JP5040873B2 - センサ信号処理装置 - Google Patents

Description

本発明は、センサが検出した物理量に応じて出力するアナログのセンサ信号を増幅し、Ａ／Ｄ変換したデータを外部に出力するセンサ信号処理装置に関する。

例えば車両に搭載される加速度センサは、一般に用途に応じて車体への取り付け位置が決まると共に、加速度の検出レンジが固定されている。例えば図６に示すように、車両の周辺部分には、衝突検出用の１００Ｇ，２００Ｇ程度のレンジに対応したセンサ５１〜５８が配置され、車両の中心付近には、ＶＳＣ（Vehicle Stability Control）などの車体制御に使用する５Ｇ程度のレンジに対応したセンサ５９，６０が、各センサ５１〜６０と通信を行うＥＣＵ６１と共に配置されている。斯様なシステム構成の一例は、特許文献１などに開示されている。
特開２００６−６２５６８号公報

上記のような構成では、各センサの用途は予め定められているため、用途に応じた数のセンサを配置しなければならない。また、ある種のセンサ（例えば、ＢＯＳＨ社のＳＭＢ３６０など）では、外部より通信で与えられるコマンドによって検出レンジを変更設定できるが、やはり予め用途を特定してシステムを構築し、配置した場所に応じてレンジを設定することには変わりなく、柔軟な使用形態を可能にするものではない。
本発明は上記事情に鑑みてなされたものであり、その目的は、１つのセンサを複数の用途に使用可能とするセンサ信号処理装置を提供することにある。

請求項１記載のセンサ信号処理装置によれば、制御部は、アナログのセンサ信号を増幅して出力する増幅部の増幅率を設定すると共に、Ａ／Ｄ変換器によってＡ／Ｄ変換されたセンサ信号のデータに、前記増幅率の設定に関する情報を付加して外部に出力する。斯様に構成すれば、センサ信号のＡ／Ｄ変換データを受け取った側は、上記付加情報を参照することで、Ａ／Ｄ変換データがどのような増幅率で増幅されたものかを把握できる。すなわち、センサ信号がどのようなレンジに属し、センサがどのような対象の物理量を検出したのかや、デジタルデータの重みなどが判る。したがって、増幅率を適宜設定することで、１つのセンサを複数の用途に使い分けることが可能となる。
そして、制御部は、増幅部の増幅率を一定周期毎に切り替えて、それぞれの増幅率の設定に対応する送信先にデータを送信する。すなわち、センサが検出対象とする物理量が、変更される増幅率に応じてどのような用途に用いるかを予め決定しておけば、１つのセンサを時分割で異なる用途に切り替えて、各データを使用する先に送信することができる。

請求項２記載のセンサ信号処理装置によれば、制御部は、増幅率の設定に関する情報を示すレンジビットをＡ／Ｄ変換データに付加するので、センサ信号のＡ／Ｄ変換データを受け取った側は、レンジビットを参照すればＡ／Ｄ変換データがどのような増幅率で増幅されたものかを把握することができる。

請求項３記載のセンサ信号処理装置によれば、制御部は、Ａ／Ｄ変換されたデータが飽和しない範囲で増幅率を最大に設定するので、センサが検出した物理量のレンジに応じて、センサ信号の分解能が最大となるように、増幅率が最適となるようにフィードバック制御することができる。

請求項４記載のセンサ信号処理装置によれば、センサを、車両に搭載される少なくとも１つの加速度センサとするので、検出対象となる様々な加速度のレンジが極めて広い加速度センサに本発明を有効に適用できる。

請求項５記載のセンサ信号処理装置によれば、加速度センサが、車両に搭載される衝突検出用の加速度センサである場合に、制御部は、Ａ／Ｄ変換データの最大レンジを衝突検出用の加速度のレンジに設定する。すなわち、衝突検出用の加速度センサのレンジは極めて広く、且つ応答性も極めて高いので、レンジが比較的狭い検出対象についても流用が可能であるから、本発明のセンサ信号処理装置を組み合わせて用いる場合に有効である。

請求項６記載のセンサ信号処理装置によれば、センサを、圧力センサ，温度センサ，受光センサの何れかとするので、これらのセンサについても、検出対象の物理量が変化する範囲が広い場合に、本発明を有効に適用できる。

以下、本発明の一実施例について図１乃至図５を参照して説明する。図１は、本発明のセンサ信号処理装置を中心とするシステムの構成例を示す機能ブロック図である。このシステムは、Ｇセンサ１（加速度センサ，センサチップ），信号処理部２（回路チップ），センサＥＣＵ３（制御部），エアバッグ（Ａ／Ｂ）用ＥＣＵ４，ＶＳＣ用ＥＣＵ５からなり、信号処理部２とセンサＥＣＵ３とがセンサ信号処理装置６を構成している。
Ｇセンサ１は、例えば容量式センサであり、図示しない可動電極部と固定電極部との間に夫々コンデンサＣ１，Ｃ２が形成され、これらコンデンサＣ１，Ｃ２の静電容量が、加速度の作用に伴う可動電極部の変位に応じて差動的に変化することで、加速度を容量値の変化として検出する。

