DE69824712T2

DE69824712T2 - Polynomiale rechnervorrichtung

Info

Publication number: DE69824712T2
Application number: DE69824712T
Authority: DE
Inventors: William Roeckner; Timothy Rueger; Walter Czarnocki
Original assignee: Motorola Inc
Current assignee: Motorola Solutions Inc
Priority date: 1998-02-02
Filing date: 1998-12-18
Publication date: 2004-12-02
Anticipated expiration: 2018-12-19
Also published as: JP2001522497A; WO1999039270A1; US5939693A; EP0972243A1; EP0972243A4; JP4149006B2; DE69824712D1; EP0972243B1

Description

Gebiet der Erfindung
Die vorliegende Erfindung bezieht sich im Allgemeinen auf polynomiale Rechnervorrichtungen, die vorzugsweise mit Sensoren gekoppelt sind, und im Besonderen verwendet werden, um Sensoren zu eichen.
Hintergrund der Erfindung
Das Dokument US-A-4 20 2039 offenbart einen spezialisierten Mikroprozessor nach dem Stand der Technik zum Berechnen der Summe von Produkten zweier komplexer Operanden. Er umfasst einen Seriell/Parallel-Multiplizierer, einen Akkumulator mit Doppelseriell-Akkumulatorteilen mit Rückkopplung von dem LSB zu dem MSB.
Die Welt ist voll von Sensorvorrichtungen zum Detektieren physikalischer Phänomene und zum Bereitstellen eines Signals in Reaktion auf die Phänomene. Zum Beispiel wandelt ein Thermometer die physikalische Bedingung Temperatur in ein visuelles Signal, einer Höhe von Quecksilber in einer Glassäule, um. Ein anderes Beispiel einer Temperaturabtastvorrichtung ist ein Thermoelement, das die physikalische Bedingung Temperatur in ein elektrisches Signal umwandelt. Um brauchbar zu sein, muss das Sensorsignal selbstverständlich einem besonderen physikalischen Phänomen entsprechen. Zum Beispiel hat das Thermometer Linien auf der Glassäule, um die Temperaturgrade anzuzeigen. Die Linien müssen natürlich an den richtigen Standorten auf der Glassäule sein, um eine Bedeutung zu haben, und das Verfahren, durch das die Linien richtig angeordnet werden, ist als Eichung bekannt. Während der Eichung wird der Sensor einer bekannten physikalischen Bedingung oder Bedingungen ausgesetzt und es wird seine Reaktion beobachtet. Das Beobachten der Reaktion des Sensors auf die bekannten Bedingungen erlaubt es einem, die Reaktion des Sensors auf einen weiten Bereich von Bedingungen vorherzusagen.
Drucksensoren sind Vorrichtungen, die ein Signal zur Verfügung stellen, das Druck anzeigt, zum Beispiel die Menge an Luftdruck in einem Reifen. Wie andere Arten von Sensoren benötigen Drucksensoren eine Eichung, um brauchbar zu sein. Eine besondere Art von Drucksensor, bekannt als ein piezoresistiver Drucksensor, stellt ein Spannungssignal zur Verfügung, das einen abgetasteten Druck anzeigt. Der piezoresistive Drucksensor wirft bei der Anwendung eine Reihe von Problemen auf. Zum Beispiel stellt das piezoresistive Abtastelement ein relativ kleines Spannungssignal zur Verfügung. Außerdem kann das piezoresistive Abtastelement ein Signal zur Verfügung stellen, das empfindlich gegenüber Temperaturänderung ist und das sich mit änderndem Druck nicht linear ändert. Darüber hinaus kann es sein, dass die Signalspannungskennlinie vom einen zum anderen Abtastelement nicht einheitlich ist. Daher ist für ein Sensorprodukt, das eine höhere Sensorausgabe zur Verfügung stellt, die über einen weiten Bereich von Betriebstemperaturen und Drücken genau ist, ein spezieller Signalaufbereitungsschaltkreis erforderlich. Wichtig ist, dass die Vorrichtung für eine Massenproduktion bei niedrigen Kosten und mit einem hohen Maß an Reproduzierbarkeit der Bauteile geeignet sein muss.
Die meisten preiswerten Signalaufbereitungsansätze verwenden analoge Schaltungen, die während eines Eichprozesses, typischerweise während der Herstellung des Sensors, eingestellt werden. Bekannterweise werden zum Beispiel Verstärkerschaltungen verwendet, die mit Widerstandsnetzwerken gekoppelt sind. In einer solchen Anwendung umfasst das Widerstandsnetzwerk eine Reihe von Widerstandselementen, die durch schmelzbare Verbindungen gekoppelt sind. Obwohl das Ausmaß der zur Verfügung stehenden Einstellung begrenzt ist, können verschiedene Widerstandswerte zum Bereitstellen einer akzeptablen Ausgabe aus dem Verstärkernetzwerk eingerichtet werden. In einer anderen Anwendung umfasst das Widerstandsnetzwerk lasertrimmbare Widerstandselemente. Während eines Eichprozesses werden die Widerstandselemente durch Verwenden eines Lasers getrimmt, um die richtigen Widerstandswerte zu erreichen und um eine akzeptable Ausgabe aus dem Verstärkernetzwerk zur Verfügung zu stellen. In beiden Anwendungen kann der Zugriff auf die Schaltung während der Verarbeitung erforderlich sein, um Verbindungen zu schmelzen und/oder Komponente laserzutrimmen. Die Herstellungsverarbeitungsoptionen sind somit begrenzt. Außerdem kann es in bestimmten Anwendungen schwierig sein, Offset, Empfindlichkeit und Linearität unabhängig voneinander zu kompensieren. Weiterhin können Verarbeitungsaktivitäten Fehler einführen, die in dem Endprodukt nicht korrigiert werden können. Und das Lastertrimmverfahren erfordert eine teure Verarbeitungshardware und leidet unter einer erhöhten Zykluszeit.
