DE102015112105A1

DE102015112105A1 - Sensorvorrichtung, Auswertungsvorrichtung und entsprechende Systeme und Verfahren

Info

Publication number: DE102015112105A1
Application number: DE102015112105.0A
Authority: DE
Inventors: Thomas Zettler; Friedrich RASBORNIG; Dirk Hammerschmidt; Wolfgang Scherr; Wolfgang Scheibenzuber
Original assignee: Infineon Technologies AG
Current assignee: Infineon Technologies AG
Priority date: 2015-07-24
Filing date: 2015-07-24
Publication date: 2017-01-26
Anticipated expiration: 2035-07-25
Also published as: CN106370211A; US20190154743A1; CN106370211B; US10641809B2; DE102015112105B4; US20170023630A1; US10228403B2

Abstract

Es sind verschiedene Vorrichtungen und Verfahren offenbart, wo eine Rauschsignalkomponente eines Sensorsignals zum Erhalten von Informationen über eine Sensorvorrichtung verwendet wird.

Description

Technisches Gebiet
Die vorliegende Anmeldung betrifft Sensorvorrichtungen, Auswertungsvorrichtungen für Sensorvorrichtungen, Systeme, die solche Sensorvorrichtungen und/oder Auswertungsvorrichtungen umfassen, und entsprechende Verfahren.
Hintergrund
Sensoren werden allgemein verwendet, um eine gewisse physikalische Größe, wie Temperatur, Magnetfeld, elektrischen Strom, elektrische Spannung, Druck usw. zu erfassen und ein elektrisches Signal (zum Beispiel Spannungssignal oder Stromsignal) entsprechend der erfassten physikalischen Größe auszugeben. Neben dem eigentlichen Sensor können Sensorvorrichtungen zusätzliche Komponenten wie Verstärker, Spannungsreferenzen oder Analog/Digital-Wandler (ADC) zur Verarbeitung der Signale umfassen, die durch die tatsächlichen Sensoren generiert werden. Solche Sensorvorrichtungen können z. B. auf einem einzelnen Chip integriert sein.
Sensorvorrichtungen können in sicherheitskritischen Anwendungen verwendet werden, zum Beispiel im Automobilumfeld. Im Automobilbereich können zum Beispiel eine Entfaltung eines Airbags oder Antiblockiersysteme (ABS) auf der Basis von Signalen funktionieren, die von Sensorvorrichtungen empfangen werden. Für solche sicherheitskritischen Anwendungen gibt es verschiedene Anforderungen für Sensorvorrichtungen und Systeme, die solche Sensorvorrichtungen verwenden. Im Automobilbereich definiert zum Beispiel ISO 26262 Funktionssicherheitsanforderungen für Straßenfahrzeuge.
Eine Anforderung, die häufig in solchen sicherheitskritischen Anwendungen gestellt wird, ist, dass Fehlfunktionen der Sensorvorrichtung vom System erfassbar sein müssen, zum Beispiel durch eine Einheit, die Signale von der Sensorvorrichtung empfängt. Mit anderen Worten, gemäß einer solchen Anforderung muss es möglich sein zu erfassen, ob eine Sensorvorrichtung falsche Werte z. B. aufgrund einer Störung der Sensorvorrichtung ausgibt. Eine herkömmliche Strategie, dies sicherzustellen, ist die Bereitstellung einer Redundanz, zum Beispiel die Bereitstellung von zwei separaten Sensoren zum Messen derselben physikalischen Größe. Abweichungen zwischen Messungen der zwei Sensorvorrichtungen über einem Schwellenwert können eine Fehlfunktion von zumindest einem der zwei bereitgestellten Sensoren anzeigen. Ein Bereitstellen einer solchen Redundanz erfordert jedoch zusätzlichen Chip-Raum.
Als damit verbundenes Problem, da Hersteller ein Einhalten von Sicherheitsanforderungen garantieren müssen, kann es für Hersteller ein Anliegen sein zu garantieren, dass nur von ihnen genehmigte Komponenten verwendet werden, zum Beispiel bei einem Austausch von Komponenten wie Sensorvorrichtungen. In diesem Fall kann es zum Beispiel wünschenswert sein, dass es möglich ist zu erfassen, ob eine Austauschkomponente vom Originalhersteller oder eine andere Austauschkomponente verwendet wird.
Daher besteht ein allgemeiner Bedarf an einer Möglichkeit, auf effiziente Weise Informationen über eine Sensorvorrichtung, zum Beispiel bezüglich einer möglichen Fehlfunktion der Sensorvorrichtung oder bezüglich einer Authentizität der Sensorvorrichtung, zu erhalten.
Kurzdarstellung
In Ausführungsformen sind eine Vorrichtung wie in Anspruch 1 definiert, eine Sensorvorrichtung wie in Anspruch 21 definiert, ein System wie in Anspruch 19 definiert und ein Verfahren wie in Anspruch 22 definiert bereitgestellt. Die abhängigen Ansprüche definieren weitere Ausführungsformen.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
1 ist eine schematische Ansicht eines Systems gemäß einer Ausführungsform.
2 ist eine schematische Ansicht eines Systems gemäß einer weiteren Ausführungsform.
3 ist ein Ablaufdiagramm, das ein Verfahren gemäß einer Ausführungsform zeigt.
4 ist eine schematische Darstellung eines Systems gemäß einer weiteren Ausführungsform.
5 ist eine Darstellung, die einen Teil einer Auswertungsvorrichtung gemäß einer Ausführungsform zeigt.
6 ist ein ausführlicheres Blockdiagramm, das eine Vorrichtung oder ein System gemäß einer Ausführungsform zeigt.
7 ist eine Darstellung, die eine Modifizierung der Ausführungsform von 6 zeigt.
8 ist eine Darstellung, die beispielhafte Signale für die Ausführungsform von 6 zeigt.
9 ist ein ausführliches Blockdiagramm, das eine Vorrichtung oder ein System gemäß einer Ausführungsform zeigt.
10 ist eine Darstellung, die beispielhafte Signale für die Ausführungsform von 9 zeigt.
11 ist ein ausführliches Blockdiagramm, das eine Vorrichtung oder ein System gemäß einer weiteren Ausführungsform zeigt.
12 ist eine Darstellung, die beispielhafte Signale für die Ausführungsform von 11 zeigt.
Ausführliche Beschreibung
In der Folge werden verschiedene Ausführungsformen ausführlich unter Bezugnahme auf die beiliegenden Zeichnungen beschrieben. Es sollte festgehalten werden, dass diese Ausführungsformen nur der Veranschaulichung dienen und nicht als Einschränkung auszulegen sind. Während zum Beispiel Ausführungsformen laut Beschreibung mehrere Merkmale oder Elemente umfassen, ist dies nicht so auszulegen, dass angegeben ist, dass alle diese Merkmale und Elemente zur Implementierung der Ausführungsformen erforderlich sind. Vielmehr können in anderen Ausführungsformen einige der Merkmale und Elemente fehlen oder durch andere Merkmale und Elemente ersetzt sein. Zusätzlich können weitere Merkmale und Elemente zusätzlich zu den explizit dargestellten und beschriebenen bereitgestellt sein, zum Beispiel herkömmliche Komponenten von Sensorvorrichtungen.
Merkmale von verschiedenen Ausführungsformen können kombiniert werden, um weitere Ausführungsformen zu bilden. Variationen oder Modifizierungen, die in Bezug auf eine der Ausführungsformen beschrieben sind, können auch auf andere Ausführungsformen anwendbar sein.
Verbindungen oder Kopplungen zwischen Elementen, die in den Zeichnungen dargestellt oder hier beschrieben sind, können drahtgebundene Verbindungen oder drahtlose Verbindungen sein, falls nicht anderes angegeben ist. Ferner können solche Verbindungen oder Kopplungen direkte Verbindungen oder Kopplungen ohne zusätzlich dazwischenliegende Elemente oder indirekte Verbindungen oder Kopplungen mit einem oder mehreren zusätzlichen dazwischenliegenden Elementen sein, solange der allgemeine Zweck der Verbindung oder Kopplung, zum Beispiel eine gewisse Art von Signal zu senden oder eine gewisse Art von Information zu senden, im Wesentlichen beibehalten wird.
Ausführungsformen beziehen sich auf Sensoren und Sensorsysteme und auf ein Erhalten von Informationen über Sensoren und Sensorsysteme. Ein Sensor, wie bereits im Abschnitt ”Hintergrund” erwähnt, kann sich auf eine Komponente beziehen, die eine zu messende physikalische Größe in ein elektrisches Signal umwandelt, zum Beispiel ein Stromsignal oder ein Spannungssignal. Die physikalische Größe kann zum Beispiel ein Magnetfeld, ein elektrisches Feld, einen Druck, eine Kraft, einen Strom oder eine Spannung umfassen, ist aber nicht darauf beschränkt.
Eine Sensorvorrichtung, wie hier verwendet, kann sich auf eine Vorrichtung beziehen, die einen Sensor und weitere Komponenten umfasst, zum Beispiel eine Vorspannschaltung, einen Analog/Digital-Wandler oder ein Filter. Eine Sensorvorrichtung kann auf einem einzelnen Chip integriert sein, obwohl in anderen Ausführungsformen mehrere Chips oder auch Komponenten außerhalb eines Chips zur Implementierung einer Sensorvorrichtung verwendet werden können.
