KR101089486B1 - 다중 데이터 출력 기능을 갖는 센서 - Google Patents

Abstract

본 발명은 각각의 원래 데이터 워드가 적어도 2개의 분리된 단축 데이터 워드(MSN, LSN)으로 분할된 센서(1)에서 수신기(4)로 전송하는 방법을 제공한다. 분리된 단축 데이터 워드(MSN, LSN)는 디지털/아날로그 변환기(15)에 의해서 개개의 아날로그 의사신호로 변환되어, 다중 모드로 센서의 출력부와 전송 경로(3)를 거쳐서 수신기(4)로 전송된다. 수신기에서, 아날로그 의사신호는 다시 단축 데이터 워드(MSN, LSN)로 변환되어, 디지털/아날로그 변환기(15)에 의해서 올바른 비트 순서로 일체로 결합됨으로써, 얻어진 데이터 워드는 원래의 워드에 상응하게 된다.

Description

다중 데이터 출력 기능을 갖는 센서{SENSOR WITH MULTIPLEX DATA OUTPUT}

도 1은 14비트를 2개의 7비트 단축 데이터 워드로 분할한 것을 보여주는 도면.

도 2는 아날로그 출력 범위를 보여주는 도면.

도 3은 관련 아날로그 의사신호에 대한 출력 범위를 보여주는 도면.

도 4는 각도 측정에 대한 아날로그 센서 신호를 보여주는 도면.

도 5는 도 3의 의사신호의 전송을 설명하는 시간 흐름도.

도 6은 전환가능한 부하를 갖는 전송 링크를 보여주는 개략도.

도 7은 서플라이를 통한 센서의 제어를 보여주는 개략도.

도 8은 센서의 기능 유닛들을 보여주는 블록도.

<도면에 사용된 주요 부호의 설명>

1: 센서

2: 신호 입력부

3: 전송 경로

4: 수신기 또는 제어기

5: 아날로그/디지털 변환기

6: 감지 요소

7: 아날로그/디지털 변환기

8, 10: 회로 블록

9: 메모리

11, 12: 레지스터

13: 전자 전환 장치

14: 제어기

15: 디지털/아날로그 변환기

16: 증폭기

센서는 일반적으로 측정될 량이 있는 곳에 위치한다. 이것은 특정 원리상 요구되는 것이거나, 또는 측정 오차 및 불확정성을 최소로 유지하는 기능이다. 센서에서의 측정량, 예컨대 온도, 자기장, 압력, 힘, 유속, 채움 수위 등은 물리 신호로 변환되고, 이어서 수신 장치에 공급된다. 일반적으로, 특히 수신기가 적당한 인터페이스를 갖는 프로세서인 경우에는, 생성, 전송 및 수신이 쉬운 전기 신호로의 변환이 일어난다. 전송될 신호는 애플리케이션에 따라서 아날로그 신호가 될 수도 있고 디지털 신호가 될 수도 있다. 디지털 신호는 전송 경로에 대한 간섭에 덜 민감하다고 하는 이점을 갖지만, 이것에 소요되는 비용은 송신 단부와 수신 단부는 물론 전송 경로에서의 복잡성에 따라서 증가된다. 한편, 프로세서의 신호 처 리는 대부분 디지털식이기 때문에, 디지털 신호는 관련 프로세서의 "신호 장면(signal scene)"에 더욱 양호하게 적합한 경우가 많다.

전송 경로에서의 병렬 데이터 라인과 센서 및 수신 단부에서의 대응하는 병렬 연결을 피하기 위해서, 데이터는 직렬로, 즉 연속 데이터 스트림으로서 또는 데이터 패킷에 의해 독립적으로 전송된다. 가장 간단한 형태에서, 개개의 데이터 비트는 쉽게 구별가능한 2개의 논리 상태에 의해서 부호화되어 전송된다. 알려진 방법은 여러 가지가 있으며, 가장 널리 알려진 방법은 펄스 코드 변조(PCM) 방식과 펄스폭 변조(PWM) 방식이 있고, 이들 방식은 모두 바이너리 변조 방식이다. 추가 가능한 반송파 변조는 이 기본적인 바이너리 변조 구조를 변경시키지 않는다.

