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Hintergrund der Erfindung
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Die
vorliegende Erfindung betrifft Kraftfahrzeug-Elektroniken, und besonders
ein Verfahren um digitale Signale in einer Kraftfahrzeugumgebung
effektiv zu übermitteln.
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Heutige
Automobile müssen
Mehrbit-Datensignale verarbeiten und übermitteln. Derartige Daten
können
auf mehreren Leitern übermittelt
werden, wobei jeder Leiter ein Bit des digitalen Mehrfachwortes
(„parallel") trägt; oder
auf lediglich zwei Leitern, wobei die Leiter – im Einklang mit im Fachgebiet
wohlbekannten Techniken – jedes
Bit des Digitalwortes nacheinander („seriell") tragen. Allgemein wird die Übermittlung
digitaler Daten für
jegliche nennenswerte Entfernung in dem Automobil seriell vorgenommen,
um Verkabelungskosten und Gewicht zu vermindern. Innerhalb von die
digitalen Daten empfangenden oder übermittelnden Schaltungen, wie
etwa Mikroprozessoren, wird normalerweise jedoch eine Parallelbus-Struktur
benutzt.
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Die
Anzahl an Bits in den übermittelten
Digitalwörtern,
ihre „Breite", wird vorzugsweise
minimiert, um die Kosten und Komplexität der integrierten Schaltungen
zu vermindern, die gebraucht werden um die Daten zu verarbeiten;
und um die Bandbreite zu verringern, die gebraucht wird um die Daten
auf dem seriellen Leiter zu übermitteln.
Die seriellen Leiter können
aus Gründen
des Stromverbrauchs oder der Anfälligkeit
auf Rauschen mit anderen Systemen geteilt werden oder in der Bandbreite
beschränkt
sein.
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Ein
Verfahren die Datenbreite eines Automobilsignals zu verringern ist
es, das Digitalwort zu verkürzen,
welches das Signal darstellt, indem man die am niedrigwertigsten
oder höchstwertigsten
Bits des Digitalworts entfernt. Zum Beispiel kann ein Zehn-Bit-Datenwert
von einem Beschleunigungsmeßgerät, der benutzt wird
um ein passives Rückhaltesystem
wie etwa einen Airbag auszulösen,
und das einen Bereich von 128 g darstellt, auf acht Bits verkürzt werden,
indem man die beiden niedrigstwertigen Bits entfernt. Diese Verkürzung verringert
die Auflösung
des Signals von 0,125 g auf 0,5 g. Alternativ kann der Zehn-Bit-Datenwert
auf acht Bits verkürzt
werden, indem man die beiden höchstwertigen
Bits entfernt, was eine Verringerung im Bereich von 128 g auf 32
g verursacht.
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Normalerweise
ist der notwendige Bereich als eine Funktion der Anwendung festgelegt.
In dem Beispiel des Beschleunigungsmeßgeräts wird zur Aktivierung der
Airbags der volle Bereich von 128 g benötigt. Andererseits kann auch
eine Verringerung in der Auflösung
inakzeptabel sein, weil sie einen zu großen angespeicherten Fehler
erzeugen wird. Allgemein erhöht
eine Senkung der Auflösung
den „Quantisierungsfehler" der Abtastungen,
wobei der Quantisierungsfehler eine nach unten gerichtete Vorbelastung
ist, verursacht durch implizite Rundung während des Verkürzungsprozesses.
Diese Vorbelastung wird jedes mal multipliziert wenn mehrere Abtastungen
kombiniert werden, was einen angespeicherten Fehler erzeugt. Wird
die Auflösung
gesenkt, so kann ein inakzeptabel großer angespeicherter Fehler
resultieren. Im Beispiel des Beschleunigungsmeßgeräts werden während periodischer Kalibrierung
des Nullwerts des Beschleunigungsmeßgeräts eine Anzahl von Abtastungen
der Beschleunigungsmeßgerät-Ausgabe kombiniert,
um für
das spezielle Beschleunigungsmeßgerät einen
Beschleunigungsversatz zu bestimmen. Die Auflösung des Beschleunigungsmeßgerät-Signals
zu senken bewirkt, daß der
angespeicherte Fehler in dem Kalibrierwert schnell auf inakzeptable
Werte ansteigt.
