KR20040030970A - 비율 주파수 출력부를 갖는 측정 시스템 - Google Patents

Abstract

디지털 신호를 분석 유닛으로 전송하기 위한 디지털 인터페이스를 갖는 측정 장치가 개시되며, 인터페이스는 시스템 클록이 공급되는 클록 입력부와, 측정 신호가 인가되는 신호 입력부와, 클록 신호 및 측정 신호로부터 유도된 출력 신호를 생성하는 계산 유닛과, 출력 신호가 출력되어 분석 유닛으로 전송되는 신호 출력부를 갖는다. 측정 정밀도를 향상시키기 위해 클록 신호로부터 유도된 신호인 기준 신호를 전송하는 것이 제안되는데, 이러한 기준 신호는 출력 신호를 보정하기 위해 사용된다.

Description

비율 주파수 출력부를 갖는 측정 시스템 {MEASURING SYSTEM WITH RATIOMETRIC FREQUENCY OUTPUT}

하나 이상의 센서 및 대응 분석 유닛을 갖는 측정 시스템은 널리 사용된다. 이러한 측정 시스템의 기본 구성을 구체적으로 설명하기 위해, 이하에 차량 기술 분야에서 공지된 공기량 센서가 예시적으로 상세히 설명된다. 그러나, 본 발명은 공기량 센서로 제한되는 것은 아니다.

예컨대 공기와 같은 유동 매체의 유량을 검출하기 위해, 엔진 분사 장치는 문헌에 공기량 센서로서도 나타난 질량 유량 측정기를 포함한다. 이러한 공지된 질량 유동 센서에서 센서 요소는 엔진의 흡기관 내의 공기 유동에 노출된다. 이러한 경우 센서 요소는 공기 유동을 통해 대류식으로 냉각되어 저항 변화가 발생하는 측정 저항 및 히터를 포함한다. 흡기관을 통해 유동하는 공기 유동은 측정 브리지의 불균형으로부터 검출될 수 있다. 마지막으로, 센서는 이격되어 배열된 분석 유닛으로 전송되는 측정 신호를 공급한다.

이러한 목적을 위해 공기량 센서는 측정 신호의 전송을 위한 (디지털) 인터페이스도 또한 포함한다. 분석 유닛은 수신된 신호로부터 유효 정보를 추출하여 분석한다.

디지털 인터페이스를 갖는 이러한 측정 시스템의 전형적인 예는 도3에 개략적으로 도시된다. 도시된 측정 시스템은 디지털 신호를 분석 유닛(2)으로 전송하기 위한 인터페이스(5)를 갖는 측정 장치(1)를 포함한다. 측정 장치(1)와 분석 유닛(2)은 케이블(11)을 통해 서로 연결된다.

인터페이스(5)는 대체로 디지털 절환 기술을 기초로 하고 있고, 결정된 주파수(예컨대, 10 MHz)를 갖는 클록이 공급되는 클록 입력부(3)와, 센서의 측정 신호가 인가되는 신호 입력부(10)를 포함한다.

인터페이스(5)는, 측정 신호를 처리하고 대응 신호를 인터페이스(5)의 신호 출력부(7)에서 출력하는 계산 유닛(6)도 또한 포함한다.

출력 신호는 시스템 클록 및 측정 신호로부터 유도된 신호이다. 따라서, 클록 신호와 출력 신호 사이에는 대개 선형 관계가 있다.

유효 정보(측정값)의 전송은 예컨대 변조 방법과 같은 모든 공지된 전송 방법에 의해 기본적으로 수행될 수 있다. 그러나, 유효 정보는 펄스 점유율 또는 출력 신호의 주파수 또는 주기 내에 모사될 수도 있다.

공지된 시스템에서 유효 신호는 통상적으로 출력 신호의 주기에 포함되는데, 이는 이러한 코드화가 한편으로는 비교적 간단하게 구현될 수 있고 다른 한편으로는 매우 높은 측정 정밀도를 가능케 하기 때문이다.

클록 입력부(3)에서 인가된 시스템 클록은 예컨대 발진기 또는 수정 발진기와 같은 클록 발생기(4)에 의해 생성된다. 이러한 발진기 또는 수정 발진기는 높은 공차 또는 클록 변동을 가질 수 있다. 그러나, 시스템 클록의 편차는 정비례하여 출력 신호에 작용하여 측정 정밀도가 매우 저하될 수 있다.

