DE102013202320A1

DE102013202320A1 - Verfahren zum Erfassen von Messwerten

Info

Publication number: DE102013202320A1
Application number: DE201310202320
Authority: DE
Inventors: Dirk Daecke; Bernhard Optiz
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2013-02-13
Filing date: 2013-02-13
Publication date: 2014-08-28
Also published as: CN103983296B; CN103983296A

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Erfassen von mindestens einem Messwert (116), bei dem einem Sensor (103) von einer Einheit (94) ein periodisches Signal bereitgestellt wird, das aus einer Zeitbasis eines Taktgenerators (96) der Einheit (94) abgeleitet wird, wobei die Zeitbasis der Einheit (96) in einer Zeitbasis eines Taktgenerators (104) des Sensors (103) ausgedrückt wird, und wobei der mindestens eine Messwert (116) zu mindestens einem Abtastzeitpunkt erfasst wird, der durch die Zeitbasis des Taktgenerators (104) des Sensors (103) vorgegeben wird, die an die Zeitbasis des Taktgenerators (96) der Einheit (94) angepasst ist.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Anordnung zum Erfassen von Messwerten.
Stand der Technik
In der Automobiltechnik und somit im Kraftfahrzeugwesen ist vorgesehen, Betriebsparameter eines Kraftfahrzeugs mit Sensoren, die in dem Kraftfahrzeug angeordnet sind, zu erfassen. Dabei sensorisch gemessene Werte der Betriebsparameter werden einem Steuergerät zugeführt und dort zur weiteren Auswertung verarbeitet. Hierbei ist u. a. ein zeitlicher Ablauf oder eine zeitliche Reihenfolge, zu dem bzw. zu der Werte der Betriebsparameter von dem Sensor erfasst werden, zu beachten. Dies kann bedeuten, dass jedem gemessenen Messwert eindeutig ein Zeitpunkt, zu dem dieser gemessen wird, zuzuordnen ist. Allerdings ist hierbei zu beachten, dass eine interne Zeitreferenz eines Sensors, bspw. eines Taktgenerators des Sensors, der Zeitintervalle vorgibt, mit dem die Messwerte erfasst werden, in der Regel nicht zwangsläufig mit einer internen Zeitreferenz des Steuergeräts und somit eines Taktgenerators des Steuergeräts, mit dem die Werte zu verarbeiten sind, synchronisiert ist.
Offenbarung der Erfindung
Vor diesem Hintergrund werden ein Verfahren und eine Anordnung mit den Merkmalen der unabhängigen Patentansprüche vorgestellt. Weitere Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den abhängigen Patentansprüchen und der Beschreibung.
Mit dem vorgestellten Verfahren ist u. a. eine synchrone Erfassung von Messwerten mit einem asynchronen Sensor, bspw. einem digitalen Hochdrucksensor und/oder Temperatursensor einer Einspritzanlage für einen Verbrennungsmotor eines Kraftfahrzeugs, möglich.
Dabei kann für diesen Sensor in Ausgestaltung eine Architektur realisiert werden, mit der Messwerte des Sensors synchron zu einer Zeitbasis einer anderen, externen Einheit, bspw. eines Steuergeräts, erfasst und daraus Messsignale erzeugt werden können, auch wenn eine Taktrate und/oder eine Zeitbasis einer digitalen Signalverarbeitung des Sensors asynchron zu der Taktrate und/oder Zeitbasis der Signalverarbeitung der Einheit ablaufen sollte. Die Zeitbasis des Sensors kann dabei sogar ungenau sein, von ihrer nominellen Frequenz abweichen und/oder sich langsam ändern, wobei die Zeitbasis des Sensors bspw. von einem einfachen und ungenauen Oszillator als Taktgenerator abgeleitet werden kann. Ein Taktgenerator ist dazu ausgebildet, periodische Taktsignale, bspw. mit einer Referenzfrequenz, zu erzeugen, aus der eine Zeitbasis und somit eine Zeitreferenz zur Verarbeitung von Signalen, bspw. von Messsignalen, abgeleitet wird.
Die vorgesehene Einheit ist dadurch charakterisiert, dass sie eine Zeitbasis aufweist, deren Zeitintervalle durch das periodische Signal eines Taktgenerators vorgegeben sind. Außerdem stellt diese Einheit dem Sensor ein periodisches Signal, in der Regel ein Synchronisationssignal, bereit. Die Einheit kann auch als Empfänger für die Messsignale des Sensors ausgebildet sein.
Die Taktrate der Signalverarbeitung und eine Gewinnung der Messwerte im Sensor können von der Taktrate der Einheit unabhängig sein. Es ist jedoch vorgesehen, dass die Zeitbasis der Abtastintervalle synchron zur Zeitbasis der Einheit ist. Der Sensor kann einen Messwert synchron zur Zeitbasis der Einheit abtasten, wobei ein Abtastzeitpunkt des Messwerts von der Einheit bestimmt wird.
Das Verfahren kann bspw. für eine Einspritzanlage eines Verbrennungsmotors verwendet werden. Hierbei wird für einen Verbrennungszyklus ein Einspritzzeitpunkt hochgenau bestimmt und die Einspritzmenge an Kraftstoff sehr präzise dosiert. Bei Dieselmotoren steht der in die Zylinder einzuspritzende Kraftstoff unter sehr hohem Druck. Hierbei werden in einem als Raildrucksensor ausgebildeten Drucksensor Informationen über den aktuellen Druck des Kraftstoffs in einem Speicher (Rail) der als Common-Rail-Anlage ausgebildeten Einspritzanlage ermittelt. Ein Wert des Drucks im Speicher für den Kraftstoff wird dabei mit einer großen Auflösung bestimmt. Zudem wird der Einheit, die in diesem Fall als Steuergerät bezeichnet werden kann, der Zeitpunkt der Druckmessung mit einer hohen zeitlichen Auflösung genau bekannt gegeben. Dabei wird den ermittelten Messwerten der Zeitpunkt der Messung, d. h. der Abtastzeitpunkt der Messgröße, präzise zugeordnet. Je kleiner hierbei ein zeitlicher Fehler ist, desto präziser kann die Einspritzung gesteuert werden.
Da die Messwerte des Drucks in Ausgestaltung des Verfahrens zu einem Abtastzeitpunkt, der von der Einheit vorgegeben wird, bestimmt werden, können Toleranzen und Ungenauigkeiten der Messwerte, aus denen die Einspritzmenge berechnet wird, reduziert werden. Demnach können Messwerte für den Druck von dem Sensor synchron zur Zeitbasis der Einheit bestimmt werden, so dass die Einheit dem Sensor über Abtastzeitpunkte die Abtastintervalle der Druckmessung zum Erfassen von Messwerten vorgibt. Messwerte des Sensors werden folglich synchron zur Taktrate und/oder einer Zeitbasis der Einheit von dem Sensor ermittelt bzw. erfasst. Somit ist eine hochgenaue synchrone Messung von Werten des Drucks möglich.
Ein zeitlicher Fehler bei einer asynchronen Abtastung der Messwerte für den Druck ist dagegen im Vergleich zu der vorgesehenen synchronen Abtastung deutlich größer, was auch durch aufwendige Algorithmen, die die asynchronen Abtastwerte auf die Zeitbasis der Einheit rückrechnen (resampling), nicht vermieden werden kann, da die auf diese Weise bestimmten Werte mit einem im Vergleich zu einer synchronen Abtastung einem großen zeitlichen Rauschen (Timing-Rauschen, Jitter) unterworfen sind, wodurch die Auflösung der Messwerte reduziert wird.
Damit die Abtastung der Messwerte am Sensor synchron zur Zeitbasis der Einheit durchgeführt werden kann, wird dem Sensor von der Einheit über die Abtastzeitpunkte eine Taktrate vorgegeben, aus der der Sensor die Dauer der Abtastintervalle ableiten kann. Alternativ oder ergänzend wird dem Sensor von der Einheit ein üblicherweise periodisches Synchronisationssignal übertragen, das die Abtastzeitpunkte umfassen kann und/oder mit diesen gekoppelt ist. Aus dem Synchronisationssignal kann von dem Sensor eine Taktinformation abgeleitet werden. Hierzu können bspw. Synchronisationspulse des Synchronisationssignals im PSI5-Übertragungsmodus einer periphären digitalen Schnittstelle für Sensoren verwendet werden.
Es ist auch möglich, dass in einem Datenstrom und/oder Datenpaket, der bzw. das von der Einheit zu dem Sensor übertragen wird, als periodisches Signal ein moduliertes digitales Datensignal, üblicherweise ein periodisches Synchronisationssignal, enthalten sein kann, aus dem die Taktinformation aus der Intervalldauer von modulierten Datensymbolen und/oder von Datenrahmen abgeleitet werden kann. Hierzu können in dem digitalen Datenstrom spezielle Synchronisationsbotschaften oder Synchronisationssequenzen übertragen werden.
Das in Ausgestaltung übertragene Synchronisationssignal wird von einem Modul des Sensors, das zum Erfassen und zur Rückgewinnung der Takt- und/oder Zeitreferenz als Uhrzeit des Taktgenerators der Einheit ausgebildet ist, detektiert. Aus dem detektierten periodischen Synchronisationssignal leitet das im Sensor angeordnete Modul zum Rückgewinnen der Takt- und/oder Zeitreferenz als Zeitbasis der Einheit dessen Zeitbasis ab, transformiert diese auf die Zeitbasis des Sensors und drückt sie in der asynchronen Zeitbasis des Sensors aus. Die Zeitbasis der Einheit wird auf die Zeitbasis des Sensors übertragen, woraus die Abtastintervalle für die Abtastzeitpunkte für die Erfassung der Messwerte durch den Sensor abgeleitet werden können.
Weiterhin wird ein synchron abgetasteter Messwert auf Grundlage der asynchronen Zeitbasis des Sensors verarbeitet. Eine Übertragung der Daten zu dem Messwert über ein Messsignal kann über die digitale Schnittstelle, die auf den asynchronen Taktgenerator des Sensors abgestimmt ist, durchgeführt werden. Alternativ oder ergänzend kann die Einheit über sein Synchronisationssignal die Übertragung von Messsignalen durch den Sensor auslösen. Somit ist in der Einheit eine Zuordnung der empfangenen Daten, die synchron zur Zeitbasis der Einheit erfasst werden, zu dem Synchronisationssignal möglich.
Abtast- und somit Erfassungsintervalle für Messwerte des Sensors, die synchron zur Zeitbasis bzw. Zeitreferenz der Einheit sind, können in weiterer Ausgestaltung auch erzeugt werden, wenn die Zeitreferenz des Sensors asynchron zu der Einheit ist. Hierzu wird die aus dem Synchronisationssignal abgeleitete Zeitbasis der Einheit in der jeweils aktuellen Zeiteinheit der hierzu asynchronen Zeitbasis des Sensors ausgedrückt. In diesem Fall wird die Dauer von Dezimationsintervallen für das Ausgangssignal eines Delta-Sigma-Modulators, die in Zeiteinheiten der asynchronen Zeitbasis des Sensors gemessen wird, von der Einheit bestimmt, jedoch nicht fest vorgegeben. Das im Sensor angeordnete und/oder dem Sensor zugeordnete Modul zur Rückgewinnung der Zeitbasis und somit der Taktrate der Einheit leitet aus dem, von der Einheit übertragenen, üblicherweise periodischen Synchronisationssignal die Zeitbasis der Einheit ab. Frequenz, Intervalldauer und Phase der Zeitbasis der Einheit werden in den jeweils aktuellen Zeiteinheiten der asynchronen Zeitbasis des Sensors ausgedrückt. Die Dezimationsintervalle können nun variabel als Teile oder Vielfache von Längen der Intervalle der Zeitbasis der Einheit bestimmt werden, wobei die Längen der Dezimationsintervalle der Abtastzeitpunkte synchron zur Zeitbasis der Einheit sind.