Eine alternative Ausführung stellt eine elektronische Eichung des Abtastelementes zur Verfügung. Sensoren, die für eine elektronische Eichung geeignet sind, umfassen einen Mikroprozessor, der mit dem Sensorelement über ein geeignetes Signalaufbereitungsnetzwerk und mit einem Speicher gekoppelt ist, in dem ein Eichverfahren gespeichert ist. Während der Verarbeitung wird das Abtastelement unter verschiedenen bekannten Betriebsbedingungen getestet. Eichwerte werden eingerichtet und in dem Speicher gespeichert. Unter Betriebsbedingungen arbeitet der Mikroprozessor in Verbindung mit dem Verfahren und den Eichwerten, um eine Sensorausgabe zur Verfügung zu stellen. Bedauerlicherweise ist der mikroprozessorbasierte Ansatz unerschwinglich teuer und für eine geschlossene Sensorvorrichtung von der Art, die typischerweise für Fahrzeug- und ähnliche Anwendungen vorgesehen ist, physikalisch zu groß. Andere Verarbeitungstechnologien, wie z. B. digitale Signalprozessoren (DSPs), haben, wegen der hohen Kosten und Komplexität von Mehrzweck-DSP-Systemen, nicht den Weg zu einer erfolgreichen Implementierung in preiswerte, in großer Stückzahl produzierte Sensoren gefunden. Zum Beispiel erfordern diese Lösungen typischerweise einen Direktzugriffsspeicher (RAM)-Speicherblock und ein Rechenwerk (ALU), das aus einem Parallel-Multiplizierer, einem Parallel-Addierer und einem verknüpften Schaltkreis besteht. Diese Elemente sind für eine kosteneffektive Implementierung zu groß.
Es ist daher noch ein Bedarf an einer kosteneffektiven elektronisch geeichten Abtastvorrichtung vorhanden. Die bevorzugte Vorrichtung überwindet Verarbeitungsbeschränkungen, die mit dem Schmelzen von Verbindungen und/oder dem Lasertrimmen von Komponenten verknüpft sind, und ist computereffizient, um so den Bedarf an teure und große Mikroprozessorkomponenten zu eliminieren.
Diese Ziele werden grundsätzlich durch Anwenden der Merkmale erreicht, die in den anhängenden Ansprüchen dargelegt werden.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
1 ist ein schematisches Diagramm, das eine typische Signalaufbereitungsschaltung nach dem Stand der Technik darstellt, die mit einem Abtastelement gekoppelt ist;
2 ist ein Blockdiagramm, das eine Signalaufbereitungsschaltung gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigt;
3 ist ein Blockdiagramm, das eine computereffiziente polynomiale Rechenschaltung darstellt und gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zur Verwendung in der Signalaufbereitungsschaltung von 2 geeignet ist;
4–11 sind Schaltungsblockdiagramme, die in sequenzieller Reihenfolge den Betrieb der polynomialen Rechenschaltung von 3 gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung darstellen; und
12 ist ein Blockdiagramm eines Sensorsystems gemäß einer alternativen bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
Beschreibung einer bevorzugten Ausführungsform
In einem elektronisch geeichten Sensor ist ein Abtastelementausgang mit einer Eichschaltung gekoppelt. Die Eichschaltung ist so konstruiert, dass sie hochgradig computereffizient ist und für eine Temperaturschwankungskompensation, für eine Kompensation von Abweichungen zwischen Bauteilen, zum Linearisieren und Skalieren der Abtastelementausgabe zum Bereitstellen eines brauchbaren Sensorausgangssignals betrieben werden kann. Ein Eichverfahren umfasst eine eindeutige polynomiale Lösung, die als Teil der Eichschaltung implementiert ist. Die Abtastvorrichtung wird vorzugsweise vor der Eichung hergestellt und verpackt, um irgendeinen Verarbeitungsfehler nach der Eichung zu vermeiden. Der verpackte Sensor wird geeicht, und eine Reihe von Eichwerten wird in einem Speicheranteil der Eichschaltung gespeichert und auf diese Eichwerte wird während der Abtastelementsignalverarbeitung durch das Eichverfahren zugegriffen. Es ist klar, dass die Eichschaltung und die polynomiale Lösung auf viele Sensorarten angewendet werden kann, und aus der nachfolgenden Diskussion einer bevorzugten beispielhaften Implementierung in Verbindung mit einer piezoresistiven Druckabtastvorrichtung soll keine Beschränkung abgeleitet werden.
