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Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Verarbeiten von kontinuierlichen Sensorsignalen eines Sensors und ein Sensorsystem mit Mitteln zum Verarbeiten von Sensorsignalen.
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Stand der Technik
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Durch die Verwendung von einer zunehmend größeren Anzahl von Sensoren in Fahrzeugen, mobilen Geräten, der Industrie oder im Heimbereich entstehen neue Herausforderungen hinsichtlich der Konstruktion der Sensoren sowie der Auswertung der Sensorsignale. So muss beispielsweise bei Sensorinformationen, welche für die Sicherheit des Fahrers eines Fahrzeugs relevant sind, gewährleistet werden, dass diese jederzeit abrufbar sind. Die einfachste Möglichkeit, dies sicherzustellen, besteht darin, die Sensoren derart zu betreiben, dass diese ständig aktiviert sind.
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Diese Vorgehensweise geht jedoch mit einem hohen Stromverbrauch einher, was häufig nicht akzeptabel ist. Insbesondere bei mobilen Anwendungen oder bei einer Vielzahl von Sensoren mit aufwendig auszutauschenden Energiespeichern werden die Sensoren daher häufig in einem Arbeitszyklus-Modus (duty-cycle-Modus) betrieben. Wie in 1 illustriert, wechselt der Sensor zwischen einem Normal-Modus, in welchem der Sensor aktiv ist und Sensordaten Wi erzeugt, und einem Energiesparmodus (Suspend-Modus), in welchem der Stromverbrauch P auf ein Minimum P0 reduziert wird, welches deutlich unterhalb des Stromverbrauchs P1 während der Normal-Modus-Phasen liegt. Der Sensor ist im Energiesparmodus zwar noch ansteuerbar, generiert jedoch keine Sensordaten mehr.
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Während einer Normal-Modus-Phase liefert der Sensor ein analoges Signal, welches einfach oder mehrfach abgetastet wird. Falls das Sensorsignal, wie in 2 gezeigt, in jeder Normal-Modus-Phase genau einmal abgetastet wird und ein entsprechender Abtastwert A generiert wird, wird die Abtastfrequenz des Sensorsignals im Wesentlichen von der Dauer einer jeweiligen Energiesparmodus-Phase bestimmt. Findet umgekehrt in jeder Normal-Modus-Phase eine in 3 illustrierte mehrfache Abtastung mit entsprechenden Abtastwerten Ai statt, so wird die Abtastfrequenz des Sensorsignals sowohl durch die Dauer der Energiesparmodus-Phase als auch die Dauer der Normal-Modus-Phase festgelegt.
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Der minimale Zeitabstand zwischen zwei Arbeitszyklen, während welchen sich der Sensor im Normal-Modus befindet, wird durch die minimale Abtastfrequenz bestimmt, welche zur Rekonstruktion des Sensorsignals erforderlich ist. Gemäß dem Nyquist-Theorem muss diese minimale Abtastfrequenz mindestens doppelt so groß gewählt werden wie die maximale zu erwartende Frequenz des Sensorsignals, damit der gesamte Informationsgehalt des Sensorsignals rekonstruiert werden kann.
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Die maximale zu erwartende Frequenz des Sensorsignals ist jedoch im Allgemeinen nicht bekannt, sodass der zeitliche Abstand zwischen zwei Arbeitszyklen meist geringer gewählt werden muss, als dies für das aktuelle Sensorsignal erforderlich wäre.
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Aus der Druckschrift
WO 2006/037677 A1 ist ein Verfahren zum Auslesen von Sensordaten bekannt, wobei die Abtastrate derart gewählt wird, dass ein Überlaufen eines Zwischenspeichers vermieden wird. Weitere Sensorsysteme sind bekannt aus
DE 10 2016 015 217 A1 ,
DE 10 2007 043 927 B4 ,
DE 10 2005 021 358 A1 ,
DE 10 2013 209 902 A1 ,
DE 10 2007 047 027 B4 ,
DE 10 2011 081 409 B3 ,
DE 10 2015 213 314 A1 ,
AT 400 776 B ,
DE 10 2011 088 346A1 ,
DE 10 2008 017 974 A1 ,
DE 699 24 557 T2 ,
DE 697 24 973 T2 .
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Offenbarung der Erfindung
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Die Erfindung stellt ein Verfahren zum Verarbeiten von kontinuierlichen Sensorsignalen eines Sensors mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 und ein Sensorsystem mit Mitteln zum Verarbeiten von Sensorsignalen mit den Merkmalen des Patentanspruchs 12 bereit.
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Gemäß einem ersten Aspekt betrifft die Erfindung demnach ein Verfahren zum Verarbeiten von kontinuierlichen Sensorsignalen eines Sensors, bei dem ein Sensorsignal mit einer Abtastfrequenz abgetastet wird und so eine Folge von zeitlich einordenbaren Abtastwerten erzeugt wird. Die Abtastfrequenz wird dynamisch an die zeitlich variierenden spektralen Signaleigenschaften des Sensorsignals angepasst. Den so erzeugten Abtastwerten wird eine Zeitinformation zugeordnet, welche die zeitliche Einordnung der Abtastwerte ermöglicht.