Weitere Vorteile und Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus der Beschreibung und den beiliegenden Zeichnungen.
Es versteht sich, dass die voranstehend genannten und die nachstehend noch zu erläuternden Merkmale nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar sind, ohne den Rahmen der vorliegenden Erfindung zu verlassen.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
1 zeigt in schematischer Darstellung ein Beispiel zur Umwandlung einer physikalischen Messgröße in ein zeitdiskretes digitales Signal.
2 zeigt in schematischer Darstellung ein Beispiel für einen Delta-Sigma-Analog-Digital-Wandler.
3 zeigt Diagramme mit Signalen des Delta-Sigma-Analog-Digital-Wandlers aus 2.
4 zeigt in schematischer Darstellung Beispiele für asynchrone Taktgeneratoren eines Sensors und einer Einheit.
5 zeigt Diagramme mit asynchronen Zeitbasen des Sensors und der Einheit aus 4.
6 zeigt Diagramme mit synchronen Taktgeneratoren eines Sensors und einer Einheit.
7 zeigt Diagramme mit synchronen Zeitbasen des Sensors und der Einheit aus 6.
8 zeigt eine Ausführungsform einer Anordnung, mit der eine synchrone PSI5-Übertragung umgesetzt wird.
9 zeigt ein Beispiel für eine Abtastung, die synchron zur Zeitbasis einer Einheit ist, wohingegen eine Zeitbasis eines Sensors gleichzeitig asynchron zur Zeitbasis der Einheit ist.
10 zeigt eine erste Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Anordnung mit einem Sensor, der eine zu einer Einheit asynchrone Zeitreferenz aufweist, mit einer synchronen Abtastung eines Messwerts und einer Signalverarbeitung mit asynchroner Taktrate.
11 zeigt Diagramme zu einer ersten Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Verfahrens mit einer Dezimation eines Ausgangssignals eines Delta-Sigma-Modulators mit variabler Dezimationsrate.
12 zeigt Diagramme zu einer zweiten Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Verfahrens mit Signalspektren, die auf eine Frequenzbasis einer Einheit und eine Frequenzskala eines Sensors bezogen sind.
13 zeigt in schematischer Darstellung eine Ausführungsform einer Grundstruktur eines digitalen Phasenregelkreises (Phase Lock Loop, PLL), die im Rahmen der Erfindung verwendet wird.
14 zeigt in schematischer Darstellung ein Blockschaltbild einer Ausführungsform eines Sensors einer zweiten Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Anordnung mit einer zu einer Einheit asynchronen Zeitbasis und einer zur Einheit synchronen Erfassung von Messwerten.
15 zeigt in schematischer Darstellung eine Ausführungsform eines Error Tracking Synchronisierers.
16 zeigt in schematischer Darstellung eine erste Ausführungsform eines Phasenregelkreises für eine Rückgewinnung einer Zeitbasis einer Einheit.
17 zeigt in schematischer Darstellung eine zweite Ausführungsform eines Phasenregelkreises zur Rückgewinnung einer Zeitbasis einer Einheit.
18 zeigt in schematischer Darstellung eine dritte Ausführungsform eines Phasenregelkreises zur Rückgewinnung einer Zeitbasis einer Einheit.
19 zeigt in schematischer Darstellung eine erste Ausführungsform für einen digitalen Dezimator mit variabler Dezimationsrate.
20 zeigt in schematischer Darstellung eine zweite Ausführungsform für einen digitalen Dezimator mit einem variablen Dezimationsfilter.
21 zeigt in schematischer Darstellung ein Beispiel für eine Anordnung zur Realisierung einer asynchronen Datenübertragung über eine digitale Schnittstelle eines Sensors, wobei Messwerte mit einem Zeitstempel einer Zeitbasis einer Einheit versehen sind.
22 zeigt in schematischer Darstellung ein Beispiel für einen Drucksensor mit einer PSI5-Schnittstelle mit einer zu einer als Steuergerät ausgebildeten Einheit synchronen Erfassung von Messwerten bei einer asynchronen Zeitbasis eines Sensors.
Ausführungsformen der Erfindung
Die Erfindung ist anhand von Ausführungsformen in den Zeichnungen schematisch dargestellt und wird nachfolgend unter Bezugnahme auf die Zeichnungen ausführlich beschrieben.
Die Figuren werden zusammenhängend und übergreifend beschrieben, gleiche Bezugszeichen bezeichnen gleiche Komponenten.
1 zeigt in schematischer Darstellung ein erstes und ein zweites Diagramm, die jeweils als Abszisse eine Zeitachse 2 aufweisen. Entlang einer Ordinate 4 jedes Diagramms ist eine elektrische Spannung in der Einheit Volt aufgetragen. Außerdem zeigt 1 in schematischer Darstellung ein Blockschaltbild mit einem physikalischen Signal 6, das von einem Messelement 8 erfasst wird, einen Analog-Digital-Wandler 10 und ein Modul 12, das zur digitalen Signalverarbeitung ausgebildet ist.
Das physikalische Signal 6 wird von dem Messelement 8 in ein zeitkontinuierliches elektrisches Signal 14 umgewandelt, das mit dem Analog-Digital-Wandler 10 in ein zeitdiskretes, bandbreitenbegrenztes Signal 16 umgewandelt wird, das eine systembedingte Anzahl von Quantisierungsstufen aufweist. Hierbei erzeugt der Analog-Digital-Wandler 10 aus dem zeitkontinuierlichen Signal 14 in festen Zeitintervallen T_s, den sogenannten Abtastintervallen, das quantisierte, zeitdiskrete Datenwerte umfassende Signal 16, das als Eingangssignal für eine digitale Signalverarbeitung mit dem Modul 12 verwendet wird.
2 zeigt in schematischer Darstellung ein Beispiel für einen sogenannten Delta-Sigma-Analog-Digital-Wandler 18, der einen Delta-Sigma-Modulator 20, umfasst. Außerdem umfasst der Delta-Sigma-Analog-Digital-Wandler 18 einen digitalen Dezimator 26, der einen Tiefpass-Filter 22 (Low-Pass-Filter) sowie ein Modul 24 zur Heruntertaktung (Downsampling) von Signalen aufweist.
Mit diesem Delta-Sigma-Analog-Digital-Wandler 18 kann bei einer vergleichsweise niedrigen Signal-Bandbreite (Abtastrate) eine große Auflösung (effektive Bitbreite) erreicht werden, wobei bei einer Signal-Bandbreite bis ca. 20 kHz eine Signalauflösung von ca. 10 Bit erreichbar ist. Es ist möglich, mit dem Delta-Sigma-Analog-Digital-Wandler 18 Signal-Bandbreiten mit mindestens 1 MHz zu verarbeiten. Weiterhin können mit dem Delta-Sigma-Analog-Digital-Wandler 18 analoge Signale in digitale Signale umgewandelt werden, wobei nur ein 1-Bit-Analog-Digital-Wandler in Kombination mit analoger Signalverarbeitung zum Einsatz kommt.
Die Diagramme aus 3 umfassen als Abszisse jeweils eine Zeitachse 2, wobei im ersten Diagramm das eingehende analoge Signal 28 und im zweiten Diagramm das 1-Bit Ausgangssignal 30 des Delta-Sigma-Modulators 20 gezeigt ist. Dabei ist zwischen zwei Daten und/oder Zeitmarken des Ausgangssignals 30 ein zeitlicher Abstand 29 T_c vorgesehen. Das diskrete analoge Signal 28, das abgetastete Messwerte umfasst, wird dem Delta-Sigma-Modulator 20 zugeführt, der daraus als Ausgangssignal 30 das k-fach überabgetastete (oversampled) 1-Bit Signal mit der Taktrate 1/T_c erzeugt. Das dritte Diagramm zeigt ein n-Bit Ausgangssignal 32 des Dezimators 26 mit der Taktrate 1/T_x = 1/(k·T_c). Das mit der Taktrate 1/T_c überabgetastete 1-Bit Ausgangssignal 30 des Delta-Sigma-Modulators 20 wird mit dem Tiefpass-Filter 22 gefiltert und auf die Taktrate 1/T_s dezimiert, wobei über Dezimationsintervalle der konstanten Länge 34 T_s = k·T_c Mittelwerte der 1-Bit Werte gebildet werden. Am Ende eines Dezimationsintervalls werden am Ausgang des Dezimators 26 für das n-Bit Ausgangssignal 32 n-Bit breite digitale Datenwerte 36, 38, 40 mit der Taktrate 1/T_s bereitgestellt.
Der durch Kombination des Tiefpass-Filters 22 mit dem Modul 24 bereitgestellte Dezimator 26 führt eine Abtastratenreduktion durch. Ein derartiger Dezimator 26 als Komponente des Delta-Sigma-Analog-Digital-Wandlers 18 kann als CIC Filter (cascaded integrator comb), der zum Beispiel einen Sinc-Filter darstellt, effizient mit Integrations-, Differentiations-, und Abtastraten-Reduktionsblöcken realisiert werden. Der Dezimator 26 integriert und mittelt jeweils das 1-Bit breite Ausgangssignal 30 des Delta-Sigma-Modulators 20 über das Zeitintervall T_s und gibt das Ausgangssignal 32 über das größere Abtastintervall mit n-Bit breiten Mittelwerten aus.
4 zeigt in schematischer Darstellung ein Beispiel für einen Sensor 42, der einen freilaufenden Taktgenerator 44 als Uhr aufweist, der Zeitintervalle mit einer variablen Frequenz f_ck = 1/T_ck vorgibt, wobei diese Frequenz um einige Prozent driften kann. Eine von dem Taktgenerator 44 erzeugte Zeitbasis 46 ist auch in einem zweiten Diagramm aus 5 entlang einer Zeitachse 2 dargestellt, in der ein Zeitintervall 47 T_ck zwischen zwei Zeitmarken 49 angedeutet ist. Das in 4 schematisch dargestellte Beispiel einer externen Einheit 48, die hier als Empfänger der Messdaten des Sensors 42 ausgebildet ist, umfasst dagegen einen hochgenauen Taktgenerator 50 als Uhr, der die Zeitintervalle mit der konstanten Frequenz f₀ = 1/T₀ vorgibt. Eine von dem Taktgenerator 50 der Einheit 48 bereitgestellte Zeitbasis 52 ist in 5 in einem ersten Diagramm entlang einer Zeitachse 2 dargestellt. Dabei ist zwischen zwei Zeitmarken 53 ein Zeitintervall 51 T₀ vorgesehen. Aufgrund der Schwankungen des Taktgenerators 44 des Sensors 42 ist dessen Zeitbasis 46 zu der Zeitbasis 52 des Taktgenerators 50 der Einheit 48 asynchron 54.
