KR102509781B1 - 마이크로컨트롤러와 적어도 하나의 센서 칩 사이에서의 통신을 위한 설계 - Google Patents

마이크로컨트롤러와 적어도 하나의 센서 칩 사이에서의 통신을 위한 설계 Download PDF

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Abstract

본 개시내용은 센서 시스템(200)에 관한 것으로, 센서 시스템(200)은 마이크로컨트롤러(230); 물리량을 측정하도록 설계되는 적어도 하나의 센서 칩(210)을 포함하고, 마이크로컨트롤러(230)와 센서 칩(210)은 센서 칩과 마이크로컨트롤러 사이에서 아날로그 측정 데이터를 전달하기 위한 적어도 하나의 아날로그 신호 인터페이스(212)를 통해, 그리고 센서 칩(210)과 마이크로컨트롤러(230) 사이에서 디지털 보조 정보를 전달하기 위한 양방향 디지털 신호 인터페이스(250)를 통해 서로 커플링된다.

Description

마이크로컨트롤러와 적어도 하나의 센서 칩 사이에서의 통신을 위한 설계{DESIGN FOR COMMUNICATION BETWEEN A MICROCONTROLLER AND AT LEAST ONE SENSOR CHIP}
본 개시내용은 마이크로컨트롤러와 하나 이상의 센서 칩 사이에서의 통신을 위한 장치들 및 방법들에 관한 것이다.
기술 시스템들(예를 들어, 차량들, 세탁기들, 가전 제품들 등)을 제어하기 위한 기준으로서 캡처된 수량들을 취하기 위해 수많은 산업 응용 분야들에서 센서들에 의해 물리량들이 캡처된다. 이를 위해, 센서들은 제어 유닛들로서 역할하는 마이크로컨트롤러들 또는 마이크로프로세서들에 그들의 측정 신호들을 빈번하게 전달한다. 무엇보다도, 전류 센서들이 수많은 응용 분야들에서 사용된다.
대역폭 및 동기화 요구 사항들은 오늘날 시장에서 입수 가능한 대부분의 전류 센서들이 전류 정보(측정된 값들)를 위한 아날로그 인터페이스를 갖는다는 것을 의미한다. 빠른 과전류 검출과 같은 확장된 기능들이 추가 인터페이스를 통해 제공될 수 있으며, 이는 특정 조건들, 예를 들어, 측정된 전류가 특정 임계값을 초과할 때를 빠르게 확인할 수 있게 한다.
예를 들어, 자동차 산업 또는 로봇 공학용 인버터들의 고급 구현들은 전류 센서들에 대한 확장된 진단 기회들을 필요로 한다. 예를 들어, 자동차 섹터(구동력의 토크 정확도) 또는 산업(예를 들어, 협동 로봇들의 경우, 최대 토크 제한)에서의 기능적 안전성 요구 사항들의 결과로서 개선된 진단이 필요하다. (전류) 센서로부터의 정보의 증가하는 중요성은 토크 요구 사항들에 의해서만 결정되는 것은 아니다. 드라이브 구현들에 사용되는 고급 안전성 설계들은 또한 브러시리스 DC 모터들의 회전자 포지션 또는 미끄러짐을 결정하기 위해 전류 센서 신호에 의존하므로, 센서로부터 기능적으로 안전한 정보를 필요로 한다.
(기능적) 안전성 요구 사항들 외에도, 예측성 유지 보수 또한 확장된 센서 정보를 필요로 한다. 알려진 설계들은, 예를 들어, 온도, 기계적 부하, 진동 등과 같은 센서 진단 데이터를 사용한다.
오늘날 마이크로컨트롤러에 대한 아날로그 인터페이스를 갖는 (전류) 센서들은 확장된 진단 및 제어 기회들을 제공하지 않는다. 센서 장치 또는 센서 칩 내에서 많은 파라미터들이 캡처되지만(예를 들어, 온도, 스트레스, 공급 전압), 정보는 마이크로컨트롤러로부터 리트리브될 수 없으므로, 예를 들어, 보상 목적들을 위해 센서 칩 내부에서만 사용된다.
종래의 센서 칩들은 다운스트림 통신 기회를 제공하지 않으므로, 센서 칩으로부터 필요로 되는 구성 또는 캘리브레이션 정보가 센서 칩의 OTP(one-time programming) 또는 비휘발성 메모리에 저장되어야 한다. 이는 특별한 고객 프로그래밍 프로세스를 필요로 한다. 특히, 전류 측정 구조물의 최종 조립(예를 들어, 인버터 조립) 후에 센서 데이터가 획득되는 경우들에서, 프로그래밍 단계는 매우 비용이 많이 들 수 있다. 엔드-오브-라인(end-of-line) 프로그래밍은 추가 작업 노력을 필요로 할 뿐만 아니라 상당한 비용 팩터를 생성하는데, 왜냐하면 센서의 프로그래밍 핀들이 인버터 레벨(외부 연결)에서 액세스 가능할 필요가 있기 때문이다.
센서 파라미터들의 동적(온-더-플라이) 적응은 불가능하다. 예를 들어, 센서의 전체 값 입력 신호에서의 아날로그 출력 신호가 ADC 입력 범위 내에서 유지되도록 센서의 이득이 설정되어야 한다. 따라서, 예측 가능한 작은 입력 신호들(예를 들어, 낮은 부하 동안의 낮은 전류들)의 이벤트에서, 시스템은 작은 ADC 입력 신호 스윙을 겪고, 이로 인해 불량한 신호-대-잡음 비로 이어질 수 있다.
따라서, 온도 모니터링, 기계적 스트레스 모니터링 또는 공급 전압 모니터링과 같은 확장된 센서 정보는 센서 출력들에서 이용 가능하지 않다. 센서 오류(내부 또는 외부)의 이벤트에서는, 이용 가능한 출력 신호들을 안전한 상태로 설정함으로써 상태가 표시된다(예를 들어, 활성 영구 상태를 통해 오류 상태를 나타내는 온-칩 디버깅). 추가 파라미터들(예를 들어, 버스 바 온도)이 필요한 경우, 추가 센서 엘리먼트들(및 평가 마이크로컨트롤러 상의 그 각각의 입력들)이 구현되어야 한다.
아날로그 신호 체인의 무결성을 체크하는 데 필요한 테스트 방법들은 통상적으로 시동 후에 또는 센서 시스템의 직접 센서-마이크로컨트롤러 연결들 중 하나에 대한 시작 조건을 생성함으로써 개시된다. 이 전략은 센서 및 마이크로컨트롤러 모두에서 많은 수의 핀들을 필요로 하고/하거나, 필요한 테스트 시퀀스들을 제어하기 위한 유연성이 부족하다.
따라서, 마이크로컨트롤러와 하나 이상의 센서 칩 사이에서의 제어 및 진단을 위한 개선된 통신이 필요하다.
이것은 독립 청구항들에 따른 장치들 및 방법들에 의해 달성된다. 유리한 개발들은 종속 청구항들의 대상이다.
본 개시내용의 제1 양태에 따르면, 마이크로컨트롤러 및 적어도 하나의 센서 칩을 포함하는 센서 시스템이 제안된다. 센서 칩은 적어도 하나의 물리량을 측정하도록 설계된다. 마이크로컨트롤러와 센서 칩은 센서 칩과 마이크로컨트롤러 사이에서 아날로그 측정 데이터를 전달하기 위한 적어도 하나의 아날로그 신호 인터페이스를 통해, 그리고 센서 칩과 마이크로컨트롤러 사이에서 디지털 보조 정보(digital secondary information)를 전달하기 위한 적어도 하나의 디지털 신호 인터페이스를 통해 서로 커플링된다.
일부 예시적인 실시예들에 따르면, 센서 칩과 마이크로컨트롤러 사이의 디지털 신호 인터페이스는 양방향 인터페이스이며, 이는 디지털 데이터가 마이크로컨트롤러로부터 센서 칩으로 및 센서 칩으로부터 마이크로컨트롤러로 양방향들로 송신될 수 있음을 의미한다. 센서 칩과 마이크로컨트롤러 사이의 디지털 신호 인터페이스는 양방향 1-라인 인터페이스의 형태일 수 있다. 따라서, 하드웨어 및 배선 복잡성이 감소될 수 있다.
일부 예시적인 실시예들에 따르면, 센서 칩과 마이크로컨트롤러 사이의 디지털 신호 인터페이스는 단일-마스터(single-master)(마이크로컨트롤러) 멀티-슬레이브(multi-slave)(센서 칩들) 버스 시스템의 형태이다. 따라서, 마이크로컨트롤러만이 커맨드들을 제공하고 요청들을 하며, 센서 칩들은 단지 반응만 한다. 따라서, 수많은 센서들이 마이크로컨트롤러와 쉽게 인터페이스될 수 있다.