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Idealerweise
würde ein
Weg bestehen die Datenbreite von Automobilsignalen zu minimieren,
ohne den Bereich des Signals zu verringern und ohne über die
Zeit große
angespeicherte Fehler zu erzeugen. U.S.-Patent Nr. 4.633,483 (Oberbegriff
von Anspruch 1) offenbart ein Datenübermittlungs-System, in welchem niedrige
Bits aus Originaldaten entfernt werden, um Übermittlungsdaten zu bilden,
und in einem Akkumulator angespeichert werden. Wird als Ergebnis
einer solchen Anspeicherung ein Übertrag
verursacht, so wird der Übertrag
zu den Übermittlungsdaten
hinzugezählt.
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Kurze Zusammenfassung
der Erfindung
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Es
ist ein Gegenstand der Erfindung für eine Nullkorrektur eines
digitalisierten Signals zu sorgen, das außerdem resistent gegen den
Aufbau eines durch Quantisierung verursachten Anspeicherungsfehlers
ist.
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Demgemäß stellt
die Erfindung ein Verfahren bereit, welches die Schritte einschließt eine
Mehrzahl von Durchschnittswerten des Digitalworts zu erzeugen und
diese Durchschnittswerte zu verkürzen,
um verkürzte
Durchschnittswerte von gleicher Breite mit dem Digitalwort zu erzeugen.
Die von dem Durchschnittswert gekürzten Bits werden dann von
dem Speicherwert abgezogen, und die verkürzten Durchschnittswerte werden von
den verkürzten
Digitalworten abgezogen, um einen Übermittlungswert zu erzeugen.
Liegt der Speicherwert über
dem Schwellenwert, so wird der Schwellenwert zu dem Übermittlungswert
hinzuaddiert; wohingegen der Übermittlungswert
alleine übermittelt
wird, wenn der Speicherwert unterhalb des vorherbestimmten Schwellenwerts
liegt.
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Die
Durchschnittswerte können
die verkürzten
Digitalworte mitteln.
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Folglich
ist es ein anderer Gegenstand der Erfindung die Schaltung zu vereinfachen,
die notwendig ist um den Durschnittswert zu berechnen, indem man
ihr erlaubt an den verkürzten
Digitalworten zu arbeiten.
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Der
vorherbestimmte Schwellenwert kann gleich dem Stellenwert des niedrigstwertigen
Bits des verkürzten
Digitalworts sein. Das verkürzte
Wort und der Stellenwert können
vor der Übermittlung
zusammenaddiert werden.
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Folglich
ist es ein anderer Gegenstand der Erfindung ein Verfahren bereitzustellen,
den Anspeicherungsfehler – ohne
die Notwendigkeit einer getrennten Datenübermittlung für den Konekturwert
alleine – zu korrigieren.
Indem man die verkürzten
Bits anspeichert, bis ihre Summe gleich dem Wert des niedrigstwertigen Bits
des verkürzten
Worts ist, wird das verkürzte
Wort, das bereits zur Übermittlung
vorgesehen ist, einfach um den Schwellenwert erhöht.
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Das
Verfahren kann die Schritte einschließen die Übermittlungen von Digitalworten
zu empfangen und die empfangenen verkürzten Übermittlungen zu integrieren,
wie sie durch die periodische Addition des Schwellenwerts modifiziert
werden.
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Folglich
ist es ein anderer Gegenstand der Erfindung ein System bereitzustellen,
welches den Anspeicherungsfehler in der Signalverarbeitung minimiert,
was einen Schritt des Integrierens einschließt.
