CN102914975A - 具有可变控制系数的传感器接口 - Google Patents

Abstract

本公开提供了一种具有可变控制系数的传感器接口，其将电源电压传送到多个传感器并在多个传感器和控制单元（例如，ECU）之间交换数据信号。传感器接口经常利用一位比较器（或粗模拟数字转换器（ADC），例如，2位或3位ADC）以在传感器接口上跟踪要在传感器和控制器之间交换的信号。与具有多位（例如，32位ADC）的耗电ADC相比，一位比较器/粗ADC限制硬件复杂性和功耗。此外，在一些实施方式中，传感器接口模块可以包括估计器和辅助比较器以对传感器接口模块的跟踪能力进行加速。以这种方式，本文提供的技术提供在控制单元（例如，ECU）及其相应的传感器之间的可靠的、低功率通信。

Description

具有可变控制系数的传感器接口

技术领域

本发明涉及一种具有可变控制系数的传感器接口。

背景技术

现代汽车包括大量的传感器，诸如气囊传感器、轮胎压力传感器、发动机传感器、安全带传感器和许多其他传感器。例如，发动机传感器可以向发动机控制单元（ECU）提供关于车辆的发动机周期的数据。基于来自发动机传感器的数据，ECU可以改变发动机周期（例如，火花塞定时和/或燃油喷射参数）以优化发动机性能。

由于车辆传感器增加，一体化正在成为汽车制造商的严重挑战。例如，连接ECU和其相应的发动机传感器的导线可以是几米长。这些导线是汽车系统中重要的成本因素并且增加了车辆的整体重量。为此，一些传统的布线接口（例如，诸如PSI5和DSI）将导线的数量限制为两条线。这些接口可被用于汽车气囊传感器、动力传动系统以及ABS轮速传感器的非标准化的脉冲宽度调制（PWM）协议等。不幸地，这些导线的电感和电容可以以由导线的电感和电容所设定的谐振频率产生噪声，但不存在对策。

在一些传统的实现方式中，RLC滤波器（其包括电阻器和可选的与电阻器并联的旁路电感器）可以设置在ECU和其相应的传感器之间。此RLC滤波器可以被设计为衰减共振频率处的噪声，从而有助于改善车辆传感系统的性能。然而，不幸地，在这样的RLC滤波器中的电阻器和电感器消耗功率，增加传感器系统的成本，并且会引起其上的电压降。此外，由于不同的车辆可能包括不同的传感器和不同长度的导线（即，不同的电感和电容），所以难以设置单个RLC滤波器来充分衰减传统的传感系统中与不同的车辆相对应的不同的共振频率。

因此，传统的方法由于多个原因而不太理想，发明人设计了如本文进一步所述的改进的传感器接口。

发明内容

根据本发明的一个实施方式，提供了一种传感器接口模块，包括：控制单元接口，被配置为耦接至控制单元；电源电压模块，通过所述控制单元接口耦接至所述控制单元；一位比较器或粗模拟数字转换器（ADC），具有耦接至所述电源电压模块的第一比较器输入端，并且具有经由反馈路径耦接至所述传感器接口模块的输出节点的第二比较器输入端；传感器接口，耦接至所述传感器接口模块的所述输出节点，并被配置为耦接至一对导线，所述一对导线耦接至多个传感器。

附图说明

图1是根据一些实施方式的车辆传感系统的框图。

图2是可以从车辆传感系统的传感器传输的调制电压信号的波形图。

图3是可以从车辆传感系统的传感器传输的调制电流信号的波形图。

图4是根据一些实施方式的传感器接口模块的框图。

图5是根据一些实施方式的另一传感器接口模块的框图。

图6是根据一些实施方式的估计器块的框图。

图7A至图7C是不同传感器接口模块的调制电压信号和相应电流的波形图。

具体实施方式

现在将参照附图描述权利要求所保护的主题，其中，在整个说明书中相似的参考标号用于指相似的元件。在以下描述中，为了说明的目的，阐述许多具体的细节以提供权利要求所保护的主题的透彻理解。然而，显而易见的是，权利要求所保护的主题可以在没有这些具体细节的情况下实施。

