WO2001005616A2 - Verfahren zum bearbeiten und speichern von sensorsignalen, und entsprechend ausgelegte signalerfassungsvorrichtung - Google Patents

Abstract

Das Beschleunigungssensorausgangssignal wird zunächst durch Subtraktion eines Offsetwerts und/oder Nullpunktabstandswerts auf kleineren Pegel verschoben und anschließend mit einem Faktor größer 1 multipliziert, so daß der Sensornutzsignalpegelumfang gedehnt wird. Der multiplizierte Wert wird anschließend mit verringerter Bitzahl gespeichert. Hierdurch läßt sich der Speicherplatzbedarf ohne oder mit nur geringem Verlust an Auflösungsvermögen verringern.

Description

Beschreibung

Verfahren zum Bearbeiten und Speichern von Sensorsignalen, und entsprechend ausgelegte Signalerfassungsvorrichtung

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Bearbeiten und Speichern von Sensorsignalen und eine entsprechend ausgelegte Signalerfassungsvorrichtung. Die Erfindung kommt vorzugsweise in einem Kraftfahrzeug-Insassenschutzsystem bei der Behand- lung von Beschleunigungssensor-Signalen zum Einsatz, kann aber auch zur Bearbeitung der Ausgangssignale von anders gearteten Sensoren verwendet werden.

Allgemein sind Sensoren erwünscht, die einen hohen Erfas- sungsbereich (Aussteuerungsbereich) von zum Beispiel +/- 40 g (bei Beschleunigungssensoren) aufweisen und zusätzlich noch hohe Auflösung, d.h. genaue Erfaßbarkeit von Zwischenwerten, bieten sollen. Bei Sensoren mit ausreichend großem Aussteuerungsbereich ist jedoch in der Regel die Auflösung aufgrund des begrenzten maximalen Signalpegelhubs relativ gering. Beispielsweise kann bei einem Beschleunigungssensor mit einem Erfassungsbereich von +/- 40 g die Sensorsignalspannungsände- rung bei einer Beschleunigungsänderung (ΔV/g) bei nur ca. 30 mV/g liegen. Wenn zur Verbesserung der Erfassungsgenauigkeit eine Analog/Digital-Wandlung mit hoher Bitzahl, z.B. 10 Bits, ausgeführt wird, ergibt sich bei einer Speicherung der Sen- sorsignalausgangswerten entsprechend hoher Speicherplatzbedarf. Insbesondere, wenn eine Vielzahl von Sensorsignalen zur Dokumentierung und Auswertung des Beschleunigungsverlaufs im Hinblick auf eine Auslöseentscheidung (zur Auslösung des Insassenschutzsystems) zu speichern ist, kann der erforderliche Speicherplatzbedarf oftmals zu hoch sein. Wenn demgegenüber nur mit verringerter Bitzahl analog/digital-umgewandelt und gespeichert wird, ist der Genauigkeitsgrad entsprechend redu- ziert, so daß die Signalauswertung beeinträchtigt ist. Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zum Bearbeiten und Speichern von Sensorsignalen zu schaffen, das eine Speicherung von Sensorsignalen mit relativ guter Auflösung und geringem Speicherplatzbedarf ermöglicht.

Diese Ausgabe wird mit den im Patentanspruch 1 genannten Merkmalen gelöst. Weiterhin wird mit der Erfindung eine Signalverarbeitungsvorrichtung gemäß dem Patentanspruch 5 geschaffen. Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben.

Bei der Erfindung werden die Sensorsignale einer Signalbereichsverschiebung mit anschließender Bereichsstreckung und abschließender Speicherung mit verringerter Bitzahl unterzo- gen. Durch die Bereichsaufspreizung, d.h. künstliche Auflösungserhöhung wird bei der abschließenden Speicherung mit verringerter Bitzahl dennoch die hohe Auflösung im wesentlichen wieder erreicht. Die" Speicherung mit verringerter Bitzahl führt - ohne größeren Verlust an Signalgenauigkeit - zu deutlich verringertem Speicherplatzbedarf, insbesondere bei Speicherung einer Vielzahl von Sensorsignalen, und auch zu einer entsprechenden Verringerung des bei der anschließenden Weiterverarbeitung (z.B. Algorithmusberechnung) anfallenden Rechen- und Verarbeitungsaufwand, da beispielsweise nur 8-Bit-Signale anstelle von 10-Bit-Signalen verarbeitet werden müssen. Gegebenenfalls kann vor der abschließenden Speicherung der bereichstransformierten Sensorsignaldaten eine zwischengeschaltete Signalverarbeitung stattfinden, so daß nicht unmittelbar die bereichsgedehnten, sondern die zwischenverar- beiteten Daten abschließend gespeichert werden. Auch dies liegt im Rahmen der Erfindung.

