TW201405102A

TW201405102A - 感測器以及將時間資訊與一感測器所要檢出的測量資料作關聯的方法

Info

Publication number: TW201405102A
Application number: TW102114771A
Authority: TW
Inventors: Gerhard Lammel; Thomas Claus; Rainer Dorsch
Original assignee: Bosch Gmbh Robert
Priority date: 2012-04-27
Filing date: 2013-04-25
Publication date: 2014-02-01
Also published as: WO2013159972A2; TWI598572B; US20150123827A1; WO2013159972A3; EP2841880B1; CN104508431A; CN104508431B; EP2841880A2; DE102012207026A1; US9214952B2

Abstract

一種感測器，包含：一檢出元件，一類比式前端，及一數位式後端；其中該數位式後端要經一數位式介面與一控制單元連接，其中由感測器掃瞄的資料在該數位式後端提供，其中，該感測器包含提供手段以在該數位式後端提供掃瞄的資料的時間資訊，利該數位式介面藉該控制單元可存取到該提供手段。此外關於一種將時間資訊與一感測器所檢出的測量資料作關聯的方法，包括以下步驟：a)提供一個如申請專利範圍第1~第5項任一項的感測器；b)提供一控制單元，其經一數位式介面與該感測器連接；c)利用該控制單元存取該感測器之掃瞄的資料；d)利用該控制單元存取該感測器之掃瞄的資料的時間資訊；e)利用該控制單元計算一時間印章；f)利用該控制單元將該時間印章與該掃瞄的資料相關聯。此外還關於一種感測器系統，其包含一個感測器以及一控制單元，該控制單元與該感測器連接。(圖6)

Description

感測器以及將時間資訊與一感測器所要檢出的測量資料作關聯的方法

一種感測器，包含：一檢出元件，一類比式前端，及一數位式後端；其中該數位式後端要經一數位式介面與一控制單元連接，其中由感測器掃瞄的資料在該數位式後端提供，此外本發明還關於一種將一時間資到一感測器之掃瞄的資料的方法。

US 7382780 B1提到使用掃瞄值計數器及一即時(真實時間)脈波(Echtzeit-Takt，英：real-time pulse)的回視式(retrospektiv)的時間同步化，以及將資料收集在框中的作業。它並未提到次掃瞄區間(Sub-Abtastinterval)時間，典型的情形，一感測器由一檢出元件、一類比式前端、及一數位式後端構成，如圖1所示。檢出元件將所要測量的物理值轉換成一類比信號，而該類比式前端控制比檢出元件並將此類比信號處理並將它轉換成一數位信號。舉例而言，數位式後端作資料過濾，產生事件(Ereignis，英：event)、及控制該類比式前端。一個或數個感測器利用該數位式感測器後端的一數位介面與一控制單元連接，該控制單元的例子如：一智慧型手機中的一應用處理器、或網路平板電腦、一決定的徵控制器、或一控制單元的任意其他硬體或軟體方面的實施感測器用一可組態之輸出資料速率odr掃瞄感測器資料，並將處理過之感測器資料掃瞄值儲存在數位式後端。如有必要，此數位式後端可含有一先進先出(FIFO)記憶體以儲存感測器資料，控制單元經由數位介面從數位後端讀取感測器資料。感測器沒有全球性(global)時間的概念(Begriff)，換這之，在控制單元中處理感測器資料時，典型的情形係假設：當控制單元讀出感測器資料當時的時間係和感測器資料被掃的時間係相同的。

感測器以典型方式實施濾波功能，例如一低通濾波器(它呈一定之頻帶寬度限度)。

感測器的輸出資料速率往往和周圍參數(如溫度)有關。當這些參數改變時，輸出資料速度變動10%並不少見，控制單元用一種獨立且典型準確的時間參考值不同步地從感測器用一種讀出資料速率讀取資料，如圖2所示。

各掃瞄區間箱(10)產生一新的感測器資料掃瞄值，它儲存數位部分。下方箭頭表示控制單元從感測器讀出(30)，在此例中，控制單元比感測器更頻繁地產生輸出資料。由於典型情形係假設：感測器資料掃瞄時間和感測器資料讀出時間，這表示：輸出資料的產生和讀出之間的延遲不被考慮。利用這種假設將一時間跳動(Zeitjitter)放入。此時間跳動係由該跳動箱(20)產生。利用上述機構加入的平均跳動(Jitter)係用下式表示：跳動_平均=Min(1/odr,1/rdr)/2

