EP4655609A1 - Anwendungsspezifischer integrierter schaltkreis für ein messgerät - Google Patents

Anwendungsspezifischer integrierter schaltkreis für ein messgerät

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EP4655609A1
EP4655609A1 EP24701004.4A EP24701004A EP4655609A1 EP 4655609 A1 EP4655609 A1 EP 4655609A1 EP 24701004 A EP24701004 A EP 24701004A EP 4655609 A1 EP4655609 A1 EP 4655609A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
radar
asic
integrated circuit
specific integrated
measuring device
Prior art date
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Pending
Application number
EP24701004.4A
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Roland Welle
Christoph Müller
Daniel Schultheiss
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Vega Grieshaber KG
Original Assignee
Vega Grieshaber KG
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Filing date
Publication date
Application filed by Vega Grieshaber KG filed Critical Vega Grieshaber KG
Publication of EP4655609A1 publication Critical patent/EP4655609A1/de
Pending legal-status Critical Current

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    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01F—MEASURING VOLUME, VOLUME FLOW, MASS FLOW OR LIQUID LEVEL; METERING BY VOLUME
    • G01F23/00—Indicating or measuring liquid level or level of fluent solid material, e.g. indicating in terms of volume or indicating by means of an alarm
    • G01F23/22—Indicating or measuring liquid level or level of fluent solid material, e.g. indicating in terms of volume or indicating by means of an alarm by measuring physical variables, other than linear dimensions, pressure or weight, dependent on the level to be measured, e.g. by difference of heat transfer of steam or water
    • G01F23/28—Indicating or measuring liquid level or level of fluent solid material, e.g. indicating in terms of volume or indicating by means of an alarm by measuring physical variables, other than linear dimensions, pressure or weight, dependent on the level to be measured, e.g. by difference of heat transfer of steam or water by measuring the variations of parameters of electromagnetic or acoustic waves applied directly to the liquid or fluent solid material
    • G01F23/284—Electromagnetic waves
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01S—RADIO DIRECTION-FINDING; RADIO NAVIGATION; DETERMINING DISTANCE OR VELOCITY BY USE OF RADIO WAVES; LOCATING OR PRESENCE-DETECTING BY USE OF THE REFLECTION OR RERADIATION OF RADIO WAVES; ANALOGOUS ARRANGEMENTS USING OTHER WAVES
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    • G01S7/032—Constructional details for solid-state radar subsystems
    • G—PHYSICS
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    • G01S7/4004—Means for monitoring or calibrating of parts of a radar system
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    • G01—MEASURING; TESTING
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    • G01S7/406—Means for monitoring or calibrating by simulation of echoes using internally generated reference signals, e.g. via delay line, via RF or IF signal injection or via integrated reference reflector or transponder

Definitions

  • the present invention relates to measuring device technology for process automation in industrial or private environments.
  • the invention relates to an application-specific integrated circuit, ASIC, for a measuring device, a measuring device with an application-specific integrated circuit and a use of an ASIC for a measuring device.
  • ASIC application-specific integrated circuit
  • Measuring devices for process automation in industrial or private environments can have radar circuits that generate and emit a high-frequency radar measurement signal.
  • This radar measurement signal is reflected, for example, by a product surface or an object to be detected and received by the antenna of the measuring device. From this, the distance to the filling material surface or to the object can be calculated.
  • radar level gauges that can be installed in a container. These radar level gauges can be designed to be free-radiating or use the principle of guided microwaves. In the latter case, an elongated measuring probe is provided that is immersed in the filling material.
  • Such measuring devices usually have a very limited power supply, for example in the form of a 4 to 20 mA two-wire line or, particularly in the case of a self-sufficient measuring device, in the form of a battery.
  • a very limited power supply for example in the form of a 4 to 20 mA two-wire line or, particularly in the case of a self-sufficient measuring device, in the form of a battery.
  • the frequency of measurements can be reduced.
  • changes in the level during the measurement break are then only recorded at a later point in time.
  • a first aspect of the present disclosure relates to an application specific integrated circuit, ASIC, for a measuring device comprising a first finite state machine and a second finite state machine.
  • the first finite state machine is designed to control an external radar chip of the measuring device, which is designed to generate a radar measurement signal and to detect the measurement signal reflected from an object or a product surface.
  • the second finite state machine is designed to store a memory of the application-specific integrated circuit, which is set up to determine a measured value from the radar measurement signal acquired by an external radar chip, and/or to monitor the external radar chip.
  • the second finite state machine can additionally or alternatively be set up to monitor a processor of the measuring device, which is set up to determine a measured value from the radar measurement signal acquired by the external radar chip, and/or to monitor the external radar chip.
  • the measuring device is, for example, a level measuring device, in particular a level radar measuring device, or another radar measuring device.
  • the external radar chip is set up to generate a radar measurement signal, which is then emitted by an antenna or a radiation element.
  • the processor is set up to determine a measurement value from the received radar signals.
  • the external radar chip and the ASIC are separate components and are connected to one another via corresponding control and supply lines.
  • the ASIC and external radar chip can also be designed as an integrated component.
  • the ASIC can be designed as a radar companion ASIC, which takes over control tasks and/or measurement value acquisition tasks in the radar circuit of the measuring device. This means that essential control and acquisition tasks can be combined in a compact unit at low cost when using different radar chips, and at the same time energy-efficient operation of the corresponding radar chip can be enabled.
  • the ASIC comprises a phase locked loop (PLL).
  • PLL phase locked loop
  • the ASIC comprises an analog-to-digital converter circuit (ADC).
  • ADC analog-to-digital converter circuit
  • the ASIC has a digital interface to the processor.
  • the first finite state machine and the second finite state machine are designed as an integrated component.
  • the external radar chip is a radar MM IC (Monolithic Microwave Integrated Circuit).
  • the ASIC is configured to wake the processor from a sleep mode and then transmit measurement data to the processor.