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Gemäß einem zweiten Aspekt betrifft die Erfindung demnach ein Sensorsystem mit Mitteln zum Verarbeiten von Sensorsignalen. Das Sensorsystem umfasst ein Sensorelement zum Erfassen mindestens einer physikalischen Messgröße und zum Umwandeln dieser Messgröße in ein kontinuierliches elektrisches Sensorsignal. Das Sensorsystem umfasst weiter Mittel zum Abtasten des Sensorsignals mit einer vorgebbaren Abtastfrequenz zum Erzeugen von Abtastwerten des Sensorsignals. Weiter sind Mittel zum Analysieren der spektralen Signaleigenschaften des Sensorsignals, Mittel zum Anpassen der Abtastfrequenz in Abhängigkeit von den aktuell ermittelten spektralen Signaleigenschaften des Sensorsignals und Mittel zum Zuordnen einer Zeitinformation zu den Abtastwerten des Sensorsignals vorgesehen.
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Bevorzugte Ausführungsformen sind Gegenstand der jeweiligen Unteransprüche.
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Vorteile der Erfindung
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Die Erfindung erlaubt eine dynamische Anpassung der Abtastfrequenz in Abhängigkeit von den zeitlich variierenden spektralen Signaleigenschaften des Sensorsignals. Die Erfindung ermöglicht es dadurch, den Stromverbrauch zu reduzieren ohne Einbußen bei der Signalqualität hinnehmen zu müssen. Vielmehr kann erfindungsgemäß die Abtastfrequenz bzw. Abtastrate jederzeit derart gewählt werden, dass die Rekonstruktion des Sensorsignals mit hinreichend großer Genauigkeit möglich bleibt. Somit kann auf eine Veränderung der Spektraleigenschaften des Sensorsignals reagiert werden, indem die Abtastfrequenz entsprechend verändert wird. Falls sich beispielsweise eine maximale Frequenz im Spektrum des Sensorsignals vergrößert oder verringert, kann die Abtastfrequenz entsprechend vergrößert oder verringert werden, um einerseits zwar immer noch die Rekonstruktion des Informationsgehalt des Sensorsignals gemäß dem Nyquist-Theorem zu ermöglichen, jedoch andererseits einen zu hohen Stromverbrauch aufgrund einer zu hohen Abtastfrequenz zu vermeiden.
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Gemäß einer bevorzugten Weiterbildung des Verfahrens werden die spektralen Signaleigenschaften des Sensors wiederholt bestimmt, und zwar insbesondere in regelmäßigen Zeitabständen oder jeweils nach einer vorgebbaren Anzahl von Signalabtastungen. Eine Anpassung der Abtastfrequenz erfolgt nur dann, wenn sich die spektralen Signaleigenschaften signifikant verändert haben. Die Anzahl von Signalabtastungen, nach welchen eine erneute Bestimmung der Signaleigenschaften des Sensors durchgeführt wird, kann dynamisch variiert werden. Falls beispielsweise häufige oder starke Veränderungen der spektralen Signaleigenschaften detektiert werden, kann die Anzahl von Signalabtastungen erhöht werden, sodass die Signaleigenschaften des Sensors häufiger bestimmt werden. Dadurch wird eine schnelle Reaktion auf veränderte Umgebungsbedingungen oder Messbedingungen des Sensors sichergestellt und dadurch verhindert, dass Sensorinformationen verloren gehen.
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Eine signifikante Änderung der Signaleigenschaften kann beispielsweise dann festgestellt werden, wenn die prozentuale Änderung der maximalen Frequenz des Spektrums des Sensorsignals einen vorgegebenen Schwellenwert überschreitet.
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Gemäß einer bevorzugten Weiterbildung des Verfahrens wird die aktuelle Abtastfrequenz verringert, wenn sie um einen vorgebbaren ersten Toleranzwert größer ist als das Doppelte der aktuell ermittelten Bandbreite des Sensorsignals. Die aktuelle Abtastfrequenz wird vergrößert, wenn sie um einen vorgebbaren zweiten Toleranzwert kleiner ist als das Doppelte der aktuell ermittelten Bandbreite des Sensorsignals. Der erste und zweite Toleranzwert sind Größen, anhand welcher festgelegt wird, ab wann eine Veränderung der spektralen Signaleigenschaften als signifikant eingestuft wird.
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Gemäß einer bevorzugten Weiterbildung des Verfahrens wird die aktuelle Abtastfrequenz im Falle einer Anpassung mit einem vorgebbaren und/oder automatisch anpassbaren Anpassungsfaktor multipliziert. Der Anpassungsfaktor kann beispielsweise davon abhängen, wie stark und/oder wie häufig sich die spektralen Signaleigenschaften des Sensorsignals verändern. Durch iteratives Multiplizieren der Abtastfrequenz mit einem Anpassungsfaktor wird die Abtastfrequenz in einer Regelschleife eingestellt.
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Gemäß einer bevorzugten Weiterbildung des Verfahrens erfolgt die Anpassung der Abtastfrequenz an die aktuell bestimmten spektralen Signaleigenschaften sukzessive in mehreren Anpassungsschritten, wobei die Anzahl der Anpassungsschritte vorgebbar und/oder variierbar ist.