일부 예시적인 실시예들에 따르면, 마이크로컨트롤러 및 센서 칩은 아날로그 신호 인터페이스 및 디지털 신호 인터페이스를 통해 병렬로 서로 커플링된다. 이를 통해 아날로그 측정 신호들 및 디지털 제어 및/또는 진단 신호들이 센서 칩과 마이크로컨트롤러 사이에서 병렬로(때로는 심지어 동시에) 전달될 수 있다.
일부 예시적인 실시예들에 따르면, 센서 칩은 자기장 센서를 포함한다. 이것은, 예를 들어, 홀 센서(Hall sensor) 또는 자기 저항 센서(AMR, GMR 또는 TMR 센서)와 같은 전류 측정을 위한 자기장 센서일 수 있다. 처음에 이미 언급된 바와 같이, 전류 측정은, 예를 들어, 전기 이동성과 관련된 응용 분야들에서 중요하다. 제안된 설계는, 예를 들어, 각도 센서들, 포지션 센서들 등과 같은 다른 센서 타입들에 대해서도 당연히 관심을 가질 수 있다. 1차 센서(primary sensor) 외에도, 센서 칩은 당연히, 예를 들어, 온도 또는 압력 센서들과 같은 2차 센서들(secondary sensor)을 추가로 포함할 수 있다.
일부 예시적인 실시예들에 따르면, 디지털 신호 인터페이스는 마이크로컨트롤러와 센서 칩 사이에서 디지털 구성 및/또는 캘리브레이션 데이터 및/또는 디지털 측정 데이터를 전달하도록 설계된다. 마이크로컨트롤러는, 예를 들어, 구성 및/또는 캘리브레이션 데이터를 위한 비휘발성 메모리를 포함할 수 있고, 센서 칩이 시동될 때, 디지털 신호 인터페이스를 통해 센서 칩에 상기 데이터를 전송하도록 설계될 수 있다. 이를 통해 엔드-오브-라인(end-of-line)(EoL) 캘리브레이션이 단순화될 수 있는데, 왜냐하면 프로그래머 및 프로그래밍 단계가 필요하지 않기 때문이다. 또한, 캘리브레이션 파라미터들을 저장하기 위한 센서 칩에서의 비휘발성(NVM) 메모리에 대한 필요성이 제거될 수 있다. 이를 통해 센서 시스템에 대한 비용들이 감소될 수 있다.
일부 예시적인 실시예들에 따르면, 마이크로컨트롤러는 센서 칩의 동작 파라미터들을 동적으로 변화시키기 위해 디지털 신호 인터페이스를 사용하도록 설계된다. 동작 파라미터들의 일부 예들로는 공급 전압, 신호 이득, 바이어스 전류 등이 있다. 따라서, 동작 파라미터들은 다양한 환경들 또는 측정 요구 사항들에 맞게 적응될 수 있다.
일부 예시적인 실시예들에 따르면, 센서 칩은 마이크로컨트롤러에 진단 데이터를 제공하기 위해 디지털 신호 인터페이스를 사용하도록 설계된다. 진단 데이터의 일부 예들은 동작 온도, 오류 진단 데이터 등이 있다. 이를 통해 고-가용성 시스템들 및 예방적 유지 보수에 필요한 선택적이고 확장된 진단이 가능하다. 따라서, 센서의 긴박한 고장들이 때때로 조기에 검출될 수 있다.
일부 예시적인 실시예들에 따르면, 마이크로컨트롤러는 센서 칩에 미리 정의된 테스트 시퀀스들을 통신하기 위해 디지털 신호 인터페이스를 사용하도록 설계된다. 이를 통해 기능적 안전성의 개념이 애플리케이션 레벨에서 단순화될 수 있다(제어형 테스트 시퀀스).
일부 예시적인 실시예들에 따르면, 마이크로컨트롤러는 미리 정의된 범위로부터 디지털 신호 인터페이스에 대한 가변 데이터 레이트를 설정하도록 설계된다. 따라서, 데이터 레이트는, 예를 들어, 특정 측정 요구 사항들에 맞게 적응될 수 있다. 일부 애플리케이션들의 경우, 일부 물리적 변수들은 빈번하게 측정되어야 하고, 다른 애플리케이션들의 경우, 이들 또는 다른 물리적 변수들은 덜 빈번하게 측정되어야 한다.
일부 예시적인 실시예들에 따르면, 센서 시스템은 데이터 버스로서 디지털 신호 인터페이스를 통해 마이크로컨트롤러와 인터페이스되는 복수의 센서 칩들을 포함한다. 마이크로컨트롤러는 센서 칩들에 어드레스 지정 커맨드를 제공하기 위해 디지털 신호 인터페이스를 사용하도록 설계된다. 센서 칩들 각각은 마이크로컨트롤러에 랜덤 출력 신호를 전달하기 위해 그 각각의 아날로그 신호 인터페이스 또는 그 각각의 디지털 신호 인터페이스를 사용하여 어드레스 지정 커맨드에 응답하도록 설계된다. 센서 칩들 각각은 그 랜덤 출력 신호에 응답하여 고유 어드레스를 수신하도록 설계된다. 일부 예시적인 실시예들에 따르면, 마이크로컨트롤러는 랜덤 출력 신호들에 기초하여 센서 칩들 각각에 고유 어드레스를 할당하도록 설계된다. 마이크로컨트롤러는 센서 칩들 각각에 그 고유 어드레스를 할당하기 위해 디지털 신호 인터페이스를 사용할 수 있다. 따라서, 센서 칩들은 복잡하지 않은 어드레스 지정 프로토콜을 사용하여 초기 어드레스 지정 페이즈에서 마이크로컨트롤러와 센서 칩들 사이에서의 추가 통신을 위해 어드레스들을 할당받고 통지받을 수 있다.
본 개시내용의 추가 양태에 따르면, 마이크로컨트롤러와 적어도 하나의 센서 칩 사이에서의 통신을 위한 방법이 제안된다. 방법은 적어도 하나의 아날로그 신호 인터페이스를 통해 센서 칩과 마이크로컨트롤러 사이에서 아날로그 측정 데이터를 전달하는 단계, 및 아날로그 신호 인터페이스와 병렬인 디지털 신호 인터페이스를 통해 센서 칩과 마이크로컨트롤러 사이에서 디지털 보조 정보를 전달하는 단계를 포함한다. 일부 예시적인 실시예들에 따르면, 센서 칩과 마이크로컨트롤러 사이의 디지털 신호 인터페이스는 마이크로컨트롤러가 마스터로서 역할하고 센서 칩(들)이 슬레이브(들)로서 역할하는 양방향 단일-마스터 멀티-슬레이브 버스 인터페이스의 형태이다.
본 개시내용의 또 다른 양태에 따르면, 아날로그 측정 신호를 제공함으로써 측정되는 물리량에 응답하도록 설계되는 적어도 하나의 센서 회로, 센서 칩으로부터 마이크로컨트롤러로 아날로그 측정 신호를 전달하도록 설계되는 적어도 하나의 아날로그 신호 인터페이스, 및 센서 칩과 마이크로컨트롤러 사이에서 디지털 보조 정보(예를 들어, 디지털 구성 및/또는 캘리브레이션 데이터 또는 디지털 측정 데이터)를 전달하도록 설계되는 (양방향) 디지털 신호 인터페이스를 갖는 센서 칩이 제안된다.
일부 예시적인 실시예들에 따르면, 센서 회로는 하나 이상의 자기장 센서를 갖는 전류 센서 회로를 포함한다.
일부 예시적인 실시예들에 따르면, 아날로그 및 디지털 신호 인터페이스들은 센서 칩과 마이크로컨트롤러 사이에서 병렬로 또는 심지어 동시에 아날로그 및 디지털 신호들을 송신하도록 설계된다.
일부 예시적인 실시예들에 따르면, 센서 칩은 마이크로컨트롤러에 진단 데이터(예를 들어, 온도, 스트레스, 공급 전압 등)를 제공하기 위해 디지털 신호 인터페이스를 사용하도록 설계된다.
일부 예시적인 실시예들에 따르면, 센서 칩은 마이크로컨트롤러로부터 구성 및/또는 캘리브레이션 데이터를 수신하고, 그에 기초하여 센서 칩의 동작 파라미터들을 설정하기 위해 디지털 신호 인터페이스를 사용하도록 설계된다.
따라서, 본 개시내용의 예시적인 실시예들은 마이크로컨트롤러와 센서 칩 사이의 양방향 디지털 제어 및 진단 인터페이스를 제안하는데, 양방향 디지털 제어 및 진단 인터페이스는 마이크로컨트롤러에 센서 데이터를 업로드하는 것 및 센서 칩에 데이터를 다운로드하는 것을 모두 허용한다. 센서 칩에 송신되는 데이터는, 예를 들어, 이득 및 오프셋 설정들과 같은 구성 정보, 예를 들어, 신호 프로세싱 경로를 테스트하기 위한 테스트 패턴들, 및 캘리브레이션 정보를 포함할 수 있다.
