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Hintergrund
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Das Serial Peripheral Interface (SPI) ist eine Spezifikation einer synchronen seriellen Kommunikationsschnittstelle, die für Kurzstreckenkommunikation, hauptsächlich in eingebetteten Systemen, verwendet wird. Insbesondere handelt es sich um einen Schnittstellenbus, der allgemein verwendet wird, um Daten zwischen Mikrocontrollern und Peripheriegeräten (z. B. peripheren integrierten Schaltungen (ICs)), wie etwa Schieberegistern, Sensoren, Analog-Digital-Wandlern (ADCs), Digital-Analog-Wandlern (DACs) und Speichervorrichtungen, zu senden. Sie verwendet separate Takt- und Datenleitungen zusammen mit einer Auswahlleitung, die dazu verwendet wird, auszuwählen, mit welcher Peripherievorrichtung kommuniziert werden soll. Der Mikrocontroller wird in der Regel als Master-Vorrichtung bzw. -IC bezeichnet und die Peripheriegeräte werden in der Regel als Slave-Vorrichtung bzw. -ICs bezeichnet.
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In Sensoren mit einem Niedrigleistungsüberwachungs(LPM)-Modus wird die interne Versorgung periodisch getrennt, um den Stromverbrauch zu reduzieren und Energie zu sparen. Um den Niedrigleistungsüberwachungsmodus an dem Sensor zu initiieren, überträgt der Mikrocontroller einen „LPM-Modus-Eintritt“-SPI-Befehl, wobei bis zum beabsichtigten Aufwachen des Systems keine weitere SPI-Kommunikation initiiert wird. In diesem Fall empfängt der Mikrocontroller keine Bestätigung des Status der SPI-Kommunikation, und der aktuelle Betriebsmodus des Sensors ist für den Mikrocontroller unklar. Wird der „LPM-Modus-Eintritt“-SPI-Befehl nicht korrekt durch den Sensor empfangen, so tritt der Sensor nicht in den LPM-Modus ein, obgleich der Mikrocontroller dies annimmt. Somit nimmt der Mikrocontroller an, dass sich der Sensor in dem LPM-Modus befindet, und sendet keine neuen SPI-Befehle. Indes bleibt der Sensor im Vollkommunikationsmodus (z. B. Halbduplex- oder Vollduplexmodus) und ist aufgrund des Kommunikationsfehlers nicht in den Niedrigleistungsmodus eingetreten. Während des Vollkommunikationsmodus wartet der Sensor auf neue SPI-Befehle, um gewisse befohlene Aktionen durchzuführen, anstatt sich im LPM-Modus zu befinden. Somit kommt es als Ergebnis des Kommunikationsfehlers, der während der Übertragung des „LPM-Modus-Eintritt“-SPI-Befehls auftritt, zu einer Art Blockierung zwischen dem Mikrocontroller und dem Sensor.
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Darüber hinaus gibt es für ein Vollduplex-Kommunikationsprotokoll (z. B. 4-Draht-SPI), wenn an derselben SPI-Schnittstelle eine Fehlersignalisierung von Kommunikationsfehlern stattfindet, eine Verzögerung eines SPI-Kommunikationsframes, bevor der Kommunikationsfehler durch den Slave übertragen werden kann. In diesem Fall besteht, wenn es einen großen Abstand zwischen den SIP-Kommunikationsframes gibt (z. B. wenn das System einen Niedrigleistungsüberwachungs-/Abschaltbefehl an den Sensor ausgibt), Unklarheit bezüglich des korrekten Empfangs und der korrekten Interpretation des Befehls. Diese Unklarheit muss beseitigt werden.
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Darüber hinaus nehmen Spannungsregler einen wesentlichen Anteil der Chipfläche im Sensor ein, und der Ausfall des Spannungsreglers im LPM-Modus sollte detektiert werden. Ein Ausfall in dem Spannungsregler verhindert, dass die digitale Logik des Sensors aufwacht und einen Ausfall an den Mikrocontroller signalisiert. Somit kann ein Fehler hier in herkömmlichen Sensoren, die in den LPM-Modus eintreten, nicht detektiert werden und wird nicht berücksichtigt.
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Dementsprechend kann ein Sensor, der mit einem LPM-Modus konfigurierbar ist, der sowohl Kommunikationsfehler als auch Spannungsreglerfehler signalisieren kann, wünschenswert sein.
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Kurzdarstellung
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Es werden ein Batterieüberwachungssystem wie in Anspruch 1 definiert, ein SPI-Kommunikationssystem wie in Anspruch 12 definiert und eine Sensorvorrichtung wie in Anspruch 14 definiert bereitgestellt. Die abhängigen Ansprüche definieren weitere Ausführungsformen.
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Ein oder mehrere Ausführungsformen stellen ein Batterieüberwachungssystem bereit, das eine Sensorvorrichtung beinhaltet. Die Sensorvorrichtung beinhaltet einen Drucksensor, eingerichtet zum Messen eines Innenluftdrucks in einem Batteriegehäuse und Erzeugen eines Sensorsignals, das den gemessenen Innenluftdruck repräsentiert; ein erstes Serial Peripheral Interface (SPI), eingerichtet zum Empfangen von SPI-Befehlen; einen Aufweckanschluss, eingerichtet zum Ausgeben von Fehlersignalen; und eine erste Verarbeitungsschaltung, die mit dem Drucksensor, der ersten SPI-Schnittstelle und dem Aufweckanschluss gekoppelt ist. Die erste Verarbeitungsschaltung ist zwischen einem normalen Arbeitsmodus und einem Niedrigleistungsüberwachungs(LPM)-Modus konfigurierbar, wobei die erste Verarbeitungsschaltung in dem LPM-Modus dazu eingerichtet ist, zwischen einer Abtastphase, während der die erste Verarbeitungsschaltung das Sensorsignal auswertet, und einer Heruntergefahren-Phase, während der die erste Verarbeitungsschaltung in einem Niedrigleistungszustand ist, zu wechseln. Die erste Verarbeitungsschaltung ist eingerichtet zum Überwachen auf mindestens einen SPI-Kommunikationsfehler, der an der ersten SPI empfangenen Informationen entspricht, Erzeugen eines Kommunikationsfehlersignals als Reaktion auf das Detektieren des mindestens einen SPI-Kommunikationsfehlers und Ausgeben des Kommunikationsfehlersignals von dem Aufweckanschluss.
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Eine oder mehrere Ausführungsformen stellen ein SPI-Kommunikationssystem (SPI: Serial Peripheral Interface) bereit, das eine Sensorvorrichtung und einen Mikrocontroller beinhaltet. Die Sensorvorrichtung beinhaltet einen Sensor, eingerichtet zum Messen einer physikalischen Größe und Erzeugen eines Sensorsignals; ein erstes Serial Peripheral Interface (SPI), eingerichtet zum Empfangen von SPI-Befehlen, einen Aufweckanschluss, eingerichtet zum Ausgeben von Fehlersignalen; und eine erste Verarbeitungsschaltung, die mit der ersten Sensorvorrichtung, der ersten SPI-Schnittstelle und dem Aufweckanschluss gekoppelt ist, wobei die erste Verarbeitungsschaltung zwischen einem normalen Arbeitsmodus und einem Niedrigleistungsüberwachungs(LPM)-Modus konfigurierbar ist, wobei die erste Verarbeitungsschaltung in dem LPM-Modus dazu eingerichtet ist, zwischen einer Abtastphase, während der die erste Verarbeitungsschaltung das Sensorsignal auswertet, und einer Heruntergefahren-Phase, während der die erste Verarbeitungsschaltung in einem Niedrigleistungszustand ist, zu wechseln, und wobei die erste Verarbeitungsschaltung eingerichtet ist zum Überwachen auf mindestens einen SPI-Kommunikationsfehler, der an der ersten SPI empfangenen Informationen entspricht, Erzeugen eines Kommunikationsfehlersignals als Reaktion auf das Detektieren des mindestens einen SPI-Kommunikationsfehlers und Ausgeben des Kommunikationsfehlersignals von dem Aufweckanschluss. Der Mikrocontroller beinhaltet eine zweite SPI-Schnittstelle, die mit der ersten SPI-Schnittstelle der Sensorvorrichtung gekoppelt ist und dazu eingerichtet ist, die SPI-Befehle an diese zu übertragen; einen digitalen Eingangsanschluss, der zum Empfangen der Fehlersignale mit dem Aufweckanschluss der Sensorvorrichtung gekoppelt ist; und eine zweite Verarbeitungsschaltung, die mit der zweiten SPI-Schnittstelle und dem digitalen Eingangsanschluss gekoppelt ist, wobei die zweite Verarbeitungsschaltung zwischen einem normalen Arbeitsmodus und einen Niedrigleistungsmodus konfigurierbar ist, wobei die zweite Verarbeitungsschaltung eingerichtet ist zum Übertragen eines LPM-Modus-Eintritt-SPI-Befehls über die zweite SPI-Schnittstelle an die Sensorvorrichtung, um die Sensorvorrichtung in den LPM-Modus zu versetzen, und wobei die zweite Verarbeitungsschaltung als Reaktion auf einen Empfang des Kommunikationsfehlersignals über den digitalen Eingangsanschluss zum Verlassen des Niedrigleistungsmodus und Eintreten in den normalen Arbeitsmodus eingerichtet ist.