Es wird auf die Zeichnungen und im Besonderen auf 1 Bezug genommen. Darin wird ein Sensor 10 nach dem Stand der Technik gezeigt und umfasst ein Abtastelement 12, das mit einer Signalaufbereitungsschaltung 14 gekoppelt ist, die die Verstärker 16 und 18 und eine Mehrzahl von Widerstandselementen, 20–28, umfasst. Die Verstärker 16 und 18 und die Widerstände 20–28 arbeiten, um die Ausgabe des Abtastelementes 12 aufzubereiten und zu verstärken und um ein akzeptables Ausgangssignal zur Verfügung zu stellen. In den Implementierungen nach dem Stand der Technik bestehen die Widerstandselemente 20–28 typischerweise aus einer dicken Materialschicht, die auf einem Trägermaterial aufgebracht ist, auf dem die Abtastelementhalbleitermatrize befestigt wird, oder einer dünnen Materialschicht, die direkt auf der Halbleitermatrize aufgebracht ist.
Während eines Eichteils des Herstellungsprozesses wird das Widerstandsmaterial lasergetrimmt, um seinen Widerstandswert zu verändern. Obwohl die vorherrschende Konstruktion für eine preiswerte Abtastvorrichtung mittlerer bis hoher Leistung, leidet sie unter vielen Herstellungs- und Leistungsnachteilen. In alternativen Implementierungen umfassen die Widerstandselemente 20–28 eine Mehrzahl von Widerstandswerten, die durch Verwenden schmelzbarer Verbindungen verbunden oder isoliert werden, um einen gewünschten Widerstandswert zu erreichen.
In 2 wird ein Sensor 100 gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung gezeigt und umfasst ein Abtastelement 102, das mit einer Signalaufbereitungsschaltung 104 gekoppelt ist. Das Abtastelement umfasst ein temperaturabhängiges Druckabtastelement, das sowohl ein Drucksignal als auch ein Temperatursignal zur Verfügung stellt. Es ist zu beachten, dass das Abtastelement entweder durch Verwenden eines einzelnen Sensors mit getrennten Druck- und Temperaturausgangssignalen oder durch Verwenden getrennter Druck- und Temperatursensoren konstruiert werden kann. Die Signalaufbereitungsschaltung 104 wird vorzugsweise als eine integrierte Einzelchipschaltung implementiert und umfasst den Drucksignal-Voraufbereitungsschaltkreis 106, eine Temperatursignal-Voraufbereitungsschaltung 108, einen Multiplexer 110, einen Analog-Digital/Digital-Analog-Wandler (ADC/DAC) 112, einen elektronisch löschbaren Nur-Lesespeicher (EEPROM) 114, die Speichersteuerregister 116, einen Polynomialrechner 118, eine Eingangs/Ausgangs(I/O)-Steuerung 120, ein Ausgangsfilter 122 und einen Ausgangstreiber 124. Der ADC/DAC 112 ist vorzugsweise als eine kombinierte Analog-Digital (ADC)- und Digital-Analog (DAC)-Wandlervorrichtung implementiert. Dem Fachmann auf dem Gebiet ist jedoch klar, dass getrennte ADC- und DAC-Vorrichtungen implementiert werden können, ohne vom Geist der vorliegenden Erfindung abzuweichen. Die Schaltung 104 umfasst weiterhin einen Oszillator 126, der mit einem Taktgeber 128 gekoppelt ist, der einen Ausgang auf geeignete Weise, wie dem Fachmann bekannt, mit dem vorangehenden Schaltelementen gekoppelt hat. Weiterhin ist dem Fachmann auf dem Gebiet klar, dass gemäß einer guten Konstruktionspraxis die Schaltung 104 weiterhin einen Überspannungsschutz, einen Betriebsspannungsgenerator, eine Einschalt-Reset-Funktion und eine Testlogik (nicht gezeigt) umfasst.
Das Abtastelement 102 ist vorzugsweise ein piezoresistives Abtastelement, das als ein Teil einer dem Fachmann auf dem Gebiet bekannten Halbleitermatrize zum Bereitstellen eines druckanzeigenden Signals gebildet ist. In bevorzugten Ausführungsformen können die Abtastelemente 102 als ein getrenntes Element gebildet und mit der Signalaufbereitungsschaltung 104 gekoppelt sein (wie in 2 gezeigt) oder können als Teil eines Verarbeitungsschaltungschips in einem Stück gebildet sein. Das Abtastelement 102 stellt weiterhin ein Temperatursignal zur Verfügung, das die Temperatur des Abtastelementes 102 anzeigt. In einer alternativen bevorzugten Ausführungsform kann eine getrennte Temperaturabtastvorrichtung eingefügt werden, um das Temperatursignal zur Verfügung zu stellen. Die Ausgabe des Abtastelementes 102 ist ein relativ kleines Signal, das im Allgemeinen mit der Temperatur variiert und von Bauteil zu Bauteil wesentlich variiert. Die Ausgabe des Abtastelementes 102 kann außerdem bestimmte, nicht lineare Eigenschaften umfassen. Dementsprechend wird die Ausgabe des Abtastelementes 102 durch die Signalaufbereitungsschaltung 104 zum Bereitstellen eines temperaturkompensierten, im Wesentlichen linearen Signals in einem brauchbaren Spannungsbereich bearbeitet.