  • the ASIC is configured to supply a voltage controlled oscillator, VCO, of the external radar chip and/or a multiplier of the external radar chip.
  • the ASIC can be set up to support different radar chips with different operating frequencies, for example 6 GHz, 24 GHz, 80 GHz, 180 GHz and 240 GHz. To achieve this, the finite state machine can be programmed accordingly.
  • the radar chip and the ASIC can be optimized with regard to the energy requirement for recording an echo curve.
  • it can be provided that parts of the radar chip, the ASIC and/or the processor are only switched on when they are actually needed. Circuit parts that are not required can be quickly switched off.
  • the radar circuit can be optimized in particular with regard to size and cost.
  • the radar circuit of the measuring device can be set up to be powered from a limited energy source (for example 4 to 20 mA supply or energy harvesting). 3.3 V can be provided as the supply voltage, both for the processor and for the ASIC.
  • the ASIC can also be set up for several different supply voltages.
  • the ASIC and the radar chip can be positioned on the same circuit board. The radar circuit and in particular the ASIC can be set up in such a way that after completion of the measurement and in particular during the process of determining the measured value, they are operated in an energy-saving operating mode, the nature of which depends on the radar chip used.
  • process automation in an industrial environment can be understood as a branch of technology that includes measures for operating machines and systems without human involvement.
  • One goal of process automation is to automate the interaction of individual components of a plant in the chemical, food, pharmaceutical, petroleum, paper, cement, shipping or mining sectors.
  • sensors can be used for this purpose, which are particularly adapted to the specific requirements of the process industry, such as mechanical stability, insensitivity to contamination, extreme temperatures and extreme pressures. Measured values from these sensors are usually transmitted to a control room, in which process parameters such as fill level, limit level, flow, pressure or density are monitored and settings for the entire plant can be changed manually or automatically.
  • a sub-area of process automation in the industrial environment concerns the logistics automation of plants and the logistics automation of supply chains.
  • processes inside or outside a building or within a single logistics plant are automated in the field of logistics automation.
  • Typical applications include logistics automation systems in the area of baggage and freight handling at airports, in the area of traffic monitoring (toll systems), in retail, in parcel distribution or in the area of building security (access control).
  • presence detection in combination with precise measurement of the size and position of an object is required by the respective application.
  • sensors based on optical measuring methods using lasers, LEDs, 2D cameras or 3D cameras can be used. to measure distances according to the time of flight (ToF) principle.
  • ToF time of flight
  • factory/production automation Another area of process automation in the industrial environment concerns factory/production automation. Applications for this can be found in a wide variety of industries such as automobile manufacturing, food production, the pharmaceutical industry or in the packaging sector in general.
  • the aim of factory automation is to automate the production of goods using machines, production lines and/or robots, i.e. to run it without human involvement.
  • the sensors used here and the specific requirements with regard to measurement accuracy when recording the position and size of an object are comparable to those in the previous example of logistics automation.
  • Another aspect of the present disclosure relates to a measuring device with a radar chip that is configured to generate and detect a radar measurement signal, and an application-specific integrated circuit as described above and below, which is arranged, for example, between the radar chip and the processor.
  • a further aspect of the present disclosure relates to the use of an application-specific integrated circuit described above and below for a measuring device, in particular for a level radar measuring device having a radar chip.
  • FIG. 1 shows a circuit diagram of a radar MMIC with peripheral circuitry using discrete components.
  • Fig. 2 shows an application-specific integrated circuit that can perform control and acquisition tasks when operating a purely analog MMIC.
  • Fig. 3 shows the structure of a radar measuring device with an application-specific integrated circuit.
  • Fig. 4 shows the universal usability of the application-specific integrated circuit for widely used radar MMICs for level measurement.
  • Fig. 5 shows the overall sequence of a self-test function in the application-specific integrated circuit.
  • Fig. 6 shows a partial test sequence of the externally connected MMIC.
  • Fig. 7 shows a measuring device with a radar circuit.
  • Fig. 1 shows a radar MMIC 101 with peripheral circuitry using discrete components.
  • the radar MMIC generates a radar measurement signal of 80 GHz, which is radiated via the antenna 118 in the direction of the filling material.
  • the MMIC has a voltage-controlled oscillator (VCO) 107, which is controlled by an external PLL 104.
  • VCO voltage-controlled oscillator
  • a TCXO oscillator 115 is provided, which controls the PLL with a frequency of 40 MHz.
  • the TCXO oscillator 115 also controls the analog-digital converter circuit 105.
  • the MMIC has a multiplier 108, which is controlled by the VCO 107 at 40 GHz.
  • the multiplier doubles the frequency and controls the TX amplifier 109, which is connected to the antenna 118 via a transmit/receive switch, for example a circulator.
  • a down converter 110 is provided, which receives signals from the multiplier 108 and the transmit/receive switch. All other components are located outside the MMIC.
  • the down converter 110 sends its signal to an amplification and filter circuit 113, which then passes it on to the ADC 105.
  • the ADC 105 is connected to the processor 103 of the measuring device via an SPI interface.
  • the processor 103 can exchange data with an external memory 116.
  • the processor 103 is connected to a fieldbus modem 117 for transmitting measured values.
  • Fig. 2 shows a radar companion ASIC 102, which can take over control and detection tasks when operating a purely analog MMIC.
  • the ASIC 102 has a linearization circuit, for example an integer or fractional rational PLL 104, a power supply 111, a self-test circuit 112, for example in the form of a second finite state machine 112, an amplification and filter circuit 113 or IF Gain AAF circuit 113, an analog-digital converter circuit 104 (which is set up, for example, to convert analog signals with an accuracy of 16 bits and a sampling frequency of 40 MHz into digital values), a first-in-first-out (FiFo) memory 114 and a finite state machine 106.