Bei der Erfindung wird das Sensorausgangssignal vorzugsweise zunächst einer Subtraktion unterzogen, so daß der Ausgangs- wert verringert wird. Der gesamte Sensorsignalausgangspegel- bereich wird damit nach unten, vorzugsweise auf Null, verschoben. Hierdurch wird zugleich auch eine Offsetkompensation und/oder eine Nullpunktabweichungskompensation erreicht. Anschließend wird das Subtraktionsergebnis einer Multiplikation mit einem Faktor größer 1 unterzogen, so daß der in Richtung zu kleineren Werten verschobene Sensorausgangssignalbereich nun gedehnt wird. Durch die anschließende Speicherung mit verringerter Bitanzahl wird diese künstliche Dehnung im wesentlichen wieder rückgängig gemacht, wobei aber der Vorteil verringerten Speicherplatzbedarfs erzielt wird.

Allerdings kann die Reihenfolge der Subtraktions- und Multiplikationsschritte auch ausgetauscht werden, so daß zunächst das Sensorausgangssignal multipliziert und dann einer Subtraktion unterzogen wird, wobei der zu subtrahierende Wert in diesem Fall dem Offsetwert und/oder dem Nullpunktabweichungs- wert, multipliziert mit demselben Faktor wie das Sensorausgangssignal, entspricht. Bevorzugt ist jedoch die Vorgehensweise mit anfänglicher Subtraktion und nachfolgender Multiplikation, da hierdurch sichergestellt wird, daß auch hohe Sensorausgangssignalwerte nicht aus dem verarbeitbaren Si- gnalpegelbereich von beispielsweise maximal 5 V herauswandern, und zugleich auch der Multiplikationsaufwand etwas geringer ist.

Die Signalerfassungsvorrichtung kann als Hardwareschaltung mit Subtrahierer und Multiplizierer ausgelegt sein. Vorzugsweise werden aber die Subtraktion und Multiplikation mittels entsprechender Programme eines Signalverarbeitungsprozessors ausgeführt, so daß der benötigte Hardwareaufwand sehr gering ist.

In bevorzugter Ausgestaltung wird eine Multiplikation mit dem Faktor 2 oder einer Potenz hiervon durchgeführt, da sich eine solche Multiplikation einfach durch entsprechende Datenverschiebung in einem Register realisieren läßt. Die Erfindung wird nachstehend anhand von Ausfuhrungsbeispie- len unter Bezugnahme auf die Zeichnungen naher beschrieben. Es zeigen:

Fig. 1 ein Blockschaltbild eines Ausfuhrungsbeispiels der SignalerfassungsVorrichtung, Fig. 2 ein Ablaufdiagramm, und Fig. 3 eine signaltechnische Darstellung der Erfindung.

Die Signalerfassungsvorrichtung enthalt gemäß dem m Fig. 1 gezeigten Blockschaltbild einen Sensor 1, dem e n Ana- log/Digital-Wandler 2 nachgeschaltet ist, der das analoge Sensorausgangssignal in ein digitales Signal mit beispielsweise 10 Bit umwandelt. Je nach gew nschtem Genauigkeitsgrad und Auflösungsvermögen des Sensors 1 kann die Bitzahl des

A/D-Wandlers 2 auch abgeändert se n, z.B. 8 Bit oder 12 Bit betragen. Dem A/D-Wandler 2 ist eine Auswerteschaltung, hier in Form eines Prozessors 3, nachgeschaltet, der die Signalaufbereitung und gegebenenfalls auch Signalauswertung durch- fuhrt und die Sensorsignalwerte, gegebenenfalls nach Verarbeitung, m einem Speicher 4 speichert.

