DE10220911A1

DE10220911A1 - Verfahren zur Durchführung eines Funktionstests wenigstens eines magnetischen, insbesondere eines magneto-resistiven Sensorelements

Info

Publication number: DE10220911A1
Application number: DE2002120911
Authority: DE
Inventors: Joachim Bangert
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 2002-05-10
Filing date: 2002-05-10
Publication date: 2003-12-24

Abstract

Verfahren zur Durchführung eines Funktionstests wenigstens eines in eine Schaltungsanordnung einer Gerätschaft integrierten magnetischen, insbesondere magneto-resistiven Sensorelements während des Betriebs der Schaltungsanordnung bzw. der Gerätschaft, wobei das Sensorelement periodisch oder aperiodisch mit einem von einem dem Sensorelement zugeordneten Magnetfelderzeugungsmittel erzeugten Magnetfeld mit bekannter Feldstärke beaufschlagt wird, dass das hieraus resultierende Sensorsignal in einer Verarbeitungseinrichtung erfasst und ausgewertet wird und dass in Abhängigkeit vom Auswerteergebnis von der Auswerteeinrichtung ein Funktions- oder ein Fehlfunktionssignal ausgegeben und/oder eine Neukalibrierung des Sensorelements durchgeführt wird.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Durchführung eines Funktionstests wenigstens eines in eine Schaltungsanordnung einer Gerätschaft integrierten magnetischen, insbesondere magneto-resistiven Sensorelements während des Betriebs der Schaltungsanordnung bzw. der Gerätschaft.

Sensoren der in Rede stehenden Art sind in unterschiedlichen Ausprägungen bekannt. Zum einen die reinen magnetischen Sensoren wie z. B. der Hall-Sensor, der zum Nachweis und zur Messung magnetischer Felder über die von ihm erzeugte feldabhängige Hall-Spannung dient. Ferner sind magneto-resistive Sensorelemente, sogenannte XMR-Sensoren zu nennen, deren Wirkungsweise auf einem magneto-resistiven Effekt beziehungsweise dem Magneto-Widerstandseffekt beruht. Unter dem Oberbegriff "XMR-Sensoren" sind alle bekannten magneto-resistiven Sensortypen vereint, nämlich AMR-Sensoren (AMR = Anisotropic Magneto Resistance), GMR (GMR = Giant Magneto Resistance), TMR (TMR = Tunnelling Magneto Resistance), CMR (CMR = Colossal Magneto Resistance) und GMI (GMI = Giant Magneto Impedance).

Wenngleich insbesondere magnetische Sensoren wie die bekannten Hall-Sensoren in vielen Anwendungen bereits eingesetzt werden, so hat vor allem die Entwicklung der magneto-resistiven Sensorelemente die Bandbreite der Verwendungsmöglichkeiten derartiger Sensoren deutlich vergrößert. Diese Anwendungen erstrecken sich auch auf sicherheitstechnisch relevante Bereiche, wie z. B. im Kraftfahrzeug, wo insbesondere magneto-resistive Sensorelemente beispielsweise in Antiblockier-Systemen eingesetzt werden sollen oder aber im Rahmen der bekannten steer-by-wire- oder breake-by-wire-Systeme, die am Ende der Entwicklungsphase stehen. Insbesondere in solchen Systemen kommen diesen Sensoren sehr wichtige Aufgaben zu, die extreme Anforderungen an die Funktionstüchtigkeit der Sensorelemente stellen. Funktionstüchtigkeit bedeutet, dass der Sensor mit den spezifizierten Daten auf Magnetfelder reagiert. Abweichungen von dieser Spezifikation können schwerwiegende Folgen haben und werden als "Ausfall" bezeichnet. Wird beispielsweise bei einer Verwendung in einem break-bywire-System die Bewegung des Bremspedals über derartige Sensoren oder hieraus gebildete Sensorbrücken erfasst, so muss selbstverständlich von einer absoluten Zuverlässigkeit der Sensoren ausgegangen werden, da ansonsten eine Erfassung der durch das Drücken des Pedals angezeigten Bremsabsicht des Fahrers nicht möglich ist und infolgedessen das Fahrzeug nicht gebremst wird. Entsprechendes gilt beispielsweise im Falle der steer-by-wire-Anwendung, wo über diese Sensoren die Lenkradbewegung erfasst werden kann. Im Fall einer Anwendung in einem Antiblockier-System werden über diese Sensoren die Radbewegungen festgestellt. Da ein Ausfall eines Sensorelements oder einer Sensorbrücke oder dergleichen ein großes Gefahrenpotential birgt bedient man sich bisher statistischer Vorhersagen um zu garantieren, dass die Funktionalität und die Kennlinie über der Lebensdauer des Sensorelements erhalten bleiben. Zur Erhöhung der Sicherheit werden ferner Redundanzen eingebaut. Wenngleich sich insbesondere durch den Einbau von Redundanzen ein etwaiger Sensorausfall kompensieren ließe ist dies jedoch trotz allem nachteilig, da hieraus ein Mehraufwand an Bauelementen und letztlich Kosten resultiert.

Der Erfindung liegt damit das Problem zugrunde, ein Verfahren anzugeben, das hier Abhilfe schafft und insbesondere bei Verwendung der in Rede stehenden Sensorelemente in sicherheitsrelevanten Anwendungen zweckmäßig ist.

Zur Lösung dieses Problems ist bei einem Verfahren der eingangs genannten Art erfindungsgemäß vorgesehen, dass das Sensorelement periodisch oder aperiodisch mit einem von einem dem Sensorelement zugeordneten Magnetfelderzeugungsmittel erzeugten Magnetfeld mit bekannter Feldstärke als Teil eines Funktionstests beaufschlagt wird, dass das hieraus resultierende Sensorsignal in einer Verarbeitungseinrichtung erfasst und ausgewertet wird, und dass in Abhängigkeit vom Auswerteergebnis von der Auswerteeinrichtung ein Funktions- oder ein Fehlfunktionssignal ausgegeben und/oder eine Neukalibrierung des Sensorelements durchgeführt wird.