  • a linearization circuit for example an integer or fractional rational PLL 104
  • a power supply 111 for example in the form of a second finite state machine 112
  • an amplification and filter circuit 113 or IF Gain AAF circuit 113 for example in the form of a second finite state machine 112
  • the ASIC 102 is a separate component, but can be arranged on the same circuit board as the MMIC 101 (see Fig. 3).
  • Fig. 3 shows the structure of a radar circuit 100 for a radar measuring device, which has the ASIC 102 described above.
  • the ASIC 102 is connected between the radar chip 101 and the processor 103.
  • the communication between ASIC 102 and processor 103 takes place, for example, via the FiFo 114 by means of a QSPI interface and, starting from the processor 103, via an SPI interface to the FSM 106.
  • the FSM 106 can be set up to be programmed to suit the radar chip connected in each case.
  • the FSM can contain suitable hardware units for this purpose.
  • the FSM can be configured by the processor in particular to set the parameters of a distance measurement according to an FMCW method. Depending on the operating frequency of the connected radar chip, it can be provided, for example due to approval requirements, that the start frequency, the stop frequency, the time duration, the transmission power and/or other parameters of the radar chip used in each case be set in the FSM 106, which then enables the MMIC 101 to carry out the desired measurement in a subsequent measurement run by controlling it with suitable signals.
  • the FSM completely controls the MMIC while a measurement is being carried out, which means that intervention or cooperation by the processor core 103 is no longer necessary.
  • the processor core 103 can be switched to an energy-saving state while the FSM 106 is carrying out a radar measurement, and can be reactivated after the FSM 106 has finished collecting the data.
  • the FSM 106 can also be set up to pass on the information about the respective connected radar chip 101 to the second finite state machine 112. It can also be provided that the second finite state machine 112 is set up to independently recognize the type of the respective connected MMIC 101. The second finite state machine 112 can use the information about the type of the connected MMIC 101 to optimize a self-test sequence and to carry it out appropriately for the connected MMIC.
  • the ASIC 102 can supply the VCO 107 and the multiplier 108 of the MMIC 101 with energy and carry out or trigger a self-test of the MMIC 101 (see Fig. 3).
  • the RC-ASIC 102 can be used to check the functionality of the MMIC 101. This is particularly advantageous for SIL applications.
  • the processor 103 can be integrated on the ASIC 102. However, it can also be a separate component, as shown in Fig. 3.
  • the MMIC 101 and the RC-ASIC 102 can be manufactured using different semiconductor technologies and chip materials.
  • the MMIC can be optimized for use at high frequencies, for example 80 GHz or more, whereas the RC-ASIC 102 is optimized for applications at significantly lower frequencies, for example 40 MHz. This can save energy compared to integrating the ASIC assembly on an MMIC.
  • Fig. 4 shows the universal usability of the RC-ASIC 102 for radar MMICs for level measurement, which are designed for very different frequency ranges, for example 6 GHz, 24 GHz, 80 GHz, 180 GHz and 240 GHz.
  • Fig. 5 shows the overall sequence of a self-test function in the Companion ASIC 102.
  • the method starts with step 501.
  • step 502 the Radar Companion ASIC 102 is configured.
  • step 503 the safety setup is configured.
  • step 504 it is determined whether the time since the last FIFO memory test is greater than a predefinable minimum time period tsafe.
  • step 507 no test of the FIFO memory integrated in the Radar Companion ASIC 102 is necessary.
  • step 505 the next step is 505, in which the FIFO memory is tested internally.
  • step 506 the test result is then made available externally.
  • step 507 it is assessed whether the time since the last MMIC test is greater than a predeterminable minimum time period tMMicsafe. If this is not the case, the method jumps to step 510, since no test of the MMIC is necessary. If this is the case, step 508 takes place, in which an MMIC test is carried out. In step 509, the test result is then made available externally.
  • step 510 the normal measurement of the measuring device is started, for example a level measurement.
  • the method ends in step 511.
  • Fig. 6 shows the partial sequence of a test of the externally connected MMIC.
  • the method starts with step 601.
  • step 602 a test signal in the kHz range is provided.
  • step 603 the measurement sequence starts in the MMIC.
  • step 604 the measurement data is read into the FiFo and in step 605 the MMIC is deactivated.
  • step 606 the FiFo data is analyzed for the test signal and in step 607 it is determined whether the test signal was recorded correctly. If this is not the case, the method jumps to step 609, in which the status "uncertain” or something similar is output. If this is the case, the method jumps to step 608, in which the status "safe” or something similar is output. The method then ends with step 610.
  • Fig. 7 shows a measuring device 200, for example a radar level measuring device, with the circuit 100 described above, which has a level radar antenna 118 for emitting the radar measuring signal and for receiving the radar measuring signal reflected on the filling material surface.
  • a measuring device 200 for example a radar level measuring device, with the circuit 100 described above, which has a level radar antenna 118 for emitting the radar measuring signal and for receiving the radar measuring signal reflected on the filling material surface.
  • the present disclosure provides a Radar Companion ASIC that inexpensively combines essential control and detection tasks when using commercial radar chips in a compact unit, and in particular is configured to monitor itself and an externally connected commercially available MMIC for reliable operation according to IEC61508.
  • the ASIC can support different radar chips with different operating frequencies and different built-in self-tests (BIST).
  • BIST built-in self-tests
  • the ASIC can be set up to provide a corresponding signal that indicates the safe state of the overall system and/or an unsafe state of the overall system to the outside.
  • the signal provided externally can be indicative of the current security status of the Radar Companion ASIC and/or the externally connected Radar MMIC.
  • the phrase "at least one of A, B and C" should be understood as one or more elements from a group of elements consisting of A, B and C, and should not be interpreted as requiring at least one of each of the listed elements A, B and C, whether A, B and C are related as categories or in any other way.
  • the mention of "A, B and/or C" or "at least one of A, B or C” should be interpreted as including any single unit of the listed elements, e.g. A, any subset of the listed elements, e.g. A and B, or the entire list of elements A, B and C.