Ein System, wie hier verwendet, umfasst eine Sensorvorrichtung und zumindest eine weitere Vorrichtung, an welche die Sensorvorrichtung Signale entsprechend der gemessenen Größe sendet. Zum Beispiel kann eine solche weitere Vorrichtung eine elektronische Steuereinheit (Electronic Control Unit, ECU), zum Beispiel eine elektronische Steuereinheit eines Automobils, umfassen.
Die hier verwendete Terminologie kann der Terminologie entsprechen, die im internationalen Standard ISO 26262 verwendet wird, der sich auf eine Funktionssicherheit für Straßenfahrzeuge bezieht. Zum Beispiel kann sich der Begriff ”Fehler” auf jede Diskrepanz zwischen einem errechneten, beobachteten oder gemessenen Wert oder einer solchen Bedingung und dem wahren, spezifizierten oder theoretisch korrekten Wert oder einer solchen Bedingung beziehen. Ein Fehler kann sich auf eine abnormale Bedingung beziehen, die ein Element oder einen Gegenstand wie einen Sensor versagen lässt. Ein Versagen kann sich auf ein Ende der Fähigkeit eines Elements beziehen, eine Funktion wie erforderlich auszuführen.
Der Begriff ”Fehlfunktion”, wie hier verwendet, kann sich zum Beispiel auf einen Fehler, eine Störung oder ein Versagen im obengenannten Sinn beziehen.
Ein sicherer Zustand kann sich auf eine Betriebsart eines Gegenstands ohne unangemessenes Risikoniveau beziehen. Beispiele können eine normale Betriebsart, eine verschlechterte Betriebsart oder einen ausgeschalteten Zustand enthalten. Es kann nach Erfassen einer Fehlfunktion (zum Beispiel einer Störung) einer Einheit (zum Beispiel eines Gegenstands, Systems usw.) notwendig sein, innerhalb eines defekttoleranten Zeitintervalls in einen sicheren Zustand überzugehen. Ein solcher Übergang kann in einigen Ausführungsformen als Reaktion auf eine Rauschsignalkomponente erfolgen, die von einer Sensorvorrichtung generiert wird, die eine mögliche Fehlfunktion anzeigt.
In Ausführungsformen wird ein Rauschen eines Signals, das von einer Sensorvorrichtung erzeugt wird, ausgewertet, um Informationen über die Sensorvorrichtung zu erhalten. Solche Informationen können sich zum Beispiel auf Fehlfunktionen der Sensorvorrichtung beziehen oder können sich auf eine Authentizität der Sensorvorrichtung beziehen, um zum Beispiel Sensorvorrichtungen eines Herstellers von Sensorvorrichtungen anderer Hersteller zu unterscheiden. Ausführungsformen nutzen die Tatsache, dass verschiedene Komponenten einer Sensorvorrichtung ein spezifisches Rauschen generieren, und eine Abweichung von einem typischen Rauschmuster kann eine Fehlfunktion oder eine andere Art von Sensorvorrichtung, die verwendet wird, anzeigen, zum Beispiel eine Sensorvorrichtung von einem anderen Hersteller.
Eine solche Rauschauswertung kann von einer externen Auswertungsvorrichtung durchgeführt werden, die Signale von der Sensorvorrichtung empfängt. In einigen Ausführungsformen kann eine solche Auswertungsvorrichtung auch anderen Zwecken innerhalb eines Systems dienen. Zum Beispiel kann die Auswertungsvorrichtung durch eine ECU implementiert sein. In anderen Ausführungsformen kann eine solche Rauschauswertung innerhalb der Sensorvorrichtung durchgeführt werden und die Sensorvorrichtung kann dann entsprechende Informationen, die aufgrund des Rauschens erhalten werden, zu einer oder mehreren weiteren Vorrichtungen senden.
Unter Bezugnahme nun auf die Figuren zeigt 1 ein System gemäß einer Ausführungsform. Das System von 1 umfasst eine Sensorvorrichtung 10 und eine Auswertungsvorrichtung 12. Die Sensorvorrichtung 10 kann in einigen Ausführungsformen auf einem einzelnen Chip-Die integriert sein. In anderen Ausführungsformen jedoch können auch mehrere Chips und/oder externe Komponenten zur Implementierung der Sensorvorrichtung 10 verwendet werden. Die Sensorvorrichtung 10 kann jede physikalische Größe, wie oben erwähnt, messen und ein Signal s über eine Kommunikationsverbindung 11 zur Auswertungsvorrichtung 12 senden. Die Kommunikationsverbindung 11 kann eine drahtgebundene Verbindung oder eine drahtlose Verbindung sein. Das Signal s umfasst in dem dargestellten Beispiel eine erwünschte Signalkomponente p, die die von der Sensorvorrichtung 10 gemessene physikalische Größe darstellt, und eine Rauschkomponente n. In Ausführungsformen kann die Auswertungsvorrichtung 12 die Rauschkomponente n analysieren, um Informationen über die Sensorvorrichtung 10 zu erhalten. Zum Beispiel kann die Auswertungsvorrichtung 12 durch Analysieren der Rauschkomponente n Informationen bezüglich einer möglichen Fehlfunktion der Sensorvorrichtung 10 und/oder Informationen über eine Art der Sensorvorrichtung 10 erlangen. Als ein Beispiel für letztere kann die Auswertungsvorrichtung 12 durch Analysieren der Rauschkomponente n eine Sensorvorrichtung 10 eines speziellen Herstellers von Sensorvorrichtungen von anderen Herstellern unterscheiden.
Bei vielen Sensorvorrichtungen kann das erwünschte Signal p ein bandbegrenztes Signal sein, das zum Beispiel aus internen Signalen der Sensorvorrichtung 10 mit einer höheren Datenrate herausgefiltert werden kann. Eine solche Bandbegrenzung kann notwendig sein, wenn ein Breitbandrauschen, das durch verschiedene Quellen innerhalb der Sensorvorrichtung 10 hinzugefügt wird, entfernt werden muss, um Genauigkeitsanforderungen der Messung zu erfüllen, die durch die erwünschte Signalkomponente p repräsentiert ist. In einem solchen Fall kann die Rauschkomponente n in einem Frequenzbereich über dem bandbegrenzten Frequenzbereich analysiert werden, der vom erwünschten Signal p verwendet wird. In diesem höheren Frequenzbereich ist daher die Rauschsignalkomponente n im Wesentlichen nicht von der erwünschten Signalkomponente p gestört.
Wie später erklärt wird, können verschiedene Komponenten der Sensorvorrichtung 10 zur Rauschsignalkomponente n beitragen. In einigen Ausführungsformen können durch Analysieren der Rauschsignalkomponente n durch die Auswertungsvorrichtung 12 Informationen, welche Komponente der Sensorvorrichtung 10 möglicherweise eine Fehlfunktion aufweist, und/oder Informationen bezüglich einer Art von Fehlfunktion erhalten werden.
Wie oben erwähnt, kann eine Rauschkomponente n in einem höheren Frequenzbereich analysiert werden, als in einem Frequenzbereich, der von der erwünschten Signalkomponente p verwendet wird. In einigen Ausführungsformen kann die Verbindung 11 eine drahtgebundene Verbindung sein, die für solche höheren Frequenzbereiche geeignet ist, zum Beispiel ein Koaxialkabel oder ein anderes abgeschirmtes Kabel. Andere geeignete Verbindungen enthalten Ethernet-Verbindungen, zum Beispiel Ethernet TIA Cat 5, 6 oder 7 Verbindungen, oder sogenannte Mikrostreifenleitungen. Es können in einigen Ausführungsformen zusätzliche Abschirmungen bei solchen Verbindungen verwendet werden. Bei solchen Verbindungen können hochfrequente Rauschkomponenten zur Auswertungsvorrichtung 12 gesendet werden.
In der Ausführungsform von 1 wird die Rauschsignalkomponente n der Sensorvorrichtung 10 von einer externen Vorrichtung, in diesem Fall der Auswertungsvorrichtung 12 ausgewertet. Die Auswertungsvorrichtung 12 kann auch zum Verarbeiten der erwünschten Signalkomponente p in jeder gewünschten herkömmlichen Weise verwendet werden. In einigen Ausführungsformen kann die Auswertungsvorrichtung 12 eine elektronische Steuereinheit (ECU), zum Beispiel eine elektronische Steuereinheit in einem Automobilsystem, sein.
In anderen Ausführungsformen kann die Auswertung der Rauschkomponente innerhalb der Sensorvorrichtung ausgeführt werden. Eine entsprechende Ausführungsform ist in 2 dargestellt.