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Eine oder mehrere Ausführungsformen stellen eine Sensorvorrichtung bereit, die Folgendes beinhaltet: einen Sensor, eingerichtet zum Messen einer physikalischen Größe und Erzeugen eines Sensorsignals, das die gemessene physikalische Größe repräsentiert; einen Spannungsregler, eingerichtet zum Umwandeln einer externen Leistungsversorgung in eine interne Leistungsversorgung mit einem Hochgefahren-Versorgungswert oder einem Heruntergefahren-Versorgungswert; einen Oszillator, eingerichtet zum Erzeugen eines Taktsignals; eine Leistungszyklusschaltung, eingerichtet zum Umschalten eines Speisungszustands des Spannungsreglers zwischen einem Hochgefahren-Zustand und einem Heruntergefahren-Zustand basierend auf dem Taktsignal, wobei der Spannungsregler eingerichtet ist zum Erzeugen des Hochgefahren-Versorgungswerts während des Hochgefahren-Zustands und Erzeugen des Heruntergefahren-Versorgungswerts während des Heruntergefahren-Zustands; eine Spannungsüberwachungsschaltung, eingerichtet zum Vergleichen der internen Leistungsversorgung mit einem Schwellenwert und Umschalten eines Rücksetzsignals zwischen einem ersten Signalpegel, wenn die interne Leistungsversorgung gleich oder größer als der Schwellenwert ist, und einem zweiten Signalpegel, wenn die interne Leistungsversorgung kleiner als der Schwellenwert ist; und ein Flipflop, das einen Dateneingangsanschluss, eingerichtet zum Empfangen des Rücksetzsignals, und einen Fehlerausgangsanschluss beinhaltet, wobei das Flipflop eingerichtet ist zum Erzeugen eines Fehlersignals an dem Fehlerausgangsanschluss, wenn der Spannungsregler in dem Hochgefahren-Zustand konfiguriert ist und wenn der Dateneingang das Rücksetzsignal mit dem zweiten Signalpegel empfängt.
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Kurze Beschreibung der Zeichnungen
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Ausführungsformen werden hier unter Bezugnahme auf die beiliegenden Zeichnungen beschrieben.
- 1A ist ein schematisches Blockdiagramm eines Vollduplex-Serial-Peripheral-Interface(SPI)-Kommunikationssystems gemäß einer oder mehreren Ausführungsformen;
- 1B ist ein schematisches Blockdiagramm eines Halbduplex-SPI-Kommunikationssystems gemäß einer oder mehreren Ausführungsformen;
- 2 veranschaulicht Signaldiagramme eines Stromverbrauchs einer Sensorvorrichtung und eines Fehlersignals gemäß einer oder mehreren Ausführungsformen; und
- 3 ist ein schematisches Blockdiagramm einer Leistungsschaltung einer Sensorvorrichtung gemäß einer oder mehreren Ausführungsformen.
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Detaillierte Beschreibung
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Im Folgenden werden Details angeführt, um eine gründlichere Erläuterung der Ausführungsbeispiele bereitzustellen. Für Fachleute liegt jedoch auf der Hand, dass Ausführungsformen ohne diese speziellen Details ausgeübt werden können. In anderen Fällen sind bekannte Strukturen und Vorrichtungen in Blockdiagrammform oder in einer schematischen Ansicht anstatt im Detail gezeigt, um die Ausführungsformen nicht unklar zu machen. Darüber hinaus können nachfolgend beschriebene Merkmale der verschiedenen Ausführungsformen miteinander kombiniert werden, es sei denn es wird speziell etwas anderes angegeben.
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Ferner werden äquivalente oder gleiche Elemente oder Elemente mit äquivalenter oder gleicher Funktionalität in der folgenden Beschreibung mit äquivalenten oder gleichen Bezugszahlen bezeichnet. Da den gleichen oder funktional äquivalenten Elementen in den Figuren die gleichen Bezugszahlen gegeben werden, kann auf eine wiederholte Beschreibung für Elemente, die mit den gleichen Bezugszahlen versehen sind, verzichtet werden. Daher sind Beschreibungen, die für Elemente mit den gleichen oder ähnlichen Beschreibung versehen sind, gegeneinander austauschbar.
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In dieser Hinsicht kann Richtungsterminologie wie beispielsweise „oben“, „unten“, „oberhalb“, „unterhalb“, „vorne“, „rück“, „hinten“, „führender“, „nachlaufender“ usw. mit Bezug auf die Ausrichtung der gerade beschriebenen Figuren verwendet werden. Da Teile der Ausführungsformen in einer Vielzahl von verschiedenen Ausrichtungen positioniert werden können, wird die Richtungsterminologie zu Zwecken der Veranschaulichung verwendet. Es versteht sich, dass andere Ausführungsformen genutzt und strukturelle oder logische Änderungen vorgenommen werden können, ohne von dem durch die Ansprüche definierten Schutzumfang abzuweichen. Die folgende ausführliche Beschreibung ist deshalb nicht in einem einschränkenden Sinn zu verstehen. In den Ansprüchen verwendete Richtungsterminologie kann die Definition der räumlichen oder Positionsbeziehung eines Elements zu einem anderen Element oder Merkmal unterstützen, ohne auf eine spezifische Ausrichtung beschränkt zu sein. Beispielsweise können laterale, vertikale und überlappende räumliche oder Positionsbeziehungen unter Bezugnahme auf ein anderes Element oder Merkmal beschrieben werden, ohne auf eine spezifische Ausrichtung der Vorrichtung als Ganzes beschränkt zu sein.
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Es versteht sich, dass, wenn ein Element als mit einem anderen Element „verbunden“ oder „gekoppelt“ bezeichnet wird, es mit dem anderen Element direkt verbunden oder gekoppelt sein kann oder dazwischenliegende Elemente vorhanden sein können. Im Gegensatz dazu sind, wenn ein Element als mit einem anderen Element „direkt verbunden“ oder „direkt gekoppelt“ bezeichnet wird, keine dazwischenliegenden Elemente vorhanden. Andere zum Beschreiben der Beziehung zwischen Elementen verwendete Ausdrücke sollten auf eine ähnliche Weise interpretiert werden (zum Beispiel „zwischen“ gegenüber „direkt zwischen“, „neben“ gegenüber „direkt neben“ usw.) .
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Bei Ausführungsformen, die hier beschrieben oder in den Zeichnungen gezeigt werden, kann auch jegliche direkte elektrische Verbindung oder Kopplung, d. h. eine beliebige Verbindung oder Kopplung ohne zusätzliche dazwischenliegende Elemente, auch durch eine indirekte Verbindung oder Kopplung implementiert werden, d. h. eine Verbindung oder Kopplung mit einem oder mehreren zusätzlichen dazwischenliegenden Elementen, oder umgekehrt, solange der allgemeine Zweck der Verbindung oder Kopplung, zum Beispiel zum Übertragen einer gewissen Art von Signal oder zum Übertragen einer gewissen Art von Informationen, im Wesentlichen beibehalten wird. Merkmale von verschiedenen Ausführungsformen können kombiniert werden, um weitere Ausführungsformen zu bilden. Zum Beispiel können unter Bezugnahme auf eine der Ausführungsformen beschriebene Variationen oder Modifikationen auch auf andere Ausführungsformen anwendbar sein, es sei denn es wird Gegenteiliges angeführt.
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Die Begriffe „im Wesentlichen“ und „ungefähr“ können hier dazu verwendet werden, geringen Herstellungstoleranzen (zum Beispiel innerhalb von 5 %), die in der Industrie als akzeptabel erachtet werden, gerecht zu werden, ohne von den hier beschriebenen Aspekten der Ausführungsformen abzuweichen. Beispielsweise kann ein Widerstand mit einem ungefähren Widerstandswert in der Praxis einen Widerstandswert innerhalb von 5 % dieses ungefähren Widerstandswerts aufweisen.