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Gemäß einer bevorzugten Weiterbildung des Verfahrens wird die Abtastfrequenz nur innerhalb eines vorgegebenen begrenzten Frequenzbereichs variiert. Beispielsweise wird die Abtastfrequenz stets derart angepasst, dass diese größer als eine minimale Abtastfrequenz ist. Diese stellt eine untere Grenzfrequenz dar, wodurch sichergestellt wird, dass gewisse Signale bzw. Frequenzbereiche unter keinen Umständen verpasst werden. Weiter kann die Abtastfrequenz stets derart angepasst werden, dass diese kleiner als eine maximale Abtastfrequenz ist. Diese stellt somit eine obere Grenzfrequenz dar, wodurch der Stromverbrauch begrenzt wird.
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Grundsätzlich gibt es verschiedene Möglichkeiten zur Bestimmung der aktuellen spektralen Eigenschaften des Sensorsignals. Denkbar wäre beispielsweise eine Fouriertransformation aber auch weniger aufwändige Frequenzanalysemethoden wären denkbar.
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Gemäß einer bevorzugten Weiterbildung des Verfahrens wird das Sensorsignal zur Bestimmung der spektralen Signaleigenschaften in einem vorgebbaren und/oder automatisch anpassbaren Test-Zeitintervall mit einer vorgebbaren und/oder automatisch anpassbaren Test-Abtastfrequenz abgetastet. Gemäß einer Ausführungsform kann das Test-Zeitintervall von der Bandbreite des Sensorsignals abhängen.
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Sowohl die Dauer der Test-Zeitintervalle als auch die jeweilige Test-Abtastfrequenz werden vorteilhafterweise in Abhängigkeit vom Sensortyp und dessen Einsatz gewählt, d.h. in Abhängigkeit von den zu erwartenden Sensorsignaleigenschaften und den zu erwartenden Veränderungen der Sensorsignaleigenschaften. Beispielsweise liefert ein Inertialsensors, der in einem Mobiltelefon verbaut ist und zur Aktivitätserkennung eingesetzt wird, ein Sensorsignal mit einer maximalen Frequenz von ca. 20 Hz. Dieses Sensorsignal kann durch den Klingelton verzerrt werden, so dass das Sensorsignal die maximale Frequenz des Klingeltons aufweist, also im Bereich von einigen kHz liegt. In diesem Fall richten sich die Dauer der Test-Zeitintervalle und die Test-Abtastfrequenz nach dem zu erwartenden Frequenzbereich des Klingeltons.
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Gemäß einer bevorzugten Weiterbildung des Verfahrens wird jedem Abtastwert eine Zeitstempelinformation als Zeitinformation zugeordnet, welche den Abtastzeitpunkt widergibt, zu dem der jeweilige Abtastwert erzeugt worden ist. Mit Hilfe der Zeitstempelinformation kann das Sensorsignal trotz der variierenden Abtastfrequenz anhand der Abtastwerte rekonstruiert werden, da die Erfassungszeitpunkte der Abtastwerte bekannt sind. Gemäß einer Ausführungsform kann die Zeitstempelinformation eine relative Zeitinformation umfassen, welche beispielsweise für jeden Abtastwert den Zeitabstand zum vorangehenden Abtastwert umfasst. Gemäß weiteren Ausführungsformen wird dem Abtastwert jedoch eine absolute Zeitinformation zugeordnet, welche beispielsweise mittels eines internen Taktgebers des Sensors ermittelt wird. Diese Art der Zeitinformation ermöglicht die Synchronisierung der Sensordaten mehrerer auch unterschiedlicher Sensoren, wie sie für viele Anwendungen im Consumer Electronic Bereich erforderlich ist. So können beispielsweise die Sensordaten eines Beschleunigungssensors mit den Sensordaten eines Drehratensensors kombiniert werden, um eine genaue Bewegung im Raum zu ermitteln.
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Gemäß einer bevorzugten Weiterbildung des Verfahrens wird jedem Abtastwert als Zeitinformation die Abtastfrequenz zugeordnet, mit welcher der jeweilige Abtastwert erzeugt worden ist, und/oder die Änderung der Abtastfrequenz, wenn die Abtastfrequenz verändert worden ist. Anhand der Kenntnis der Abtastfrequenz kann die Zeitdifferenz zwischen zwei verschiedenen Abtastwerten bestimmt werden. Zusätzliche Speicherkapazität kann eingespart werden, indem lediglich die Änderungen der Abtastfrequenz registriert werden. Falls keine Änderung der Abtastfrequenz ermittelt wird, wird zur Auswertung die vorherige Abtastfrequenz herangezogen.
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Gemäß einer bevorzugten Weiterbildung des Verfahrens werden die Abtastwerte mithilfe eines Signalfilters gefiltert, wobei im Falle einer Anpassung der Abtastfrequenz auch eine Anpassung der Filtereinstellung des Signalfilters vorgenommen wird. Das Signalfilter kann ein digitales Filter umfassen, insbesondere ein Filter zur Offset-Korrektur oder ein Low-Pass-Filter. Das Signal kann auf bestimmte Bandbreiten beschränkt werden.