장치들 및/또는 방법들의 몇 가지 예들이 첨부 도면들을 참조하여 단지 예로서 이하에서 더 상세하게 설명된다.
도 1a는 마이크로컨트롤러 및 전류 센서 칩을 갖는 종래의 센서 시스템의 블록도를 도시한다.
도 1b는 전류 센서 칩의 블록도를 도시한다.
도 1c는 종래의 기능적으로 안전한 센서 시스템들의 도면을 도시한다.
도 1d는 마이크로컨트롤러 및 n개의 센서 칩을 갖는 종래의 센서 시스템의 블록도를 도시한다.
도 2a는 하나의 예시적인 실시예에 따라 마이크로컨트롤러 및 n개의 센서 칩을 갖는 센서 시스템의 블록도를 도시한다.
도 2b는 또 다른 예시적인 실시예에 따른 마이크로컨트롤러 및 n개의 센서 칩을 갖는 센서 시스템의 블록도를 도시한다.
도 3a는 센서 칩과 마이크로컨트롤러 사이에서 디지털 보조 정보를 전달하기 위한 가능한 데이터 프레임을 도시한다.
도 3b는 센서 칩과 마이크로컨트롤러 사이에서 디지털 보조 정보를 전달하기 위한 설계들을 도시한다.
도 4a는 마이크로컨트롤러의 관점에서 센서 칩들에 대한 어드레스 할당의 가능한 시퀀스를 도시한다.
도 4b는 센서 칩의 관점에서 센서 칩들에 대한 어드레스 할당의 가능한 시퀀스를 도시한다.
도 5는 하나의 예시적인 실시예에 따른 마이크로컨트롤러와 적어도 하나의 센서 칩 사이에서의 통신을 위한 방법을 도시한다.
이제 몇 가지 예들을 도시하는 첨부 도면들을 참조하여 다양한 예들이 보다 완전하게 설명된다. 도면들에서의 선들, 층들 및/또는 영역들의 두께들은 명확화를 위해 과장될 수 있다.
추가 예들이 다양한 수정들 및 대안적인 형태들에 적합하지만, 그에 따라 그 일부 특정 예들이 도면들에 도시되고, 이하에서 완전하게 설명된다. 그러나, 이 상세한 설명은 설명된 특정 형태들로 추가 예들을 제한하지 않는다. 추가 예들은 본 개시내용의 범위 내에 속하는 모든 수정들, 대응물들 및 대안들을 포함할 수 있다. 도면들의 설명 전반에 걸쳐, 동일하거나 유사한 참조 부호들은 동일하거나 유사한 기능을 제공하면서 서로 비교되어 동일하거나 수정된 형태로 구현될 수 있는 동일하거나 유사한 엘리먼트들을 지칭한다.
하나의 엘리먼트가 다른 엘리먼트에 "연결되는(connected)" 것으로서 또는 "커플링되는(coupled)" 것으로서 참조되는 경우, 엘리먼트들이 직접적으로 또는 하나 이상의 중간 엘리먼트를 통해 연결되거나 커플링될 수 있다는 것은 당연하다. 2개의 엘리먼트 A와 B가 "또는"을 사용하여 결합되는 경우, 이것은, 명시적으로 또는 암시적으로 달리 정의되지 않는 한, 모든 가능한 조합들, 즉, A만, B만, 및 A 및 B가 개시되도록 이해되어야 한다. 동일한 조합들에 대한 대안적인 표현은 "A 및 B 중 적어도 하나" 또는 "A 및/또는 B"이다. 이것은 3개 이상의 엘리먼트의 조합들에도 동일하게 준용된다.
특정 예들을 설명하기 위해 본 명세서에서 사용되는 용어가 추가 예들에 대해 제한적인 효과를 갖도록 의도되지 않는다. 단수형, 예를 들어, "a, an" 및 "the"가 사용되고 단일 엘리먼트만의 사용이 의무적으로 명시적으로 또는 암시적으로 정의되지 않을 때, 추가 예들은 동일한 기능을 구현하기 위해 복수의 엘리먼트들도 사용할 수 있다. 기능이 다수의 엘리먼트들을 사용하여 구현되는 것으로 이하에서 설명되는 경우, 추가 예들은 단일 엘리먼트 또는 단일 프로세싱 엔티티를 사용하여 동일한 기능을 구현할 수 있다. 더욱이, "포함하다(comprises)", "포함하는(comprising)", "갖는다(has)" 및/또는 "갖는(having)"이라는 용어들은 그 사용시 지시된 피처들, 정수들, 단계들, 동작들, 프로세스들, 엘리먼트들, 컴포넌트들 및/또는 그 그룹의 존재를 특정하지만, 하나 이상의 다른 피처, 정수, 단계, 동작, 프로세스, 엘리먼트, 컴포넌트 및/또는 그 그룹의 존재 또는 추가를 배제하지 않는 것은 당연하다.
달리 정의되지 않는 한, 모든 용어들(기술 및 과학 용어들 포함)은 본 명세서에서 예들과 연관된 분야에서의 그들의 관례적인 의미로 사용된다.
도 1a는 전류 센서 칩(10) 및 마이크로컨트롤러(30)를 포함하는 종래의 시스템을 도시한다.
전류 센서 칩(10)은 라인(11)의 전류를 측정하고, 단방향 아날로그 신호 인터페이스(12)(AOUT) 상에 아날로그 측정 신호를 제공한다. 전류 센서 칩(10)의 단방향 과전류 인터페이스(13)(OCD: OverCurrent Detection)는 마이크로컨트롤러(30)에 과전류 신호를 나타내기 위해 사용될 수 있으며, 이는 측정된 전류가 임계값을 넘는지 여부에 대한 신호들을 시그널링한다. 과전류 신호는 디지털 또는 바이너리 신호일 수 있다(예를 들어, "high"= 전류가 너무 높음, "low"= 전류가 너무 높지 않음). 전류 센서 칩(10)의 아날로그 신호 인터페이스(12)와 마이크로컨트롤러(30)의 ADC(31) 사이의 아날로그 신호 경로는 신호 컨디셔닝을 위한 아날로그 회로(40)를 갖는다. 기능적으로 안전한 센서 시스템을 제공하기 위해, 도 1a에 도시된 구현은 센서 칩(10)으로부터 ADC(31)의 출력까지의 전체 신호 체인이 모니터링될 것을 필요로 한다.
전류 센서 칩(10)의 가능한 구현이 도 1b에 도시되어 있다.
라인(11)을 통한 전류는 1차 센서로서 차동 홀 센서(14)에 의해 측정된다. 결과적인 아날로그 원시 측정 신호(15)는, 결과적인 필터링된 아날로그 측정 신호(19)가 아날로그 신호 인터페이스(12)(AOUT) 상에 제공되기 전에, 아날로그 신호 컨디셔닝 회로(16), 아날로그 증폭기 회로(17) 및 아날로그 필터 회로(18)에 공급된다. 필터 입력에서 증폭된 측정 신호는 이것을 하나 이상의 임계값(21)과 비교하기 위해 하나 이상의 과전류 검출 회로(20)에 추가로 공급된다. 과전류 검출 회로들(20)은 하나 이상의 단방향 과전류 인터페이스(13) 상에 (디지털) 과전류 신호들을 제공한다. (프로그래밍 가능한) 임계값들(21)은 전류 센서 칩(10)의 비휘발성 메모리(22)에 저장될 수 있다. 또한, 여기에 도시된 전류 센서 칩(10)은 2차 온도 센서(23) 및 2차 기계적 스트레스 센서(24)를 추가로 포함하며, 그 측정 신호들은 아날로그 증폭기 회로(17)의 이득에 영향을 미치고, 이에 따라 온도 및 스트레스 보상을 위해 사용될 수 있다.
종래의 구현들에서는, 시스템에 리던던시를 추가함으로써 센서 판독의 무결성이 체크될 수 있다. 일부 구현들에서, 이것은, 도 1c(좌측)에 도시된 바와 같이, (예를 들어, 배터리 관리 시스템들의 경우) 센서들의 수를 두 배로 늘림으로써 달성된다. 전기 구동 애플리케이션들(도 1c의 우측 참조)에서는, 모든 페이즈들에서 전류 센서들을 채택하는 것이 가능하다. (누설 전류가 없는 경우) 모든 전류들의 합이 0이어야 하므로, (모든 페이즈들에 대한 센서들로 구성되는) 센서 시스템의 무결성이 체크될 수 있다. 그러나, 부정확한 출력 값을 유발하는 단일 센서를 식별하는 것은 불가능한데, 이는 특히 단일 에러, 예를 들어, 결함이 있는 센서에도 불구하고 계속 동작해야 하는 고-가용성 시스템들에서 문제가 된다.