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In der vorliegenden Offenbarung können Ausdrücke, die Ordinalzahlen wie „erstes“, „zweites“ und/oder dergleichen beinhalten, verschiedene Elemente modifizieren. Solche Elemente werden durch die obigen Ausdrücke jedoch nicht eingeschränkt. Beispielsweise schränken die obigen Ausdrücke die Abfolge und/oder Wichtigkeit dieser Elemente nicht ein. Die obigen Ausdrücke werden lediglich zum Zweck des Unterscheidens eines Elements von den anderen Elementen verwendet. So geben beispielsweise ein erster Kasten und ein zweiter Kasten unterschiedliche Kästen an, obgleich beide Kästen sind. Als weiteres Beispiel könnte ein erstes Element als zweites Element bezeichnet werden und könnte gleichermaßen ein zweites Element als erstes Element bezeichnet werden, ohne vom Schutzumfang der vorliegenden Offenbarung abzuweichen.
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Ausführungsformen betreffen Sensoren und Sensorsysteme und das Erhalten von Informationen über Sensoren und Sensorsysteme. Ein Sensor kann sich auf eine Komponente beziehen, die eine zu messende physikalische Größe in ein elektrisches Signal, zum Beispiel ein Stromsignal oder ein Spannungssignal, umwandelt. Die physikalische Größe kann zum Beispiel ein Magnetfeld, ein elektrisches Feld, ein Druck, eine Beschleunigung, eine Temperatur, eine Kraft, ein Strom oder eine Spannung sein, ist aber nicht darauf beschränkt.
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Eine Sensorschaltung kann als eine Signalverarbeitungsschaltung und/oder eine Signalkonditionierungsschaltung bezeichnet werden, die das Signal (d. h. Sensorsignal) von dem Sensor in Form von Rohmessdaten empfängt. Die Sensorschaltung kann einen Analog-Digital-Wandler (ADC) beinhalten, der das analoge Signal von dem Sensor in ein digitales Signal umwandelt. Die Sensorschaltung kann auch einen digitalen Signalprozessor (DSP) beinhalten, der eine gewisse Verarbeitung an dem digitalen Signal durchführt (z. B. um Sensorinformationen zur Auswertung oder Übertragung vorzubereiten). Daher umfasst das Sensorgehäuse eine Schaltung, die das kleine Signal des Sensors über Signalverarbeitung und/oder -konditionierung konditioniert und verstärkt.
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Eine Signalkonditionierung, wie hier verwendet, bezieht sich auf das Manipulieren eines analogen Signals auf eine solche Weise, dass das Signal die Anforderungen einer nächsten Stufe zur weiteren Verarbeitung erfüllt. Eine Signalkonditionierung kann eine Umwandlung von analog zu digital (z. B. über einen Analog-Digital-Wandler), Verstärkung, Filterung, Umwandlung, Heruntertaktung, Vorspannung, Bereichsanpassung, Isolation und beliebige andere Prozesse, die dazu erforderlich sind, eine Sensorausgabe für eine Verarbeitung nach einer Konditionierung geeignet zu machen, beinhalten.
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Gemäß einer oder mehreren Ausführungsformen sind ein Drucksensor und eine Sensorschaltungsanordnung beide in demselben Chipgehäuse (z. B. einem mit Kunststoff verkapselten Gehäuse, wie etwa einem Gehäuse mit Anschlussbeinen oder einem Gehäuse ohne Anschlussbeine, oder einem SMD-Gehäuse (SMD: Surface Mounted Device - oberflächenmontierte Vorrichtung)) aufgenommen (d. h. integriert). Dieses Chipgehäuse wird auch als Sensorgehäuse bezeichnet. Das Sensorgehäuse kann mit anderen Komponenten kombiniert werden, um ein Sensormodul, eine Sensorvorrichtung oder dergleichen zu bilden.
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Eine Sensorvorrichtung, wie hier verwendet, kann sich auf eine Vorrichtung beziehen, die einen Sensor und eine Sensorschaltung, wie oben beschrieben, beinhaltet. Eine Sensorvorrichtung kann auf einem einzigen Halbleiter-Die (z. B. Silicium-Die oder -Chip) integriert sein, obgleich in anderen Ausführungsformen eine Mehrzahl von Dies zum Implementieren einer Sensorvorrichtung verwendet werden kann. Dementsprechend sind der Sensor und die Sensorschaltung entweder auf demselben Halbleiter-Die oder auf mehreren Dies in demselben Gehäuse angeordnet. Zum Beispiel kann sich der Sensor auf einem Die und die Sensorschaltung auf einem anderen Die befinden, sodass sie in dem Gehäuse elektrisch miteinander verbunden sind. In diesem Fall können die Dies aus dem gleichen oder aus unterschiedlichen Halbleitermaterialien, wie etwa GaAs und Si, bestehen, oder der Sensor könnte auf ein Keramik- oder Glasplättchen, das kein Halbleiter ist, aufgesputtert sein.
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Da ein Serial Peripheral Interface (SPI) eine Vollduplexvorrichtung ist, weist sie getrennte Pins für Eingangsdaten und Ausgangsdaten auf. Eine Halbduplexschnittstelle ist der wahren SPI ähnlich, jedoch wird ein Pin für E/A (Eingabe und Ausgabe) verwendet. Um den Host-Adapter zu konfigurieren wird ein Widerstand zwischen das MOSI-Signal und das MISO-Signal geschaltet und dann die MISO-Leitung mit der Datenleitung der SPI-Slave-Vorrichtung verbunden.
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1A ist ein schematisches Blockdiagramm eines Serial-Peripheral-Interface(SPI)-Kommunikationssystems 100A gemäß einer oder mehreren Ausführungsformen. Insbesondere ist das Kommunikationssystem 100A ein Batterieüberwachungssystem, das zum Überwachen eines Status einer Batterie 10 eingerichtet ist. Beispielsweise kann das Kommunikationssystem 100A in einem Gehäuse einer Batterie 10 in dem Elektroauto angeordnet sein, um thermisches Durchgehen zu detektieren. Dies lässt sich als sprunghafte Veränderung des Drucks innerhalb des Gehäuses detektieren.
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Das SPI-Kommunikationssystem 100A beinhaltet eine SPI-Master-Vorrichtung 101, wie etwa einen Mikrocontroller, und eine SPI-Slave-Vorrichtung 102, wie etwa eine Peripherievorrichtung. In diesem Beispiel ist die SPI-Slave-Vorrichtung 102 eine Sensorvorrichtung, die einen Drucksensor 105 beinhaltet. Somit kann die SPI-Slave-Vorrichtung 102 auch als Sensorvorrichtung 102 bezeichnet werden. Die SPI-Slave-Vorrichtung 102 kann eine integrierte Schaltung (d. h. ein Chip) sein, die ein Datenregister umfasst und in der Lage ist, Datenoperationen (z. B. Lese- und Schreiboperationen) aus dem/in das Datenregister unter Steuerung der SPI-Master-Vorrichtung 101 durchzuführen. Hier ist eine Laseroperation eine Datenübertragung, deren Ursprung die SPI-Slave-Vorrichtung 102 ist und die an der SPI-Master-Vorrichtung 101 endet, und eine Schreiboperation ist eine Datenübertragung, deren Ursprung die SPI-Master-Vorrichtung 101 ist und die an der SPI-Slave-Vorrichtung 102 endet. Die Master- und die Slave-Vorrichtung beinhalten jeweils mindestens einen Prozessor (d. h. eine Verarbeitungsschaltung) zum Durchführen ihrer Datenoperationen.
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Beispielsweise kann die Verarbeitungsschaltung der SPI-Slave-Vorrichtung 102 einen Decodierer zum Decodieren von SPI-Kommunikation von der SPI-Master-Vorrichtung 101 beinhalten. Die Verarbeitungsschaltung der SPI-Slave-Vorrichtung 102 kann außerdem fallende und steigende Flanken eines Chipauswahlsignals detektieren und die Anzahl dazwischenliegender Taktzyklen zählen. Darüber hinaus ist die Verarbeitungsschaltungsanordnung 104 der Slave-Vorrichtung 102 eingerichtet zum Verarbeiten von Sensordaten, die von dem Drucksensor 105 empfangen werden, Durchführen von Berechnungen daran und Erzeugen von Datensignalen basierend auf den verarbeiteten Sensordaten.
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Die Master- und die Slave-Vorrichtung beinhalten jeweils einen SPI-Takt(SCK)-Anschluss oder -Pin, der mittels einer Taktsignalleitung verbunden ist. Die Vorrichtung, die das Taktsignal SCK erzeugt, wird als Master bezeichnet. Zwischen dem Master und dem Slave übertragene Daten werden mit dem durch den Master erzeugten Takt synchronisiert. Während SPI-Kommunikation werden die Daten gleichzeitig übertragen (seriell auf den MOSI/SDI-Bus verschoben) und empfangen (die Daten auf dem Bus (MISO/SDO) werden abgetastet oder eingelesen). Die serielle Taktflanke synchronisiert das Verschieben und Abtasten der Daten. Die SPI-Schnittstelle bietet dem Benutzer die Flexibilität des Auswählens der steigenden oder fallenden Flanke des Takts zum Abtasten und/oder Verschieben der Daten. Jeder Taktzyklus repräsentiert ein Bit.