往往使用一個以上的感測器以計算融合資料(Fusionsdaten)，例如一可動裝置在空間中的朝向。這種技術往往使用慣性測量單元。跳動會減弱了計算的資料的準確性。

上述目的有三種習知之解決之道，將讀出資料速率odr加大，會使依跳動_平均的式子的平均跳動變小。輸出資料速率的加大作用利用目前的感測器幫助，例如三軸加速度感測器。BMA 255 Digital。利用中斷(Interrupt)將讀出作用觸發係另一種技術，如果有新資料可用，則感測器需此技術將一「中斷」送到控制單元。這點使資料從感測器讀出。

但這些習知解決方式有一些缺點。將讀出資料速率rdr加大會使控制單元工作負載加大。如果控制單元用軟體實施而執行之處理機只有低的負載，則此解決方式會使執行處理機從不活性過渡到1-狀態的過渡的數目加大，如此電流消耗大大增加。

將輸出資料速率odr加大表示：(如果掃瞄速率加大)感測器資料雜訊加大。如果只有輸出資料速率不受低通濾波器的頻帶寬度影響地改變，則該數位式後端的實施就更複雜。如此，數位式後端所需矽面積和電流消耗加大，因此感測器硬體及感測器的操作的成本增加。

要藉著中斷將讀出作用觸發，除了典型介面如12C外，還需要分別的線路供「中斷信號」之用，如此成本增加。此外，在控制單元上利用軟體將「中斷」作處理並非很有效率，因為中斷需要在處理機中作上下文(Kontext，英：context)的更換。這點影響處理機中的快取-找到比例(Cache-Hit-Verhältnisse)及類似之性能參數。如果將許多感測器與一處理機連接，這種解決方案的等級不佳，此外，在許多現代之可動平台並不能直接供中斷，因此這種解決方式只能部分處理此問題。

本發明的目的在提供一種感測器，其測量資料可儘量準確地將一測量間點作關聯。本發明另一標的在提供一種將一感測器的測量資料與一測量時間點作關聯的方法。

圖1係一習知之感測器和一控制單元；圖2係一習知之感測器輸出資料速率，它是一控制單元讀取資料速率的函數；圖3係依本發明一第一實施例之一感測器的一掃瞄計時器；圖4係依本發明一第二實施例的一感測器計時器，它由一感測器的一掃瞄計數器及一掃瞄計時器構成；圖5係二個感測器，它們各用略不同的掃瞄速率將其掃瞄值儲存在一FIFO記憶體中；圖6係依本發明之一感測器及一控制單元；圖7係用於減少感測器資料讀出時避免跳動(Jitter)的方法；圖8係用於將該感測器的真實施出資料速率評估的方法；圖9係用於在從感測器擷取(Beschaffen)資料時減少潛伏(Latenz)的方法；圖10係在感測器中使用FIFO記憶體減少跳動的方法。

圖3顯示依本發明一第一實施例的一感測器的一掃瞄計時器，在本發明一第一實施例將一暫存器加到圖1所述之感測器，暫存器含有感測器資料的年紀，且利用感測器的數位式後端實際化。此附加之暫存器可使控制單元將感測器資料產生以來的年紀讀出。這點可呈分別之計數器方式實施，或一既有的計數器可重複使用，如此資料的掃瞄受控制。計數器在新產生資料掃瞄值後就重設並再運轉，直到資料被控制單元讀出為止或運轉更久。「掃瞄計時器」為掃瞄時間暫存器的值，標準化成一掃瞄週期，掃瞄週期用1/odr表示。舉例而言，如果掃瞄週期有10ms，而如果在讀出時的時間點資料掃瞄值為3ms年紀，則掃瞄定時器有0.3個掃瞄週期(在讀出時間點)，如此跳動可減少。