Ein Abtasten 56 von Messwerten durch den Sensor 42 zum Bereitstellen von Messsignalen für die Einheit 48 hängt von einer Genauigkeit des Taktgenerators 44 des Sensors 42 ab. Ein drittes Diagramm aus 5 verdeutlicht eine durch Abtastintervalle 59 T_sample = n·T_ck zwischen zwei Abtastzeitpunkten 57 charakterisierte Zeitbasis 58 entlang einer Zeitachse 2.
Zur Bereitstellung der Zeitbasis 46 als Zeitreferenz und Taktgeber in dem Sensor 42 wird als Taktgenerator 44 (Clock) typischerweise ein Oszillator, der auf einem Resonator basiert und Teil der Struktur eines integrierten Schaltkreises ist, verwendet. Eine Resonanzfrequenz eines Resonators kann aufgrund von Prozessstreuungen der Bauelemente sowie durch Temperatur- und Alterungseffekte stark variieren. Beispielsweise können RC-, LC- oder RLC-Oszillatoren als Teil des integrierten Schaltkreises mit analoger Halbleitertechnik einfach realisiert werden, wobei auf einen externen Oszillator verzichtet werden kann. Eine Frequenz solch eines Oszillators als Taktgenerator 44 weicht typischerweise aufgrund der Prozessstreuung sowie der genannten Effekte um mehrere Prozent von seiner nominellen Frequenz ab. Zudem kann die Frequenz des Oszillators aufgrund von Umgebungseinflüssen, z. B. von Temperaturänderungen, langsam driften.
Es ist möglich, dass in einem Kraftfahrzeug die Zeitbasen 46, 52 des Sensors 42 und der als Steuergerät (Electronic Control Unit, ECU) ausgebildeten Einheit 48 zueinander asynchron 54 sind und die Zeitbasis 46 des Sensors 42 somit in keinem festen Verhältnis zu der Zeitbasis 52 der Einheit 48 steht. Das heißt, dass Frequenzen 1/T₀, 1/T_ck der Taktgeneratoren 44, 50 der Einheit 48 und des Sensors 42 ebenfalls kein festes Verhältnis zueinander aufweisen und die Phasen der Zeitbasen 46, 52 gegeneinander verschoben sein können. Sensorseitige Abtastintervalle 59 für die Zeitbasis 58 werden hier aus dem Taktgenerator 44 des Sensors 42 abgeleitet und sind typischerweise ein festes, n-faches der Zeitintervalle 51 des Taktgenerators 44, wobei T_sample = n·T_ck. Demnach wird die Dauer der Abtastzeitpunkte 57 durch die Zeitbasis 46 des Taktgenerators 44 des Sensors 42 vorgegeben, so dass Abtastzeitpunkte 57 und Abtastintervalle 59 des Sensors 42 nicht beeinflusst werden können.
Die in 6 schematisch dargestellte Anordnung umfasst ein weiteres Beispiel für einen Sensor 60, dessen als Uhr verwendeter Taktgenerator 62 über ein Synchronisationssignal 64, das dem Sensor 60 in Abhängigkeit einer Zeitbasis 52 eines Taktgenerators 50 einer Einheit 48 bereitgestellt wird, synchronisiert ist. Dabei ist hier vorgesehen, dass die Einheit 48 mit dem Sensor 60 Signale austauscht und als Steuergerät ausgebildet sein kann. Somit ergibt sich für den Taktgenerator 62 des Sensors 60 eine Zeitbasis 66 (Sensor-Zeitbasis) mit einem Zeitintervall 67 T_ck zwischen zwei Zeitmarken 65, die im zweiten Diagramm aus 7 entlang einer Zeitachse 2 dargestellt und zu der Zeitbasis 52 des Taktgenerators 50 der Einheit 48, die in einem ersten Diagramm aus 7 entlang einer Zeitachse 2 dargestellt ist, synchronisiert 68 ist. Dementsprechend ergibt sich für eine Abtastung 70, und somit Erfassung von Messwerten durch den Sensor 60 eine in einem dritten Diagramm aus 7 entlang einer Zeitachse 2 dargestellte, als Abtast-Zeitbasis vorgesehene Zeitbasis 72 mit einem Abtastintervall 73 T_sample zwischen zwei Abtastzeitpunkten 71, die zu der Zeitbasis 52 der Einheit 48 synchronisiert 68 ist.
Da die Zeitbasen 52, 66 der Einheit 48 und des Sensors 60 synchron sind, weisen diese zueinander ein festes Verhältnis auf. Hierbei sind beide Taktgeneratoren 50, 62 des Sensors 60 und der Einheit 48 aufeinander synchronisiert, wie bei periodischen Prozessen, die an räumlich getrennten Orten stattfinden und zueinander angeglichen sind. In der Regel gibt die Einheit 48 als Master eine Taktfrequenz vor, auf die der Sensor 60 als Slave synchronisiert wird, wobei der Sensor 60 eine lokale Frequenz seines Taktgenerators 62 an die Frequenz des Taktgenerators 50 der Einheit 48 anpasst. Die Einheit 48 überträgt an den Sensor 60 das Synchronisationssignal 64, aus dem der Takt der Einheit 48 zurückgewonnen werden kann. Hierzu kann ein Phasenregelkreis, bspw. ein Frequenz-Phasenregelkreis, verwendet werden, aus dem die Frequenz und die Phase der Zeitbasis 52 des Taktgenerators 50 der Einheit 48 abgeleitet werden können. Die Frequenz des lokalen Taktgenerators 62, der die Zeitintervalle vorgibt und in dem Sensor 60 angeordnet ist, kann an eine andere Frequenz des Taktgenerators 50 der Einheit 48 angeglichen werden.
Abtastintervalle 73 zur Abtastung 70 von Messwerten des Sensors 60 als Slave werden von dessen Taktgenerator 62, der die Zeitintervalle vorgibt, abgeleitet, der synchron zum Taktgenerator 50 der Einheit 48 ist. Somit ist die Abtastung der Messwerte im Sensor 60 zur Taktfrequenz der Einheit 48 synchronisiert 68. Folglich ist es möglich, dass die Zeitbasis 72 für die Abtastzeitpunkte 71 des Messsignals im Sensor 60 und die Zeitbasis 52 in der Einheit 48 zueinander in einem festen Verhältnis stehen, bspw. T_sample = T_s = n·T_ck = n·T₀.
Das Diagramm aus 8 zeigt in schematischer Darstellung eine Anordnung mit einer Einheit 74, die üblicherweise als Steuergerät ausgebildet ist, und einem Sensor 76. Hier ist vorgesehen, dass die Einheit 74 dem Sensor 76 ein Synchronisationssignal 78 bereitstellt, dessen Verlauf in einem ersten Diagramm in 8 entlang einer Zeitachse 2 dargestellt ist, über der eine Ordinate 80 für die elektrische Spannung aufgetragen ist. Dieses Synchronisationssignal 78 ist eine periodische Folge von Spannungspulsen, die ein Synchronisationsintervall 82 T_sync zwischen zwei Pulsen als Zeitmarken 84 mit einer Höhe von ca. 2,5 V aufweisen. Optional können diese Spannungspulse zusätzlich Träger von Informationen sein, die mit Hilfe einer Pulsweitenmodulation übertragen werden. Zur Bereitstellung einer Kommunikation zwischen dem Sensor 76 und der Einheit 74 wird der Einheit 74 ausgehend von dem Sensor 76 ein strommoduliertes Signal 86 bereitgestellt, das in einem zweiten Diagramm aus 8 entlang einer Zeitachse 2 als Abszisse dargestellt ist, über der als Ordinate 88 ein Strom ΔI_S in Ampere aufgetragen ist. Dieses strommodulierte Signal 86 umfasst mehrere Datenrahmen 89, die jeweils die Länge 90 aufweisen und in Pausen zwischen zwei Zeitmarken 84 des Synchronisationssignals 78 von dem Sensor 76 an die Einheit 74 übertragen werden.
In Kraftfahrzeugen werden zur Datenübertragung zwischen dem Sensor 76 und der Einheit 74 entweder asynchrone Übertragungstechniken, bspw. SENT, oder synchrone bzw. zeitgesteuerte Übertragungstechniken, z. B. PSI5 oder TT-CAN, verwendet. Bei einer synchronen Übertragung wird ein Takt einer Zeitbasis 52 der Einheit 74 als Master mit einer Information an den Sensor 76 übertragen, was mit dem Synchronisationssignal 78 realisierbar ist.
Der Sensor 76 kann auch aus empfangenen Datensignalen die Taktinformation gewinnen. Die Synchronisation kann bspw. auch über zyklisch wiederholte Referenz-Nachrichten bereitgestellt werden. Es ist auch möglich, die Taktinformation aus der Intervalldauer der übertragenen Datensymbole abzuleiten.
Mit einer PSI5-Schnittstelle als Ausgestaltung einer Sensor-Schnittstelle kann eine strommodulierte Zweidraht-Übertragungstechnik genutzt werden, wobei Daten in Datenrahmen 89 organisiert sind, die in möglicher Ausgestaltung aus 13 bis 33 Manchester-codierten Datenbits bestehen. Zwischen mehreren, hier jeweils drei Datenrahmen 89 sind Pausen vorgesehen, in denen keine Daten übertragen werden. Die PSI5-Schnittstelle kann einen synchronen oder asynchronen Übertragungsmodus verwenden.
Dabei überträgt die Einheit 74 als Master Synchronisationssignale 78, die periodisch spannungsmodulierte Zeitmarken 84 umfasst, aus denen der Sensor 76 als Slave eine Taktung (Timing) zum Senden seiner Datenrahmen 89 ableitet. Im synchronen Übertragungsmodus kann mit der PSI5-Schnittstelle eine Busübertragung umgesetzt werden, da mindestens ein Sensor 76 als Teilnehmer des Busses aus den hier bereitgestellten, pulsförmigen Zeitmarken 84 des Synchronisationssignals 78 den Zeitpunkt zum Verarbeiten von Messwerten und Senden von Messsignalen, die auf Messwerten beruhen, ableiten kann. Da der mindestens eine Sensor 76 möglicherweise keinen hochgenauen Taktgenerator als Taktgeber aufweist, kann eine Zeitbasis des Sensors 76 relativ zur Zeitbasis der Einheit 74 variieren, wodurch ein Zeitpunkt, zu dem der Sensor 76 seine Datenrahmen 89 über die PSI5-Schnittstelle sendet, relativ zur Zeitbasis der Einheit 74 variieren kann.
Die Diagramme aus 9 zeigen jeweils entlang einer Zeitachse 2 die bereits vorgestellte Zeitbasis 52 einer Einheit, die als Steuergerät ausgebildet sein kann, (5 oder 7), sowie die dazu asynchrone Zeitbasis 46 eines Sensors (5). Bei einer Umsetzung des Verfahrens ist vorgesehen, dass die Zeitbasis 72 als Abtast-Zeitbasis zur Abtastung von Messwerten zu der Zeitbasis 52 der Einheit dennoch synchron ist.
Die in 10 schematisch dargestellte Ausführungsform einer Anordnung 92 umfasst eine Einheit 94, hier ein Steuergerät, mit einem hochgenauen Taktgenerator 96 mit einem Kristall zur Bereitstellung einer Zeitreferenz, dessen Zeitbasis hier durch den präzise schwingenden Kristall erzeugt wird, der die periodischen Zeitintervalle vorgibt, einem Modul 98 zum Empfangen von Daten und einem Modul 100 zum Erzeugen eines ursprünglichen, periodischen Synchronisationssignals 102 auf Grundlage einer Zeitbasis des Taktgenerators 96. Als weitere Komponente umfasst die Anordnung 92 einen Sensor 103 mit einem freilaufenden Taktgenerator 104, der die Zeitbasis als Zeitreferenz des Sensors 103 vorgibt. Die Frequenz und/oder die Taktrate dieses Taktgenerators 104 des Sensors 103 variiert im zeitlichen Verlauf. Demnach ist die interne Zeitbasis und/oder Zeitreferenz des Sensors 103 asynchron 106 zur Zeitbasis des Taktgenerators 96 der Einheit 94.