고정밀의 수정 발진기 또는 발진기가 사용된다면, 이러한 측정 시스템은 특히 큰 측정 영역을 갖는 적용예에서 측정 공차에 대한 요구를 사전 설정할 수 있다. 그러나, 이에 상응하여 정밀한 수정 발진기는 비싸고, 비용 상의 이유로 용이하게 일체화될 수 없다.

본 발명은 청구항 제1항의 전제부에 따른 측정 시스템과, 이러한 시스템의 측정 정밀도를 향상시키기 위한 청구항 제14항에 따른 방법에 관한 것이다.

본 발명은 첨부 도면을 참조하여 이하에 상세히 설명된다.

도1은 본 발명의 일 실시예에 따른 디지털 인터페이스를 갖는 측정 시스템의 기본 도면이다.

도2는 센서 인터페이스 및 분석 유닛의 상호 연결을 도시한다.

따라서, 본 발명의 목적은 비용이 적절한 수정 발진기 또는 발진기에 의해 달성되지만 작은 측정 공차를 갖는 측정 시스템을 제공하는 것이다.

이러한 목적은 청구항 제1항의 특징에 따라 그리고 청구항 제14항에 따른 방법에 의해 해결된다. 본 발명의 다른 구성은 종속항의 대상이다.

본 발명의 기본 구상은 시스템 클록으로부터 유도되고 분석 유닛으로 전송된 추가적인 기준 신호에 있다. 목표 클록 주파수의 클록 주파수 편차 및 그에 따른 측정 출력 신호의 주파수 또는 주기의 편차를 편차가 없는 출력 신호로부터 재현하는 보정 인자를 계산하기 위해 이러한 기준 신호가 사용된다. 이러한 보정 인자는 출력 신호의 분석 시에 고려된다. 즉, 기준 신호의 주파수 편차가 출력 신호를 보정하기 위해 사용된다.

기준 신호의 주파수 또는 그 주기는 바람직하게는 클록 신호의 주파수 또는 주기보다 인자(N)만큼 작고, 특히 100 Hz 미만, 특히 50 Hz 미만의 영역 내에 있고, 바람직하게는 약 20 Hz이다. 이에 비해 클록 신호는 예컨대 10 MHz의 주파수를 갖는다.

본 발명의 바람직한 실시예에 따르면, 센서의 인터페이스는 주파수 가변식 신호 출력부를 갖는다. 즉, 출력 신호는 측정 신호에 따라 상이한 주기를 갖는다.

본 발명의 바람직한 실시예에 따르면, 분석 유닛은 특히 기준 신호로부터 출력 신호를 보정하기 위한 보정 인자를 계산하기 위한 계산 유닛을 포함한다.

본 발명에 따른 측정 시스템은 예컨대 차량 기술 분야에서 연료 분사의 최적화를 위해 사용될 수 있다. 이러한 경우 측정 시스템은 공기량 측정기 및 대응 분석 유닛을 포함한다.

센서 특성 곡선의 온도 변화를 보상하기 위해 공기량 측정기는 바람직하게는 온도 센서를 포함하는데, 그 측정값은 마찬가지로 분석 유닛으로 전송된다.

온도값은 바람직하게는 기준 신호와 함께 전송된다. 본 발명의 바람직한 실시예에 따르면, 온도값은 기준 신호의 펄스 점유율에 포함된다. 그러나, 온도값은 다른 전송 방식을 통해 또는 다른 전송 방법에 의해 전송될 수도 있다.

본 발명의 바람직한 실시예에 따르면, 출력 신호의 주기는 500 ns 이하, 바람직하게는 200 ns 이하의 단계로 계수화된다. 출력 신호의 주파수는 바람직하게는 1.5와 12 kHz 사이에 있다.

특히 표준 특성 곡선에 따라 측정값이 전송된다. 즉, 측정값은 바람직하게는 표준화되어 예컨대 엔진의 흡기관과 같은 측정 위치의 각각의 계측에 무관하다.

측정 장치의 특성 곡선은 예컨대 n차 다항식, 특히 3차 다항식이다.

도1은 케이블(11)을 통해 서로 연결된, 측정 장치(1) 및 분석 유닛(2)으로 구성된 측정 시스템을 도시한다.

측정 장치(1)는 디지털 신호를 분석 유닛(2)으로 전송하기 위한 인터페이스(5)를 포함하며, 인터페이스(5)는 클록 입력부(3)와 신호 입력부(10)를 갖는다.