Die Erfindung schlägt einen periodischen oder aperiodischen Funktionstest eines Sensorelements, insbesondere eines solchen, das in einer sicherheitstechnisch relevanten Anwendung beziehungsweise Schaltungsanordnung integriert ist, vor, um so kontinuierlich seine Funktionsfähigkeit sowie sein Vorhandensein testen zu können. Hierzu wird über ein Magnetfelderzeugungsmittel, je nachdem wie der Testzyklus konzipiert ist, periodisch oder aperiodisch ein Magnetfeld bekannter Feldstärke erzeugt und das oder die zu testenden Sensorelemente damit beaufschlagt. Hieraus resultiert ein entsprechendes Funktions-Sensorsignal, das von einer Verarbeitungseinrichtung, die zur Durchführung dieses Funktionstests vorgesehen ist, erfasst, ausgewertet und verarbeitet wird. Stellt sich bei der Auswertung des Sensorsignals heraus, dass das Sensorsignal bezogen auf das gegebene Magnetfeld kennlinienkonform ist, so funktioniert das getestete Sensorelement korrekt. Stellt sich eine Abweichung innerhalb der Auswertung heraus, so liegt eine Fehlfunktion vor. Diese kann nun derart gravierend sein, dass das Sensorelement entweder überhaupt nicht mehr arbeitet oder - aus welchen Gründen auch immer - überhaupt nicht mehr vorhanden ist. In diesem Fall wird von der Auswerteausrichtung ein Fehlfunktionssignal ausgegeben, das in beliebiger Weise nachverarbeitet werden kann und beispielsweise zur Gabe von Warnsignalen im Kraftfahrzeug oder zur Durchführung von Notsituationsabläufen wie beispielsweise einem kontrollierten Abbremsen des Fahrzeugs oder dergleichen führt. Die Weiterverarbeitung des Fehlfunktionssignals kann jedoch je nach Anwendungsgebiet der Gerätschaft etc. auf beliebige Weise erfolgen. In vielen Fällen kann auch das System "Geber-Übertragungsweg-Sensor" getestet werden.

Liegt zwar ein hinreichendes Sensorsignal vor, weicht dieses jedoch beispielsweise von einem feldstärkespezifischen Vergleichswert ab, so ist ferner eine Möglichkeit zur Neukalibrierung des Sensorelements vorgesehen. Beispielsweise kann es sich in einem solchen Fall um eine mitunter vorkommende Kennlinienveränderung handeln, die hierdurch dann nachvollzogen werden kann, solang die festgestellte Abweichung noch im Rahmen liegt.

Der Testzyklus selbst kann beliebig sein. Beispielsweise kann die Testsequenz mehrmals pro Sekunde, z. B. mit einer Frequenz von 5 oder 10 Hz erfolgen, auch höher frequentere Zyklen sind möglich.

Insgesamt lässt das erfindungsgemäße Verfahren einen wesentlich sichereren Betrieb und Einsatz der Sensorelemente in den Schaltungsanlagen beziehungsweise Gerätschaften zu, ohne dass man sich hinsichtlich der Funktionstüchtigkeit auf Statistiken verlassen muss beziehungsweise spezielle mehrfache Redundanzen vorzusehen sind. Der erfindungsgemäße kontinuierliche und automatische Test einer Sensorfunktionalität durch ein deterministisches Prüfsignal ist somit in jedwedem Einsatzgebiet eines Sensorelements zweckmäßig und anwendbar.

Zur Erzeugung des Magnetfelds, mit dem das Sensorelement im Rahmen des automatischen Tests beaufschlagt wird, kann zweckmäßigerweise eine bestromte, benachbart zum Sensorelement geführte Leiterbahn verwendet werden, wobei die Bestromung der Leiterbahn zweckmäßigerweise von der Verarbeitungseinrichtung gesteuert werden kann. Das heißt die Verarbeitungseinrichtung ist nach dieser Erfindungsausgestaltung sowohl für den Magnetfelderzeugungsbetrieb wie auch den Auswertebetrieb das zentrale Element.

Alternativ dazu kann vorgesehen sein, das Magnetfeld von einem beliebigen, nahe zum Sensorelement angeordneten Drittgegenstand der Gerätschaft erzeugen zu lassen. Als ein solcher Drittgegenstand kann beispielsweise ein nahe dem Sensorelement befindlicher Lüfter eines Kraftfahrzeugs oder dergleichen verwendet werden, der im Betrieb ein mehr oder weniger periodisches Magnetfeld bekannter Größe erzeugt, mit dem das Sensorelemente beaufschlagt wird. Hier sind also keine separaten Magnetfeldererzeugungsmittel vorgesehen, der Betrieb des Lüfters wird hier auch nicht notwendigerweise von der Verarbeitungseinrichtung gesteuert. Diese ist hier lediglich für die Auswertung verantwortlich.

Eine zweckmäßige Erfindungsausgestaltung sieht vor, den zeitlichen Verlauf, insbesondere die Frequenz und/oder die Phase und/oder das Signalspektrum und/oder die Signalamplitude des Magnetfelds in Abhängigkeit des Momentanbetriebs eines mit dem Sensorelement sensierten Gegenstands der Gerätschaft zu variieren. Wird beispielsweise mit dem Sensorelement die Drehung eines Rades eines Fahrzeugs überwacht, so kann die Testfrequenz in Abhängigkeit der Radumdrehungsfrequenz gewählt werden. Dreht sich das Rad bei höherer Fahrgeschwindigkeit schneller, nimmt auch die Testfrequenz zu, dreht das Rad langsamer, wird mit geringerer Testfrequenz gearbeitet. Die Bestimmung der zu verwendenden Testfrequenz wird zweckmäßigerweise über die Verarbeitungseinrichtung erfolgen, der auch die eigentlichen Messsignale, die den Sensorbetrieb beschreiben, gegeben werden. Anhand dieser Sensorsignale kann die Verarbeitungseinrichtung ohne weiteres beispielsweise die Radumdrehungsfrequenz bestimmen und so die Testfrequenz festlegen.