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Beispielsweise können an dem Serial Data Input (SDI) vorhandene Daten bei der steigenden Flanke des Taktsignals SCK gelatcht werden, und an dem Serial Data Out (SDO) vorhandene Daten können bei der fallenden Flanke des Taktsignals SCK herausgeschoben werden. Der SDI ist ein Dateneingangsanschluss der Slave-Vorrichtung 102 und ist über eine Datenleitung mit dem Master-Out-Slave-In(MOSI)-Anschluss der Master-Vorrichtung 101 verbunden. Die Master-Vorrichtung 101 überträgt Informationen, darunter Steuerinformationen und Daten, über ihren MOSI-Anschluss an die Slave-Vorrichtung 102. Der SDI-Anschluss wird zur seriellen Überführung von Daten in die Slave-Vorrichtung verwendet. Er empfängt die zu schreibenden Daten. Der SDO ist ein Datenausgangsanschluss der Slave-Vorrichtung 102 und ist über eine Datenleitung mit dem Master-In-Slave-Out(MISO)-Anschluss der Master-Vorrichtung 101 verbunden. Die Master-Vorrichtung 101 empfängt (liest) Informationen von der Slave-Vorrichtung 102 über ihren MISO-Anschluss. Der SDO-Anschluss wird zur seriellen Überführung von Daten aus der Slave-Vorrichtung verwendet. Er überträgt die zu lesenden Daten.
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Chip Select Not (CSN): Ist seine Eingabe High, so wird die Vorrichtung nicht ausgewählt und Serial Data Output (SDO) wird auf eine hohe Impedanz gesetzt. Low-Treiben dieses Eingangs ermöglicht die Kommunikation. Die Kommunikation muss bei einem Low-Pegel des seriellen Takts (SCK) beginnen und enden.
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Die Master- und die Slave-Vorrichtung beinhalten jeweils entsprechende Chip Auswahlanschlüsse, die mittels einer Auswahlsignalleitung verbunden sein. Auf der Seite der Master-Vorrichtung ist ihr Chipauswahl(CS)-Anschluss für das Ausgeben eines Chipauswahlsignals verantwortlich. Der Chipauswahlanschluss der Slave-Vorrichtung ist ein Chip-Select-Not(CSN)-Anschluss, was bedeutet, dass das Chipauswahlsignal ein Low-aktives Signal ist. Das Chipauswahlsignal wird von der Master-Vorrichtung 101 übertragen und dazu verwendet, die Slave-Vorrichtung 102 zur SPI-Kommunikation auszuwählen und/oder freizugeben. Das Chipauswahlsignal ist Low, wenn eine Kommunikation mit der Slave-Vorrichtung 102 freigegeben ist, und wird auf High gezogen, um die Slave-Vorrichtung 102 von dem SPI-Bus zu trennen, wodurch die Kommunikation mit der Slave-Vorrichtung 102 gesperrt wird. Insbesondere wird, wenn das Chipauswahlsignal auf High gezogen wird, der SDO-Anschluss in einen Hochimpedanzzustand versetzt. Low-Treiben dieses Eingangs ermöglicht die Kommunikation. Somit muss die Master-Vorrichtung 101 eine logische 0 auf diesem CS-Signal senden, um die Slave-Vorrichtung 102 auszuwählen.
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Ein SPI-Kommunikationsframe (d. h. ein CS-Frame) ist durch ein Intervall, in dem das CS-Signal Low (logisch 0) ist, zwischen zwei aufeinanderfolgenden High-Signalpegeln (logisch 1) definiert. Somit gibt eine fallenden Flanke des CS-Signals von High zu Low einen Beginn eines CS-Frames an, und die nächste Flanke (d. h. eine steigende Flanke) von Low zu High gibt ein Ende des CS-Frames an. Jeder CS-Frame weist eine Länge einer vorbestimmten Anzahl von Taktzyklen auf, die der Anzahl von Bytes des SPI-Puffers entspricht. Beispielsweise weist für einen x-Byte-SPI-Puffer jeder CS-Frame eine Länge von x Bytes auf, wobei x eine ganze Zahl größer als eins ist. Zwei aufeinanderfolgende CS-Frames werden durch eine Inaktivitätsperiode getrennt, in der das CS-Signal High (logisch 1) ist und die Kommunikation von der Slave-Vorrichtung 102 gesperrt ist.
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Die Master-Vorrichtung 101 beinhaltet eine Verarbeitungsschaltungsanordnung 103, die die Funktionen der hier beschriebenen Master-Vorrichtung 101 zum Durchführen von SPI-Kommunikation durchführt, darunter Signalerzeugung (z. B. CS-, SCK- und MOSI-Signale) einschließlich Synchronisation und Steuerung der Slave-Vorrichtung 101, Signalempfang (z. B. MISO-Signale) und deren Verarbeitung, Datenabtastung von der MISO-Datenleitung, Herausschieben von Daten auf die MOSI-Signalleitung, Registeradresseninkrementierung und -verfolgung, Registeradressenauswertung und Verarbeitung von der Slave-Vorrichtung 102 empfangener Daten und Verarbeitung von der Slave-Vorrichtung 102 empfangener Fehlersignale und Ergreifen von Maßnahmen als Reaktion darauf. Die Verarbeitungsschaltungsanordnung 103 kann mindestens einen Prozessor und eine andere Verarbeitungsschaltungsanordnung beinhalten, eingerichtet zum Verarbeiten, Konditionieren, Vergleichen, Auswerten, Codieren oder Decodieren von Signalen und Daten.
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Gleichermaßen beinhaltet die Slave-Vorrichtung 102 eine Verarbeitungsschaltungsanordnung 104, die die Funktionen der hier beschriebenen Slave-Vorrichtung 102 zum Durchführen von SPI-Kommunikation durchführt, darunter Signalerzeugung (z. B. MISO-Signale), Signalempfang (z. B. CS-, SCK- und MOSI-Signale) und deren Verarbeitung, Datenabtastung von der MOSI-Datenleitung, Herausschieben von Daten auf die MISO-Datenleitung, Registeradresseninkrementierung und -verfolgung, Registeradressenauswertung, Verarbeitung von der Master-Vorrichtung 101 empfangener Befehle und Daten (z. B. Eintreten in einen Niedrigleistungsüberwachungs(LPM)-Modus) und Verarbeitung von Sensorsignalen, Detektieren von Fehlern und Kommunizieren detektierter Fehler an die Master-Vorrichtung.
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Die Verarbeitungsschaltungsanordnung 104 kann mindestens einen Prozessor und eine andere Verarbeitungsschaltungsanordnung beinhalten, eingerichtet zum Verarbeiten, Konditionieren, Vergleichen, Auswerten, Codieren oder Decodieren von Signalen und Daten. Beispielsweise kann die Verarbeitungsschaltungsanordnung 104 eine Signalverarbeitungskette einschließlich eines ADC, eingerichtet zum Erfassen von Abtastwerten von dem Sensor 105 in jedem Taktzyklus, eines Heruntertakters, eingerichtet zum Durchführen einer Heruntertaktung an dem digitalen Signal (z. B. unter Verwendung eines digitalen Tiefpassfilters zur Entfernung von Hochfrequenzsignalkomponenten und eines Dezimierers, der das gefilterte Signal um einen ganzzahligen Faktor von X dezimiert, sodass nur der X-te Abtastwert zur Auswertung an einen Prozessor geliefert wird), zusätzlicher Filter nach Bedarf und eines Prozessors am Ende der Signalverarbeitungskette, der eine Auswertung des digitalen Sensorwerts durchführt. Es können auch Komparatoren zum Durchführen eines Vergleichs mit einem Schwellenwert verwendet werden.
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Die in 1A gezeigte SPI ist eine Vollduplex-Schnittstelle; sowohl Master als auch Slave können Daten gleichzeitig über die am MOSI-bzw. MISO-Datenleitung senden. Hier sind separate Pins für Eingangsdaten und Ausgangsdaten vorhanden. Es sei außerdem angemerkt, dass auch Masse GND- und VDD-Pins für die Slave-Vorrichtung 102 gezeigt sind. Im Vollkommunikationsmodus (d. h. Duplexmodus) wird ein Befehl über den SDI-Anschluss der SPI-Schnittstelle empfangen, und die Antwort für den aktuellen Befehl wird während des nächsten Befehls (d. h. während des nächsten SPI-Kommunikationsframes) auf dem SDO-Anschluss bereitgestellt, darunter Diagnoseinformationen bezüglich der Ordnungsmäßigkeit oder Gültigkeit der SPI-Kommunikation.