Fig. 2 zeigt ein Ablaufdiagramm für die Arbeitsweise des Prozessors 3. Der Prozessor 3 fragt den Ausgang des A/D-Wandlers 2 zyklisch m kurzen Abstanden ab (Schritt SI) . Bei einem anschließenden Schritt S2 wird von dem beim Schritt Ξl erfaßten digitalen Sensorsignal ein bestimmter Wert abgezogen, der vorzugsweise so gewählt ist, daß der minimale Nutzsignalpegel des Sensorsignals auf Null verschoben wird. Hierbei wird ein zuvor ermittelter Offsetwert berücksichtigt und kompensiert. Sofern das minimale Nutzsignal einen von Null abweichenden Pegel aufweisen sollte, d.h. ein nomineller Nullpunktabstand ΔO vorliegt, wird vorzugsweise auch dieser Wert subtrahiert. Ein solcher nomineller Nullpunktabstand ΔO ist sensortypisch festgelegt und wird blicherweise vom Hersteller m den Sen- sorspezifikationen angegeben. Insoweit muß also keine Messung durchgeführt werden, sondern es kann direkt diese Nullpunk- tabweichung vom digitalisierten Sensorausgangssignal subtrahiert werden. Wenn das aktuelle Sensorausgangssignal gerade dem Minimalpegel des Nutzsignalbereichs entsprochen haben sollte, wird beim Schritt S2 das Ergebnis 0 V (digitalisiert) erhalten. Wenn das Sensorsignal jedoch einen höheren Wert als den Minimalpegel gehabt haben sollte, ist dieser Wert nach der Subtraktion entsprechend verringert.

Bei dem nachfolgenden Schritt S3 wird der als Ergebnis des Schritts S2 erhaltene digitale Wert einer Multiplikation mit einem Faktor von mehr als 1 unterzogen. Vorzugsweise ist dieser Faktor so gewählt, daß der Sensor-Nutzsignalbereich, der beim Schritt S2 nach unten verschoben worden ist, auf den gesamten auswertbaren Signalbereich von beispielsweise 0 V bis 5 V transformiert, d.h. gedehnt wird. Zur Vereinfachung der Multiplikation sollte der Faktor jedoch nicht mehr als zwei Stellen umfassen und kann beispielsweise "1,5" oder "2,4" lauten. Bevorzugt ist eine Multiplikation mit dem Faktor 2 oder 4, d.h. eine Potenz von 2, da sich dann die Multiplika- tion sehr einfach, beispielsweise durch Verschiebung des in einem Register zwischengespeicherten Subtraktionsergebnisses um eine oder zwei Stellen in Richtung zu höherer Bitwertigkeit realisieren läßt. Zur einfachen Multiplikation mit Zwischenwerten wird eine zusätzliche Addition oder Subtraktion des um 1 oder 2 (oder mehr) Stellen in Richtung zu niedrigerer Wertigkeit verschobenen Subtraktionsergebnisses (z.B. ein auf oder des ursprünglichen Werts verringerter Wert) mit dem unverschobenen oder ggf. um 1 oder 2 Stellen zu höherer Wertigkeit verschobenen Subtraktionsergebnis ausgeführt. Um z.B. eine Multiplikation mit 1,5 zu erreichen, wird das Subtraktionsergebnis um 1 Stelle zu niedriger Wertigkeit verschoben und dieser Wert dann zum unverschobenen Wert addiert. Anstelle einer physikalischen Verschiebung im Register kann auch lediglich der Stellenzugiff zum Register geändert bzw. die den einzelnen Registerstellen zugeordneten Wertigkeiten umdefiniert werden, indem z.B. für eine Multiplikation mit zwei den Bitstellen eine um 1 höhere Wertigkeit zugeordnet wird.

Bei den Schritten S2 und S3 bleibt die durch den A/D-Wandler 2 bestimmte Bitstellenzahl von beispielsweise 10 Bit erhalten.

Bei einem abschließenden Schritt S4 wird das beim Schritt S3 erhaltene Ergebnis mit verringerter Bitstellenzahl von bei- spielsweise nur 8 Bit (z.B. die 8 höchsten Bits des beim Schritt S3 erhaltenen Ergebnisses) gespeichert. Durch die vorhergehende Bereichsdehnung ist der hierbei auftretende Genauigkeitsverlust jedoch verringert oder gar vollständig kompensiert .