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Das
Vorstehende und andere Gegenstände
und Vorteile der Erfindung werden aus der folgenden Beschreibung
ersichtlich werden. In der Beschreibung wird auf die beigefügten Zeichnungen
Bezug genommen, welche einen Teil hiervon bilden und in welchen
anhand einer Illustration eine bevorzugte Ausführungsform der Erfindung gezeigt
ist. Derartige Ausführungsformen
stellen jedoch nicht notwendigerweise den vollen Erfindungsbereich
dar, und es muß auf
die Ansprüche
hierin Bezug genommen werden, um den Erfindungsbereich zu interpretieren.
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Kurze Beschreibung der
verschiedenen Ansichten der Zeichnungen
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1 ist
eine schematisierte Perspektivansicht eines passiven Rückhaltesystems,
das ein Beschleunigungsgerät
aufweist, dessen Ausgabe zur Übermittlung
verkürzt
und dann an einem Empfänger
benutzt wird, welcher einen integrierenden Abschnitt einschließt;
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2 ist
ein Blockdiagramm der Übermittlungsschaltung
von 1, das die Verkürzung des Beschleunigungsmeßgerät-Signals
zur letztendlichen Übermittlung
als ein Signal verringerter Breite zeigt;
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3 ist
ein Graph, der den Fehler über
die Zeit aufträgt
und die Verbesserung oder Minderung im Aufbau des Anspeicherungsfehlers
in der vorliegenden Erfindung nach dem Integrierungsabschnitt des
Prozessors von 1 andeutet.
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Genaue Beschreibung der
Erfindung
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Unter
Bezug auf 1 kann in einer Beispielanwendung
der vorliegenden Erfindung ein Kraftfahrzeug-Beschleunigungsmeßgerät 10 zum
Gebrauch in einem passiven Rückhaltesystem
oder ähnlichem
ein Analogsignal 12 erzeugen, das ein Maß der Beschleunigung
von –64
bis 64 g Beschleunigung liefert (Bereich von 128 g). Das Analogsignal 12 wird
von einer den Analog-Digital-Wandler 16, die Verkürzungsschaltung 20 und
eine Übermittlungsschaltung 23 enthaltenden
Sendeschaltung 21 empfangen.
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Bei
der Sendeschaltung 21 wird das Analogsignal 12 abgetastet
und durch Analog-Digital-Wandler 16 digitalisiert,
um einen Strom von Zehn-Bit-Digitalwörtern 14 zu erzeugen,
die eine Auflösung
von 0,125 g aufweisen. Wie unten genauer beschrieben wird, wird
jedes Zehn-Bit-Digitalwort 14 dann
durch Verkürzungsschaltung 20,
welche die beiden niedrigstwertigen Bits des Zehn-Bit-Digitalworts 14 entfernt,
in ein verkürztes Acht-Bit-Wort 22 umgewandelt.
Jedes verkürzte
Acht-Bit-Wort 22 wird dann widerum zu einer Übermittlungsschaltung 23 weitergeleitet,
um über
einen seriellen Acht-Bit-Kanal 23 zu einer Verarbeitungseinheit 24 übermittelt
zu werden.
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Bei
der Verarbeitungseinheit 24 wird der Acht-Bit-Kanal 23 von
einer Empfangseinheit 26 empfangen, wo er von serieller
in parallele Form umgewandelt und dann zu einem Tiefpaßfilter 28 oder
einer anderen Vorrichtung geliefert wird, der Integrier- oder Summierkomponenten
aufweist. Der Tiefpaßfilter 28 liefert
eine Ausgabe zu Diskriminierungsschaltung 30, welche eine
betätigende
Ausgabe 32 zu einem Airbagzünder 34 oder ähnlichem
erzeugt.
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Auf
Verkürzung
des Zehn-Bit-Digitalwortes 14 zu einem verkürzten Acht-Bit-Wort 22 hin
wird die Auflösung
der Daten von 0,125 g auf 0,5 g verringert (d.h. 128 g geteilt durch
256 anstatt durch 1024). Aus diesem Grund wird eine Beschleunigung
von z.B. 12,63 g nach der Verkürzung
auf Kanal 23 zu 12,5 g. In diesem Beispiel besteht ein
Quantisierungsfehler von 0,13 g in dem verkürzten Acht-Bit -Wort 22 – gegenüber einem Quantisierungsfehler
von 0,005 g, der mit dem Zehn-Bit-Digitalwort 14 aufgetreten
wäre. Der
Fehler wird dazu neigen mit der Zeit zu wachsen, wenn die abgetasteten
Daten – z.
