DE69106559T2

DE69106559T2 - Intelligenter programmierbarer Sensor.

Info

Publication number: DE69106559T2
Application number: DE1991606559
Authority: DE
Inventors: Richard T Tarrant
Original assignee: Texas Instruments Inc
Current assignee: Texas Instruments Inc
Priority date: 1990-03-30
Filing date: 1991-03-26
Publication date: 1995-05-18
Anticipated expiration: 2011-03-27
Also published as: EP0450829B2; JPH04223223A; JP3209536B2; EP0450829B1; EP0450829A1; DE69106559D1

Description

Technisches Gebiet der Erfindung

Die Erfindung betrifft allgemein das intelligente programmierbare Erfassen und insbesondere eine Vorrichtung sowie ein Verfahren zum intelligenten und programmierbaren Erfassen von physikalischen Variablen unter Verwendung eines Siliciumsensors.

Hintergrund der Erfindung

Weltweit messen Sensorsysteme ein breites Spektrum von physikalischen Variablen wie Bewegung, Beschleunigung, Druck, Temperatur und Fluß. Manche Sensorsysteme enthalten eine digitale Elektronik und Computertechnologie. Diese Typen von Sensorsystemen enthalten typischerweise einen Teil des Systems, der Analogsignale erzeugt und verarbeitet, und einen Teil, der die Analogsignale in Digitalsignale umsetzt und die digitalen Signale weiterverarbeitet. Sensorwandler messen die physikalischen Parameter direkt, um die Analogsignale zu erzeugen. Elektronische Schaltungen und digitale Prozessoren setzen die Analogsignale in digitale Signale um und verarbeiten die digitalen Signale. Mit den Jahren sind Entwurf und Herstellung der digitalen elektronischen Komponenten billiger geworden. Bei analogen Komponenten hat sich jedoch nicht die gleiche Verringerung hinsichtlich der Entwurfs- und Herstellungskosten eingestellt. Daher besteht ein Bedarf an billigen analogen Sensorkomponenten für elektronische Sensorsysteme.
In den letzten Jahren haben Hersteller von Elektroniksystemen die inhärenten Vorteilen von verteilten Datenverarbeitungssystemen genutzt. Diese elektronischen Systeme empfangen und verarbeiten Daten in unterschiedlichem Ausmaß an einer ferngelegenen Stelle, bevor die Daten für eine Computeranalyse und das Treffen von Entscheidungen zu einer Zentralstelle gesendet werden.
Zu den Vorteilen der verteilten Datenverarbeitungssysteme zählen geringere Systemkosten und eine schnellere und vollständigere Datenanalyse. Kann ein elektronisches Sensorsystem eine verteilte Datenverarbeitung nutzen, so kann es auch diese Vorteile verwirklichen. Somit besteht ein Bedarf für ein elektronisches Sensorsystem, bei dem eine verteilte Datenverarbeitung eingesetzt wird.
Siliciumsensoren enthalten Wandler, die ausgehend von einer Siliciumbasis hergestellt werden. Sie besitzen die Möglichkeit, billige analoge Sensorkomponenten zu liefern, die eine verteilte Datenverarbeitung enthalten. Es existieren derzeit Wandler, die Analogsignale erzeugen können, um physikalische Variable wie Bewegung, Beschleunigung, Druck, Temperatur und Fluß zu messen. Die Vorteile der Siliciumwandler ergeben sich aus den folgenden Artikeln: W. R. Iversen, The Vendors Are Betting Their Chips on Silicon Sensors, ELECTRONICS, Juli 1989; und M. Leonard, IC Fabrication Techniques Sculpt Silicon Sensors, ELECTRONIC DESIGN, 26. Oktober 1989. Bis heute hat jedoch noch niemand ein Silicium-Sensorsystem hervorgebracht, das auf billige Weise eine verteilte Datenverarbeitung liefert.
Manche Entwickler haben versucht, eine verteilte Datenverarbeitung in Siliciumsensorsystemen zu verwirklichen, indem ein Siliciumsensorwandler, Demodulator, Sensorverstärker und Spannungs/Frequenz-Umsetzer auf einem einzigen Siliciumsockel miteingeschlossen wurden. Andere Hersteller haben sich nicht dafür entschieden, die gesamte elektronische Sensorschaltungsanordnung auf der gleichen Siliciumscheibe vorzusehen. Stattdessen kombinieren sie je einen Siliciumwandler und eine Analogsignalschaltungsanordnung auf einem einzigen Siliciumsockel, wobei sie eine Analog/Digital-Umsetzung und eine weitere Verarbeitungsschaltungs-Anordnung auf einem benachbarten Siliciumsockel in einem einzelnen Elektroniksystemgehäuse verbinden. Während diese Anwendungen Verbesserungen gegenüber der bisherigen Technologie mit sich bringen, führt die Weise, mit der sie Signalaufbereitungs- und -verstärkungsschaltungsanordungen verwenden, zu einer Verringerung der Anzahl von Anwendungen für die Siliziumsensoren. Der Grund dafür besteht darin, daß diese Sensoren die analogen Signale bis zu einem festgelegten Grad verstärken und aufbereiten. Diese Sensorsysteme sind nur begrenzt für Anwendungen geeignet, die einen anderen Grad an Analogsignalverarbeitung fordern.
Siliciumsensorsysteme mit einer größeren Vielfalt von möglichen Anwendungen können wirtschaftlicher hergestellt werden als solche Systeme mit einer nur begrenzten Anzahl von Anwendungen. Dies ist darauf zurückzuführen, daß Hersteller davon mehr erzeugen können und die Kosten für den ursprünglichen Entwurf und die Entwicklung über eine größere Anzahl von individuellen Systemen steuern können. Somit können Hersteller keine Massenproduktion von Siliciumsensorsystemen durchführen, die Analogsignale nur in einem festgelegten Ausmaß verstärken und aufbereiten, während dies bei Systemen mit einer größeren Vielfalt von Anwendungen möglich ist. Diese Einschränkung ist der Grund dafür, daß diese Typen von Siliciumsensorsystemen teuer sind, so daß sie den Bedarf an einem billigen Siliciumsensorsystem, bei dem eine verteilte Datenverarbeitung verwendet wird, nicht decken können. Damit besteht auch weiterhin der Bedarf an einem billigen Siliciumsensorsystem, das in vollem Umfang eine verteilte Datenverarbeitung verwendet.