Eine Sensorvorrichtung 20 in der Ausführungsform von 2 umfasst eine Auswertungskomponente 21, die im Wesentlichen dieselbe Funktion ausführen kann, wie unter Bezugnahme auf 1 für die Auswertungsvorrichtung 12 beschrieben ist. Die Sensorvorrichtung 20 kann dann ein Sensorsignals anhand der gemessenen Größe und ein Informationssignal i über eine oder mehrere Kommunikationsverbindungen 22 senden. Zum Beispiel können in einigen Ausführungsformen Signale s und i über eine einzige Kommunikationsverbindung 22 (zum Beispiel unter Verwendung verschiedener Frequenzbereiche oder verschiedener Zeitschlitze für die zwei Signale s und i oder durch Senden von s und i als phasengleiche und Quadraturkomponenten eines Signals, um nur einige Beispiele zu nennen) gesendet werden oder es können separate Kommunikationsverbindungen bereitgestellt werden. Signale s und i werden in der Darstellung von 2 zu einer weiteren Vorrichtung 23, zum Beispiel einer ECU, gesendet.
Informationssignal i kann Informationen umfassen, die aufgrund einer Rauschkomponente eines internen Signals der Sensorvorrichtung 20 erhalten werden, und kann zum Beispiel eine Fehlfunktion der Sensorvorrichtung 20 anzeigen und/oder kann eine Art der Sensorvorrichtung 20 anzeigen. Die Art der Sensorvorrichtung kann sich auf Informationen beziehen, ob die Sensorvorrichtung 20 eine Sensorvorrichtung ist, die von einem bestimmten Hersteller bereitgestellt wird.
3 ist ein Ablaufdiagramm, das ein Verfahren gemäß einer Ausführungsform zeigt. Das Verfahren von 3 kann in den Systemen von 1 oder 2 implementiert werden, zum Beispiel in der Auswertungsvorrichtung 12 von 1 oder in der Auswertungskomponente 21 von 2, ist aber nicht darauf beschränkt.
Bei 30 umfasst das Verfahren ein Empfangen eines Sensorsignals, das eine Rauschkomponente enthält. Das Empfangen kann bei einer Auswertungsvorrichtung erfolgen, wie in 1 dargestellt, oder bei einer internen Auswertungskomponente, wie in 2 dargestellt, ist aber nicht darauf beschränkt.
Bei 31 umfasst das Verfahren ein Auswerten der Rauschkomponente des Signals, um Informationen über die Sensorvorrichtung zu erhalten, die das Sensorsignal generiert. Die Informationen können Informationen bezüglich einer Fehlfunktion der Sensorvorrichtung oder Informationen bezüglich einer Art der Sensorvorrichtung umfassen.
In einigen Ausführungsformen kann das Auswerten der Rauschkomponente ein Auswerten der Rauschkomponente in verschiedenen Frequenzbereichen umfassen. In einigen Ausführungsformen kann zum Beispiel ein Verhältnis von Rauschkomponenten in verschiedenen Frequenzbereichen mit einem Schwellenwert verglichen werden. In anderen Ausführungsformen können die Informationen Informationen über eine Komponente der Sensorvorrichtung umfassen, die eine Fehlfunktion aufweisen kann. Mit anderen Worten, in Ausführungsformen kann die Rauschkomponente ausgewertet werden, um zwischen Fehlfunktionen verschiedener Komponenten und/oder verschiedenen Arten von Fehlfunktionen zu unterscheiden.
In einigen Ausführungsformen kann die Rauschkomponente (vielleicht in einem gewissen Frequenzbereich) mit einem oder mehreren Schwellenwerten verglichen werden. In einigen Ausführungsformen können die Schwellenwerte von Umweltparametern wie einer Temperatur abhängig sein. In einigen Ausführungsformen kann die Sensorvorrichtung zweckbestimmte Rauschquellen umfassen, die zur Überwachung der Sensorvorrichtung verwendet werden.
Die obengenannten Möglichkeiten für ein Auswerten der Rauschkomponente werden in der Folge ausführlicher besprochen.
In weiteren Ausführungsformen können zwei verschiedene Sensorpfade mit unterschiedlichem Rauschverhalten bereitgestellt sein. In einigen Ausführungsformen kann das Auswerten der Rauschkomponente ein Auswerten eines Rauschverhältnisses von zwei verschiedenen Sensorpfaden umfassen. Eine beispielhafte Ausführungsform, die zwei verschiedene Sensorpfade umfasst, ist in 4 dargestellt.
In 4 ist ein System, das einen ersten Sensorpfad 41 und einen zweiten Sensorpfad 42 umfasst, bereitgestellt. Der erste Sensorpfad 41 und zweite Sensorpfad 42 können untereinander unterschiedliche Elemente aufweisen, zum Beispiel verschiedene Arten von Sensoren, verschiedene ADCs, usw. In anderen Ausführungsformen jedoch können sich der erste Sensorpfad 41 und zweite Sensorpfad 42 auch ein oder mehrere Elemente teilen. Während zum Beispiel der erste und zweite Sensorpfad verschiedene Sensoren aufweisen können, können sie einen gemeinsamen Analog/Digital-Wandler verwenden. In einigen Ausführungsformen sind der erste Sensorpfad 41 und zweite Sensorpfad 42 in einer gemeinsamen Sensorvorrichtung 40 integriert. In anderen Ausführungsformen können der erste Sensorpfad 41 und zweite Sensorpfad 42 in physikalisch getrennten Sensorvorrichtungen bereitgestellt sein. In einigen Ausführungsformen können der erste Sensorpfad 41 und zweite Sensorpfad 42 dieselbe physikalische Größe messen. Der Sensorpfad 41 stellt ein erstes Signal s1 bereit, das eine erste erwünschte Signalkomponente p1 und eine erste Rauschkomponente n1 umfasst. In dem System von 4 wird die erste Signalkomponente s1 über eine Kommunikationsverbindung 43 zu einer Auswertungsvorrichtung 45 gesendet. Ferner stellt der zweite Sensorpfad 42 ein zweites Signal s2 bereit, das eine zweite erwünschte Signalkomponente p2 und eine zweite Rauschkomponente n2 umfasst. Im System von 4 wird das Signal s2 mit Hilfe einer zweiten Kommunikationsverbindung 44 zur Auswertungsvorrichtung 45 gesendet. In anderen Ausführungsformen können, anstelle einer Bereitstellung von zwei Kommunikationsverbindungen 43, 44, Signale s1, s2 über eine einzige Kommunikationsverbindung gesendet werden, wobei zum Beispiel jede herkömmliche Multiplextechnik verwendet wird.
In Ausführungsformen können der erste Sensorpfad 41 und der zweite Sensorpfad 42 so gestaltet sein, dass sich die erste Rauschkomponente n1 von der zweiten Rauschkomponente n2 unterscheidet. Wie später erklärt wird, kann dies zum Beispiel mit Hilfe zumindest teilweise verschiedener Komponenten im ersten Sensorpfad 41 und zweiten Sensorpfad 42 erreicht werden, da verschiedene Komponenten (zum Beispiel verschiedene Arten von Analog/Digital-Wandlern) dazu neigen, verschiedene Rauschcharakteristika zu haben. Die Auswertungsvorrichtung 45 kann dann die Rauschkomponenten n1, n2 auswerten, um mögliche Fehlfunktionen zu erfassen oder andere Informationen über die ersten und zweiten Sensorpfade 41, 42 zu erhalten. Diese Auswertung für jede Komponente n1, n2 kann wie bereits unter Bezugnahme auf 1 bis 3 erklärt durchgeführt werden. Zusätzlich kann ein Verhältnis zwischen Komponenten n1 und n2 oder Teilen davon (zum Beispiel, ein Verhältnis zwischen Rauschgrößen in bestimmten Frequenzbereichen von n1, n2) von der Auswertungsvorrichtung 45 überwacht werden, um Informationen über die ersten und zweiten Sensorpfade 41, 42 zu erhalten.
Wie bereits erwähnt, kann in Ausführungsformen verschiedener Frequenzkomponenten eine Rauschkomponente eines Sensorsignals ausgewertet werden. 5 zeigt einen möglichen Signalpfad, der in einer Auswertungsvorrichtung oder in einer Sensorvorrichtung wie zuvor erwähnt implementiert sein kann. In einigen Ausführungsformen kann auch ein Teil des Signalpfads in einer Sensorvorrichtung implementiert sein, während ein anderer Teil des Signalpfads in der Auswertungsvorrichtung implementiert sein kann.
In dem Beispiel von 5 wird ein Sensorsignal s, das eine Rauschkomponente umfasst, von einem Analog/Digital-Wandler 50 digitalisiert. In einigen Ausführungsformen kann der Analog/Digital-Wandler 50 Teil der Sensorvorrichtung sein und kann zur Rauschcharakteristik der Sensorvorrichtung beitragen, wie später erklärt wird. Das digitalisierte Sensorsignal ist in 5 mit sd bezeichnet und wird einem diskreten Spektralzerlegungselement 51 ausgesetzt, zum Beispiel einer diskreten Fourier-Transformation, die praktisch als schnelle Fourier-Transformation implementiert ist, um ein Signal sd in ein Signal sf in dem Frequenzraum umzuwandeln. In anderen Ausführungsformen kann das Spektralzerlegungselement 51 zum Beispiel Analog- und/oder Digitalfilter umfassen, um eine Spektralzerlegung bereitzustellen. Einzelheiten, wie das diskrete Spektralzerlegungselement 51 implementiert wird, sind einem Durchschnittsfachmann auf dem Gebiet bekannt und werden daher hier nicht im Detail erklärt.
