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Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf einen In-Betrieb-Test eines Signalpfades und insbesondere auf den In-Betrieb-Test eines Signalpfades zwischen einer Sensorzelle und einer Auswertestelle.
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Sensoren nutzen die Veränderung von elektronischen Parameter eines Bauelements (Sensorzelle) durch einen externen Einfluß (Meßgröße). Beispielsweise verändert sich bei einem kapazitiven Drucksensor die Kapazität eines Kondensators, wenn sich seine Membran infolge zunehmenden Drucks durchbiegt. Eine Meßschaltung mißt demzufolge die Veränderung der elektrischen Parameter einer Sensorzelle und wandelt sie in eine Ausgangsspannung oder einen Digitalwert um. Die Ausgangsspannung oder der Digitalwert wird anschließend über einen Signalpfad zu einer Auswerteschaltung übertragen und von dieser ausgewertet.
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Sensorvorrichtungen, wie Druck- oder Temperatursensoren mit einer zugehörigen Auswerteelektronik, werden häufig in sicherheitsrelevanten Anwendungen eingesetzt. Um die Funktionsfähigkeit der Sensorvorrichtung zu überprüfen, werden regelmäßig Funktionstests und bevorzugterweise Selbsttests der Sensorvorrichtung durchgeführt. Herkömmlicherweise werden Selbsttests von Sensorvorrichtungen offline durchgeführt. Dies bedeutet, daß in der Zeit, in der der Selbsttest durchgeführt wird, die Sensorvorrichtung nicht betriebsbereit ist. Solche Diagnoseverfahren sind beispielsweise in dem Infineon Seitenairbag Sensor KP 100 realisiert. Besonders in solchen sicherheitsrelevanten Anwendungen ist es nachteilhaft, wenn die Sensorvorrichtung während des Selbsttests nicht betriebsbereit ist.
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In der Dissertation von
Dirk Weiler „Selbsttest und Fehlertoleranz mit zugelassener milder Degradation in integrierten CMOS-Sensorsystemen" an der Gerhard-Mercator-Universität Duisburg vom 7.6.2001 sowie der Veröffentlichung von D. Weiler, O. Machul, D. Hammerschmidt, B. J. Hosticka „Detection of Defective Sensor Elements Using SD-Modulation and a Matched Filter" Proceeding of the Design, Automation and Test in Europe Conference (Date 2000), 27.3 - 30.3.2000, Paris, France, pp.599-603, IEEE Computer Society Washington, Brussels, Tokyo, March 2000, werden alternative Selbsttestverfahren für Temperatursensoren und Drucksensoren in einer speziellen Kombination aus Sigma-Delta-Modulatoren und Matched Filtern beschrieben. Diese Verfahren verwenden eine Anregung der Sensoren durch Temperaturerhöhung mittels eines Heizelements oder eine elektrostatische Auslenkung eines kapazitiven Drucksensors, um testbare Signaländerungen zu erzeugen. Dies bietet den Vorteil, den Sensor mit zu testen, ist aber vielfach aufgrund der hohen Stromaufnahme zur Erzielung der Heizleistung oder aufgrund der enormen Spannungen zur Auslenkung einer Membran durch Elektrostatik häufig nicht akzeptabel. Weiterhin werden bei diesen Verfahren aufgrund der geringen Signalenergie sehr lange Beobachtungszeiträume benötigt, bis ein Fehler sicher diagnostiziert wird. Außerdem ist eine Unterdrückung von parasitären Signalpfaden, die das energiereiche Stimulationssignal hinter einem möglichen Defekt in den Signalpfad einkoppeln und so die Erkennung des Fehlers verhindern, sehr aufwendig. Parasitäre Signalpfade bei Temperatursensoren sind beispielsweise die Temperaturabhängigkeit der Schaltung des Signalpfades gegenüber einer Erwärmung des Schaltungs-IC durch das Heizelement oder ein Übersprechen zwischen den Stromleitungen, den Heizleistungstreibern und den Heizelementen auf der einen Seite und den Knoten der Sensorsignalverarbeitungsschaltung auf der anderen Seite. Bei einer elektrostatischen Auslenkung von MEM-Kondensatoren mit großen Anregungsspannungen können parasitäre Signalpfade durch ein Übersprechen über ein Substrat oder Betriebsspannungsleitungen auftreten. Ein weiterer Nachteil dieser Verfahren besteht darin, daß während des Selbsttests der Meßwert des Sensors verfälscht wird. Dadurch ermöglichen diese Verfahren auch keinen zuverlässigen Betrieb der Sensorvorrichtung während des Selbsttests.
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DE 101 22 868 A1 befasst sich mit einem Verfahren und einer Vorrichtung zum Überwachen eines Sensors. Der Sensor dient der Erfassung von Messgrößen einer Baueinheit, beispielsweise Strom, Spannung, Winkel oder Weg. Eine Steuer- und Überwachungseinrichtung stellt ein Offset-signal an den Signalaufnehmer des Sensors bereit. Das Offsetsignal wird zusätzlich zu der Messgröße des Bauelementes von dem Signalaufnehmer erfasst und an die Steuer- und Überwachungseinrichtung als Sensorsignal zurückgemeldet. Ein von dem Sensor an die Steuer- und Überwachungseinrichtung zugeführtes Sensorsignal wird in der Steuer- und Überwachungseinrichtung mit dem Offsetsignal verglichen, um die Funktion des Sensors zu überprüfen.
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DE 199 11 526 A1 befasst sich mit einer Sensorüberwachung, bei der in einer Überwachungsphase ein vorbestimmtes Testsignal auf einen Sensorausgang gelegt wird, das in einer Auswerteeinheit empfangen und ausgewertet wird. In der Überwachungsphase werden zeitlich hintereinander Teile der Versorgungsspannung auf den Sensorausgang gelegt, wozu die Verbindung des Sensorelementes vom Sensorausgang unterbrochen wird, die während der Testphase an den Sensorausgang geschalteten Testsignale können in der Auswerteeinheit ausgewertet werden, um festzustellen, ob ein Leitungsriss oder ein Kurzschluss vorliegt.