클록 입력부(3)에 공급된 클록은 예컨대 수정 발진기 또는 발진기와 같은 클록 발생기(4)에 의해 생성되고, 약 10 MHz의 주파수를 가지며, 이 주파수는 각각 클록 발생기의 품질에 따라 비교적 높은 편차 또는 변동을 가질 수 있다.

측정 장치(1)는 대체로 디지털 신호 처리를 기초로 하여 디지털 측정 신호를 인터페이스(5)로 출력한다. 인터페이스(5) 내에 포함된 계산 유닛은 공급된 클록 신호 및 측정 신호를 처리하고, 그로부터 주파수 또는 주기가 측정 신호에 따르는 출력 신호를 계산한다. 따라서, 출력 신호는 가변적인 주기를 갖는, 시스템 클록 및 측정값으로부터 유도된 신호이다. 시스템 클록과 출력 신호의 주기 사이에는 특히 선형적인 관계가 있다.

따라서, 유효 정보, 즉, 출력 신호의 주기 또는 주파수에 포함된 측정값은 클록 신호와 동일한 편차를 나타낸다.

이러한 편차를 보상하기 위해 클록 신호로부터 유도된 기준 신호가 생성된다. 기준 신호는 인터페이스(5)의 기준 신호 출력부(13)를 통해 분석 유닛(2)으로 전송되고, 약 20 Hz의 비교적 낮은 주파수를 갖는다.

기준 신호의 주기의 편차는 측정 신호의 분석 시에 고려된다. 이를 위해, 분석 유닛(2) 내에 포함된 계산 유닛(9)은 다음의 식으로 보정 인자(k)를 계산한다.

여기서, T_SOLL은 원하는 주기 값이고, T_IST는 실제로 측정된 기준 신호의 주기이다. 따라서, 비율 측정이 된다.

마지막으로, 계산 유닛(9)은 보정 인자(k)를 고려하여 예컨대 채널을 통해 유동하는 공기량과 같은 고유한 측정값을 결정한다. 이러한 예에 사용된 특성 곡선은 결과로서 최대 공기량(m_max)의 퍼센트 몫을 제공하는 3차 다항식이다.

여기서,

a는 표준 특성 곡선의 절대값 부분,

b는 표준 특성 곡선의 선형 부분,

TO는 특성 곡선 오프셋,

Tnorm은 특성 곡선 영역 및

TK는 보정된 주기이다.

이러한 경우 보정된 주기(TK)는 다음의 식으로부터 구해진다.

TK = k * T_M

여기서, T_M은 측정된 주기이다.

도2는 인터페이스(5) 및 분석 유닛(2)(엔진 제어부)의 상호 연결을 상세히 도시한다. 디지털 인터페이스(5)는 클록 입력부(3)와 신호 입력부(10)를 갖는다. 인터페이스(5)는 ASIC으로서 구성되고, 제1 측정 신호(공기량)를 위한 신호 출력부(12)와 기준 신호 및 제2 측정 신호(온도)를 위한 신호 출력부(13)도 갖는다.

2개의 신호 출력부(12, 13)는 각각 저항(R1, R2) 및 접지된 커패시터(C1, C2)로 종단된다. 이러한 경우 고주파수의 간섭 부분을 유도하기 위해, 특히 전자파 적합성(EMC, electromagnetic compatibility) 규정을 준수하기 위해 커패시터(C1, C2)가 사용된다.

공기량의 결정을 위한 측정 신호는 라인(11)을 통해, 온도의 결정을 위한 측정 신호는 라인(14)을 통해 엔진 제어부에 전송된다.

기준화된 표준 특성 곡선에 따라 전송된 신호 정보가 분석되어, 엔진 제어부는 규정된 산술 연산을 통해 공기량 및 온도에 대한 물리적인 값을 결정할 수 있다.

엔진 제어부는 고 레벨의 생성을 위한 풀업(pull-up) 회로도 또한 포함한다. 풀업 회로는 저항(R3 또는 R4)을 포함하는데, 저항은 한 쪽 연결부가 각각 전송 라인(11, 14)과 연결되고, 다른 쪽 연결부가 공급 전압부(U_PU)에 연결된다.

또한, 라인(11, 14)의 간섭을 제거하기 위해 접지된 커패시터(C3, C4)가 제공된다.

더욱이, 엔진 제어부는 각각의 라인(11, 14)에 대해 (도시되지 않은) 연결된 제어기의 보호를 위한 RC 저역 필터를 포함한다. RC 저역 필터는 저항(R5, R6)과 커패시터(C5, C6)를 포함한다.