Das Synchronisationssignal 102, das von der Einheit 94 an den Sensor 103 übertragen wird, wird von einem Signaldetektor 108 des Sensors 103 empfangen, detektiert und nachfolgend einem Modul 110 zur Rückgewinnung der Taktrate und/oder Intervalldauer und damit der Zeitbasis der Einheit 94 bereitgestellt. Weiterhin wird dieses Synchronisationssignal 102 von dem Signaldetektor 108 einem Modul 112 zur Datenübertragung bereitgestellt. Das Modul 110 zur Rückgewinnung der Zeitbasis drückt die mit dem Synchronisationssignal 102 bereitgestellte Zeitbasis und somit die Frequenz und/oder Phase des Taktgenerators 96 der Einheit 94 in der Zeitbasis des Taktgenerators 104 des Sensors 103 aus und übermittelt ein an die Zeitbasis des Taktgenerators 104 angepasstes Signal 111, bspw. ein Steuer- und Triggersignal, für Abtastintervalle an ein Modul 114 zum Abtasten und somit zum Erfassen von Messwerten 116.
Eine hier vorgesehene Abtastrate sowie vorgesehene Abtastzeitpunkte und/oder Abtastintervalle werden von dem Taktgenerator 96 der Einheit 94 vorgegeben und sind zu diesem Taktgenerator 96 synchron. Allerdings sind die Abtastrate, die Abtastzeitpunkte und/oder die Abtastintervalle zu dem Taktgenerator 104 des Sensors 103 asynchron. Ein zu einem vorgesehenen Abtastzeitpunkt abgetasteter Messwert 116 wird von dem Modul 114 zum Abtasten an ein Modul 118 zur Signalverarbeitung und ausgehend von dort an das Modul 112 zur Datenübertragung übermittelt, von dem bei einer Datenübertragung zumindest ein Messsignal 120 an das Modul 98 zum Empfangen von Daten übertragen wird. Ein hierbei mit dem Messsignal 120 übertragener Messwert 116 ist zu dem Taktgenerator 96 der Einheit 94 synchron.
Das Modul 110 ist dazu ausgebildet, aus dem Synchronisationssignal 102, das die Zeitbasis der Einheit 94 übermittelt, eine Zeitreferenz der Einheit 94 abzuleiten, die wiederum in einer Zeitbasis der asynchronen Zeitreferenz des Sensors 103 ausgedrückt wird. Hierzu kann in Ausgestaltung eine Transformation der Zeitbasis des Sensors 103 vorgenommen werden, wobei die Zeitbasis des Sensors 103 an die Zeitbasis der Einheit 94 angepasst wird. Aus der modifizierten Zeitbasis des Sensors 103, die auf die Zeitbasis der Einheit 94 abgestimmt ist, werden Abtastzeitpunkte zum Abtasten der Messwerte 116 abgeleitet.
Die Diagramme aus 11 umfassen jeweils eine Zeitachse 2, wobei in einem ersten Diagramm ein analoges Eingangssignal 122, in einem zweiten Diagramm ein 1-Bit Ausgangssignal 124 am Ausgang eines Delta-Sigma-Modulators mit der Rate 1/T_c bei einem zeitlichen Abstand 29 T_c zwischen zwei Daten und/oder Zeitmarken und in einem dritten Diagramm ein n-Bit breites Ausgangssignal 126 eines Dezimators mit variabler Dezimationsrate dargestellt ist, wobei der Delta-Sigma-Modulator sowie der Dezimator als Komponenten eines Sensors zum Erfassen von Messwerten ausgebildet sind.
Es ist hier vorgesehen, dass Dezimationsintervalle 123, 125 zum Abtasten von Messwerten an eine Zeitbasis und/oder eine Uhrzeit des Taktgenerators der Einheit angepasst ist bzw. sind, die in dem hierfür vorgesehenen Modul zur Rückgewinnung der Zeitbasis der Einheit in dem Sensor aus dem von der Einheit bereitgestellten Synchronisationssignal abgeleitet wird bzw. werden. Die Dezimationsintervalle 123, 125 sind nunmehr von veränderlicher Länge und können als Vielfache oder Teile von dem üblicherweise konstanten zeitlichen Abstand 29 T_c zwischen zwei Daten und/oder Zeitmarken des Ausgangssignals 124 des Delta-Sigma-Modulators angegeben werden. So weist hier ein n-tes Dezimationsintervall 123 die Länge T_s(n) = M(n)·T_c, die einem M(n)-fachen der Länge des zeitlichen Abstands 29 T_c entspricht und ein n + 1-tes Dezimationsintervall 125 eine davon abweichende Länge T_s(n + 1) = M(n + 1)·T_c auf. Demnach werden für die Dezimationsintervalle 123, 125 von der Zeitbasis des Taktgenerators der Einheit abhängige Dezimationsfaktoren M(n), M(n + 1) verwendet, die als Vielfache des zeitlichen Abstands 29 T_c zwischen zwei Daten und/oder Zeitmarken, die von dem Taktgenerator als Sensor abhängig sind, ausgedrückt werden.
Die beiden ersten Diagramme aus 12 umfassen jeweils eine Abszisse 128, entlang der eine Frequenz in Hertz aufgetragen ist. Entlang einer Ordinate 130 des ersten und dritten Diagramms sind Signalspektren 1320, 1322, 1324, 1326, 140 des Messsignals aufgetragen, wobei ein Signalspektrum 1320, 1322, 1324, 1326, S(f) die Fouriertransformation des Messsignals s(t) im Zeitbereich ist. Entlang einer Ordinate 136 des zweiten und vierten Diagramms sind dezimierte Signalspektren 135, 142, 143, 144 aufgetragen.
Das erste und das zweite Diagramm beziehen sich auf die Frequenzbasis einer anderen, externen Einheit, die hier als Steuergerät ausgebildet ist und somit auf eine Fouriertransformation eines Signals, das auf die Zeitbasis der Einheit bezogen ist. Das dritte und das vierte Diagramm umfassen ebenfalls eine Abszisse 129, entlang der die Frequenz in Hertz aufgetragen ist, und beziehen sich auf eine Frequenzbasis eines Sensors, d. h. die Fouriertransformation des Signals bezogen auf die Zeitbasis des Sensors. Falls ein Signal in einem Zeitbereich abgetastet wird, so wiederholt sich im Frequenzbereich sein Signalspektrum mit der Abtastfrequenz periodisch.
In dem ersten Diagramm wird am Sensor ein Signal, das das Signalspektrum 1326 aufweist, beispielhaft mit den unterschiedlichen Abtastfrequenzen 1330, 1332, 1334 einer Zeitbasis des Sensors abgetastet. Das Signalspektrum 1326 wird dadurch periodisch mit den jeweiligen Abtastfrequenzen 1330, 1332, 1334 wiederholt. Bei der Abtastfrequenz 1330 tritt das Signalspektrum 1324 periodisch auf, bei der Abtastfrequenz 1332 tritt das Signalspektrum 1322 periodisch auf und bei der Abtastfrequenz 1334 tritt das Signalspektrum 1320 periodisch auf. Das mit der jeweiligen Abstastfrequenz 1330 (1/T_S1), Abstastfrequenz 1332 (1/T_S2) oder Abstastfrequenz 1334 (1/T_S3) abgetastete Signal wird mit einem Tiefpass 134 gefiltert, wodurch die periodisch wiederholten Spekralanteile entfernt werden.
Das zweite Diagramm zeigt, bezogen auf die Frequenzbasis der Einheit das dezimierte Signalspektrum 135 eines Signals, das mit einer Abtastfrequenz 137 abgetastet wird. Bei einer Dezimation mit dem Faktor M_i wird die Periode 1/T_Si, mit der sich die abgetasteten Signalspektren 1320, 1322, 1324 wiederholen, um den Faktor M_i reduziert. Für die unterschiedlichen Abtastfrequenzen 1330, 1332, 1334 (1/T_S3) werden die Dezimationsfaktoren M₁, M₂ oder M₃ jeweils so gewählt, dass eine dezimierte Frequenz 1/T = 1/(M₁·T_S1) = 1/(M₂·T_S2) = 1/(M₃·T_S3), mit der das dezimierte Signalspektrum 135 periodisch wiederholt wird, jeweils gleich ist.
Die hochratigen Abtastfrequenzen 1330, 1332, 1334 des Sensors 1/T_Si sind bezogen auf die Frequenzbasis der Einheit sehr unterschiedlich. Da aber für die unterschiedlichen Abtastfrequenzen 1330, 1332, 1334 jeweils ein passender Dezimationsfaktor generiert wird, hat das dezimierte Signal bezogen auf die Frequenzbasis und/oder die Abtastfrequenz 137 der Einheit jeweils die gleiche Periode und Abtastfrequenz.
Im dritten Diagramm ist das Signalspektrum 140 des abgetasteten Signals in Bezug auf die Frequenz-Basis des Sensors dargestellt. Die Abszisse 129 zeigt die Frequenzen in Einheiten einer sensorspezifischen Abtastrate eines empfangenen Signals, wohingegen entlang der Ordinate 130 das Signalspektrum 140 aufgetragen ist. Das Signalspektrum 140 des abgetasteten und/oder empfangenen Signals wird periodisch mit einer Abtastrate 139 1/T_s des Sensors wiederholt und/oder abgetastet sowie mit dem Tiefpass 134 gefiltert, wodurch die periodisch wiederholten Spektralanteile entfernt werden.
Das vierte Diagramm zeigt, bezogen auf die Frequenzbasis des Sensors, die Signalspektren 142, 143, 144 des dezimierten Signals. Bei einer Dezimation mit dem Faktor M_i wird die Periode 1/T_Si, mit der sich die abgetasteten Signalspektren 142, 143, 144 wiederholen, um den Faktor M_i reduziert. Der variable Dezimationsfaktor M_i wird so gewählt, dass das dezimierte Signal eine zur Zeitbasis der Einheit synchrone Abtastrate aufweist. Das bedeutet, dass M_i so gewählt wird, dass Änderungen Frequenzbasis des Sensors ausgeglichen werden. Infolgedessen sind Frequenzintervalle 145 1/(M₃·T_S), 146 1/(M₂·T_S) und 147 1/(M₁·T_S), mit denen die Signalspektren 142, 143 144 periodisch wiederholt werden, bezogen auf die Abszisse 129 als Frequenzachse der Frequenzbasis des Sensors unterschiedlich. Messsignale werden vom Sensor mit der sich ändernden Abtastrate 139 1/T_S des Taktgenerators des Sensors abgetastet.