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DE 101 40 855 A1 befasst sich mit einer Prüfschaltung zu einer Sensoreinrichtung. Die Sensoreinrichtung weist einen Sensor mit einer Sensorkapazität und einem Oszillator auf. Der Oszillator liefert eine Wechselspannung, die an der Sensorkapazität einen Spannungsabfall erzeugt, der gemessen werden kann. Die Erfassung des Spannungsabfalls an der Messkapazität erfolgt in einer Erfassungseinrichtung mittels Gleichrichter, der das Empfangen des Spannungssignals gleichrichtet, filtert und glättet.
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Es ist die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Vorrichtung und ein Verfahren für einen In-Betrieb-Test eines Signalpfades einer Sensorvorrichtung zu schaffen, die ein zuverlässiges Testergebnis liefern und einen ungestörten Betrieb der Sensorvorrichtung während des Tests ermöglichen.
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Diese Aufgabe wird durch eine Vorrichtung zum Erzeugen eines Sensorsignals gemäß Anspruch 1 sowie eine Vorrichtung zum In-Betrieb-Testen eines Signalpfades gemäß Anspruch 4, ein Verfahren zum Erzeugen eines Sensorsignals gemäß Anspruch 7 sowie ein Verfahren zum In-Betrieb-Testen eines Signalpfades gemäß Anspruch 8 gelöst.
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Der Erfindung liegt die Erkenntnis zugrunde, daß sich eine von einer Sensorzelle erzeugte Messinformation mit einer Testinformation überlagern läßt. Die überlagerten Informationen werden gemeinsam zu einer Auswerteelektronik übertragen. Eine Auswertung des so erzeugten Sensorsignals in der Auswerteelektronik wird herangezogen, um die Funktionstüchtigkeit einer Signalkette zwischen der Sensorzelle und der Auswerteelektronik zu testen und bei einem Ausfall zu signalisieren, daß die Signale einer Sensorvorrichtung nicht mehr vertrauenswürdig sind.
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Gemäß der vorliegenden Erfindung weist die Sensorvorrichtung eine Sensoreinrichtung und eine Auswerteeinrichtung auf. Die Sensoreinrichtung ist mit der Auswerteeinrichtung über einen Signalpfad verbunden.
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Die Sensoreinrichtung weist eine Sensorzelle auf, die in Abhängigkeit einer zu erfassenden physikalischen Größe ein Sensorzellenausgangssignal liefert. Gemäß einer vorbestimmten Veränderungsvorschrift wird das Sensorzellenausgangssignal basierend auf einem bereitgestellten Testsignal verändert.
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Das auf diese Weise erzeugte Sensorsignal enthält sowohl Meßinformationen über die von der Sensorzelle erfaßten physikalischen Größe als auch Testinformationen aus dem Testsignal. Das Sensorsignal wird über den Signalpfad zu der Auswerteeinrichtung übertragen und von dieser empfangen.
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Die Auswertevorrichtung trennt, unter Zugrundelegung der Verarbeitungsvorschrift, die in dem übertragenen Sensorsignal enthaltenen Meßinformationen von den Testinformationen. Die zurückgewonnenen Testinformationen ermöglichen einen Test des gesamten Signalpfades von der Sensorzelle bis zu der Auswertungsstelle. Die zurückgewonnenen Messinformationen werden unabhängig von den Testinformationen weiterverarbeitet.
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Der besondere Vorteil der vorliegenden Erfindung liegt darin, daß sie es ermöglicht, den gesamten Signalpfad von einer Sensorzelle zu einer Auswertungsstelle einem fortlaufenden Selbsttest zu unterziehen, ohne dabei die Messung zu unterbrechen oder den Meßwert des Sensors zu verfälschen.
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Da kein physikalischer Effekt genutzt wird, um das Testsignal zu erzeugen, ist die Verwendbarkeit des erfindungsgemäßen Testverfahrens nicht auf Spezialfälle eingeschränkt, in denen die physikalischen Effekte durch elektrische Stimulation hervorgerufen werden können. Zudem werden keine hohen Leistungen wie für die thermische Stimulation eines Sensors oder hohe Spannungen wie für die elektrostatische Erzeugung von Kräften benötigt. Ein Übersprechen von Testsignalen von einem Eingang zu einem Ausgang der Testkette, wie es energiereiche Signale zur elektrischen Stimulation eines Sensors mit geringer Empfindlichkeit für die Stimulation (z. B. thermisch oder elektrostatisch) verursachen können, ist bei einer Stimulation mit kleinen elektrischen Signalen, die nicht über den Meßeffekt oder einen parasitären Effekt des Sensors, wie beispielsweise eine temperaturabhängige Verspannung oder elektrostatische Auslenkung einer Drucksensormembran, gedämpft werden, weit weniger wahrscheinlich und kann mit geringem Aufwand unterdrückt werden.
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Gemäß einem weiteren bevorzugten Ausführungsbeispiel ist die Auswerteeinrichtung zusätzlich mit dem Testsignal verbunden. Dies ermöglicht eine weitere Absicherung sowie eine Fehlereingrenzung des Selbsttests. Das Vorhandensein des Testsignals wird überprüft und das Testsignal zu einem Vergleich mit den aus dem Sensorsignal zurückgewonnenen Testinformationen herangezogen werden.
