DE102021203365A1 - Method for testing a measuring system and test system - Google Patents
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Abstract
Die Erfindung betrifft ein Verfahren sowie ein Testsystem zum Testen eines Messsystems, insbesondere ein Messsystem zur Abstandsmessung speziell bei Automobilen, bei dem das Messsystem einen Messtakt aufweist und periodisch mit dem Messtakt getaktet jeweils einen Messpuls aussendet, wobei der Messpuls von einem Testsystem erfasst wird, welches einen Ausgangspuls erzeugt und diesen an das Messystem übermittelt, wobei der Ausgangspuls bezogen auf den Messpuls um eine Verzögerungszeit verzögert abgegeben wird, die sich zusammensetzt aus einem Vielfachen des Systemtaktes zuzüglich einer Simulations-Verzögerung, die zu einer simulierten, vorgegebenen Laufzeit des Messpulses korreliert. Bevorzugt weist das Testsystem einen Systemtakt mit einem Taktsignal auf und eine Phasenverschiebung des Messpulses in Relation zu dem Taktsignal wird ermittelt, wobei die Phasenverschiebung bei der Bestimmung der Verzögerungszeit berücksichtigt wird.The invention relates to a method and a test system for testing a measurement system, in particular a measurement system for distance measurement, especially in automobiles, in which the measurement system has a measurement cycle and periodically emits a measurement pulse at a time with the measurement cycle, the measurement pulse being recorded by a test system which generates an output pulse and transmits it to the measuring system, the output pulse being delivered with a delay in relation to the measuring pulse, which is composed of a multiple of the system clock plus a simulation delay that correlates to a simulated, predetermined running time of the measuring pulse. The test system preferably has a system clock with a clock signal and a phase shift of the measurement pulse in relation to the clock signal is determined, the phase shift being taken into account when determining the delay time.
Description
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Testen eines hochauflösenden Messsystems mithilfe eines Testsystems, wobei das Messsystem insbesondere ein Messsystem zur Abstandsmessung speziell bei Automobilen ist. Die Erfindung betrifft weiterhin ein Testsystem für ein solches Verfahren.The invention relates to a method for testing a high-resolution measuring system with the aid of a test system, the measuring system being in particular a measuring system for distance measurement, especially in automobiles. The invention also relates to a test system for such a method.
Zum Testen der Funktionsfähigkeit und der Funktionalität von Messsystemen werden häufig Simulations- oder Testsysteme verwendet, welche die von dem Messsystem zu messenden Messgrößen simulieren, um beispielsweise unterschiedliche reale Szenarien abzubilden, um zu überprüfen, wie das Messsystem und ein damit verbundenes Steuersystem reagieren.To test the functionality and functionality of measuring systems, simulation or test systems are often used which simulate the measured variables to be measured by the measuring system, for example to map different real scenarios in order to check how the measuring system and an associated control system react.
Ein Beispiel hierfür sind Messsysteme zur Abstandsmessung speziell im Kraftfahrzeugbereich, wie sie zusehends für Assistenzsysteme oder für einen autonomen Fahrbetrieb eingesetzt werden, z.B. für Advanced Driving Systems (AD), Automated and Assisted Driving Systems (ADAS) oder für Connected and Automated Vehicles (CAVs).An example of this are measurement systems for distance measurement, especially in the motor vehicle sector, as they are increasingly being used for assistance systems or for autonomous driving, e.g. for Advanced Driving Systems (AD), Automated and Assisted Driving Systems (ADAS) or for Connected and Automated Vehicles (CAVs) .
Abstandsmesssysteme sind beispielsweise als Radar-, Ultraschall- oder auch Laser-Systeme (LIDAR) ausgebildet. Diese beruhen im Allgemeinen darauf, dass ein Messpuls ausgesendet und ein reflektiertes Antwortsignal erfasst und ausgewertet wird. Anhand der Laufzeit bis zum Eintreffen des Antwortsignals wird auf die Entfernung eines Gegenstands zurückgeschlossen, welcher zur Reflexion des Messpulses geführt hat.Distance measuring systems are designed, for example, as radar, ultrasound or laser systems (LIDAR). These are generally based on the fact that a measuring pulse is transmitted and a reflected response signal is recorded and evaluated. Based on the transit time until the response signal arrives, conclusions are drawn about the distance of an object that led to the reflection of the measurement pulse.
Es ist bekannt, mit Hilfe von oder in Testsystemen derartige Antwortsignale für unterschiedliche Entfernungen zu simulieren. Ein derartiges Testsystem weist typischerweise einen Empfänger sowie einen Sender auf. Mittels des Empfängers wird der von dem Messsystem abgegebene Messpuls erfasst und über den Sender wird ein Ausgangspuls ausgegeben, welcher das Antwortsignal simuliert. Zwischen dem Empfang des Messpulses und dem Abgeben des Ausgangspulses wird eine definierte Verzögerung eingestellt, die zu der Laufzeit eines realen Antwortsignals korreliert, welches simuliert werden soll.It is known to simulate response signals of this type for different distances with the aid of or in test systems. Such a test system typically has a receiver and a transmitter. The measuring pulse emitted by the measuring system is recorded by the receiver and an output pulse is emitted via the transmitter, which simulates the response signal. A defined delay is set between the reception of the measurement pulse and the emission of the output pulse, which is correlated to the transit time of a real response signal that is to be simulated.
Derartige Testanordnungen, bei denen das zu testende reale Messsystem in die Testumgebung mit eingebunden ist, werden auch als Hardware in the Loop-Systeme (HIL) bezeichnet. Das zu testende System oder die zu testende Hardware, also vorliegend das Messsystem, werden allgemein als DUT (Device Under Test) bezeichnet.Such test arrangements, in which the real measuring system to be tested is integrated into the test environment, are also referred to as hardware in the loop systems (HIL). The system to be tested or the hardware to be tested, that is to say in the present case the measuring system, are generally referred to as DUT (Device Under Test).
Von besonderer Bedeutung ist eine möglichst genaue Einstellung der Verzögerung zwischen Messpuls und Ausgangspuls. Aufgrund der hohen Geschwindigkeit der Signalausbreitung (z.B. Lichtgeschwindigkeit im Falle LIDAR) führt eine ungenaue Einstellung der Verzögerung zu ungenauen Ergebnissen. Dies macht sich speziell im Nahbereich bemerkbar, wenn also Entfernungen im Bereich von wenigen Metern oder einigen 10 m zuverlässig simuliert werden sollen.Setting the delay between the measuring pulse and the output pulse as precisely as possible is of particular importance. Due to the high speed of signal propagation (e.g. the speed of light in the case of LIDAR), an inaccurate setting of the delay leads to inaccurate results. This is particularly noticeable at close range, i.e. when distances in the range of a few meters or a few tens of meters are to be reliably simulated.
Ausgehend hiervon liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, ein zuverlässiges Testen solcher Messsysteme zu ermöglichen, die auf der Auswertung von Laufzeiten eines Messpulses beruhen, und zwar mit Hilfe eines Testsystems, welches die Laufzeit eines Messpulses durch Ausgabe eines verzögerten Ausgangspulses simuliert.Starting from this, the invention is based on the object of enabling reliable testing of such measuring systems which are based on the evaluation of the transit times of a measurement pulse, specifically with the aid of a test system which simulates the transit time of a measurement pulse by outputting a delayed output pulse.
Die Aufgabe wird gemäß der Erfindung gelöst durch ein Verfahren zum Testen und insbesondere auch zum Validieren der Funktionalitäten und der Funktionsfähigkeit eines hochfrequenten Messsystems, insbesondere ein Messsystem zur Abstandsmessung und zwar speziell bei Kraftfahrzeugen. Das Messsystem weist allgemein einen Messtakt auf und sendet periodisch mit dem Messtakt getaktet einen Messpuls aus. Der Messpuls wird von einem Testsystem erfasst, welches einen verzögerten Ausgangspuls erzeugt und zwar als Maß für die von dem Messsystem zu messende Messgröße. Bei dieser handelt es sich insbesondere um die Laufzeit des Messpulses bzw. hieraus abgeleitet eine Entfernung und damit einen Abstand zu einem (fiktiven) Gegenstand. Dieser Ausgangspuls simuliert daher ein Antwortsignal oder reflektiertes Signal, welches in einem vorgegebenen Abstand von dem Messsystem an einem realen Gegenstand reflektiert werden würde.The object is achieved according to the invention by a method for testing and in particular also for validating the functionalities and the functionality of a high-frequency measuring system, in particular a measuring system for distance measurement, specifically in motor vehicles. The measuring system generally has a measuring cycle and periodically sends out a measuring pulse that is cycled with the measuring cycle. The measuring pulse is recorded by a test system which generates a delayed output pulse as a measure for the measured variable to be measured by the measuring system. This is in particular the transit time of the measurement pulse or, derived from this, a distance and thus a distance to a (fictitious) object. This output pulse therefore simulates a response signal or a reflected signal which would be reflected on a real object at a predetermined distance from the measuring system.