本发明旨在提供将电源电压传送到多个传感器并且在多个传感器和控制器（例如，ECU）之间交换数据信号的传感器接口模块。传感器接口通常采用一位比较器（或粗模拟到数字转换器（ADC），例如，2位或3位ADC）来在传感器接口上跟踪要在传感器和控制器之间交换的信号。与具有更多位的耗电ADC（例如，32位ADC）相比，一位比较器/粗ADC限制硬件复杂性和功耗。此外，在一些实施方式中，传感器接口模块可以包括估计器和/或辅助比较器以加快传感器接口模块的跟踪能力。以这种方式，本文提供的技术有利于在控制器（例如，ECU）和其相应的传感器之间的可靠的低功耗的通信。

现在转向图1，可以看到根据一些实施方式的包括传感器接口模块102的车辆传感系统100。传感器接口模块102包括调制单元104和解调单元106。在一侧，传感器接口模块102具有耦接至控制单元108（例如，ECU）的控制单元接口；在另一侧，传感器接口模块102具有耦接至一对导线112、114的传感器接口。该对导线耦接至多个传感器116（例如，116a、116b、…116c）。为了限制噪声，RC滤波器118耦接至传感器接口。在许多实施方式中，RC滤波器118没有独立电感器和集成电感器以降低成本。

在操作期间，在没有数据要交换时，调制单元104经由一对电线112、114向传感器116提供电源电压。该电源电压通常是被用于向传感器116供电的DC电压。

当信息要被传输到传感器116时，控制单元108在120上提供第一控制信号。基于第一控制信号，调制单元104调制电源电压以将调制过的电压信号经由一对导线112、114传送至至少一个传感器116。图2示出了该调制电压信号200如何在高电源电压（V_高）和低电源电压（V_低）之间的改变电源电压以将信息发送到传感器116的一个实例。在图2的实例（响应数据位编码）中，上升沿电压转换对应于逻辑“0”，下降沿电压转换对应于逻辑“1”，但也可以使用其他编码方案。

为了从传感器116接收消息，解调单元106对在导线112、114上接收的调制电流信号进行解码，其中，调制电流信号包括来自包含在其中的发送传感器（例如，116a）的信息。图3示出了由传感器发送的其上包含编码数据的调制电流信号300的一个实例。在图3的实例中，数据位可被编码为导线112、114上的符号，其中，每个符号由三个码片构成并编码四个数据位。

图4示出调制单元400（例如，图1的调制单元104）的更详细的视图。在一侧，调制单元400包括与控制单元424连接的控制单元接口401。在另一侧，调制单元400包括与耦接至传感器的一对导线接口的传感器接口403。简言之，调制单元400接收第一控制信号422，并调节其在输出节点420上的输出电压，使得输出电压跟踪第一控制信号422，从而将期望的信息发送到传感器。

为了限制功耗，不使用具有大量位的耗电ADC（例如，32位ADC），调制单元400包括一位比较器402以在412上输出一位误差信号，或者使用粗ADC在412上输出仅具有几位（例如，2或3位）的误差信号。对于一位比较器402，第一比较器输入端404耦接至电源电压406，第二比较器输入端408经由反馈路径410耦接至输出节点420。比较器输出412耦接至PID控制器414，PID控制器414又耦接至第一和第二电流源416、418。

在操作期间，图4的调制单元400基于来自控制器424的第一控制信号422可以改变其在输出节点420上的输出电压。该第一控制信号422设定第一比较器输入端404上的目标电压。然后比较器402调节其误差信号电压电平412（其设定由PID控制器输出的第二控制信号），直到调制单元的输出电压在输出节点420上匹配404上的目标电压。然而，即使一位比较器402可能提供低功耗的性能和最小的芯片面积，发明人也已理解一位比较器架构不幸地充满挑战。与PID控制器414的带宽相比，比较器402的采样率通常较高。因此，在单个时钟周期期间，不能够补偿输出电压和目标电压之间的较大差异。不存在对策，控制器的有限的带宽加重了粗量化反馈路径的非线性，并使得环路进入回转状态（slewing state）。如果没有足够快速完成该回转，则它可以防止传感器接口足够快地跟踪电流或电压，以在控制器424及其相应的传感器之间精确地交换数据。