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Bevorzugte Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung werden nachfolgend Bezug nehmend auf die beiliegenden Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:
- 1 ein Blockschaltbild einer Vorrichtung zum Erzeugen eines Sensorsignals gemäß der vorliegenden Erfindung;
- 2 ein Blockschaltbild einer Vorrichtung zum In-Betrieb-Testen eines Signalpfades gemäß der vorliegenden Erfindung;
- 3 Blockschaltbilder von bevorzugten Ausführungsbis 6 beispielen von Sensorvorrichtungen, die eine Vorrichtung zum Erzeugen eines Sensorsignals und eine Vorrichtung zum In-Betrieb-Testen eines Signalpfades gemäß der vorliegenden Erfindung aufweisen; und
- 7 Blockschaltbilder von Sensorvorrichtungen, die eine bis 9 Vorrichtung zum Erzeugen eines Sensorsignals und eine Vorrichtung zum In-Betrieb-Testen eines Signalpfades, die mit dem Testsignal verbunden ist, aufweisen, gemäß weiteren Ausführungsbeispielen der vorliegenden Erfindung.
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In 1 ist eine Sensoreinrichtung gezeigt, die eine Vorrichtung 102 zum Erzeugen eines Sensorsignals für einen In-Betrieb-Test eines Signalpfades von einer Sensorzelle 110 zu einer Auswertestelle (in 2 gezeigt), aufweist. Die Vorrichtung 102 zum Erzeugen eines Sensorsignals weist eine Einrichtung 114 zum Bereitstellen eines Testsignals, eine Einrichtung 116 zum Verändern des Sensorzellenausgangssignals und eine Einrichtung 118 zum Ausgeben des Sensorsignals oder des abgeleiteten Signals auf. Die Einrichtung 114 zum Bereitstellen eines Testsignals ist ausgebildet, um ein Testsignal 120 bereitzustellen. Die Einrichtung 116 zum Verändern des Sensorzellenausgangssignals ist über das Testsignal 120 mit der Einrichtung 114 zum Bereitstellen eines Testsignals und über ein von der Sensorzelle 110 bereitgestelltes Sensorzellenausgangssignal 122 mit der Sensorzelle gekoppelt. Die Einrichtung 116 zum Verändern des Sensorzellenausgangssignals ist ausgebildet, um ansprechend auf das Sensorzellenausgangssignal 122 und dem Testsignal 120, gemäß einer vorbestimmten Veränderungsvorschrift ein Sensorsignal 124 bereitzustellen. Das Sensorsignal 124 enthält sowohl Messinformationen von dem Sensorzellenausgangssignal 122 als auch Testinformationen von dem Testsignal. Die Einrichtung 118 zum Ausgeben des Sensorsignals oder des abgeleiteten Signals stellt ansprechend auf das Sensorsignal 124 ein Sensorsignal oder ein von dem Sensorsignal abgeleitetes Signal, im folgenden nur als abgeleitetes Signal 126 bezeichnet, bereit. Über das abgeleitete Signal 126 ist die in 1 gezeigte Sensoreinrichtung mit einer in 2 gezeigten Auswerteeinrichtung verbunden.
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Die Sensorzelle 110 ist ausgebildet, um eine physikalische Größe 140 zu erfassen. In diesem Ausführungsbeispiel ist die zu erfassende physikalische Größe 140 ein zu erfassender Druck und die Sensorzelle 110 ein Drucksensor, der in Form eines kapazitiven Drucksensors ausgeführt ist. Ein kapazitiver Drucksensor weist einen Kondensator und eine Membran auf. Infolge eines zunehmenden oder abnehmenden Drucks auf die Membran ändert sich die Kapazität des Kondensators. Die Kapazitätsänderung hängt von dem zu erfassenden Druck ab und wird von dem Sensorzellenausgangssignal 122 erfaßt. Somit enthält das Sensorzellenausgangssignal 122 Meßinformationen über die zu erfassende physikalische Größe 140. Gemäß der vorliegenden Erfindung wird zusätzlich zu der Meßinformation eine Testinformation zu der in 2 gezeigten Auswerteeinrichtung übertragen.
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Die Testinformation wird von der Einrichtung 114 zum Bereitstellen eines Testsignals derart bereitgestellt, daß die Testinformation zusammen mit der Information über die erfaßte physikalische Größe 140 zur Auswerteeinrichtung übertragen werden kann, ohne dabei die Meßinformation über die erfaßte physikalische Größe zu beeinflussen. Eine Kombination des Sensorzellenausgangssignals 122, das die Meßinformation enthält, mit dem Testsignal 120, das die Testinformation enthält, findet in der Einrichtung 116 zum Verändern des Sensorzellenausgangssignals gemäß einer vorbestimmten Veränderungsvorschrift statt. Mögliche Formen der Veränderungsvorschrift sind in den folgenden Ausführungsbeispielen gezeigt. Die Einrichtung 116 zum Verändern des Sensorzellenausgangssignals stellt das Sensorsignal 124 bereit, das die Meßinformation und Testinformation vereinigt. Bevorzugterweise weist das Testsignal einen Frequenzbereich auf, der möglichst weit von dem des Sensorzellenausgangssignals 122 entfernt liegt. In diesem Fall werden die Informationen des Sensorzellenausgangssignals 122 und des Testsignals 120 in einem FDMA-Verfahren über das Sensorsignal 124 übertragen. Alternativ kann das Sensorsignal 124, sofern seine Bandbreite hoch genug ist, auch im Zeitmultiplex (TDMA) oder im Codemultiplex (CDMA) genutzt werden.
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Um das Sensorsignal 124 an die Auswerteeinrichtung weiterzugeben, weist die Vorrichtung 102 zum Erzeugen eines Sensorsignals eine Einrichtung 118 zum Ausgeben des Sensorsignals oder des abgeleiteten Signals auf. Die Einrichtung 118 zum Ausgeben des Sensorsignals oder des abgeleiteten Signals kann eine Durchgangsleitung oder ein Treiber sein. In diesem Fall entspricht das abgeleitete Signal 126 dem Sensorsignal 124. Alternativ kann die Einrichtung 118 zum Ausgeben des Sensorsignals oder des abgeleiteten Signals auch eine Abtasteinrichtung, wie ein Analog-Digital-Analog-Wandler, eine Multiplexeinrichtung oder eine beliebig andere Übertragungseinrichtung sein, die es ermöglicht, das Sensorsignal 124 zu der in 2 gezeigten Auswerteeinrichtung zu übertragen.