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Gemäß einer bevorzugten Weiterbildung des Verfahrens wird zwischen zwei Betriebsmodi umgeschaltet, nämlich zwischen einem Normal-Modus für Intervalle, in welchen Abtastwerte des Sensorsignals erzeugt werden, und einem Energiesparmodus für Intervalle, in denen keine Abtastwerte des Sensorsignals erzeugt werden. Dies führt zu einer deutlichen Reduzierung des Energieverbrauchs.
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Gemäß einer bevorzugten Weiterbildung des erfindungsgemäßen Verfahrens wird durch Interpolation der Abtastwerte des Sensorsignals unter Berücksichtigung der zugeordneten Zeitinformationen eine Folge von zeitlich äquidistanten Signalwerten mit einer vorgebbaren Frequenz generiert. Dadurch wird eine besonders komfortable externe Auswertung der Signalwerte ermöglicht. Durch die Verwendung zeitlich äquidistanter Signalwerte ist das derart ausgegebene Signal unabhängig von der tatsächlichen internen Abtastfrequenz. Eine externe Auswerteeinrichtung empfängt somit stets ein Signal mit einer bestimmten, vorzugsweise vorgebbaren Frequenz.
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Gemäß einer bevorzugten Weiterbildung weist das Sensorsystem mindestens einen Signalfilter für die Abtastwerte des Sensorsignals auf, und Mittel zum Anpassen der Filtereinstellung des mindestens einen Signalfilters in Abhängigkeit von der aktuellen Abtastfrequenz.
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Gemäß einer bevorzugten Weiterbildung des Sendesystems weist dieses eine Betriebsmodus-Steuereinheit auf, welche durch Mittel zum Umschalten zwischen mindestens zwei Betriebsmodi in Abhängigkeit von der aktuellen Abtastfrequenz gekennzeichnet ist, insbesondere durch Mittel zum Umschalten zwischen einem Normal-Modus für Intervalle, in denen Abtastwerte des Sensorsignals erzeugt werden, und einem Energiesparmodus für Intervalle, in denen keine Abtastwerte des Sensorsignals erzeugt werden.
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Gemäß einer bevorzugten Weiterbildung des Sensorsystems umfasst dieses Mittel zum Generieren einer Folge von zeitlich äquidistanten Signalwerten mit einer vorgebbaren Frequenz durch Interpolieren der Abtastwerte des Sensorsignals unter Berücksichtigung der zugeordneten Zeitinformationen.
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Figurenliste
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Es zeigen:
- 1 eine Abtastung von Sensorsignalen gemäß dem Stand der Technik, wobei der Sensor in einem Duty-Cycle-Modus betrieben wird;
- 2 eine Abtastung von Sensorsignalen gemäß dem Stand der Technik, wobei in jeder Normal-Modus-Phase genau einmal abgetastet wird;
- 3 eine Abtastung von Sensorsignalen gemäß dem Stand der Technik, wobei in jeder Normal-Modus-Phase mehrfach abgetastet wird;
- 4 ein Blockschaltbild eines Sensorsystems gemäß einer Ausführungsform der Erfindung;
- 5 ein beispielhaftes Abtastmuster gemäß einer Ausführungsform der Erfindung zur Erläuterung der dynamischen Anpassung der Abtastrate;
- 6 ein beispielhaftes Abtastmuster gemäß einer Ausführungsform der Erfindung, wobei in regelmäßigen Zeitabständen eine Abtastung mit einer Test-Abtastfrequenz durchgeführt wird;
- 7 ein beispielhaftes Abtastmuster gemäß einer Ausführungsform der Erfindung, wobei während jeder Normal-Modus-Phase mit einer Test-Abtastfrequenz abgetastet wird;
- 8 ein Flussdiagramm eines Verfahrens zum Verarbeiten von kontinuierlichen Sensorsignalen gemäß einer Ausführungsform der Erfindung;
- 9 eine beispielhafte dynamische Anpassung der Abtastfrequenz, wobei den Abtastwerten jeweilige Abtastzeitpunkte zugeordnet werden;
- 10 eine beispielhafte dynamische Anpassung der Abtastfrequenz, wobei den Abtastwerten als Zeitinformation die Änderung der Abtastfrequenz zugeordnet wird, falls sich die Abtastfrequenz verändert;
- 11 eine beispielhafte dynamische Anpassung der Abtastfrequenz, wobei die nicht ermittelten Abtastwerte interpoliert werden; und
- 12 ein Blockschaltbild einer Vorrichtung zum Verarbeiten von kontinuierlichen Sensordaten gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung.
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In allen Figuren sind gleiche bzw. funktionsgleiche Elemente und Vorrichtungen mit denselben Bezugszeichen versehen.
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Beschreibung der Ausführungsbeispiele
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In 4 ist ein Blockschaltbild eines Sensorsystems 1a gemäß einer Ausführungsform der Erfindung illustriert. Das Sensorsystem 1a umfasst ein Sensorelement 2 zum Erfassen von physikalischen Messgrößen. Das Sensorelement 2 kann beispielsweise ein Beschleunigungssensor, ein Drehratensensors, ein Drucksensor, ein Gassensor oder ein optischer Sensor sein. Die von dem Sensorelement 2 erfassten physikalischen Messgrößen werden in ein kontinuierliches elektrisches Sensorsignal umgewandelt. Beispielsweise kann eine Auslenkung von mechanischen Bauteilen über kapazitive Messelemente oder Piezoelemente in eine elektrische Spannung oder in einen elektrischen Strom umgewandelt werden.