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Abstract

Anwendungsspezifischer integrierter Schaltkreis für ein Messgerät, mit einem ersten endlichen Zustandsautomaten, der eingerichtet ist, einen externen Radarchip, der zum Erzeugen und/oder Erfassen eines Radarmesssignals eingerichtet ist, zu steuern, und einem zweiten endlichen Zustandsautomaten, der eingerichtet ist, einen Speicher oder Prozessor, der zum Ermitteln eines Messwerts aus dem von dem externen Radarchip erfassten Radarmesssignal eingerichtet ist, und/oder den externen Radarchip zu überwachen.

Description

Anwendungsspezifischer integrierter Schaltkreis für ein Messgerät
Bezugnahme auf verwandte Anmeldungen
Die vorliegende Anmeldung beansprucht die Priorität der deutschen Patentanmeldung Nr. 102023200484.4, eingereicht am 23. Januar 2023, die in vollem Umfang durch Bezugnahme in das vorliegende Dokument aufgenommen wird.
Gebiet der Erfindung
Die vorliegende Erfindung betrifft die Messgerätetechnik für die Prozessautomatisierung im industriellen oder privaten Umfeld. Insbesondere betrifft die Erfindung einen anwendungsspezifischen integrierten Schaltkreis, ASIC, für ein Messgerät, ein Messgerät mit einem anwendungsspezifischen integrierten Schaltkreis sowie eine Verwendung eines ASIC für ein Messgerät.
Technischer Hintergrund
Messgeräte für die Prozessautomatisierung im industriellen oder privaten Umfeld können Radarschaltungen aufweisen, die ein hochfrequentes Radarmesssignal erzeugen und abstrahlen. Dieses Radarmesssignal wird beispielsweise von einer Füllgutoberfläche oder einem zu detektierenden Objekt reflektiert und von der Antenne des Messgeräts erfasst. Hieraus lässt sich der Abstand zur Füllgutoberfläche beziehungsweise zum Objekt berechnen.
Beispiele für derartige Messgeräte sind Radarfüllstandmessgeräte, die in einem Behälter installiert werden können. Diese Radarfüllstandmessgeräte können freistrahlend eingerichtet sein oder das Prinzip der geführten Mikrowellen verwenden. Im letzteren Fall ist eine langgezogene Messsonde vorgesehen, die in das Füllgut eintaucht.
Derartige Messgeräte weisen im Regelfall eine deutlich begrenzte Energieversorgung auf, beispielsweise in Form einer 4 bis 20 mA-Zweidrahtleitung oder, insbesondere im Fall eines autarken Messgeräts, in Form einer Batterie. Um den Energiebedarf eines solchen Messgeräts zu reduzieren, kann die Häufigkeit der Messungen herabgesetzt werden. Füllstandänderungen während der Messpause werden dann jedoch erst zu einem späteren Zeitpunkt erfasst.
Zusammenfassung
Es ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Radarmessgerät bereitzustellen, das sich durch einen energieeffizienten Betrieb und hohe Messgenauigkeit auszeichnet.
Diese Aufgabe wird durch die Merkmale der unabhängigen Patentansprüche gelöst. Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen und der folgenden Beschreibung von Ausführungsformen.
Ein erster Aspekt der vorliegenden Offenbarung betrifft einen anwendungsspezifischen integrierten Schaltkreis, ASIC, für ein Messgerät, der einen ersten endlichen Zustandsautomaten und einen zweiten endlichen Zustandsautomaten aufweist.
Der erste endliche Zustandsautomat ist eingerichtet, einen externen Radarchip des Messgeräts, der zum Erzeugen eines Radarmesssignals und zum Erfassen des an einem Objekt oder einer Füllgutoberfläche reflektierten Messsignals eingerichtet ist, zu steuern. Der zweite endliche Zustandsautomat ist eingerichtet, einen Speicher des anwendungsspezifischen integrierten Schaltkreises, der zum Ermitteln eines Messwerts aus dem von einem externen Radarchip erfassten Radarmesssignalen eingerichtet ist, und/oder den externen Radarchip zu überwachen. Der zweite endliche Zustandsautomat kann ergänzend oder alternativ eingerichtet sein, einen Prozessor des Messgeräts, der zum Ermitteln eines Messwerts aus dem von dem externen Radarchip erfassten Radarmesssignal eingerichtet ist, und/oder den externen Radarchip zu überwachen.
Bei dem Messgerät handelt es sich beispielsweise um ein Füllstandmessgerät, insbesondere ein Füllstandradarmessgerät, oder ein anderweitiges Radarmessgerät.
Der externe Radarchip ist eingerichtet zum Erzeugen eines Radarmesssignals, welches daraufhin von einer Antenne oder einem Strahlelement abgestrahlt wird. Der Prozessor ist eingerichtet zum Ermitteln eines Messwerts aus den empfangenen Radarsignalen. Der externe Radarchip und der ASIC sind separate Bauteile und über entsprechende Steuer- und Versorgungsleitungen miteinander verschaltet. ASIC und externer Radarchip können auch als integriertes Bauteil ausgeführt sein.
Der ASIC kann als Radar Companion ASIC ausgeführt sein, der Steueraufgaben und/oder Messwert-Erfassungsaufgaben in der Radarschaltung des Messgeräts übernimmt. Somit können wesentliche Steuer- und Erfassungsaufgaben bei der Verwendung verschiedener Radarchips preisgünstig in einer kompakten Einheit vereint werden und gleichzeitig kann ein energieeffizienter Betrieb des entsprechenden Radarchips ermöglicht werden.