Eine Analyseschaltung 52 kann dann das Signal sf analysieren, analysiert zum Beispiel verschiedene Frequenzkomponenten des Signals sf und gibt ein Informationssignal i aus. Das Informationssignal i kann Informationen über Spektral- oder Frequenzkomponenten des Frequenzraumsignals sf umfassen.
In einigen Ausführungsformen kann die Spektralzerlegung des Frequenzraumsignals sf Informationen auf dem Signalpfad stromaufwärts des diskreten Informationssignalelements 51 enthalten, optional sogar stromaufwärts und bis zum diskreten Zerlegungselement 51.
Mit anderen Worten, Charakteristika des Sensorelements (nicht dargestellt), das das Signal s bereitstellt, können eine Auswirkung auf das Frequenzraumsignal sf haben. Alternativ oder zusätzlich kann der Analog/Digital-Wandler 50 eine Wirkung auf das Frequenzraumsignal sf haben. Ebenso kann jedes Verarbeitungselement innerhalb des Signalpfads, wie ein Filter, ein Verstärker, ein Verzögerungselement, usw., eine Auswirkung auf das Frequenzraumsignal sf haben.
Sämtliche dieser Auswirkungen oder Veränderungen im Frequenzraumsignal sf können nützlich sein, um eine gewisse Form von Abweichung vom normalen Verhalten für eines oder alle dieser Elemente zu identifizieren. Charakteristika des Frequenzraumsignal sf können durch das Informationssignal i wiederspiegelt werden.
In einigen Implementierungen kann das Informationssignal i Informationen bezüglich der Sensorvorrichtung (zum Beispiel Informationen bezüglich einer möglichen Fehlfunktion oder Informationen bezüglich einer Authentizität wie oben erklärt) umfassen. Die Komponenten 51, 52 können zum Beispiel in einer Auswertungsvorrichtung wie der Auswertungsvorrichtung 12 oder 45 oben oder in einer Auswertungskomponente 21 implementiert sein. Wenn die Komponenten 51 und 52 ein Digitalsignal verarbeiten, können sie zum Beispiel auch zumindest teilweise durch Software durch entsprechendes Programmieren eines Prozessors implementiert sein, aber sie können auch mit Hilfe von Hardware-Komponenten, zum Beispiel logischen Komponenten, implementiert sein. In einigen Ausführungsformen kann zum Beispiel ein digitaler Signalprozessor verwendet werden, um die diskrete Fourier-Transformation und die Analyse zu implementieren.
In anderen Ausführungsformen können anstelle einer diskreten Fourier-Transformation, Filter, zum Beispiel Bandpassfilter, zum Herausfiltern von Frequenzkomponenten des zu analysierenden Signals s verwendet werden, insbesondere Signalkomponenten mit einer kleinen oder keiner erwünschten Signalkomponente darin.
In der Folge werden ausführlichere Ausführungsformen besprochen, um oben dargelegte Konzepte zu veranschaulichen.
6 zeigt eine Ausführungsform einer Sensorvorrichtung oder eines Systems gemäß einer Ausführungsform. Die Ausführungsform von 6 umfasst verschiedene Blöcke 60 bis 610, die verschiedene Komponenten der Vorrichtung oder des Systems repräsentieren. In einigen Ausführungsformen können alle dargestellten Blöcke in einer integrierten Sensorvorrichtung bereitgestellt sein, wobei in diesem Fall 6 eine Sensorvorrichtung zeigt. In anderen Ausführungsformen können einige der Komponenten, zum Beispiel ein Block 66, der später besprochen wird, in einer externen Auswertungsvorrichtung bereitgestellt sein (wie zum Beispiel in 1 dargestellt), wobei in diesem Fall 6 ein System veranschaulichen kann, das eine Sensorvorrichtung und eine Auswertungsvorrichtung umfasst.
Die Ausführungsform von 6 umfasst einen ersten Sensor 62, zum Beispiel einen Hall-Sensor, zum Messen eines Magnetfelds, einen zweiten Sensor 67, zum Beispiel einen Temperatursensor, und einen dritten Sensor 69, zum Beispiel einen Spannungsssensor, d. h. einen Sensor zum Messen einer mechanischen Spannung. Diese Arten von Sensoren dienen nur als Beispiele und andere Arten von Sensoren können bereitgestellt werden. Es ist klar, dass die Arten von Sensoren 62, 67, 69 eine identische physikalische Größe messen können, beispielsweise die Magnetfeldstärke. Alternativ können die Arten von Sensoren 62, 67, 69 verschiedene physikalische Größen messen, wie Sensor 67 Temperatur, Sensor 69 mechanische Spannung und Sensor 62 Magnetfeldstärke. Als eine weitere Alternative können einige der Arten von Sensor dieselbe physikalische Größe messen, z. B. Sensoren 62 und 67 das Magnetfeld, während das weitere Sensorelement 69 eine andere Größe misst, z. B. Spannung oder Temperatur. Es ist klar, dass andere Konfigurationen denkbar sind und für die vorliegende Offenbarung in Betracht gezogen werden.
Jeder der Sensoren 62, 67 und 69 kann eine erwünschte Signalkomponente generieren, welcher eine spezielle Rauschsignalkomponente hinzugefügt wird, wie durch Addierer in 6 dargestellt. Ein solches Hinzufügen von Rauschsignalkomponenten ist Sensoren üblicherweise inhärent. Ohne Einschränkung kann eine spezielle Rauschkomponente absichtlich hinzugefügt werden. Es ist denkbar, dass die absichtlich hinzugefügte Rauschkomponente die intrinsische Rauschkomponente dominiert.
Der erste Sensor 62 kann durch eine erste Vorspannung vorgespannt werden, die von einem ersten Vorspannblock 61 generiert wird (zum Beispiel einem DC-DC-Wandler oder einer stabilisierten Spannungsquelle). Ebenso wird in der Ausführungsform von 6 der dritte Sensor 69 durch einen Vorspannblock 68 vorgespannt, zum Beispiel einen DC-DC Wandler oder eine stabilisierte Spannungsquelle, während der zweite Sensor 67 intern vorgespannt wird. Vorspannblöcke 61, 68 generieren ihre Vorspannungen auf der Basis einer Referenzspannung, die von einer Referenzspannungskomponente 60 bereitgestellt wird, zum Beispiel einer Bandlückenschaltung. Jede der Komponenten 60, 61 und 68 generiert auch eine erwünschte Signalkomponente (zum Beispiel Vorspannung und Referenzspannung), die eine gewisse Rauschsignalkomponente umfassen kann. Rauschen von der Referenzkomponente 60 verursacht auch Rauschsignalkomponenten in den Signalen von Vorspannkomponenten 61, 68, die ihrerseits ein Rauschen in den Sensorsignalen verursachen, die von Sensoren 62, 69 ausgegeben werden. Mit anderen Worten, Rauschsignalkomponenten breiten sich im Grunde in der Schaltung aus. Abhängig von Implementierungen können die Rauschsignalkomponenten verändert werden, wenn sie sich innerhalb einer Schaltung wie beschrieben ausbreiten.
Das Signal vom ersten Sensor 62 wird zu einem analogen Block 63 geleitet, der zum Beispiel einen Verstärker und/oder ein Analogfilter umfassen kann. Ebenso wird in einem Analogblock 63 ein charakteristisches Rauschen dem Signal hinzugefügt. Das Signal, das vom Analogblock 63 ausgegeben wird, wird einem ersten Analog/Digital-Wandler 64 bereitgestellt, der in dem dargestellten Beispiel ein Sigma-Delta Analog/Digital-Wandler oder ein anderer geeigneter Analog/Digital-Wandler sein kann. Auch bei dieser Analog/Digital-Umwandlung wird ein Rauschen (z. B. Quantisierungsrauschen) dem Ausgangssignal hinzugefügt.
Ferner werden die Signale vom zweiten Sensor 67 und dritten Sensor 69 einem zweiten Analog/Digital-Wandler 610 bereitgestellt, der in dem dargestellten Beispiel ein sukzessiver Annäherungsregister(SAR)-Wandler sein kann. Auch bei der Umwandlung durch den Wandler 610 wird ein spezielles Rauschen hinzugefügt. Insbesondere können sich die durch den ersten AD-Wandler 64 hinzugefügten Rauschkomponenten von den speziellen Rauschkomponenten unterscheiden, die vom Wandler 610 hinzugefügt werden.
