewirkt wird, wenn sie denselben passieren.
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In einem Schritt 102 wird eine Relativbewegung zwischen dem GMR-Magnetschalter und dem Objekt bewirkt. Durch ein entsprechendes Schalten des GMR-Magnetschalters wird eine erste Flanke im Ausgangssignal des GMR-Magnetschalters erzeugt. In einem Schritt 104 wird ein Microcontroller ansprechend auf die erste Flanke in dem Ausgangssignal des GMR-Magnetschalters aus einem Schlafmodus aufgeweckt. In einem Schritt 106 werden Zeitinformationen der ersten Flanke zugeordnet. Das Zuordnen von Zeitinformationen kann bei Ausführungsbeispielen der Erfindung im Speichern der entsprechenden Zeitinformationen oder im Rücksetzen eines Zeitgebers bestehen. In einem Schritt 108 wird dann der Microcontroller wieder in den Schlafmodus versetzt.
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Aufgrund der Relativbewegung zwischen dem GMR-Magnetschalter und dem Objekt passiert der GMR-Magnetschalter anschließend eine weitere Struktur des Objekts, die ein Schalten desselben bewirkt, so dass eine zweite Flanke in dem Ausgangssignal des GMR-Magnetschalters erzeugt wird. Ansprechend auf die zweite Flanke in dem Ausgangssignal des GMR-Magnetschalters wird der Microcontroller in einem Schritt 110 aus dem Schlafmodus aufgeweckt. Zeitinformationen werden in einem Schritt 112 der zweiten Flanke zugeordnet. Bei Ausführungsbeispielen der Erfindung werden diese Zeitinformationen durch Erfassen des Zustands eines Zeitgebers erfasst. Anschließend können die der zweiten Flanke zugeordneten Zeitinformationen in einem Speicher gespeichert werden, um später bei der Ableitung des Sensor-Ausgangssignals verwendet zu werden.
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Schließlich wird in einem Schritt 114 ein Ausgangssignal unter Verwendung der der ersten und zweiten Flanke zugeordneten Zeitinformationen abgeleitet. Bei Ausführungsbeispielen kann das abgeleitete Ausgangssignal drahtlos oder drahtgebunden an einen externen Empfänger übertragen werden.
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Bei Ausführungsbeispielen der Erfindung kann der Microcontroller einen aktiven Modus und fünf Nieder-Leistungs-Modi haben, die über Software ausgewählt werden können. Ein Interrupt-Ereignis kann den Microcontroller aus allen Nieder-Leistungs-Modi aufwecken, wobei, sobald die geforderte Aufgabe erfüllt ist, der Microcontroller zurück in den Nieder-Leistungs-Modus fällt. Anhand des Beispiels des genannten Microcontrollers kann der Schlafmodus der Nieder-Leistungs-Modus 3 (LPM3) sein. In der Zeit, in der der SMR-Magnetschalter kein Interrupt-Signal bereitstellt, verharrt der Microcontroller in diesem LPM3-Modus, in dem die CPU ausgeschaltet ist, ein Master-Takt und ein Teilsystem-Master-Takt (MCLK und SMCLK) ausgeschaltet sind, ein Gleichspannungsgenerator für einen digital gesteuerten Oszillator ausgeschaltet ist, und ein Hilfstakt, der als ACLK bezeichnet wird, aktiv bleibt. Der Zeitgeber kann dabei unter zwei Möglichkeiten betrieben werden, nämlich direkt über einen 32 kHz-Quartz, der einen Stromverbrauch von 0,9 μA bei einer Eingangsspannung von 3,3 V aufweist. Zum anderen kann der Zeitgeber über einen internen Niederfrequenz-Oszillator (VLPO = Very Low Power Oscillator) betrieben werden, der einen Stromverbrauch von 0,7 μA bei einer Eingangsspannung von 3,3 V aufweist. Sobald ein Interrupt-Signal auftritt, startet der aktive Modus. In diesem Modus zählt der Microcontroller das Interrupt-Signal und die Zeit seit dem letzten Interrupt. Damit kann nun die Geschwindigkeit der Bewegung berechnet werden. In diesem Modus sind die zentrale Verarbeitungseinheit (CPU) und der Zeitgeber aktiv. Abhängig von der Auflösung und Genauigkeit der Messung kann der Stromverbrauch verschiedene Werte annehmen (bei einer Versorgungsspannung von 3,3 V): Takt-Signale auf 1 MHz → hohe zeitliche Auflösung: I = 350 μA. Takt-Signale auf 100 kHz → mittlere zeitliche Auflösung: I = 72 μA. Takt-Signale auf 4 kH → geringe zeitliche Auflösung: I = 3 μA.
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Somit ermöglicht die Erfindung abhängig von der erforderlichen Auflösung und Genauigkeit der Messung einen unterschiedlichen Grad an Energieeinsparung.
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Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung ermöglichen somit die Implementierung von Mess- und Prüf-Systemen für linear oder rotatorische Bewegungen, die zur drahtlosen und energieautonomen Überwachung von beweglichen Teilen eingesetzt werden können.