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In 2 ist eine Auswerteeinrichtung gezeigt, die eine Vorrichtung 252 zum In-Betrieb-Testen eines Signalpfades von einer Sensorzelle (in 1 gezeigt) zu einer Auswertungsstelle 254 aufweist. Die Vorrichtung 252 zum In-Betrieb-Testen eines Signalpfades weist eine Einrichtung 260 zum Verarbeiten des Sensorsignals oder des abgeleiteten Signals und eine Einrichtung 262 zum Untersuchen des verarbeiteten Signals auf. Die Einrichtung 260 zum Verarbeiten des Sensorsignals oder des abgeleiteten Signals ist mit dem abgeleiteten Signal 126 verbunden. Die Einrichtung 260 zum Verarbeiten des Sensorsignals oder des abgeleiteten Signals stellt somit eine Verbindung zu der in 1 gezeigten Sensoreinrichtung her. Ansprechend auf das abgeleitete Signal 126 stellt die Einrichtung 260 zum Verarbeiten des Sensorsignals oder des abgeleiteten Signals ein verarbeitetes Signal 270 bereit, das in diesem Ausführungsbeispiel mit der Auswertungsstelle 254 und der Einrichtung 262 zum Untersuchen des verarbeiteten Signals verbunden ist. Die Einrichtung 262 zum Untersuchen des verarbeiteten Signals ist ausgebildet, um einen Fehlerhinweis 280 bereitzustellen.
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Die Einrichtung 260 zum Verarbeiten des Sensorsignals oder des abgeleiteten Signals ist ausgebildet, um das abgeleitete Signal 126 zu erfassen. Wie in 1 beschrieben, enthält das abgeleitete Signal 126 sowohl Meßinformation als auch Testinformation. Die Einrichtung 260 zum Verarbeiten des Sensorsignals oder des abgeleiteten Signals ist ausgebildet, um unter Berücksichtigung der, von der in 1 gezeigten Einrichtung 116 zum Verändern des Sensorzellenausgangssignals verwendeten vorbestimmten Veränderungsvorschrift, die Meßinformation von der Testinformation 120 zu trennen. Die Meßinformation wird von der Einrichtung 260 zum Verarbeiten des Sensorsignals oder des abgeleiteten Signals über das Auswertesignal 272 an die Auswertungsstelle 254 weitergeleitet. Die zurückgewonnene Testinformation über das Testsignal wird von der Einrichtung 206 zum Verarbeiten des Sensorsignals oder des abgeleiteten Signals über das verarbeitete Signal 270 an die Einrichtung 260 zum Untersuchen des verarbeiteten Signals weitergeleitet. Die Einrichtung 262 zum Untersuchen des verarbeiteten Signals ist ausgebildet, um das verarbeitete Signal 270 hinsichtlich eines Vorhandenseins oder Nichtvorhandenseins der Testinformationen des Testsignals zu untersuchen und im Falle eines Nichtvorhandenseins einen Fehlerhinweis 280 bereitzustellen.
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Der Fehlerhinweis 280 gibt einen Hinweis über die Zuverlässigkeit des Signalpfades von der Sensorzelle zur Auswertungsstelle. Wenn die Testinformation korrekt über den Signalpfad übertragen wurde, so kann mit hoher Wahrscheinlichkeit davon ausgegangen werden, daß auch die Meßinformation korrekt übertragen wurde. Wird die Testinformation in der Einrichtung 262 zum Untersuchen des verarbeiteten Signals nicht korrekt verifiziert, so wird signalisiert, daß das Auswertesignal 272 möglicherweise nicht verläßlich ist.
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Die Einrichtung 260 zum Verarbeiten des Sensorsignals oder des abgeleiteten Signals ist ausgebildet, um ansprechend auf das abgeleitete Signal 126 ein verarbeitetes Signal 270 und ein Auswertesignal 272 bereitzustellen.
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Die 3 - 6 zeigen unterschiedliche Ausführungsbeispiele einer Sensoreinrichtung, die mit einer Auswerteeinrichtung verbunden ist. Die Sensoreinrichtung weist jeweils eine Vorrichtung zum Erzeugen eines Sensorsignals und die Auswerteeinrichtung eine Vorrichtung zum In-Betrieb-Testen eines Signalpfades auf.
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Eine in 3 gezeigte Vorrichtung 302 zum Erzeugen eines Sensorsignals weist eine Sensorzelle 310 in Form eines Sensors, eine Einrichtung 314 zum Bereitstellen eines Testsignals in Form einer Testsignalquelle, eine Einrichtung 316 zum Verändern des Sensorzellenausgangssignals und eine Einrichtung 318 zum Ausgeben des Sensorsignals auf einen Signalpfad 319 auf.
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Wie in 1 beschrieben, stellt die Einrichtung 314 zum Bereitstellen eines Testsignals ein Testsignal 320 bereit, das Testsignalinformationen enthält, und die Sensorzelle 310 stellt ein Sensorzellenausgangssignal 322 bereit, das Informationen über eine erfaßte physikalische Größe enthält. Ansprechend auf das Testsignal 320 und das Sensorzellenausgangssignal 322 stellt die Einrichtung 316 zum Verändern des Sensorzellenausgangssignals ein Sensorsignal 324 bereit. Ansprechend auf das Sensorsignal 324 stellt die Einrichtung 318 zum Ausgeben des Sensorsignals das Sensorsignal auf dem Signalpfad 319 bereit. In diesem Ausführungsbeispiel weist der Signalpfad 319 eine Verstärkerkette oder einen Analog-Digital-Wandler (nicht gezeigt) auf, die ein abgeleitetes Signal 326 bereitstellen.