따라서, 종래의 센서 시스템들에서는, 신호 인터페이스들(12 및 13)을 통해 센서 칩(10)으로부터 마이크로컨트롤러(30)로의 정보의 단방향 흐름만이 존재한다. 이것은 마이크로컨트롤러(μC)(30)에 대한 n개의 센서(10-1, ..., 10-n)에 대해 도 1d에 개략적으로 도시되어 있다. 센서들(10-1, ..., 10-n)에 대한 진단 모드들은 개시하기 어렵고, 센서 설정들의 (동적) 변경이 없다. 더욱이, EoL 프로그래밍에서 프로그래밍되어야 하는 전류 센서 칩들(10-1, ..., 10-n)에 비휘발성 메모리들(22)이 필요하다. 또한, 추가 센서 정보(예를 들어, 기능적 안전성 또는 진단)를 위한 송신 채널도 없다.
이러한 단점들 중 적어도 일부를 극복하기 위해, 대조적으로 개선된 센서 시스템(200)이 제안되며, 이는 도 2a에 개략적으로 도시되어 있다.
센서 시스템(200)은 마이크로컨트롤러(230) 및 적어도 하나의 센서 칩(210)을 포함한다. 도시된 예시적인 실시예에서는, n개의 센서 칩(210-1, ..., 210-n)이 존재한다(n = 1, 2, 3, ...). 센서 칩들(210-1, ..., 210-n) 각각은, 예를 들어, 자기장 또는 전류와 같은 적어도 하나의 물리량을 측정하도록 설계된다. 마이크로컨트롤러(230) 및 센서 칩들(210-1, ..., 210-n)은 각각의 센서 칩(210-1, ..., 210-n)으로부터 마이크로컨트롤러(230)로 아날로그 측정 데이터를 전달하기 위한 n개의 단방향 아날로그 신호 인터페이스를 통해 커플링된다. 따라서, 각각의 센서 칩(210-1, ..., 210-n)으로부터, 적어도 하나의 아날로그 라인(212-1, ..., 212-n)이 마이크로컨트롤러(230)로 라우팅된다. 각각의 센서 칩(210-1, ..., 210-n)으로부터, 단방향 디지털 과전류 인터페이스(213-1, ..., 213-n)가 마이크로컨트롤러(230)로 라우팅되도록 하는 것도 임의적으로 가능하다. 마이크로컨트롤러(230)와 센서 칩들(210-1, ..., 210-n)은 또한 센서 칩들(210-1, ..., 210-n)과 마이크로컨트롤러(230) 사이에서 디지털 보조 정보를 전달하기 위한 양방향 디지털 신호 인터페이스(250)를 통해 서로 커플링된다.
디지털 보조 정보는 단방향 1-비트 과전류 표시자가 아니다. 일부 예시적인 실시예들에 따르면, 디지털 보조 정보는 또한 주로 측정되어야 하는 물리량(예를 들어, 자기장, 전류, 각도 등)의 측정된 값들이 아닌데, 왜냐하면 이들 역시 라인들(212-1, ..., 212-n)을 통해 아날로그 방식으로 전달되기 때문이다. 대신, 디지털 센서 제어 데이터(커맨드들), 센서 진단 데이터, 구성 및/또는 캘리브레이션 데이터, 센서 파라미터들 등을 대조할 수 있다. 예를 들어, 제어 커맨드들, 어드레스들, 데이터와 같은 양방향 디지털 신호 인터페이스(250)를 통한 디지털 보조 정보는 1비트보다는 더 많이 가질 수 있다.
그러나, 센서 시스템(200)의 기능적 안전성을 증가시키기 위해, 일부 실시예들에서는, 아날로그 인터페이스들(212-1, ..., 212-n)을 통한 아날로그 측정된 값들 외에, 측정되어야 하는 물리량의 디지털 측정값들이 양방향 디지털 신호 인터페이스(250)를 통해 센서 칩들(210-1, ..., 210-n) 중 적어도 일부로부터 마이크로컨트롤러(230)로 송신되도록 제공될 수 있다.
따라서, 진단 문제를 해결하는 것 및 센서 칩(210-1, ..., 210-n)과 마이크로컨트롤러(230) 사이에서 확장된 진단 정보의 송신을 허용하는 것 모두를 위해, 양방향 디지털 제어 및 진단 인터페이스(250)(DCDI)가 제안된다. 그러면, 양방향 디지털 인터페이스(250)는 다음 기능들을 허용할 수 있다.
a) 시동 동안 구성 및 캘리브레이션 데이터의 다운로드.
적용 가능한 정보는 마이크로컨트롤러(230)의 비휘발성 메모리에 저장될 수 있으며, 센서 칩이 스위치 온될 때, 센서 칩(210)에 로딩될 수 있다.
b) 센서 파라미터들의 동적 적응.
개별 센서 칩들(210-1, ..., 210-n)의 대역폭, 이득 및 오프셋과 같은 중요한 파라미터들은 센서 칩의 정상 동작 동안 조정될 수 있다.
c) 확장된 진단 정보의 업로드.
센서 칩(210) 내부의 이용 가능한 진단 데이터는 진단 인터페이스(250)를 통해 모니터링될 수 있다. 센서 칩(210)은, 예를 들어, 공급 전압 모니터링, 버스 바 온도 등에 관한 실시간 정보를 전달할 수 있다.
d) 테스트 시퀀스들의 제어된 활성화.
테스트 시퀀스를 활성화하기 위해, 마이크로컨트롤러(230)는 테스트 시퀀스의 적시 활성화를 수행할 수 있다. 예를 들어, 센서 칩(210)은 센서의 무결성을 모니터링할뿐만 아니라 센서 칩(210)으로부터 μC 프로세싱 코어로의 전체 신호 프로세싱 경로의 무결성을 체크하기 위해 정의된 전류 패턴을 모방하도록 강제될 수 있다.
도 2b는 아날로그 및 디지털 인터페이스들을 통해 복수의 n개의 센서 칩(210-1, ..., 210-n)에 커플링되는 마이크로컨트롤러(230)를 개략적으로 도시한다.
센서 칩들(210-1, ..., 210-n) 각각은 전류 측정 신호에 대한 각각의 단방향 아날로그 신호 출력(212-1, ..., 212-n)(AOUT)을 갖는다. 마이크로컨트롤러(230)는 적절한 아날로그 신호 입력들(232-1, ..., 232-n)을 제공한다. 센서 칩들(210-1, ..., 210-n) 각각은 각각의 단방향 디지털 과전류 출력(213-1, ..., 213-n)(OCD)을 가지며, 이는 마이크로컨트롤러(230)에 의해 과전류 인터페이스(233)에 커플링된다. 센서 칩들(210-1, ..., 210-n) 각각은 각각의 양방향 디지털 제어 및 진단 인터페이스(250-1, ..., 250-n)(DCDI)을 가지며, 이는 마이크로컨트롤러(230)에 의해 양방향 디지털 제어 및 진단 인터페이스(250)에 커플링된다. 임의적으로, 센서 칩들(210-1, ..., 210-n) 각각은 또한 각각의 아날로그 증폭기 회로(17)의 동작점을 설정하기 위한 설정 전압(VREF)을 위한 아날로그 입력(260-1, ..., 260-n)을 갖는다. 마이크로컨트롤러(230)는 적절한 아날로그 신호 출력들(234-1, ..., 234-n)을 제공한다.
단방향 아날로그 신호 출력들(212-1, ..., 212-n) 및 양방향 디지털 신호 인터페이스(250)는 센서 칩들(210-1, ..., 210-n)과 마이크로컨트롤러(230) 사이에서 아날로그 및 디지털 신호들을 병렬로 전달하는 데 사용될 수 있다. 아날로그 측정 신호들(예를 들어, 전류 측정 신호들)은 센서 칩들(210-1, ..., 210-n)의 신호 출력들(212-1, ..., 212-n)을 통해 마이크로컨트롤러(230)로 이동하지만, 디지털 신호 인터페이스(250)는 마이크로컨트롤러(230)와 센서 칩들(210-1, ..., 210-n) 사이에서 다른 디지털 데이터를 교환하는 데 사용될 수 있다. 도 2b에 나타낸 바와 같이, 센서 칩들(210-1, ..., 210-n)과 마이크로컨트롤러(230) 사이의 양방향 디지털 신호 인터페이스(250)는 양방향 1-라인 인터페이스의 형태일 수 있고, 단일-마스터(마이크로컨트롤러(230)) 멀티-슬레이브(센서 칩들(210-1, ..., 210-n)) 버스 시스템으로서 역할할 수 있다. 따라서, 마이크로컨트롤러(230)는 커맨드들을 제공하고 요청들을 하며, 센서 칩들(210-1, ..., 210-n)은 단지 반응만 한다. 버스 마스터는 마스터 요청 프레임들을 센서 버스로 전송함으로써 통신 흐름을 제어한다. 마스터 요청 프레임들에 따라, 정보가 센서로 송신되거나(기입 프레임), 센서로부터 수신된다(판독 프레임). 따라서, 수많은 센서들이 마이크로컨트롤러(230)와 인터페이스되는 것이 쉽게 가능하다. 디지털 제어 및 진단 인터페이스(250)는, 예를 들어, 단일-와이어 UART 인터페이스(UART = Universal Asynchronous Receiver Transmitter)의 형태일 수 있다.