Im Besonderen sind die Druck- 103, 105 und Temperatur- 107 Ausgangssignale aus dem Abtastelement 102 zum anfänglichen Filtern, Verstärken und Versehen der Ausgangssignale 103, 105 und 107 des Abtastelementes mit einem Offset jeweils mit dem Druck- und Temperatur-Voraufbereitungsschaltkreis 106 und 108 gekoppelt. Die voraufbereiteten Druck- und Temperatursignale werden dann über den Multiplexer 110 selektiv mit dem ADC/DAC 112 gekoppelt. Der ADC/DAC 112 bearbeitet die voraufbereiteten Signale zum Bereitstellen jeweils des digitalen Druck- und Temperatursignals.
Der ADC/DAC 112 ist vorzugsweise eine Quotientenmessvorrichtung. Das heißt, dass der ADC/DAC 112 proportional zur Versorgungsspannung arbeitet, so dass die Ausgabe des Sensors 100 proportional zu der Versorgungsspannung bleibt.
Aus dem ADC/DAC 112 werden die digitalen Druck- und Temperatursignale über den Bus 130 mit den Steuerregistern 116 und dem Polynomialrechner 118 gekoppelt. Wie am besten in 3 zu sehen, umfassen die Steuerregister 116 ein Analog-Digital (A/D)-Register 318, das Speicherregister B, 320 und das Speicherregister C, 322. Jedes der Register 318 –322 ist über den Bus 130 mit dem Polynomialrechner 118, dem ADC/DAC 112 und anderen ähnlichen Schaltkreisen der Signalaufbereitungsschaltung 104 gekoppelt. Der EEPROM 114 umfasst einen Datenspeicherteil und im Besonderen Speicher für eine Mehrzahl von Eichkoeffizienten 324. Die Ausgangssignale aus dem Polynomialrechner 118 werden über den Bus 130 mit dem ADC/DAC 112 gekoppelt, wo das digitale Signal in ein analoges Ausgangssignal rückgewandelt wird. Das analoge Ausgangssignal wird durch Verwenden des Filters 122 gefiltert und zur Ausgabe durch den Ausgangstreiber 124 verstärkt. Die I/O-Steuervorrichtung 120 stellt eine Fähigkeit zur Verfügung, von außen auf den Sensor 100 zuzugreifen und ihn zu bearbeiten, wie z. B. Schreiben in den EEPROM 114, während eine minimale Zahl von Pins 132, 133 und 135 verwendet wird.
Es wird nun auf 3 Bezug genommen, darin wird der Polynomialrechner 118 ausführlicher beschrieben. In der bevorzugten Implementierung wird der Polynomialrechrer 118 in einer digitalen Signalverarbeitungs (DSP)-Schaltung implementiert, die als Teil der Signalverarbeitungsschaltung 104 in einer ASIC-Vorrichtung gebildet ist. Im Besonderen ist der Polynomialrechner 118 eine computereffiziente polynomiale Lösung, die zur Verwendung in dem Sensor 100 geeignet ist, um die Verwendung analoger Schaltungsäquivalente und die verknüpften Verarbeitungsschwierigkeiten zu eliminie ren, während die Kosten- und Größenbeschränkungsbegrenzungen einer mikroprozessorbasierten oder anderer digitaler Lösungen überwunden werden. Im Besonderen führt der Polynomialrechner 118, gesteuert durch den Steuerblock 326, das folgende Polynom aus, um den Ausgang des Abtastelementes 102 zu eichen: VO = a0 + a1V2X + a2V2X + (a3 + a4VX + a5V2X )VY + (a6 + a7VX + a8V2X )V2Y (a)wo V_X eine Störvariableneingabe ist und in der bevorzugten Ausführungsform das digitalisierte Temperatursignal ist und V_Y die abgetastete Bedingung ist und in der bevorzugten Ausführungsform das digitalisierte Drucksignal ist und V_O die kompensierte digitale Ausgabe ist. Die Koeffizienten a₀–a₈ werden während der Eichungsverarbeitung bestimmt und werden verwendet, um Folgendes zu kompensieren: Offset, Empfindlichkeit, Nichtlinearität, Temperaturkoeffizient des Offset, Temperaturkoeffizient der Empfindlichkeit, Temperaturkoeffizient der Nichtlinearität, Temperatur-Nichtlinearität des Offset und Temperatur-Nichtlinearität der Empfindlichkeit.
Die Gleichung (a) stellt eine kompensierte gewünschte Ausgabe für die abgetastete Variable zur Verfügung. Die Ausgabe wird hinsichtlich der Effekte einer Störvariable und der Abtastelementeigenschaften kompensiert. Von Interesse ist die Unabhängigkeit der Eichkoeffizienten. In diesem Zusammenhang kann die Kompensation der Störvariable sowie der Abtastelementeigenschaften unabhängig kompensiert werden.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist der Polynomialrechner 118 geeignet, ein Polynom der folgenden allgemeinen Form effizient zu berechnen: (c0 + c1K) (b)Wobei erkannt wird, dass durch Setzen von V_X = V_T (das digitalisierte Temperatursignal) und V_Y = V_P (das digitalisierte Drucksignal) die Gleichung (a) in eine äquivalente Gleichung der folgenden Form überführt werden kann: VO = C + (B + AVP)Vp (c)wo C = a0 + (a1 + a2VT)VT (d) B = a3 + (a4 + a5VT)VT (e) A = a6 + (a7 + a8VT)VT (f)
Der Polynomialrechner 118 kann vorteilhafterweise eingesetzt werden, um eine Lösung der Gleichung (a) auf eine sehr computereffiziente Weise durch wiederholtes Berechnen der Gleichung (b) zur Verfügung zu stellen.