Kurzfassung der Erfindung

Im Hinblick auf die vorhergehenden inhärenten Nachteile der bekannten Typen von derzeit im Stand der Technik anzutreffenden Siliciumsensorsystemen ist es ein Ziel der Erfindung, ein intelligentes programmmierbares Siliciumsensorsystem zu schaffen, bei dem der Hersteller zunächst den Sensor herstellen kann und der Anwender dann später diesen für eine spezifische Anwendung programmieren kann. Ist der Sensor einmal an der Verwendungsstelle vorgesehen, so kann der Anwender den Sensor umprogrammieren, um seine Erfassungsparameter nach Bedarf zu bilden.
Gemäß einem Aspekt der Erfindung wird eine intelligente programmierbare Sensorvorrichtung geschaffen, die Elemente enthält, die auf einem Siliciumsockel befestigt sind, wobei die Elemente enthalten:
einen Wandler zum Erfassen von physikalischen Variablen und zum Erzeugen mehrerer roher Analogsignale, die die erfaßten physikalischen Variablen repräsentieren; und
einen konfigurierbaren Analogsignalaufbereiter, der die Rohsignale aus dem Wandler empfängt, wobei der konfigurierbare Analogsignalaufbereiter die rohen Analogsignale aufbereitet, damit aufbereitete Analogsignale übertragen werden, wobei der konfigurierbare Analogsignalaufbereiter enthält:
einen ersten konfigurierbaren Speicher zum Speichern von wenigstens einem Signalaufbereitungsbefehl zum Anweisen des konfigurierbaren Analogsignalaufbereiters, wobei der erste konfigurierbare Speicher umprogrammierbar ist, um verschiedene Gruppen von Signalaufbereitungsbefehlen an verschiedenen Zeitpunkten zu enthalten, und an eine externe Programmiervorrichtung anschließbar ist, die die verschiedenen Gruppen von Signalaufbereitungsbefehlen liefert.
Gemäß einem zweiten Aspekt dieser Erfindung schafft diese ein Verfahren zum Erfassen einer physikalischen Variablen unter Verwendung eines intelligenten programmierbaren Sensors auf einem Siliciumsockel, enthaltend die Schritte:
Erfassen physikalischer Variabler mit einem Wandler und Erzeugen mehrerer Rohsignale, die die erfaßten physikalischen Variablen repräsentieren;
Empfangen der Rohsignale aus dem Wandler in einem konfigurierbaren Analogsignalaufbereiter;
Aufbereiten der Rohsignale in dem konfigurierbaren Analogsignalaufbereiter;
Übertragen mehrerer aufbereiteter Signale aus dem konfigurierbaren Analogsignalaufbereiter; und
Speichern wenigstens eines Signalaufbereitungsbefehls zum Steuern von Vorgängen des konfigurierbaren Analogsignalaufbereiters in einem ersten konfigurierbaren Speicher, wobei das Speichern das Umprogrammieren des ersten konfigurierbaren Speichers enthält, damit er verschiedene Gruppen von Signalaufbereitungsbefehlen an verschiedenen Zeitpunkten enthält, und das Speichern das Empfangen der unterschiedlichen Gruppen von Signalaufbereitungsbefehlen aus einer externen Programmiervorrichtung umfaßt.
Ein erfindungsgemäßer Sensor gestattet es einem Hersteller, eine einzige Vorrichtung für viele Anwendungen zu entwerfen und herzustellen. Der Anwender kann den Sensor später für eine spezifische Anwendung programmieren. Der intelligente programmierbare Sensor gemäß der Erfindung unterzieht die Rohdaten einer Vorverarbeitung, um den Gesamtsystemwirkungsgrad zu erhöhen.
Bei einer Ausführungsform der Erfindung enthält der Sensor einen Erfassungswandler auf einem einzigen Siliciumsubstratsockel, welcher Wandler ein Analogsignal erzeugt, das proportional zu den physikalischen Variablen ist, die er erfasst. Ein konfigurierbarer Analogsignalaufbereiter empfängt das Analogsignal von dem Erfassungswandler und er verstärkt und filtert das Signal, und er bereitet dieses anderweitig auf und lenkt das Analogsignal zu einem konfigurierbaren Analog/Digital-Umsetzer. Der Sensorwandler, der konfigurierbare Analogsignalaufbereiter und der digitale Umsetzer sind auf demselben Siliciumsockel vorgesehen.
Eine weitere Ausführungsform der Erfindung enthält einen intelligenten programmierbaren Siliciumsensor auf einem einzigen Siliciumsockel, der einen Siliciumsensorwandler enthält, der ein Analogsignal erzeugt, das proportional zu den physikalischen Variablen ist, auf die er anspricht. Ein konfigurierbarer Analogsignalaufbereiter empfängt das Analogsignal, das der Erfassungswandler erzeugt, wobei er das Analogsignal verstärkt, filtert und anderweitig aufbereitet. Der Signalaufbereiter lenkt dieses aufbereitete Analogsignal zu einem konfigurierbaren Analog/Digital-Umsetzer.
Das Sensorsystem kann ferner einen Konfigurations- und Ergebnisbus enthalten, der für Übertragungen zwischen dem Analogsignalaufbereiter, dem Analog/Digital-Umsetzer, einem Programmspeicher, einem digital Signalprozessor und einer Übertragungsschnittstelle vorgesehen ist. Diese Elemente sind alle auf dem gleichen Siliciumsockel vorgesehen.
Ein System kann mehrere intelligente Sensoren der oben beschriebenen Art zusammen mit einem Kontroll-Überwachungs/Steuer-Computer enthalten. Der Kontroll-Überwachungs/Steuer- Computer steht mit den intelligenten programmierbaren Sensoren in Verbindung, um die Operation der intelligenten programmierbaren Sensorkomponenten zu programmieren, wie dies erforderlich ist, um Erfassungsfunktionen gemäß der Sensorsystemanwendung auszuführen.
Ein technischer Vorteil der Erfindung besteht darin, daß sie einen einzelnen Siliciumsensor schafft, den ein Hersteller herstellen und ein Anwender für die spezifische Anwendung programmieren kann.
Ein weiterer technischer Vorteil der Erfindung besteht darin, daß sie eine Vorrichtung schafft, die der Anwender umprogrammieren kann, um unterschiedliche Daten unter der Steuerung eines Echtzeit-Kontrollcomputers oder durch menschlichen Eingriff zu schaffen.
Ein weiterer technischer Vorteil der Erfindung besteht darin, daß der Anwender Mehrfachsensoren von dem gleichen Typ installieren und diese programmieren kann, um ein Gesamtsystem für eine komplexe oder weitläufige Sensorüberwachung und -steuerung zu schaffen.