Das Magnetfeld selbst kann mit pulsförmigem, sinusförmigem oder dreieckförmigem zeitlichen Verlauf erzeugt werden. Ein pulsförmiger Verlauf wird zweckmäßigerweise bei Sensoranwendungen verwendet, die diskrete erwartete Ereignisse sensieren und entsprechende Signale geben. Beispielsweise bei der Erfassung von Radumdrehungen, wo mit jedem Umlauf des Rads ein diskretes Messsignal oder mehrere gegeben wird. Daneben ist auch ein sinusförmiger Verlauf möglich, beispielsweise bei einer Erfassung einer Pedalstellung. Die dreieckförmige Magnetfeldveränderung kann als langsame Veränderung schaltungstechnisch oft einfacher hinsichtlich eines Dreieckstroms realisiert werden als ein sinusförmiger Strom.

Insbesondere bei pulsförmigem zeitlichen Verlauf ist es zweckmäßig, wenn das Magnetfeld in dem Zeitfenster zwischen zwei vom Sensorelement erwartungsgemäß zu gebender diskreter Messsignale beaufschlagt wird. Das heißt, das Magnetfeld wird direkt oder kurz nach dem Eingang des Messsignals des Sensorelements gegeben, so dass auch das vom Sensor aus der Magnetfeldbeaufschlagung resultierende Sensorsignal in diesem Zeitfenster gegeben wird. Bei sinus- oder dreieckförmigem zeitlichen Verlauf wird das Magnetfeld zweckmäßigerweise mit einer festen oder modulierten Frequenz erzeugt, die sich von der Frequenz der gelieferten Messsignale unterscheidet. Das heißt, es wird hier eine Frequenz gewählt, die ein Herausfiltern des beaufschlagungsbedingten Sensorsignals, das in einem solchen Fall dem eigentlichen Messsignal zweckmäßigerweise überlagert wird, aus dem Überlagerungssignal ermöglicht.

Bei einem pulsförmigen zeitlichen Verlauf des Magnetfelds erfolgt die Signalverarbeitung seitens der Verarbeitungseinrichtung zweckmäßigerweise nach Art eines Boxcar-Verstärkers, wohingegen sie bei sinus- oder dreieckförmigem zeitlichen Verlauf des Magnetfelds seitens der Verarbeitungseinrichtung zweckmäßigerweise nach Art eines Lock-In-Verstärkers erfolgt.

Zur Bestimmung der Funktionstüchtigkeit des Sensorelements seitens der Verarbeitungseinrichtung erfolgt zweckmäßigerweise ein Vergleich des beaufschlagungsbedingten Sensorelements mit einem Vergleichswert, insbesondere einem im Rahmen einer zeitlich früher durchgeführten Kalibrierung gewonnenen Vergleichswerts. Das heißt, hier wird anhand der Kalibrierungskennlinie ein Vergleich des Sensorsignals mit der Kalibrierungskennlinie beziehungsweise einem entsprechenden feldbezogenen Vergleichswert durchgeführt, wobei je nachdem, wie der Vergleich ausfällt, entweder die Funktionstüchtigkeit festgestellt wird, oder eine Fehlermeldung oder eine Neukalibrierung ausgegeben beziehungsweise vorgenommen wird.

Hinsichtlich der Konfigurierung des Funktionstestssystems sind verschiedene Varianten denkbar. Zum einen kann die Verarbeitungseinrichtung mit einem gerätschaftsinternen Bus (z. B. Glasfaser, Blue Tooth, CAN und dergleichen) verbunden sein und die Messsignale und die Fehlfunktionssignale über den Bus an eine zentrale Steuerungseinrichtung zur Weiterverarbeitung gegeben werden. Das heißt, eine Verarbeitungseinrichtung ist hier dezentral vorgesehen und einem bestimmten oder mehreren bestimmten Sensorelementen zugeordnet, mit denen sie über eine geeignete Leitungsverbindung oder per Funk (z. B. telemetrisch) kommuniziert. Die Messsignale und etwaige Fehlfunktionssignale werden jedoch von der Verarbeitungseinrichtung über einen Bus, z. B. den bekannten kraftfahrzeuginternen Fahrzeugbus an eine zentrale Steuerungseinrichtung gegeben, wo die jeweiligen Signale entsprechend verarbeitet oder weiterbearbeitet werden.

Alternativ dazu kann die Verarbeitungseinrichtung selbst eine zentrale Einrichtung sein, die über einen Bus mit einem Sensorelement kommuniziert. Das heißt, hier werden keine dezentralen Verarbeitungseinrichtungen verwendet, sondern lediglich eine zentrale Einrichtung, die mit mehreren oder allen zu testenden Sensorelementen oder daraus gebildeten Brücken etc. kommuniziert.

Wie bereits beschrieben, können mit dem erfindungsgemäßen Verfahren sowohl einzelne Sensorelemente als auch Sensorelementbrücken getestet werden. Bei der Durchführung eines Funktionstests einer Sensorelementbrücke bestehend aus mehreren in Form einer Brückenschaltung, insbesondere einer Wheatstone'schen Brückenschaltung verschalteter Sensorelemente können ein oder mehrere kein Brückenmesssignal liefernde Sensorelemente mit dem Magnetfeld beaufschlagt werden. In manchen derartigen Brückenschaltungen, insbesondere in Wheatstone'schen Brückenschaltungen werden vier Sensorelemente miteinander verschaltet, jedoch dienen oft lediglich zwei zur Lieferung des eigentlichen Messsignals, während zwei andere zur Temperaturkompensation oder ähnlichen Kompensationszwecken dienen. Diese insoweit zur Erzeugung des eigentlichen Messsignals nicht genutzten Sensorelemente können nun mit dem Magnetfeld beaufschlagt werden. Anhand der gelieferten Sensorsignale, die letztlich dem eigentlichen Brückenmesssignal überlagert sind, kann nun erkannt werden, ob die anderen Sensoren noch linear arbeiten, ob der Grundwiderstand der Brücke noch in Ordnung ist beziehungsweise ob der Arbeitspunkt noch in Ordnung ist. Natürlich kann darüber auch erkannt werden, ob die Brücke überhaupt noch vorhanden ist und arbeitet oder nicht.