Mit Hilfe des Testsystems wird daher das Messystem auf seine Funktion getestet und insbesondere wird validiert, ob das Messsystem einem gewünschten Anforderungsprofil entspricht.With the help of the test system, the measuring system is therefore tested for its function and, in particular, it is validated whether the measuring system corresponds to a desired requirement profile.
Der Ausgangspuls wird in Relation zu dem auf den von dem Messsystem ausgegebenen Messpuls um eine Verzögerungszeit verzögert abgegeben, wobei die Verzögerungszeit sich zusammensetzt aus einem insbesondere ganzzahligen Vielfachen, insbesondere dem Einfachen des Messtaktes zuzüglich einer Simulations-Verzögerung. Die Simulations-Verzögerung korreliert dabei zu einer simulierten Laufzeit des Messpulses, also zu einer Laufzeit, die der Messpuls benötigen würde, bis er nach einer Reflexion an einem (realen) Gegenstand wieder vom Messsystem erfasst werden würde. Die Simulations-Verzögerung korreliert daher zu einem (fiktiven) Abstand.The output pulse is delivered delayed by a delay time in relation to the measurement pulse output by the measurement system, the delay time being composed of an in particular integer multiple, in particular the simplicity of the measurement cycle plus a simulation delay. The simulation delay correlates with a simulated run time of the measuring pulse, that is, a run time that the measuring pulse would need until it would be detected again by the measuring system after a reflection on a (real) object. The simulation delay therefore correlates to a (fictitious) distance.
Diese Ausgestaltung beruht auf der Überlegung, dass speziell bei kurzen zu simulierenden Abständen und damit bei kurzen Laufzeiten das Problem besteht, dass interne Signalverarbeitungszeiten des Testsystems zu einer verzögerten Abgabe des Ausgangspulses führen können. Dadurch würde das Messergebnis verfälscht werden. Speziell besteht die Gefahr, dass bei kurzen Abständen die einzustellende Simulations-Verzögerungszeit geringer ist als die Signalverarbeitungszeit des Testsystems, die auch als Totzeit bezeichnet wird.This refinement is based on the consideration that, especially with short intervals to be simulated and thus with short transit times, the problem arises that internal signal processing times of the test system can lead to a delayed delivery of the output pulse. This would falsify the measurement result. In particular, there is a risk that, in the case of short intervals, the simulation delay time to be set is less than the signal processing time of the test system, which is also referred to as the dead time.
Durch die Einstellung der Verzögerungszeit als Summe eines ganzzahligen Vielfachens des Messtaktes zuzüglich der Simulations-Verzögerung wird quasi der Ausgangspuls und damit das simulierte Antwortsignal in einen nachfolgenden Messzyklus, bevorzugt in den unmittelbar nachfolgenden Messzyklus des Messsystems verschoben. Ein jeweiliger Messzyklus ist dabei jeweils definiert durch die periodisch abgegebenen Messpulse. Durch den Messtakt ist eine Zykluszeit definiert, und zwar durch die Zeit zwischen zwei aufeinanderfolgenden Messpulsen.By setting the delay time as the sum of an integer multiple of the measuring cycle plus the simulation delay, the output pulse and thus the simulated response signal is shifted to a subsequent measuring cycle, preferably to the immediately following measuring cycle of the measuring system. A respective measuring cycle is defined by the periodically emitted measuring pulses. A cycle time is defined by the measuring cycle, namely by the time between two successive measuring pulses.
Das Testsystem empfängt daher einen ersten Messpuls und stellt die Verzögerungszeit derart ein, dass der abgegebene Ausgangspuls beim Messsystem erst nach einem weiteren, insbesondere dem folgenden, zweiten Messpuls beim Messsystem eintrifft. Die Verzögerungszeit wird dabei derart eingestellt, dass der zeitliche Abstand zwischen dem weiteren Messpuls und dem Eintreffen des Ausgangspulses beim Messsystem exakt der Laufzeit entspricht, die der Messpuls benötigen würde, bis er nach einer Reflexion an einem Gegenstand mit definiertem Abstand von dem Messsystem wieder beim Messystem auftrifft. Das Messsystem wertet dann die Laufzeit zwischen dem weiteren (zweiten) Messpuls und dem Ausgangspuls aus. Durch diese Maßnahme werden effektiv Verzögerungen durch Signalverarbeitungszeiten vermieden und es ist eine hochgenaue Einstellung der Verzögerungszeit ermöglicht, sodass auch kurze Abstände zuverlässig simuliert werden können.The test system therefore receives a first measurement pulse and sets the delay time in such a way that the output pulse that is emitted in the measurement system only arrives at the measurement system after a further, in particular the following, second measurement pulse. The delay time is set in such a way that the time interval between the further measuring pulse and the arrival of the output pulse at the measuring system corresponds exactly to the transit time that the measuring pulse would need until it returns to the measuring system after a reflection on an object at a defined distance from the measuring system hits. The measuring system then evaluates the transit time between the further (second) measuring pulse and the output pulse. This measure effectively avoids delays caused by signal processing times and enables the delay time to be set with high precision, so that even short distances can be reliably simulated.
Ein weiterer Vorteil des Verschiebens besteht darin, dass auch ein Abstand eines Gegenstands simuliert werden kann, dessen Abstand innerhalb des Abstandsbereichs vom Messsystem zum Testsystem liegt. Derartige kurze Abstände beispielsweise im Bereich unter 10m konnten bisher nicht simuliert / emuliert werden.Another advantage of the shifting is that a distance from an object can also be simulated, the distance of which lies within the distance range from the measuring system to the test system. Such short distances, for example in the range of less than 10 m, could not previously be simulated / emulated.
Sofern vorliegend von einem hochfrequenten Messsystem gesprochen wird, so wird hierunter insbesondere verstanden, dass der Messtakt des Messsystems im Kilohertz Bereich liegt, speziell im Bereich zwischen 10 kHz und 100 kHz und vorzugsweise beispielsweise im Bereich von 30 kHz bis 60 kHz, beispielsweise von 50 kHz. Ein Messtakt von 50 kHz entspricht dabei einer Taktzeit (Zykluszeit, Taktperiode) von 20 µs. Die Pulsdauer des Messpulses liegt typischerweise deutlich unter dieser Taktzeit, beispielsweise um zumindest den Faktor 100. Typische Pulsdauern des Messpulses liegen beispielsweise bei 200 ns.If a high-frequency measuring system is mentioned here, this is understood in particular to mean that the measuring rate of the measuring system is in the kilohertz range, specifically in the range between 10 kHz and 100 kHz and preferably, for example, in the range from 30 kHz to 60 kHz, for example 50 kHz . A measuring cycle of 50 kHz corresponds to a cycle time (cycle time, cycle period) of 20 µs. The pulse duration of the measuring pulse is typically well below this cycle time, for example by at least a factor of 100. Typical pulse durations of the measuring pulse are, for example, 200 ns.
Mit dem Ausdruck „die Simulations-Verzögerung korreliert zu einer simulierten Laufzeit des Messpulses“ wird berücksichtigt, dass für die Einstellung der Verschiebung des vom Testsystem ausgegebenen Ausganspulses (also für die Einstellung der zeitlichen Differenz zwischen dem beim Testsystem eingehenden Messpuls und dem Ausganspuls) Randbedingungen, insbesondere der physikalische Abstand zwischen Messsystem und Testsystem und ergänzend vorzugsweise auch die Totzeit zu berücksichtigen sind.With the expression "the simulation delay correlates to a simulated running time of the measuring pulse" it is taken into account that boundary conditions for setting the shift of the output pulse output by the test system (i.e. for setting the time difference between the measuring pulse arriving at the test system and the output pulse) In particular, the physical distance between the measuring system and the test system and, in addition, preferably also the dead time, must be taken into account.
Die Simulations-Verzögerung entspricht üblicherweise exakt einer Gesamtlaufzeit des Messpulses, die dieser benötigt für die Strecke „Messsystem- (fiktiver) Gegenstand in einem definierten Messabstand - Messsystem“ jedoch unter Berücksichtigung einer realen Laufzeit, die für die (doppelte) Strecke zwischen Messsystem und Testsystem benötigt wird.The simulation delay usually corresponds exactly to the total running time of the measuring pulse, which it needs for the distance "measuring system - (fictitious) object in a defined measuring distance - measuring system", however, taking into account a real running time for the (double) distance between measuring system and test system is needed.