Somit wird die Abtastung am Delta-Sigma-Modulator des Sensors wegen seines zur Zeitreferenz der Einheit, die durch den Taktgenerator der Einheit bestimmt wird, asynchronen, freilaufenden Taktgenerators in der Regel mit einer variablen, sich ändernden Frequenz durchgeführt. Mit der zurückgewonnenen Information über die Zeitbasis der Einheit kann der Sensor über den variabel einstellbaren Dezimationsfaktor M₁, M₂, M₃ im Signalpfad des Messsignals die Änderung der Abtastfrequenz ausgleichen. Bezogen auf die Frequenzskala der Einheit weisen Signalspektren 135, 142, 143, 144 des dezimierten Messsignals feste Frequenzintervalle 145, 146, 147 auf, da die variablen Dezimationsfaktoren M₁, M₂, M₃ die Änderung der Abtastfrequenz 1330, 1332, 1334 ausgleichen. Bezogen auf die Frequenzskala des Sensors weisen die mit dem variablen Dezimationsfaktor M₁, M₂, M₃ dezimierten Signalspektren 142, 143, 144 entsprechende variable Frequenzintervalle auf.
Die Länge von Dezimationsintervallen kann über die variablen Dezimationsfaktoren M₁, M₂, M₃ in aktuellen Takteinheiten des Taktgenerators und/oder der Zeitbasis des Sensors ausgedrückt werden. Diese Länge wird vom Sensor aus dem periodischen Synchronisationssignal der Einheit abgeleitet, wobei eine Erfassung des zum Messen des Messwerts vorgesehenen Abtastzeitpunkts auf Grundlage der Zeitbasis der Einheit umgesetzt werden kann. Hierzu wird die Taktreferenz der Einheit aus dem periodischen Synchronisationssignal, das von der Einheit zum Sensor übertragen wird, zurückgewonnen und in die jeweils aktuelle Zeiteinheit der asynchronen Zeitbasis des Sensors übertragen, wobei das Taktsignal der Einheit in Zeiteinheiten der Zeitbasis des Sensors ausgedrückt wird.
Die in 13 schematisch dargestellte Anordnung umfasst eine Grundstruktur einer digitalen Phasenregelschleife, die auch als Phasenregelkreis 150 bezeichnet werden kann, einen Phasendetektor 152, ein zur Regelung vorgesehenes Schleifenfilter 154 (Loop-Filter, Loop-Controller) zum Regeln und/oder Filtern einer Signalschleife sowie einen digital geregelten und/oder gesteuerten Oszillator (Digital Controlled Oscillator, DCO) oder ein entsprechendes digitales Modul. Es ist hier vorgesehen, dass dem Phasendetektor 152 sowohl ein Eingangssignal 158 als auch ein im Phasenregelkreis 150 erzeugtes Schätzsignal als Ausgangssignal 164 dieses Eingangssignals 158 zugeführt werden.
Das Ausgangssignal des Phasendetektors 152 ist ein Phasenfehlersignal 160, das aus der Abweichung des Eingangssignals 158 von dem als Schätzsignal ausgebildeten Ausgangssignal 164 bestimmt wird. Dieses Phasenfehlersignal 160 dient als Eingangssignal für das Schleifenfilter 154. Ein digitales Ausgangssignal 162 des Schleifenfilters 154 ist als Regel- oder Steuersignal ausgebildet, das das Eingangssignal des digital gesteuerten Oszillators 156 (DCO) ist. Das Ausgangssignal 164 des digital gesteuerten Oszillators 156 hat die geschätzte Frequenz und/oder Phase des Eingangssignals 158. Durch Vergleich der Phase des Ausgangssignals 164 mit der Phase des Eingangssignals 158 generiert der Phasendetektor 152 das Phasenfehlersignal 160, mit dem die Frequenz in dem digital gesteuerten Oszillators 156 nachgeregelt wird.
Die Zeitbasis der Einheit wird mit dem als Phasenregelschleife ausgebildeten Phasenregelkreis 150 zurückgewonnen. Hierbei ist vorgesehen, dass das Eingangssignal 158 des Phasenregelkreises 150 ein periodisches Signal ist. Das Ausgangssignal 164 des Phasenregelkreises 150 weist im eingeschwungenen Zustand eine Frequenz auf, die dem Mittelwert der Frequenz des Eingangssignals 158 entspricht.
Eine Frequenz des digital geregelten Oszillators 156 (DCO) wird durch das digitale Ausgangssignal 162 als Steuersignal geregelt, das von dem Schleifenfilter 154, das hier als Regler und/oder Tiefpass-Filter ausgebildet ist und die Bandbreite des als Phasenregelschleife ausgebildeten Phasenregelkreises 150 bestimmt, bereitgestellt wird.
Von dem Phasendetektor 152 wird ein Wert des Phasenfehlersignals 160 generiert, wobei der Wert, oder dessen Mittelwert, eine Funktion der Abweichung der Phase des digital geregelten Oszillators 156 von der Phase des Eingangssignals 158 ist. Als Phasendetektor 152 kann ein Phasen-Frequenz-Detektor verwendet werden, dessen Ausgangssignal das Phasenfehlersignal 160 umfasst. Der beschriebene Phasenregelkreis 150 kann als Komponente eines Sensors zum Rückgewinnen des periodischen Taktsignals eines Taktgenerators für eine Zeitbasis einer Einheit auf Grundlage eines von der Einheit bereitgestellten Synchronisationssignals als Eingangssignal 158 ausgebildet sein. Das Ausgangssignal 164 oder der Wert des als Steuersignal ausgebildeten Ausgangssignals 162 kann an den Dezimator des Sensors übermittelt werden.
Durch die synchrone Abtastung eines Messwerts am Sensor, obwohl dieser eine unabhängige, asynchrone Zeitbasis aufweist, kann eine synchrone Abtastung mit der Robustheit und Flexibilität einer unabhängigen Zeitbasis kombiniert werden. In der Regel wird die Signalverarbeitung des Sensors mit der Zeitbasis der frei laufenden, asynchronen Taktreferenz und somit Zeitbasis des Taktgenerators des Sensors durchgeführt, deren Taktintervalle durch den asynchronen Taktgenerator vorgegeben werden. Somit kann auf eine Signalverarbeitung, die auf einen externen Master synchronisiert ist, verzichtet werden.
Mit der als Master vorgesehenen Einheit, üblicherweise einem Steuergerät, werden die Zeitpunkte zur Abtastung und somit zur Erfassung der Messwerte bestimmt, womit die vom Sensor zur Einheit über Messsignale übertragenen Messwerte in der Zeitbasis der Einheit vorliegen. Bei der synchronen Messwert-Erfassung werden im Gegensatz zu der asynchronen Erfassung von der Einheit die von dem Sensor empfangenen Messwerte nicht auf die eigene Zeitbasis der Einheit konvertiert, wodurch Auflösungs-Verluste vermieden werden.
Periodische Störungen bei der Signalverarbeitung des Sensors, die synchron zu jener der externen, anderen Einheit sind, können die Taktregelung des Sensors beeinflussen, was zu Driften oder Abweichungen der Zeitbasis des Sensors führen und mit dem Verfahren vermieden werden kann. Bei der vorgeschlagenen Architektur des Taktgenerators und/oder der Zeitbasis des Sensors kann die Taktrate der Signalverarbeitung des Sensors unabhängig von der Zeitbasis der Einheit zurückgewonnen werden, wodurch sich Störungen der Taktrückgewinnung nur geringfügig auf die Taktrate der Signalverarbeitung auswirken.
Es ist nunmehr auch nicht mehr erforderlich, dass die gesamte Signalverarbeitung des Sensors auf die Taktrate der Einheit synchronisiert werden muss. In der Regel weicht bei einem Start eines Betriebs und bei Störungen des Sensors eine Frequenz des Taktgenerators des Sensors von der Frequenz des Taktgenerators der Einheit ab. Demnach ist die Zeitbasis des Sensors als Zeitreferenz des Sensors auf die Zeitbasis der Einheit als Zeitreferenz der Einheit zu synchronisieren, was beim Start eines zur Einheit synchronen Sensors in einem Zeitintervall durchgeführt wird, während die Frequenz des Sensors an die Frequenz der Einheit angeglichen wird, wobei die Zeitreferenz des Sensors schnell geändert werden kann. Diese Phase, in der die Signalverarbeitung der Zeitreferenz und somit der Zeitbasis des Sensors an die der Einheit angeglichen wird, kann mit der vorgeschlagenen Signalverarbeitung mit einer asynchronen Zeitreferenz vermieden werden.
Mit der beschriebenen Architektur des Taktgenerators des Sensors mit asynchroner Signalverarbeitung aber mit synchroner Messwerterfassung zu der Einheit ist u. a. möglich, dass die von der Einheit üblicherweise mit dem Synchronisationssignal vorgegebenen Abtastintervalle zwischen zwei Abtastzeitpunkten zum Erfassen der Messwerte in einem beliebigen Verhältnis zur Taktrate der Signalverarbeitung des Sensors stehen können.
Es ist nunmehr nicht erforderlich, dass bei der Fertigung eines Sensors mit synchroner Messwerterfassung und asynchroner Signalverarbeitung ein Abgleich des Sensors auf die vorgegebene Frequenz der Einheit als Master durchzuführen ist, wodurch ein Aufwand verringert und eine Flexibilität des Sensors erhöht wird.
Komponenten eines Beispiels für einen Sensor 166, der zur Durchführung einer Ausführungsform des Verfahrens geeignet ist, sind in 14 schematisch dargestellt. Dieser Sensor 166 umfasst einen Taktgenerator 168, einen Delta-Sigma-Modulator 170 und einen digitalen Dezimator 172 mit variabler Dezimationsrate, der wiederum einen Tiefpass-Filter 174 und ein Modul 176 zum Ändern und/oder Reduzieren der Abtastrate aufweist, wobei eine Taktreduzierung durch ein externes Signal ausgelöst werden kann (triggered downsampling). Außerdem umfasst der Sensor ein Modul 178 zum Verarbeiten eines von einem Messelement bereitgestellten, über ein Signal eingehenden Messwerts 186, ein als Transmitter 180 ausgebildetes Modul zum Generieren von Sendesignalen, ein Modul 182 zur Rückgewinnung des periodischen Taktsignals einer als Steuergerät ausgebildeten externen Einheit sowie ein Modul 184 zur Detektion eines periodischen Taktsignals der Einheit. Außerdem zeigt 14 neben dem Signal des Messelements, das den eingehenden Messwert 186 umfasst, das von der nicht weiter dargestellten Einheit bereitgestellte Synchronisationssignal 188 und ein digitales Messsignal 190, das von dem Sensor 166 an die Einheit übertragen wird.
Eine interne Zeitbasis des Sensors 166 ist zu jener der Einheit asynchron. Allerdings können Messwerte des Sensors 166 synchron zur Zeitbasis der Einheit erfasst werden. Hierzu transformiert das Modul 182 zur Rückgewinnung des periodischen Taktsignals und/oder der Zeitbasis der Einheit das periodische Taktsignal und/oder die Zeitbasis der Einheit auf die asynchrone Zeitbasis und/oder auf den Taktgenerator 168 des Sensors 166. Es ist zudem vorgesehen, dass der Dezimator 172 und der Delta-Sigma-Modulator 170 durch die zurückgewonnene Uhrzeit und/oder Zeitbasis des Taktgenerators der Einheit gesteuert werden.
Der üblicherweise skalierbare Dezimator 172 als Modul zur Dezimation mit variabler Dezimationsrate kann eine kaskadierte Architektur aufweisen und mindestens einen skalierbaren Dezimator, mindestens einen Dezimator mit fester Dezimationsrate und/oder einen linearphasigen FIR-Tiefpass-Filter umfassen.