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Das kontinuierliche elektrische Sensorsignal wird durch Mittel 3 zum Abtasten des Sensorsignals abgetastet. Die Mittel 3 zum Abtasten des Sensorsignals umfassen vorzugsweise einen Analog-Digital-Wandler, welcher diskrete digitale Abtastwerte generiert. Diese Abtastwerte werden mit Hilfe eines Signalfilters 7 gefiltert, dessen Filtereigenschaften vorzugsweise in Abhängigkeit von der Abtastfrequenz gewählt werden. Die gefilterten Abtastwerte werden in einem Datenregister 10 abgelegt. Dadurch werden die gefilterten Abtastwerte einer Schnittstelle 12 des Sensorsystems 1a zur Verfügung gestellt, über die beispielsweise ein hier nicht dargestelltes Host-System auf die Sensor-Abtastwerte zugreifen kann.
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Erfindungsgemäß wird die Abtastfrequenz dynamisch an spektrale Signaleigenschaften des Sensorsignals angepasst. Hierzu weist das Sensorsystem 1a Mittel 4 zum Analysieren der spektralen Signaleigenschaften des Sensorsignals auf, welche insbesondere einen oder mehrere Prozessoren zum Durchführen der erforderlichen Rechenschritte aufweisen. Die Mittel 4 können dazu ausgebildet sein, mittels Frequenzanalyse eine Bandbreite des Sensorsignals zu bestimmen. Weiter können die Mittel 4 eine maximale Frequenz des Sensorsignals anhand der Abtastwerte des Sensorsignals ermitteln. Die Mittel 4 sind im hier beschriebenen Ausführungsbeispiel über die Schnittstelle 12 konfigurierbar. Dazu werden entsprechende Konfigurierungsparameter in einem Konfigurierungsregister 11 abgelegt und so den Mitteln 4 zum Analysieren der spektralen Signaleigenschaften des Sensorsignals zur Verfügung gestellt.
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Die ermittelten spektralen Signaleigenschaften werden ebenfalls in einem Datenspeicher des Sensorsystems 1a abgelegt. Im hier beschriebenen Ausführungsbeispiel wird hierzu wieder das Datenregister 10 genutzt. Es könnte aber auch ein gesonderter Datenspeicher für die jeweils aktuell ermittelten spektralen Signaleigenschaften des Sensorsignals vorgesehen sein.
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Das Sensorsystem 1a umfasst weiter Mittel 5 zum Anpassen der Abtastfrequenz, welche insbesondere in die Mittel 3 zum Abtasten des Sensorsignals integriert sein können. Die Mittel 5 zum Anpassen der Abtastfrequenz empfangen die ermittelten spektralen Signaleigenschaften und passen die Abtastfrequenz dynamisch an. Diese Mittel 5 sind wie die Mittel 4 zum Analysieren der spektralen Signaleigenschaften des Sensorsignals durch Vorgabe von Konfigurierungsparametern über das Konfigurierungsregister 11 konfigurierbar. So können beispielsweise eine obere und/oder eine untere Grenzfrequenz für die Abtastrate extern vorgegeben werden, um einen maximalen Stromverbrauch festzulegen und um sicherzustellen, dass gewisse Signale unter keinen Umständen verpasst werden. Optional kann man extern auch andere Parameter einstellen, wie z.B. Toleranzparameter, um eine konservativere oder aggressivere Anpassung der Abtastfrequenz zu realisieren, oder Parameter, die bestimmen, wie schnell eine Anpassung der Abtastfrequenz erfolgen soll. Dies wird in Verbindung mit 8 näher erläutert.
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So kann gemäß einer Ausführungsform zuerst überprüft werden, ob sich die spektralen Signaleigenschaften signifikant verändert haben. Ein beispielhaftes Kriterium kann sein, dass sich die Bandbreite um einen vorgegebenen Prozentsatz verändert hat. Eine signifikante Veränderung kann auch durch Vergleich der aktuell ermittelten Bandbreite mit der aktuellen Abtastfrequenz festgestellt werden. So kann die Abtastfrequenz genau dann verringert oder vergrößert werden, wenn die Abtastfrequenz um entsprechende Toleranzwerte größer bzw. kleiner als die aktuell ermittelte Bandbreite ist. Bei einer Veränderung der Abtastfrequenz werden dann auch die Filtereigenschaften des Signalfilters 7 angepasst.
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Erfindungsgemäß weist das Sensorsystem 1a außerdem Mittel 6 zum Zuordnen einer Zeitinformation zu den Abtastwerten des Sensorsignals auf. Sie können einen Taktgeber umfassen oder von einem Taktgeber Zeitinformationen empfangen.
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Das in 4 dargestellte Sensorsystem 1a umfasst schließlich auch noch eine Betriebsmodus-Steuereinrichtung 8, deren Funktion nachfolgend in Verbindung mit 5 näher erläutert wird.