Die vom Testsystem eingestellte (gesamte) Verzögerungszeit enthält neben einem variablen, vom Testsystem einstellbaren Teil i.d.R. auch einen festen Teil, nämlich die Totzeit.The (total) delay time set by the test system contains, in addition to a variable part that can be set by the test system, usually also a fixed part, namely the dead time.
Allgemein stellt das Testsystem eine Simulations-Verzögerung derart ein, dass beim Messystem nach einem ersten abgegebenen Messpuls der von dem Testsystem abgegebene Ausgangspuls erst zu einem nachfolgenden Messzyklus beim Messsystem eintrifft und zwar so, dass der zeitliche Abstand zwischen dem Messpuls des nachfolgenden Messzyklus und dem beim Messsystem eingehenden Ausgangspuls der (simulierten) Entfernung zwischen dem Messsystem und dem (simulierten) Gegenstand entspricht.In general, the test system sets a simulation delay in such a way that in the measuring system after a first emitted measuring pulse, the output pulse emitted by the test system does not arrive at the measuring system until a subsequent measuring cycle, namely in such a way that the time interval between the measuring pulse of the subsequent measuring cycle and that of the Measuring system incoming output pulse corresponds to the (simulated) distance between the measuring system and the (simulated) object.
Ist der (fiktive, virtuelle) Messabstand größer als der Abstand (Strecke) zwischen dem Messsystem und dem Testsystem, so bestimmt sich die Simulations-Verzögerung aus der Gesamtlaufzeit abzüglich der benötigten realen Laufzeit des Signals für die Strecke zwischen Messsystem und Testsystem, d.h. die Gesamtlaufzeit ist die Summe aus der realen Laufzeit und der positiven Simulations-Verzögerung.If the (fictitious, virtual) measuring distance is greater than the distance (distance) between the measuring system and the test system, the simulation delay is determined from the total runtime minus the required real runtime of the signal for the distance between the measuring system and test system, i.e. the total runtime is the sum of the real runtime and the positive simulation delay.
Ist demgegenüber der gewünschte (fiktive, virtuelle) Messabstand kleiner als der Abstand (Strecke) zwischen dem Messsystem und dem Testsystem, so bestimmt sich eine (rechnerisch negative) Simulations-Verzögerung aus der benötigten realen Laufzeit des Signals für die Strecke zwischen Messsystem und Testsystem abzüglich der Gesamtlaufzeit, d.h. die Gesamtlaufzeit ist die Summe aus der realen Laufzeit und der negativen Simulations-Verzögerung.If, on the other hand, the desired (fictitious, virtual) measuring distance is smaller than the distance (distance) between the measuring system and the test system, a (mathematically negative) simulation delay is determined from the required real runtime of the signal for the distance between the measuring system and the test system minus the total runtime, ie the total runtime is the sum of the real runtime and the negative simulation delay.
Die Totzeit des Testsystems, also die erforderliche Zeit für die Signalverarbeitung bis zum Aussenden des Ausgangspulses wird mitbestimmt durch Ein- und Ausgangsverzögerungen des Testsystems, inklusive interne Konfigurationseinstellungen (Multiplexer). Hierauf hat insbesondere auch ein vorgegebenen Systemtakt des Testsystems maßgeblichen Einfluss. Derartige Totzeiten können beispielsweise 20 ns und mehr betragen. Dies entspricht einer Entfernung von 3 m und mehr. Dies bedeutet, dass ohne die zuvor beschriebene Kompensation infolge der Verschiebung um einen Messzyklus ein eventuelles Messergebnis für einen simulierten Nahbereich stark verfälscht wäre.The dead time of the test system, i.e. the time required for signal processing until the output pulse is sent, is also determined by the input and output delays of the test system, including internal configuration settings (multiplexer). In particular, a specified system clock of the test system has a decisive influence on this. Such dead times can be, for example, 20 ns and more. This corresponds to a distance of 3 m and more. This means that without the compensation described above as a result of the shift by one measurement cycle, a possible measurement result for a simulated close range would be greatly falsified.
Gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung weist das Testsystem einen Systemtakt mit einem gepulsten Taktsignal (Clock-Signal) auf und es wird eine Phasenverschiebung des vom Testsystem empfangenen Messpulses in Relation zu dem Taktsignal ermittelt. Diese Phasenverschiebung wird anschließend bei der Bestimmung der Verzögerungszeit berücksichtigt und kompensiert.According to a preferred embodiment, the test system has a system clock with a pulsed clock signal (clock signal) and a phase shift of the measurement pulse received from the test system in relation to the clock signal is determined. This phase shift is then taken into account and compensated for when determining the delay time.
Diese Ausgestaltung beruht dabei auf der Überlegung, dass für die Erkennung des Messpulses bei einem ungünstigen Phasenversatz zwischen dem Eingang des Messpulses und dem Taktsignal nahezu ein vollständiger Systemtakt, also die Zeitdauer zwischen 2 aufeinanderfolgenden Taktsignalen, vergehen kann und dass bis zur Abgabe des Ausgangspulses nochmals zumindest ein Systemtakt vergehen kann. Insgesamt können daher mindestens zwei Systemtakte bis zur Abgabe des Ausgangspulses vergehen. Hierdurch entsteht - beispielsweise bei einem Systemtakt von 10 ns - die oben erwähnte Ungenauigkeit von mehreren Metern und führt wegen der asynchronen Natur zu Taktzittern (Jitter) und damit auch zu Entfernungsschwankungen. Um diese Ungenauigkeit zumindest zu reduzieren wird die Phasenbeziehung, also der Zeitversatz zwischen dem Messpuls und dem Taktsignal ermittelt. Bezugspunkt für die Erfassung der Phasenbeziehung ist dabei typischerweise die ansteigende oder abfallende Flanke des jeweiligen Signalpulses entweder des Messpulses oder des (gepulsten) Taktsignals.This refinement is based on the consideration that for the detection of the measuring pulse in the event of an unfavorable phase shift between the input of the measuring pulse and the clock signal, almost a complete system clock, i.e. the time between two successive clock signals, can pass and that at least again until the output pulse is emitted a system clock can pass. A total of at least two system clocks can therefore elapse before the output pulse is emitted. This creates the above-mentioned inaccuracy of several meters - for example with a system cycle of 10 ns - and, because of its asynchronous nature, leads to clock jitter and thus also to fluctuations in distance. In order to at least reduce this inaccuracy, the phase relationship, that is to say the time offset between the measuring pulse and the clock signal, is determined. The reference point for the detection of the phase relationship is typically the rising or falling edge of the respective signal pulse of either the measuring pulse or the (pulsed) clock signal.
Die ermittelte Phasenbeziehung wird bei der Ausgabe des Ausganspulses berücksichtigt und zwar bevorzugt derart, dass die Phasenbeziehung zwischen Messpuls und dem Systemtakt der Phasenbeziehung des Ausgangspulses und dem Systemtakt zuzüglich der Simulations-Verzögerungszeit entspricht.The determined phase relationship is taken into account when the output pulse is output, preferably in such a way that the phase relationship between the measurement pulse and the system clock corresponds to the phase relationship of the output pulse and the system clock plus the simulation delay time.
Zur Ermittlung der Phasenverschiebung wird der Messpuls bevorzugt an einen Messblock mit einer Vielzahl von einzelnen Delay-Bausteinen angelegt. Jeder dieser Delay-Bausteine weist jeweils eine zeitliche Verzögerung auf, also eine definierte Zeitdauer, wobei die Verzögerung die Zeit ist, die verstreicht, bis - nach dem Anlegen eines Eingangssignals - sich der Zustand des Delay-Bausteins verändert und dieser quasi schaltet. Derartige Delay-Bausteine sind grundsätzlich bekannt. Speziell sind sie beispielsweise durch Inverter oder auch durch Multiplexer verwirklicht. Für die Bestimmung der Phasenverschiebung wird die Anzahl der Delay-Bausteine ermittelt, die im Zeitraum zwischen dem Messpuls, insbesondere einer Pulsflanke des Messpulses, und dem Taktsignal, insbesondere einer Pulsflanke des Taktsignals geschaltet haben. Die Anzahl der geschalteten Delay-Bausteine multipliziert mit der Zeitdauer der Verzögerung ergibt die Phasenverschiebung.To determine the phase shift, the measurement pulse is preferably applied to a measurement block with a large number of individual delay modules. Each of these delay modules has a time delay, i.e. a defined period of time, the delay being the time that elapses until - after the application of an input signal - the state of the delay module changes and it virtually switches. Such delay modules are known in principle. In particular, they are implemented, for example, by inverters or also by multiplexers. To determine the phase shift, the number of delay modules is determined which switched in the period between the measurement pulse, in particular a pulse edge of the measurement pulse, and the clock signal, in particular a pulse edge of the clock signal. The number of switched delay modules multiplied by the duration of the delay results in the phase shift.