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1B ist ein schematisches Blockdiagramm eines SPI-Kommunikationssystems 100B gemäß einer oder mehreren Ausführungsformen. Das Kommunikationssystem 100B ist dem Kommunikationssystem 100A ähnlich, mit der Ausnahme, dass seine SPI-Schnittstelle eine Halbduplex-Schnittstelle ist. Dies bedeutet, dass die Master-Vorrichtung 101 ein Datenanschluss DATA für Dateneingabe und -ausgabe beinhaltet und sich die SDI- und SDO-Anschlüsse der Slave-Vorrichtung 102 diesen DATA-Anschluss zur Kommunikation teilen. Folglich kann in jedem gegebenen Kommunikationsframe nur der Master oder der Slave über Zeitmultiplexing senden. Zum Konfigurieren des Kommunikationssystems 100B im Halbduplex ist ein Widerstand R1 mit der Datensignalleitung und dem SDO-Anschluss verbunden und zwischen diese geschaltet. Darüber hinaus ist ein weiterer Widerstand R2 mit der Datensignalleitung und einem High-Versorgungspotenzial VDD verbunden und zwischen diese geschaltet. Dies repräsentiert ein Beispiel einer Halbduplex-Konfiguration.
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Das Kommunikationssystem 100B ist außerdem ein Batterieüberwachungssystem, das in einem Gehäuse einer Batterie 10 zum Überwachen eines Status davon angeordnet ist. Dementsprechend kann abgesehen davon, dass ein System Vollduplex und das andere System Halbduplex ist, davon ausgegangen werden, dass beide Systeme ähnliche Merkmale beinhalten. Somit gelten Merkmale der hier beschriebenen Ausführungsbeispiele für beide Kommunikationssysteme, sofern nicht ausdrücklich etwas anderes angegeben ist.
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Die Sensorvorrichtung 102 ist dazu eingerichtet, die Batterie 10 über die Lebensdauer der Batterie 10 zu überwachen. Folglich muss der durchschnittliche Stromverbrauch des Mikrocontrollers 101 und der Sensorvorrichtung 102 gering sein. Beide Kommunikationssysteme 100A und 100B sind im LPM-Modus konfigurierbar. Tritt dies auf, so tritt sowohl die Master-Vorrichtung 101 als auch die Sensor-Vorrichtung 102 in einen Niedrigleistungszustand ein, um den Energieverbrauch zu reduzieren. Bevor die Master-Vorrichtung 101 in ihren Niedrigleistungszustand eintritt, sendet sie einen Befehl zum Eintreten in den LPM-Modus an die Sensorvorrichtung 102. Der Mikrocontroller 101 wacht aus seinem Niedrigleistungsmodus auf, um über die SPI-Schnittstelle mit der Sensorvorrichtung 102 zu kommunizieren und/oder um als Reaktion auf den Empfang eines Fehlers von der Sensorvorrichtung 102 eine Fehleranalyse durchzuführen. Dagegen ist der LPM-Modus der Sensorvorrichtung 102 ein Pulsweitenmodulations(PWM)-Modus, in dem die Sensorvorrichtung 102 periodisch aufwacht, um über den Drucksensor 105 eine Sensormessung zu erfassen und zu bestimmen, ob ein Batteriefehler vorliegt, bevor sie zwischen Abtastungen herunterfährt. Die Verarbeitungsschaltungsanordnung 104 führt außerdem interne Prüfungen durch, wenn sie aufwacht, um zu überprüfen, dass sie normal arbeitet oder ob ein Systemfehler vorliegt. Beispielsweise kann die Verarbeitungsschaltungsanordnung 104 ihren eigenen Signalverarbeitungspfad zum Detektieren eines auf dem Signalverarbeitungspfad vorliegen Fehlers auswerten.
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Als Selbstaufwecksystem beinhaltet die Sensorvorrichtung 102 einen Niedrigleistungsoszillator (OSC) 106, der zum Aufwecken des Chips in regelmäßigen Abständen verwendet wird. Der LPM-Modus beinhaltet eine Abtastphase, ausgelöst basierend auf dem durch den Niedrigleistungsoszillator 106 erzeugten Taktsignal, in der ein Sensormesswert erfasst und analysiert wird, und eine Heruntergefahren-Phase, in der die Sensorvorrichtung 102 in einem Niedrigleistungszustand ist. Die Heruntergefahren-Intervalle sind gemäß einem PWM-Tastgrad in der Regel weitaus länger als die Abtastintervalle, um Energie zu sparen. Die Verarbeitungsschaltungsanordnung 104 kann alle N Taktzyklen aufwachen und eine Abtastperiode durch M Taktzyklen definieren, wobei N und M ganze Zahlen sind und N>M gilt.
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Im LPM-Modus wacht die Sensorvorrichtung 102 periodisch auf (fährt hoch), um das Druckdifferenzial in dem Gehäuse zu überwachen, und warnt den Mikrocontroller 101 über einen dedizierten Wakeup-Out(WUout)-Pin, falls das Druckdifferenzial ein erwartetes Ergebnis überschreitet. Thermisches Durchgehen in dem Batteriegehäuse führt zu einem starken Anstieg des Umgebungsdrucks in dem Batteriegehäuse, der detektiert werden kann. Das Fehlersignal wird über den WUout-Pin gesendet, um den Mikrocontroller 101 aufzuwecken, um eine Fehleranalyse und Berechnungen durchzuführen. Der Mikrocontroller 101 empfängt das Fehlersignal an einem Digital-Input(DI)-Anschluss, wacht aus dem Niedrigleistungsmodus auf, identifiziert die Art des signalisierten Fehlers und führt eine Fehleranalyse durch. Bei Aufwachen kann der Mikrocontroller 101 die Sensorvorrichtung 102 aufwecken, indem er das Chipauswahlsignal auf Low treibt, und kann über die SPI-Schnittstelle (z. B. über die Dateneingangs-SDI- und Datenausgangs-SDO-Signalleitung) zusätzliche Daten von der Slave-Vorrichtung anfordern.
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Der DI-Anschluss ist Teil einer digitalen Kommunikationsschnittstelle, die von der SPI getrennt ist. Gleichermaßen ist der WUout-Anschluss Teil einer digitalen Kommunikationsschnittstelle, die von der SPI getrennt ist. Der WUout-Anschluss wird dazu verwendet, alle durch die Sensorvorrichtung 102 detektieren Fehler und Störungen zu kommunizieren. D. h., dass der SDO-Anschluss nicht zum Kommunizieren (z. B. Angeben oder Flaggen) von Fehlern und Störungen verwendet wird, sondern zum Übertragen von Diagnoseinformationen bezüglich eines detektieren Fehlers unter Befehl des Mikrocontrollers 101 verwendet werden kann (z. B. sendet der Mikrocontroller einen SPI-Befehl über seinen MOSI-Anschluss, der die Sensorvorrichtung 102 dazu anweist, Diagnoseinformationen zu übertragen).
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Gemäß den offenbarten Ausführungsformen wird der WUout-Anschluss sowohl im LPM-Modus als auch im Vollkommunikationsmodus (d. h. normalen Arbeitsmodus) verwendet. Im LPM-Modus verwendet die Verarbeitungsschaltungsanordnung 104 den WUout-Anschluss zum Übertragen verschiedener Arten von Fehlersignalen an den Mikrocontroller 101, um den Mikrocontroller 101 auf etwaige im LPM-Modus detektierte sicherheitsbezogene Fehlfunktionen der Sensorvorrichtung 102 aufmerksam zu machen.
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Um den LPM-Modus an der Sensorvorrichtung 102 zu initiieren, überträgt der Mikrocontroller 101 einen „LPM-Modus-Eintritt“-SPI-Befehl auf der SDI-Datenleitung, wobei bis zum beabsichtigten Aufwachen des Systems keine weitere SPI-Kommunikation initiiert wird. In diesem Fall empfängt der Mikrocontroller 101 keine Bestätigung des Status der SPI-Kommunikation (d. h. des „LPM-Modus-Eintritt“-SPI-Befehls), und der aktuelle Betriebsmodus der Sensorvorrichtung 102 ist für den Mikrocontroller 101 unklar. Anders ausgedrückt nimmt der Mikrocontroller 101 an, dass der „LPM-Modus-Eintritt“-SPI-Befehl korrekt empfangen wurde und dass die Sensorvorrichtung 102 in ihren LPM-Modus versetzt wird. Jedoch kommt es bei Auftreten eines Kommunikationsfehlers während der Übertragung des „LPM-Modus-Eintritt“-SPI-Befehls zu einer Blockierung zwischen dem Mikrocontroller 101 und dem Sensor 102. In diesem Fall bleibt die Sensorvorrichtung 102 im Vollkommunikationsmodus (d. h. im normalen Arbeitsmodus oder Vollleistungsmodus), in dem sie auf weitere Befehle wartet, die niemals eintreffen. Indes erfolgt ein unnötiger Verbrauch von Energie, während die Sensorvorrichtung im normalen Arbeitsmodus ist.