Kurzbeschreibung der Zeichnung

Die Erfindung sowie deren Vorteile ergeben sich deutlicher aus der folgenden Beschreibung, in der auf die Zeichnung Bezug genommen wird; in dieser zeigen:
Figur 1 ein Blockdiagramm des intelligenten, programmierbaren Sensors und das entsprechende System gemäß der Erfindung;
Figur 2 in Kombination eine geschnittene Seitenansicht und ein Blockdiagramm der Vorrichtung, die die Anordnung der Komponenten des intelligenten programmierbaren Sensors auf einem einzigen Siliciumchip zeigen; und
Figur 3 eine alternative Ausführungsform der Erfindung, wonach der Sensorwandler, der konfigurierbare Analogsignalaufbereiter und der konfigurierbare Analog/Digital-Umsetzer auf einem einzigen Siliciumsockel vorgesehen sind.

Detaillierte Beschreibung der Erfindung

Die Figuren 1-3 der Zeichnung, in denen gleiche Bezugszeichen gleiche oder einander entsprechende Teile der verschiedenen Figuren angeben, dienen dem vollen Verständnis der bevorzugten Ausführungsformen der Erfindung.
Figur 1 zeigt ein Blockdiagramm einer bevorzugten Ausführungsform eines intelligenten programmierbaren Sensors 10 gemäß der Erfindung.
Der intelligente programmierbare Sensor 10 enthält einen Sensorwandler 12, der ein Analogsignal 14 zu einem konfigurierbaren Analogsignalaufbereiter 16 sendet. Die konfigurierbare Analogsignalaufbereitungsschaltung 16 enthält einen konfigurierbaren Speicher 18. Der konfigurierbare Analogsignalaufbereiter 16 sendet ein Analogsignal 20 zu einem konfigurierbaren Analog/Digital-Umsetzer 22. Der konfigurierbare Analog/Digital-Umsetzer 22 enthält einen konfigurierbaren Speicher 24. Der konfigurierbare Analog/Digital-Umsetzer 22 erzeugt ein digitalisiertes Signal 26, und er sendet dieses Signal zu einem digitalen Signalprozessor 28. Der digitale Signalprozessor 28 empfängt auch Verarbeitungsbefehle aus einem Programmspeicher 30, und er sendet Ergebnisse 32 zu einem Aufbereitungs- und Ergebnisbus 34.
Der Aufbereitungs- und Ergebnisbus 34 sendet Konfigurationsbefehle zu einem Konfigurationsspeicher 18 und einem Konfigurationsspeicher 24. Der Konfigurations- und Ergebnisbus 34 sendet ferner Befehle zu einem Programmspeicher 30. Der Aufbereitungs- und Ergebnisbus 34 kann auch existierende Konfigurationen von konfigurierbaren Speichern 18 und 24 und Befehle im Programmspeicher 30 lesen. Der Aufbereitungs- und Ergebnisbus 34 steht in Verbindung mit einer Übertragungsschnittstelle 36. Die Übertragungsschnittstelle 36 steht in Verbindung mit einem Systemübertragungsbus. Der Systemübertragungsbus 38 steht in Verbindung mit weiteren intelligenten Sensoren, zu denen ein intelligenter programmierbarer Sensor 40 und ein intelligenter programmierbarer Sensor 42 zählen. Der Systemübertragungsbus 38 sendet auch Ergebnisse der intelligenten programmierbaren Sensoren sowie Statusmeldungen bezüglich der konfigurierbaren Speicher 18 und 24 und des Programmspeichers 30 zu einem Kontroll-Überwachungs/Steuer-Computer. Der Kontroll-Überwachungs/Steuer-Computer 44 sendet Programminformationen an den intelligenten programmierbaren Sensor 10 sowie an weitere intelligente Sensoren, einschließlich der intelligenten programmierbaren Sensoren 40 und 42.
Figur 2 zeigt zum einen eine geschnittene Seitenansicht und zum anderen ein Blockdiagramm zur Erläuterung der erfindungsgemäßen Konfiguration. Der Siliciumwandler 12 der Figur 2 arbeitet als Siliciumbeschleunigungsmesser. Vorrichtungen wie diese werden als Crashsensoren für die Luftsackentwicklung und als Bewegungssensoren für aktive Aufhängungssysteme verwendet. Sie finden auch Verwendung bei Luft- und Raumfahrt und militärischen Anwendungen.