Eine Struktur für ein weiteres Beispiel eines Phasenregelkreises 192 ist in 15 schematisch dargestellt. Dieser Phasenregelkreis 192 umfasst einen Detektor 194, der zum Nachweis eines Phasenfehlers oder einer Phasenfrequenz ausgebildet ist. Weiterhin umfasst der Phasenregelkreis 192 ein Modul 196 zum Filtern einer Signalschleife sowie einen Integrator 198. Bei Betrieb des Phasenregelkreises 192 wird dem Detektor 194 ein periodisches Eingangssignal 200 zugeführt und daraus wiederum ein Phasenfehlersignal 202 abgeleitet, aus dem das Modul 196 ein Regel- oder Steuersignal 204 bereitstellt. Das derart bearbeitete periodische Eingangssignal 200 wird weiterhin dem Integrator 198 zugeführt. Ein Ausgangssignal 206 des Integrators 198 wird zum Abschätzen eines periodischen Signals verwendet und weiterhin einem hier nicht gezeigten Modul zum Rückgewinnen der Zeitbasis und/oder des periodischen Taktsignals eines Taktgenerators einer anderen, externen Einheit zugeführt.
Zur Rückgewinnung der Zeitbasis der Einheit können unterschiedliche digitale Phasenregelkreise 192 (PLL) verwendet werden, wobei das periodische Taktsignal und damit die Zeitreferenz der Zeitbasis des Taktgenerators der Einheit aus dem detektierten periodischen Eingangssignal 200, in der Regel dem Synchronisationssignal, das von der externen Einheit bereitgestellt wird, zurückgewonnen wird. Ein derartiger Phasenregelkreis 192 stellt mit dem Ausgangssignal 206 jenes Signal, mit dem der variable Dezimator gesteuert werden kann, bereit. Das Regel- und Steuersignal kann alternativ dazu genutzt werden, um den Faktor, um den im Modul 176 des Sensors 166 aus 14 die Abtastrate reduziert wird, zu bestimmen. Hierbei kann für den Dezimator ein üblicherweise variabler Dezimationsfaktor M oder ein Schalt-(Trigger) und/oder Anzeige-(Dump) Signal für einen Reduzierer von Abtastzeitintervallen verwendet werden. Eine Länge der Dezimationsintervalle kann einem Vielfachen oder einem Teil der von der Einheit vorgegebenen Zeitintervalle zwischen Zeitmarken einer Zeitbasis des Taktgenerators der Einheit entsprechen.
In den 16, 17 und 18 sind drei Ausführungsformen von Modulen 210, 212, 214, die als digitale Phasenregelkreise ausgebildet sind, schematisch dargestellt, die in Sensoren anzuordnen sind und zur Rückgewinnung des periodischen Taktsignals und einer daraus abgeleiteten Zeitbasis eines Taktgenerators einer anderen, externen Einheit ausgebildet sind. Bei einer Ausführungsform des Verfahrens ist vorgesehen, dass jedem Modul 210, 212, 214 von der Einheit ein Synchronisationssignal 216 übermittelt wird. In den 16, 17, 18 sind jeweils entlang einer Zeitachse 217 eine n – 1-te, geschaltete Zeitmarke 218 t_trig(n – 1) sowie eine n-te, geschaltete Zeitmarke 220 t_trig(n) dargestellt. Beispielhaft sind zudem periodische Synchronisationspulse 225, 227 über der Zeit dargestellt. Der Maximalwert der Synchronisationspulse 225, 227 ist größer als ein Schwellwert 222. Erreichen die Synchronisationspulse 225, 227 den Schwellwert 222, werden die Zeitmarken 218, 220 periodisch bereitgestellt. Außerdem ist in den 16, 17, 18 ein Synchronisationsintervall 224 T_sync(n) zwischen den beiden Zeitmarken 218, 220 gezeigt. Ferner weisen alle drei Module 210, 212, 214 an ihrem Eingang einen Detektor 226 auf, der dazu ausgebildet ist, die Zeitmarken 218, 220 in Abhängigkeit einer Höhe des Schwellwerts 222 zu detektieren.
Das erste Modul 210, das in 16 schematisch dargestellt ist, ist mit einem Oszillator, der typischerweise mit einer Frequenz im MHz-Bereich schwingt, als Taktgenerator 228 eines Sensors verbunden. Außerdem umfasst das Modul 210 ein Modul 230 zum Überwachen einer Schaltzeit des Synchronisationssignals 216 sowie einen als Phasenregelschleife ausgebildeten Phasenregelkreis 232, der einen Phasendetektor 240, ein Modul 234 zum Filtern und/oder Regeln einer Signalschleife, ein Modul 236, das die Frequenz des Taktgenerators 228 herunterteilt, wobei der Teilerfaktor als Steuersignal von dem Modul 234 bereitgestellt wird, sowie einen Dezimator 238 zum Dezimieren des periodischen Signals des Moduls 236. Bei Ausführung des Verfahrens wird von dem Modul 230 bspw. die n-te Zeitmarke 220 in Zeiteinheiten des Taktgenerators 228 des Sensors dem digitalen Phasenregelkreis 232 übermittelt. Der Phasendetektor 240 bestimmt die Differenz zwischen dem Zeitpunkt der detektierten Zeitmarke 220 und einem Schätzwert 242 dieser Zeitmarke. Außerdem gibt der Phasendetektor 240 ein Fehlersignal 244 aus. Dieses Fehlersignal 244 wird dem Modul 234 zum Regeln und/oder Filtern der Signalschleife übermittelt. Das Modul 234 stellt weiterhin ein Steuersignal bereit, von dem u. a. der variable Dezimationsfaktor 246 M abhängt. Das Modul 236 teilt ein Taktsignal 250 des Taktgenerators 228 mit dem variablen Dezimationsfaktor 246 herunter. Da die Dauer des Synchronisationsintervalls 224 ein Vielfaches der Dauer des Dezimationszeitintervalls sein kann: t_M(n – 1) = t_ck·M(n – 1), können aus den Intervalldauern des gesteuerten Frequenzteilers optional durch einen Dezimator des Phasendetektors 240 um ein Vielfaches größere Intervalldauern der Synchronisationsintervalle gebildet werden. Das Signal ist ein Schätzwert des erwarteten Zeitpunkts und somit der erwarteten Zeitmarke 220 der Detektion des Synchronisationssignals 216.
Der Taktgenerator 228 des Sensors stellt dem Modul 230 eine erste Zeitmarke 248 t_ck(k) + t_{osc_jitter}(k) und dem Modul 236, das hier als gesteuerter Frequenzteiler ausgebildet ist, mit dem Taktsignal 250 t_M(n – 1) = t_ck·M(n – 1) eine zweite Zeitmarke bereit.
Das zweite Modul 212 aus 17 umfasst ebenfalls einen als Phasenregelschleife ausgebildeten Phasenregelkreis 251 mit einem Phasendetektor 240, einem Schleifenfilter 252 als Regler, einem Modul 260, das den Dezimationsfaktor 246 mit einem festen Faktor multipliziert und einen Integrator 264 mit Modulo-Arithmetik. Ein Eingangssignal des Schleifenfilters 252 ist das Fehlersignal 244, das der Phasendetektor 240 als Differenz des Zeitpunkts der detektierten Zeitmarke 220 und des Schätzwerts 242 für diese Zeitmarke 220 bildet. Als Beispiel eines üblichen Schleifenfilters 252 (Loop Filters) ist hier ein Proportional-plus-Integral Filter dargestellt. Es ist vorgesehen, dass dem Speicher eines Verzögerungsglieds 256 ein Startwert 258 bereitgestellt wird. Das Steuersignal 262 als Regelwert, das das Eingangssignal des Integrators 264 ist, kann auch genutzt werden, um den variablen Dezimationsfaktor 246 M bereitzustellen. Die Dezimationsintervalle können kleiner als die Synchronisationsintervalle 224 sein, die durch die Zeitmarken 218, 220 vorgegeben sind. Durch ein Modul 260 zur Multiplikation des Ausgangs des Schleifenfilters 252 kann aus dem variablen Dezimationsfaktor 246 ein weiteres Steuersignal 262 mit einem festen Faktor als Regelwert gebildet werden. Das Steuersignal 262 wird folglich dem Eingang des Integrators 264 mit Modulo Arithmetik bereitgestellt. Einem Speicher eines Verzögerungsglieds 268 kann für den Start des Sensors ein Startwert 263 bereitgestellt werden. Ausgangssignale des Integrators 264 sind die geschätzten Zeitpunkte des periodischen Taktsignals einer Zeitbasis, das von der Einheit bereitgestellt wird. Diese geschätzten Zeitpunkte können alternativ als Signale 270 zum Auslösen des Dezimators mit variabler Dezimationsrate genutzt werden.
Das Modul 214 aus 18 umfasst einen Phasenregelkreis 272, bspw. einen Frequenz-Phasenregelkreis. Ein Zähler 288 hat die Funktion eines digital geregelten Oszillators. Der Zähler 288 zählt bis zu einem Wert eines Steuersignals 262 aufwärts, und führt, sobald ein Zählerwert 298 größer oder gleich einem Steuerwert ist, einen Reset aus, um dann wieder bei 0 beginnend hochzuzählen. Hierbei wird der gespeicherte Inhalt eines Verzögerungsglieds 294 von einem Addierer 292 zu einem vorgegebenen konstanten Wert 290 addiert. Der Inhalt des Verzögerungsglieds 294 ist im nächsten Takt der aktuelle Zählerwert 298. Die vom Addierer 292 gebildete Summe wird im nächsten Takt das Eingangssignal des Verzögerungsglieds 294 verwendet. Der aktuelle Zählerwert 298 ist ein Ausgangssignal des Zählers 288.
Als Eingangssignal des Zählers 288 dient das Steuersignal 262. Ein Vergleicher 296 vergleicht den Zählerwert 298 mit dem Wert des Steuersignals 262. Ist der Zählerwert 298 größer oder gleich dem Regelwert des Steuersignals 262, so wird das Reset-Signal 270 gebildet. Dieses Signal 270, bspw. ein Reset-Signal, setzt den im Verzögerungsglied 294 gespeicherten Zahlenwert wieder auf 0. Demnach wird ein Reset des Zählers 288 durchgeführt.
Das Signal 270 kann auch nach außen geführt werden, um als Trigger-Signal für einen Dezimator 172 zu dienen. Alternativ kann auch das Steuersignal 262, das die Dauer der Synchronisationsintervalle 224 in Zeiteinheiten des Sensors ausdrückt, nach außen geführt werden, und die Länge der Dezimationsintervalle eines Dezimators bestimmen.
In dem Detektor 226 werden periodische Synchronisationspulse 225, 227 detektiert. Falls zu einer Zeitmarke 220 ein Synchronisationspuls 225, 227 detektiert wird, wird ein Signal 274 bereitgestellt, das einen Signalverarbeitungs-Takt, mit dem der Synchronisationspuls 225, 227 detektiert wurde, markiert. Das Signal 274 dient als Eingangssignal eines Moduls 276, dem auch der Zählerwert 298 zugeführt wird.
Ist das Signal 274 aktiv, wird der gerade aktuelle Zählerwert 298 als Signal 278 ausgegeben. Das Signal 278 dient als Eingangssignal des Phasenregelkreises 272, hier dem Frequenz-Phasenregelkreis. Optional kann die Funktion des Phasenregelkreises durch das Signal 274 ausgelöst oder angehalten werden.