Es wird weiterhin auf 3 Bezug genommen, darin umfasst der Polynomialrechner 118 einen 16 Bit-für-16 Bit-Seriell/Parallel-Multiplizierer 306, einen 1-Bit-Addierer 314 und einen 32-Bit-Seriellakkumulator 308, die konfiguriert sind, jeweils in zwei 16-Bit-Parallelsegmenten 310 und 312 adressierbar zu sein. Die digitalisierten Temperatur- und Drucksignale werden aus dem ADC/DAC 112 empfangen und werden in dem A/D-Register 318 gehalten bevor sie in ein 16-Bit-Parallelmultiplizierereingangsregister 302 geladen werden. Das Speicherregister B 320 und das Speicherre gister C 322 stellen eine vorübergehende Speicherung von Zwischenwerten während des Betriebs des Polynomialrechners 118 zur Verfügung. Der Steuerblock 326 erzeugt das nötige Timing für den Schaltungsbetrieb. Außerdem werden der Latch 304 und der Multiplexer 316 gezeigt und ausführlich beschrieben. Es ist zu beachten, dass der Multiplexer 316 vorzugsweise so konstruiert ist, dass er ein logisches NAND-Gate verwendet. Im Weiteren wird der Multiplexer 316 einfach als ein Gate bezeichnet.
Es wird nun auf 4–11 Bezug genommen, darin wird der Betrieb des Polynomialrechners 118 zum Berechnen einer Gleichung in der Form von Gleichung (e) ausführlich beschrieben. Es ist natürlich klar, dass die Berechnung der Gleichungen (c), (d) und (f) auf der gleichen Art und Weise erreicht wird. In 4 wird die a₄-Eingabe (die in dem Polynomialrechner 118 als ein Summandterm verwendet wird) in die 16 signifikantesten Bits (MSBs) des Akkumulators 308 geladen, und zwar in das Segment 310, wird a₅ (die in dem Polynomialrechner 118 als ein Multiplizierterm verwendet wird) in die 16 am wenigsten signifikanten Bits (LSBs) des Akkumulators 308 geladen, und zwar in das Segment 312, wird der Multiplikandterm V_T aus dem Eingangsregister 302 in den Seriell/Parallel-Multiplizierer 306 geladen. Der Latch 304 wird transparent gehalten, und der Ausgang des Gates 316 wird auf Null gehalten. In dieser Konfiguration ist das LSB von Segment 312 mit dem seriellen Eingang 328 des Multiplizierers 306 verbunden. Der serielle Ausgang des Seriell/Parallel-Multiplizierers 306 ist mit dem ersten Eingang des Addierers 314 verbunden, dessen Ausgang mit dem MSB von Segment 310 verbunden ist.
Der Akkumulator 308 und der Seriell/Parallel-Multiplizierer 306 werden für 16 Zyklen getaktet. Das Ergebnis wird in 5 gezeigt. Die 16 LSBs von a₅V_T werden seriell in die 16 MSBs des Akkumulators 308, Segment 310, verschoben, und a₄ hat sich in die 16 LSBs des Akkumulators 308, Segment 312, verschoben.
6 zeigt wie der Polynomialrechner 118 dann konfiguriert wird, um den Summandterm a₄ zu addieren. Der Latch 304 wird eingestellt, um das Zeichenbit (MSB) von a₅ zu halten. Der Ausgang von Gate 316 wird von Null auf das LSB des Akkumulators 308 geschaltet, und die LSBs des Akkumulators 308, Segment 312, werden auf den zweiten Eingang des Addierers 314 gerichtet. Dies erlaubt a₄ (ein 16 Bitwert) zu den 16 MSBs von a₅V_T addiert zu werden, was während der nächsten 16 Taktzyklen berechnet wird. 7 zeigt das Ergebnis nach insgesamt 32 Taktzyklen. Das 32-Bitwertergebnis a₄+ a₅V_T ist fertig und wird in dem Akkumulator 308 gespeichert.
Es wird auf 8 Bezug genommen. Darin wird dieses Ergebnis bearbeitet, um den Wert B = a₃+ (a₄+ a₅V_T)V_T zu erhalten. Die 16 MSBs von a₄+ a₅V_T, im Segment 310, werden über den Bus 130 parallel zu dem Segment 312 übertragen, und a₃ wird in die 16 MSBs des Akkumulators 308, Segment 310, geladen. Der in 4–7 dargestellte Prozess wird wiederholt. Der Latch 304 wird transparent gehalten, und der Ausgang des Gates 316 wird auf Null gehalten. Der Akkumulator 308, und der Multiplizierer 306 werden dann für 16 Zyklen getaktet. 9 stellt das Ergebnis dar: die 16 LSBs von (a₄ + a₅V_T)V_T sind in den 16 MSBs, Segment 310, des Akkumulators 308, und a₃ hat sich in die 16 LSBs, Segment 312, des Akkumulators 308 verschoben.