Neben dem erfindungsgemäßen Verfahren betrifft die Erfindung ferner ein System zur Durchführung eines Funktionstests wenigstens eines Sensorelements der in Rede stehenden Art, wobei dieses System wenigstens ein zu testendes Sensorelement, eine mit dem Sensorelement kommunizierende Verarbeitungseinrichtung zum Empfang von vom Sensor gelieferten Signalen, sowie eine dem Sensorelement nahe Magnetfelderzeugungseinrichtung zum periodischen oder aperiodischen Erzeugen eines dem Sensorelement zu beaufschlagenden Magnetfelds mit bestimmter Feldstärke, wobei die Verarbeitungseinrichtung zum Erfassen eines aus der Magnetfeldbeaufschlagung resultierenden Sensorsignals zum Auswerten desselben und zum Ausgeben eines Fehlermeldungssignals und/oder zur Durchführung einer Neukalibrierung des Sensorelements in Abhängigkeit des Auswerteergebnisses ausgebildet ist.

Die Erzeugung des Magnetfelds kann zweckmäßigerweise von der Verarbeitungseinrichtung gesteuert werden, wozu zweckmäßigerweise wenigstens eine über die Verarbeitungseinrichtung bestrombare Leiterbahn, die benachbart zum Sensorelement geführt ist, vorgesehen sein kann. Die die Magnetfelderzeugung steuernde Verarbeitungseinrichtung kann ferner zum Variieren des Magnetfelderzeugungs- und -beaufschlagungszyklus in Abhängigkeit des Momentanbetriebs eines mit dem Sensorelement sensierten Gegenstands der Gerätschaft ausgebildet sein.

Alternativ zur Verwendung von der Felderzeugung dienenden Leiterbahnen kann das Magnetfeld auch von einem beliebigen, nahe zum Sensorelement angeordneten Drittgegenstand der Gerätschaft erzeugt werden, wie beispielsweise einem Lüfter beziehungsweise dessen Motor oder anderen rotierenden Gegenständen. Es können auch andere Strompulse bzw. deren Magnetfelder genutzt werden, z. B. Zündspule.

Das Magnetfeld selbst kann einen pulsförmigen, sinusförmigen oder dreieckförmigen zeitlichen Verlauf haben. Je nachdem, wie der zeitliche Verlauf ist, kann die Verarbeitungseinrichtung nach Art eines Boxcar-Verstärkers (bei pulsförmigem zeitlichen Verlauf) oder eines Lock-In-Verstärkers (bei sinus- oder dreieckförmigem zeitlichen Verlauf) arbeiten.

Wird das Magnetfeld pulsförmig erzeugt, so ist die Verarbeitungseinrichtung zweckmäßigerweise derart zum Steuern der Magnetfelderzeugung ausgebildet, dass das Magnetfeld in dem Zeitfenster zwischen zwei vom Sensorelement erwartungsgemäß zu gebenden diskreten Messsignalen erzeugt und beaufschlagt wird. Bei sinus- oder dreieckförmigem zeitlichen Verlauf ist die Verarbeitungseinrichtung zweckmäßigerweise zum Erzeugen des Magnetfelds mit einer festen oder modulierten Frequenz, die sich von der Frequenz der gelieferten Sensorsignale unterscheidet, ausgebildet.

Je nach Konfiguration des Systems kann das aus der Feldbeaufschlagung resultierende Sensorsignal dann anliegen, wenn vom Sensorelement überhaupt kein Signal anliegt, was beispielsweise bei einem Hall-Sensor möglich ist, der im Ruhezustand kein aktives Messsignal abgibt, das heißt, der Sensor liefert hier keine Messspannung. Alternativ dazu besteht die Möglichkeit, das Sensorsignal dem eigentlichem Messsignal zu überlagern, so dass ein Überlagerungssignal gebildet wird. Die Verarbeitungseinrichtung ist in diesem Fall zum Herausfiltern des Sensorsignals aus dem Überlagerungssignal ausgebildet, was insbesondere durch die beschriebenen Frequenzunterschiede möglich ist.

Die Verarbeitungseinrichtung ist zweckmäßigerweise zum Vergleichen des beaufschlagungsbedingten Sensorsignals mit einem in einem Speichermittel, auf das das Verarbeitungsmittel Zugriff hat, abgelegten Vergleichswert, insbesondere einem im Rahmen einer Kalibrierung gewonnenen Vergleichswerten zur Bestimmung der Funktionstüchtigkeit ausgebildet. Das heißt, in der Verarbeitungseinrichtung, z. B. einem Mikroprozessor oder einem ähnlichen intelligenten Bauelement, ist ein separates Speichermittel mit den abgelegten Vergleichswerten beziehungsweise den Kalibrierungskurven abgelegt, auf die im Rahmen des Vergleichs innerhalb der Sensorsignalauswertung zurückgegriffen wird.