Der Phasenregelkreis 272 umfasst ein Modul 240, das ein Fehlersignal 280 als Differenz zwischen dem aktuellen Zählerwert des Signals 278 und dem geschätzten Zählerwert eines Signals 286 bildet. Das Fehlersignal 280 dient als Eingangssignal des Schleifenfilters 252. Dieses Schleifenfilter 252 kann als Proportional-Plus-Integral Filter mit Tiefpasscharakteristik ausgebildet werden. Das Ausgangssignal des Schleifenfilters ist das Steuersignal 262, das als Eingangssignal des Zählers 288 dient. Aus dem Steuersignal 262 bildet das Modul 284 auf Basis einer ihm hinterlegten mathematischen Funktion einen Schätzwert des aktuellen Zählerwerts.
19 zeigt in schematischer Darstellung einige Komponenten einer weiteren Ausführungsform eines Sensors 300, dessen Aufbau weitgehend auf der anhand von 14 vorgestellten Ausführungsform des Sensors 166 beruht. Bei dieser Ausführungsform des Sensors 300 ist nunmehr vorgesehen, dass von dem variablen digitalen Dezimator 172 einer digitalen Verarbeitungseinheit 302, die zum Verarbeiten von Messwerten 186 und/oder Messsignalen 190 ausgebildet ist, ein Signal zur Heruntertaktung bereitgestellt wird. Diese Verarbeitungseinheit 302 stellt auf Grundlage des Messwerts 186 ein an eine Zeitbasis eines Taktgenerators einer weiteren, externen Einheit, bspw. einem Steuergerät, angepasstes Messsignal 190 einer Schnittstelle 304 zur digitalen Übertragung von Daten bereit, die das Messsignal 190 nunmehr an die Einheit weiterleitet.
Bei einer Ausführung des Verfahrens wird das Ausgangssignal des Delta-Sigma-Modulators 170 durch den Dezimator 172 mit variabler Dezimationsrate in ein Signal mit niedrigerer Abtastrate umgewandelt. Dabei wird der Dezimationsfaktor M des Dezimators 172 durch das periodische Synchronisationssignal des Taktgenerators der Einheit vorgegeben, wodurch von der Einheit die Dezimationsintervalle und somit Intervalle, mit denen die Messwerte erfasst werden, bestimmt werden. Der digitale Phasenregelkreis, bspw. eine digitale Phasenregelschleife, der zur Rückgewinnung der Zeitbasis der Einheit verwendet wird, stellt den Dezimationsfaktor M oder das Trigger-Signal für den Abtastraten-Reduzierer bereit.
Ausgehend von der Zeitreferenz des Sensors wird somit die Dezimation mit einer variablen Dezimationsrate durchgeführt. Dabei zeigen die Diagramme aus 11 die Dezimation eines Ausgangssignals eines Delta-Sigma Modulators mit variabler Dezimationsrate. Ein Dezimationsfaktor, der die Anzahl der hochratigen, eingehenden Messwerte bestimmt, kann variieren. Die Diagramme aus 12 zeigen anhand der Signalspektren 1320, 1322, 1324, 1326 im Frequenzbereich, wie in der asynchronen Taktrate des Sensors mit Hilfe des variablen Dezimators ein dezimiertes Messsignal erzeugt wird, das bezogen auf die Frequenzskala der Einheit eine feste Rate aufweist.
Mit CIC (Cascaded Integrator Comb) Filtern, die auch als kaskadierte Integrator-Differentiator-Filter bezeichnet werden, können Dezimatoren bezüglich eines Aufwands der Signalverarbeitung sehr effizient realisiert werden. Dabei können linearphasige, rekursive Filter, FIR-Tiefpass-Filter, üblicherweise in Kombination mit einer Reduzierung der Abtastrate, verwendet werden.
Eine mögliche Struktur eines CIC Dezimationsfilters umfasst mehrere Signalverarbeitungsstufen, wobei zunächst das Eingangssignal mit mindestens einem Integrator akkumuliert wird. Hierbei entspricht die Anzahl der Integratoren der Ordnung des Filters. Auf den mindestens einen Integrator folgt ein Abtastraten-Reduzierer. Dabei wird entsprechend des vorgegebenen Dezimationsfaktors M nur jeder M-te Abtastwert an die nächste Signalverarbeitungsstufe weitergegeben. Dem Abtastraten-Reduzierer folgt mindestens ein Differenzierer, wobei eine Anzahl Differenzierer der Ordnung des Filters entspricht. Der Differenzierer (Comb) als Teil des Dezimators arbeitet nun mit der reduzierten Dezimationsrate 1/M. Bei effizienter Umsetzung eines CIC-Filters werden Abtastwerte, die nach Reduktion einer Abtastrate nicht verwendet werden, nicht berechnet, wodurch ein mehrphasiger Filter bereitgestellt wird.
Eine Ausführungsform für einen derartigen variablen Dezimator 306, der als kaskadiertes Integrator-Differentiator-Filter ausgebildet ist, ist in 20 schematisch dargestellt. Diesem variablen Dezimator 306 ist optional ein Tiefpass-Filter 308 vorgeschaltet. Der variable Dezimator 306, der dazu ausgebildet ist, einen variablen Dezimationsfaktor M(k) bereitzustellen, umfasst einen Integrator 310 mit einem Addierer 312 und einem Verzögerungsglied 314. Weiterhin umfasst der Dezimator 306 ein Modul 316 zur Heruntertaktung des Dezimationsfilters, einen Differentiator 318 mit einem Verzögerungsglied 314 und einem Addierer 312 sowie ein Modul 320, das einen Multiplikator 322 umfasst und dazu ausgebildet ist, aus einem Kehrwert des Dezimationsfaktors M(k) einer Dezimationsrate ein Produkt 324 zu bilden. Diesem Dezimator 306 wird bei einer Umsetzung des Verfahrens und einem Modul 326 zur Rückgewinnung einer Zeitbasis eines Taktgenerators einer anderen Einheit, bspw. eines Steuergeräts, ein Dezimationsschaltsignal 328 bereitgestellt.
Dezimatoren 306 mit variabler Dezimationsrate können demnach mit CIC-Filter-Strukturen realisiert werden. Der in 20 beispielhaft gezeigte variable Dezimator 306 umfasst eine feste Tiefpass-Stufe und ein CIC-Filter erster Ordnung. Ein Dump-Signal des als Abtastraten-Reduzierer ausgebildeten Moduls 316 wird durch eine Rückgewinnung der Zeitbasis des Taktgenerators und/oder des Taktsignals (Clock Recovery) der Einheit bestimmt, wobei der Dezimationsfaktor M(k) und die Dezimationsrate der zurückgewonnenen Zeitbasis entsprechend variiert werden können.
Dabei kann der als Dezimationsfilter ausgebildeter Dezimator 306 eine SINC-Filter-Übertragungsfunktion umsetzten. Bezüglich einer Rate des dezimierten Ausgangssignals ändert sich die Übertragungsfunktion des Dezimators 306 auch bei Änderung des Dezimationsfaktors M(k) nur geringfügig, auch hierbei werden solche Abtastwerte, die nach der Abtastraten-Reduktion nicht verwendet werden, bei einer mehrphasigen Filterung nicht berechnet.
21 zeigt in schematischer Darstellung eine Anordnung 360, die auf der Anordnung 92 aus 10 beruht und neben der Einheit 94 einen im Vergleich zu dem Sensor 103 aus 10 modifizierten Sensor 362 umfasst. Hierbei ist ergänzend vorgesehen, dass das Modul 110 zur Rückgewinnung der Zeitbasis des Taktgenerators der Einheit 94 einen Zeitstempel 364 bereitstellt, der dem Modul 114 zum Abtasten der Messwerte 116 zusätzlich zu dem angepassten Signal 111, das hier als Synchronisationssignal ausgebildet ist und Abtastintervalle umfasst, bereitgestellt wird.
Üblicherweise löst die Einheit 94 mit Hilfe des ursprünglichen Synchronisationssignals 102 die Übertragung der Messwerte 116 über die digitale Schnittstelle aus, wodurch in der Einheit 94 eine Zuordnung der empfangenen Messsignale 120 zum ursprünglichen Synchronisationssignal 102 möglich ist.
Alternativ oder ergänzend können über eine digitale Schnittstelle des Sensors 362 die abgetasteten Messwerte auf Basis seiner asynchronen Zeitbasis übertragen werden. Wenn der Sensor 362 die synchron zur Zeitbasis der Einheit 94 erfassten Messwerte 116 mit dem Zeitstempel 364 des Moduls zur Rückgewinnung der Zeitbasis des Taktgenerators der Einheit 94 versieht, kann die Einheit 94 die empfangenen Messwerte wieder seiner Zeitbasis und/oder seinem Taktgenerator zuordnen.
Die in 22 schematisch dargestellte Ausführungsform eines Sensors 330 umfasst einen ersten Pfad zum Verarbeiten eines ersten Messwerts 332 für einen Druck von Kraftstoff und einen zweiten Pfad zum Verarbeiten eines zweiten Messwerts 334 für eine Temperatur des Kraftstoffs. Entlang jedes dieser beiden Pfade sind ein Delta-Sigma-Modulator 336, ein fest vorgegebener Tiefpass-Filter 338, ein skalierbarer digitaler Dezimator 340 sowie ein hier fest vorgegebener Dezimator 342 hintereinander angeordnet. Außerdem umfasst der zweite Pfad ein Modul 344 zur Korrektur eines Temperaturkoeffizienten. Als weitere Komponenten umfasst der Sensor 330 einen Taktgenerator mit frei laufendem Oszillator 346, ein Modul 348 zur Korrektur eines Offsets und zur Verstärkung von Signalen, ein Modul 350 zur Rückgewinnung einer Zeitbasis einer Einheit, bspw. eines Steuergeräts, eine eingehende Schnittstelle 352 zum Empfangen eines periodischen Synchronisationssignals 354 der Einheit sowie eine ausgehende Schnittstelle 356 zur Ausgabe von Messsignalen 358 an die Einheit.
Bei dem vorgesehenen Verfahren zum Erfassen und somit zum Abtasten von mindestens einem Messwert 116, 186, 332, 334 wird einem Sensor 60, 76, 103, 166, 300, 330, 362 von einer Einheit 48, 74, 94, üblicherweise einem Steuergerät zum Kontrollieren, d. h. Steuern und/oder Regeln, mindestens einer Funktion des Sensors 60, 76, 103, 166, 300, 362 ein periodisches Signal bereitgestellt, das aus einer Zeitbasis 52 eines Taktgenerators 50, 96 der Einheit 48, 74, 94 abgeleitet wird. Die Zeitbasis 52 des Taktgenerators 50, 96 der Einheit 48, 74, 94 wird in einer Zeitbasis 46 eines Taktgenerators 62, 104, 168, 346 des Sensors 60, 76, 103, 166, 300, 330, 362 ausgedrückt. Der mindestens eine Messwert 116, 186, 332, 334 wird zu mindestens einem Abtastzeitpunkt 71 erfasst, der durch die Zeitbasis 46 des Taktgenerators 62, 104, 168, 346 des Sensors 60, 76, 103, 166, 300, 330, 362 vorgegeben wird, die an die Zeitbasis 52 des Taktgenerators 50, 96 der Einheit 48, 74, 94 angepasst ist.