信号処理部２は、Ｇセンサ１からの信号を処理するための回路を有して構成され、固定電極部に接続される入力端子に互いに逆相の搬送波ＦＥ１，ＦＥ２を印加すると共に、容量変化を電圧変化に変換するＣ−Ｖ変換器７を備えている。Ｃ−Ｖ変換器７は、Ｇセンサ１より与えられる容量変化信号ＳＩＮを電圧変化に変換して、フィルタ８に出力する。フィルタ８を介した電圧信号は、可変ゲインアンプ９（増幅部）で増幅されると、Ａ／Ｄ変換器１０でＡ／Ｄ変換されてセンサＥＣＵ３に出力される。その他、信号処理部２は、Ｇセンサ１の故障診断を行うための自己診断回路１１や、当該回路１１及びフィルタ８の時定数調整等を行う制御回路１２などを備えている。

センサＥＣＵ３は、エアバッグ用ＥＣＵ４やＶＳＣ用ＥＣＵ５と車内ＬＡＮにより通信を行う機能を備えており、Ａ／Ｄ変換器１０によりＡ／Ｄ変換されたセンサ信号のデータが与えられると、後述するように、上記データにレンジビット（付加情報）を加えてＥＣＵ４，５に出力する。また、センサＥＣＵ３は、信号処理部２の可変ゲインアンプ９のゲイン（増幅率）を設定するようになっている。センサＥＣＵ３に対しては、可変ゲインアンプ９が増幅したアナログ信号も、スイッチ回路１３を介して入力可能となっている。

図２は、センサＥＣＵ３が可変ゲインアンプ９のゲインを可変設定することで、Ｇセンサ１のセンサ信号を処理するイメージを示すもので、可変ゲインアンプ９のゲインは、例えば１Ｇ，１０Ｇ，１００Ｇ，１０００Ｇの４段階に切り替え可能であり、Ｇセンサ１が検出した衝撃（加速度）の大きさに応じて最適となるように、センサＥＣＵ３がゲインを設定する。

次に、本実施例の作用について図３乃至図５も参照して説明する。図３は、センサ信号処理装置６の処理内容を中心に示すフローチャートである。センサＥＣＵ３は、可変ゲインアンプ９のゲインを初期設定すると共に、後述の処理に使用する各フラグをクリアして初期化する（ステップＳ１）。それから、Ａ／Ｄ変換器１０によりＡ／Ｄ変換したデータを読み込み（ステップＳ２）、そのデータがＡ／Ｄ変換レンジをオーバーフローしているか否かを判断する（ステップＳ３）。

Ａ／Ｄ変換データがオーバーフローしていなければ（ステップＳ３：ＮＯ）、後述する（ゲイン）確定フラグ，ＯＢ（オーバー）フラグがセットされているか否かを判断し（ステップＳ４，Ｓ５）、これらのフラグが何れもセットされていなければ（ＮＯ）、ＮＯ（ＮＯオーバー）フラグをセットする（ステップＳ１２）。そして、可変ゲインアンプ９のゲインを１段階上昇させてから（ステップＳ１３）、ステップＳ２に移行して再度Ａ／Ｄ変換したデータを読み込む。

以降もステップＳ３においてＡ／Ｄ変換データがオーバーフローしなければ、ステップＳ２〜Ｓ５，Ｓ１２，Ｓ１３のループを繰り返して、可変ゲインアンプ９のゲインが漸次上昇して行く。そして、ステップＳ３においてＡ／Ｄ変換データがオーバーフローすると（ＹＥＳ）、可変ゲインアンプ９のゲインを１段階低下させる（ステップＳ９）。この場合、ＮＯフラグはセットされていないので（ステップＳ１０：ＹＥＳ）、ＯＢフラグ，ＮＯフラグをクリアすると共に、可変ゲインアンプ９のゲインが確定したことを示す確定フラグをセットする（ステップＳ６）。それから、確定したゲインに応じたレンジビットをＡ／Ｄ変換データに付加すると（ステップＳ７）、そのゲインに対応したＥＣＵにデータを送信する（ステップＳ８）。