Gemäß einer Ausführungsform weist der ASIC eine Phasenregelschleife (PLL) auf.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform weist der ASIC eine Analog-Digital- Wandlerschaltung (ADC) auf.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform weist der ASIC eine digitale Schnittstelle zu dem Prozessor auf. Gemäß einer weiteren Ausführungsform ist der erste endliche Zustandsautomat und der zweite endliche Zustandsautomat als integriertes Bauteil ausgeführt.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform ist der externe Radarchip ein Radar-MM IC (Monolithic Microwave Integrated Circuit).
Gemäß einer weiteren Ausführungsform ist der ASIC eingerichtet, den Prozessor aus einem Schlafmodus zu wecken und daraufhin Messdaten an den Prozessor zu übertragen.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform ist der ASIC eingerichtet, einen spannungsgesteuerten Oszillator, VCO, des externen Radarchips und/oder einen Multiplier des externen Radarchips zu versorgen.
PLL, ADC, Power Management und Safety-Funktionen können alle auf dem ASIC integriert sein. Insbesondere kann der ASIC eingerichtet sein, verschiedene Radarchips mit unterschiedlichen Betriebsfrequenzen, beispielsweise 6 GHz, 24 GHz, 80 GHz, 180 GHz und 240 GHz, zu unterstützen. Um dies zu erreichen, kann vorgesehen sein, dass der endliche Zustandsautomat entsprechend programmiert ist.
Der Radarchip und der ASIC können im Hinblick auf den Energiebedarf für die Erfassung einer Echokurve optimiert sein. Insbesondere kann vorgesehen sein, dass Teilbereiche des Radarchips, des ASIC und/oder des Prozessors nur dann eingeschaltet werden, wenn sie tatsächlich gebraucht werden. Nicht benötigte Schaltungsteile können rasch abgeschaltet werden. Die Radarschaltung kann insbesondere im Hinblick auf Baugröße und Kosten optimiert sein.
Insbesondere kann die Radarschaltung des Messgeräts zur Versorgung aus einer limitierten Energiequelle (zum Beispiel 4 bis 20 mA-Speisung oder Energy Harvesting) eingerichtet sein. Als Versorgungsspannung können 3,3 V vorgesehen sein, sowohl für den Prozessor als auch für den ASIC. Auch kann der ASIC für mehrere verschiedene Versorgungsspannungen eingerichtet sein. Der ASIC und der Radarchip können auf der gleichen Leiterplatte positioniert sein. Die Radarschaltung und insbesondere der ASIC können derart eingerichtet sein, nach Abschluss der Messung und hier insbesondere während des Ablaufs der Messwertermittlung in einem Energiespar-Betriebsmodus betrieben zu werden, der in seiner Ausprägung vom verwendeten Radarchip abhängig ist.
Unter dem Begriff „Prozessautomatisierung im industriellen Umfeld“ kann ein Teilgebiet der Technik verstanden werden, welches Maßnahmen zum Betrieb von Maschinen und Anlagen ohne Mitwirkung des Menschen beinhaltet. Ein Ziel der Prozessautomatisierung ist es, das Zusammenspiel einzelner Komponenten einer Werksanlage in den Bereichen Chemie, Lebensmittel, Pharma, Erdöl, Papier, Zement, Schifffahrt oder Bergbau zu automatisieren. Hierzu können eine Vielzahl an Sensoren eingesetzt werden, welche insbesondere an die spezifischen Anforderungen der Prozessindustrie, wie bspw. mechanische Stabilität, Unempfindlichkeit gegenüber Verschmutzung, extremen Temperaturen und extremen Drücken, angepasst sind. Messwerte dieser Sensoren werden üblicherweise an eine Leitwarte übermittelt, in welcher Prozessparameter wie Füllstand, Grenzstand, Durchfluss, Druck oder Dichte überwacht und Einstellungen für die gesamte Werksanlage manuell oder automatisiert verändert werden können.
Ein Teilgebiet der Prozessautomatisierung im industriellen Umfeld betrifft die Logistikautomation von Anlagen und die Logistikautomation von Lieferketten. Mit Hilfe von Distanz- und Winkelsensoren werden im Bereich der Logistikautomation Abläufe innerhalb oder außerhalb eines Gebäudes oder innerhalb einer einzelnen Logistikanlage automatisiert. Typische Anwendungen finden z.B. Systeme zur Logistikautomation im Bereich der Gepäck- und Frachtabfertigung an Flughäfen, im Bereich der Verkehrsüberwachung (Mautsysteme), im Handel, der Paketdistribution oder aber auch im Bereich der Gebäudesicherung (Zutrittskontrolle). Gemein ist den zuvor aufgezählten Beispielen, dass eine Präsenzerkennung in Kombination mit einer genauen Vermessung der Größe und der Lage eines Objektes von der jeweiligen Anwendungsseite gefordert wird. Hierfür können Sensoren auf Basis optischer Messverfahren mittels Laser, LED, 2D-Kameras oder 3D-Kameras, die nach dem Laufzeitprinzip (time of flight, ToF) Abstände erfassen, verwendet werden.
Ein weiteres Teilgebiet der Prozessautomatisierung im industriellen Umfeld betrifft die Fabrik-/Fertigungsautomation. Anwendungsfälle hierzu finden sich in den unterschiedlichsten Branchen wie Automobilherstellung, Nahrungsmittelherstellung, Pharmaindustrie oder allgemein im Bereich der Verpackung. Ziel der Fabrikautomation ist, die Herstellung von Gütern durch Maschinen, Fertigungslinien und/oder Roboter zu automatisieren, d. h. ohne Mitwirkung des Menschen ablaufen zu lassen. Die hierbei verwendeten Sensoren und spezifischen Anforderungen im Hinblick auf die Messgenauigkeit bei der Erfassung der Lage und Größe eines Objektes sind mit denen der im vorigen Beispiel der Logistikautomation vergleichbar.
Im Folgenden werden mit Verweis auf die Figuren Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung beschrieben. Werden in der folgenden Figurenbeschreibung die gleichen Bezugszeichen verwendet, so bezeichnen diese gleiche oder ähnliche Elemente. Die Darstellungen in den Figuren sind schematisch und nicht maßstäblich.