Die im Zusammenhang mit Figur 1 beschriebenen Komponenten (sowie der Signalfluß zwischen den Komponenten) sind als Blockdiagrammelemente dargestellt, die als einzige Einheit fest an dem Sensorwandler 12 angebracht sind. Figur 2 zeigt ferner einen Sensorwandler 12 als eine Auslegerausführung, die an einem Ende eines Auslegerarms 50 an der Übergangsfläche 54 fest mit dem Siliciumschweberahmen 52 verbunden bleibt, während das andere Ende des Auslegerarmes 50 an der freischwingenden seismischen Masse 56 angebracht ist. Eine Reihe von flexiblen Lappen 58 erstreckt sich über darunterliegende, drei Seiten der seismischen Masse 56 umgebende Fächer 60, um mechanische Anschläge zur Verhinderung eines Abbrechens des Auslegerarms 50 während eines übermäßigen Ausschlagens in allen drei Bewegungsachsen zu schaffen. Zwischen der seismischen Masse 56 und dem Sockel 64 liegt ein Spalt 62, um einen Schutz vor einer Beschädigung aufgrund des übermäßigen Ausschlagens bei elastischen Schwingungen der seismischen Masse 56 zu schaffen. Die Vorrichtung legt die Oberseite des intelligenten programmierbaren Siliciumsensors 10 vollständig frei, um das Hinzufügen der verbleibenden Komponenten der vorliegenden Ausführung zu gestatten. Diese Komponenten können in das Siliciumsubstrat 52 implantiert werden.
Der konfigurierbare Analogsignalaufbereiter enthält eine Aufbereitungsschaltung und einen konfigurierbaren Speicher 18. Die Aufbereitunggsschaltung kann eine Signalverstärkung und möglicherweise eine Filterung liefern. Der Signalaufbereiter 16 kann z. B. einen integralen Verstärker zusammen mit einem Signalfilter zur Verringerung des Rauschens von dem Sensorwandler 12 enthalten. Der intelligente programmierbare Sensor gemäß der Erfindung kann als Merkmal des Analogsignalaufbereiters 16 auch eine Temperaturkompensation des Analogsignals 14 aufweisen. Dies würde dazu führen, daß das Analogsignal 20 genauer auf das Beschleunigungsausgangssignal des Sensorwandlers 12 reagiert, ohne irgendwelche nachteiligen Temperatureffekte von der Sensorumgebung. Der konfigurierbare Speicher 18 enthält einen getrennten nichtflüchtigen Speicher. Z. B. kann der konfigurierbare Speicher 18 ein Register sein, das die Verstärkung des Analogsignals 14 ändert.
Der konfigurierbare Analog/Digital-Umsetzer 22 enthält eine Analog/Digital-Umsetzungsschaltung und einen konfigurierbaren Speicher 24. Der konfigurierbare Speicher 24 speichert Betriebsbefehle, die den Analog/Digital-Umsetzer 22 anweisen, das Analogsignal 20 mit einer besonderen Rate abzutasten und dieses Signal mit einer bestimmten Rate in ein digitalisiertes Signal 26 umzusetzen. Diese Befehle können auch die Anzahl von Informationsbits programmieren, die das digitalisierte Signal 26 enthält. Beispiele für Analog/Digital- Eingabe/Ausgabe-Systeme, die die Funktion des Analog/Digital-Umsetzers 22 erfüllen können, sind die von Texas Instruments Inc. Dallas, Texas, hergestellten TLC32040 und TLC32041. In diesen Vorrichtungen sind ein Bandpaß-Schaltkondensator oder auch Eingangsfilter, ein Analog/Digital- Umsetzer mit einer 14-Bit-Auflösung, vier mikroprozessorkompatible Serienanschlußmoden, ein Digital/Analog-Umsetzer mit einer 14-Bit-Auflösung und ein Ausgangs- Wiederherstellungsfilter mit Tiefpaß-Schaltkondensator integriert.
Jede Vorrichtung, die in der Lage ist, die Funktionen der TLC32040 oder TLC32041 auszuführen, kann als zufriedenstellender Analog/Digital-Umsetzer betrachtet werden.
Der Digitalsignal-Prozessor 28 gestattet es, daß der intelligente programmierbare Sensor 10 eine Anzahl von unterschiedlichen Funktionen ausführt. Der Digitalsignalprozessor 28 verarbeitet die durch dieses digitalisierte Signal 26 übertragenen Daten gemäß Befehlen aus dem programmierbaren Speicher 30. Die Befehle aus dem programmmierbaren Speicher 30 stammen ursprünglich aus dem Kontroll-Überwachungs/Steuer-Computer 44. Die Ergebnisse 32 enthalten daher digitale Datensignale, die gemäß den Befehlen aus dem Kontroll- Überwachungs/Steuer-Computer 44 verarbeitet wurden. Da die Ergebnisse 32 gemäß den Steuerbefehlen aus dem Computer 44 verarbeitet werden, liefert das intelligente programmierbare Sensorsystem 10 Informationen an den Computer, die wesentlich einfacher zu verarbeiten und wesentliche einfacher über den Systemübertragungsbus 38 zu übertragen sind als rohe Analogsignaldaten aus dem Sensorwandler 12. Der Programmspeicher 30 stellt einen normalen nichtflüchtigen Speicher bereit, der es gestattet, daß die Sensorvorrichtung ihre charakteristischen Eigenschaften hinsichtlich der Verarbeitungsbefehle und der Datenausgänge beibehält, bis ein Umprogrammmieren erfolgt.