Zumindest ein Abtastintervall 73 zwischen mindestens zwei Abtastzeitpunkten 71 kann in der Regel als ganzzahliges Vielfaches oder ganzzahliger Bruchteil zumindest eines Zeitintervalls 47 zwischen mindestens zwei Zeitmarken 53 der Zeitbasis 52 des Taktgenerators 50, 96 der Einheit 48, 74, 94 ausgedrückt werden.
Üblicherweise wird von der Einheit 48, 74, 94 als periodisches Signal ein Synchronisationssignal 64, 78, 102, 188, 354 bereitgestellt, über das der mindestens eine Abtastzeitpunkt 71 zu der Zeitbasis 52 des Taktgenerators 50, 96 der Einheit 48, 74, 94 synchronisiert wird.
Die beschriebene Anordnung 92 zum Erfassen von mindestens einem Messwert 116, 186, 332, 334 umfasst einen Sensor 60, 76, 103, 166, 300, 330, 362. Eine Einheit 48, 74, 94 ist dazu vorgesehen, diesem Sensor 60, 76, 103, 166, 300, 330, 362 ein periodisches Signal mit Zeitmarken bereitzustellen, das aus einer Zeitbasis 52 eines Taktgenerators 50, 96 der Einheit 48, 74, 94, 50, 96, abgeleitet ist. Der Sensor 60, 76, 103, 166, 300, 330, 362 weist ein Modul 110, 182, 210, 212, 214, 350 zur Rückgewinnung der Zeitbasis 52 des Taktgenerators 50, 96 der Einheit 48, 74, 94 auf, das dazu ausgebildet ist, die Zeitbasis 52 des Taktgenerators 50, 96 der Einheit 48, 74, 94 zurückzugewinnen und in einer Zeitbasis 46 eines Taktgenerators 62, 104, 168, 346 des Sensors 60, 76, 103, 166, 300, 330, 362 auszudrücken. Der Sensor 60, 76, 103, 166, 300, 330, 362 ist dazu ausgebildet, den mindestens einen Messwert 116, 186, 332, 334 zu mindestens einem Abtastzeitpunkt 71 zu erfassen, der durch die Zeitbasis 46 des Taktgenerators 62, 104, 168, 346 des Sensors 60, 76, 103, 166, 300, 330, 362 vorgegeben ist, die an die Zeitbasis 52 des Taktgenerators 50, 96 der Einheit 48, 74, 94 angepasst ist.
Das Modul 110, 182, 210, 212, 214, 350, bspw. ein als Phasenregelschleife ausgebildeter Phasenregelkreis 150, 192, zur Rückgewinnung der Zeitbasis 52 des Taktgenerators 50, 96 der Einheit 48, 74, 94 ist dazu ausgebildet, aus dem von der Einheit 48, 74, 94 bereitgestellten periodischen Signal ein modifiziertes periodisches Signal 111 zu erzeugen und mindestens einer weiteren Komponente des Sensors 60, 76, 103, 166, 300, 330, 362, bspw. einem Modul, wie anhand der voranstehenden Ausführungsformen beschrieben, bereitzustellen.
Der Sensor 60, 76, 103, 166, 300, 330, 362 umfasst einen Dezimator 172, 238, 306, 340 342 mit variabler Dezimationsrate, der dazu ausgebildet ist, zumindest einen an die Zeitbasis 52 des Taktgenerators 50, 96 der Einheit 48, 74, 94 angepassten Dezimationsfaktor bereitzustellen, mit dem eine Länge von zumindest einem Abtastintervall 73 zwischen mindestens zwei Abtastzeitpunkten 71 zu dezimieren und somit als Vielfaches oder Bruchteil von zumindest einem Zeitintervall 47 zwischen mindestens zwei Zeitmarken 53 der Zeitbasis 52 des Taktgenerators 50, 96 der Einheit 48, 74, 94 auszudrücken ist.
Außerdem kann der Sensor 60, 76, 103, 166, 300, 330, 362 ein Modul 114 aufweisen, das dazu ausgebildet ist, den mindestens einen Messwert 116, 186, 332, 334 zu dem mindestens einen Abtastzeitpunkt 71 zu erfassen.
In weiterer Ausgestaltung weist der Sensor 60, 76, 103, 166, 300, 330, 362 mindestens ein Modul auf, das dazu ausgebildet ist, unter Berücksichtigung des mindestens einen erfassten Messwerts 116, 186, 332, 334 mindestens ein zu der Zeitbasis 52 des Taktgenerators 50, 96 der Einheit 48, 74, 94 synchrones Messsignal 120, 190 bereitzustellen und an die Einheit 48, 74, 94 zu übermitteln. Falls mehrere Messwerte 116, 186, 332, 334 zu erfassen und somit abzutasten sind, wird jeder Messwert 116, 186, 332, 334 eines Messsignals 120, 190 des Messelements zu einem ihm zugeordneten Abtastzeitpunkt 71 erfasst. Das Messsignal 120, 190 kann neben dem Messwert 116, 186, 332, 334 einer zu messenden Größe, bspw. einem Druck oder einer Temperatur von Kraftstoff in einer Einspritzanlage eines Kraftfahrzeugs, oder eines anderen Betriebsparameters des Kraftfahrzeugs, auch den vorgesehenen Abtastzeitpunkt 71 als Information umfassen.
Die Einheit 48, 74, 94, die in Ausgestaltung als Steuergerät ausgebildet sein kann, kann ebenfalls als Komponente der Anordnung 92 ausgebildet sein und ein Modul 100 zum Erzeugen des periodischen Signals, üblicherweise des Synchronisationssignals 64, 78, 102, 188, 216, 354, aufweisen.

Claims

Verfahren zum Erfassen von mindestens einem Messwert (116, 186, 332, 334), bei dem einem Sensor (60, 76, 103, 166, 300, 330, 362) von einer Einheit (48, 74, 94) ein periodisches Signal bereitgestellt wird, das aus einer Zeitbasis (52) eines Taktgenerators (50, 96) der Einheit (48, 74, 94) abgeleitet wird, wobei die Zeitbasis (52) der Einheit (50, 96) in einer Zeitbasis (46) eines Taktgenerators (62, 104, 168, 346) des Sensors (60, 76, 103, 166, 300, 330, 362) ausgedrückt wird, und wobei der mindestens eine Messwert (116, 186, 332, 334) zu mindestens einem Abtastzeitpunkt (71) erfasst wird, der durch die Zeitbasis (46) des Taktgenerators (62, 104, 168, 346) des Sensors (60, 76, 103, 166, 300, 330, 362) vorgegeben wird, die an die Zeitbasis (52) des Taktgenerators (50, 96) der Einheit (48, 74, 94) angepasst ist.
Verfahren nach Anspruch 1, bei dem zumindest ein Abtastintervall zwischen mindestens zwei Abtastzeitpunkten (71) als Vielfaches oder Bruchteil zumindest eines Zeitintervalls zwischen mindestens zwei Zeitmarken der Zeitbasis (52) des Taktgenerators (50, 96) der Einheit (48, 74, 94) ausgedrückt wird.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, bei dem von der Einheit (48, 74, 94) als periodisches Signal ein Synchronisationssignal (64, 78, 102, 188, 216, 354) bereitgestellt wird, über das der mindestens eine Abtastzeitpunkt (71, 142) zu der Zeitbasis (52) des Taktgenerators (50, 96) der Einheit (48, 74, 94) synchronisiert wird.
Anordnung zum Erfassen von mindestens einem Messwert (116, 186, 332, 334), die einen Sensor (60, 76, 103, 166, 300, 330, 362) umfasst, wobei eine Einheit (48, 74, 94) dazu vorgesehen ist, dem Sensor (60, 76, 103, 166, 300, 330, 362) ein periodisches Signal bereitzustellen, das aus einer Zeitbasis (52) eines Taktgenerators (50, 96) der Einheit (48, 74, 94) abgeleitet ist, wobei der Sensor (60, 76, 103, 166, 300, 330, 362) ein Modul (110, 182, 210, 212, 214, 350) zur Rückgewinnung der Zeitbasis (52) des Taktgenerators (50, 96) der Einheit (48, 74, 94) aufweist, das dazu ausgebildet ist, die Zeitbasis (52) des Taktgenerators (50, 96) der Einheit (48, 74, 94) in einer Zeitbasis (46) eines Taktgenerators (62, 104, 168, 346) des Sensors (60, 76, 103, 166, 300, 330, 362) auszudrücken, und wobei der Sensor (60, 76, 103, 166, 300, 330, 362) dazu ausgebildet ist, den mindestens einen Messwert (116, 186, 332, 334) zu mindestens einem Abtastzeitpunkt (71, 142) zu erfassen, der durch die Zeitbasis (46) des Taktgenerators (62, 104, 168, 346) des Sensors (60, 76, 103, 166, 300, 330, 362) vorgegeben ist, die an die Zeitbasis (52) des Taktgenerators (50, 96) der Einheit (48, 74, 94) angepasst ist.
Anordnung nach Anspruch 4, bei der das Modul (110, 182, 210, 212, 214, 350) zur Rückgewinnung der Zeitbasis (52) des Taktgenerators (50, 96) der Einheit (48, 74, 94) dazu ausgebildet ist, aus dem von der Einheit (48, 74, 94) bereitgestellten periodischen Signal ein modifiziertes periodisches Signal (111) zu erzeugen und mindestens einer weiteren Komponente des Sensors (60, 76, 103, 166, 300, 330, 362) bereitzustellen.
Anordnung nach Anspruch 4 oder 5, bei der das Modul (110, 182, 210, 212, 214, 350) zur Rückgewinnung der Zeitbasis (52) des Taktgenerators (50, 96) der Einheit (48, 74, 94) als Phasenregelkreis (150, 192) ausgebildet ist.
Anordnung nach einem der Ansprüche 4 bis 6, bei der der Sensor (60, 76, 103, 166, 300, 330, 362) einen Dezimator (172, 238, 306, 340, 342) mit variabler Dezimationsrate aufweist, der dazu ausgebildet ist, zumindest einen an die Zeitbasis (52) des Taktgenerators (50, 96) der Einheit (48, 74, 94) angepassten Dezimationsfaktor bereitzustellen, mit dem eine Länge von zumindest einem Abtastintervall (73) zwischen mindestens zwei Abtastzeitpunkten (71) zu dezimieren ist.
Anordnung nach einem der Ansprüche 4 bis 7, bei der der Sensor (60, 76, 103, 166, 300, 330, 362) ein Modul (114) aufweist, das dazu ausgebildet ist, den mindestens einen Messwert (116, 186, 332, 334) zu dem mindestens einen Abtastzeitpunkt (71, 142) zu erfassen.
Anordnung nach einem der Ansprüche 4 bis 8, bei der der Sensor (60, 76, 103, 166, 300, 330, 362) mindestens ein Modul aufweist, das dazu ausgebildet ist, unter Berücksichtigung des mindestens einen erfassten Messwerts (116, 186, 332, 334) mindestens ein zu der Zeitbasis (52) des Taktgenerators (50, 96) der Einheit (48, 74, 94) synchrones Messsignal (120, 190) bereitzustellen und an die Einheit (48, 74, 94) zu übermitteln.
Anordnung nach einem der Ansprüche 4 bis 9, die die Einheit (48, 74, 94) aufweist, die ein Modul (100) zum Erzeugen des periodischen Signals aufweist.