Dieser Messblock weist allgemein einen seriellen Aufbau auf, so dass sich die einzelnen Verzögerungen linear aufaddieren. Beispielsweise sind die einzelnen Delay-Bausteine seriell hintereinander angeordnet, sodass sich die Verzögerung durch Addition der einzelnen Verzögerungen der Delay-Bausteine ergibt.This measuring block generally has a serial structure, so that the individual delays add up linearly. For example, the individual delay modules are arranged in series so that the delay results from adding the individual delays of the delay modules.
Die Delay-Bausteine weisen vorzugsweise eine Zeitdauer für die Verzögerung im Bereich von ein 1/10 bis 1/100 oder auch bis 1/1000 des Systemtaktes auf. Die Verzögerungen können alternativ auch in Binärstufen realisiert sein, z.B. im Bereich 1/8 bis 1/128 oder auch bis 1/1024 des Systemtaktes. Im Vergleich zu einem System ohne Berücksichtigung der Phasenverschiebung wird daher die Genauigkeit der Erfassung des eingehenden Messpulses um den entsprechenden Faktor, beispielsweise um den Faktor 10,100 oder 1000 erhöht.The delay modules preferably have a time duration for the delay in the range from 1/10 to 1/100 or also to 1/1000 of the system clock. Alternatively, the delays can also be implemented in binary steps, e.g. in the
Der Systemtakt liegt vorzugsweise im Bereich zwischen 50 MHz bis beispielsweise 500 MHz. Speziell liegt er bei 100 MHz oder auch bei 400 MHz. Dies entspricht Taktzeiten von 10 ns bzw. von 2,5 ns. Die Zeitdauer für die Verzögerung der Delay-Bausteine liegt entsprechend beispielsweise im Bereich von 100 ps, bei einer Taktzeit von 10 ns. Allgemein liegt die Verzögerung eines jeweiligen Delay-Bausteins im Bereich zwischen 10ps und 500ps, insbesondere im Bereich zwischen 50ps bis 300ps.The system clock is preferably in the range between 50 MHz and 500 MHz, for example. In particular, it is 100 MHz or 400 MHz. This corresponds to cycle times of 10 ns or 2.5 ns. The time duration for the delay of the delay modules is accordingly, for example, in the range of 100 ps, with a cycle time of 10 ns. In general, the delay of a respective delay module is in the range between 10ps and 500ps, in particular in the range between 50ps and 300ps.
Die Anzahl der Delay-Bausteine in dem Messblock ist bevorzugt derart bemessen, dass die Zeitdauer der Verzögerung pro Baustein multipliziert mit der Anzahl der Bausteine zumindest und bevorzugt genau die Taktzeit ergibt. Liegt also im gewählten Beispiel die Verzögerung bei 100 ps, so werden bei einer Taktzeit des Systemtaktes von 10 ns 100 Bausteine eingesetzt, deren aufsummierte GesamtVerzögerung die 10 ns ergeben.The number of delay modules in the measuring block is preferably dimensioned such that the duration of the delay per module multiplied by the number of modules at least and preferably precisely results in the cycle time. If the delay in the selected example is 100 ps, then 100 modules are used with a cycle time of the system cycle of 10 ns, the total delay of which results in 10 ns.
Der Systemtakt, also die Taktzeit des Testsystems liegt allgemein typischerweise um etwa den Faktor 1000 unter der Taktzeit des Messtaktes des Messsystems. D.h. die Taktzeit des Testsystems ist im Allgemeinen um etwa den Faktor 1000 schneller als der Messtakt, also als die Taktzeit des Messsystems.The system cycle, i.e. the cycle time of the test system, is typically around a factor of 1000 less than the cycle time of the measurement cycle of the Measuring system. In other words, the cycle time of the test system is generally about a factor of 1000 faster than the measurement cycle, that is, than the cycle time of the measurement system.
In bevorzugter Ausgestaltung werden die folgenden Schritte durchgeführt:
- a) Zunächst wird wie zuvor beschrieben die Phasenverschiebung ermittelt.
- b) Anschließend oder gleichzeitig mit der Ermittlung der Phasenverschiebung wird der Messpuls mit dem Taktsignal synchronisiert. Dies bedeutet, dass der Messpuls so weit zeitlich verschoben (verzögert) wird, dass er keine Phasenverschiebung mehr zum Taktsignal aufweist. Dies bedeutet insbesondere, dass eine Pulsflanke des Messpulses und des Taktsignals zeitgleich vorliegen. Hierzu werden übliche Verfahren zur Synchronisierung zweier Impulse eingesetzt.
- c) Weiterhin erfolgt ein zeitliches Verschieben des Messpulses um ein ganzzahliges Vielfaches des Systemtaktes. Hierzu weist das Testsystem, speziell eine Steuereinheit des Testsystems, welche beispielsweise durch ein FPGA (Field Programmable Gate Array) gebildet ist, eine erste insbesondere einstellbare Verzögerungsschaltung auf.
- d) Danach erfolgt ein weiteres Verschieben des Messpulses entsprechend der zuvor ermittelten Phasenverschiebung. Für die Verschiebung des Messpulses entsprechend der Phasenverschiebung ist eine weitere (zweite) Verzögerungsschaltung in der hardwaretechnischen Umsetzung vorgesehen.
- a) First, the phase shift is determined as described above.
- b) Subsequently or simultaneously with the determination of the phase shift, the measuring pulse is synchronized with the clock signal. This means that the measurement pulse is shifted (delayed) in time to such an extent that it no longer has a phase shift in relation to the clock signal. This means in particular that a pulse edge of the measurement pulse and the clock signal are present at the same time. The usual methods for synchronizing two pulses are used for this purpose.
- c) Furthermore, the measuring pulse is shifted over time by an integral multiple of the system clock. For this purpose, the test system, specifically a control unit of the test system, which is formed, for example, by an FPGA (Field Programmable Gate Array), has a first, in particular adjustable, delay circuit.
- d) The measurement pulse is then shifted further in accordance with the previously determined phase shift. A further (second) delay circuit is provided in the hardware implementation for shifting the measurement pulse in accordance with the phase shift.
Gemäß einer Variante nimmt der Messpuls nach diesem weiteren Verschieben wieder die gleiche Phasenlage im Verhältnis zum Systemtakt ein, wie dies vor dem Synchronisieren vorlag. Dies bedeutet, dass das verschobene Signal (Messpuls) exakt wieder die gleiche Phasenlage bezüglich des Taktsignals einnimmt. Damit wird ein Zeitabstand zwischen Eingang des Messpulses und dem Taktsignal quasi bei der Verschiebung beibehalten.According to a variant, after this further shifting, the measuring pulse again assumes the same phase position in relation to the system clock as it was before the synchronization. This means that the shifted signal (measuring pulse) again assumes exactly the same phase position with respect to the clock signal. In this way, a time interval between the input of the measuring pulse and the clock signal is maintained, so to speak, during the shift.
Grundsätzlich wird der Messpuls noch um die Simulations-Verzögerung verschoben, bevor dann der Ausgangspuls ausgegeben wird. Dies kann grundsätzlich auch vor dem Schritt d) erfolgen, bei dem die Phasenverschiebung berücksichtigt wird.Basically, the measuring pulse is shifted by the simulation delay before the output pulse is output. In principle, this can also take place before step d), in which the phase shift is taken into account.
Durch diese einzelnen Schritte wird daher zum einen erreicht, dass zunächst die Phasenverschiebung ermittelt wird, durch das anschließende Synchronisieren wird ein definiertes Verschieben um ein Vielfaches des Systemtaktes ermöglicht und anschließend wird durch die ergänzende Verschiebung um die zuvor ermittelte Phasenverschiebung die ursprüngliche Phasenlage wieder hergestellt, oder zumindest berücksichtigt.Through these individual steps it is achieved on the one hand that the phase shift is determined first, the subsequent synchronization enables a defined shift by a multiple of the system clock and then the original phase position is restored by the additional shift by the previously determined phase shift, or at least taken into account.
Die sich aus den Schritten c) und d) ergebende Verschiebung wird dabei bevorzugt derart eingestellt, dass diese Verschiebung gemäß einer ersten Ausführungsvariante exakt der Taktzeit oder einem ganzzahligen Vielfachen des Messtaktes entspricht, d.h. der Messpuls wird um exakt ein oder mehrere Messzyklen verschoben.The shift resulting from steps c) and d) is preferably set in such a way that, according to a first embodiment variant, this shift corresponds exactly to the cycle time or an integer multiple of the measurement cycle, i.e. the measurement pulse is shifted by exactly one or more measurement cycles.