Die Ausgänge des ersten und zweiten Analog/Digital-Wandlers 64, 610 werden einem ersten Digitalsignalverarbeitungsblock 65 bereitgestellt, der in einem ersten Digitalen Signalprozessor implementiert sein kann. In Block 65 kann zum Beispiel eine Temperatur- und Spannungsskompensation des Signals, das vom ersten Analog/Digital-Wandler 64 bereitgestellt wird, anhand des Signals durchgeführt werden, das vom zweiten Analog/Digital-Wandler 610 bereitgestellt wird. Zum Beispiel können Verweistabellen oder andere Kalibrierungskurven zum Korrigieren des Signals, das vom ersten Analog/Digital-Wandler 64 ausgegeben wird, anhand von Messungen von den zweiten und dritten Sensoren 67, 69 verwendet werden. Das Signal, das vom ersten Analog/Digital-Wandler 64 ausgegeben wird, repräsentiert das Signal, das vom ersten Sensor 62 gemessen wird (einschließlich des Rauschens, das vom Sensor 62 hinzugefügt wird), wie auch Rauschkomponenten, die von Komponenten 60, 61 und 63 in digitaler Form hinzugefügt werden, mit der Ausnahme von Komponenten, die aufgrund der Digitalisierung verloren gehen (zum Beispiel ist weißes Rauschen nur bis zur Nyquist-Frequenz enthalten). Zusätzlich enthält das Signal, das vom ersten Analog/Digital-Wandler 64 ausgegeben wird, ein Rauschen wie Quantisierungsrauschen, das aufgrund der Wandlung im ersten Analog/Digital-Wandler 64 hinzugefügt wird. Dieses Rauschen, das vom ersten Analog/Digital-Wandler 64 hinzugefügt wird, kann für die Art von Analog/Digital-Wandlung charakteristisch sein, die vom ersten Analog/Digital-Wandler 64 verwendet wird.
Temperatur- und Spannungsskompensation in Block 65 oder jede andere Funktion kann ein weiteres Rauschen hinzufügen. Das Ausgangssignal von Block 65 wird einem zweiten Digitalsignalverarbeitungsblock 66 bereitgestellt. Der zweite Digitalsignalverarbeitungsblock 66 kann in demselben Digitalen Signalprozessor implementiert sein wie Block 65 oder kann z. B. mit Hilfe eines zweiten Digitalsignalprozessors oder z. B. jedes anderen Prozessors, jeder Schaltung oder Logik implementiert sein. In dem Beispiel von 6 führt Block 66 eine Rauschverringerung an dem Signal unter Verwendung herkömmlicher Rauschverringerungstechniken durch, zum Beispiel mit Hilfe von Filtern. Ferner führt Block 66 eine Rauschanalyse durch, um Informationen über die Komponenten im Signalpfad zu erhalten, die das Signal generieren, das dem Block 66 bereitgestellt wird, zum Beispiel über die Sensorvorrichtung, die die Blöcke 60 bis 65, 67 bis 610 in dem Beispiel von 6 enthält. Die Informationen können zum Beispiel Informationen bezüglich möglicher Fehlfunktionen oder Authentizitätsinformationen enthalten. Die Informationen können in einigen Ausführungsformen auch anzeigen, welche Komponente oder welcher Block eine Fehlfunktion haben kann. Beispiele, wie auf Rauschen beruhende Informationen, die für verschiedene Blöcke oder Komponenten in einem Signalpfad spezifisch sind, erhalten werden können, werden später unter Bezugnahme auf 8 besprochen.
Es sollte festgehalten werden, dass 6 nur ein Beispiel einer Sensorvorrichtung oder eines Systems ist, die bzw. das zum Beispiel einen Hall-Sensor als primären Sensor verwendet.
6 zeigt insbesondere ein Beispiel, wie Signalverarbeitungsblöcke einer solchen Sensorvorrichtung die Daten des ersten Sensors 62 verarbeiten können und diese mit weiteren Messungen (zum Beispiel Temperatur- und Spannungsmessungen) kombinieren können, um zum Beispiel parasitäre Einflüsse zu entfernen. Zum Beispiel können Nichtlinearitäten der Messung durch den ersten Sensor 62 aufgrund von Temperaturwirkungen und/oder Einflüssen einer mechanischen Spannung auf dem ersten Sensor 62 oder anderen Blöcken (z. B. elektronischen Schaltungen davon) kompensiert werden. In anderen Ausführungsformen kann zusätzlich oder alternativ ein Versatz korrigiert werden. Die meisten der Blöcke von 6 verarbeiten ein eingehendes Signal, das aus Signalen und Rauschen besteht, die von vorangehenden Blöcken geliefert werden, und seinen eigenen Rauschbeitrag hinzufügt. Das Endergebnis wird auf der Basis verschiedener Signalquellen (Referenzquelle 60 und erster bis dritter Sensor 62, 67 und 69) und verschiedener Rauschquellen (zum Beispiel thermisches Rauschen, Flickerrauschen, geformtes Rauschen (z. B. rauschgeformtes Rauschen, d. h. Rauschen, das durch Rauschformen generiert/diesem unterzogen wird) eines Sigma-Delta Analog/Digital-Wandlers, gleichförmiges weißes Rauschen eines SAR Analog/Digital-Wandlers) zusammengestellt, die in einer vorbestimmten Weise basierend auf den Anordnungs- und Implementierungsdetails der in 6 dargestellten Blöcke kombiniert werden.
Es sollte festgehalten werden, dass in einigen Ausführungsformen Blöcke, die ein zweckbestimmtes Rauschen hinzufügen, zusätzlich bereitgestellt sein können, um ein charakteristisches Rauschen (zum Beispiel für Authentizitätsmessungen) hinzuzufügen. Dies ist schematisch in 7 dargestellt. Die Komponenten 70 und 72 in 7 können beliebige Blöcke einer Sensorvorrichtung oder eines Systems sein, zum Beispiel einer der Blöcke, die in 6 dargestellt sind. In 7 ist ein Rauschadditionsblock 71 zwischen Komponenten 70, 72 bereitgestellt, der dem Signal ein Rauschen hinzufügt, in einigen Ausführungsformen zumindest vorwiegend in einem Frequenzbereich außerhalb eines Frequenzbereichs, der von einer erwünschten Signalkomponente verwendet wird, aber das Signal sonst nicht verarbeitet. In anderen Ausführungsformen kann ein Rauschen vom Rauschadditionsblock auch oder nur in dem Frequenzbereich hinzugefügt werden, der von der erwünschten Signalkomponente verwendet wird. Solche Rauschadditionsblöcke wie Komponente 71 können insbesondere für Authentizitätsmessungen verwendet werden.
Zur näheren Veranschaulichung einer Rauschanalyse zeigt 8 ein schematisches Ausgangsspektrum, das dem Block 66 der Ausführungsform von 6 bereitgestellt wird (d. h. ein Spektrum eines beispielhaften Ausgangssignals von Block 65). Es sollte festgehalten werden, dass das in 8 dargestellte Signal nur als veranschaulichendes Beispiel dient und abhängig von der Implementierung verschiedener Komponenten einer Sensorvorrichtung oder eines Systems die Signalform variieren kann.
Als ein Beispiel zeigt 8 eine erwünschte Signalkomponente 80 (zum Beispiel entsprechend einer physikalischen Größe, die vom Sensor gemessen wird) und eine Rauschsignalkomponente 81. 8 zeigt die Spektraldichte gegenüber Frequenz (f) in einer Log-Log-Kurve. Wie in 8 dargestellt, ist die erwünschte Signalkomponente 80 auf tiefere Frequenzen bandbegrenzt.
In Ausführungsformen kann die Rauschsignalkomponente 81 in einem Bereich über einem Frequenzbereich einer erwünschten Signalkomponente 80 analysiert werden. In anderen Ausführungsformen kann eine zusätzliche oder alternative Rauschsignalkomponente 81 im Frequenzbereich der erwünschten Signalkomponente 80 analysiert werden. Ferner kann in Fällen, wo der Frequenzbereich einer erwünschten Signalkomponente nicht bei 0 beginnt, auch eine Rauschsignalkomponente in einem Frequenzbereich unter dem Frequenzbereich der erwünschten Signalkomponente analysiert werden. Die erwünschte Signalkomponente kann in einigen Ausführungsformen auch vor der Rauschanalyse durch ein Tiefpassfilter herausgefiltert werden. In dem Beispiel von 8 kann die Rauschkomponente 81 in verschiedene Bereiche geteilt werden, wie durch Trennlinien 84, 85 dargestellt. Bei Frequenzen unter der Linie 84 kann die Rauschkomponente dominantes Flickerrauschen (1/f Rauschen, Schrotrauschen) sein. Ein solches Rauschen kann zum Beispiel durch Elektronen an einem p-n-Übergang verursacht werden und/oder kann in einer analogen Stufe wie Block 63 von 6 generiert werden. Bei mittleren Frequenzen im Wesentlichen zwischen Linien 84, 85 in 8 kann die Rauschkomponente 81 dominantes thermisches Rauschen sein. Thermisches Rauschen kann eine höhere Bandbreite als Flickerrauschen haben. Schließlich kann bei Frequenzen, die höher als durch Linie 85 angegeben sind, die Rauschkomponente 81 durch Rauschen dominiert werden, das durch eine rauschgeformte Quantisierung verursacht wird, zum Beispiel durch eine Komponente 64 in der Art eines Sigma-Delta Analog/Digital-Wandlers (ADC) von 6. Rauschen steigt in diesem Bereich typischerweise bei einer Rate in der Größenordnung von 20 dB pro Frequenzdekade für Sigma-Delta ADCs der zweiten oder dritten Größenordnung.