Ein weiterer Aspekt der vorliegenden Offenbarung betrifft ein Messgerät mit einem Radarchip, der eingerichtet ist zum Erzeugen und Erfassen eines Radarmesssignals, sowie einen anwendungsspezifischen integrierten Schaltkreis, wie er oben und im Folgenden beschrieben ist, und der beispielsweise zwischen dem Radarchip und dem Prozessor angeordnet ist.
Ein weiterer Aspekt der vorliegenden Offenbarung betrifft die Verwendung eines oben und im Folgenden beschriebenen anwendungsspezifischen integrierten Schaltkreises für ein Messgerät, insbesondere für ein Füllstandradarmessgerät, das einen Radarchip aufweist.
Kurze Beschreibung der Figuren Fig. 1 zeigt ein Schaltbild eines Radar-MMICs mit einer Peripheriebeschaltung durch diskrete Komponenten.
Fig. 2 zeigt einen anwendungsspezifischen integrierten Schaltkreis, welcher Steuerungs- und Erfassungsaufgaben beim Betrieb eines rein analogen MMIC übernehmen kann.
Fig. 3 zeigt den Aufbau eines Radarmessgeräts mit einem anwendungsspezifischen integrierten Schaltkreis.
Fig. 4 zeigt die universelle Nutzbarkeit des anwendungsspezifischen integrierten Schaltkreises für vielfach verwendete Radar-MMICs zur Füllstandmessung.
Fig. 5 zeigt den Gesamtablauf einer Selbsttestfunktion im anwendungsspezifischen integrierten Schaltkreis.
Fig. 6 zeigt einen Teilablauf des Tests des extern angeschlossenen MMICs.
Fig. 7 zeigt ein Messgerät mit einer Radarschaltung.
Detaillierte Beschreibung von Ausführungsformen
Fig. 1 zeigt einen Radar MMIC 101, mit einer Peripheriebeschaltung durch diskrete Komponenten. Der Radar MMIC erzeugt ein Radar-Messsignal von 80 GHz, das über die Antenne 118 in Richtung Füllgut abgestrahlt wird. Der MMIC weist einen spannungsgesteuerten Oszillator (VCO) 107 auf, der von einer externen PLL 104 angesteuert wird. Es ist ein TCXO-Oszillator 115 vorgesehen, der die PLL mit einer Frequenz von 40 MHz ansteuert. Der TCXO-Oszillator 115 steuert auch die Analog- Digital-Wandlerschaltung 105 an.
Der MMIC weist neben dem VCO 107 einen Multiplier 108 auf, der vom VCO 107 bei 40 GHz angesteuert wird. Der Multiplier doppelt die Frequenz auf und steuert den TX Verstärker 109 an, der über eine Sende-/Empfangsweiche, beispielsweise einen Zirkulator mit der Antenne 118 verbunden ist. Darüber hinaus ist ein Abwärtskonverter 110 vorgesehen, der Signale vom Multiplier 108 und der Sende- /Empfangsweiche erhält. Alle übrigen Komponenten befinden sich außerhalb des MMIC. Der Abwärtskonverter 110 gibt sein Signal an eine Verstärkungs- und Filterschaltung 113, welche es dann an den ADC 105 weiterreicht. Der ADC 105 ist über eine SPI Schnittstelle mit dem Prozessor 103 des Messgeräts verbunden. Der Prozessor 103 kann Daten mit einem externen Speicher 116 austauschen. Darüber hinaus ist der Prozessor 103 mit einem Feldbusmodem 117 zur Messwertübertragung verbunden.
Fig. 2 zeigt einen Radar Companion ASIC 102, welcher Steuerungs- und Erfassungsaufgaben beim Betrieb eines rein analogen MMIC übernehmen kann. Der ASIC 102 weist eine Linearisierungsschaltung, beispielsweise eine ganzzahlige oder gebrochen rationale PLL 104, eine Energieversorgung 111, eine Selbsttestschaltung 112, beispielsweise in Form eines zweiten endlichen Zustandsautomaten 112, eine Verstärkungs- und Filterschaltung 113 oder IF Gain AAF Schaltung 113, eine Analog-Digital-Konverterschaltung 104 (welche beispielsweise eingerichtet ist, analoge Signale mit einer Genauigkeit von 16 Bit und einer Abtastfrequenz von 40MHz in digitale Werte zu überführen), einen First-In- First-Out (FiFo) Speicher 114 und einen endlichen Zustandsautomaten 106 auf. Der ASIC 102 ist ein separates Bauteil, kann jedoch auf derselben Leiterplatte wie der MMIC 101 (s. Fig. 3) angeordnet sein. Fig. 3 zeigt den Aufbau einer Radarschaltung 100 für ein Radarmessgerät, die den oben beschriebenen ASIC 102 aufweist. Der ASIC 102 ist zwischen den Radarchip 101 und den Prozessor 103 geschaltet. Die Kommunikation zwischen ASIC 102 und Prozessor 103 erfolgt beispielsweise über die FiFo 114 mittels einer QSPI Schnittstelle und, ausgehend vom Prozessor 103, über eine SPI Schnittstelle zur FSM 106.