데이터 워드가 긴 경우에, 직렬 데이터 전송의 한 가지 단점은, 전송 속도가 비교적 느리기 때문에, 전송에 시간이 요구된다는 것이다. 신호 라인이 길면, 신뢰성 있는 검출을 위해서는 프로세서 클록 속도에 비해 데이터 속도를 크게 줄여야 하므로, 펄스 엣지를 라운드 처리할 수 있다. 일반적으로, 적어도 수신기의 관련 데이터 입력부는 이 기간에 다른 데이터에 대해서 차단된다. 최악의 경우에는, 이러한 차단이 프로세서의 추가 부분으로 연장될 것이며, 그 결과, 예컨대 인터럽트를 허용하지 않게 된다.

고속 데이터 전송의 다른 가능성은 전송 이전의 데이터를 디지털/아날로그 변환기에 의해서 이산값(discrete value)을 갖는 아날로그 신호로 재변환하여 이 신호를 전송하는 것이다. 이것은 병렬 데이터 전송에 대응한다. 이어서, 수신기 단부에서, 데이터는 아날로그/디지털 변환기에 의해서 개개의 신호 범위로부터 복 원될 수 있다. 얼핏보면, 이것은 복잡해 보이고, 분명한 것은 센서의 원래 아날로그 출력 신호를 전송하는 것이다. 그러나, 센서 신호의 처리, 예컨대 필터링, 보간, 보상, 레벨 적응, 등화 등이 센서 내에서 일어나는 경우에는, 이것은 디지털 레벨에서 매우 쉽게 수행되는데, 이렇게 되면, 관련 파라미터 및 프로그램 스텝이 디지털 메모리로부터 검색될 수 있고, 디지털 처리가 온칩 컴퓨터 장치에서 수행될 수 있기 때문이다. 고분해능 센서 출력 신호의 경우에는 이러한 전송 방식에 문제가 생기는데, 이 경우에는, 전송 경로에 대한 교란 변수가 이용가능한 신호 패턴의 스텝 폭에 필적하거나 심지어 그보다 크기 때문이다.

본 발명의 목적은 고분해능을 갖는 센서가 이용되는 경우에도 센서와 수신기 사이에 고속이며 특히 신뢰성 있는 데이터 전송을 가능하게 하는 방법을 제공하는 데 있다.

본 발명은 전송 시에, 모든 데이터가 아날로그 신호, 즉 의사신호로 동시에 변환되지 않고, 데이터가 섹션별로 변환된다. 이어서, 얻어진 아날로그 신호는 다중 모드로 순서대로 전송된다. 수신기 단부에서, 상기 전송된 의사신호로부터 결정된 비트는 올바른 순서로 일체로 결합되어, 완성된 데이터 워드는 추가 처리에 이용될 수 있다.

다중 섹션들의 수와 각각의 다중 섹션에서 전송되는 데이터의 수는 관련된 기능 유닛들에 대한 개개의 특성과 예상되는 개개의 특성에 따라 다르다. 간섭의 영향이 적으면, 이것은 간섭의 영향이 큰 경우보다 더욱 뚜렷한 구별가능 상태를 가능하게 할 것이다. 제한된 경우에, 간섭의 영향은 매우 커서 다중 전송이 더 이상 불가능하지만, 그 각각의 비트는 개별적으로 전송되어야 한다. 그러나, 이는 순수한 순차 모드이다.

수신기 단부에서, 다중 모드로 전송되는 데이터 패킷은 올바르게 재조립되어야 한다. 즉, 상이한 데이터 패킷들을 식별할 수 있는 신뢰성 있는 할당이 있어야 한다. 이것은 여러 가지 방식으로 달성될 수 있다. 매우 간단한 해법으로서는 단일 데이터 워드 중에서 일체에 속하는 다중 섹션들간의 짧은 기간과, 상이한 데이터 워드들간을 구별하는 기능을 하는 긴 기간에 의한 식별이 있다. 이 경우, 일체에 속하는 데이터 패킷의 순서는 고정된다.