측정 장치의 절환 가장자리(edge)는 상승 시간 및 하강 시간 중에 제한되며, 상승 시간은 먼저 풀업 회로를 통해 엔진 제어부에서 결정된다.

측정 장치의 출력단은 ESD, EMC-방사, 간섭 임펄스 등과 같은 통상의 주변 영향에 대해 보호되어, 예컨대 단락과 같은 오작동을 극복할 수 있다.

Claims (16)

1. 디지털 인터페이스(5) 및 분석 유닛(2)을 갖는 측정 장치(1)를 포함하는 측정 시스템으로서, 상기 인터페이스(5)는 클록 발생기(4)가 연결된 클록 입력부(3)와, 측정 신호가 인가되는 신호 입력부(10)와, 클록 신호 및 측정 신호로부터 유도된 출력 신호를 생성하는 계산 유닛(6)과, 출력 신호가 출력되어 분석 유닛(2)으로 전송되는 신호 출력부(12)를 갖는, 측정 시스템에 있어서,

   상기 인터페이스(5)는 클록 신호로부터 유도된 기준 신호가 출력되는 다른 신호 출력부(13)를 가지며, 기준 신호는 출력 신호의 보정을 위해 분석 유닛(2)에 의해 사용되는 것을 특징으로 하는 측정 시스템.
2. 제1항에 있어서, 상기 기준 신호의 주파수는 클록 신호의 주파수보다 인자(N)만큼 작은 것을 특징으로 하는 측정 시스템.
3. 제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 출력 신호는 측정 신호에 따라 상이한 주기를 갖는 것을 특징으로 하는 측정 시스템.
4. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 분석 유닛(2)은 출력 신호를 보정하기 위한 보정 인자를 계산하기 위한 계산 유닛(9)을 갖는 것을 특징으로 하는 측정 시스템.
5. 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 측정 장치(1)는 제2 센서를 갖고, 측정값은 분석 유닛(2)으로 전송되는 것을 특징으로 하는 측정 시스템.
6. 제5항에 있어서, 제2 센서의 측정값은 기준 신호와 함께 전송되는 것을 특징으로 하는 측정 시스템.
7. 제6항에 있어서, 제2 센서의 측정값은 기준 신호의 펄스 점유율에 포함되는 것을 특징으로 하는 측정 시스템.
8. 제1항 내지 제7항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 측정 장치(1)는 공기량 측정기이고 상기 분석 유닛(2)은 엔진 제어부인 것을 특징으로 하는 측정 시스템.
9. 제1항 내지 제8항 중 어느 한 항에 있어서, 출력 신호의 주기는 500 ns 이하, 특히 200 ns 이하의 단계 폭으로 계수화되는 것을 특징으로 하는 측정 시스템.
10. 제1항 내지 제9항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 분석 유닛(2)은 출력 신호를 분석하는 계산 유닛(9)을 갖는 것을 특징으로 하는 측정 시스템.
11. 제10항에 있어서, 상기 측정 장치의 특성 곡선은 n차 다항식, 특히 3차 다항식인 것을 특징으로 하는 측정 시스템.
12. 제1항 내지 제11항 중 어느 한 항에 있어서, 기준 신호의 주파수는 100 Hz 미만, 특히 50 Hz 미만이고, 바람직하게는 대략 20 Hz인 것을 특징으로 하는 측정 시스템.
13. 제1항 내지 제12항 중 어느 한 항에 있어서, 출력 신호의 주파수는 1.5와 12 kHz 사이에 있는 것을 특징으로 하는 측정 시스템.
14. 측정 신호 및 클록 신호가 공급되는 디지털 인터페이스를 갖는 측정 장치의 출력 신호를 보정하기 위한 방법에 있어서,

    클록 신호 및 측정 신호로부터 유도된 출력 신호를 생성하여 출력 신호를 분석 유닛(2)으로 전송하는 단계와,

    클록 신호로부터 유도된 기준 신호를 생성하여 기준 신호를 분석 유닛(2)으로 전송하는 단계와,

    출력 신호를 분석하는 단계를 포함하고, 출력 신호의 편차가 기준 신호를 사용하여 보정되는 것을 특징으로 하는 방법.
15. 제14항에 있어서, 목표값으로부터의 기준 신호의 편차를 나타내는 보정 인자가 계산되는 것을 특징으로 하는 방법.
16. 제14항 또는 제15항에 있어서, 출력 신호의 주기는 기준 신호를 사용하여 보정되는 것을 특징으로 하는 방법.