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In diesem Ausführungsbeispiel bewirkt die Veränderungsvorschrift eine Einspeisung des Testsignals 320 in das Sensorzellenausgangssignal 322. Die Veränderung wird in der Einrichtung 316 zum Verändern des Sensorzellenausgangssignals durchgeführt. Weist die Sensorzelle 310 eine resistive Messbrücke auf, so erfolgt die Veränderung durch das Einspeisen des Testsignals 320 in Form eines geschalteten Stroms in das Sensorzellenausgangsignal 322 in Form der Ausgangsleitung der resistiven Messbrücke. Der geschaltete Strom bewirkt an den Brückenwiderständen der Messbrücke eine Änderung der Brückenausgangsspannung. Das gleich gilt für eine Sensorzelle 310 in Form einer Hallsensorzelle, die eine Hallplatte aufweist. Das Testsignal 320 ist in diesem Ausführungsbeispiel über seine Stromstärke definiert. Die Einrichtung 316 zum Verändern des Sensorzellenausgangssignals ist ein Knotenpunkt des Sensorzellenausgangssignals 322 und des Testsignals 320.
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Die Vorrichtung 352 zum In-Betrieb-Testen eines Signalpfades von einer Sensorzelle zu einer Auswertungsstelle weist entsprechend dem in 2 gezeigten Ausführungsbeispiel eine Einrichtung 360 zum Verarbeiten des Sensorsignals oder des von dem Sensorsignal abgeleiteten Signals in Form einer Signaltrennungseinrichtung und eine Einrichtung 362 zum Untersuchen des verarbeiteten Signals in Form einer Testsignalauswertungseinrichtung auf. Die Einrichtung 360 zum Verarbeiten des Sensorsignals ist ausgebildet, um das abgeleitete Sensorsignal 326 zu erfassen und ansprechend auf das abgeleitete Sensorsignal 326 ein verarbeitetes Signal 370 und ein Auswertesignal 372 bereitzustellen. Das Auswertesignal 372 enthält die Informationen über die von der Sensorzelle 310 erfaßte physikalische Größe und leitet diese an eine Auswertestelle (nicht gezeigt in dieser und in den folgenden Figuren) weiter. Die Einrichtung 362 zum Untersuchen des verarbeiteten Signals 370 hinsichtlich eines Vorhandenseins oder Nichtvorhandenseins von Informationen des Testsignals ist ausgebildet, um im Falle eines Nichtvorhandenseins von Informationen des Testsignals 320 eine Fehlerwarnung 380 bereitzustellen.
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Der Aufbau und die Funktion der in 3 - 6 gezeigten Vorrichtung 352 zum In-Betrieb-Testen eines Signalpfades entspricht dem in 2 gezeigten Ausführungsbeispiel einer Vorrichtung zum In-Betrieb-Testen eines Signalpfades und ist im folgenden nicht näher erläutert.
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4 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel einer Vorrichtung 302a zum Erzeugen eines Sensorsignals. Das in 4 gezeigte Ausführungsbeispiel unterscheidet sich von dem in 3 gezeigten Ausführungsbeispiel in der Ausführung der Einrichtung 316a zum Verändern des Sensorzellenausgangssignals. Alle anderen Elemente sind unverändert und weisen die gleichen Bezugszeichen wie in 3 auf. Die Einrichtung 316a zum Verändern des Sensorzellenausgangssignals ist in diesem Ausführungsbeispiel in Form eines Mischers realisiert. Die Einrichtung 316a zum Verändern des Sensorzellenausgangssignals ist ausgebildet, um dem Sensorzellenausgangssignal 322 hinzuaddieren oder aufzumodulieren. Dies kann durch einen additiven oder multiplikativen Testsignaleingang ausgeführt werden.
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In 5 ist ein weiteres Ausführungsbeispiel einer Vorrichtung 302b zum Erzeugen eines Sensorsignals gezeigt. Die Sensorzelle 310 ist in diesem Ausführungsbeispiel in eine Sensorschaltung 312 integriert, die zusätzlich eine Einrichtung zum Verändern des Sensorzellenausgangssignals 316b aufweist. Die übrigen gezeigten Elemente entsprechen denen aus den 3 und 4 und sind mit den gleichen Bezugszeichen versehen und werden im folgenden nicht näher erläutert.
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Die Einrichtung 316b zum Verändern des Sensorzellenausgangssignals weist eine Sensoranregungsspannung (nicht gezeigt) auf und ist ausgebildet, um ansprechend auf das Sensorzellenausgangssignal (nicht gezeigt) der Sensorzelle 310, basierend auf der Sensoranregungsspannung, das Sensorsignal 324 bereitzustellen. Die Einrichtung 316b zum Verändern des Sensorzellenausgangssignals ist zusätzlich ausgebildet, um basierend auf dem Testsignal 320 eine Änderung der Sensoranregungsspannung durchzuführen. Auf diese Weise hängt das Sensorsignal 324 sowohl von dem Sensorzellenausgangssignal als auch von dem Testsignal 320 ab.
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6 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel der Vorrichtung 302c zum Erzeugen eines Sensorsignals. In diesem Ausführungsbeispiel ist die Sensorzelle 310 in einer Sensorschaltung 314 angeordnet, die zusätzlich eine Einrichtung 316c zum Verändern des Sensorzellenausgangssignals in Form eines schaltbaren Netzwerks aufweist. Alle anderen gezeigten Elemente entsprechen den 3 - 5, sind mit den gleichen Bezugszeichen bezeichnet und im folgenden nicht näher erläutert.
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Die Einrichtung 316c zum Verändern des Sensorzellenausgangssignals ist ausgebildet, um ansprechend auf das Testsignal 320 eine Sensorkonfiguration der Sensorschaltung 314 zu verändern. Weist die Sensorschaltung 314 eine kapazitive oder resistive Meßbrücke auf, in der die Sensorzelle 310 angeordnet ist, so kann die Veränderungsvorschrift der Einrichtung 316c zum Verändern des Sensorzellenausgangssignals ein Zu- bzw. Abschalten von Kondensatoren oder Widerständen in Abhängigkeit von dem Testsignal 320 sein. Auf diese Weise wird das Sensorzellenausgangssignal (nicht gezeigt), das Informationen über eine zu erfassende physikalische Größe enthält, mit Testsignalinformationen kombiniert und als Sensorsignal 324 bereitgestellt.