ここで、図４（ｂ）はレンジビットを説明する図である。センサＥＣＵ３が他のＥＣＵに送信するデータが１２ビットであり、レンジビットが上位２ビット，Ａ／Ｄ変換データが下位１０ビットの場合を示す。例えば、１０ビットで１０Ｇの加速度を表現する場合、１ビットは１／１０２４であるから約０．０１Ｇであり、１０００Ｇの加速度を表現する場合、１ビットは約１Ｇとなる。レンジビットは、Ａ／Ｄ変換データがそれぞれ以下の内容であることを示す。
レンジビット 内容
１１ 自己診断結果の異常
１０ 高Ｇ入力（低ゲイン設定）
０１ 低Ｇ入力（高ゲイン設定）
００ 自己診断（プライマリ）
尚、２ビットのレンジビットを、４段階のＧ入力に対応させても良く、また、レンジビットは３ビット以上であっても良い。例えば図５に示すようにゲインを５段階で変化させる場合に、「自己診断」，「自己診断結果の異常」を加えるとすればレンジビットを３ビットにして、「低Ｇ入力」を「００１」とすれば「高Ｇ入力（１〜４）」を「０１０〜１０１」に割り当てれば良い。

また、図４（ａ）は、Ｇセンサ１が出力するアナログセンサ信号の振幅が大きい場合（高Ｇ入力）と、同信号の振幅が小さい場合（低Ｇ入力）とで、信号処理部２が行う処理のイメージを概略的に示している。「低Ｇ入力」の場合は、可変ゲインアンプ９のゲインを高く設定して、本来のＡ／Ｄ変換データの分解能を維持する。一方、「高Ｇ入力」の場合は、可変ゲインアンプ９のゲインを低く設定してＡ／Ｄ変換データの分解能を粗くすることで、等価的に「低Ｇ入力」の場合と同じ分解能でＡ／Ｄ変換したデータの上位側を選択的に出力するような処理イメージとなる。

図４において、例えば「高Ｇ入力」に対応するのはエアバッグ用ＥＣＵ４であり、「低Ｇ入力」に対応するのはＶＳＣ用ＥＣＵ５であるから、センサＥＣＵ３は、ステップＳ７で設定したレンジビットに応じたＥＣＵに対して、ステップＳ８でデータを送信する。ステップＳ６で確定フラグがセットされると、以降はステップＳ４において「ＹＥＳ」と判断するので、ステップＳ７に移行して、確定したゲインに応じたレンジビットを付加するようになる。
一方、最初にステップＳ２で読み込んだＡ／Ｄ変換データがオーバーフローした場合は（ステップＳ３：ＹＥＳ）、ＮＯフラグがセットされていないのでステップＳ１０で「ＮＯ」と判断し、オーバーフローしたことを示すＯＢフラグをセットして（ステップＳ１１）ステップＳ２に移行する。

以降、ステップＳ３においてＡ／Ｄ変換データがオーバーフローしている間は、ステップＳ２，Ｓ３，Ｓ９〜Ｓ１１のループを繰り返して、可変ゲインアンプ９のゲインが漸次下降して行く。そして、ステップＳ３においてＡ／Ｄ変換データがオーバーフローしなくなると（ＮＯ）、この場合、確定フラグはセットされていないので（ステップＳ４：ＮＯ）、ＯＢフラグがセットされているか否かを判断する（ステップＳ５）。ＯＢフラグがセットされていれば（ＹＥＳ）ステップＳ６に移行して、ＯＢフラグをクリアすると共に確定フラグをセットすることで、可変ゲインアンプ９のゲインが確定する。

エアバッグ用ＥＣＵ４やＶＳＣ用ＥＣＵ５は、センサＥＣＵ３より送信されたデータを受信すると、そのレンジビットを参照することで、Ａ／Ｄ変換データがどのようなゲインで増幅されたものか、すなわちＡ／Ｄ変換データの分解能（データ１ビットの重み）が幾つであるのかを判定することができ、そのデータを制御に使用する場合に分解能に応じて評価する。

以上のように本実施例によれば、センサ信号処理装置６のセンサＥＣＵ３は、アナログのセンサ信号を増幅して出力する可変ゲインアンプ９のゲインを設定すると共に、Ａ／Ｄ変換器１０によりＡ／Ｄ変換されたセンサ信号のデータに、前記ゲインの設定に関する情報をレンジビットとして付加し外部に出力するので、センサ信号のＡ／Ｄ変換データを受け取った側は、レンジビットを参照すればＧセンサ１のセンサ信号がどのようなレンジに属しているのかや、どのような種類（用途：衝突検出，車両制御等）の加速度であるのか、デジタルデータの重みなどが判る。したがって、ゲインを適宜設定することで、１つのＧセンサ１を複数の用途に使い分けることが可能となる。