디지털 보조 정보는 고정 프레임들을 갖는 직렬 디지털 데이터 스트림으로서 디지털 제어 및 진단 인터페이스(250)를 통해 마이크로컨트롤러(230)와 센서 칩들(210-1, ..., 210-n) 사이에서 송신될 수 있다. 도 3a의 예에 도시된 바와 같이, 프레임(310)은 시작 비트(311), 일부 데이터 비트들(312), 송신 오류들을 검출하기 위한 임의적 패리티 비트 및 정지 비트(313)를 포함할 수 있다. 송신기는 별도의 제어 라인을 통해 수신기에 송신 클록을 통지할 필요가 없다. 대신, 수신기는 데이터 라인의 클록으로부터 송신기의 클록을 계산하고, 시작 및 정지 비트들을 사용하여 자신을 동기화할 수 있다. 프레임들(310)은, 예를 들어, 8-비트 UART 프레임들로서 인코딩될 수 있다. 정보는 단일 와이어를 포함하는 물리적 계층 상에서 송신될 수 있다. 예를 들어, 38.4 kbit/s 내지 115.2 kbit/s(예를 들어, 네 가지 속도)의, 마이크로컨트롤러(230)를 통해 프로그래밍 가능한, 예를 들어, 보 레이트(baud rate)에 대한 제공이 있을 수 있다. 예를 들어, 정보 송신에 사용되는라인 코드는 맨체스터 코드 또는 NRZ(Non-Return-to-Zero) 또는 NRZI(Non-Return-to-Zero-Inverted) 코딩일 수 있다.
마이크로컨트롤러(230)와 센서 칩들(210-1, ..., 210-n) 사이에서 상이한 타입들의 통신이 발생할 수 있다. 첫 번째 가능한 통신이 도 3b(상단)에 도시되어 있다.
도 3b(상단)는 마이크로컨트롤러(230)에 의한, 예를 들어, 센서 상태 데이터 또는 진단 데이터와 같은 센서 데이터에 대한 요청과 관련된 가능한 데이터 통신을 도시한다. 마이크로컨트롤러(230)는 먼저 디지털 인터페이스(250)를 통해 특정 센서 상태 데이터 또는 진단 데이터를 요청하기 위해 커맨드 프레임(320)을 사용한다. 가능한 커맨드들의 수에 따라, 대응하는 수의 비트들이 이들의 인코딩에 사용될 수 있다. 마이크로컨트롤러(230)는 센서 칩들(210-1, ..., 210-n) 중 어느 것으로부터 센서 상태 데이터 또는 진단 데이터를 원하는지를 나타내기 위해 디지털 인터페이스(250)를 통해 후속 어드레스 프레임(330)을 사용한다. 가능한 어드레스들의 수에 따라, 대응하는 수의 비트들이 이들의 인코딩에 사용될 수 있다. 어드레스 프레임(330)에 포함된 센서 ID에 기초하여, 어드레스 지정된 센서 칩은 요청된 센서 상태 데이터 또는 진단 데이터를 하나 이상의 데이터 프레임(340) 및 그 후의 안전성 데이터 프레임(350)에서 마이크로컨트롤러(230)에 전달한다. 도시된 커맨드, 어드레스 및 데이터 프레임들에 대한 순서는 상이하게 선택될 수도 있다는 것이 본 기술분야의 통상의 기술자에게 명백할 것이다.
도 3b(하단)는 마이크로컨트롤러(230)로부터 센서 칩(210)으로, 예를 들어, 구성 또는 제어 데이터와 같은 데이터를 전송하는 것과 관련된 가능한 데이터 통신을 추가로 도시한다. 마이크로컨트롤러(230)는 먼저 디지털 인터페이스(250)를 통해 구성 또는 제어 데이터를 알리기 위해 커맨드 프레임(320)에서 전달된 커맨드를 사용한다. 마이크로컨트롤러(230)는 센서 칩들(210-1, ..., 210-n) 중 어느 것에 구성 또는 제어 데이터를 전달하고자 하는지를 디지털 인터페이스(250)를 통해 나타내기 위해 어드레스 프레임(330)을 사용한다. 마이크로컨트롤러(230)는 디지털 인터페이스(250)를 통해 하나 이상의 데이터 프레임(345)에서 이전에 어드레스 지정된 센서 칩(210)에 알려진 구성 또는 제어 데이터를 후속하여 전달한다. 센서 칩(210)은 디지털 인터페이스(250)를 통해 안전성 데이터 프레임(350)에서 데이터의 수신을 확인한다. 이 경우에, 도시된 커맨드, 어드레스 및 데이터 프레임들에 대한 순서도 상이하게 선택될 수 있다는 것이 본 기술분야의 통상의 기술자에게 명백할 것이다.
버스 충돌들은 마스터-슬레이브 제어 원리에 의해 방지될 수 있다.
통신은 커맨드 프레임 또는 어드레스 프레임을 송신함으로써 (단일) 버스 마스터(마이크로컨트롤러(230))에 의해 제어된다. 버스 마스터(230)에 의해 송신되는 각각의 프레임은 센서들(210-1, ..., 210-n)을 개별적으로 어드레스 지정하는 데 사용되는 어드레스 정보를 포함한다. 어드레스 프레임 및 일치하는 어드레스 정보를 성공적으로 수신한 후에만, 어드레스 지정된 슬레이브 센서(210-1, ..., 210-n)가 그 정보를 버스(250)로 송신한다.
이 어드레스 지정 원리가 작동하려면, 각각의 버스 슬레이브(210-1, ..., 210-n)가 할당된 양방향 고유 어드레스(biunique address)를 갖는 것이 절대적으로 필요하다. 이 할당은 광범위한 방식들로 수행될 수 있다. 첫째, 버스 어드레스는, 예를 들어, 개별 센서들(210-1, ..., 210-n)에 대한 어드레스-특정 회로망과 같은 하드웨어 솔루션들에 의해 제공될 수 있다. 대안적으로, 센서 네트워크가 시동되기 전에, 프로그래밍 단계에 의해 관련된 센서들(210-1, ..., 210-n)의 비휘발성 메모리에 양방향 고유 어드레스들을 기입하는 것도 가능할 것이다. 개별 센서들(210-1, ..., 210-n)의 하드웨어 회로망 및 프로그래밍은 모두 제조 동안 추가 프로그래밍 단계가 필요하거나, 또는 다수의 상이한 컴포넌트들(센서 모듈들)이 버스 가입자들의 수에 따라 유지되어야 한다는 단점을 갖는다.
따라서, 즉, 시스템 초기화 동안에, 개별 버스 가입자들(210-1, ..., 210-n)에 동적으로 양방향 고유 어드레스들을 할당하는 데 사용될 수 있는 자동-어드레스 지정 메커니즘을 도입하는 것이 유리하다. 다양한 자동-어드레스 지정 방법들이 이미 알려져 있지만(예를 들어, 데이지 체인 방법), 본 경우에서는 하나 이상의 아날로그 양방향 고유 센서-마이크로컨트롤러 연결의 존재가 유리하게 사용된다.
자동-어드레스 지정을 위해, 버스 마스터(230)는 관련된 모든 버스 슬레이브들(210-1, ..., 210-n)의 센서 어드레스들을 재설정하기 위해 센서 버스(250)를 통해 송신되는 제1 커맨드를 사용할 수 있다. 그런 다음, 버스 마스터(230)는 그 후 개별 슬레이브들(210-1, ..., 210-n)에서 랜덤 어드레스들의 생성을 자극하기 위해 제2 커맨드를 사용할 수 있다. 그런 다음, 이들은 아날로그 연결 및/또는 디지털 인터페이스(250)를 사용하여 버스 마스터(230)로 송신된다. 이미 이용 가능한 양방향 고유 어드레스를 갖는 해당 센서들(210-1, ..., 210-n)에는 버스 마스터(230)에 의해 애플리케이션에서 사용되는 어드레스가 할당된다. 랜덤 생성에 의해 아직 양방향 고유 어드레스를 생성하지 않은 해당 센서들(210-1, ..., 210-n)의 경우, 버스 마스터(230)는 추가 등급 루프를 갖는 새로운 랜덤 사이클을 개시하는 데 사용된다. 따라서, 동일한 랜덤 어드레스들이 다수의 반복들과 조합될 확률이 매우 낮기 때문에 어드레스 할당이 매우 효율적으로 수행될 수 있다.