10 zeigt, wie der Polynomialrechner 118 dann neu konfiguriert wird, um a₃ zu addieren. Der Latch wird eingestellt, um das Zeichenbit (MSB) von a₄ + a₅V_T zu halten. Außerdem wird der Ausgang des Gates 316 von Null auf das LSB des Akkumulators 308 geschaltet. Dies erlaubt a₃ (ein 16-Bitwert) während der nächsten 16 Taktzyklen zu den 16 MSBs von (a₄ + a₅V_T)V_T addiert zu werden und 11 stellt das Ergebnis dar. Der 32-Bitwert a₃ + (a₄ + a₅V_T)V_T, oder Wert B, ist nun fertig und wird in dem Akkumulator 308 gespeichert. Die 16 MSBs von a₃ + (a₄ + a₅V_T)V_T, in dem Segment 310, werden nun in das Speicherregister 320 übertragen. Und auf der gleichen Art und Weise wie beschrieben, wird der Wert C berechnet und in dem Speicherregister 322 gespeichert.
Gemäß der vorangehenden Diskussion werden die Werte A, B und C kombiniert, um die Gleichung (c) zu berechnen. Der Wert A wird als letzter der drei Werte berechnet, und der Akkumulator 308 wird vorteilhafterweise eingesetzt, um den Wert A für eine spätere Verarbeitung zu speichern. Dadurch ist keine zusätzliche Speicherung für den Wert A erforderlich, was die Effizienz des Polynomialrechners 118 weiter verbessert. Die 16 MSBs von A werden sofort und parallel über den Bus 130 aus dem Segment 310 zu dem Segment 312 übertragen. Der Wert B wird in das Segment 310 geladen, und V_P, das digitalisierte Drucksignal, wird über das A/D-Register 318 und das Eingangsregister 302 in den Seriell/Parallel-Multiplizierer 306 geladen. Das Ergebnis B + AV_P wird wie oben beschrieben berechnet und seine 16 MSBs werden aus dem Segment 310 zu dem Segment 312 übertragen. Der Wert C wird in das Segment 310 geladen und der endgültige Wert C + (B + AV_P)V_P, oder V_O, wird berechnet.
Es ist vorgesehen, dass die Speicherregister 320 und 322 zur Verwendung während der polynomialen Berechnung von anderen Verarbeitungsfunktionen ausgeliehen werden können, um somit der Matrize nicht wesentlich Raum hinzuzufügen, der für die Anwendung benötigt wird. Dem Fachmann auf dem Gebiet ist klar, dass die Effizienz des Polynomialrechners 118 eine effiziente Siliziumvorrichtung und damit eine Vorrichtung mit niedrigem Stromverbrauch zur Verfügung stellt, die leicht als Teil einer unabhängigen Sensorvorrichtung zu verpacken ist. Darüber hinaus ist dem Fachmann auf dem Gebiet klar, dass durch das Hinzufügen von Speicherregistern, oder vorzugsweise das vorrübergehende Ausleihen von Speicherregistern von anderen Betrieben, und die Anpassung des Steuerblocks 326, die Berechnung von polynomialen Gleichungen noch höherer Ordnung einfach erreicht werden kann.
Weil für das Eichen des Sensors 100 nach der Herstellung keine physikalischen Veränderung der Signalaufbereitungsschaltung 104 erforderlich ist, wird er vorzugsweise in einem gegenüber Umgebungseinflüssen widerstandsfähigen Gehäuse hergestellt und eingeschlossen. Als Teil eines Zeilenend-Testverfahrens wird ein verpackter Sensor in einer Eichteststation installiert. Die elektrischen Verbindungen: Ausgang, Stromversorgung und Erde werden zu dem Sensor über die Pins 132, 133, und 135 hergestellt, und der Sensor wird einer Vielfalt bekannter Druck- und Temperaturbedingungen ausgesetzt. Die Ausgabe des Sensors wird beobachtet und aus den Daten und entsprechend der Gleichung (a) werden Eichkoeffizienten bestimmt. Mit einer Mehrzahl gegebener Datenpunkten ist ein Fachmann auf dem Gebiet ohne weiteres in der Lage, geeignete Eichkoeffizienten abzuleiten, wenn ihm die Gleichung (a) bekannt ist. Der Sensor wird dann in ei nen "Schreib"-Modus angeordnet, wodurch auf den EEPROM 114 zugegriffen wird, und die Eichkoeffizienten werden dort hineingeschrieben. Nachdem die Eichkoeffizienten erfolgreich in den EEPROM 114 geschrieben worden sind, wird der Sensor in einen Betriebsmodus angeordnet.