Schließlich sind verschiedene Systemkonfigurationen denkbar. Nach einer ersten Möglichkeit ist die Verarbeitungseinrichtung mit einem gerätschaftsinternen Bus verbunden, über den die Messsignale und die Fehlfunktionssignale an eine zentrale Steuerungseinrichtung zur Weiterverarbeitung gegeben werden. Alternativ dazu ist die Verarbeitungseinrichtung selbst eine zentrale Einrichtung, die über einen Bus mit einem Sensorelement kommuniziert, das heißt hier ist keine dezentrale Konfiguration wie nach der ersten Alternative sondern eine zentrale Konfiguration vorgeschlagen, bei der eine Verarbeitungseinrichtung mit einer Vielzahl von zu testenden Sensorelementen kommuniziert.

Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus dem im Folgenden beschriebenen Ausführungsbeispiels sowie anhand der Zeichnungen. Dabei zeigen:
Fig. 1 eine Prinzipskizze eines erfindungsgemäßen Systems zur Erläuterung des erfindungsgemäßen Verfahrens,
Fig. 2 in einer vergrößerten Prinzipdarstellung ein Sensorelement mit zugeordneter Verarbeitungseinrichtung nach einer ersten Ausführungsform, und
Fig. 3 ein im Rahmen des Systems einsetzbare Sensorelement einer zweiten Ausführungsform.
Fig. 1 zeigt ein erfindungsgemäßes System 1 zum Funktionstesten eines Sensorelements 2, bei dem es sich z. B. um ein magneto-resistives Sensorelement handelt. Dieses dient im gezeigten Ausführungsbeispiel zum Erfassen des Vorhandenseins sowie der Bewegung eines hier nur gestrichelt gezeigten Rades 3 eines Kraftfahrzeugs. Das heißt, es ist entsprechend nah am Rad 3 feststehend positioniert und sensiert das an ihm vorbeidrehende Rad.
Über eine Kommunikationsverbindung 4 ist das Sensorelement 2 mit einer hier dezentralen Verarbeitungseinrichtung 5 verbunden, der die von der Radbewegung abhängigen Messsignale des Sensorelements 2 gegeben werden.
Von der Verarbeitungseinrichtung 5 werden die Messsignale an einen Bus 6 gegeben, an den wiederum eine im gezeigten Beispiel zentrale Steuerungseinrichtung 7 angeschlossen ist. In dieser werden die Messsignale, die ein Maß für die eigentliche zu sensierende Information sind, entsprechend verarbeitet, wobei dies in beliebiger, hier nicht näher interessierender Form erfolgen kann.
Dem Sensorelement 2 zugeordnet sind ferner Magnetfelderzeugungsmittel 8, hier im gezeigten Beispiel in Form einer Leiterbahn 9, die benachbart zum Sensorelement 2 geführt ist. Die Leiterbahn 9 ist ferner mit der Verarbeitungseinrichtung 5 verbunden. Die Leiterbahn 9 kann, gesteuert von der Verarbeitungseinrichtung 5, bestromt werden, so dass aufgrund dieser Bestromung am Ort des Sensorelements 2 ein Magnetfeld erzeugt wird. Dieses Magnetfeld bekannter Feldstärke ist ein Testmagnetfeld und wird in periodischer oder aperiodischer Folge angelegt, wozu die Verarbeitungseinrichtung 5 entsprechend ausgelegt und konfiguriert ist.
Die Bestromung und damit die Erzeugung des Magnetfelds kann mit beliebiger Frequenz erfolgen. Beispielsweise wird bei der Erfassung der Radbewegung und mithin generell auch dem Vorhandensein des Rades eine relativ hohe Frequenz von z. B. 5 Hz gewählt, das heißt es wird das Magnetfeld fünf mal pro Sekunde erzeugt und mithin der Test fünf mal pro Sekunde durchgeführt. Wird das erfindungsgemäße System beispielsweise im Rahmen eines break-by-wire-Systems verwendet, so kann der Testzyklus noch schneller durchgeführt werden, andere Einsatzgebiete sind beispielsweise ein elektronisches Stabilitätsprogramm-System (ESP), wo gegebenenfalls mit noch höheren Frequenzen gearbeitet wird, da diese Systeme noch sicherheitsrelevanter sind als die zuvor genannten.
Das über die bestromte Leiterbahn 9 erzeugte Magnetfeld führt zu einem entsprechenden feldabhängigen Signal seitens des Sensorelements 2. Dieses Signal wird entweder zusammen mit dem Messsignal oder separat davon wie nachfolgend noch beschrieben wird an die Verarbeitungseinrichtung 5 gegeben. Die Verarbeitungseinrichtung 5 verfügt im gezeigten Beispiel über ein Speichermittel 10, in dem beispielsweise die Kalibrierkurven des Sensorelements 2 oder sonstige Vergleichswerte abgelegt sind. Im Rahmen des Funktionstests überprüft nun die Verarbeitungseinrichtung 5, ob das gegebene Sensorsignal, das aufgrund des angelegten Test-Magnetfelds, dessen Feldstärke bekannt ist, mit dem zugeordneten Vergleichsfeld übereinstimmt oder wie weit es von ihm abweicht, oder ob überhaupt ein feldabhängiges Sensorsignal gegeben wird. Je nachdem, wie das Vergleichsergebnis ausfällt, sind unterschiedliche Situationen gegeben. Stimmt das Sensorsignal mit dem Vergleichsfeld überein, so arbeitet das Sensorelement korrekt. Weicht das Sensorsignal unwesentlich von dem Vergleichsfeld ab, so kann dies mit einer veränderten Kennlinie zusammenhängen. Ist ein deutlicher Unterschied gegeben, so ist dies ein Anzeichen dafür, dass das Sensorelement nicht mehr richtig arbeitet und folglich auch die von ihm gegebenen Messsignale nicht mehr korrekt sind. Liegt gar kein Sensorsignal an so ist zwangsläufig auch kein Sensorsignal zu erfassen, das heißt das Sensorelement arbeitet entweder überhaupt nicht oder ist aus welchen Gründen auch immer nicht mehr vorhanden.
Sind hinreichende Abweichungen gegeben, so sind seitens der Verarbeitungseinrichtung 5 unterschiedliche weitere Arbeitsweisen möglich. Zum einen kann über den Bus 6 ein Fehlfunktionssignal an die Steuerungseinrichtung 7 gegeben werden, die anhand dieses Fehlfunktionssignals im gezeigten Beispiel sofort ein Warnsignal ausgibt, beispielsweise in optischer Form, dargestellt durch die Warnlampe 11, oder in akustischer Form, dargestellt durch den Lautsprecher 12, um auf jeden Fall den Fahrer in irgendeiner Form zu warnen, dass in einem sicherheitstechnisch relevanten System irgendeine Fehlfunktion gegeben ist. Handelt es sich um ein überwachtes System, das äußerst sicherheitskritisch ist, so kann seitens der Steuerungseinrichtung 7 auch beispielsweise ein Notfallprogramm abgearbeitet werden, beispielsweise zur kontrollierten Abbremsung des Fahrzeugs etc. Hier sind unterschiedlichste Verarbeitungsweisen hinsichtlich des Fehlfunktionssignals denkbar.