In Ausführungsformen kann das Frequenzspektrum der in 8 gezeigten Rauschkomponente 81 mit einem oberen und unteren Grenzwert 82 und 83 in 8 verglichen werden. Wenn für eine gewisse Frequenz oder Frequenzen die Rauschkomponente 81 den ”Korridor” verlässt, der durch Grenzwerte 82 und 83 begrenzt ist, kann dies zum Beispiel eine Fehlfunktion wie eine Störung des Sensorsignals anzeigen und/oder kann anzeigen, dass eine andere Sensorvorrichtung als vom Hersteller beabsichtigt verwendet wird, da jede Art von Sensorvorrichtung unterschiedliche typische Rauschcharakteristika haben kann. Abhängig vom Frequenzbereich, für den die Rauschsignalkomponente 81 den ”Korridor” verlässt, und abhängig davon, ob der obere Grenzwert 82 oder der untere Grenzwert 83 des Korridors verletzt ist, können in einigen Ausführungsformen Informationen bezüglich der Art von Fehlfunktion und/oder eine Anzeige, welche Komponente der Sensorvorrichtung eine Fehlfunktion aufweisen kann, erhalten werden.
Wie zum Beispiel in dem Beispiel von 8 für Frequenzen über der Linie 85 erwähnt, wird die Rauschsignalkomponente durch ein rauschgeformtes Quantisierungsrauschen dominiert, das zum Beispiel durch einen Sigma-Delta Analog/Digital-Wandler verursacht wird. Daher kann eine Verletzung des Korridors in diesem Frequenzbereich eine gewisse Fehlfunktion eines Sigma-Delta Analog/Digital-Wandlers der Sensorvorrichtung anzeigen.
Der obere Grenzwert 82 und untere Grenzwert 83 repräsentieren Schwellenwerte für das Rauschen, die zum Beispiel durch eine Kalibrierungsprozedur bestimmt werden können, zum Beispiel durch Messen des Rauschens der Sensorvorrichtung unter verschiedenen Betriebsbedingungen und/oder für mehrere Sensorvorrichtungen einer speziellen Art, und Wählen der oberen und unteren Grenze 82, 83, sodass die Rauschsignalkomponente 81 innerhalb der Grenzen für eine solche störungsfreie Verwendung liegt.
Um weitere Beispiele bezüglich der Analyse der Rauschsignalkomponente 81 anzuführen, wenn eine Rauschsignalkomponente 81 den oberen Grenzwert 82 übersteigt, kann dies eine Instabilität eines Sigma-Delta Analog/Digital-Wandlers (wie Block 64) anzeigen, insbesondere, wenn das Überschreiten im Frequenzbereich über der Linie 85 auftritt. Ein Überschreiten des oberen Grenzwerts kann auch jede andere (unerwünschte) Schwingung anzeigen, zum Beispiel einer Referenzspanungsquelle (zum Beispiel Block 60 von 6), eine externe Verzerrung zum Beispiel durch exzessives Rauschen auf einer Versorgungsspannung, ein Überschreiten eines Differential-Nichtlinearitäts(DNL)-Grenzwerts eines Nyquist Analog/Digital-Wandlers, eine Übertemperatur, eine Fehlfunktion eines Temperatur- oder Spannungssensors (zum Beispiel Sensoren 67, 69 von 6), einen erhöhten Strahlungseinfluss (zum Beispiel können Alpha-Partikel einen Beitrag eines Flickerrauschens in einem Frequenzbereich unter der Linie 84 erhöhen), eine zu hohe Verstärkung von internen Übertragungsfunktionsblöcken, nichtlineare Effekte, die Rauschenergie von einer Frequenz auf eine andere Frequenz übertragen, oder eine erhöhte Defektdichte (zum Beispiel können Fallen in Gate-Oxiden, die in den Komponenten verwendet werden, einen Beitrag von Flickerrauschen erhöhen, d. h. insbesondere von Rauschen unter der Linie 84).
Ein Unterschreiten des unteren Grenzwerts 83 (d. h. eine Rauschsignalkomponente 81, die unter den unteren Grenzwert 83 fällt), kann z. B. eine anhaltende Störung von internen Signalen der Sensorvorrichtung anzeigen (die zu einer Verringerung oder einem vollständigen Fehlen des Rauschens führen). Interne Signale können sich auf Signale auf elektrischen Verbindungen oder an Knoten in einer Schaltung, z. B. einer integrierten Schaltung beziehen. Zum Beispiel kann ein Kurzschluss zur Masse bewirken, dass ein Knoten am Massepotential hängenbleibt (was z. B. eine logische 0 repräsentieren kann) und kann gleichzeitig ein Rauschen verringern. Ein Unterschreiten des unteren Grenzwerts 83 kann auch eine zu geringe Verstärkung von internen Übertragungsfunktionsblöcken (zum Beispiel eine zu geringe Verstärkung eines Verstärkers in Block 63), nichtlineare Effekte, die eine Rauschenergie von einer Frequenz zu einer anderen Frequenz übertragen, oder eine Senkung oder einen Verlust einer Sensorvorspannung (zum Beispiel Ausgangsspannungen von Blöcken 61, 68 von 6) anzeigen.
Wie aus der obenstehenden Liste möglicher Fehlfunktionen hervorgeht, die eine Rauschabweichung verursachen können, hat eine Überwachung und Analyse der Rauschsignalkomponenten eine hohe Kapazität, eine Fehlfunktion einer Sensorvorrichtung zu erfassen, während der Implementierungsaufwand einer solchen Analyse vergleichsweise gering ist. In Ausführungsformen ist die erforderliche Versagensreaktionszeit ausreichend lang (zum Beispiel in einem Millisekundenbereich), um die erforderliche Analyse des Rauschens durchzuführen (zum Beispiel Fourier-Transformation und Vergleichen von Frequenzkomponenten mit einem oberen und unteren Grenzwert, wie oben unter Bezugnahme auf 8 erklärt, oder Durchführen eines entsprechenden Bandpassfilterns).
Eine solche Anforderung bezüglich der Versagensreaktionszeit wird häufig für Sensoren erfüllt, die bandbegrenzte Signale abgeben (wie in 8 für die erwünschte Signalkomponente 80 dargestellt), zum Beispiel Airbag-Sensoren, Lenkdrehmomentsensoren, Lenkwinkelsensoren, Drosselventilsensoren, Verteilerluftdrucksensoren oder barometrische Luftdrucksensoren im Automobilumfeld.
Zweckbestimmte Rauschadditionskomponenten wie Komponenten 71 können auch spezielle Rauschsignaturen zu der Rauschsignalkomponente hinzufügen. Zum Beispiel kann durch Überwachung solcher zweckbestimmten Rauschsignalkomponenten die Authentizität der Sensorvorrichtung bestätigt werden. Ferner können auch solche zweckbestimmten Rauschsignalkomponenten eine spezielle Reaktion auf Umweltfaktoren wie Übertemperatur haben, die auch durch Überwachung der speziellen Rauschsignatur der zweckbestimmten Rauschadditionskomponente erfasst werden kann.
In der Ausführungsform, die in Bezug auf 8 dargestellt ist, sind der obere und untere Grenzwert 82, 83 festgesetzt. In anderen Ausführungsformen können solche oberen und unteren Grenzwerte variabel sein und können von gewissen Messparametern abhängen, zum Beispiel Umweltparametern wie Temperatur oder Spannung. Es wird nun eine entsprechende Ausführungsform unter Bezugnahme auf 9 und 10 beschrieben.
9 ist ein ausführliches Blockdiagramm einer Sensorvorrichtung oder eines Systems gemäß einer weiteren Ausführungsform. Um Wiederholungen zu vermeiden, sind Blöcke, die dieselbe Funktion wie Blöcke in der Ausführungsform von 6 haben, mit denselben Bezugszeichen versehen und werden nicht wieder beschrieben. Modifizierungen und Variationen, die in Bezug auf die Ausführungsform von 6 beschrieben sind, können auch bei der Ausführungsform von 9 anwendbar sein.
Insbesondere zeigt 9 auch eine Sensorvorrichtung oder ein System, die bzw. das einen ersten Sensor 62, der ein Magnetfeldsensor wie ein Hall-Sensor sein kann, und einen zweiten und dritten Sensor 67, 69, die Temperatur bzw. Spannung messen können, umfassen.
Anstelle von Block 66 von 6 ist in 9 ein Block 90 bereitgestellt, der ähnlich wie Block 66 von 6 unter Verwendung eines Digitalsignalprozessors implementiert werden kann und der eine Rauschverringerung an einem Signal durchführen kann, das vom Block 65 empfangen wird, und zusätzlich eine Rauschanalyse zum Bereitstellen von Informationen über die Sensorvorrichtung, zum Beispiel Informationen bezüglich möglichen Fehlfunktionen oder Informationen bezüglich Authentizität, z. B. in Bezug auf Komponenten stromaufwärts von Block 90 durchführen kann.