전술한 다중 전송의 큰 이점은 고분해능 센서 신호도 프로세서의 저분해능 아날로그/디지털 변환기에 의해서 다루어질 수 있다는 점이다. 14비트 데이터 워드가 2개의 7비트 섹션으로 분할되면, 프로세서의 10비트 아날로그/디지털 변환기는 이 신호를 분해하여 관련 7비트를 결정할 수 있다. 데이터 워드의 상위(high-order) 위치 또는 하위(low-order) 위치에 할당되는 첫 번째 7비트는 제1 레지스터에 배치된다. 두 번째 수신 신호에서, 데이터 워드의 하위 위치 또는 상위 위치에 할당된 7비트가 제2 비트에 또는 제1 비트의 빈 위치에 올바른 순서로 저장된다. 이와 같이, 14비트 데이터 워드의 전송은 2단계로 수행된다. 이어서, 추가의 처리는 프로세서에서 14비트 데이터 워드로서 행해진다. 높은 전송 정밀도의 요건의 일 예에는 내연 기관의 정확한 스로틀 위치를 감지하는 것이 있으며, 이것은 조용한 아이들링(quiet idling)의 조정에 필요하다.

전자 장치에 대한 공급 전압이 통상의 5볼트라고 가정하면, 센서에서는 0.25V와 4.75V 사이의 출력 전압 범위가 이용가능하다. 이 전압 범위에서 10비트 분해능이 달성되어야 하는 경우에는, 최소 분해능 스텝, 즉 1개의 LSB(최하위 비트)는 4.88 ㎷의 전압 스텝에 대응할 것이다. 그러나, 이 전송 범위가 본 발명에 따른 2회에 걸쳐 5비트를 전송하는 다중 전송에 이용되는 경우에는, 최소 분해능 스텝 LSB는 62.25 ㎷의 전압 스텝에 대응할 것이다. 이것은 원래의 분해능보다 약 30배 이득이다.

이 예는, 일반적으로, 2단계를 갖는 전송은 2개의 섹션을 식별하는 방법을 단순화시키는데 충분하다는 것을 보여준다. 예컨대, 0.25V와 4.75V 사이의 이용가능한 전압 범위는 0.25V에서 2.25V까지와 2.75V에서 4.75V까지의 2개의 부분으로 분할될 수 있다. 이어서, 상위 비트는 제1 범위로 전송되고, 하위 비트는 제2 범위로 전송된다. 노이즈 면역성은 절반으로 되지만, 이것은 여전히 10비트 신호의 전송에 관한 상기 예에서와 같이 약 15배이다.

또한, 개개의 데이터 영역의 정의 또는 그 영역에 대한 요청은 제어기 자체에 의해서 영향을 받을 수 있다. 제어기는 전송로의 부하 저항을 자신의 I/O 포트들 중 하나를 통해서 VSS 또는 VDD 전위에 연결시킨다. 이러한 전환(스위칭)은 센서 출력부의 적절한 평가 회로에서 전류 방향 변경을 통해 검출되어, 원하는 데이터 섹션의 전송을 시작시킨다. 데이터 패킷을 정의하고, 필요하다면 이것을 시작시키는 다른 가능성은 공급 선로 VDD에서 또는 센서의 추가 단자에서의 신호를 이용하는 것이다. 독일 특허 공개 공보 DE 198 19 265 C1은, 예컨대 외부 제어기로 부터의 명령 신호가 공급 전압 단자 VDD를 통해서 센서에 공급되는 방법에 대해서 개시하고 있다. 가장 간단한 예에서는, 비교적 높은 VDD 전압값이 상위 데이터의 전달을 시작시키고, 비교적 낮은 VDD 전압값이 하위 데이터의 전달을 시작시키거나, 또는 그 반대로 행하는 것이다.