Zusätzlich oder alternativ dazu kann, wenn insbesondere die Abweichungen des Sensorsignals vom Vergleichswert nicht allzu groß sind, über die Verarbeitungseinrichtung 5 eine Neukalibrierung des Sensorelements 2 erfolgen, das heißt, die Kalibrierungskennlinie wird erneut aufgenommen und folglich die Vergleichswerte der Ist-Situation angepasst.
Da das Sensorsignal über die gleiche Kommunikationsverbindung 4 an die Verarbeitungseinrichtung 5 gegeben wird, wie auch die Messsignale gegeben werden, ist das Kommunikationsprotokoll des Sensorelements 2 lediglich um diese Information zu erweitern, was jedoch keine Einschränkung bei üblichen Bussystemen darstellt. Auch für die Signalverarbeitung werden insoweit keine Sonderlösungen oder dergleichen benötigt, da lediglich das Sensorsignal in seiner Form und Wertigkeit erkannt werden muss.
Wie Fig. 1 zeigt, sind hinsichtlich der Gabe des externen Magnetfelds wie auch damit ursächlich zusammenhängend der Sensorsignale unterschiedliche Arbeitsweisen denkbar. In Fig. 1 mit a) gekennzeichnet ist eine Arbeitsweise dargestellt, bei dem dem Messsignal 13, das hier pulsförmig ist (wie dies beispielsweise bei der Erfassung der Radbewegung der Fall ist, wo das vorbeidrehende Rad immer in einer bestimmten Stellung den Signalpuls auslöst), ein im gezeigten Beispiel sinusförmiges Sensorsignal 14 überlagert wird. Diesem sinusförmigem Sensorsignal 14 liegt ein mit sinusförmigem zeitlichen Verlauf erzeugtes Magnetfeld zugrunde, das heißt, der Bestromungsbetrieb der Leiterbahn 9 ist entsprechend ausgestaltet. Das Sensorsignal 14 kann aufgrund seiner Frequenz und Amplitude ohne weiteres aus dem aus den beiden Signalen 13 und 14 gebildeten Überlagerungssignal seitens der Verarbeitungseinrichtung 5 herausgefiltert werden. Die Frequenz des Magnetfelds und mithin des Sensorsignals sollte dabei so gewählt werden, dass es in keinem Fall mit dem Messsignal verwechselt werden kann, auch wenn sich dieses wie beispielsweise bei der Erfassung der Radbewegung in seiner Frequenz je nach Drehgeschwindigkeit deutlich ändern kann. Natürlich ist es auch denkbar, dass mit zunehmender Frequenz des Messsignals beziehungsweise der gegebenen Signalpulse auch die Felderzeugungsfrequenz und mithin die Sensorsignalfrequenz erhöht und angepasst wird, so dass die Frequenzunterschiede nachvollzogen werden. Daneben ist natürlich anstatt eines sinusförmigen Verlaufs auch ein dreieckförmiger Verlauf möglich, insbesondere da ein Dreieckstrom zur Felderzeugung einfacher realisiert werden kann. Längs der Abszisse ist die Zeit, längs der Ordinate das Signal S aufgetragen.
Wie unter b) gezeigt besteht ferner die Möglichkeit, kein kontinuierlich anliegendes Test-Magnetfeld zu erzeugen, sondern ein solches diskret innerhalb des Zeitintervalls zwischen zwei Pulsen des Messsignals 13 zu erzeugen. Das heißt, das Magnetfeld wird kurz nach Empfang eines Messsignalpulses erzeugt, so dass auch das daraus resultierende Sensorsignal zeitlich kurz danach empfangen werden kann. Das Sensorsignal 14 ist in diesem Figurenabschnitt gestrichelt gezeigt.
Unabhängig davon, wie nun konkret der Felderzeugungsbetrieb und damit die Gabe der Sensorsignale erfolgt, bedient sich der erfindungsgemäße Test stets eines deterministischen Prüfsignals, um die Funktionstüchtigkeit oder das Vorhandensein des Sensorelements 2 zu prüfen. Je nachdem, wie die Gabe des Sensorsignals ausgestaltet ist, und wie das eigentliche Messsignal aussieht, sind hinsichtlich der Arbeitsweise der Verarbeitungseinrichtung 5 unterschiedliche Ausprägungen denkbar. Bei pulsförmigem Messsignal ist es zweckmäßig, wenn die Verarbeitungseinrichtung als Boxcar-Verstärker arbeitet, der Erwartungswert kann hier insbesondere die Maximalamplitude sein. Bei sinusförmigen oder dreieckförmigen Messsignalen arbeitet die Verarbeitungseinrichtung 5 zweckmäßigerweise als Lock-In-Verstärker, wobei hier der Erwartungswert entweder die Signalamplitude oder die Phase des Signals sein kann.
Zentrales Element des erfindungsgemäßen Systems ist die Verarbeitungseinrichtung 5, die im gezeigten Beispiel sowohl zum Empfang und Aufbereiten der eigentlichen Messsignale wie auch zum Erzeugen des Testmagnetfelds sowie dem Empfang, der Analyse und der Auswertung der Sensorsignale ausgebildet ist. Zweckmäßigerweise handelt es sich hierbei um einen Mikroprozessor, der entsprechend programmiert ist und die automatischen Testzyklen steuert. Er muss natürlich in der Lage sein, wie beschrieben, das feldabhängige Sensorsignal in geeigneter Weise sicher aus dem Signalstrom herausfiltern zu können, auch wenn die Amplitude des Sensorsignals sehr klein ist.
Fig. 2 zeigt in Form einer Prinzipskizze in vergrößerter Darstellung eine erste Ausführungsform eines Sensorelements 2'. Dieses ist beispielsweise ein XMR-Sensorelement. Gezeigt sind hier die beiden Leitungen 4' über die die Messsignale an die Verarbeitungseinrichtung 5' geliefert werden, sowie die Leiterbahn 9', über die die Erzeugung des Magnetfelds geschieht. Ersichtlich ist das Sensorelement 2', das hier in Form eines Sensorchips ausgebildet ist, auf einem Träger 15, beispielsweise einer Platine oder dergleichen angeordnet. Die Leiterbahn 9' verläuft unterhalb des Sensorelements 2', sie kann beispielsweise auf die Platine aufgeklebt oder aufgedruckt oder sonst wie aufgebracht sein. Daneben ist es natürlich auch denkbar, die Leiterbahn 9' als Drahtleiter über das Sensorelement 2' zu führen etc. Erforderlich ist lediglich, die Leiterbahn 9' nahe genug am Sensorelement vorbeiführen zu können, um ein definiertes Prüfmagnetfeld auf das Sensorelement geben zu können.
Fig. 3 zeigt dem gegenüber eine alternative Ausführungsform eines Sensorelements 2", wobei hier nur die relevanten Komponenten gezeigt sind. Auch hier handelt es sich um ein XMR- Sensorelement. Hier ist jedoch die Leiterbahn 9" beispielsweise aus Poly-Silizium bauelementseitig in das Bulk-Material integriert, das heißt, sie befindet sich im Sensorelementchip und kann von Außen über geeignete Kontaktleitungen kontaktiert werden.