In einer bevorzugten Ausgestaltung ist demgegenüber vorgesehen, dass diese Verschiebung derart eingestellt ist, dass die Verschiebung dem Messtakt (oder einem ganzzahligen Vielfachen des Messtaktes) abzüglich eines Abstandsfensters entspricht. Das Abstandsfenster wird beispielsweise auf 5-20 % des Messtaktes eingestellt, also beispielsweise auf 0,5 µs bis 5 µs und insbesondere auf 1-2 µs. Dadurch wird ein zeitlicher Abstand des verschobenen Messpulses zu dem nachfolgenden weiteren (zweiten) Messpuls geschaffen, welcher von den Testsystem empfangen wird.In a preferred embodiment, on the other hand, it is provided that this shift is set in such a way that the shift corresponds to the measuring cycle (or an integer multiple of the measuring cycle) minus a distance window. The distance window is set, for example, to 5-20% of the measuring cycle, that is to say, for example, to 0.5 microseconds to 5 microseconds and in particular to 1-2 microseconds. This creates a time interval between the shifted measurement pulse and the subsequent further (second) measurement pulse that is received by the test system.
Wie bereits erwähnt, wird vorzugsweise anschließend in einem (letzten) Schritt die Verschiebung um die Simulations-Verzögerung und - sofern das Abstandsfenster eingestellt ist - zuzüglich um das Abstandsfenster vorgenommen, bevor der Ausgangspuls abgegeben wird. Für diese weitere Verschiebung um die Simulations-Verzögerung und gegebenenfalls ergänzt um das Abstandsfensters ist vorzugsweise eine weitere, dritte Verzögerungsschaltung bei der hardwaretechnischen Umsetzung vorgesehen. Die Verzögerungsschaltung wird auch als Delay-line bezeichnetAs already mentioned, the shift by the simulation delay and - if the distance window is set - plus by the distance window is then preferably carried out in a (last) step before the output pulse is emitted. For this further shift by the simulation delay and, if necessary, supplemented by the distance window, a further, third delay circuit is preferably provided in the hardware implementation. The delay circuit is also referred to as a delay line
Für die Verschiebung um die Simulations-Verzögerung ist allgemein die Totzeit des Testsystems zu berücksichtigen. Dies ist bekannt oder kann ermittelt werden. Die von der Verzögerungsschaltung eingestellte Verzögerung berücksichtigt daher die sowieso vorhandene Totzeit.For the shift by the simulation delay, the dead time of the test system must generally be taken into account. This is known or can be determined. The delay set by the delay circuit therefore takes into account the dead time that is already present.
Von besonderer Bedeutung ist vorliegend, dass der eingehende Messpuls um ein ganzzahliges Vielfaches des Systemtaktes verschoben wird. Die Verschiebung bestimmt sich daher insbesondere ausschließlich nach dem Systemtakt des Testsystems.In the present case, it is of particular importance that the incoming measurement pulse is shifted by an integral multiple of the system clock. The shift is therefore determined in particular exclusively according to the system clock of the test system.
In bevorzugter Ausgestaltung ist das Testsystem derart ausgebildet, dass mit diesem ein Abstand (des Messsystems) zu einem Gegenstand simuliert wird, welcher kleiner ist als der physikalische Abstand zwischen dem Testsystem und dem Messsystem, so dass also der zu simulierende Gegenstand zwischen dem Messsystem und dem Testsystem liegt. D.h. die Simulations-Verzögerung wird derart gewählt, dass die simulierte und vom Messystem ausgewertete Laufzeit einem Abstand entspricht, welcher kleiner dem physikalischen Abstand zwischen dem Testsystem und dem Messsystem ist. Speziell werden Abstände simuliert, die kleiner 10m oder auch kleiner 3m sind. Dies ist mit herkömmlichen Testverfahren nicht möglich.In a preferred embodiment, the test system is designed such that it is used to simulate a distance (of the measuring system) to an object which is smaller than the physical distance between the test system and the measuring system, so that the object to be simulated is between the measuring system and the Test system lies. Ie the simulation delay is selected such that the simulated transit time and evaluated by the measuring system corresponds to a distance which is smaller than the physical distance between the test system and the measuring system. In particular, distances that are less than 10m or less than 3m are simulated. This is not possible with conventional test procedures.
Das hier beschriebene Verfahren mit der Verschiebung um zumindest und insbesondere genau einen Messtakt in einen nachfolgenden Messzyklus ermöglicht daher in vorteilhafter Weise, auch kürzeste Abstände zu simulieren. Durch das Verschieben kann daher der komplette Abstandsbereich (Messsystem zum fiktiven Objekt) simuliert werden. Entscheidend hierfür ist, dass durch die Verschiebung die Signalverarbeitungszeit (Totzeit) und der Abstand des Testsystems zum Messsystem keine Rolle mehr spielt und quasi eliminiert wird.The method described here with the shift by at least and in particular precisely one measuring cycle in a subsequent measuring cycle therefore advantageously enables even the shortest distances to be simulated. The entire distance range (measuring system to the fictitious object) can therefore be simulated by moving. The decisive factor here is that the signal processing time (dead time) and the distance between the test system and the measuring system no longer play a role and are virtually eliminated.
Hierzu wird die Simulation-Verzögerung entsprechend gewählt, so dass der Ausgangspuls zeitlich sehr nahe nach dem weiteren (zweiten) Messpuls beim Messsystem eingeht.For this purpose, the simulation delay is selected accordingly so that the output pulse is received by the measuring system very close in time after the further (second) measuring pulse.
Da sich die Verzögerungszeit zwischen eingehendem Messpuls und Ausganspuls zusammensetzt aus einem Vielfachen des Messtaktes zuzüglich einer zu der simulierten Laufzeit korrespondierenden Simulations-Verzögerung, ist diese rein rechnerisch negativ. In diesem Fall wird insbesondere auf die oben beschriebene Variante mit dem Abstandsfenster zurückgegriffen.Since the delay time between the incoming measuring pulse and the output pulse is made up of a multiple of the measuring cycle plus a simulation delay corresponding to the simulated running time, this is purely mathematically negative. In this case, the variant with the distance window described above is used in particular.
Typischerweise weist ein derartiges Testsystem mehrere (Simulations-) Kanäle auf, wobei für die Kanäle unterschiedliche Simulations-Verzögerungen fest vorgegeben sind oder programmierbar sind. Durch Auswahl eines jeweiligen Kanals werden unterschiedliche simulierte Abstände eingestellt.Such a test system typically has several (simulation) channels, with different simulation delays being fixed or programmable for the channels. Different simulated distances are set by selecting a respective channel.
Für die Ermittlung der Verzögerungszeit, die durch das Testsystem eingestellt wird, wird regelmäßig auch eine (reale) Signallaufzeit zwischen dem Messsystem und dem Testsystem berücksichtigt. Es wird also berücksichtigt, dass das Testsystem von dem Messsystem einen vorgegebenen Messabstand aufweist, der typischerweise im Bereich von wenigen Metern, beispielsweise von 0,5 m bis 4 m liegt.To determine the delay time that is set by the test system, a (real) signal transit time between the measuring system and the test system is also regularly taken into account. It is therefore taken into account that the test system has a predetermined measuring distance from the measuring system, which is typically in the range of a few meters, for example from 0.5 m to 4 m.
Bevorzugt ist das Testsystem zwischen einem Normalbetrieb und einem Kompensationsbetrieb umschaltbar, wobei lediglich im Kompensationsbetrieb die Verzögerungszeit wie zuvor beschriebenen bestimmt wird, sodass der Messpuls in einen nachfolgenden Messzyklus des Messsystems verschoben wird. Bei der tatsächlichen Einstellung der Verzögerungszeit (was durch die beschriebenen Verzögerungsschaltungen (Delay-lines) erreicht wird, wird vorzugsweise die Totzeit mit berücksichtigt.The test system can preferably be switched between normal operation and compensation operation, the delay time being determined as described above only in compensation operation, so that the measuring pulse is shifted into a subsequent measuring cycle of the measuring system. In the actual setting of the delay time (which is achieved by the delay circuits (delay lines) described, the dead time is preferably also taken into account.