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Zur Vermeidung einer Modusunklarheit und von Situationen, in denen der Befehl durch die Sensorvorrichtung 102 inkorrekt empfangen und/oder inkorrekt decodiert wurde, verwendet die Sensorvorrichtung 102 im Vollkommunikationsmodus den WUout-Pin, um alle Kommunikationsfehler zu signalisieren. In einem Niedrigleistungsmodus wacht der Mikrocontroller 101 als Reaktion auf ein beliebiges über seinen DI-Anschluss empfangenes Fehlersignal auf, um eine Fehleranalyse durchzuführen. Der Mikrocontroller 101 kann sich auch dazu entscheiden, den kürzlich übertragenen „LPM-Modus-Eintritt“-SPI-Befehl erneut zu senden.
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Eine Art von Kommunikationsfehler wird als Taktzyklusfehler bezeichnet, wobei sich um einen Kommunikationsprotokollfehler handelt. Wie oben angemerkt, ist ein SPI-Kommunikationsframe (d. h. ein CS-Frame) durch ein Intervall, in dem das CS-Signal Low (logisch 0) ist, zwischen zwei aufeinanderfolgenden High-Signalpegeln (logisch 1) definiert.
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Darüber hinaus weist jeder CS-Frame eine Länge einer vorbestimmten Anzahl von Taktzyklen auf, die der Anzahl von Bytes des SPI-Puffers entspricht. Zwei aufeinanderfolgende CS-Frames werden durch eine Inaktivitätsperiode getrennt, in der das CS-Signal High (logisch 1) ist und die Kommunikation von der Slave-Vorrichtung 102 gesperrt ist. Die Verarbeitungsschaltungsanordnung 104 ist dazu eingerichtet, die Anzahl von Taktzyklen des Taktsignals SCK zwischen einer fallenden Flanke des CS-Signals (d. h. einem Beginn eines CS-Frames) und der nächsten steigenden Flanke des CS-Signals (d. h. einem Ende des CS-Frames) zu überwachen (d. h. zu zählen). Die Verarbeitungsschaltungsanordnung 104 vergleicht dann die Anzahl gezählter Taktzyklen mit der vorbestimmten Anzahl für eine Framelänge erwarteter Taktzyklen. Weicht die Anzahl gezählter Taktzyklen von der vorbestimmten Anzahl erwarteter Taktzyklen ab, so detektiert die Verarbeitungsschaltungsanordnung 104 einen Kommunikationsfehler, erzeugt ein Taktzyklusfehlersignal und überträgt das Taktzyklusfehlersignal über den WUout-Anschluss an den Mikrocontroller 101. Stimmt die Anzahl gezielter Taktzyklen mit der vorbestimmten Anzahl erwarteter Taktzyklen überein, so wird kein Taktzyklusfehler detektiert.
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Eine andere Art von Kommunikationsfehler wird als Ungültiger-Befehl-Fehler bezeichnet. Der Speicher 107 der Sensorvorrichtung 102, auf den die Verarbeitungsschaltungsanordnung zugreifen kann, speichert einen Katalog gültiger Befehle. Bei Empfang eines Befehls von der Mikrocontroller 101 ist die Verarbeitungsschaltungsanordnung 104 dazu eingerichtet, auf den Katalog gültiger Befehle zuzugreifen und den empfangenen Befehl mit denen in dem Katalog zu vergleichen. Wird eine Übereinstimmung in dem Katalog gefunden, so wird kein Ungültiger-Befehl-Fehler detektiert. Findet die Verarbeitungsschaltungsanordnung 104 dagegen keine Übereinstimmung in dem Katalog, so bestimmt sie, dass der empfangene Befehl ungültig ist und signalisiert einen Ungültiger-Befehl-Fehler über den WUout-Anschluss an den Mikrocontroller 101.
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Somit können Befehle, die durch die Sensorvorrichtung 102 inkorrekt empfangen und/oder decodiert werden, durch einen dieser zwei Kommunikationsfehler detektieren und durch eine Ausgabe an dem WUout-Anschluss signalisieren. Dies informiert den Mikrocontroller 101 darüber, dass der vorherige Kommunikationsversuch nicht erfolgreich abgeschlossen wurde. Obgleich die Verarbeitungsschaltungsanordnung 104 dazu eingerichtet ist, zusätzlich zu detektierten Druckanomalien und internen Fehlern jeden Kommunikationsfehler über den WUout-Anschluss zu signalisieren, ist die Fehlersignalisierung besonders wichtig während des Vollkommunikationsmodus (d. h. des normalen Arbeitsmodus oder Vollleistungsmodus). Dies liegt daran, dass die Sensorvorrichtung 102 bei inkorrektem Empfang oder inkorrektem Decodieren eines „LPM-Modus-Eintritt“-SPI-Befehls im Vollkommunikationsmodus bleibt. Somit lässt sich, wenn LPM der beabsichtigte Befehl war, eine Blockierung zwischen dem Mikrocontroller 101 und der Sensorvorrichtung 102 verhindern oder schnell auflösen. Befindet sich der Mikrocontroller 101 als Ergebnis des Übertragens des „LPM-Modus-Eintritt“-SPI-Befehls in einem Niedrigleistungsmodus, so wird der Mikrocontroller 101 durch die Fehlersignalisierung aufgeweckt, wodurch eine etwaige Blockierung beendet wird.
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2 veranschaulicht Signaldiagramme eines Stromverbrauchs der Sensorvorrichtung und eines Fehlersignals gemäß einer oder mehreren Ausführungsformen. Insbesondere ist die obere Wellenform ein Stromverbrauch eines Stroms IDD durch die Sensorvorrichtung 102 bei Konfiguration im LPM-Modus. Die Wellenform des Stromverbrauchs weist einen PWM-Tastgrad auf, der der Abtastphase und der Heruntergefahren-Phase der Sensorvorrichtung 102 im LPM-Modus entspricht. Der Stromverbrauch nimmt zu, um das Sensorsignal abzutasten und den gemessenen Druck auszuwerten. Der Stromverbrauch nimmt zwischen Abtastphasen ab, um den durchschnittlichen Stromverbrauch IDDavg der Sensorvorrichtung 102 zu reduzieren.
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Darüber hinaus bleibt das Ausgangssignal des WUout-Anschlusses bei Nichtvorliegen eines Fehlers Low, wird jedoch High umgeschaltet, wenn ein Fehler detektiert wird, um den Mikrocontroller 101 über den Fehler zu benachrichtigen. Die Sensorvorrichtung 102 kann außerdem den LPM-Modus verlassen, wenn das Ausgangssignal des WUout-Anschlusses auf High umgeschaltet wird.
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Im LPM-Modus wird die interne Versorgung der Sensorvorrichtung 102 über den Spannungsregler periodisch getrennt, um Energie zu sparen. Da der Spannungsregler einen wesentlichen Anteil der Chipfläche in der Sensorvorrichtung 102 einnimmt, sollte die Funktionsfähigkeit des Spannungsreglers selbst überwacht werden. Ein Ausfall in dem Spannungsregler verhindert, dass die digitale Verarbeitungsschaltungsanordnung oder ein ADC aufwacht, das Sensorsignal liest und über WUout einen Ausfall an den Mikrocontroller 101 signalisiert. Liegt ein Ausfall des Spannungsreglers vor, so sollte dieser somit detektiert werden. Dieser zusätzliche Fehler kann ebenfalls durch den WUout-Anschluss signalisiert werden.
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3 ist ein schematisches Blockdiagramm einer Leistungsschaltung 300 der Sensorvorrichtung 102 gemäß einer oder mehreren Ausführungsformen. Die Leistungsschalter 300 ist mit einer externen Leistungsversorgung VDD gekoppelt. Ein Spannungsregler 301 erzeugt die internen Spannungsversorgungen aus der externen Leistungsversorgung VDD. Er wandelt die externe Leistungsversorgung in eine interne Leistungsversorgung mit einem Hochgefahren-Versorgungswert während des Hochgefahren-Zustands oder einem Heruntergefahren-Versorgungswert während des Heruntergefahren-Zustands um.