Für eine Rauschanalyse kann der Block 90 in der Ausführungsform von 9 variable Grenzwerte oder Schwellenwerte, zum Beispiel variable obere und untere Grenzwerte verwenden. Diese oberen und unteren Grenzwerte können zum Beispiel von einer Temperatur abhängen, die vom ersten Sensor 67 gemessen wird, und/oder von einer Spannung, die vom dritten Sensor 69 gemessen wird. Die Rauschanalyse in Block 90 kann dann diese Grenzwerte für eine angepasste Rauschanalyse verwenden. Solche Grenzwerte können z. B. als Kalibrierungsdaten in einem Speicher 91 gespeichert werden. Der Speicher 91 kann zum Beispiel jede Art von Speicher sein, zum Beispiel ein Flash-Speicher oder ein Nur-Lese-Speicher oder ein elektrisch programmierbarer Nur-Lese-Speicher (EPROM), ist aber nicht darauf beschränkt. Solche Kalibrierungsdaten können zum Beispiel durch Messen eines Rauschens für mehrere Sensorvorrichtungen unter verschiedenen Bedingungen von Parametern wie Temperatur und/oder Spannung erhalten werden. Aus solchen Messungen können Grenzwerte erhalten werden, so dass im normalen (störungsfreien) Betrieb diese Grenzwerte nicht verletzt werden. Es sollte festgehalten werden, dass Temperatur und Spannung nur als Beispiele für Parameter angeführt werden, die gemessen werden und auf deren Basis die Grenzwerte eingestellt werden, und auch andere Parameter verwendet werden können.
10 zeigt solche variierenden Grenzen, die dieselbe erwünschte Signalkomponente 80 und dieselbe Rauschsignalkomponente 81 wie in 8 als beispielhafte Signale verwenden. Bezugszeichen 84 und 85 zeigen Grenzen zwischen verschiedenen Rauschbereichen, wie unter Bezugnahme auf 8 erklärt wurde. Im Gegensatz zu 8 werden in 10 ein oberer Grenzwert 100 und ein unterer Grenzwert 101 verwendet, die abhängig z. B. von der Temperatur verschoben werden können. Zum Beispiel können der obere Grenzwert 100 und der untere Grenzwert 101 mit steigender Temperatur nach oben verschoben werden und mit fallender Temperatur nach unten verschoben werden, was die Tatsache wiederspiegelt, dass in vielen Anwendungen ein Rauschen mit der Temperatur steigt. Zum Beispiel kann thermisches Rauschen zur Temperatur proportional sein.
Mit einer solchen Ausführungsform kann für eine bestimmte Temperatur der Korridor zwischen oberem Grenzwert und unterem Grenzwert verschmälert werden, wie aus einem Vergleich zwischen 8 und 10 hervorgeht. Es sollte festgehalten werden, dass dies nicht für den gesamten Frequenzbereich gelten muss, sondern in einigen Ausführungsformen nur in einem Temperaturbereich durchgeführt wird, wo ein thermisches Rauschen dominant ist, zum Beispiel im Wesentlichen zwischen Linien 84 und 85. Mit anderen Worten, es müssen nicht die vollständigen Kurven für den oberen Grenzwert 100 und unteren Grenzwert 101 mit der Temperatur verschoben werden, sondern einige Teile können auch im Wesentlichen konstant bleiben.
Der Korridor kann insbesondere im Vergleich zum Korridor von 8 kleiner gestaltet sein. Zum Beispiel muss der Korridor, der durch den oberen und unteren Grenzwert von 10 definiert ist, nicht Rauschvariationen über einen vollständig akzeptierbaren Temperaturbereich (zum Beispiel den Temperaturbereich, für den die Vorrichtung gestaltet ist) aufnehmen können, sondern der Korridor selbst kann sich mit der Temperatur verschieben, wie durch Pfeile 102, 103 dargestellt. Ein kleinerer Korridor bedeutet, dass Fehlfunktionen, die durch Rauschen angegeben werden, früher erfasst werden können und/oder kleinere Abweichungen erfasst werden können. Mit anderen Worten, die diagnostische Abdeckung kann erhöht werden, ohne eine Verfügbarkeit des Sensorsignals zu senken. Zur Erklärung, mit einem kleineren Korridor können Fehlfunktionen früher erfasst werden, wie oben erwähnt, es steigt aber auch (z. B. wenn der Korridor zu klein wird) ein Risiko, dass korrekte Werte so interpretiert werden, dass sie eine Fehlfunktion anzeigen. Ohne z. B. Verschieben des Korridors mit der Temperatur muss der Korridor breit genug sein, um korrekte Werte für alle relevanten Temperaturen aufzunehmen. Mit der oben erklärten Verschiebung kann der Korridor kleiner gestaltet werden, ohne im Wesentlichen das Risiko zu erhöhen, dass korrekte Werte als Fehler interpretiert werden, da der Korridor nun nur korrekte Werte für eine spezielle Temperatur oder einen Temperaturteilbereich aufnehmen muss.
Es sollte festgehalten werden, dass der obere und untere Grenzwert nicht nur abhängig von externen Parametern geändert werden können, sondern in einigen Ausführungsformen auch anhand von anderen Kriterien geändert oder angepasst werden können. Zum Beispiel kann der Korridor, der durch den oberen und unteren Grenzwert definiert ist, abhängig von internen Zuständen geändert werden, zum Beispiel nach einer definierten Einschwingzeit der Sensorvorrichtung (zum Beispiel einer definierten Zeit nach Einschalten der Sensorvorrichtung) verschmälert werden. Mit anderen Worten, die Anpassung des oberen und unteren Grenzwerts kann dazu dienen, den oberen und unteren Grenzwert an Änderungen des Rauschverhaltens anzupassen, die bekannt sind und keine Fehlfunktionen oder andere Eigenschaften der zu erfassenden Sensorvorrichtung anzeigen.
Neben dem Spektrum des Rauschens (d. h. Spektraldichte über Frequenz) kann in einigen Ausführungsformen zusätzlich oder alternativ eine statistische Verteilung des Rauschens analysiert werden. Zum Beispiel hat eine thermische Rauschverteilung üblicherweise eine Gaußsche Verteilung, eine Flickerrauschverteilung hat eine Poisson-Verteilung und ein Quantisierungsrauschen hat eine gleichförmige Verteilung. Daher können typische Spektralverteilungen für Rauschen in gewissen Spektralbereichen abhängig von den dominanten Rauschquellen im jeweiligen Bereich vorhergesagt werden. Ferner kann eine Statistik (der Amplitudenverteilung des Rauschens) erhalten und mit einer vorhergesagten oder erwarteten Verteilung unter normalen Betriebsbedingungen verglichen werden. Abweichungen von dieser erwarteten Verteilung können wieder zum Beispiel eine Fehlfunktion oder eine nicht authentifizierte Art der Sensorvorrichtung anzeigen.
Eine entsprechende Ausführungsform, die solche Verteilungen verwendet, wird nun unter Bezugnahme auf 11 und 12 erklärt.
11 ist ein ausführliches Blockdiagramm einer Sensorvorrichtung oder eines Systems gemäß einer Ausführungsform, ähnlich der Darstellung von 6. Blöcke von 11, die Blöcken von 6 entsprechen, sind mit denselben Bezugszeichen versehen und werden nicht nochmals beschrieben. Modifizierungen und Variationen, die in Bezug auf 6 beschrieben sind, können auch bei der Ausführungsform von 11 anwendbar sein. Verglichen mit 6 ist in der Ausführungsform von 11 Block 66 durch Block 110 ersetzt. Block 110 kann ähnlich wie Block 66 eine Rauschverringerung an einem Signalausgang durch Block 65 durchführen und kann mit Hilfe eines Digitalsignalprozessors implementiert werden. Ferner führt Block 110 eine Rauschanalyse durch, um Informationen über die Sensorvorrichtung zu erhalten, zum Beispiel Informationen bezüglich einer Fehlfunktion der Sensorvorrichtung oder Informationen bezüglich Authentizität der Sensorvorrichtung.
Die Rauschanalyse der Ausführungsform von 11 verwendet ein Filter 111 und eine Verteilungsprüfung 112 um zu prüfen, ob eine Rauschverteilung einer erwarteten Verteilung entspricht. Zum Beispiel kann das Filter 111 ein Bandpassfilter umfassen, um einen zu analysierenden Frequenzbereich herauszufiltern, und die Verteilungsprüfung 112 kann dann die Verteilung des gefilterten Signals mit einer erwarteten Verteilung vergleichen. Es sollte festgehalten werden, dass, während das Filter 111 und die Verteilungsprüfung 112 als separate Blöcke in 11 dargestellt sind, sie mit Hilfe desselben Digitalsignalprozessors wie Block 110 implementiert werden können. In anderen Ausführungsformen können ein zusätzlicher digitaler Signalprozessor oder eine andere Art von Hardware (zum Beispiel logische oder anwendungsspezifische integrierte Schaltung), Firmware, Software oder Kombinationen davon verwendet werden.
Diese Strategie von 11 ist in Bezug auf 12 näher dargestellt, wobei dieselbe erwünschte Signalkomponente 80 und Rauschsignalkomponente 81 wie in 8 und 10 als Beispiel verwendet werden. In 12 zeigen Pfeile 120, 121 und 122 drei verschiedene Bereiche, die eine erwartete Verteilung in dem Beispiel von 12 haben. Jeder Bereich von 12 kann durch Herausfiltern des verbleibenden Bereichs unter Verwendung zum Beispiel eines Bandpassfilters isoliert und dann auf Verteilung analysiert werden, wie unter Bezugnahme auf 11 erklärt. In dem Beispiel von 12 ist das Flickerrauschen von Bereich 120 dominant und hat erwartungsgemäß eine Poisson-Verteilung. In Bereich 121 ist thermisches Rauschen dominant und hat erwartungsgemäß eine Gaußsche Verteilung und in Bereich 122 ist Quantisierungsrauschen dominant und hat erwartungsgemäß eine gleichförmige Verteilung. Abhängig von einer Implementierung einer Sensorvorrichtung können jedoch andere Verteilungen gelten.