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Vorzugsweise können sämtliche Elemente des Sensorsystems 1a in ein Sensorbauteil integriert sein. Alternativ kann jedoch die Auswertung und/oder die Anpassung der Abtastfrequenz über eine externe Steuervorrichtung durchgeführt werden.
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In 5 ist ein beispielhaftes Abtastmuster illustriert. Erfindungsgemäß wurden hier die Abtastfrequenz und damit auch die Dauer des Energiesparmodus dynamisch an die kontextabhängige zeitliche Veränderung des Sensorsignals angepasst. Die Betriebsmodus-Steuereinheit 8 des Sensorsystems 1a ist hier dazu ausgebildet, zwischen zwei Betriebsmodi umzuschalten, und zwar zwischen einem Energiesparmodus und einem Normalmodus. Das Sensorelement 2 befindet sich standardmäßig im Energiesparmodus, in dem kein Sensorsignal erzeugt wird und demnach auch keine Abtastung vorgenommen wird. Die entsprechende benötigte Leistung P0 ist minimal, ermöglicht jedoch noch ein Ansteuern des Sensorelements. Bei einem Umschalten in den Normal-Modus wird das Sensorelement 2 aktiviert und erzeugt das kontinuierliche elektrische Sensorsignal. Die benötigte Leistung P1 ist gegenüber dem Energiesparmodus erhöht. Die Abtastung des Sensorsignals erfolgt hier jeweils zum Endzeitpunkt ti einer jeden Normal-Modus-Phase und liefert entsprechende Sensordaten Wi. Zur Begrenzung des Stromverbrauchs wird eine maximale Abtastrate vorgegeben oder analog ein minimales Zeitintervall T0 zwischen zwei Abtastzeitpunkten ti zu welchen entsprechende Abtastwerte Wi generiert werden.
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Im hier dargestellten Ausführungsbeispiel entspricht die Dauer der Aktivierung einem vorgebbaren Test-Zeitintervall Ttest, innerhalb dessen die aktuellen spektralen Signaleigenschaften des Sensorsignals jeweils neu bestimmbar sind. Der Zeitabstand zwischen zwei Test-Zeitintervallen beträgt ein Vielfaches des minimalen Zeitintervalls T0. Die Abtastfrequenz zum Erzeugen der Abtastwerte entspricht hier der Häufigkeit des Umschaltens zwischen Energiesparmodus und Normal-Modus. Erfindungsgemäß werden die Abtastfrequenz und damit das zeitliche Verhältnis des Normal-Modus zum Energiesparmodus dynamisch angepasst. Hierzu werden die spektralen Signaleigenschaften des erfassten Sensorsignals kontinuierlich analysiert, um die Abtastrate, die Dauer der Normal-Modus-Phasen bzw. Duty Cycles und die Filtereinstellungen neu zu konfigurieren und an die analysierten spektralen Signaleigenschaften anzupassen.
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In 6 ist ein weiteres beispielhaftes Abtastmuster illustriert, wobei hier zur Ermittlung der spektralen Signaleigenschaften des Sensorsignals in regelmäßigen Zeitabständen eine Überabtastung mit einer Test-Abtastfrequenz durchgeführt wird. Wie im Fall der 5 wird das Sensorelement 2 jeweils nur während dem Abtasten in den Normal-Modus versetzt. Das Sensorelement 2 wird zuerst mit einer vorgegebenen Anfangs-Abtastfrequenz betrieben. Nach einem fest vorgegebenen Zeitintervall T1 erfolgt jeweils eine Überabtastung mit einer erhöhten Test-Abtastfrequenz, wobei entsprechende Test-Abtastwerte Ai erzeugt werden. Gemäß weiterer Ausführungsformen können die Test-Abtastfrequenz der Überabtastung, die Länge der Test-Zeitintervalle Ttest und/oder die Häufigkeit der Überabtastungen, d.h. das Zeitintervall T1 zwischen den Test-Zeitintervallen Ttest variiert werden, und zwar vorzugsweise unter Berücksichtigung der ermittelten Bandbreite des Sensorsignals. Anhand der entsprechenden Test-Abtastwerte Ai analysieren die Mittel 4 die spektralen Signaleigenschaften des Sensorsignals und ermitteln die aktuelle Bandbreite des Sensorsignals.
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Falls die Analyse der Test-Abtastwerte Ai ergibt, dass sich die spektralen Eigenschaften des Sensorsignals nur geringfügig geändert haben, kann die Abtastrate beibehalten oder gegebenenfalls verringert werden. Dies kann insbesondere dann der Fall sein, wenn die Signalbandbreite kleiner ist als die Hälfte der Abtastfrequenz. Wird jedoch innerhalb des Test-Zeitintervalls eine signifikante Veränderung der Spektraleigenschaften des Sensorsignals festgestellt, etwa wenn die Signalbandbreite größer ist als die Hälfte der Abtastfrequenz, so wird die Abtastfrequenz erhöht. Dadurch kann die Abtastrate dynamisch und iterativ an den Signalverlauf des Sensorsignals bzw. an die zeitliche Veränderung des Sensorsignals angepasst werden. Dadurch kann erreicht werden, dass das Sensorsignal mit der benötigten Frequenz abgetastet wird, jedoch nicht häufiger.