Der Sensor 100 ist durch Veränderungen in dem Polynomialrechner 118 sehr anpassbar, aber noch leichter durch das Eichverfahren. Wie erwähnt, kann der Polynomialrechner 118 sehr leicht angepasst werden, um sogar Polynome höherer Ordnung zu berechnen. Durch Verwenden des Eichverfahrens, um Eichkoeffizienten zu verändern, kann die Ausgabe des Sensors als eine Funktion der Druck- und Temperatureingaben verändert werden. Einem Fachmann auf dem Gebiet ist sofort klar, dass die Empfindlichkeit, die Linearität, das Offset und die Leistung des Sensors über die Temperatur für eine bestimmte Sensoranwendung durch eine geeignete Auswahl der Eichkoeffizienten eindeutig eingestellt werden können. Das elektronische Eichverfahren gestattet außerdem das Schreiben einer elektronischen Identifikation, so dass jeder Sensor in dem Bereich eindeutig identifiziert werden kann, was in bestimmten Anwendungen wichtig sein kann.
Es wird auf 12 Bezug genommen, darin wird ein Sensorsystem 100' gemäß einer alternativen Ausführungsform der vorliegenden Erfindung und durch ein weiteres Darstellen der Anpassungsfähigkeit der vorliegenden Erfindung gezeigt. Das Sensorsystem 100' ist dem Sensor 100 ähnlich, mit der Ausnahme, dass im Gegensatz dazu, dass ein einzelnes Abtastelement 102 mit der Signalaufbereitungsschaltung 104 gekoppelt ist, eine Mehrzahl von Abtastelementen, im Allgemeinen als 102a, 102b bis 102n gezeigt, über den Signalbus 136 mit einem Multiplexer 134 gekoppelt sind, der die Ausgänge der Abtastelemente jeweils über den Bus 138 mit der Signalaufbereitungsschaltung 104' koppelt. Die Abtastelemente 102a–102n können im Allgemeinen eine beliebige Art von Abtastelement, wie zuvor hierin beschrieben, sein. Die Signalaufbereitungsschaltung 104' ist im Allgemeinen dieselbe, wie die Signalaufbereitungsschaltung 104, außer dass der EEPROM 114 erweitert ist, um die Eichkoeffizienten für jeden aus der Mehrzahl der Abtastelemente zu speichern. Der Multiplexer 134 wird getrennt von der Signalaufbereitungsschaltung 104' gezeigt, aber es ist klar, dass er zu einem Teil der Signalaufbereitungsschaltung 104' gemacht werden kann, ohne dabei vom eigentlichen Umfang der Erfindung abzuweichen. Wie aus 12 klar wird, ist der Sensor 100' anpassbar, um die Ausgabe von vielen verschiedenen Abtastoperationen zu berechnen, was für eine besondere Anwendung erforderlich sein kann, ohne dabei die Größe der Signalaufbereitungsschaltung 104' wesentlich zu erhöhen, und durch ein vorteilhaftes Wiederverwenden der polynomialen Rechenschaltung 118, die zu einem Teil der Signalaufbereitungsschaltung 104' gemacht wurde.
Die vorliegende Erfindung ist hinsichtlich einer bevorzugten Ausführungsform eines elektronisch geeichten piezoresistiven Drucksensors beschrieben worden. Im Besonderen ist beschrieben worden, dass der Sensor der vorliegenden Erfindung einen eindeutigen und sehr anpassbaren Polynomialrechner zum Bereitstellen einer Lösung für eine polynomiale Gleichung, die eine Sensorleistung kennzeichnet, umfasst. Es ist sofort klar, dass die vorliegende Erfindung Anwendungen umfasst, die über den hierin beschriebenen besonderen Sensor hinausgehen. Zum Beispiel kann die vorliegende Erfindung zur Verwendung mit Sensoren, die solche physikalischen Variablen wie Beschleunigung und chemische Zusammensetzungen detektieren, einfach angepasst werden. Vorteilhafterweise überwindet der Sensor 100 die zuvor genannten Beschränkungen des Standes der Technik, die Verarbeitungsbeschränkungen umfassen, die mit dem Schmelzen von Verbindungen und/oder dem Lasertrimmen von Komponenten verknüpft sind, und ist computereffizient, um so den Bedarf an teuren und großen Mikroprozessorkomponenten zu eliminieren.

Claims

Polynomiale Rechnervorrichtung, umfassend: einen Seriell/Parallel-Multiplizierer (306) mit einem parallelen Multiplizierereingang, einem seriellen Multiplizierereingang und einem seriellen Multipliziereraungang; einen seriellen Akkumulator (308), der in einen ersten (310) und zweiten (312) Teil konfiguriert ist, wobei der serielle Akkumulator einen parallelen Akkumulatoreingang, einen seriellen Akkumulatoreingang und einen seriellen Akkumulatorausgang hat, der mit dem seriellen Eingang des Seriell/Parallel-Multiplizierers gekoppelt ist; einen Addierer (314), der einen ersten Eingang, der mit dem seriellen Ausgang des Seriell/Parallel-Multiplizierers gekoppelt ist, einen zweiten Eingang, der mit dem seriellen Ausgang des seriellen Akkumulators gekoppelt ist, und einen Ausgang hat, der mit dem seriellen Eingang des seriellen Akkumulators gekoppelt ist; und eine Steuerung (326) zum Laden eines Multiplikandterms in den Seriell/Parallel-Multiplizierer über den parallelen Multiplizierereingang, wobei die Steuerung über den parallelen Akkumulatoreingang einen Summandterm in den ersten Teil (310) des seriellen Akkumulators (308) und einen Multiplizierterm in den zweiten Teil (312) des seriellen Akku mulators lädt, wobei die Steuerung (326) den Multiplizierterm aus dem seriellen Ausgang des seriellen Akkumulators in den seriellen Eingang des Seriell/Parallel-Multiplizierers verschiebt und ein Produkt des Multiplikandterms und des Multiplizierterms bildet, wobei die Steuerung (326) das Produkt aus dem seriellen Ausgang des Seriell/Parallel-Multiplizierers in den ersten Eingang des Addierers (314) und den Summandterm aus dem seriellen Ausgang des seriellen Akkumulators (308) auf den zweiten Eingang des Addierers richtet, und zum Übertragen einer Summe des Produktes und des Summandterms in den ersten Teil des seriellen Akkumulators (308).