하나의 가능한 예시적인 실시예에 따르면, 각각의 센서(210-1, ..., 210-n)는 랜덤 어드레스를 생성하라는 커맨드를 수신한 후, 그 어드레스를 생성하고, 이를 버스(250)에 디지털 비트 스트림으로서 출력할 수 있다. 이것은 비대칭 출력 스테이지가 사용되는 것을 포함할 수 있으며, 이는 로직 레벨이 반대 레벨보다 훨씬 더 약하게 버스(250)로 출력된다는 것을 의미한다. 버스 충돌의 이벤트에서는, 더 강한 출력 스테이지가 각각의 더 약한 스테이지보다 우선한다(열성 레벨과 반대로 우세하다). 센서들(210-1, ..., 210-n)은 출력되는 데이터 스트림을 지속적으로 모니터링한다. 열성 출력 레벨과의 버스 충돌 이벤트에서, 영향을 받는 센서(210-1, ..., 210-n)는 충돌을 검출하고, 디지털 인터페이스(250)의 출력 스테이지를 하이 임피던스로 스위칭함으로써 이를 해결한다. 센서(210-1, ..., 210-n)가 그 랜덤 어드레스를 출력한 후, 아날로그 출력 라인(212-1, ..., 212-n) 상의 각각의 정의된 레벨에 의해 성공 또는 실패(버스 충돌 검출)가 표시된다. 이것은 버스 마스터(230)가 어떤 센서가 그것으로부터 수신된 어드레스로 사이클을 성공적으로 완료했는지 알 수 있게 한다. 이 경우, 성공적인 센서에 어드레스가 할당될 수 있고, 다음 중재 사이클이 개시될 수 있다.
따라서, 초기 버스 설정 페이즈(어드레스 할당) 동안, 버스 충돌들(다수의 슬레이브들이 데이터를 동시에 버스로 송신함)이 발생할 수 있다. 버스 설정 페이즈는 개별 센서들에 고유 어드레스들을 할당하기 위해 전용 프레임(중재 프레임)을 사용하여 개시될 수 있다. 상기 프레임은 어드레스 할당을 개시하는 데 사용되는 어드레스 지정 커맨드를 포함한다. 따라서, 버스 설정 페이즈의 경우, 마이크로컨트롤러(230)는 센서 칩들(210-1, ..., 210-n)에 어드레스 지정 커맨드를 제공하기 위해 디지털 신호 인터페이스(250)를 사용하도록 설계될 수 있다. 센서 칩들(210-1, ..., 210-n) 각각은 마이크로컨트롤러(230)에 랜덤 출력 신호를 전달하기 위해 그 각각의 아날로그 신호 인터페이스(212-1, ..., 212-n) 또는 그 각각의 디지털 신호 인터페이스(250-1, ..., 250-n)를 사용하여 어드레스 지정 커맨드에 응답하도록 설계될 수 있다. 센서 칩들(210-1, ..., 210-n) 각각은 그 랜덤 출력 신호에 응답하여 마이크로컨트롤러(230)로부터 고유 어드레스를 수신하도록 설계될 수 있다. 일부 예시적인 실시예들에 따르면, 마이크로컨트롤러는 랜덤 출력 신호들에 기초하여 센서 칩들 각각에 고유 어드레스를 할당하도록 설계된다. 마이크로컨트롤러(230)는 센서 칩들 각각에 그 고유 어드레스를 할당하기 위해 디지털 신호 인터페이스를 사용할 수 있다. 따라서, 센서 칩들(210-1, ..., 210-n)은 복잡하지 않은 어드레스 지정 프로토콜을 사용하여 초기 어드레스 지정 페이즈에서 마이크로컨트롤러와 센서 칩들 사이에서의 추가 통신을 위해 어드레스들을 할당받고 통지받을 수 있다.
도 4a는 마이크로컨트롤러(230)의 관점에서 어드레스 할당을 위한 방법(400)의 예시적인 실시예를 도시한다.
모든 센서 칩들(210-1, ..., 210-n)이 그들의 아날로그 출력 인터페이스들(212-1, ..., 212-n)을 "high"(H)로 설정하도록 지시하기 위해 디지털 인터페이스(250)를 통한 커맨드 "Auto_Reset.all"이 먼저 단계(411)에서 마이크로컨트롤러(230)에 의해 사용된다. 단계(412)에서, 마이크로컨트롤러(230)는 후속하여 디지털 인터페이스(250)를 통해 추가 커맨드 "Auto_Reset.test"를 제공한다. 커맨드 "Auto_Reset.test"에 응답하여, 각각의 센서 칩(210-1, ..., 210-n)은 랜덤 디지털 출력 신호를 출력하기 위해 그 각각의 디지털 신호 인터페이스(212-1, ..., 212-n)를 사용한다. 센서 칩(210-1, ..., 210-n)이 그 랜덤 어드레스를 출력한 후, 아날로그 출력 라인(212-1, ..., 212-n) 상의 각각의 정의된 레벨에 의해 성공 또는 실패(버스 충돌 검출)가 표시된다. 그런 다음, 아날로그 출력 신호들은 마이크로컨트롤러(230)의 아날로그 신호 입력들(232-1, ..., 232-n) 및 그 ADC들을 통해 단계(413)에서 판독될 수 있다. 따라서, 마이크로컨트롤러(230)는 어떤 센서 칩(210-1, ..., 210-n)이 그것으로부터 수신된 어드레스로 사이클을 성공적으로 완료했는지를 알 수 있다. 이 경우, 단계(415)에서, 성공적인 센서 칩(210-1, ..., 210-n)에 어드레스가 할당될 수 있다. 따라서, 센서로부터의 아날로그 출력 신호가 버스 충돌 없음(성공)을 나타내는 경우, 단계(415)에서, 이 센서에 디지털 인터페이스(250)를 통해 어드레스가 할당될 수 있다. 결과적으로, 그 아날로그 출력 신호는 어드레스 지정 프로세스(400) 동안, 예를 들어, "L"로 설정된다. 센서로부터의 아날로그 출력 신호가 버스 충돌(실패)을 나타내는 경우, 더 이상의 충돌들이 검출될 수 없을 때까지, 단계(412)가 반복된다. 단계(415)에서 하나의 센서에 어드레스가 할당된 후, 모든 센서들(210-1, ..., 210-n)에 이미 어드레스가 할당되었는지 여부를 결정하기 위해 단계(416)에서 테스트가 수행된다. 그렇지 않은 경우, 단계(417)에서, 할당된 어드레스를 갖지 않는 모든 나머지 센서들의 아날로그 출력 인터페이스들(212)을 "H"로 설정하기 위해 커맨드 "Auto Reset(unassigned)"가 사용된 후, 단계(412)에서 이들을 다시 랜덤 모드로 둔다.
도 4b는 센서 칩(210)의 관점에서 어드레스 할당을 위한 방법(400)을 설명한다.
먼저, 단계(421)에서, 논리 변수 "Address_assigned"가 "false"로 설정된다. 이는 센서 칩에 아직 어드레스가 할당되지 않았음을 의미한다. 단계들(422 및 423)에서, 센서 칩(210)은 커맨드가 디지털 인터페이스(250)를 통해 마이크로컨트롤러로부터 수신되었는지 여부 및 논리 변수 "Address_assigned"의 상태를 체크한다. 논리 변수 "Address_assigned"="false"인 경우, 센서는, 단계(424)에서, 수신된 커맨드가 "Auto_Reset.test"에 대응하는지 여부를 체크한다. 이 경우, 센서 칩(210)은 랜덤 디지털 출력 신호를 출력하기 위해 그 디지털 신호 인터페이스(250)를 사용한다. 그런 다음, 단계(426)에서, 디지털 출력 신호는 충돌 테스트를 받을 수 있다. 다른 센서 칩들과의 충돌의 이벤트에서, 단계(427)에서, 아날로그 출력 신호는 "L"로 설정되고, 디지털 인터페이스(250)의 출력 스테이지는 하이 임피던스로 스위칭되고, 방법은 새로운 커맨드를 대기함으로써 단계(422)에서 계속된다. 다른 센서 칩들과의 충돌이 검출되지 않는 경우, 방법은 마찬가지로 새로운 커맨드 "Auto_Reset.Assign"을 대기함으로써 단계(422)에서 계속된다. 단계(428)에서 이 커맨드가 수신된 경우, 단계(429)에서, 센서 칩(210)의 아날로그 출력 인터페이스(212)가 "high"(H)에 있는지 여부를 결정하기 위해 체크가 수행된다. 이 경우, 단계(430)에서, 센서에 디지털 인터페이스(250)를 통해 어드레스가 할당된다. 단계(431)에서 논리 변수 "Address_assigned"는 후속하여 "true"로 설정되고, 아날로그 출력 신호는 어드레스 지정 프로세스(400) 동안 "L"로 설정된다. 그런 다음, 방법은 새로운 커맨드를 대기함으로써 단계(422)에서 계속된다.