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Ein Rücksetzgenerator 302 erzeugt ein Rücksetzsignal, wenn eine der internen Versorgungen VDDA oder VDDD unter einen Pegel abfällt, der niedriger als ein Nennwert ist. Somit handelt es sich bei dem Rücksetzgenerator 302 um eine Spannungsüberwachungsschaltung. Beispielsweise ist VDDA die interne analoge Spannungsversorgung für analoge Komponenten auf dem Chip. Dagegen ist VDDD die interne digitale Spannungsversorgung für digitale Komponenten auf dem Chip. VDDD ist kleiner oder gleich VDDA. Der Rücksetzgenerator 302 ist dazu eingerichtet, VDDA mit einer ersten Spannungsschwelle zu vergleichen und/oder VDDD mit einer zweiten Spannungsschwelle zu vergleichen. Der bzw. die Vergleiche können gleichzeitig oder in regelmäßigen Abständen basierend auf dem Taktsignal (z. B. bei jeder steigenden Signalflanke) durchgeführt werden, sodass das Rücksetzsignal den Zustand der internen Versorgung relativ zu den Schwellenwert genau widerspiegelt.
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Fällt entweder VDDA oder VDDD unter seine jeweilige Schwelle ab, so schaltet der Rücksetzgenerator 302 das Rücksetzsignal von Low auf High um, wodurch angegeben wird, dass der Spannungsregler eine niedrige Leistung ausgibt. Dieser Unterschwellenzustand könnte normal sein, wenn ein Niedrigleistungszustand beabsichtigt ist, oder könnte anormal sein, wenn ein Hochgefahren-Zustand beabsichtigt ist. Beispielsweise könnte der Rücksetzgenerator 302 das Rücksetzsignal von Low auf High umschalten, wenn entweder VDDA oder VDDD unter seine jeweilige Schwelle abfällt. Dementsprechend schaltet der Rücksetzgenerator 302 das Rücksetzsignal zwischen einem ersten Signalpegel, wenn die interne Leistungsversorgung gleich oder größer als der Schwellenwert ist, und einem zweiten Signalpegel, wenn die interne Leistungsversorgung kleiner als der Schwellenwert ist, um. Der Schwellenwert ist kleiner als der Hochgefahren-Versorgungswert und kann außerdem kleiner als der Heruntergefahren-Versorgungswert sein. Der Schwellenwert kann auf zwischen den Heruntergefahren-Versorgungswert und den Hochgefahren-Versorgungswert eingestellt werden. Das Rücksetzsignal wird sowohl an ein D-Flipflop 303 als auch an die (digitale) Verarbeitungsschaltungsanordnung 104 geliefert. Das Rücksetzsignal ist eine allgemeine Eingabe in digitale Schaltungen, um sicherzustellen, dass die digitalen Schaltungen nur dann arbeiten, wenn die Versorgung über dem Mindestpegel liegt, für den die Schaltung eingerichtet ist. Es dient außerdem dazu, sicherzustellen, dass ein Startpunkt der digitalen Schaltungen gut definiert ist.
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Die Verarbeitungsschaltung 104 ist mit dem Sensor 102 gekoppelt, um das Sensorsignal von diesem zu empfangen. Die Verarbeitungsschaltung 104 ist gemäß dem Speisungszustand des Spannungsreglers 301 in dem Hochgefahren-Zustand und dem Heruntergefahren-Zustand konfigurierbar. In dem Hochgefahren-Zustand ist die Verarbeitungsschaltung 104 dazu eingerichtet, einen Abtastwert des Sensorsignals zu erfassen und den Sensorwert auszuwerten, wie oben beschrieben. In dem Heruntergefahren-Zustand ist die Verarbeitungsschaltung 104 inaktiv.
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Die Leistungsschaltung 300 beinhaltet ferner eine Leistungszyklusschaltung 304, die ein internes Aufwecksignal (d. h. „wake“) empfängt, das den Herunterfahr/Hochfahr-Zyklus steuert. Die Leistungszyklusschaltung 304 sperrt die Erzeugung der internen Versorgungen VDDA und VDDD entsprechend einer programmierten PWM-Aus-Dauer. Der Ausgang SPS (d. h. Leistungszustandssignal SPS) der Leistungszyklusschaltung 304 gibt an, ob sich die Leistungsschaltung in einem Hochgefahren-Zustand (SPS = 0) oder in einem Heruntergefahren-Zustand (SPS = 1) befindet. Auf diese Weise ist die Leistungszyklusschaltung 304 dazu eingerichtet, einen Speisungszustand des Spannungsreglers 301 zwischen einem Hochgefahren-Zustand und einem Heruntergefahren-Zustand umzuschalten.
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Der Anschluss Q des D-Flipflops 303 ist der Ausgangspin. Er gibt den Wert aus, den das Flipflop derzeit hält bzw. speichert. Der Anschluss D des D-Flipflops 303 ist der Dateneingangspin. Von diesem erhält das Flipflop seine Informationen. Hier tastet das D-Flipflop 303 den Zustand des Rücksetzsignals an seinem Dateneingang D ab, während sich der Chip nicht im Heruntergefahren-Zustand befindet (d. h. wenn SPS = 0). Anschluss R ist ein High-aktiver Rücksetzpin. Empfängt der Rücksetzpin ein High-Signal (d. h. wenn SPS = 1), so setzt er das Flipflop zurück, um eine 0, oder einen Low-Wert, zu speichern, die bzw. der am Ausgangspin Q ausgegeben wird. Natürlich könnte der Anschluss R ein Lowaktiver Rücksetzpin sein, und die Bedeutung der Signalpegel des Signals SPS könnten in diesem Fall umgekehrt sein. In einem Heruntergefahren-Zustand (d. h. SPS = 1) oder wenn der Chip normal aufwacht (d. h. Rücksetzpin = 0), bleibt der Ausgangspin Q bei 0.
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Im Allgemeinen beinhaltet das D-Flipflop 303 einen Dateneingangsanschluss, eingerichtet zum Empfangen des Rücksetzsignals, und einen Fehlerausgangsanschluss, wobei das Flipflop eingerichtet ist zum Erzeugen eines Fehlersignals an dem Fehlerausgangsanschluss, wenn der Spannungsregler 301 über das Leistungszustandssignal SPS in dem Hochgefahren-Zustand konfiguriert ist und wenn der Dateneingang das Rücksetzsignal mit dem zweiten Signalpegel, der angibt, dass die interne Leistungsversorgung kleiner als der Schwellenwert ist, empfängt. Das D-Flipflop 303 beinhaltet einen Rücksetzanschluss, eingerichtet zum Empfangen des Leistungszustandssignals SPS. Das D-Flipflop 303 ist dazu eingerichtet, ein Kein-Fehler-Signal an dem Fehlerausgangsanschluss zu erzeugen, wenn das Leistungszustandssignal SPS den Heruntergefahren-Zustand angibt oder das Rücksetzsignal auf den ersten Signalpegel gesetzt ist, wodurch angegeben wird, dass die interne Leistungsversorgung gleich oder größer als der Schwellenwert ist.
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Insbesondere beinhaltet das D-Flipflop 303 einen Taktanschluss CLK, der mit dem Niedrigleistungsoszillator 106 verbunden ist. Das D-Flipflop 303 ist dazu eingerichtet, das an dem Dateneingangsanschluss empfangene Rücksetzsignal bei einer Signalflanke des Taktsignals abzutasten. Der Niedrigleistungsoszillator 106 wird dazu verwendet, den Chip in regelmäßigen Abständen aufzuwecken. Anders ausgedrückt wird das durch den Niedrigleistungsoszillator 106 ausgegebene Taktsignal als Grundlage für den PWM-Zyklus von Abtast- und Heruntergefahren-Phasen verwendet. Eine interne PWM-Logik, wie etwa ein Aufweckzähler 305, kann das Taktsignal dazu verwenden, das Aufwecksignal in regelmäßigen Intervallen zu erzeugen, sodass die Abtast- und Heruntergefahren-Phasen genau definiert sind. Das regelmäßige Intervall kann durch eine vorbestimmte Anzahl von Taktzyklen definiert sein und der Aufweckzähler 305 kann dazu eingerichtet sein, die Taktimpulse/-zyklen zu zählen und das Aufwecksignal jedes Mal dann zu triggern, wenn die vorbestimmte Anzahl von Taktzyklen erfüllt ist. Das Aufwecksignal wird dazu verwendet, die Leistungszyklusschaltung 304 dazu zu triggern, das Signal SPS für eine vorbestimmte Dauer auf Low umzuschalten (SPS = 0), um den Spannungsregler 301 in dem Hochgefahren-Zustand zu konfigurieren, während das Leistungszustandssignal SPS Low ist. Anders ausgedrückt ist das Aufwecksignal ein durch den Aufweckzähler 305 erzeugtes PWM-Steuersignal.