Polynomiale Rechnervorrichtung gemäß Anspruch 1, die weiterhin einen Latch (304) umfasst, der den seriellen Ausgang des seriellen Akkumulators mit dem seriellen Eingang des Seriell/Parallel-Multiplizierers koppelt.
Polynomiale Rechnervorrichtung gemäß Anspruch 2, bei der der Latch in einem transparenten Modus arbeitet, wenn die Steuerung (326) den Multiplizierterm aus dem seriellen Ausgang des seriellen Akkumulators in den seriellen Eingang des Seriell/Parallel-Multiplizierers verschiebt.
Polynomiale Rechnervorrichtung gemäß Anspruch 1, die weiterhin ein Gate (316) umfasst, das den seriellen Ausgang des seriellen Akkumulators und den zweiten Eingang des Addierers koppelt.
Polynomiale Rechnervorrichtung gemäß Anspruch 4, bei der das Gate die Übertragung des Summandterms aus dem se riellen Ausgang des seriellen Akkumulators zu dem zweiten Eingang des Addierers erlaubt und die Übertragung des Inhalts des zweiten Teils des seriellen Akkumulators verhindert, wenn die Steuerung (326) den Multiplizierterm aus dem seriellen Ausgang des seriellen Akkumulators in den seriellen Eingang des Seriell/Parallel-Multiplizierers verschiebt.
Polynomiale Rechnervorrichtung gemäß Anspruch 1, die weiterhin umfasst: ein Abtastelement (102), das ein Signal zur Verfügung stellt; eine Speichervorrichtung (116), die eine Mehrzahl von Eichkonstanten enthält; und bei der die Steuerung (326) einen Multiplikandterm in Abhängigkeit von dem durch das Abtastelement zur Verfügung gestellten Signal über den parallelen Multiplizierereingang in den Seriell/Parallel-Multiplizierer (306) lädt, und die Steuerung über den parallelen Akkumulatoreingang einen Summandterm in Abhängigkeit von einer aus der Mehrzahl der in der Speichervorrichtung enthaltenen Eichkonstanten in den ersten Teil (310) des seriellen Akkumulators (308) und einen Multiplizierterm in Abhängigkeit von einer anderen aus der Mehrzahl der in der Speichervorrichtung enthaltenden Eichkonstanten in den zweiten Teil (312) des seriellen Akkumulators (308) lädt, wobei die Steuerung (326) den Multiplizierterm aus dem seriellen Ausgang des seriellen Akkumulators (308) in den seriellen Eingang des Seriell/Parallel-Multiplizierers verschiebt und ein Produkt aus dem Multiplikandterm und dem Multiplizierterm bildet, wobei die Steuerung (326) das Produkt aus dem seriellen Ausgang des Seriell/Parallel- Multiplizierers (306) in den ersten Eingang des Addierers (314) und den Summandterm aus dem seriellen Ausgang des seriellen Akkumulators (308) auf den zweiten Eingang des Addierers (314) ausrichtet, und zum Übertragen einer Summe des Produktes und des Summandterms in den ersten Teil des seriellen Akkumulators (308).
Vorrichtung gemäß Anspruch 6, die weiterhin eine mit dem ersten Teil (310) des seriellen Akkumulators (308) gekoppelte Ausgangsschaltung umfasst, um ein Ausgangssignal zur Verfügung zu stellen, das das Signal anzeigt, das durch das Abtastelement in Abhängigkeit von der Summe des Produktes und des Summandterms abgetastet wird.
Vorrichtung gemäß Anspruch 6, die weiterhin einen Latch (304) umfasst, der den seriellen Ausgang des seriellen Akkumulators mit dem seriellen Eingang des Seriell/Parallel-Multiplizierers (306) koppelt.
Vorrichtung gemäß Anspruch 6, die weiterhin ein Gate (316) umfasst, das den seriellen Ausgang des seriellen Akkumulators (308) und den zweiten Eingang des Addierers (314) koppelt.
Vorrichtung gemäß Anspruch 8, bei der der Latch (304) in einem transparenten Modus arbeitet, wenn die Steuerung (326) den Multiplizierterm aus dem seriellen Ausgang des seriellen Akkumulators in den seriellen Eingang des Seriell/Parallel-Multiplizierers (306) verschiebt.