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Die 7 - 8 zeigen weitere Ausführungsbeispiele einer Sensoreinrichtung, die mit einer Auswerteeinrichtung gekoppelt ist. Die Sensoreinrichtung weist jeweils eine Vorrichtung zum Erzeugen eines Sensorsignals auf und die Auswerteeinrichtung weist jeweils eine Vorrichtung zum In-Betrieb-Testen eines Signalpfades auf.
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7 zeigt eine Sensoreinrichtung, die eine Vorrichtung 702 zum Erzeugen eines Sensorsignals sowie eine Mehrzahl von Sensorzellen 710 aufweist. Die Vorrichtung 702 zum Erzeugen eines Sensorsignals weist eine Sensorschaltung 710c, eine Einrichtung 714 zum Bereitstellen eines Testsignals, zwei Einrichtungen 716 zum Verändern des Sensorzellenausgangssignals und eine Einrichtung 718 zum Ausgeben des Sensorsignals auf. Die Einrichtung 714 zum Bereitstellen eines Testsignals in Form eines Testpatterngenerator ist ausgebildet, um ein Testsignal 720 bereitzustellen. Das Testsignal 720 ist mit den Einrichtungen 716 zum Verändern des Sensorzellenausgangssignals verbunden. Ansprechend auf das Testsignal 720 stellen die Einrichtungen 716 zum Verändern des Sensorzellenausgangssignals ein additives Signal 721 bereit und speisen dieses in das Sensorzellenausgangssignal 722 der Sensorschaltung 710 ein, um das Sensorsignal 724 zu erhalten. Das Sensorsignal 724 ist mit der Einrichtung 718 zum Ausgeben des Sensorsignals verbunden. Die Einrichtung 718 zum Ausgeben des Sensorsignals ist ausgebildet, um das abgeleitete Signal 726 bereitzustellen. In diesem Ausführungsbeispiel ist die Einrichtung 718 zum Ausgeben des Sensorsignals ein Analog-Digital-Wandler. Der Analog-Digital-Wandler 718 stellt einen Signalpfad dar, der durch den In-Betrieb-Test überwacht wird.
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In diesem Ausführungsbeispiel sind die Sensorzellen 710 oberflächenmechanische kapazitive Sensoren, die zusammen mit oberflächenmikromechanischen Referenzkondensatoren 738 in einer kapazitiven Drucksensormeßbrücke angeordnet sind. Die Meßbrücke weist jeweils zwei Sensorzellen 710 und zwei Referenzkondensatoren 738 auf. Die Meßbrücke ist über taktgesteuerte Umschalter 732, die mit einem ersten und einem zweiten Takt angesteuert werden, mit einer Referenzspannung 730 verbunden. Das Umschalten der Referenzspannung 730 durch die taktgesteuerten Umschalter 732 bewirkt ein taktgesteuertes Umladen der kapazitiven Drucksensormeßbrücke. Die Einrichtungen 716 zum Verändern des Sensorzellenausgangssignals weisen ebenfalls jeweils eine Referenzspannung 730 und einen taktgesteuerten Umschalter 732 auf. Zusätzlich weisen sie jeweils einen Modulator 736 und einen Kondensator 739 auf. Die taktgesteuerten Umschalter 732 erzeugen durch Umpolen der Referenzspannung eine Eingangsspannung 730. Das Umpolen wird über die Modulatoren 736 ausgeführt, die mit der Referenzspannung 730 sowie dem Testsignal 720 gekoppelt sind.
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Die Steuerung des Umpolvorgangs erfolgt durch das Testsignal 720, das in der Einrichtung 714 zum Bereitstellen eines Testsignals, die in diesem Ausführungsbeispiel ein Testpatterngenerator ist, erzeugt wird. Ein Kondensator 739 ist mit den Umschalter 732 verbunden. Die von dem Umschalter 732 erzeugte Eingangsspannung bewirkt ein Umladen des Kondensators. Als Folge dessen weist das additive Signal 721 ein Testmuster auf, das von dem Testsignal 720 abhängt. Das Testmuster ist bevorzugterweise mittelwertfrei und von einer Frequenz, die deutlich über den Sensorzellenausgangssignalfrequenzen liegt. Das additive Signal 721 wird in der Einrichtung 716 zum Verändern des Sensorzellenausgangssignals in das Sensorzellenausgangssignal eingespeist. Das daraus entstehende Sensorsignal 724 wird von der Einrichtung 718 zum Ausgeben des Sensorsignals erfaßt. In diesem Ausführungsbeispiel ist die Einrichtung 718 zum Ausgeben des Sensorsignals ein Analog-Digital-Wandler, der aus dem Sensorsignal 724 das abgeleitete Signal 726 erzeugt.
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Alternativ zu dem Testpatterngenerator 714 kann das additive Signal 721 direkt mit einer Spannungsquelle erzeugt werden, die mit den vorgeschalteten Schaltern 732 und den Kondensatoren 739 gesampelt wird. Alternativ zum direkten Einspeisen des additiven Signals 721 in das Sensorzellenausgangssignal 722 kann der Analog-Digital-Wandler auch einen zusätzlichen Addiereingang aufweisen, indem das additive Signal 721 additiv eingespeist wird. In einer weiteren möglichen Variante ist dem Analog-Digital-Wandler ein Summierverstärker vorgeschaltet, in den das Testsignal eingespeist wird.