대안적인 실시예에서, 초기화 커맨드(예를 들어, "Auto_Reset.all") 뒤에는 랜덤 어드레스들을 생성하기 위해 다시 사용되는 제2 커맨드(예를 들어, "Auto_Reset.test")가 뒤따를 수 있다. 이 구현에서, 어드레스들은 디지털-아날로그 변환기를 통해 대표 전압으로서 아날로그 라인들(212 또는 260) 중 하나 상에 출력된다. 버스 마스터(230)는 아날로그 전압들을 판독함으로써, 어드레스들의 고유성 또는 가능한 중첩들을 검출한다. 고유 어드레스를 생성한 센서들(210-1, ..., 210-n)에는 디지털 인터페이스(250)를 통해 생산적 어드레스(productive address)가 할당된다. 동일한 어드레스를 가진 센서들은 랜덤 어드레스를 생성하기 위해 새로운 사이클을 수행한다.
방법에 의해 모든 센서 칩들에 어드레스가 할당된 후, 디지털 데이터가 아날로그 측정 신호들과 병렬로 디지털 단일-마스터 멀티-슬레이브 버스 라인(250)을 통해 마이크로컨트롤러(230)와 센서 칩들(210) 사이에서 교환될 수 있다. 이와 관련하여, 도 5는 마이크로컨트롤러(230)와 적어도 하나의 센서 칩(210) 사이에서의 개략적인 통신 방법(500)을 도시한다.
방법(500)은 적어도 하나의 아날로그 신호 인터페이스(212)를 통해 센서 칩(210)과 마이크로컨트롤러(230) 사이에서 아날로그 측정 데이터를 전달하는 단계(502), 및 이와 병렬로, 양방향 디지털 신호 인터페이스(250)를 통해 센서 칩(210)과 마이크로컨트롤러(230) 사이에서 디지털 보조 정보를 전달하는 단계(504)를 포함한다.
본 개시내용의 예시적인 실시예들의 본질은 광대역 실시간 전류 정보를 위해 아날로그 신호 경로를 계속 사용하지만, 전류 센서와 상기 전류 센서가 연결되는 시스템 모두의 제어 및 진단을 가능하게 하는 디지털 인터페이스를 도입하는 것이다. 제안된 디지털 인터페이스의 버스 능력은 추가적인 복잡성 및 와이어들의 수(단일 와이어!)를 절대 최소값으로 감소시킬 수 있다. 제안된 디지털 인터페이스는 높은 안전성 및 가용성 요구 사항들을 갖는 간단하고 저렴한 센서 시스템들을 가능하게 하고, 엔드-오브-라인 캘리브레이션의 복잡성을 감소시킨다.
위에서 설명된 예들 및 도면들 중 하나 이상과 함께 설명된 양태들 및 피처들은 또한 다른 예의 동일한 피처를 대체하기 위해 또는 피처를 다른 예에 추가적으로 도입하기 위해 다른 예들 중 하나 이상과 결합될 수 있다.
예들은 또한, 컴퓨터 프로그램이 컴퓨터 또는 프로세서 상에서 실행될 때, 상기 방법들 중 하나 이상을 수행하기 위한 프로그램 코드를 갖는 컴퓨터 프로그램일 수도 있고 또는 이와 관련될 수도 있다. 위에서 설명된 상이한 방법들의 단계들, 동작들 또는 프로세스들은 프로그래밍된 컴퓨터들 또는 프로세서들에 의해 수행될 수 있다. 예들은 또한 프로그램 저장 장치들, 예를 들어, 디지털 데이터 저장 매체를 포함할 수 있고, 이들은 명령어들의 머신-, 프로세서- 또는 컴퓨터-판독 가능 및 코드 머신-실행 가능, 프로세서-실행 가능 또는 컴퓨터-실행 가능 프로그램들이다. 명령어들은 위에서 설명된 방법들의 단계들 중 일부 또는 전체를 수행하거나, 또는 이들이 수행되게 한다. 프로그램 저장 장치들은, 예를 들어, 디지털 메모리들, 예를 들어, 자기 디스크들 및 자기 테이프들과 같은 자기 저장 매체, 하드 디스크 드라이브들 또는 광학적으로 판독 가능한 디지털 데이터 저장 매체를 포함할 수도 있고 또는 이들일 수도 있다. 추가 예들은 또한 위에서 설명된 방법들의 단계들을 수행하도록 프로그래밍된 컴퓨터들, 프로세서들 또는 제어 유닛들, 또는 위에서 설명된 방법들의 단계들을 수행하도록 프로그래밍된 (필드) 프로그래밍 가능 로직 어레이((field) programmable logic array)들((F)PLA들) 또는 (필드) 프로그래밍 가능 게이트 어레이((field) programmable gate array)들((F)PGA)을 포함할 수 있다.
설명 및 도면들은 본 개시내용의 원리들만을 제시한다. 더욱이, 본 명세서에서 언급된 모든 예들은 독자가 본 개시내용의 원리들 및 본 기술분야의 추가 개발을 위해 발명자(들)에 의해 기여되는 개념들을 이해하는 데 도움을 주기 위해 원칙적으로 예시적인 목적들을 위해서만 명시적으로 사용되도록 의도된다. 본 개시내용의 원리들, 양태들 및 예들에 관한 본 명세서의 모든 진술들 및 그 구체적인 예들은 그 대응물들을 포함한다.
특정 기능을 수행하는 "...하기 위한 수단"으로서 지정된 기능 블록은 특정 기능을 수행하도록 설계되는 회로와 관련될 수 있다. 결과적으로, "무언가를 위한 수단"은 "무언가를 위해 설계되거나 또는 이에 적절한 수단", 예를 들어, 각각의 태스크를 위해 설계되거나 또는 이에 적절한 컴포넌트 또는 회로로서 구현될 수 있다.
"수단", "신호를 제공하기 위한 수단", "신호를 생성하기 위한 수단" 등으로성 지칭되는 임의의 기능 블록들을 포함하여 도면들에 도시된 상이한 엘리먼트들의 기능들은 전용 하드웨어, 예를 들어, "신호 제공자", "신호 프로세싱 유닛", "프로세서", "컨트롤러" 등의 형태로, 및 연관된 소프트웨어와 함께 소프트웨어를 실행할 수 있는 하드웨어로서 구현될 수 있다. 기능들은 프로세서에 의해 제공될 때, 단일 전용 프로세서에 의해, 단일 공동 사용 프로세서에 의해 또는 복수의 개별 프로세서들에 의해 제공될 수 있으며, 이들 중 일부 또는 전부는 공동으로 사용될 수 있다. 그러나, "프로세서" 또는 "컨트롤러"라는 용어는 소프트웨어를 단독으로 실행할 수 있는 하드웨어로 제한되는 것이 아니라, 디지털 신호 프로세서 하드웨어(digital signal processor hardware)(DSP 하드웨어), 네트워크 프로세서, 애플리케이션 특정 집적 회로(application specific integrated circuit)(ASIC), 필드 프로그래밍 가능 로직 어레이(FPGA = Field Programmable Gate Array), 소프트웨어를 저장하기 위한 판독 전용 메모리(read only memory)(ROM), 랜덤 액세스 메모리(random access memory)(RAM) 및 비휘발성 메모리 장치(스토리지)를 포함할 수 있다. 종래의 및/또는 맞춤형 기타 하드웨어도 포함될 수 있다.
블록도는, 예를 들어, 본 개시내용의 원리들을 구현하는 개략적인 회로도를 도시할 수 있다. 유사한 방식으로, 흐름 도표, 흐름도, 상태 전이 다이어그램, 의사-코드(pseudo-code) 등은, 예를 들어, 실질적으로 컴퓨터 판독 가능 매체에 표현되고, 이에 따라 컴퓨터 또는 프로세서에 의해 수행되는 다양한 프로세스들, 동작들 또는 단계들을, 이러한 컴퓨터 또는 프로세서가 명시적으로 도시되었는지 여부에 관계없이 표현할 수 있다. 설명 또는 특허 청구 범위에 개시된 방법들은 상기 방법들의 각각의 단계들 각각을 수행하기 위한 수단을 갖는 컴포넌트에 의해 구현될 수 있다.
설명 또는 청구 범위에 개시된 다수의 단계들, 프로세스들, 동작들 또는 기능들의 개시내용은, 예를 들어, 기술적인 이유들로 인해 명시적으로 또는 암시적으로 달리 표시되지 않는 한, 특정 순서대로인 것으로 해석되어서는 안된다는 것이 당연하다. 따라서, 다수의 단계들 또는 기능들의 개시내용은, 기술적인 이유들로 인해 상기 단계들 또는 기능들이 상호 교환 가능하지 않은 경우 외에는, 이들을 특정 순서로 제한하지 않는다. 또한, 일부 예들에서, 개별 단계, 기능, 프로세스 또는 동작은 다수의 하위 단계들, 하위 기능들, 하위 프로세스들 또는 하위 동작들을 포함할 수 있고/있거나, 이들로 세분될 수 있다. 이러한 하위 단계들은, 이들이 명시적으로 제외되지 않는 한, 상기 개별 단계의 개시내용에 포함될 수 있고 이들의 일부일 수 있다.