센서가 측정하는 량의 변화 속도가 비교적 느리면, 상위 범위의 데이터는 변하지 않지만, 하위 범위의 데이터는 변할 것이다. 이 경우에는 상위 데이터 범위에 변화가 생길 때까지 하위 데이터 범위의 변화만을 전송하는 것이 적절하다. 전송이 2개의 범위에서 이루어지면, 전송되고 있는 섹션에 관한 식별이 보증된다. 그렇지 않은 경우에는 다른 종류의 식별로써 이것을 보장하여야 한다. 이 방법은 전송 스피드를 더욱 향상시키고, 제어기의 점유를 감소시킨다.

이제, 첨부 도면을 참조하여 본 발명 및 다른 유리한 형태를 더욱 상세하게 설명한다.

도 1은 센서의 14비트 출력 신호를 테이블 형태로 보여주는 것이다. 바이너리(binary) 수를 정의하는 0비트에서 13비트까지의 비트 범위인 "비트"는 16,384개의 구별가능한 신호 범위에 대응한다. 이 도면의 예에서, 센서의 신호값은 십진수 5241이라고 가정하고, 관련 바이너리 값은 "값"란에 부여된다. 이 바이너리 수가 2개의 7비트 범위로 분할되면, 오른쪽의 "값"란에 부여된 새로운 바이너리 값인 MSN과 LSN이 얻어진다. MSN(Most Significant Nibble)은 최상위 니블을 나타내고, LSN(Least Significant Nibble)은 최하위 니블을 나타낸다. 십진법의 수에서, MSN 은 값 40에 대응하고, LSN은 값 121에 대응한다. 다음의 상세한 설명과 특허청구범위에서는 이들 하위범위인 MSN과 LSN을 "단축 데이터 워드"라고도 부른다. 오른쪽 아래의 방정식은, 십진법에 의한 MSB 값 40이 가중 계수 128을 적용하여 LSN 값에 대해 먼저 증가된 경우에는, 2개의 단축 데이터 워드가 덧셈식으로 재결합되어 원래의 십진값인 십진수 5241로 될 수 있다는 것을 보여준다.

도 2는 십진값 5241이 0V 내지 5V의 범위에 있는 출력 전압에 이입된 것을 보여주는 것으로서, 이 도면에서 전체의 범위는 십진값 16,384에 대응한다. 0V 내지 5V의 전압 범위는 여기서 편의상 나타낸 것에 불과하며, 실제로는 당연히, 이들 값은 VDD=5V의 공급 전압에 다다르지 못한다. 십진값이 5241인 경우에는 1.600V의 전압값이 얻어진다. 도 3은 관련 단축 데이터 워드 MSN과 LSN의 전압값을 보여준다. 십진 표기법으로, 이들 값은 각각 40과 121이다. 분할한 결과로서, 128 전압값만이 각각의 경우에 구별가능해야 하므로, 단축 데이터 워드 MSN과 LSN의 십진값 40과 121은 각각 전압값 1.563V와 4.727V에 대응한다.

도 4는 각도값을 측정하는 센서의 아날로그 출력 신호 Vout을 보여주는 개략도이다. -60°에서 +60°까지의 각도 α는 0V에서 5V까지의 전압값과 선형적으로 연관지어져 있다.

도 5는 도 1의 단축 데이터 워드 LSN과 MSN의 연속 전송을 각각 4.727V와 1.563V의 상이한 전압 레벨로서 보여주는 시간 흐름도이다. 약 0.2㎳의 짧은 전이 동안에 LSN에서 MSN으로의 변화가 전송된다. 이 실시예에서, 이러한 변화는, 예컨 대 부하 저항 R_L을 VSS 또는 GND에서 VDD로 전환시킴으로써 발생되는 전송로 상의 전류 흐름 방향의 반전을 센서 출력부에서 검출함으로써 개시된다.