將掃瞄計時器讀取，可使控制單元決定：從感測器讀出的時間點時，資料的年紀如何。在理想情形，此掃瞄計時暫存器可用原子方式(在一資料方塊中沒有中斷)隨感測器資料讀出。此控制單元可參考其控制系統時間將過去的時間點重建(在此時間點時該感測器資料實際產生)。如果在一系統中有一個以上的感測器，例如有一加速度計、一渴望速率(Gierrate)感測器及一磁力計，則同步化的感測器對於感測器的融合演算(Fusionsalgorithm)很重要。減少跳動可使感測器資料同步化較佳。如此，感測器融合演算法的性能加大。

圖4顯示依本發明一第二實施例一感測器計時器，它由一感測器掃瞄計數器及一掃計時器構成。在本發明一第二實施例，一暫存器加到圖3所述的感測器。如果除了掃瞄計時器還有一掃瞄計數器，則這點稱為「感測器時間」。因此我們可將感測脈波測量，當作控制系統脈波的函數。控制單元可在二個時間點讀出感測器時間，並計算實際輸出資料速率。此實際輸出資料速率可使人們能預言何時有下一次產生的感測器資料，這點可用於在讀取感測器資料時減少潛伏，而不會使功率明顯加大。此外它還可使資料框的資料產生時間用FIFO方式評估，如此可使資料同步化更佳。

圖5顯示二個感測器，它們各將其掃瞄值在一FIFO記憶體中用略同的掃瞄速度儲存，雖然這些感測器用的組態的輸出資料速率可不同。此圖在一例子中顯示二個感測器的不同步掃瞄的問題。在相同時刻隨著掃瞄開始，在一所予時間中可相同感測器(A12)將掃瞄值儲值開始儲存。在一所予之時間空間，而感測器及只匯存掃瞄值。圖到相同時間用該掃瞄。掃瞄值時儲存而感測器(12)終於在一FIFO中將掃瞄值用FIFO儲存，而感測器(B)只儲存11個掃瞄值。如果掃瞄值根據讀出時間及組態的ODR計算，在此例子掃瞄值在此例中計算組態的ODR。在此實例子，掃瞄值在FIFO中多於一掃瞄週期。

圖6顯示本發明一感測器及一控制單元。除了圖1中習知之感測器外，還設有感測器資料用的一資料暫存器、一掃瞄定時器、及在數位後端中的一掃瞄計數器。為了讀出所測量的資量、掃瞄計數、及掃瞄時間，故控制單元CU經由介面與感測器連接。此外在數位後端可設一FIFO記憶體，在此FIFO中可儲存感測器資料的值。

在本發明另一標的為在從感測器取得資料時減少跳動(Jitter)的方式。圖7顯示在感測器資料讀出時避免跳動的方法。控制單元讀出感測器資料和感測器時間。感測器時間內容的掃瞄計時部分就是在圖2 中的跳動箱(20)中所示的跳動。控制單元計算資料產生間，亦時實際之感測器時間。它利用從其實際系統時間減去掃瞄計時×掃瞄週期而計算。如此，控制單元CU使用實際感測器時間代替系統時間當作一個時間印章(Zeitstempel)，以供在資料讀出時提供之掃瞄的資料用。

實際感測器資料時間=在資料讀出時的系統時間-掃瞄計時×掃瞄週期。

一種擴充方式係可另外減掉一附加的延遲，以作掃瞄(例如在感測器前端)及資料處理(例如在感測器後端中)，以及讀取資料。

本發明另一標的係一種方法，用於從感測器取得資料時作真實輸出資料速率評估，茲假設，感測器時間用原子(atomisch)方式讀出。換言之，在數位介面作操作時，感測器時間在讀取操作時不改變，換言之，掃瞄計數器須與掃瞄計時器相容。

〔實施例〕

感測器時間暫存器有一區域rst

Rst 2^{掃瞄計數器的位元}

最大可能之輸出資料速率為odr_max

如果感測器時間在時間點t1及t2用t2<t1+rst/odr_mas，讀出，則一種有潛力的溢跑(Uberlauf)修正

實際讀取速度rodr(例如單位為掃瞄值/秒)可使用下式評估：rodr=mod(感測器時間(t2)-感測器時間(t1),rst)/(t2-t1)