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Das Taktsignal wird an den Taktanschluss CLK geliefert. Trifft ein neuer Taktimpuls ein (z. B. eine steigende Taktflanke), so prüft das D-Flipflop 303 den Eingangspin D und stellt sich selbst so ein, dass es diesen Eingabewert an seinem Ausgangspin Q behält. Das D-Flipflop ist flankengesteuert, was bedeutet, dass es auf die steigende Flanke des Taktpulses reagiert. Nur der Zustand des Eingangspins D, der bei der steigenden Taktflanke empfangen wird, wird zur Ausgabe am Ausgangspin Q erfasst. Andernfalls bleibt die Ausgabe des D-Flipflop 303 in ihrem vorherigen Zustand Qprev. Die nachstehende TABELLE I ist eine Wahrheitstabelle des D-Flipflops 303. TABELLE I
| Eingabe | Ausgabe |
| CLK | D | R | Q |
| x | x | 1 | 0 |
| ↑ Flanke | D | 0 | D |
| nicht ↑ | x | 0 | Qprev |
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Der Niedrigleistungsoszillator 106 kann dazu verwendet werden, das Rücksetzsignal in der Periode abzutasten, in der der Rücksetzpin freigegeben werden sollte (d. h. der Rücksetzpin Low sein sollte). Der Rücksetzpin sollte freigegeben werden oder Low sein, wenn die Leistungszyklusschaltung 304 angibt, dass sich der Spannungsregler 301 in einem Hochgefahren-Zustand (d. h. SPS = 0) befindet. In diesem Fall sollten die internen Versorgungen VDDA und VDDD gleich oder größer als ihre jeweiligen Schwellen sein, sodass Rücksetzpin = 0 gilt. Wenn jedoch der Spannungsregler 301 nicht korrekt arbeitet, können die internen Versorgungen VDDA und VDDD selbst dann kleiner als ihre jeweiligen Schwellen sein (d. h. Rücksetzpin = 1), wenn die Leistungszyklusschaltung 304 beabsichtigt, dass sich der Spannungsregler 301 in einem Hochgefahren-Zustand (d. h. SPS = 0) befindet. Es entsteht somit ein Konflikt, und der Ausgang des D-Flipflop 303 wird High gesetzt, da der Rücksetzpin gleich 1 ist und SPS gleich null ist. Anders ausgedrückt, wenn ein Fehler auftritt und der Rücksetzpin nicht auf Low umschaltet, wenn der Chip aufwachen sollte, schaltet der Ausgangsanschluss Q auf 1 um und signalisiert einen Fehler. Dieser Fehler wird als Störung signalisiert, die durch den Aufweckanschluss WUout ausgegeben wird. Auf diese Weise lässt sich ein Fehler in der Kette aus Spannungsregler 301 - Rücksetzgenerator 302 detektieren und an den Ausgang WUout signalisieren. Andere durch die Verarbeitungsschaltungsanordnung 104 detektierte Fehler, wie etwa die oben genannten, darunter Kommunikationsfehler und interne Fehler, werden ebenfalls von dem WUout-Anschluss ausgegeben.
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Obgleich einige Aspekte im Kontext einer Einrichtung beschrieben worden sind, versteht es sich, dass diese Aspekte auch eine Beschreibung des entsprechenden Verfahrens repräsentieren, wobei ein Block oder eine Vorrichtung einem Verfahrensschritt oder einem Merkmal eines Verfahrensschritts entspricht. Gleichermaßen repräsentieren im Kontext eines Verfahrensschritts beschriebene Aspekte auch eine Beschreibung eines entsprechenden Blocks oder Gegenstands oder Merkmals einer entsprechenden Einrichtung. Einige oder alle der Verfahrensschritte können durch eine (oder unter Verwendung einer) Hardwareeinrichtung, wie zum Beispiel einen Mikroprozessor, einen programmierbaren Computer oder eine elektronische Schaltung, ausgeführt werden. Bei einigen Ausführungsformen können ein oder mehrere der Verfahrensschritte durch eine solche Einrichtung ausgeführt werden.
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Es ist ferner anzumerken, dass in der Beschreibung oder in den Ansprüchen offenbarte Verfahren durch eine Vorrichtung implementiert werden können, die Mittel zum Durchführen jeder der jeweiligen Handlungen dieser Verfahren aufweist. Ferner versteht es sich, dass die Offenbarung mehrerer Handlungen oder Funktionen, die in der Beschreibung oder in den Ansprüchen offenbart sind, nicht als innerhalb der speziellen Reihenfolge vorliegend aufzufassen sein muss. Daher beschränkt die Offenbarung mehrerer Handlungen oder Funktionen diese nicht auf eine bestimmte Reihenfolge, sofern solche Handlungen oder Funktionen aus technischen Gründen nicht unaustauschbar sind. Ferner kann bei einigen Ausführungsformen eine einzige Handlung mehrere Teilhandlungen beinhalten oder in diese aufgeteilt sein.
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Solche Teilhandlungen können eingeschlossen und Teil der Offenbarung dieser einzigen Handlung sein, sofern sie nicht ausdrücklich ausgeschlossen sind.
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Die in dieser Offenbarung beschriebenen Techniken können wenigstens teilweise in einer Hardware, Software, Firmware oder einer beliebigen Kombination von diesen implementiert werden. Zum Beispiel können verschiedene Aspekte der beschriebenen Techniken innerhalb eines oder mehrerer Prozessoren, einschließlich eines oder mehrerer Mikroprozessoren, digitaler Signalprozessoren (DSPs), anwendungsspezifischer integrierter Schaltungen (ASICs: Application Specific Integrated Circuits), vor Ort programmierbarer Logik-Arrays (FPGAs: Field Programmable Logic Arrays), einer programmierbaren Logiksteuerung (PLC: Programmable Logic Controller) oder einer beliebigen anderen äquivalenten integrierten oder diskreten Logikschaltungsanordnung sowie beliebiger Kombinationen solcher Komponenten, implementiert werden. Der Ausdruck „Prozessor“ oder „Verarbeitungsschaltung“ kann sich allgemein auf eine beliebige der vorausgehenden Logikschaltungen, alleine oder in Kombinationen mit einer anderen Logikschaltung, oder eine beliebige andere äquivalente Schaltung beziehen. Eine Steuereinheit einschließlich Hardware kann auch eine oder mehrere der Techniken dieser Offenbarung durchführen. Eine Steuereinheit kann elektrische Signale und digitale Algorithmen zum Durchführen ihrer Empfangs-, Analyse- und Steuerfunktionen, die ferner Korrekturfunktionen beinhalten können, durchzuführen. Solche Hardware, Software und Firmware können innerhalb derselben Vorrichtung oder innerhalb getrennter Vorrichtungen implementiert werden, um die verschiedenen in dieser Offenbarung beschriebenen Techniken zu unterstützen.
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Ein oder mehrere Aspekte der vorliegenden Offenbarung können als nichtflüchtiges computerlesbares Aufzeichnungsmedium mit darauf aufgezeichnetem Programm, das Verfahren/Algorithmen zum Anweisen des Prozessors zum Durchführen der Verfahren/Algorithmen beinhaltet, implementiert sein. Somit können auf einem nichtflüchtigen computerlesbaren Aufzeichnungsmedium lesbare Steuersignale gespeichert sein, die mit einem programmierbaren Computersystem kooperieren (oder kooperieren können), sodass die jeweiligen Verfahren/Algorithmen durchgeführt werden. Das nichtflüchtige computerlesbare Aufzeichnungsmedium kann beispielsweise ein RAM, ein ROM, ein PROM, ein EPROM, ein EEPROM, ein FLASH-Speicher oder eine elektronische Speichervorrichtung sein.
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Obgleich verschiedene Ausführungsformen offenbart wurden, erkennen Fachleute, dass verschiedene Änderungen und Modifikationen vorgenommen werden können, die einige der Vorteile der hier offenbarten Konzepte erzielen werden, ohne vom Gedanken und Schutzumfang der Erfindung abzuweichen. Durchschnittsfachleute erkennen ohne Weiteres, dass andere Komponenten, die die gleichen Funktionen durchführen, geeignet werden können. Es versteht sich, dass andere Ausführungsformen verwendet werden können und strukturelle oder logische Änderungen vorgenommen werden können, ohne vom Schutzumfang der vorliegenden Erfindung abzuweichen. Es sei angemerkt, dass unter Bezugnahme auf eine spezielle Figur erläuterte Merkmale mit Merkmalen anderer Figuren kombiniert werden können, selbst bei jenen, die nicht ausdrücklich erwähnt werden. Derartige Modifikationen des allgemeinen erfinderischen Konzepts sollen durch die angehängten Ansprüche und ihre rechtlichen Äquivalente abgedeckt werden.