Dagegen wird im Normalbetrieb lediglich die Simulations-Verzögerung (vorzugsweise ebenfalls unter Berücksichtigung der Totzeit) eingestellt, über die der Abstand simuliert wird. Diese beiden Betriebsmodi können auch als Nahbereich-Modus und Fern-Modus angesehen werden, wobei im Nahbereich-Modus der Kompensationsbetrieb erfolgt. Im Normalbetrieb oder im Fern-Modus, bei dem beispielsweise Entfernungen von 100 m oder mehr simuliert werden, hat die Signalverarbeitungszeit des Testsystems keinen oder nur geringen Einfluss. Es kann aber bei der Einstellung der DelayLine-Verzögerung die Totzeit mitberücksichtigt werden.In contrast, in normal operation, only the simulation delay is set (preferably also taking into account the dead time) over which the distance is simulated. These two operating modes can also be viewed as short-range mode and remote mode, with the compensation mode taking place in short-range mode. In normal operation or in remote mode, in which, for example, distances of 100 m or more are simulated, the signal processing time of the test system has little or no influence. However, the dead time can also be taken into account when setting the DelayLine delay.
Für die korrekte Einstellung der Verzögerungszeit im Kompensationsbetrieb kommt es wesentlich auch auf die exakte Bestimmung der Phasenverschiebung an. Da für die Ermittlung der Phasenverschiebung Delay-Bausteine eingesetzt werden, kommt es auf die Güte dieser Delay-Bausteine an. Wie zuvor beschrieben, liegen die Verzögerungen dieser Delay-Bausteine im Bereich von 100 ps. Untersuchungen haben gezeigt, dass infolge von Bauteiltoleranzen - beispielsweise zwischen Bausteinen aus unterschiedlichen Produktionschargen von derartigen Delay-Bauteilen - die Verzögerung stark, beispielsweise um bis zu den Faktor 2 variieren kann. Dies führt in ungünstigen Fällen dazu, dass 2 Testsysteme, die im Grunde baugleich sind, die jedoch aus unterschiedlichen Chargen Delay-Bausteine aufweisen, zu unterschiedlichen Verzögerungen des Ausgangspulses führen können, sodass die vom Messsystem ermittelten Abstände stark schwanken.For the correct setting of the delay time in compensation mode, the exact determination of the phase shift is also essential. Since delay modules are used to determine the phase shift, it depends on the quality of these delay modules. As described above, the delays of these delay modules are in the range of 100 ps. Investigations have shown that due to component tolerances - for example between modules from different production batches of such delay components - the delay can vary greatly, for example by up to a factor of 2. In unfavorable cases, this means that 2 test systems, which are basically identical, but which have delay modules from different batches, can lead to different delays of the output pulse, so that the distances determined by the measuring system fluctuate greatly.
Um dies zu vermeiden ist in zweckdienlicher Ausgestaltung eine Kalibrierung des Testsystems vorgesehen. Und zwar wird eine Verzögerungszeit der Delay-Bausteine individuell für das Testsystem bestimmt und bei der Ermittlung der Verzögerungszeit und speziell bei der Ermittlung der Phasenverschiebung berücksichtigt. Hierzu ist insbesondere eine Kalibriereinheit als fester Bestandteil des Testsystems vorgesehen, die in der Steuereinheit, zumindest in einer die Steuereinheit aufweisenden Steuervorrichtung integriert ist.In order to avoid this, a calibration of the test system is provided in an expedient embodiment. A delay time of the delay modules is determined individually for the test system and taken into account when determining the delay time and especially when determining the phase shift. For this purpose, a calibration unit, in particular, is provided as a fixed component of the test system, which is integrated in the control unit, at least in a control device having the control unit.
Hierzu ist als Kalibriereinheit bevorzugt ein Ringoszillator mit Delay-Bausteinen ausgebildet, speziell besteht der Ringoszillator aus diesen Delay-Bauteilen und anhand einer Eigenfrequenz des Ringoszillators wird die Zeitdauer der Verzögerung eines jeweiligen Delay-Bausteins berechnet. Hierbei wird anhand der Eigenfrequenz des Ringoszillators zunächst eine Gesamt Verzögerungszeit der für den Ringoszillator verwendeten Delay-Bausteine ermittelt und diese dann durch die Anzahl der verwendeten Delay-Bausteine dividiert.For this purpose, a ring oscillator with delay components is preferably designed as the calibration unit, specifically the ring oscillator consists of these delay components and the duration of the delay of a respective delay component is calculated based on a natural frequency of the ring oscillator. Using the natural frequency of the ring oscillator, a total delay time of the delay components used for the ring oscillator is first determined and this is then divided by the number of delay components used.
Weiterhin handelt es sich bei den verwendeten Delay-Bausteinen gemäß einer ersten bevorzugten Ausgestaltung um baugleiche Bauteile, wie sie auch für den Messblock verwendet werden, über die die Phasenverschiebung ermittelt wird. Dies bedeutet, dass der Ringoszillator als eine zusätzliche Einheit zusätzlich zu dem Messblock ausgebildet ist. Sofern vorliegend von baugleichem Bauteil gesprochen wird, so wird hierunter verstanden, dass die Bauteile aus einer gleichen Produktionscharge stammen.Furthermore, the delay modules used are according to a first one preferred embodiment to structurally identical components, as they are also used for the measuring block, via which the phase shift is determined. This means that the ring oscillator is designed as an additional unit in addition to the measuring block. If one speaks of a structurally identical component, this is understood to mean that the components come from the same production batch.
Alternativ hierzu sind alle oder zumindest ein Teil der für den Messblock verwendeten Delay-Bauteile Teil der Kalibriereinheit, speziell des Ringoszillators und bilden diesen vorzugsweise. Mit dem Erfassen der Eigenfrequenz des Ringoszillators werden unmittelbar die Verzögerungszeiten der verwendeten Delay-Bauteile ermittelt.As an alternative to this, all or at least some of the delay components used for the measuring block are part of the calibration unit, specifically the ring oscillator, and preferably form this. When the natural frequency of the ring oscillator is recorded, the delay times of the delay components used are determined immediately.
Bei dem realen Messystem handelt sich bevorzugt um ein LIDAR-System, welches bevorzugt in Kraftfahrzeugen für ein Assistenzsystem eingesetzt wird. Bei einem solchen LIDAR-System werden daher als Messpulse Laserpulse abgegeben. Es handelt sich daher bei dem Messpuls als auch bei dem Ausgangspuls des Testsystems um optische Signale.The real measuring system is preferably a LIDAR system, which is preferably used in motor vehicles for an assistance system. In such a LIDAR system, laser pulses are therefore emitted as measurement pulses. The measuring pulse and the output pulse of the test system are therefore optical signals.
Die Aufgabe wird weiterhin erfindungsgemäß gelöst durch ein Testsystem mit den Merkmalen des Anspruchs 16. Die zuvor im Hinblick auf das Verfahren ausgeführten Vorteile und bevorzugten Ausgestaltungen sind sinngemäß auch auf das Testsystem zu übertragen.The object is also achieved according to the invention by a test system having the features of
Das Testsystem weist dabei allgemein einen Empfänger zum Empfang eines insbesondere optischen Messpulses auf, welcher mit einem dem Testsystem bekannten Messtakt eines realen Messsystems getaktet ist. Weiterhin umfasst das Testsystem einen Sender zur Ausgabe eines ebenfalls vorzugsweise optischen Ausgangspulses. Schließlich weist das Testsystem zumindest eine Steuereinheit auf, welche zwischen dem Empfang des Messpulses und dem Senden des Ausgangspulses eine Verzögerungszeit einstellt, die derart gewählt ist, dass der Ausgangspuls bezogen auf den Messpuls um eine Verzögerungszeit verzögert abgegeben wird, die sich zusammensetzt aus einem Vielfachen des Messtaktes zuzüglich einer Simulations-Verzögerung, die zu einer simulierten, vorgegebenen Laufzeit des Messpulses korreliert.The test system generally has a receiver for receiving a measurement pulse, in particular an optical measurement pulse, which is clocked with a measurement cycle of a real measurement system known to the test system. Furthermore, the test system comprises a transmitter for outputting an output pulse, which is also preferably optical. Finally, the test system has at least one control unit which sets a delay time between the reception of the measurement pulse and the transmission of the output pulse, which is selected such that the output pulse is delivered with a delay in relation to the measurement pulse by a delay time that is composed of a multiple of Measuring cycle plus a simulation delay, which correlates to a simulated, specified runtime of the measuring pulse.
Bei der Steuereinheit handelt es sich insbesondere um eine integrierte elektronische Schaltung (IC), die insbesondere in einer Baueinheit ausgeführt ist. Bevorzugt wird ein FPGA eingesetzt. Daneben kann die Steuereinheit alternativ auch als ASIC (Application Specific Integrated Circuit), ASSP (Application Specific Standard Product) oder SOC (System on Chip) ausgebildet sein.The control unit is, in particular, an integrated electronic circuit (IC) which, in particular, is embodied in a structural unit. An FPGA is preferably used. In addition, the control unit can alternatively also be designed as an ASIC (Application Specific Integrated Circuit), ASSP (Application Specific Standard Product) or SOC (System on Chip).