In Fig. 3 ist die Erfindung schematisch anhand der jeweils resultierenden Signalpegel dargestellt. Fig. 3a zeigt den Sensorsignalpegelumfang im idealen Fall. Der hier als bidirektionaler Beschleunigungssensor ausgelegte Sensor 1 gibt ein Ausgangssignal ab, das im Bereich von 0 V bis 5 V variiert. Dieser Bereich wird mit 10 Bit durch den A/D-Wandler 2 umgewandelt. Das Sensorsignal weist einen Nutzsignalpegelum- fang (nomineller Aussteuerungsbereich) 5 auf, der beispielsweise von 1,2 V bis 3,8 V reicht. Mit 6 ist der nominelle Nullpunktabstand ΔO bezeichnet (von 0 bis 1,2 V). Der Sensor ist beispielsweise so ausgelegt, daß er im idealen Fall bei fehlender Beschleunigung eine Spannung abgibt, der mitten im nominellen Aussteuerungsbereich 5, d.h. hier bei 2,5 V liegt. Bei Beschleunigung in der einen Detektionsrichtung verringert sich das Sensorausgangssignal kontinuierlich bis zum maximal detektierbaren Beschleunigungswert von zum Beispiel -38 g und erreicht dabei einen Pegel von 1,2 V, bei dem es dann auch bei weiterer Beschleunigungserhöhung bleibt. Wenn umgekehrt die Beschleunigung in entgegengesetzter Richtung auftritt, erhöht sich der Ausgangsignalpegel bis zu dem maximal erfaßbaren Beschleunigungswert von beispielsweise +38 g und erreicht dabei den maximalen Nutzsignalpegel von 3,8 V. In der Praxis zeigt der Sensor 1 jedoch regelmäßig einen herstellungstechnisch oder durch die aktuellen Betriebsparameter bedingten Spannungsversatz (Offset) gegenüber den eigentlich erwarteten Werten. Dieser Offset 7 ist in Fig. 3b schematisch gezeigt und führt dazu, daß der Nutzsignalpegelbereich 5 nach oben (oder auch nach unten) verschoben ist, wobei beim gezeigten Beispiel der minimale Nutzsignalpegel nun auf 1,9 V und der maximale Nutzsignalpegel auf 4,5 V erhöht ist, d.h. eine Offsetspannung von +0,7 V vorliegt. Diese Offsetspannung wird vor der Installation des Beschleunigungssensors 1 oder gegebenenfalls auch wiederholt, beispielsweise bei jeder Inbetriebnahme des Fahrzeugs, bei fehlender Beschleunigung gemessen. Die Offsetspannung ist dabei einfach die Differenz zwischen dem ideal erwarteten Sensorausgangspegel (2,5 V) und dem aktuell gemessenem Ausgangspegel (bei Fig. 3b wäre dies 3,2 V). Der während des Betriebs tatsächlich erhaltene, sich in der Regel ständig ändernde Sensorausgangspegel wird nach Digitalisierung mit 10 Bit zunächst einer Subtraktion unter- zogen, bei der sowohl der Offsetwert als auch der nominelle Nullpunktabstand ΔO subtrahiert werden. Dies entspricht, wie in Fig. 3c gezeigt ist, einer Verschiebung des Nutzsignalpegelbereichs 5 derart nach unten, daß der minimale Nutzsignalpegel auf 0 V verschoben ist. Anschließend wird dieser verschobene aktuelle Sensorsignalpegel einer Multiplikation mit einem Faktor X unterzogen, so daß der Nutzsignalpegelum- fang gedehnt wird, siehe Fig. 3d, "5x". Es ist auch möglich, die Dehnung noch höher zu wählen, d.h. mit einem Faktor 2 oder mehr zu multiplizieren, vorausgesetzt, der maximale Wert tritt nach der Multiplikation nicht aus dem zulässigen Pegelumfang von normalerweise 0 V bis 5 V hinaus. Der nach der Multiplikation vorliegende Sensorsignalpegel wird dann mit verringerter Bitzahl, hier 8 Bit, im Speicher 4 gespeichert.

Sofern der Sensor keinen Nullpunktabstand ΔO aufweisen sollte, unterbleibt die Subtraktion von -ΔO. In jedem Fall erfolgt die Sensorsignalverarbeitung mit der höheren Bitstel- lenzahl, bis dann bei der abschließenden Speicherung die Bitzahl verringert wird.

Das erfindungsgemäße Prinzip ist nicht nur bei dem vorstehend ■ beschriebenen Beschleunigungssensor, sondern auch bei allen anderen Sensoren anwendbar, sofern diese eine Offsetabweichung und/oder einen Nullpunktabstand ΔO aufweisen sollten, oder nur ein Teil des Nutzsignalpegelumfangs zu berücksichtigen ist, d.h. eine Bereichsdehnung des zu erfassenden Be- reichs möglich ist.