Die FSM 106 kann eingerichtet sein, passend zum jeweils angeschlossenen Radarchip programmiert zu werden. Die FSM kann hierzu geeignete Hardwareeinheiten beinhalten. Die FSM kann durch den Prozessor insbesondere konfiguriert werden, die Parameter einer Entfernungsmessung nach einem FMCW Verfahren einzustellen. Abhängig von der Arbeitsfrequenz des angeschlossenen Radarchips kann beispielsweise aufgrund zulassungstechnischer Vorgaben vorgesehen sein, die Startfrequenz, die Stopfrequenz, die Zeitdauer, die Sendeleistung und/oder andere Parameter des jeweils verwendeten Radarchips in der FSM 106 zu hinterlegen, womit diese dann befähigt wird, in einem späteren Messdurchlauf durch Ansteuerung mit geeigneten Signalen den MMIC 101 zu befähigen, die gewünschte Messung durchzuführen. Es kann hierbei insbesondere vorgesehen sein, dass die FSM die Steuerung des MMIC während der Durchführung einer Messung vollständig realisiert, womit ein Eingriff oder Mitwirken des Prozessorkerns 103 nicht mehr erforderlich wird. Der Prozessorkern 103 kann beispielsweise, um Energie zu sparen, während der Durchführung einer Radarmessung durch die FSM 106 in einen Energiesparzustand überführt werden, und nach abgeschlossener Erfassung der Daten durch die FSM 106 wieder aktiviert werden.
Die FSM 106 kann weiterhin eingerichtet sein, die Information über den jeweils angeschlossenen Radarchip 101 an den zweiten endlichen Zustandsautomaten 112 weiterzureichen. Es kann auch vorgesehen sein, dass der zweite endliche Zustandsautomat 112 eingerichtet ist, selbständig den Typ des jeweils angeschlossenen MMIC 101 zu erkennen. Der zweite endliche Zustandsautomat 112 kann die Information über den Typ des angeschlossenen MMIC 101 verwenden, um einen Ablauf eines Selbsttests zu optimieren und passend für den angeschlossenen MMIC durchzuführen.
Der ASIC 102 kann den VCO 107 und den Multiplier 108 des MMIC 101 mit Energie versorgen und einen Selbsttest des MMIC 101 durchführen oder triggern (siehe Fig. 3). Insbesondere kann der RC-ASIC 102 zur Funktionsüberprüfung des MMIC 101 eingesetzt werden. Dies ist insbesondere für SIL Anwendungen von Vorteil. Es kann vorgesehen sein, dass der Prozessor 103 auf dem ASIC 102 integriert ist. Er kann aber auch, wie in Fig. 3 gezeigt, ein separates Bauteil sein.
Insbesondere können der MMIC 101 und der RC-ASIC 102 mittels unterschiedlicher Halbleitertechnologien und Chipmaterialien gefertigt sein. So kann der MMIC für die Anwendung bei hohen Frequenzen, beispielsweise 80 GHz oder darüber optimiert sein, wohingegen der RC-ASIC 102 für Anwendungen von deutlich niedrigeren Frequenzen, beispielsweise 40 MHz, optimiert ist. Dies kann im Vergleich zur Integration der ASIC-Baugruppe auf einem MMIC Energie sparen. Fig. 4 zeigt die universelle Nutzbarkeit des RC-ASIC 102 für Radar MMICs zur Füllstandmessung, die für ganz unterschiedliche Frequenzbereiche ausgelegt sind, beispielsweise für 6 GHz, 24 GHz, 80 GHz, 180 GHz und 240 GHz.
Fig. 5 zeigt den Gesamtablauf einer Selbsttestfunktion im Companion ASIC 102. Das Verfahren startet mit Schritt 501. In Schritt 502 erfolgt eine Konfiguration des Radar Companion ASICs 102. In Schritt 503 erfolgt eine Konfiguration des Sicherheits-Setups. In Schritt 504 wird festgestellt, ob die Zeitdauer seit dem letzten FiFo-Speichertest größer ist als eine vorgebbare Mindestzeitspanne tsafe.
Ist dies nicht der Fall, läuft das Verfahren weiter mit Schritt 507. In diesem Fall ist kein Test des im Radar Companion ASIC 102 integrierten FiFo-Speichers nötig.
Ist die Zeitdauer seit dem letzten FiFo-Speichertest größer ist als eine vorgebbare Mindestzeitspanne tsafe, erfolgt als nächstes Schritt 505, bei dem der FiFo-Speicher intern getestet wird. In Schritt 506 wird dann das Testergebnis nach außen bereitgestellt.
In Schritt 507 wird beurteilt, ob die Zeitdauer seit dem letzten MMIC-Test größer ist als eine vorgebbare Mindestzeitspanne tMMicsafe. Ist dies nicht der Fall, springt das Verfahren zu Schritt 510, da kein Test des MMIC notwendig ist. Ist dies der Fall, erfolgt Schritt 508, bei dem ein MMIC-Test durchgeführt wird. In Schritt 509 wird dann das Testergebnis nach außen bereitgestellt.
In Schritt 510 schließlich wird die normale Messung des Messgeräts gestartet, also beispielsweise eine Füllstandmessung. Das Verfahren endet in Schritt 511.
Fig. 6 zeigt den Teilablauf eines Tests des extern angeschlossenen MMICs. Das Verfahren startet mit Schritt 601. In Schritt 602 wird ein Testsignal im kHz-Bereich bereitgestellt. In Schritt 603 startet der Messablauf im MMIC. In Schritt 604 werden die Messdaten in den FiFo eingelesen und in Schritt 605 wird der MMIC deaktiviert. In Schritt 606 erfolgt eine Analyse der FiFo-Daten auf das Testsignal, und in Schritt 607 wird festgestellt, ob das Testsignal korrekt erfasst wurde. Ist dies nicht der Fall, springt das Verfahren zu Schritt 609, in welchem der Status „unsicher“ oder etwas Entsprechendes ausgegeben wird. Ist dies sehr wohl der Fall, springt das Verfahren zu Schritt 608, in welchem der Status „sicher“ oder etwas Dergleichen ausgegeben wird. Das Verfahren endet daraufhin mit Schritt 610.
Fig. 7 zeigt ein Messgerät 200, beispielsweise ein Radarfüllstandmessgerät, mit der oben beschriebenen Schaltung 100, die eine Füllstandradarantenne 118 zum Abstrahlen des Radar-Messsignals und zum Empfangen des an der Füllgutoberfläche reflektierten Radar-Messsignals aufweist.