Die Programmierung dieser Steuereinheit, also die Einrichtung der Hardware derart, dass diese die zuvor angegebenen Verfahrensschritte ausführt, erfolgt insbesondere mittels einer an sich bekannten Hardwarebeschreibungssprache. (Hardware Description Language, HDL). Ein Beispiel hierfür ist VHDL. Andere Hardwarebeschreibungssprachen können auch eingesetzt werden (z.B. Verilog).The programming of this control unit, that is to say the setting up of the hardware in such a way that it executes the method steps specified above, takes place in particular by means of a hardware description language known per se. (Hardware Description Language, HDL). An example of this is VHDL. Other hardware description languages can also be used (e.g. Verilog).
Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird nachfolgend anhand der Figuren näher erläutert. Diese zeigen in vereinfachten Darstellungen:
-
1 ein Schaubild eines Messaufbaus mit einem Messsystem und einem Testsystem, -
2 eine Gegenüberstellung des zeitlichen Verlaufs eines vom Messsystem ausgegebenen Messpulses und eines vom Testsystem ausgegebenen Ausgangspulses, -
3a,b die Gegenüberstellung der zeitlichen Verläufe der vom Messsystem ausgegebenen Messpulse gegenüber einem um eine Feinverschiebung verschobenen Puls sowie gegenüber dem vom Testsystem insgesamt um eine Verzögerungszeit verzögert ausgegebenen Ausgangspuls zur Erläuterung der Ermittlung der Verzögerungszeit, wobei3a eine Situation erläutert, bei der der zu simulierende Gegenstand einen Abstand größer dem Abstand zwischen Testsystem und Messsystem aufweist und3b eine Situation erläutert, bei der bei der der zu simulierende Gegenstand einen Abstand kleiner dem Abstand zwischen Testsystem und Messsystem aufweist, -
4 eine Gegenüberstellung der zeitlichen Verläufe eines Taktsignals eines Systemtakts des Testsystems gegenüber einem eingehenden Messpulses sowie weiterhin gegenüber einem mit dem Systemtakt synchronisierten Messpuls und schließlich gegenüber dem um die Feinverschiebung verschobenen Puls zur Erläuterung der Bestimmung einer Phasenverschiebung zwischen Messpuls und Systemtakt, -
5 eine Blockbild-Darstellung einer Schaltungsanordnung mit Delay-Bausteinen, die einen Mess- und Synchronisierungsblock bildet zur Bestimmung der Phasenverschiebung zwischen Messpuls und Systemtakt sowie zur Synchronisierung des Messpulses mit dem Systemtakt, -
6 ergänzend zu der Blockbild-Darstellung gemäß der5 die Gegenüberstellung der zeitlichen Verläufe des Systemtaktes, des eingehenden Messpulses und der ausgehenden Signalpegel der Delay-Bausteine, -
7 eine vereinfachte Blockbild-Darstellung zur Illustration der einzelnen Verzögerungsschritte zwischen dem eingehenden Messpuls und dem ausgehenden Ausgangspuls sowie -
8 eine Blockbild-Darstellung einer Steuervorrichtung des Testsystems mit einer Steuereinheit, über die die Verzögerung zwischen eingehendem Messpuls und ausgehendem Ausgangspuls erzeugt wird.
-
1 a diagram of a measurement setup with a measurement system and a test system, -
2 a comparison of the time course of a measuring pulse output by the measuring system and an output pulse output by the test system, -
3a, b the comparison of the temporal progressions of the measuring pulses output by the measuring system with a pulse shifted by a fine shift and with the output pulse output by the test system delayed by a total delay time to explain the determination of the delay time, wherein3a explains a situation in which the object to be simulated has a distance greater than the distance between the test system and the measuring system and3b explains a situation in which the object to be simulated has a distance smaller than the distance between the test system and the measuring system, -
4th a comparison of the temporal progressions of a clock signal of a system clock of the test system against an incoming measurement pulse and also against a measurement pulse synchronized with the system clock and finally against the pulse shifted by the fine shift to explain the determination of a phase shift between measurement pulse and system clock, -
5 a block diagram representation of a circuit arrangement with delay modules, which forms a measurement and synchronization block for determining the phase shift between measurement pulse and system clock and for synchronizing the measurement pulse with the system clock, -
6th in addition to the block diagram representation according to5 the comparison of the timing of the system clock, the incoming measuring pulse and the outgoing signal level of the delay modules, -
7th a simplified block diagram to illustrate each Delay steps between the incoming measuring pulse and the outgoing output pulse as well -
8th a block diagram representation of a control device of the test system with a control unit, via which the delay between the incoming measurement pulse and the outgoing output pulse is generated.
In den Figuren sind gleichwirkende Teile mit den gleichen Bezugszeichen versehen.In the figures, parts with the same effect are provided with the same reference symbols.
Der in der
Im realen Betrieb dient diese Abstandsmessung beispielsweise als eine Eingangsgröße für ein Assistenzsystem bei einem autonomen oder teilautonomen Fahrbetrieb eines Kraftfahrzeugs. Um die Funktionsfähigkeit oder auch die Funktionalität des Messsystems
Der zeitliche Ablauf zwischen Messpuls
Das zu den
Wie beispielsweise in der
Bei der Einstellung der gesamten Verzögerung
Um auch einen solchen Nahbereich zuverlässig und mit hoher Genauigkeit zu simulieren ist das Testsystem
Die Verzögerungszeit
Insgesamt wird daher der Ausgangspuls
In einem Zwischenschritt erfolgt innerhalb des Testsystems
Die Feinverschiebung ergibt sich daher zu
Für die Verzögerung
Für die am Testsystem mit Hilfe der DelayLine einzustellende Verzögerung
Die einstellbare Verzögerung der DelayLine
Bei der bisherigen Betrachtung in
Bei der Ermittlung einer tatsächlich von dem Testsystem
Dies ist in der
Weiterhin wird ein Fall betrachtet, bei dem der zu simulierende, virtuelle Abstand
Für die DelayLine, also für die am Testsystem zusätzlich zu der Feinverschiebung
Die einstellbare Verzögerung der DelayLine
Wobei wg. va < a auch gilt: VD" < TS.Whereby wg. va <a also applies: VD "<TS.
Durch die Verschiebung in einen (den) nachfolgenden Messzyklus des Messsystems
In diesem Fall muss quasi der Ausgangspuls
Die Feinverschiebung
Das Testsystem 4 , speziell dieSteuereinheit 16 , die bevorzugt als ein FPGA ausgebildet ist, weist ein Systemtakt-SignalCLK auf bzw. wird mit einem solchen beaufschlagt. Dieses Systemtakt-SignalCLK weist eine Takt- oder ZykluszeitT auf, die nachfolgend auch kurz als SystemtaktT bezeichnet wird. Der SystemtaktT liegt dabei typischerweise im Bereich von beispielsweise 2,5 ns bis 50 ns und speziell bei 10 ns, was einer Taktung von 100 MHz entspricht. Typischerweise sind bei diesem Systemtakt die Pulsdauern des HI-Pegels und des LO-Pegels identisch.
- The test system
4th , specifically thecontrol unit 16 , which is preferably designed as an FPGA, has a system clock signalCLK on or is acted upon by such. This system clock signalCLK has a clock or cycle timeT which is also referred to below as the system clockT referred to as. The system clockT is typically in the range of, for example, 2.5 ns to 50 ns and especially 10 ns, which corresponds to a clock rate of 100 MHz. With this system clock, the pulse durations of the HI level and the LO level are typically identical.