Die Erfindung ist ferner auch in Fällen einsetzbar, bei denen ein Sensor keine Offsetabweichung zeigen sollte, jedoch ein Nullpunktabstand ΔO vorliegt. In diesem Fall wird vom aktu- eilen Sensorpegel lediglich der Wert ΔO subtrahiert, d.h. der minimale Nutzsignalpegel auf Null verschoben, und anschließend eine Multiplikation durchgeführt.

Claims

Patentansprüche

1. Verfahren zum Bearbeiten und Speichern von Sensorsignalen, bei dem a) das analoge Sensorsignal einer Analog/Digital- Wandlung mit einer bestimmten Bitzahl unterzogen wird, b) von dem digitalisierten Signal ein Wert subtrahiert wird, der im wesentlichen einem Offsetwert und/oder einem Nullpunktabstandswert (ΔO) entspricht, c) der bei dem vorhergehenden Schritt erhaltene Wert mit einem Faktor von mehr als 1 multipliziert wird, und d) der beim vorhergehende Schritt erhaltene Wert mit verringerter Bitzahl gespeichert wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch g e k e n n z e i c h n e t, daß der Schritt b) vor dem Schritt c) ausgeführt wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch g e - k e n n z e i c h n e t, daß die Subtraktion derart ausgeführt wird, daß der minimale Sensor-Nutzsignalpegel auf Null oder einen nahe bei Null liegenden Wert verschoben wird.

4. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch g e k e n n z e i c h n e t, daß beim Schritt a) eine Analog/Digital-Wandlung mit 10 Bit ausgeführt wird und das Ergebnis beim Schritt d) mit 8 Bit gespeichert wird.

5. Signalerfassungsvorrichtung, insbesondere in einem Kraftfahrzeug-Insassenschutzsystem, mit einem Sensor (1), einem Analog/Digital-Wandler (2) und einer mit dem Ausgang des Analog/Digital-Wandlers (2) verbundenen Auswerteschaltung (3) , dadurch g e k e n n z e i c h n e t, daß die Auswerteschaltung (3) einen Subtrahierabschnitt zum Subtrahieren ei- nes Werts von dem digitalisierten Sensorsignal, der im wesentlichen einem Offsetwert und/oder einem Nullpunktabstandswert (ΔO) entspricht, einen Multiplizierabschnitt zum Multi- plizieren des erhaltenen Werts mit einem Faktor von mehr als 1, und einen Speicher (4) zum Speichern des multiplizierten Werts mit geringerer Bitzahl umfaßt.

6. Signalerfassungsvorrichtung nach Anspruch 5, dadurch g e k e n n z e i c h n e t, daß der Multiplizierabschnitt vor dem Subtrahierabschnitt angeordnet ist und das digitale Sensorsignal mit einem Faktor von mehr als 1 multipliziert, und der Subtrahierabschnitt von dem hierbei erhaltenen Wert den Subtraktionswert abzieht, der in diesem Fall dem mit dem Faktor multiplizierten Offsetwert und/oder Nullpunktabstands- wert entspricht, und daß der Speicher (4) das Subtraktionsergebnis mit verringerter Bitzahl speichert.

7. Signalerfassungsvorrichtung nach Anspruch 5 oder 6, dadurch g e k e n n z e i c h n e t, daß der Faktor dem Wert 2 oder einer Potenz von 2 entspricht.

8. Signalerfassungsvorrichtung nach einem der Ansprüche 5 bis 7, dadurch g e k e n n z e i c h n e t, daß die Multiplikation durch Verschiebung des in einem Register gespeicherten, zu multiplizierenden Werts in Richtung zu höherer Bitwertigkeit erfolgt und/oder durch eine Summation oder Subtraktion des in Richtung zu niedriger Bitwertigkeit verscho- benen Werts und des unverschobenen oder in Richtung zu höherer Bitwertigkeit verschobenen Werts erfolgt.

9. Signalerfassungsvorrichtung nach einem der Ansprüche

5 bis 8, dadurch g e k e n n z e i c h n e t, daß der Subtra- hierabschnitt und Multiplizierabschnitt in einem Prozessor (3) enthalten und softwaretechnisch realisiert sind.

10. Signalerfassungsvorrichtung nach einem der Ansprüche 5 bis 9, dadurch g e k e n n z e i c h n e t, daß der Sensor (1) ein Beschleunigungssensor ist.