Die vorliegende Offenbarung stellt einen Radar Companion ASIC bereit, der wesentliche Steuerungs- und Erfassungsaufgaben bei der Verwendung kommerzieller Radarchips preisgünstig in einer kompakten Einheit vereint, und insbesondere eingerichtet ist, sich selbst und einen externen angebundenen kommerziell verfügbaren MMIC im Hinblick auf den zuverlässigen Betrieb gemäß IEC61508 zu überwachen.
PLL, ADC, Power Management und Safety-Funktionen können in einem Chip vereint sein. Insbesondere kann der ASIC verschiedene Radarchips mit unterschiedlichen Betriebsfrequenzen und unterschiedlichen Built-In-Self-Tests (BIST) unterstützen. Der ASIC kann eingerichtet sein, ein entsprechendes Signal bereitzustellen, welches den sicheren Zustand des Gesamtsystems und/oder einen unsicheren Zustand des Gesamtsystems nach außen bereitstellt.
Das nach außen bereitgestellte Signal kann indikativ für den aktuellen Sicherheitszustand des Radar Companion ASIC sein und/oder des extern angeschlossenen Radar-MMICs.
Die in den Ansprüchen verwendeten Begriffe sollten so ausgelegt werden, dass sie die weitestmögliche vernünftige Interpretation in Übereinstimmung mit der vorstehenden Beschreibung erhalten. Zum Beispiel sollte die Verwendung des Artikels "ein" oder "der" bei der Einführung eines Elements nicht so ausgelegt werden, dass sie eine Vielzahl von Elementen ausschließt. Ebenso sollte die Erwähnung von "oder" so ausgelegt werden, dass sie eine Vielzahl von Elementen einschließt, so dass die Erwähnung von "A oder B" nicht "A und B" ausschließt, es sei denn, aus dem Kontext oder der vorangehenden Beschreibung geht klar hervor, dass nur eines von A und B gemeint ist. Ferner ist die Formulierung "mindestens eines von A, B und C" als eines oder mehrere Elemente aus einer Gruppe von Elementen zu verstehen, die aus A, B und C besteht, und nicht so auszulegen, dass mindestens eines von jedem der aufgeführten Elemente A, B und C erforderlich ist, unabhängig davon, ob A, B und C als Kategorien oder auf andere Weise miteinander verbunden sind. Darüber hinaus sollte die Erwähnung von "A, B und/oder C" oder "mindestens eines von A, B oder C" so ausgelegt werden, dass sie jede einzelne Einheit der aufgeführten Elemente, z. B. A, jede Teilmenge der aufgeführten Elemente, z. B. A und B, oder die gesamte Liste der Elemente A, B und C umfasst.

Claims

Patentansprüche
1. Anwendungsspezifischer integrierter Schaltkreis (102) für ein Messgerät (200), aufweisend: einen ersten endlichen Zustandsautomaten (106), der eingerichtet ist, einen externen Radarchip (101), der zum Erzeugen und/oder Erfassen eines Radarmesssignals eingerichtet ist, zu steuern; einen zweiten endlichen Zustandsautomaten (112), der eingerichtet ist, einen Speicher (114) des anwendungsspezifischen integrierten Schaltkreises (102), der zum Ermitteln eines Messwerts aus dem von dem externen Radarchip (101) erfassten Radarmesssignal eingerichtet ist, und/oder den externen Radarchip zu überwachen.
2. Anwendungsspezifischer integrierter Schaltkreis (102) nach Anspruch 1 , wobei der anwendungsspezifische integrierte Schaltkreis (102), ASIC, eine Phasenregelschleife (104), PLL, aufweist.
3. Anwendungsspezifischer integrierter Schaltkreis (102) nach Anspruch 1 oder 2, wobei der ASIC (102) eine Analog-Digital-Wandlerschaltung (105), ADC, aufweist.
4. Anwendungsspezifischer integrierter Schaltkreis (102) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der ASIC (102) eine digitale Schnittstelle zu einem Prozessor (103) des Messgeräts (200) aufweist.
5. Anwendungsspezifischer integrierter Schaltkreis (102) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der erste endliche Zustandsautomat (106) und der zweite endliche Zustandsautomat (112) als integriertes Bauteil ausgeführt sind.
6. Anwendungsspezifischer integrierter Schaltkreis (102) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der externe Radarchip (101) ein Radar MMIC ist.
7. Anwendungsspezifischer integrierter Schaltkreis (102) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der ASIC (102) ein Radar Companion ASIC ist, der Steueraufgaben und/oder Messwert-Erfassungsaufgaben des Messgeräts (200) übernimmt.
8. Anwendungsspezifischer integrierter Schaltkreis (102) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der ASIC (102) eingerichtet ist, den Prozessor (103) aus einem Schlafmodus zu wecken und daraufhin Messdaten an den Prozessor zu übertragen.
9. Anwendungsspezifischer integrierter Schaltkreis (102) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der ASIC (102) eingerichtet ist, einen spannungsgesteuerten Oszillator (107), VCO, des externen Radarchips (101) und/oder einen Muliplier (108) des externen Radarchips zu versorgen.
10. Messgerät (200), aufweisend: einen Radarchip (101), eingerichtet zum Erzeugen eines Radarmessignals; einen anwendungsspezifischen integrierten Schaltkreis (102), ASIC, nach einem der Ansprüche 1 bis 9.
11. Messgerät (200) nach Anspruch 10, wobei der ASIC und der Radarchip separate Bauteile sind.
12. Messgerät (200) nach Anspruch 10 oder 11, ausgeführt als Füllstandradarmessgerät (200)
13. Verwendung eines anwendungsspezifischen integrierten Schaltkreises (102), ASIC, nach einem der Ansprüche 1 bis 9 für ein Messgerät, insbesondere für ein Füllstandradarmessgerät (200), das einen Radarchip (101) aufweist.
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