Im Unterschied zu diesem Systemtakt
Zurückkommend auf
Um eine definierte Verschiebung des Messpulses PINn zu ermöglichen, wird dieser zunächst in einem 1. Schritt mit dem Systemtakt-Signal
Anschließend wird der Puls um ein ganzzahliges Vielfaches des Systemtaktes
Anschließend wird dieser Puls korrespondierend um die Phasenverschiebung
Die Verschiebung im 2. Schritt um ein ganzzahliges Vielfaches des Systemtaktes n*T ist dabei derart, d. h. n wird entsprechend gewählt, dass sich die dargestellte Feinverschiebung
Dieser feinverschobene Puls
In einer alternativen Ausbildung besteht auch die Möglichkeit, dass die gesamte Feinverschiebung
Insgesamt entspricht die Feinverschiebung
Mittels dieser Verschiebung
Durch diese Maßnahme mit der Berücksichtigung der Phasenverschiebung
Für den Schritt zur Bestimmung der Phasenverschiebung
Die Schaltzeiten dieser Bausteine und damit die Verzögerung
Gleichzeitig wird dieser Messblock
Die gesamte Verzögerungszeit
- Der eingehende Messpuls
PIN wird zunächst amMessblock 18 eingespeist. In diesem erfolgt wie eben beschrieben die Bestimmung der PhasenverschiebungFT sowie die Synchronisation mit dem Systemtakt-SignalCLK . Dieses synchronisierte SignalSYNC wird in einem ersten Verarbeitungsblock20 weiter verarbeitet. Und zwar wird insbesondere das Signal um ein Vielfaches des SystemtaktesT mithilfe einer ersten Verzögerungsschaltung um n*T verschoben. Dieses verschobene Signal wird einem zweiten Verarbeitungsblock22 zugeführt, in dem eine weitere Verschiebung um die inverse PhasenverschiebungT-FT mit Hilfe einer zweiten Verzögerungsschaltung erfolgt, so dass sich insgesamt der feinverschobene PulsPFT ergibt. Die PhasenverschiebungFT wird mit Hilfe einesTransponders 27 zuT-FT gewandelt und dem zweiten Verarbeitungsblock22 weitergeleitet. Mit Hilfe desTransponders 27 erfolgt daher eine Art Komplement-Bildung zur PhasenverschiebungFT . Die Erzeugung dieses feinverschobenen PulsesPFT erfolgt insgesamt innerhalb der Steuereinheit16 ineinem Kompensationsblock 24 .
- The incoming measuring pulse
pin code is first on the measuring block18th fed in. The phase shift is determined in this as just describedFT as well as the synchronization with the system clock signalCLK . This synchronized signalSYNC is in a first processing block20th further processed. In particular, the signal is a multiple of the system clockT shifted by n * T using a first delay circuit. This shifted signal is sent to a second processing block22nd supplied, in which a further shift by the inverse phase shiftT-FT takes place with the help of a second delay circuit, so that overall the finely shifted pulsePFT results. The phase shiftFT is made with the help of atransponder 27 toT-FT converted and the second processing block22nd forwarded. With the help of thetransponder 27 there is therefore a kind of complement formation for phase shiftingFT . The generation of this finely shifted pulsePFT takes place entirely within thecontrol unit 16 in acompensation block 24 .
In einem nachfolgenden dritten Verarbeitungsblock
Eine Blockbilddarstellung der Steuereinheit
Die Steuereinheit
Bei dieser handelt es sich um eine an sich bekannte Schnittstelle, beispielsweise um eine sogenannte SPI-Schnittstelle (Serial Peripheral Interface, SPI-Bus). Diese weist typischerweise mehrere Anschlusspins auf (3 Eingänge: SCLK, CSN, MOSI, 1 Ausgang: MISO), über die eine Eingabe und Ausgabe erfolgt. Speziell werden hierdurch mehrere Register adressiert, um Einstellungen vorzunehmen. Diese Register
So ist beispielsweise über einen (Programmier-) Anschluss
Grundsätzlich besteht auch die Möglichkeit, neben der Verschiebung auch die Pulsweite des Messpulses zu verändern, d.h. die Pulsweite
Insbesondere werden hierbei Sicherheitsanforderungen speziell im Hinblick auf die Personensicherheit berücksichtigt. So ist beispielsweise bei Lasersystemen eine maximale Lichtintensität (Laser Safety), zu beachten. Durch die Einstellung einer kurzen Pulsweite kann diese reduziert werden.In particular, safety requirements are specifically taken into account with regard to personal safety. For example, with laser systems, a maximum light intensity (laser safety) must be observed. This can be reduced by setting a short pulse width.
Weiterhin ist ein Auswahlanschluss
Der Verarbeitungsblock
Von besonderer Bedeutung ist weiterhin eine Kalibriereinheit
Weiterhin ist ein Konfigurationsanschluss
Schließlich weist die Kommunikationsschnittstelle
Ergänzend ist noch eine Debug-Schnittstelle als Registeranschluss
Über den Konfigurationsanschluss
Bei den einzelnen Verzögerungsschaltungen der Verarbeitungseinheiten
Über die Kalibriereinheit
Der so ermittelte Wert für die Verzögerung
In der
Bevorzugt ist die gesamte Steuereinheit
Die Erfindung ist nicht auf das vorstehend beschriebene Ausführungsbeispiel beschränkt. Vielmehr können auch andere Varianten der Erfindung von dem Fachmann hieraus abgeleitet werden, ohne den Gegenstand der Erfindung zu verlassen. Insbesondere sind ferner alle im Zusammenhang mit dem Ausführungsbeispiel beschriebenen Einzelmerkmale auch auf andere Weise miteinander kombinierbar, ohne den Gegenstand der Erfindung zu verlassen.The invention is not restricted to the exemplary embodiment described above. Rather, other variants of the invention can also be derived therefrom by the person skilled in the art without departing from the subject matter of the invention. In particular, all of the individual features described in connection with the exemplary embodiment can also be combined with one another in other ways without departing from the subject matter of the invention.
BezugszeichenlisteList of reference symbols
- 22
- MesssystemMeasuring system
- 44th
- TestsystemTest system
- 66th
- SenderChannel
- 88th
- Empfängerrecipient
- 1010
- VerarbeitungseinheitProcessing unit
- 1212th
- Gegenstandobject
- 1616
- SteuereinheitControl unit
- 1717th
- SignalverarbeitungseinheitSignal processing unit
- 1818th
- MessblockMeasuring block
- 2020th
- erster Verarbeitungsblockfirst processing block
- 2222nd
- zweiter Verarbeitungsblocksecond processing block
- 2424
- KompensationsblockCompensation block
- 2525th
- dritter Verarbeitungsblockthird processing block
- 2626th
- KommunikationsschnittstelleCommunication interface
- 2727
- TransponderTransponder
- 2828
- (Programmier-) Anschluss(Programming) connection
- 3030th
- AuswahlanschlussSelective connection
- 3232
- ÜberwachungseinheitMonitoring unit
- 3434
- KontrollanschlussControl connection
- 3636
- KalibriereinheitCalibration unit
- 3838
- KalibrieranschlussCalibration connection
- 4040
- KonfigurationsanschlussConfiguration connector
- 4242
- SchaltanschlussSwitching connection
- 4444
- Registeranschluss Register connection
- TpTp
- Zykluszeit Messtakt, MesstaktCycle time measuring cycle, measuring cycle
- TT
- Zykluszeit Systemtakt, SystemtaktCycle time system clock, system clock
- TDTD
- TotzeitDead time
- PWPW
- PulsweitePulse width
- PINpin code
- Messtakt-SignalMeasuring cycle signal
- PIN1, 2PIN1, 2
- MesspulsMeasuring pulse
- POUTPOUT
- AusgangspulsOutput pulse
- DD.
- VerzögerungszeitDelay Time
- DLDL
- DelayDelay
- vaespecially
- virtueller Abstandvirtual distance
- VDVD
- Simulations-Verzögerung (virtual Delay), rechnerischSimulation delay (virtual delay), arithmetical
- VD'VD '
-
einzustellende Simulations-Verzögerung (unter Berücksichtigung von
TD )simulation delay to be set (taking into accountTD ) - VD''VD ''
-
einzustellende Simulations-Verzögerung (unter Berücksichtigung von
TS )simulation delay to be set (taking into accountTS ) - aa
- Abstand Messsystem-TestsystemDistance between measuring system and test system
- ss
- Strecke für die Pulse zwischen Messsystem - Testsystem (s=a)Distance for the pulses between measuring system - test system (s = a)
- TSTS
- Pulslaufzeit für Strecke s=aPulse transit time for distance s = a
- CLKCLK
- Systemtakt-SignalSystem clock signal
- FTFT
- Phasenverschiebung (zum nachfolgenden Puls des Systemtaktes)Phase shift (to the next pulse of the system clock)
- PFTPFT
- PulsfeinverschiebungFine pulse shift
- XX
- Abstandsfenster (zeitliche Verzögerung)Distance window (time delay)
- dd
- Verzögerung Delay-BausteinDelay Delay module
- SYNCSYNC
- synchronisiertes Signalsynchronized signal
Claims (16)
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DE102019106129A1 (en) * | 2018-11-10 | 2020-05-14 | Jenoptik Optical Systems Gmbh | Test unit and method for testing a LIDAR unit for a vehicle |
-
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-
2022
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Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
DE102022204529A1 (en) | 2022-05-09 | 2023-11-09 | Deutsches Zentrum für Luft- und Raumfahrt e.V. | Device and method for simulating a distance measurement |
WO2023217648A1 (en) | 2022-05-09 | 2023-11-16 | Deutsches Zentrum für Luft- und Raumfahrt e.V. | Apparatus and method for simulating a distance measurement |
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