또한, 이어지는 청구 범위는 본 명세서에서 상세한 설명에 통합되며, 여기서 각각의 청구 범위는 별도의 예로서 단독으로 존재할 수 있다. 각각의 청구 범위는 별도의 예로서 단독으로 존재할 수 있으며, 종속 청구항이 하나 이상의 다른 청구항과의 특정 조합을 청구 범위에서 참조할 수 있지만, 다른 예들도 종속 청구항과 임의의 다른 종속 또는 독립 청구항의 대상과의 조합을 포함할 수 있다는 점도 고려되어야 한다. 이러한 조합들은, 특정 조합이 의도되지 않았다는 표시가 부여되지 않으면, 본 명세서에서 명시적으로 제안된다. 더욱이, 청구 범위의 피처들은, 이 청구 범위가 독립 청구항에 직접적으로 종속되지 않더라도, 임의의 다른 독립 청구항에 포함되도록 의도된다.

Claims (19)

  1. 센서 시스템(200)으로서,
    마이크로컨트롤러(230); 및
    물리량을 측정하도록 설계되는 적어도 하나의 센서 칩(210)
    을 포함하고,
    상기 마이크로컨트롤러(230)와 상기 센서 칩(210)은 상기 센서 칩과 상기 마이크로컨트롤러 사이에서 아날로그 측정 데이터를 전달하기 위한 적어도 하나의 아날로그 신호 인터페이스(212)를 통해, 그리고 상기 센서 칩(210)과 상기 마이크로컨트롤러(230) 사이에서 디지털 보조 정보(digital secondary information)를 전달하기 위한 양방향 디지털 신호 인터페이스(250)를 통해 서로 커플링되고,
    상기 마이크로컨트롤러(230)는 상기 센서 칩에 어드레스 지정 커맨드를 제공하기 위해 상기 디지털 신호 인터페이스(250)를 사용하도록 설계되고,
    상기 센서 칩은 상기 마이크로컨트롤러(230)에 랜덤 출력 신호를 전달하기 위해 그 각각의 아날로그 신호 인터페이스(212) 또는 그 각각의 디지털 신호 인터페이스(250)를 사용하여 상기 어드레스 지정 커맨드에 응답하도록 설계되고,
    상기 센서 칩은 그 랜덤 출력 신호에 기초하는 고유 어드레스를 수신하도록 설계되는 센서 시스템(200).
  2. 제1항에 있어서, 상기 마이크로컨트롤러(230)와 상기 센서 칩(210)은 상기 센서 칩과 상기 마이크로컨트롤러 사이에서 아날로그 및 디지털 신호들을 병렬로 전달하기 위해 상기 아날로그 신호 인터페이스(212) 및 상기 디지털 신호 인터페이스(250)를 통해 병렬로 서로 커플링되는 센서 시스템(200).
  3. 제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 센서 칩(210)은 자기 센서를 포함하는 센서 시스템(200).
  4. 제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 디지털 신호 인터페이스(250)는 상기 마이크로컨트롤러(230)와 상기 센서 칩(210) 사이에서 디지털 구성 데이터 및/또는 디지털 캘리브레이션 데이터 및/또는 디지털 측정 데이터를 전달하도록 설계되는 센서 시스템(200).
  5. 제4항에 있어서, 상기 마이크로컨트롤러(230)는 상기 디지털 구성 데이터 및/또는 디지털 캘리브레이션 데이터를 위한 비휘발성 메모리를 포함하고, 상기 센서 칩(210)이 시동될 때, 상기 센서 칩에 상기 디지털 구성 데이터 및/또는 상기 디지털 캘리브레이션 데이터를 전송하도록 설계되는 센서 시스템(200).
  6. 제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 마이크로컨트롤러(230)는 상기 센서 칩(210)의 동작 파라미터들을 동적으로 변화시키기 위해 상기 디지털 신호 인터페이스(250)를 사용하도록 설계되는 센서 시스템(200).
  7. 제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 센서 칩(210)은 상기 마이크로컨트롤러(230)에 진단 데이터를 제공하기 위해 상기 디지털 신호 인터페이스(250)를 사용하도록 설계되는 센서 시스템(200).
  8. 제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 마이크로컨트롤러(230)는 상기 센서 칩(210)에 미리 정의된 테스트 시퀀스들을 통신하기 위해 상기 디지털 신호 인터페이스(250)를 사용하도록 설계되는 센서 시스템(200).
  9. 제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 센서 칩(210)과 상기 마이크로컨트롤러(230) 사이의 상기 디지털 신호 인터페이스(250)는 양방향 1-라인 인터페이스의 형태인 센서 시스템(200).
  10. 제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 센서 칩(210)과 상기 마이크로컨트롤러(230) 사이의 상기 디지털 신호 인터페이스(250)는 단일-마스터(single-master) 멀티-슬레이브(multi-slave) 버스 시스템의 형태인 센서 시스템(200).
  11. 제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 마이크로컨트롤러(230)는 미리 정의된 범위로부터 상기 디지털 신호 인터페이스(250)에 대한 가변 데이터 레이트를 설정하도록 설계되는 센서 시스템(200).
  12. 삭제
  13. 제1항에 있어서, 상기 마이크로컨트롤러(230)는 n개의 상기 센서 칩들 각각에 그 고유 어드레스를 할당하기 위해 상기 디지털 신호 인터페이스를 사용하도록 설계되는 센서 시스템(200).
  14. 마이크로컨트롤러와 물리량을 측정하도록 설계되는 적어도 하나의 센서 칩 사이에서의 통신을 위한 방법(500)으로서,
    양방향 디지털 신호 인터페이스를 사용하여 상기 마이크로컨트롤러로부터 상기 센서 칩에 어드레스 지정 커맨드를 제공하는 단계;
    그 각각의 아날로그 신호 인터페이스 또는 그 각각의 양방향 디지털 신호 인터페이스를 사용하여 상기 센서 칩으로부터 상기 마이크로컨트롤러에 랜덤 출력 신호를 전달하는 단계;
    상기 센서 칩에서, 그 랜덤 출력 신호에 기초하는 고유 어드레스를 수신하는 단계;
    적어도 하나의 아날로그 신호 인터페이스를 통해 상기 센서 칩과 상기 마이크로컨트롤러 사이에서 아날로그 측정 데이터를 전달하는 단계(502); 및
    상기 아날로그 신호 인터페이스와 병렬인 양방향 디지털 신호 인터페이스를 통해 상기 센서 칩과 상기 마이크로컨트롤러 사이에서 디지털 보조 정보를 전달하는 단계(504)
    를 포함하는 방법(500).
  15. 센서 칩(210)으로서,
    아날로그 측정 신호(19)를 제공함으로써 측정되는 물리량에 응답하도록 설계되는 적어도 하나의 센서 회로(14);
    상기 센서 칩(210)으로부터 마이크로컨트롤러(230)로 상기 아날로그 측정 신호(19)를 전달하도록 설계되는 적어도 하나의 아날로그 신호 인터페이스(212); 및
    상기 센서 칩(210)과 상기 마이크로컨트롤러(230) 사이에서 디지털 보조 정보를 전달하도록 설계되는 적어도 하나의 양방향 디지털 신호 인터페이스(250)
    를 포함하고,
    상기 디지털 신호 인터페이스(250)는 상기 마이크로컨트롤러(230)로부터 어드레스 지정 커맨드를 수신하도록 설계되고,
    상기 센서 칩(210)은 상기 마이크로컨트롤러(230)에 랜덤 출력 신호를 전달하기 위해 그 각각의 아날로그 신호 인터페이스(212) 또는 그 각각의 디지털 신호 인터페이스(250)를 사용하여 상기 어드레스 지정 커맨드에 응답하도록 설계되고,
    상기 센서 칩(210)은 상기 디지털 신호 인터페이스(250)를 사용하여 상기 랜덤 출력 신호에 기초하는 고유 어드레스를 수신하도록 설계되는 센서 칩(210).
  16. 제15항에 있어서, 상기 센서 회로(14)는 전류 센서 회로를 포함하는 센서 칩(210).
  17. 제15항 또는 제16항에 있어서, 상기 아날로그 신호 인터페이스(212) 및 상기 디지털 신호 인터페이스(250)는 신호들을 병렬로 송신하도록 설계되는 센서 칩(210).
  18. 제15항 또는 제16항에 있어서, 상기 센서 칩(210)은 상기 마이크로컨트롤러(230)에 진단 데이터를 제공하기 위해 상기 디지털 신호 인터페이스(250)를 사용하도록 설계되는 센서 칩(210).
  19. 제15항 또는 제16항에 있어서, 상기 센서 칩(210)은 상기 마이크로컨트롤러(230)로부터 디지털 구성 데이터 및/또는 디지털 캘리브레이션 데이터를 수신하고, 그에 기초하여 상기 센서 칩의 동작 파라미터들을 설정하기 위해 상기 디지털 신호 인터페이스(250)를 사용하도록 설계되는 센서 칩(210).
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