其中該模組操作係定義於kunth,DonaldE.,The Art of Computer Programming,Addison-Wesley,1972。

在控制單元得到資料前，如果使用FIFO，則舉例而言，rodr的應用係減少潛伏或減少跳動(Jitter)。

本發明另一標的係從感測器得到資料時減少伏的方法，如圖9所示。

如此可使用rodr，以計算將來的時間t(n)，在此時間時，已準備下面n個掃瞄值以供控制單元從感測器叫出。

t(n)=t2+(n-掃瞄計時器(t2)/rodr

n 1……

如此控制單元可預言何時產生下一批資料，下一批資料在感測器之可用之後，且用後小的潛伏將之讀出

本發明另一標的係在感測器中使用FIFO記憶體以減少跳動(Jitter)的方法，如圖10所示，rodr可使用以計算過去的時間tf(n)，在這些時間將第n個框在FIFO中產生

tf(n)=t2-掃瞄計時(t2)+n-1)/rodr

如果使用odr代替rodr，則在一FIFO中的odr中產生5%誤差，它在一掃瞄週期跳動的50%有10個元素，如不用此，使用rodr，則此問題解決。

本發明另一標的為將感測器測量區間擴充的方法，如圖10所示。

如果對測量區間rst/(odr_max-odr_mix)的最小可能的輸出資料速率odr_min已知

則對於測量區限制到rst/odr_max的作業可放鬆如此可參考感測器時間(t1) 與感測器時間超過的數目可明確地關聯，rodr=(mod(感測器時間(t2)-感測器時間(t1),rst)+sto×rst)/(t2-t1)

其中

在此 sto=(t2-t1)×odr_min/rst

stomod_min=mod((t2-t1)×odr_min/rst,rst)

realmod=mod(感測器時間(t2)-感測器時間(t1),rst)

在此sto_min為感測器時間溢流的最小數目，它係基於最小odr，如果感測器時間(t)=感測器時間(t)

則在時間點t產生-感測器時間的溢流(Überlauf，英：overflow)。

該溢流的最大數目只能比最小數目大了1，否則不再能將感測器時間溢流與感測器時間明確地關聯。如果來自測量之感測器時間資料的模組值小於最小odr的模組值，則須係一附加之感測器時間溢流。

Claims

一種感測器，包含：一檢出元件，一類比式前端，及一數位式後端；其中該數位式後端要經一數位式介面與一控制單元連接，其中由感測器掃瞄的資料在該數位式後端提供，其特徵在：該感測器包含提供手段以在該數位式後端提供掃瞄的資料的時間資訊，利該數位式介面藉該控制單元可存取到該提供手段。
如申請專利範圍第1項之感測器，其中：該用於提供時間資訊的提供手段包含一掃瞄計時暫存器。
如申請專利範圍第2項之感測器，其中：該用於提供時間資訊的提供手段包含一掃瞄計數暫存器。
如申請專利範圍第2或第3項之感測器，其中：該掃瞄計算暫存器及/或該掃瞄計時暫存器可在一種原子式運算用該掃瞄的資料讀出。
如前述申請專利範圍中任一項之感測器，其中：該數位式後端包含一先進先出的記憶體。
一種將時間資訊與一感測器所檢出的測量資料作關聯的方法，其特徵在以下步驟：a)提供一個如申請專利範圍第1~第5項任一項的感測器； b)提供一控制單元，其經一數位式介面與該感測器連接；c)利用該控制單元存取該感測器之掃瞄的資料；d)利用該控制單元存取該感測器之掃瞄的資料的時間資訊；e)利用該控制單元計算一時間印章；f)利用該控制單元將該時間印章與該掃瞄的資料相關聯。
如申請專利範圍第6項之方法，其中：該控制單元設計成用於在達到一前述的掃瞄時間時，就藉讀取該掃瞄的資料將資料讀出潛伏作用減少，其中該方法使用t(1)以預說出一時間，在此時間時，下一批掃瞄的資料在該數位式後端提供。
如申請專利範圍第6項之方法，其中：該控制單元設計將時間印章的跳動減少，其中該控制單元使用該掃瞄定時暫存器及/或該掃瞄計數暫存器，以利用一種次掃瞄解析度計算實際的掃瞄時間。
如申請專利範圍第8項之方法，其中：提供一個如申請專利範圍第5項的感測器，且利用t=f(n)以計算該先入先出暫存器的掃瞄值1……n的時間印章t。
一種感測器系統，其包含一個申請專利範圍第1~第5項的感測器以及一控制單元，該控制單元與該感測器連接。