Die von Texas Instruments, Dallas, Texas, hergestellten 16/32-Bit-Einchip-Digitalsignalprozessoren der Familie TMS320 besitzen Digitalsignalprozessorkerne, die die Erfordernisse des Digitalsignalprozessors 28 erfüllen. Die Digitalsignalprozessoren dieser Familie besitzen eine spezielle Gruppe von Digitalsignalaufbereitungsbefehlen, was einen Digitalsignalprozessor in die Lage versetzt, 12,8 Millionen Befehle pro Sekunde auszuführen. Diese Befehlsrate erfüllt allgemein für die meisten Erfassungsanwendungen die Verarbeitungserfordernisse von Befehlen aus dem Programmspeicher 30. Bei der bevorzugten Ausführungsform der Erfindung kann jedoch irgendein Digitalsignalprozessor verwendet werden, der in der Lage ist, Eingangssignale von dem Programmspeicher 30 und ein digitalisiertes Signal 36 zu empfangen, um Ergebnisse 32 zu erzeugen und diese Ergebnisse zu dem Aufbereitungs- und Ergebnisbus 34 zu übertragen.
Der Aufbereitungs- und Ergebnisbus 34 verbindet die Übetragungsschnittstelle 36 mit verschiedenen Elementen einschließlich des konfigurierbaren Analogsignalaufbereiters 16 und des konfigurierbaren Analog/Digital-Umsetzers 22. Der Aufbereitungs- und Ergebnisbus 34 empfängt Kontrollbefehle einschließlich Konfigurationsbefehlen und Verarbeitungsbefehlen von dem Kontroll-Überwachungs/Steuer-Computer 44 über die Übertragungsschnittstelle 36. Die Konfigurationsbefehle werden durch den Konfigurations- und Ergebnisbus 34 zu dem konfigurierbaren Speicher 18 und dem konfigurierbaren Speicher 24 gesendet. Diese konfigurieren den Analogsignalaufbereiter 16 und den Analog/Digital-Umsetzer 22 gemäß den Anweisungen des Kontrollcomputers 44, um die Art und Weise zu ändern, in der der Signalaufbereiter 16 und der Analog/Digital-Umsetzer 22 das Analogsignal 14 aufbereiten bzw. das Analogsignal 20 umsetzen.
Der Aufbereitungs- und Ergebnisbus 34 dient auch zur Steuerung der Datenverarbeitung des Digitalsignalprozessors 28 und des Programmspeichers 30. Der Kontrollcomputer 44 kann in Abhängigkeit von den Ergebnissen 32 anweisen, daß der Digitalsignalprozessor 28 das digitalisierte Signal 26 unterschiedlich verarbeitet. In einem solchen Fall erzeugt der Kontrollcomputer 44 eine unterschiedliche Gruppe von Verarbeitungsbefehlen, und er sendet diese Verarbeitungsbefehle über den Systemübertragungsbus 28 zu der Übertragungsschnittstelle 36. Die Übertragungsschnittstelle 36 lenkt diese Befehle über den Aufbereitungs- und Ergebnisbus 34 zu dem Programmspeicher 30. Der Programmspeicher 30 speichert diese unterschiedlichen Befehle, und er sendet sie zu dem Digitalsignalprozessor 28. Mit diesen unterschiedlichen Befehlen verarbeitet der Digitalsignalprozessor 28 das digitalisierte Signal, um eine verschiedene Gruppe von Ergebnissen 32 zu erzeugen und an den Aufbereitungs- und Ergebnisbus 34 zurückzugeben. Schließlich überträgt der Aufbereitungs- und Ergebnisbus 34 diese unterschiedlichen verarbeiteten Ergebnisse 32 über die Übertragungsschnittstelle 36 und den Systemübertragungsbus 38 zu den Kontrollcomputer 44. Damit arbeitet der Aufbereitungs- und Ergebnisbus 34 als der zentrale Datenübertragungsweg mit dem intelligenten programmierbaren Sensor 10 gemäß der Erfindung.
Der Systemübertragungsbus 38 ist ein Niederpegel-Übertragungsbus, der entweder eine parallele oder eine serielle Verbindung zwischen intelligenten Sensoren wie den intelligenten programmierbaren Sensoren 40 und 42 und dem Kontrollcomputer 44 sein kann. Der Kontroll-Überwachungs/Steuer- Computer 44 kann irgendeine Datenverarbeitungsvorrichtung sein, die in der Lage ist, die oben beschriebenen Überwachungs- und Steuerfunktionen auszuführen.
Figur 3 zeigt eine alternative Ausführungsform der Erfindung. Diese Ausführungsform enthält auf einem einzigen Siliciumsockel einen Sensorwandler 12, einen konfigurierbaren Analogsignalaufbereiter 16 und einen konfigurierbaren Speicher 18. Auf einem getrennten Siliciumsockel sind der konfigurierbare Analog/Digital-Umsetzer 22 mit dem konfigurierbaren Speicher 24, der Programmspeicher 30, der Digitalsignalprozessor 28, der Aufbereitungs- und Ergebnisbus 34 und die Übertragungsschnittstelle 36 vorgesehen. Diese 2-Chip- Konfiguration liefert weiterhin ein kompaktes und hochintegriertes Paar von Vorrichtungen des intelligenten programmierbaren Sensors 10 gemäß der Erfindung. Diese Vorrichtung besitzt auch die Flexiblität, die bei früheren Siliciumsensoren vermißt wurde. Diese Ausführung ermöglicht dem Verwender auch das Programmieren des Analogsignalaufbereiters 16, sowohl nach der anfänglichen Installation bei der besonderen Anwendung, als auch in Echtzeit entsprechend der Analysen der Ergebnisse 32 durch den Anwender.