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Die für die Analyse der Signaleigenschaften und für die Anpassung der Abtastfrequenz erforderlichen Berechnungen können während einer Normal-Modus-Phase oder während einer Energiesparmodus-Phase erfolgen. Vorzugsweise erfolgen die Berechnungen direkt im Anschluss an die Abtastung des Sensorsignals, sodass sie sich von einer Normal-Modus-Phase zumindest teilweise in die darauffolgende Energiesparmodus-Phase erstrecken können.
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In 7 ist ein weiteres beispielhaftes Abtastmuster illustriert, wobei das Sensorelement 2 auch hier immer nur zum Abtasten des Sensorsignals aufgeweckt, also in den Normalmodus versetzt wird. In diesem Ausführungsbeispiel wird das Sensorsignal während jeder Normal-Modus-Phase mit der erhöhten Test-Abtastfrequenz abgetastet. Somit werden für jede Normal-Modus-Phase Test-Abtastwerte Ai erzeugt und analysiert, um die spektralen Signaleigenschaften des Sensorsignals und die entsprechende aktuelle Bandbreite des Sensorsignals zu ermitteln. Dadurch kann die Abtastrate nach jeder einzelnen Normal-Modus-Phase dynamisch angepasst werden.
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In 8 ist ein Flussdiagramm eines beispielhaften Verfahrens zum Verarbeiten von kontinuierlichen Sensorsignalen eines Sensors 2 illustriert, welches vorzugsweise mit dem beschriebenen Sensorsystem 1a durchgeführt werden kann.
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In einem ersten Verfahrensschritt S1 werden die Anfangswerte für mehrere verwendete Parameter festgelegt. Demnach werden eine minimale Abtastfrequenz, eine maximale Abtastfrequenz, ein Anfangswert der Abtastfrequenz, eine Dauer eines Tests-Zeitintervalls, ein Wert für die Test-Abtastfrequenz, ein erster Toleranzwert, ein zweiter Toleranzwert, ein erster Anpassungsfaktor und ein zweiter Anpassungsfaktor vorgegeben. Sämtliche Parameter können in dem Konfigurationsspeicher 11 abgelegt werden. Weiter wird die aktuelle Abtastfrequenz auf den Anfangswert der Abtastfrequenz eingestellt.
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In einem zweiten Verfahrensschritt S2 wird auf neue Daten eines Test-Zeitintervalls gewartet. In einem Verfahrensschritt S3 wird überprüft, ob neue Daten eines Test-Zeitintervalls vorliegen, d. h. ob neue Test-Abtastwerte ermittelt wurden. Ist dies der Fall, wird in einem Verfahrensschritt S4 eine Frequenzanalyse des Sensorsignals anhand der Test-Abtastwerte durchgeführt. Insbesondere wird eine Bandbreite des Sensorsignals ermittelt.
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In einem Verfahrensschritt S5 wird überprüft, ob die aktuelle Abtastfrequenz um den ersten Toleranzwert größer ist als die doppelte Bandbreite. Falls dies der Fall ist, wird in einem Verfahrensschritt S6 überprüft, ob die aktuelle Abtastfrequenz kleiner als eine maximale Abtastfrequenz ist. Wenn dies der Fall ist, wird in einem Schritt S7 die Abtastfrequenz verringert. Beispielsweise wird die aktuelle Abtastfrequenz auf die Summe der doppelten Bandbreite und des ersten Anpassungsfaktors verringert.
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Ist umgekehrt die aktuelle Abtastfrequenz nicht kleiner als die maximale Abtastfrequenz, so wird die Abtastfrequenz nicht verändert und optional wird eine Warnmeldung ausgegeben, dass die aktuelle Abtastfrequenz zu hoch ist (S8).
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Falls die aktuelle Abtastfrequenz nicht um einen vorgebbaren ersten Toleranzwert größer ist als das Doppelte der aktuell ermittelten Bandbreite, wird in einem Verfahrensschritt S9 überprüft, ob die aktuelle Abtastfrequenz um einen vorgebbaren zweiten Toleranzwert kleiner ist als das Doppelte der aktuell ermittelten Bandbreite des Sensorsignals. Ist dies nicht der Fall, bleibt die aktuelle Abtastfrequenz unverändert (S10). Andernfalls wird überprüft, ob die aktuelle Abtastfrequenz größer ist als die minimale Abtastfrequenz (S11). Ist dies nicht der Fall, wird die aktuelle Abtastfrequenz beibehalten, wobei optional eine Warnung ausgegeben werden kann, dass die aktuelle Abtastfrequenz zu niedrig ist (S12). Im anderen Fall wird die Abtastfrequenz erhöht (S13). Beispielsweise kann die aktuelle Abtastfrequenz auf die Addition der doppelten Bandbreite mit dem zweiten Anpassungsfaktor eingestellt werden.