そして、センサＥＣＵ３は、Ａ／Ｄ変換されたデータが飽和しない範囲でゲインを最大に設定するので、Ｇセンサ１が検出した加速度のレンジに応じてセンサ信号の分解能が最大となるように、すなわちゲインが最適となるようにフィードバック制御することができる。また、センサＥＣＵ３は、Ａ／Ｄ変換データの最大レンジを衝突検出用の加速度のレンジに設定する。すなわち、衝突検出用のＧセンサ１のレンジは極めて広いが、応答性も極めて速いので、レンジが比較的狭い検出対象についても流用が可能であるから、本発明のセンサ信号処理装置６を組み合わせて用いる場合に有効である。

本発明は上記し且つ図面に記載した実施例にのみ限定されるものではなく、以下のような変形または拡張が可能である。
センサＥＣＵ３を、可変ゲインアンプ９のゲインを一定周期毎に切り替えて、それぞれのゲインの設定に対応するＥＣＵにデータを送信するように構成しても良い。すなわち、Ｇセンサ１が検出対象とする加速度が、変更されるゲインに応じてどのような用途に用いるかを予め決定しておけば、１つのＧセンサ１を時分割で異なる用途に切り替えて、各データを使用する先に送信することができる。
Ａ／Ｄ変換データのサイズは１０ビットに限ることなく、個別の設計に応じて適宜変更すれば良い。
自己診断回路１１は、必要に応じて設ければ良い。

Ｇセンサ１に限ることなく、圧力センサや温度センサ，受光センサなどに適用しても良い。これらのセンサについても、検出対象の物理量が変化する範囲が広い場合に本発明を有効に適用できる。したがって、Ａ／Ｄ変換データの最大レンジは、必ずしも衝突検出用の加速度のレンジに設定する必要はない。
センサＥＣＵがデータを切り換えて送信する先は、３か所以上であっても良い。
図２に示すイメージのように、増幅部にゲインの設定が異なる複数アンプを配置しておき、最適なゲインのアンプの増幅出力を選択するように構成しても良い。
増幅率の設定に関する情報は、必ずしも上記実施例で示したレンジビットの形式を採用する必要はない。例えばデータに奇数／偶数パリティビットを付加することで、そのパリティビットを加えたデータビットが奇数／偶数の何れか示すかによって、高Ｇ入力／低Ｇ入力を示す形式などでも良い。
車両に搭載されるセンサの信号を処理するものに限ることなく、広く適用することができる。

本発明の一実施例であり、センサ信号処理装置を中心とするシステムの構成例を示す機能ブロック図 センサＥＣＵがアンプのゲインを可変設定することで、センサ信号を処理するイメージを示す図 センサ信号処理装置の処理内容を中心に示すフローチャート レンジビットを説明する図 Ｇセンサが検出する加速度のレンジとアンプのゲイン設定との関係を示す図 従来技術を説明する図

符号の説明

図面中、１はＧセンサ、３はセンサＥＣＵ３（制御部）、６はセンサ信号処理装置、９は可変ゲインアンプ（増幅部）、１０はＡ／Ｄ変換器を示す。

Claims (6)

1. 増幅率の設定が可変に構成され、センサが検出した物理量に応じて出力するアナログのセンサ信号を増幅して出力する増幅部と、
   この増幅部により増幅されたセンサ信号をデジタルデータに変換するＡ／Ｄ変換器と、
   前記増幅部の増幅率を設定すると共に、前記Ａ／Ｄ変換器によってＡ／Ｄ変換されたデータに、前記増幅率の設定に関する情報を付加して外部に出力する制御部とを備え、
   前記制御部は、前記Ａ／Ｄ変換データを複数の送信先に対して選択的に送信する通信機能を備え、前記増幅部の増幅率を一定周期毎に切り替えて、前記増幅率の設定に対応する送信先にデータを送信することを特徴とするセンサ信号処理装置。
2. 前記制御部は、前記増幅率の設定に関する情報を示すレンジビットを、前記Ａ／Ｄ変換データに付加することを特徴とする請求項１記載のセンサ信号処理装置。
3. 前記制御部は、前記Ａ／Ｄ変換データを評価して、当該データが飽和しない範囲で、前記増幅率が最大となるように設定することを特徴とする請求項２記載のセンサ信号処理装置。
4. 前記センサは、車両に搭載される少なくとも１つの加速度センサであることを特徴とする請求項１乃至３の何れかに記載のセンサ信号処理装置。
5. 前記加速度センサが、車両に搭載される衝突検出用の加速度センサである場合に、
   前記制御部は、前記Ａ／Ｄ変換データの最大レンジを、前記衝突検出用の加速度のレンジに設定することを特徴とする請求項４記載のセンサ信号処理装置。
6. 前記センサは、圧力センサ，温度センサ，受光センサの何れかであることを特徴とする請求項１乃至３の何れかに記載のセンサ信号処理装置。

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