Es wird nun auf den Betrieb des intelligenten programmierbaren Sensors 10 Bezug genommen, wobei im folgenden eine mögliche Anwendung eines die Erfindung verwirklichenden Silicium-Beschleunigungsmesser-Sensors beschrieben wird. Auf dem Gebiet der Maschinenfehlerdiagnose verwenden die Maschinenbediener Sensoren zur Erzeugung von Rohinformationen, die irgendein menschlicher Experte (oder ein Computerprogramm) interpretieren muß. Diese Sensoren, seien es Siliciumsensoren oder andere, erzeugen eine große Menge an Daten, die Maschinenschwingungen über der Zeit dokumentieren.
Der intelligente programmierbare Sensor 10 gestattet mit dem Datenübertragungsbus 38 und den Kontroll-Überwachungs/Steuer-Computer 44 gemäß der Erfindung den Verzicht des menschlichen Experten für zahlreiche Maschinendiagnoseprozeduren. Dies ist darauf zurückzuführen, daß der intelligente programmierbare Sensor 10 ein ausreichendes Datenverarbeitung- Leistungsvermögen für den Kontroll-Überwachungs/Steuer-Computer 44 aufweist, um verarbeitete digitale Daten zu speichern, Analysen durchzuführen und Entscheidungen zu treffen, die für Maschinendiagnoseprozeduren erforderlich sind. Für eine solche Anwendung kann der Kontroll-Überwachungs/Steuer- Computer 44 den intelligenten programmierbaren Sensor 10 entsprechend einem Entscheidungsprogramm in dem Kontroll- Überwachungs/Steuer-Computer 44 umprogrammieren. So kann bei einer Maschinenfehlerdiagnose-Anwendung dann, wenn der Kontroll-Überwachungs/Steuer-Computer 44 von dem Digitalsignalprozessor 28 Ergebnisse 32 empfängt, die anzeigen, daß eine Maschine gerade anfängt anormal zu arbeiten, indem bestimmte Betriebseinstellpunkte erreicht werden, der Kontrollcomputer 44 Programmbefehle zu dem Programmspeicher 30 lenken, um den Modus des Betriebs des Digitalsignalprozessors 28 zu ändern.
Diese unterschiedlichen Befehle können z.B. den Digitalsignalprozessor 28 anweisen, genauer auf eine feinere Frequenz der Maschinenschwingung zu achten, um eine eventuell ausgefallenene Komponente zu isolieren. Zur gleichen Zeit kann der Kontrollcomputer 44 den konfigurierbaren Speicher 18 und den konfigurierbaren Speicher 24 anweisen, den Betrieb des Analogsignalaufbereiters 16 bzw. des Analog/Digital-Umsetzers zu ändern. Beispielsweise kann der Kontroll-Überwachungs/Steuer-Computer 44 den Analogsignalaufbereiter 16 anweisen, die Verstärkung des Analogsignals 20 zu erhöhen, das er zu dem Analog/Digital-Umsetzer 22 sendet. Der Kontroll-Überwachungs/Steuer-Computer 44 kann ferner z.B. den Analog/Digital-Umsetzer 22 anweisen, die Bitrate des digitalisierten Signals 26 zu erhöhen. Diese Änderungen erhöhen die Auflösung, und sie erweitern die Frequenzbandbreite der Schwingungsanalysen bei Schwingungen, die der Wandler 12 erfaßt. Die Ergebnisse 32, die diese Änderungen hervorbringen, können entscheidend für das Isolieren einer besonderen versagenden Komponente vor einer Verhinderung des Maschinenbetriebs durch diese Komponente sein, oder sie können eine ungefähre geschätzte Zeit bis zum Ausfall der Komponente angeben. Der intelligente programmierbare Sensor 10 kann daher wesentliche Verbesserungen bei der Maschinenfehlerdiagnose und dem Maschinenbetrieb mit sich bringen.
Obwohl die Erfindung im Zusammenhang mit den obigen besonderen Ausführungsformen beschrieben wurde, ist der Rahmen der Erfindung durch die Ansprüche und nicht durch diese Beschreibung bestimmt. Für den Fachmann ergeben sich anhand der obigen Beschreibung auch zahlreiche Abwandlungen der offenbarten Ausführung sowie alternative Ausführungen der Erfindung. Daher sind auch solche Abwandlungen, die in den tatsächlichen Bereich der Erfindung fallen, von den Ansprüchen gedeckt.
Als Beispiel einer abgewandelten Ausführungsform kann das System 38 beispielsweise eine drahtlose Übertragungsleitung sein, so daß ein System Befehle von ferngelegenen Stellen aussenden kann.