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Bei einer Änderung der Abtastrate wird die Abtastung mit der neuen Abtastfrequenz fortgeführt. Zusätzlich können der Signalfilter 7 und die Betriebsmodus-Steuereinheit 8 mittels der neuen Abtastfrequenz neu konfiguriert werden. Die geänderten Konfigurationen können vorzugsweise in dem Konfigurationsspeicher 11 abgelegt werden.
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In 9 ist eine beispielhafte Zuordnung von Zeitinformationen illustriert. Demnach wird jedem Abtastwert W1 bis W7 der jeweilige Abtastzeitpunkt t1 bis t7 zugeordnet. Die einzelnen Abtastwerte W1 bis W7 werden somit mit Zeitstempeln versehen, welche den Abtastzeitpunkt jedes ausgelesenen Abtastwerts umfassen. Damit sind eine entsprechende zeitliche Zuordnung und eine korrekte Interpretation der Signale möglich. Der Abtastzeitpunkt t1 bis t7 kann beispielsweise durch Angabe der Anzahl der minimalen Zeitintervalle T0 seit einem vorgegebenen, vorzugsweise bekannten Anfangszeitpunkt angegeben und gespeichert werden.
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Gemäß einer Ausführungsform können die Abtastwerte W1 bis W7 zusammen mit den Abtastzeitpunkten t1 bis t7 über eine Schnittstelle 12 des Sensorsystems 1 ausgesendet werden. Anhand der Kenntnis der Abtastwerte W1 bis W7 und der Abtastzeitpunkte t1 bis t7 kann die zeitlich korrekte Abfolge der Abtastwerte W1 bis W7 rekonstruiert werden.
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In 10 ist eine weitere mögliche Zuordnung von Zeitinformationen illustriert. Demnach wird denjenigen Abtastwerten W1 bis W7, bei welchen die Abtastfrequenz geändert wird, die geänderte Abtastfrequenz als Zeitinformation zugeordnet. Anstelle der Abtastzeitpunkte wird somit gemäß dieser Ausführungsform eine Veränderung der Einstellungen registriert und gespeichert. Die Änderung der Abtastfrequenz wird hier durch Angabe der Anzahl der minimalen Zeitintervalle T0 bis zum nächsten Abtastvorgang registriert. In dem in 10 illustrierten Beispiel wird die Abtastfrequenz nach dem zweiten Abtastwert halbiert, indem die Abtastung nicht nach zwei sondern erst nach vier Zeitintervallen T0 erfolgt. Nach dem vierten Abtastwert wird die Abtastrfrequenz wieder erhöht, so dass die Abtastung in jedem Zeitintervall T0 erfolgt, und nach dem sechsten Abtastwert wiederum halbiert. Durch Kenntnis der Änderung der Abtastfrequenz kann die zeitlich korrekte Abfolge der Abtastwerte W1 bis W7 rekonstruiert werden.
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11 illustriert die Sensorsignalrekonstruktion anhand eines Frequenzprotokolls, das, wie in Verbindung mit 10 erläutert, erstellt worden ist. Durch Interpolation der erfassten Abtastwerte für diejenigen Vielfachen der minimalen Zeitintervalle T0, für welche kein Abtastwert vorliegt, wird eine Folge von zeitlich äquidistanten Signalwerten Wi' erzeugt. Die für die Interpolation verwendeten Abtastwerte W1 bis W7 werden dazu in einem FIFO-Speicher 13 (first in - first out) zwischengespeichert und durch interpolierte Abtastwerte I1 bis I8 ergänzt. Bei Kenntnis des Zeitabstandes zwischen zwei Signalwerten Wi' das abgetastete Signal kann so das Sensorsignal rekonstruiert werden. Somit ist für eine externe Einheit, welche die Daten des Sensors weiterverwendet, nicht ersichtlich, mit welcher Abtastrate das Sensorsignal tatsächlich abgetastet wurde. Die Sensordaten können somit mit der maximal zulässigen Datenrate an die externe Einheit übermittelt werden. Insbesondere können die erfassten Abtastwerte zuerst intern gespeichert werden. Beim Einlesen werden dann die zusätzlichen interpolierten Abtastwerte I1 bis I8 generiert und für die externe Einheit entsprechend angeordnet, sodass diese die Daten über eine Schnittstelle auslesen kann. Vorteilhaft ist die vereinfachte Auswertung des Sensorsignals durch die externe Einheit, da diese keinerlei Informationen über die tatsächliche Abtastrate benötigt.
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In 12 ist ein Blockschaltbild eines Sensorsystems 1b gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung illustriert. Das Sensorsystem 1b entspricht im Wesentlichen dem oben beschriebenen Sensorsystem 1a. Das Sensorsystem 1b umfasst darüber hinaus Mittel 9, welche dazu ausgebildet sind, anhand der erfassten Abtastwerte eine Folge von zeitlich äquidistanten Signalwerten mit einer vorgebbaren Frequenz zu generieren und den Voranstehend beschriebenen FIFO-Speicher zur Zwischenspeicherung der Abtastwerte W1 bis W8 . Die Mittel 9 generieren dazu nach dem in Verbindung mit 11 beschriebenen Verfahren interpolierende Abtastwerte I1 bis I8 und erzeugen daraus eine Folge von zeitlich äquidistanten Signalwerten Wi'.