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Alternativ zu der kapazitiven Messbrücke, bestehend aus den oberflächenmikromechanischen kapazitiven Sensoren 710 und den oberflächenmechanischen Referenzkondensatoren 738 sowie alternativ zu den Kondensatoren 739 zur Erzeugung des additiven Signals 721 kann äquivalent auch eine resistive Meßbrücke oder eine Hallsonde in Verbindung mit Widerständen zur Erzeugung des additiven Signals herangezogen werden. Bei einer resistiven Meßbrücke oder Hallsonde kann anstelle der schaltbaren Meßwiderstände ein additives Signal erzeugt werden, indem mit Hilfe von Stromquellen ein Teststimulus als Stromsignal in die Sensorzellenausgangssignale eingespeist wird.
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7 zeigt außerdem eine Auswerteeinrichtung, die mit der Sensoreinrichtung gekoppelt ist und eine Vorrichtung 752 zum In-Betrieb-Testen aufweist. Die Vorrichtung 752 zum In-Betrieb-Testen weist eine Einrichtung 760 zum Verarbeiten des Sensorsignals und eine Einrichtung 762 zum Untersuchen des verarbeiteten Signals auf. Die Einrichtung 760 zum Verarbeiten des Sensorsignals ist mit dem abgeleiteten Signal 726 verbunden. Ansprechend auf das abgeleitete Signal 726 stellt die Einrichtung 760 zum Untersuchen des verarbeiteten Signals ein verarbeitetes Signal 770 und ein Auswertesignal 272 bereit. Die Einrichtung 762 zum Untersuchen des verarbeiteten Signals ist mit dem verarbeiteten Signal 770 und in diesem Ausführungsbeispiel auch mit dem Testsignal 720 verbunden. Ansprechend auf das verarbeitete Signal 770 und das Testsignal 720 stellt die Einrichtung 762 zum Untersuchen des verarbeiteten Signals einen Fehlerhinweis 780 bereit.
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Die Einrichtung 760 zum Verarbeiten des Sensorsignals oder des abgeleiteten Signals weist einen Tiefpaßfilter 800 und einen Bandpaßfilter 802 auf. Sowohl der Tiefpaßfilter 800 als auch der Bandpaßfilter 802 sind mit dem abgeleiteten Signal 726 verbunden. Da das additive Signal 721, das die Testinformationen des Testsignals 720 enthält, eine deutlich höhere Frequenz als das Sensorzellenausgangssignal 722 aufweist, kann mit dem Tiefpaßfilter 800 der Informationsanteil des Testsignals 720 an dem abgeleiteten Signal 726 ausgeblendet werden. Das resultierende Auswertesignal 772 enthält die Meßinformationen der Sensorzellenausgangssignale 722 an dem abgeleiteten Signal 726. Das Auswertesignal 272 wird zu einer Auswertungsstelle (in 7 und 8 nicht gezeigt) weitergeleitet. Der Testinformationanteil des abgeleiteten Signals 726 wird mit dem Bandpaßfilter 802 isoliert und als verarbeitetes Signal 770 an die Einrichtung 762 zum Untersuchen des verarbeiteten Signals weitergeleitet.
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Die Einrichtung 762 zum Untersuchen des verarbeiteten Signals weist einen Demodulator 810, einen Tiefpaßfilter 812 und eine Vergleichseinrichtung 814 in Form eines Komparators auf. Zunächst wird das verarbeitete Signal 770 in dem Demodulator 810 mit dem Testsignal 720 kohärent demoduliert. Ein entstehendes demoduliertes Signal 816 wird anschließend in dem Tiefpaßfilter 812 tiefpaßgefiltert, um das Signal-Rausch-Leistungsverhältnis zu verbessern. Das tiefpaßgefilterte Signal 818 sowie ein einstellbares Schwellwertsignal 820 wird von der Vergleichseinrichtung 814 als Eingangwerte erfaßt. Die Vergleichseinrichtung 814 vergleicht das tiefpaßgefilterte Signal 818 auf Einhaltung eines Mindestwertes, der durch das Schwellwertsignal 820 bestimmt ist. Wird dieser Wert unterschritten, so war die Testinformation des Testsignals nicht mehr in dem abgeleiteten Signal 726 enthalten und die Einrichtung 762 zum Untersuchen des verarbeiteten Signals signalisiert einen Fehler über einen Fehlerhinweis 780.
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Zur weiteren Absicherung und zur Fehlereingrenzung kann die Fehlerursache „Testsignal nicht vorhanden“ durch eine Kontrolle der Existenz des Testsignals separat getestet werden. Besonders vorteilhaft ist es, die Kontrolle vor dem Demodulator 810 durchzuführen, um sicherzustellen, daß bei einem nicht vorhandenem, offenem oder falschem Testsignal 720, wie Gleichstrom, nicht ein zufälliges Demodulationsergebnis, trotz Fehlfunktion der Vorrichtung 752 zum In-Betrieb-Testen eines Signalpfades oder der Vorrichtung 702 zum Erzeugen eines Sensorsignals ein fehlerfreies Funktionieren des Gesamtsystems anzeigt. Beispielsweise kann hier getestet werden, ob das Testsignal bei der richtigen Frequenz liegt oder ein bestimmtes Muster beinhaltet. In dem in 7 gezeigten Ausführungsbeispiel ist das zusätzliche Merkmal, zur Kontrolle des Testsignals 720 in Form einer Einrichtung 830 zur Überprüfung des Testsignals gezeigt. Die Einrichtung 830 zur überprüfung des Testsignals ist mit dem Testsignal 720 verbunden und ist ausgebildet, um bei nicht vorhandenem bzw. fehlerhaftem Testsignal einen zweiten Fehlerhinweis 832 bereitzustellen.
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8 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel einer Sensoreinrichtung, die mit einer Auswerteeinrichtung gekoppelt ist.