Neben einem Vergleich einer tatsächlichen Rauschverteilung mit einer erwarteten Verteilung wie oben erwähnt können Rauschverteilungen auch auf andere Weise analysiert werden. Zum Beispiel kann eine Rauschverteilung in einem Frequenzbereich im Laufe der Zeit überwacht werden (z. B. in regelmäßigen oder unregelmäßigen Intervallen) und z. B. können Änderungen in der Rauschverteilung, die einen Schwellenwert übersteigen, eine Fehlfunktion angeben. Wenn zum Beispiel eine Verteilung plötzlich signifikant kleiner oder signifikant breiter wird, kann dies eine Fehlfunktion anzeigen. Zum Erfassen von Änderungen können zum Beispiel Verhältnisse von Verteilungen zu verschiedenen Zeitpunkten und/oder Unterschiede zwischen Verteilungen berechnet werden. Zur Analyse von Verteilungen können Parameter, welche die Verteilungen beschreiben, gewonnen werden. Beispiele für solche Parameter enthalten Parameter einer Funktion, welche die Verteilung (zum Beispiel einer Gaußschen Funktion für eine Gaußsche Verteilung) beschreibt, oder Parameter wie volle Breite der Verteilung beim halben Maximalwert (FWHM). Die obengenannten Möglichkeiten zur Analyse können dann an den Parametern durchgeführt werden (z. B. Vergleichen von Parametern mit erwarteten Werten oder Bilden von Verhältnissen oder Differenzen zwischen Parametern von Verteilungen zu verschiedenen Zeitpunkten).
In anderen Ausführungsformen können andere Arten von Rauschanalyse durchgeführt werden. Zum Beispiel kann ein Verhältnis von Rauschkomponenten (z. B. Amplituden, Intensitäten usw.) in verschiedenen Frequenzbereichen (zum Beispiel den Bereichen, die unter Bezugnahme auf 12 besprochen wurden, oder Teilbereiche davon) gebildet werden und solche Rauschverhältnisse können mit dem oberen und unteren Grenzwert verglichen werden und wenn sie diese Grenzwerte über- bzw. unterschreiten eine Fehlfunktion anzeigen. Auch wie in Bezug auf 4 erwähnt, können Verhältnisse von Rauschsignalkomponenten verschiedener Sensorpfade gebildet und auch mit Grenzwerten verglichen werden. In einigen Ausführungsformen können auch Rauschverteilungen über bestimmte Frequenzbereiche verglichen werden, zum Beispiel durch Auswerten eines Verhältnisses der Verteilungen oder Verteilungen in demselben Frequenzbereich zu verschiedenen Zeitpunkten, wie oben erwähnt. Abhängig von der Anwendung kann zum Beispiel dieselbe Art von Verteilung in zwei Bereichen oder eine andere Art von Verteilung in zwei Bereichen eine Fehlfunktion anzeigen.
Es sollte auch angemerkt werden, dass Ausführungsformen nicht auf eine der oben besprochenen Rauschauswertungsmöglichkeiten beschränkt sein müssen, sondern auch zwei oder mehr solcher Möglichkeiten implementieren können. Daher sind die oben beschriebenen Ausführungsformen nur als Beispiele zu verstehen und nicht als Einschränkung auszulegen.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Nicht-Patentliteratur

ISO 26262 [0003]
Standard ISO 26262 [0026]

Claims

Vorrichtung, umfassend: eine Auswertungsschaltung, wobei die Auswertungsschaltung eingerichtet ist, ein Sensorsignal zu empfangen, das eine Rauschsignalkomponente umfasst, und wobei die Auswertungsschaltung ferner eingerichtet ist, die Rauschsignalkomponente auszuwerten, um Informationen über eine Sensorvorrichtung zu erhalten, die das Sensorsignal erzeugt.
Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei die Auswertungsschaltung einen digitalen Signalprozessor umfasst.
Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, wobei die Vorrichtung in einer elektronischen Steuereinheit enthalten ist.
Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, wobei die Vorrichtung in der Sensorvorrichtung enthalten ist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei die Informationen Authentizitätsinformationen umfassen, die anzeigen, ob die Sensorvorrichtung eine erwartete Art von Sensorvorrichtung ist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei die Informationen Informationen bezüglich einer möglichen Fehlfunktion der Sensorvorrichtung umfassen.
Vorrichtung nach Anspruch 6, wobei die Informationen Informationen umfassen, welche Komponente der Sensorvorrichtung eine Fehlfunktion haben könnte.
Vorrichtung nach Anspruch 6 oder 7, wobei die Informationen Informationen bezüglich einer Art von Fehlfunktion umfassen.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, wobei ein Analysieren des Rauschens ein Analysieren der Rauschsignalkomponente in dem Frequenzraum umfasst.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 9, wobei ein Analysieren des Rauschens zumindest eines von Durchführen einer Fourier-Transformation und Filtern zur Bestimmung von Frequenzkomponenten der Rauschsignalkomponente umfasst.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 10, wobei das Analysieren ein Analysieren der Rauschsignalkomponente in einem Frequenzbereich umfasst, der im Wesentlichen nicht von einer erwünschten Signalkomponente des Sensorsignals besetzt ist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 11, wobei ein Analysieren der Rauschsignalkomponente ein Vergleichen der Rauschsignalkomponente mit zumindest einem Grenzwert umfasst.
Vorrichtung nach Anspruch 12, wobei der zumindest eine Grenzwert abhängig von zumindest einem Parameter variabel ist.
Vorrichtung nach Anspruch 13, wobei der Parameter zumindest eines von einer Temperatur, einer mechanischen Spannung und einem internen Zustand umfasst.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 14, wobei ein Analysieren der Rauschsignalkomponente ein Analysieren einer Verteilung der Rauschsignalkomponente in zumindest einem vorbestimmten Frequenzbereich umfasst.
Vorrichtung nach Anspruch 15, wobei das Analysieren der Verteilung der Rauschsignalkomponente ein Vergleichen der Verteilung in einem vorbestimmten Frequenzbereich mit einer erwarteten Verteilung über den vorbestimmten Frequenzbereich umfasst.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 16, wobei das Analysieren der Rauschsignalkomponente ein Bilden eines Verhältnisses von Rauschsignalkomponenten in zwei verschiedenen Frequenzbereichen umfasst.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 17, wobei das Analysieren der Rauschsignalkomponente ein Bilden eines Verhältnisses von zwei Rauschsignalkomponenten umfasst, wobei die Rauschsignalkomponenten von zwei verschiedenen Sensorpfaden abgeleitet sind.
System, umfassend: eine Sensorvorrichtung, eine Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 17, und eine Verbindung zwischen der Sensorvorrichtung und der Vorrichtung.
System nach Anspruch 19, wobei die Verbindung eine drahtgebundene Verbindung umfasst, die für ein Senden von Rauschen in Frequenzen außerhalb einer erwünschten Signalkomponentenfrequenz geeignet ist.
Sensorvorrichtung, umfassend einen Sensor und zumindest eine weitere Komponente, wobei die zumindest eine weitere Komponente zum Hinzufügen von Rauschen zum Sensorsignal ohne sonstige Verarbeitung des Sensorsignals konfiguriert ist.
Verfahren, umfassend: Empfangen eines Sensorsignals, das eine Rauschsignalkomponente enthält, und Analysieren der Rauschsignalkomponente, um Informationen über eine Sensorvorrichtung zu erhalten, die das Sensorsignal erzeugt.
Verfahren nach Anspruch 22, wobei die Informationen Informationen umfassen, welche Komponente der Sensorvorrichtung eine Fehlfunktion haben kann, und/oder Informationen bezüglich einer Art von Fehlfunktion.
Verfahren nach Anspruch 22 oder 23, wobei das Analysieren der Rauschsignalkomponente ein Vergleichen der Rauschsignalkomponente mit zumindest einem Grenzwert umfasst, wobei der zumindest eine Grenzwert abhängig von zumindest einem Parameter variabel ist.
Verfahren nach einem der Ansprüche 22 bis 24, wobei das Analysieren der Rauschsignalkomponente ein Vergleichen einer Verteilung der Rauschsignalkomponente in einem vorgegebenen Frequenzbereich mit einer erwarteten Verteilung umfasst.
Verfahren nach einem der Ansprüche 22 bis 25, wobei das Analysieren der Rauschsignalkomponente ein Bilden eines Verhältnisses von Rauschsignalkomponenten in zwei verschiedenen Frequenzbereichen umfasst.
Verfahren nach einem der Ansprüche 22 bis 26, wobei das Analysieren der Rauschsignalkomponente ein Bilden eines Verhältnisses zwischen Rauschintensitäten von zumindest zwei verschiedenen Sensorpfaden umfasst.
Verfahren nach einem der Ansprüche 22 bis 27, wobei das Analysieren der Rauschsignalkomponente ein Vergleichen von Rauschverteilungen von Rauschsignalkomponenten umfasst.