B.: mit Tiefpaßfilter 28 – integriert
werden.
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Die
folgende Tabelle zeigt den tatsächlichen
Wert, den angespeicherten Fehler für zehn Bit, und den schrittweise
angespeicherten Fehler 40 für acht Bit, verglichen mit
dem Fehler für
zehn Bit.
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Unter
Bezug auf 3 ist der angespeicherte Fehler 40 im
Wesentlichen unbeschränkt,
während
zusätzliche
Abtastungen integriert werden. Allgemein werden Signalverarbeitungs-Anwendungen ein begrenztes Zeitfenster
der Anspeicherung aufweisen, und folglich existiert in der Tat eine
Grenze für
den angespeicherten Fehler, aber nichtsdestotrotz kann er für große Fensterweiten
auf relativ hohe Werte ansteigen.
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Unter
Bezug auf 2 vermeidet die vorliegende
Erfindung das Problem hoher Raten von Anspeicherungsfehlern, indem
sie Zwei-Bit-Reste 46 bewahrt, die aus der Kürzung der
digitalen Zehn-Bit-Wörter 14 auf
verkürzte
Acht-Bit-Wörter 44 resultieren.
Die Zwei-Bit-Reste 46, welche die beiden niedrigwertigsten
Bits des Zehn-Bit-Digitalwortes 14 sind, werden zu Addierer 48 gesendet,
um letztlich zu einem Akkumulator 50 zu gelangen, welcher
in diesem Beispiel ein binärer
Acht-Bit-Addierer sein kann, der einen Überlauf 52 wie unten beschrieben
aufweist.
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Die
verkürzten
Acht-Bit-Wörter 44 werden
zu einem Tiefpaßfilter 54 gesendet,
welcher in der bevorzugten Ausführungsform
für ein
Beschleunigungsmeßgerät-System
ein Zweipol-Doppelnull-Tiefpaßfilter
ist, beabsichtigt um Störkomponenten
aus dem Beschleunigungsmeßgerät-Signal
zu entfernen. Von dort verzweigen sich die gefilterten Acht-Bit-Daten 56 auf
zwei Wege; erstens zu einem Addierer 58, wie unten beschrieben wird;
und zweitens zu einem Tiefpaßfilter 60.
Der Tiefpaßfilter 60 stellt
eine Nullreferenz für
das Beschleunigungsmeßgerät-Signal
bereit, indem er eine bedeutend niedrigere Paßband-Frequenz besitzt als
die erwartete Frequenz-Bandbreite in dem Analogsignal 12 des
Beschleunigungsmeßgerätes 10.
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Der
Tiefpaßfilter 60 stellt
eine Sechzehn-Bit-Ausgabe 62 bereit, welche darin durch
Verkürzer 64 auf Acht-Bit-Wörter 66 verkürzt wird;
was einen Acht-Bit-Rest 72 zurückläßt, welcher zu Addierer 48 gesendet wird.
Die Acht-Bit-Worte 66 werden dann durch Addierer 58 von
den gefilterten Acht-Bit-Daten 56 abgezogen, um ein Acht-Bit-Nullreferenz-Signal 67 zu
erzeugen. Dieses Nullreferenz-Signal wird – wie weiter unten beschrieben
wird – von
Addierer 70 empfangen.