Claims

1. Intelligente programmierbare Sensorvorrichtung mit Elementen, die auf einem Siliciumsockel befestigt sind, wobei die Elemente enthalten:

einen Wandler (12) zum Erfassen von physikalischen Variablen und zum Erzeugen mehrerer roher Analogsignale, die die erfaßten physikalischen Variablen repräsentieren; und

einen konfigurierbaren Analogsignalaufbereiter (16), der die Rohsignale aus dem Wandler (12) empfängt, wobei der konfigurierbare Analogsignalaufbereiter (16) die rohen Analogsignale aufbereitet, damit aufbereitete Analogsignale übertragen werden, wobei der konfigurierbare Analogsignalaufbereiter (16) enthält:

einen ersten konfigurierbaren Speicher (18) zum Speichern von wenigstens einem Signalaufbereitungsbefehl zum Anweisen des konfigurierbaren Analogsignalaufbereiters (16), wobei der erste konfigurierbare Speicher (18) umprogrammierbar ist, um verschiedene Gruppen von Signalaufbereitungsbefehlen an verschiedenen Zeitpunkten zu enthalten, und an eine externe Programmiervorrichtung anschließbar ist, die die verschiedenen Gruppen von Signalaufbereitungsbefehlen liefert.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, bei welcher die Vorrichtung enthält:

einen konfigurierbaren Analog/Digital-Umsetzer (22) auf einem Siliciumsockel für den Empfang der aufbereiteten Analogsignale und zum Umsetzen der aufbereiteten Analogsignale in mehrere digitalisierte Signale.

3. Vorrichtung nach Anspruch 2, mit einem zweiten konfigurierbaren Speicher (24) auf einem Siliciumsockel in integraler Verbindung mit dem konfigurierbaren Analog/Digital-Umsetzer (22), wobei der zweite konfigurierbare Speicher (24) der Speicherung wenigstens eines Signalaufbereitungsbefehls zum Anweisen des konfigurierbaren Analog/Digital-Umsetzers (22) dient, und der zweite konfigurierbare Speicher (24) umprogrammierbar ist, um an verschiedenen Zeitpunkten verschiedene Signalaufbereitungsbefehle zu enthalten, und an eine externe Programmiervorrichtung anschließbar ist, die die verschiedenen Gruppen von Signalaufbereitungsbefehlen liefert.

4. Vorrichtung nach Anspruch 3, mit einem digitalen Signalprozessor (28) auf dem Siliciumsockel in Verbindung mit dem Analog/Digital-Umsetzer (22) zum Verarbeiten der digitalisierten Signale aus dem konfigurierbaren Analog/Digital-Umsetzer (22).

5. Vorrichtung nach Anspruch 4, mit einem Programmspeicher (30) auf einem Siliciumsockel in Verbindung mit dem digitalen Signalprozessor (28) zum Speichern mehrerer Programmbefehle zum Steuern der Verarbeitung der digitalisierten Signale und zum Anweisen des digitalen Signalprozessors (28) zur Verarbeitung der digitalisierten Signale entsprechend den Programmbefehlen, wobei der Programmspeicher (30) umprogrammierbar ist, um an verschiedenen Zeitpunkten verschiedene Programmbefehle zum Steuern und Anweisen des digitalen Signalprozessors (28) zu enthalten, und an eine externe Programmiervorrichtung anschließbar ist, die die verschiedenen Programmbefehle liefert.