Claims

1. Verfahren zur Durchführung eines Funktionstests wenigstens eines in eine Schaltungsanordnung einer Gerätschaft integrierten magnetischen, insbesondere magneto-resistiven Sensorelements während des Betriebs der Schaltungsanordnung bzw. der Gerätschaft, dadurch gekennzeichnet, dass das Sensorelement periodisch oder aperiodisch mit einem von einem dem Sensorelement zugeordneten Magnetfelderzeugungsmittel erzeugten Magnetfeld mit bekannter Feldstärke beaufschlagt wird, dass das hieraus resultierende Sensorsignal in einer Verarbeitungseinrichtung erfasst und ausgewertet wird, und dass in Abhängigkeit vom Auswerteergebnis von der Auswerteeinrichtung ein Funktions- oder ein Fehlfunktionssignal ausgegeben und/oder eine Neukalibrierung des Sensorelements durchgeführt wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Magnetfeld mittels einer bestromten Leiterbahn, die benachbart zum Sensorelement geführt ist, erzeugt wird.

3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Bestromung der Leiterbahn von der Verarbeitungseinrichtung gesteuert wird.

4. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Magnetfeld von einem beliebigen, nahe zum Sensorelement angeordneten Drittgegenstand der Gerätschaft erzeugt wird.

5. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der zeitliche Verlauf, insbesondere die Frequenz und/oder die Phase und/oder das Signalspektrum und/oder die Signalamplitude des Magnetfelds in Abhängigkeit des Momentanbetriebs eines mit dem Sensorelement sensierten Gegenstands der Gerätschaft variiert wird.

6. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Magnetfeld mit pulsförmigem, sinusförmigem oder dreieckförmigem zeitlichen Verlauf erzeugt wird.

7. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass das Magnetfeld insbesondere bei pulsförmigem zeitlichen Verlauf in dem Zeitfenster zwischen zwei vom Sensorelement erwartungsgemäß zu gebenden diskreten Messsignalen beaufschlagt wird.

8. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass das beaufschlagungsbedingte Sensorsignal dem eigentlichen Messsignal überlagert und seitens der Verarbeitungseinrichtung aus dem Überlagerungssignal herausgefiltert wird.

9. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass das Magnetfeld insbesondere bei sinus- oder dreieckförmigem zeitlichem Verlauf mit einer festen oder modulierten Frequenz erzeugt wird, die sich von der Frequenz der gelieferten Messsignale unterscheidet.

10. Verfahren nach einem der Ansprüche 6 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass bei pulsförmigem zeitlichem Verlauf des Magnetfelds die Signalverarbeitung seitens der Verarbeitungseinrichtung nach Art eines Boxcar-Verstärkers erfolgt.

11. Verfahren nach einem der Ansprüche 6 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass bei sinus- oder dreieckförmigem zeitlichem Verlauf des Magnetfelds die Signalverarbeitung seitens der Verarbeitungseinrichtung nach Art eines Lock-In-Verstärkers erfolgt.

12. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zur Bestimmung der Funktionstüchtigkeit des Sensorelements seitens der Verarbeitungseinrichtung ein Vergleich des beaufschlagungsbedingten Sensorsignals mit einem Vergleichswert, insbesondere einem im Rahmen einer Kalibrierung gewonnenen Vergleichswert erfolgt.

13. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Verarbeitungseinrichtung mit einem gerätschaftsinternen Bus verbunden ist und die Messsignale und die Fehlfunktionssignale über den Bus an eine zentrale Steuerungseinrichtung zur Weiterverarbeitung gegeben werden.

14. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass die Verarbeitungseinrichtung eine zentrale Einrichtung ist, die über einen Bus mit einem Sensorelement kommuniziert.

15. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass bei Durchführung eines Funktionstests einer Sensorelementbrücke bestehend aus mehreren in Form einer Brückenschaltung, insbesondere einer Wheatstone'schen Brückenschaltung verschalteter Sensorelemente ein oder mehrere kein Brückenmesssignal liefernde Sensorelemente mit dem Magnetfeld beaufschlagt werden.

16. System zur Durchführung eines Funktionstests wenigstens eines in eine Schaltungsanordnung einer Gerätschaft integrierten magnetischen, insbesondere magneto-resistiven Sensorelements während des Betriebs der Schaltungsanordnung bzw. der Gerätschaft, umfassend wenigstens ein zu testendes Sensorelement (2), eine mit dem Sensorelement (2) kommunizierende Verarbeitungseinrichtung (5) zum Empfang von vom Sensorelement (2) gelieferten Signalen, sowie eine dem Sensorelement (2) nahe Magnetfelderzeugungseinrichtung (8) zum periodischen oder aperiodischen Erzeugen eines dem Sensorelement (2) zu beaufschlagenden Magnetfelds mit bestimmter Feldstärke, wobei die Verarbeitungseinrichtung (5) zum Erfassen eines aus der Magnetfeldbeaufschlagung resultierenden Sensorsignals, zum Auswerten desselben und zum Ausgeben eines Funktions- oder eines Fehlermeldungssignals und/oder zur Durchführung einer Neukalibrierung des Sensorelements (2) in Abhängigkeit des Auswerteergebnisses ausgebildet ist.

17. System nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, dass die Erzeugung des Magnetfelds von der Verarbeitungseinrichtung (5) gesteuert ist.

18. System nach Anspruch 16 oder 17, dadurch gekennzeichnet, dass die Magnetfelderzeugungseinrichtung (8) eine vorzugsweise über die Verarbeitungseinrichtung (5) bestrombare Leiterbahn (9), die benachbart zum Sensorelement (2) geführt ist, ist.

19. System nach einem der Ansprüche 16 bis 18, dadurch gekennzeichnet, dass die die Magnetfelderzeugung steuernde Verarbeitungseinrichtung (5) zum Variieren des Magnetfelderzeugungs- und -beaufschlagungszyklus in Abhängigkeit des Momentanbetriebs eines mit dem Sensorelement (2) sensierten Gegenstands (3) der Gerätschaft ausgebildet ist.

20. System nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, dass das Magnetfeld von einem beliebigen, nahe zum Sensorelement angeordneten Drittgegenstand der Gerätschaft erzeugt wird.

21. System nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Magnetfeld mit pulsförmigem, sinusförmigem oder dreieckförmigem zeitlichen Verlauf erzeugbar ist.

22. System nach Anspruch 21, dadurch gekennzeichnet, dass die Verarbeitungseinrichtung (5) derart zum Steuern der Magnetfelderzeugung (8) ausgebildet ist, dass das Magnetfeld insbesondere bei pulsförmigem zeitlichen Verlauf in dem Zeitfenster zwischen zwei vom Sensorelement (2) erwartungsgemäß zu gebenden diskreten Messsignalen beaufschlagt wird.

23. Verfahren nach Anspruch 21, dadurch gekennzeichnet, dass die Verarbeitungseinrichtung (5) derart zum Steuern der Magnetfelderzeugung (8) ausgebildet ist, dass das Magnetfeld insbesondere bei sinus- oder dreieckförmigem zeitlichen Verlauf mit einer festen oder modulierten Frequenz erzeugt wird, die sich von der Frequenz der gelieferten Sensorsignale unterscheidet.

24. System nach einem der Ansprüche 21 bis 23, dadurch gekennzeichnet, dass die Verarbeitungseinrichtung (5) bei pulsförmigem zeitlichem Verlauf des Magnetfelds im Rahmen der Signalverarbeitung nach Art eines Boxcar-Verstärkers arbeitet.

25. System nach einem der Ansprüche 21 bis 23, dadurch gekennzeichnet, dass die Verarbeitungseinrichtung (5) bei sinus- oder dreieckförmigem zeitlichem Verlauf des Magnetfelds im Rahmen der Signalverarbeitung nach Art eines Lock-In-Verstärkers arbeitet.

26. System nach einem der Ansprüche 16 bis 25, dadurch gekennzeichnet, dass bei einem dem eigentlichen Messsignal (13) überlagerten Sensorsignal (14) die Verarbeitungseinrichtung (5) zum Herausfiltern des Sensorsignals (14) ausgebildet ist.

27. System nach einem der Ansprüche 16 bis 26, dadurch gekennzeichnet, dass die Verarbeitungseinrichtung (5) zum Vergleichen des beaufschlagungsbedingten Sensorsignals mit einem in einem Speichermittel (10), auf das das Verarbeitungsmittel (5) Zugriff hat, abgelegten Vergleichswert, insbesondere einem im Rahmen einer Kalibrierung gewonnenen Vergleichswert zur Bestimmung der Funktionstüchtigkeit ausgebildet ist.

28. System nach einem der Ansprüche 16 bis 27, dadurch gekennzeichnet, dass die Verarbeitungseinrichtung (5) mit einem gerätschaftsinternen Daten- oder Signalbus (6) verbunden ist und die Messsignale und die Fehlfunktionssignale über einen Bus (6) an eine zentrale Steuerungseinrichtung (7) zur Weiterverarbeitung gegeben werden.

29. System nach einem der Ansprüche 16 bis 27, dadurch gekennzeichnet, dass die Verarbeitungseinrichtung eine zentrale Einrichtung ist, die über einen Bus mit einem Sensorelement kommuniziert.