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Wie
oben erwähnt
werden die Acht-Bit-Reste 72 bei Verkürzer 64 zu Addierer 48 übergeben,
und dort können
sie nach Registrierung dieser Bits mit den Zwei-Bit-Resten 46 von
dem Verkürzer 42 aufsummiert
werden, so daß die
Zwei-Bit-Reste 46 mit den höchstwertigen Bits der Acht-Bit-Reste 72 von
Verkürzer 64 ausgerichtet
sind. Die resultierende Summe 74 wird an den Akkumulator 50 weitergegeben,
welcher genau acht Bit Rechnung trägt und auf das neunte Bit hin überläuft, um
einem Überlauf 52 zu
erzeugen. Allgemein vergleicht der Akkumulator 50 effektiv
die angespeicherte Summe von Zwei-Bit-Resten 46 und Acht-Bit-Resten 72 mit einem
impliziten Schwellenwert gleich dem niedrigstwertigen Bit der verkürzten Acht-Bit-Worte 44.
Der Überlauf 52 wird
zur Übertragung
auf Kanal 23 dann mittels des Addierers 70 zum
Acht-Bit-Nullreferenz-Signal 67 hinzuaddiert.
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Unter
Bezug auf das oben hinsichtlich der Tabelle I beschriebene Beispiel
wird eine Messung von 12,630 g – als
ein Ergebnis der Auflösung
von 0,125 g eines 128 g überspannenden
Zehn-Bit-Datenworts 14 – folglich
zu einem Zehn-Bit-Wert von 12,625 g umgewandelt. Die tatsächliche
Zehn-Bit-Darstellung im Binärformat
wird 0001100101, was – wenn
auf acht Bit verkürzt – 00011001
sein wird. Die geringstwertigen Restbits „01" wurden entfernt und werden durch Akkumulator 50 angespeichert.
Wie in Tabelle 2 unten gezeigt, werden auf jeden aufeinander folgenden
Empfang eines Zehn-Bit-Wertes hin, der eine konstante Messung von
12,630 g aufweist, zusätzliche
Restbits angespeichert werden, um sich wie in der ersten Spalte
von Tabelle 2 gezeigt aufzusummieren.
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Mit
dem vierten derart empfangenen Zehn-Bit-Wort 14 wird der
Akkumulator 50 überlaufen
und das übermittelte
Acht-Bit-Wort 22 erhöhen,
welches von 12,5 auf 13 springt. In dem Prozeß wird der Akkumulator 50 auf
Null gestellt und der Quantisierungsfehler springt von –0,125 auf
+0,5. Das Ergebnis hiervon ist es, den angespeicherten Fehler 41 hinsichtlich
des Fehlers, der mit zehn Bits aufgetreten wäre, wie in 3 gezeigt auf
Null zu korrigieren. Folglich wird der maximal angespeicherte Fehler
in Systemen, welche das übermittelte Signal
integrieren, auf relativ niedrige Werte begrenzt.
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Es
wird klar sein daß die
vorliegende Erfindung nicht darauf beschränkt ist zehn Bit auf acht Bit
zu verkürzen,
sondern daß sie
für eine
zufällige
Verkürzung
mit geeigneter Anpassung des mit dem Akkumulator 50 verbundenen
Schwellenwertes benutzt werden kann. Weiterhin schließt die Erfindung
in der Praxis außerdem den
Acht-Bit-Rest 72 von Verkürzer 64 ein, welcher
mit den angespeicherten verkürzten
Bits von Verkürzer 64 durch
eine mit dem Betrieb von 64 verbundenen Teiler gerechtfertigt wird,
obwohl das Beispiel nur die Anspeicherung der verkürzten Bits
aus Verkürzungsprozeß 42 zeigt.
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Die
obige Beschreibung war die einer bevorzugten Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung, und den Fachleuten wird in den Sinn
kommen daß viele
Modifikationen vorgenommen werden können. Offensichtlich ist die
vorliegende Erfindung zum Beispiel nicht auf den Gebrauch mit einem
passiven Rückhaltesystem beschränkt, sondern
kann allgemein mit jedem Kraftfahrzeugsystem verwendet werden, das
Digitalwörter
von Daten erzeugt, und wo die Datenbreite ein Anliegen ist.
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Legenden zu
den Abbildungen
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2
- 42,
64
- Verkürzung
- 50
- Akkumulator
-
3
-
- X-Achse: Zeitabtastungen
- Y-Achse: Angespeicherter Fehler hinsichtlich der 10-Bit-Werte