6. Vorrichtung nach Anspruch 5, mit einem Aufbereitungs- und Ergebnisbus (34) auf einem Siliciumsockel in Verbindung mit dem ersten konfigurierbaren Speicher (18) des Analogsignalaufbereiters (16), dem zweiten konfigurierbaren Speicher (24) des Analog/Digital-Umsetzers (22), dem Programmspeicher (30) und dem Digitalsignalprozessor (28) zum Lenken von Übertragungen durch die gesamte intelligente programmierbare Sensorvorrichtung.

7. Vorrichtung nach Anspruch 6, bei welcher die Vorrichtung mit einer externen Beschaltung in Übertragungsverbindung steht und bei welcher die Vorrichtung eine Übertragungsschnittstelle (36) enthält, die sich auf einem Siliciumsockel befindet und mit dem Aufbereitungs- und Ergebnisbus (34) in Verbindung steht, um Übertragungssignale zwischen der Vorrichtung und der externen Beschaltung zu übertragen.

8. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, bei welcher alle Elemente der Vorrichtung auf einem einzigen Siliciumsockel angebracht sind.

9. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, bei welcher die Elemente der Vorrichtung auf wenigstens zwei Siliciumsockeln angebracht sind.

10. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche mit Eignung für diagnostische Analysen, wobei der Wandler (12) ein Beschleunigungsmesser ist.

11. Vorrichtung nach Anspruch 10, enthaltend:

eine Schaltungsanordnung zum Überwachen der aufbereiteten analogen Ausgangssignale und

eine Schaltungsanordnung, die gemeinsam von den Signalaufbereitungsbefehlen und den überwachten aufbereiteten analogen Ausgangssignalen gesteuert wird, um den Signalaufbereiter (16) zu ändern.

12. Verfahren zum Erfassen einer physikalischen Variablen unter Verwendung eines intelligenten programmierbaren Sensors auf einem Siliciumsockel, enthaltend die Schritte:

Erfassen physikalischer Variabler mit einem Wandler und Erzeugen mehrerer Rohsignale, die die erfaßten physikalischen Variablen repräsentieren;

Empfangen der Rohsignale aus dem Wandler in einem konfigurierbaren Analogsignalaufbereiter;

Aufbereiten der Rohsignale in dem konfigurierbaren Analogsignalaufbereiter;

Übertragen mehrerer aufbereiteter Signale aus dem konfigurierbaren Analogsignalaufbereiter; und

Speichern wenigstens eines Signalaufbereitungsbefehls zum Steuern von Vorgängen des konfigurierbaren Analogsignalaufbereiters in einem ersten konfigurierbaren Speicher, wobei das Speichern das Umprogrammieren des ersten konfigurierbaren Speichers enthält, damit er verschiedene Gruppen von Signalaufbereitungsbefehlen an verschiedenen Zeitpunkten enthält, und das Speichern das Empfangen der unterschiedlichen Gruppen von Signalaufbereitungsbefehlen aus einer externen Programmiervorrichtung umfaßt.

13. Verfahren nach Anspruch 12, enthaltend den Schritt des Empfangens der aufbereiteten Signale und des Umsetzens der aufbereiteten Signale in mehrere digitalisierte Signale in einem konfigurierbaren Analog/Digital-Umsetzer.

14. Verfahren nach Anspruch 13, enthaltend den Schritt des digitalen Verarbeitens der digitalisierten Signale aus dem konfigurierbaren Analog/Digital-Umsetzer unter Verwendung eines digitalen Signalprozessors.

15. Verfahren nach Anspruch 14, enthaltend die Schritte des Speicherns mehrerer Programmbefehle zum Steuern der Verarbeitung der digitalisierten Signale in einen Speicher und zum Anlegen der Befehle zum Anweisen des digitalen Signalprozessors zur Verarbeitung der digitalisierten Signale, wobei das Speichern das Umprogrammierbaren des Programmspeichers umfaßt, damit dieser verschiedene Gruppen von Programmbefehlen an verschiedenen Zeitpunkten enthält, und das Speichern das Empfangen der verschiedenen Gruppen von Programmbefehlen aus einer externen Programmiervorrichtung umfaßt.

16. Verfahren nach Anspruch 14 oder 15, enthaltend den Schritt des Speicherns von wenigstens einem Signalumsetzungsbefehl zum Steuern des konfigurierbaren Analog/Digital- Umsetzers in einen zweiten konfigurierbaren Speicher, wobei das Speichern das Umprogrammierbaren des zweiten konfigurierbaren Speichers umfaßt, damit dieser unterschiedliche Gruppen von Signalumsetzungsbefehlen an verschiedenen Zeitpunkten enthält, und das Speichern das Empfangen der unterschiedlichen Gruppen von Signalumsetzungsbefehlen aus einer externen Programmiervorrichtung umfaßt.

17. Verfahren nach Anspruch 16, enthaltend den Schritt des Lenkens digitaler Signalübertragungen zwischen dem konfigurierbaren Speicher des Signalaufbereiters, dem konfigurierbaren Speicher des Analog/Digital-Umsetzers, dem programmierbaren Speicher und dem digitalen Signalprozessor unter Verwendung eines Aufbereitungs- und Ergebnisbusses auf einem einzigen Siliciumsockel.