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Die Sensoreinrichtung weist eine Vorrichtung 702b zum Erzeugen eines Sensorsignals auf, die eine Einrichtung 714 zum Bereitstellen eines Testsignals, eine Einrichtung 716b zum Verändern des Sensorzellenausgangssignals und eine Einrichtung 718 zum Ausgeben des Sensorsignals aufweist. Im Unterschied zu dem in 7 gezeigten Ausführungsbeispiel sind in diesem Ausführungsbeispiel die Sensorzellen 710 in der Einrichtung 716b zum Verändern des Sensorzellenausgangssignals angeordnet. Die Sensorzellen 710 sind dabei gemäß dem Ausführungsbeispiel in 7 in einer Meßbrücke angeordnet. Die Einrichtung 716b zum Verändern des Sensorzellenausgangssignals weist eine Referenzspannung 730b, 730b' auf, die in Modulatoren 736b mit dem Testsignal 720 moduliert wird, um eine Meßbrückenspannung 731b zu erhalten. Der in der Brückenspannung 731b enthaltene Anteil des Testsignals 720 geht umgekehrt proportional zu einer Auslenkung der Meßbrücke in das Sensorsignal 724 ein. Die Einrichtung 716b zum Verändern des Sensorzellenausgangssignals stellt auf diese Weise das Sensorsignal 724 bereit, das sowohl von dem Testsignal 720 als auch von einem Sensorzellenausgangssignal (nicht gezeigt), das von den Sensorzellen 710 aufgrund einer erfaßten physikalischen Größe bereitgestellt wird, abhängt. Das Sensorsignal 724 ist wiederum mit der Einrichtung 718 zum Ausgeben des Sensorsignals verbunden, die ausgebildet ist, um das abgeleitete Signal 726 bereitzustellen.
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Die in 8 gezeigte Auswerteeinrichtung 725b weist eine Einrichtung 760 zum Verarbeiten des Sensorsignals und eine Einrichtung 762 zum Untersuchen des verarbeiteten Signals auf. Die Einrichtungen 760, 762 entsprechen den in 7 gezeigten Einrichtungen und weisen dieselben Bezugszeichen auf.
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Die Vorrichtung 752b weist zusätzlich eine Einrichtung 840 zum Vergleichen des Verhältnisses auf. Die Einrichtung 840 zum Vergleichen des Verhältnisses ist mit dem Auswertesignal 772 der Einrichtung 760 zum Verarbeiten des Sensorsignals und dem tiefpaßgefilterten Signal 818 der Einrichtung 762 zum Untersuchen des verarbeiteten Signals verbunden und ist ausgebildet, um ansprechend auf das Auswertesignal 272 und das tiefpaßgefilterte Signal 818 ein drittes Fehlerhinweissignal 842 bereitzustellen. Wenn die Testinformation, die von der Einrichtung 114 zum Bereitstellen eines Testsignals bereitgestellt wird, proportional oder umgekehrt proportional zu der Messinformation aufgrund der zu erfassenden physikalischen Größe in das Sensorsignal 724 eingeht, kann diese Proportionalität in der Einrichtung 814 zum Vergleichen des Verhältnisses überwacht werden. Bei Nichterfüllung der Proportionalität wird dieses Fehlen über den dritten Fehlerhinweis 842 bereitgestellt.
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Im Fall einer kohärenten Demodulation in dem Demodulator 818, unter Verwendung des Testsignals 720, wie in den Abbildungen oben gezeigt, kann der Bandpaßfilter 802 vor dem Demodulator 810 entfallen. Dadurch verschlechtert sich eine Selektivität des Fehlererkennungspfades, dies kann aber durch eine geringere Grenzfrequenz des Tiefpaßfilters 812 kompensiert werden.
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Erfolgt die Demodulation in dem Demodulator 810 nicht kohärent, so ist die Bandpaßfilterung erforderlich. Die Demodulation nach der Bandpaßfilterung ist im einfachsten Fall eine Betragsbildung.
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Obwohl oben bevorzugte Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung näher erläutert wurden, ist offensichtlich, daß die vorliegende Erfindung nicht auf diese Ausführungsbeispiele beschränkt ist. Insbesondere findet die vorliegende Erfindung auch Anwendung auf andere Vorrichtungen und Verfahren, bei denen die Übertragung einer erfaßten Meßinformation, durch das Kombinieren der Meßinformation mit einem Teststimulus gesichert wird, und eine erfolgreiche oder nicht erfolgreiche Übertragung anhand einer Auswertung des mit übertragenen Teststimulus signalisiert wird.
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Entsprechend den gezeigten Ausführungsbeispielen beinhaltet die Erfindung auch ein Verfahren zum Erzeugen eines Sensorsignals, das für einen In-Betrieb-Test eines Signalpfades von einer Sensorzelle zu einer Auswertungsstelle geeignet ist, und ein Verfahren zum In-Betrieb-Testen eines Signalpfades von einer Sensorzelle zu einer Auswertungsstelle.
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Abhängig von den Gegebenheiten kann das erfindungsgemäße Verfahren zum Erzeugen eines Sensorsignals und das Verfahren zum In-Betrieb-Testen eines Signalpfades in Hardware oder in Software implementiert werden. Die Implementation kann auf einem digitalen Speichermedium, insbesondere einer Diskette, CD, DVD oder ein ROM, PROM, Flash, EEPROM oder einem anderen nichtflüchtigen Speichermedium mit elektronisch auslesbaren Steuersignalen erfolgen, die so mit einem programmierbaren Computersystem, insbesondere in der für integrierte Systeme besonders vorteilhaften Ausführungsform eines embedded Microcontrollers oder embedded DSP, zusammenwirken können, daß das entsprechende Verfahren ausgeführt wird. Allgemein besteht die Erfindung somit auch in einem Computerprogrammprodukt mit einem auf einem maschinenlesbaren Träger gespeicherten Programmcode zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens, wenn das Computerprogrammprodukt auf einem Rechner abläuft. In anderen Worten ausgedrückt kann die Erfindung somit als ein Computerprogramm mit einem Programmcode zur Durchführung des Verfahrens realisiert werden, wenn das Computerprogramm auf einem Computer abläuft.