도 6은 이러한 실시의 일 예를 보여준다. 센서(1)는 전송 경로(3)에 연결된 자신의 신호 입력부(2)를 갖는다. 전송 경로(3)는 예컨대 10 킬로옴의 부하 저항 R_L을 포함한다. 전송 경로(3)에서부터 멀리 있는 부하 저항의 단부는 수신기(4), 예컨대 제어기의 I/O 포트에 연결되어, 수신기(4)는 자신의 출력 전위를 VSS와 VDD 사이에서 전환시킬 수 있으므로, 센서(1)에서 개개의 단축 데이터 워드의 출력을 아날로그 의사신호로서 제어할 수 있다. 수신기(4)에서의 아날로그 의사신호의 평가, 즉 그의 디지털화는 아날로그/디지털 변환기(5)에 의해서 수행된다.

도 7은 단축 데이터 워드를 외부에서 시작하는 다른 실시예를 보여주는 개략도이다. 이 경우, 제어는 I/O 포트를 통해서 제어기(4)에 의해서 적절히 변조되는 공급 전압 VDD에 의해서 행해진다. 전압 증분과 전압 감분 +/-ΔU가 이용되는지 또는 상이한 전압 증분이 이용되는 지의 여부는 센서의 검출 회로에 달려있다. 이 경우, 부하 저항은 고정 전위, 예컨대 VDD에 결합된다.

단축 데이터 워드 MSN과 LSN간의 구분이 상이한 전압 범위 Vout에 의해서 행해지는 경우에는, 도 6 또는 도 7에 의한 식별은 당연히 불필요하다. 이 경우, 구분은 아날로그/디지털 변환기(5)에 의해서 상이한 것으로 검출되는 전압 범위를 통해서 수신기(4)에서 순수하게 수동적으로 행해진다.

도 8은 센서(1)의 일 실시예의 기능 유닛들을 블록도 형태로 보여준다. 감 지 요소(6)는 자신의 아날로그 측정 신호를 아날로그/디지털 변환기(7)에 공급한다. 후속의 처리는 회로 블록(8)에서 디지털 방식으로 수행된다. 이 경우에 파라미터 또는 프로그램 선언문이 요구되면, 이들은 메모리(9)로부터 호출되어, 중간 결과 등을 유지할 수도 있다. 이 처리의 결과는 회로 블록(8)의 디지털 출력 신호, 즉, 수신기(도시하지 않음)에 전송될 멀티비트 데이터 워드이다. 회로 블록(10)에서, 이 데이터 워드는 2개의 단축 데이터 워드 MSN과 LSN으로 분할되고, 이들 2개의 단축 데이터 워드 MSN과 LSN은 레지스터(11, 12)에 일시적으로 저장된다. 전자 전환 장치(13)에 의해서, 2개의 레지스터의 내용은 올바른 시기에 디지털/아날로그 변환기(15)로 전환되고, 디지털/아날로그 변환기(15)는 이들 단축 데이터 워드 MSN과 LSN을 개개의 아날로그 의사신호로 변환시키며, 이들 아날로그 의사신호들은 증폭기(16)를 거쳐서 센서(1)의 출력 단자로 전달된다. 필요한 공급 및 제어 선로 및 클록 발생기는 명료화를 위해서 나타내지 않는다. 개개의 기능 유닛들이 전체적으로 구현되는지 또는 적절한 회로에 의해서 또는 프로그램에 의해서 부분적으로 구현되는지의 여부는 본 발명의 범위 내에 속한다.

전술한 본 발명에 의하면, 고분해능을 갖는 센서가 이용되는 경우에도 센서와 수신기 사이에 고속이며 특히 신뢰성 있는 데이터 전송이 가능해진다.

Claims (11)

1. 센서(1)로부터의 데이터를 수신기(4)로 전송하는 방법에 있어서,

   각각의 원래 데이터 워드는 개개의 비트수가 상기 원래 데이터 워드의 경우보다 적어지도록 적어도 2개의 분리된 단축 데이터 워드(MSN, LSN)로 분할되고,

   상기 분리된 단축 데이터 워드(MSN, LSN)는 디지털/아날로그 변환기(15)에 의해서 개개의 아날로그 의사신호로 변환되며,

   이들 아날로그 의사신호는 다중 모드로 상기 센서(1)의 출력부와 전송 경로(3)를 거쳐서 상기 수신기(4)의 신호 입력부에 전달되고,

   상기 신호 입력부는 상기 아날로그 의사신호를 수신측의 단축 데이터 워드(MSN, LSN)로 변환시키는 아날로그/디지털 변환기(5)에 접속되며, 그 비트수는 상기 센서(1)의 대응하는 단축 데이터 워드(MSN, LSN)의 비트수에 의해서 미리 결정되고,

   일체에 속하는 단축 데이터 워드(MSN, LSN)의 비트들은 상기 원래의 데이터 워드에 대응하는 수신측의 데이터 워드로 올바른 순서로 재결합되는 것을 특징으로 하는 데이터 전송 방법.
2. 제1항에 있어서, 상위(high-order) 단축 데이터 워드(MSN)의 데이터가 연속 데이터 워드들 사이에서 변화하지 않는 경우에, 상기 단축 데이터 워드(MSN, LSN)는 변경된 다중 모드로 전송되는 것을 특징으로 하는 데이터 전송 방법.
3. 제2항에 있어서, 상기 변경된 다중 모드에서는, 하위(low-order) 단축 데이터 워드(LSN)만이 전송되는 것을 특징으로 하는 데이터 전송 방법.
4. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서, 일체에 속하는 단축 데이터 워드(MSN, LSN)와 일체에 속하지 않는 단축 데이터 워드(MSN, LSN)간의 구분은 상이한 길이 간격에 의해서 행해지는 것을 특징으로 하는 데이터 전송 방법.
5. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서, 구분을 위해, 상기 단축 데이터 워드(MSN, LSN)에는 분리된 센서 출력 범위가 할당되는 것을 특징으로 하는 데이터 전송 방법.
6. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서, 구분을 위해, 상기 단축 데이터 워드(MSN, LSN)에는 상기 센서 출력부에서의 개별 전류 흐름 방향이 할당되는 것을 특징으로 하는 데이터 전송 방법.
7. 제6항에 있어서, 상기 개별 전류 흐름 방향은 상기 전송 경로(3) 상의 전환가능한 부하 저항(R_L)에 의해서 생성되고, 상기 전송 경로(3)로부터 멀리 있는 상기 전환가능한 부하 저항(R_L)의 단부는 고전압(VDD)과 저전압(VSS) 사이에서 전환가능 한 것을 특징으로 하는 데이터 전송 방법.
8. 제7항에 있어서, 상기 전환가능한 부하 저항(R_L)의 전환은 상기 수신기의 I/O 포트(I/O)에 의해서 수행되는 것을 특징으로 하는 데이터 전송 방법.
9. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 단축 데이터 워드(MSN, LSN)는 상기 수신기(4)로부터의 제어 신호에 의해서 정의된 방식으로 검색될 수 있는 것을 특징으로 하는 데이터 전송 방법.
10. 제9항에 있어서, 상기 제어 신호는 개별 입력 또는 공급 단자(VDD)를 통해서 상기 센서(1)에 인가되는 것을 특징으로 하는 데이터 전송 방법.
11. 센서 신호로부터 형성된 데이터 워드를 수신기(4)로 전송하는 데이터 출력부를 갖는 센서(1)로서, 이 센서(1)는,

    각각의 원래 데이터 워드를, 상기 원래 데이터 워드보다 적은 갯수의 비트를 갖는 적어도 2개의 분리된 단축 데이터 워드(MSN, LSN)로 분할하는 장치와,

    아날로그 의사신호들을 제때에 분리하기 위해서 제어기(14)에 의해서 제어되고 상기 장치에 연결되는 다중 장치(13)와,

    신호 경로 상에서 상기 다중 장치(13) 뒤에 위치되어, 상기 분리된 단축 데이터 워드(MSN, LSN)를 개개의 아날로그 의사신호로 변환시키는 디지털/아날로그 변환기(15)와,

    상기 다중 장치(13)와 상기 센서(1)의 출력부 사이에 위치되어, 전송에 필요한 전력을 공급하는 증폭기(16)

    를 포함하는 것을 특징으로 하는 센서.

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