为了帮助便于使用一位比较器（或粗位ADC），本文公开的一些调制单元使用估计器块。例如，在图5中，估计器块502基于在反馈路径410上的反馈的历史来更新PID控制器414的系数。例如，当比较器402是一位比较器，反馈路径410是一位反馈路径时，估计器块502可以在不同的时间从反馈路径410接收一系列的单个位，然后分析集合的单个位以设定PID系数（例如，k_i、k_P、k_D）。估计器块502也耦接至协议处理器504以考虑信息是否要发送到传感器，从传感器接收，以及估计器502是否处于启动模式。

由于在单个时钟周期期间不能够补偿420上的输出电压和404上的目标电压之间的较大差异，几个连续的反馈位对于较大的差异将具有相同的值。因此，具有相同符号的连续采样的数量给出了与一位比较器402的增益互相关的度量。该增益估计原理允许PID系数的不断增加，除非412上的误差信号的符号改变。

图5也示出了一个或多个可选的辅助比较器506如何能够包括在一些调制单元中。如果存在，这些辅助比较器506具有在不同的触发点处设定的各自的基准电压。例如，如果存在三个辅助比较器，则它们可以具有各自的基准电压为50mV（例如，目标信号和输出信号之间的“大”偏差）、100mV（例如，目标信号和输出信号之间的“非常大”偏差）和200mV（例如，目标信号和输出信号之间的“过量”偏差）。这些辅助比较器506允许传感器接口模块比单独使用一位比较器更快地改变控制特性（例如，对于基于N位的FIR滤波器的增益估计，因为它需要N个步骤以教导其最大输出值）。在本质上，辅助比较器506均可以提供额外的增益以在输出电压需要大的改变时利于辅助一位比较器402。此外，辅助比较器506可以切换它们的输出以在输出再次接近目标值时使额外增益无效，这提高了避免回转转换后过冲或振荡的能力。可以以极其简单、节省芯片面积和节电方式实现这些辅助比较器506，它们对于电磁注射（electromagneticinjection）的反应特别有用。但是对于辅助比较器506，电磁注射在非常少的时钟周期内可超过辅助比较器的阈值，并需要非常快的比例的和微分的响应。

在考虑如何设定PID系数时，估计器块502可以作用于误差信号的频率，如下：

K_i系数——积分系数（K_i）在低频率（例如，该处误差信号的频率小于采样频率（f_s）的100和10,000之间的因子）占主导。因此，K_i对于在f_s/10,000和f_s/100之间的误差信号频率占主导。适应（adaptation）可以足够快以对于这些频率使用相对长的FIR滤波器（例如，8至128拍）。

K_p系数——比例系数（K_p）在中频（例如，误差信号的频率在约f_s/1000和f_s/10之间，这通常是大多数发送频谱位于的频率范围）占主导。对于这些中频（例如，2到16拍）适应可以更快速，以为了在具有与高K_p设定不同的比较器输入的零交叉导致不稳定性或甚至具有不必要的大振幅的受控振荡之前足够快恢复。

K_d系数——微分系数（K_d）在高频率（例如，f_s/100到f_s/2）占主导。在这种情况下的适应对于此部件可以非常快，FIR滤波器的长度可以显著缩短（例如，2至4拍）。

图6示出使用这些原理的更详细的估计器块600的一个实施方式。在该实施方式中，估计器块600包括耦接至比较器（例如，图5中的一位比较器402）的移位寄存器602并且被配置为及时存储来自比较器的连续的一位值。额外的增益缩放寄存器（例如，k_i寄存器604、k_p寄存器606和K_d寄存器608）也可以被包括并可以存储从一位比较器和辅助比较器（例如，图5中的辅助比较器504）（如果存在的话）的组合得出的值。估计器600还包括查找表610，或执行非线性数学函数的一些其他的块，以基于在增益缩放寄存器中存储的值选择控制系数。

可以看出，存储在移位寄存器中的粗量化的最新采样被用来设定k_d系数。相反，移位寄存器中的额外的较旧的反馈采样被考虑来设定k_i系数。移位寄存器中的中间反馈采样被用于设定k_p系数。

以下阐述如何计算系数的一些非限制性实例：

$k_{i\_\mathrm{rise}}=|\underset{\mathrm{\ν}=0}{\overset{n_i}{\mathrm{\Σ}}}{S}_{\mathrm{i\ν}}\·s_{\mathrm{i\ν}}|+\underset{\mathrm{\μ}=0}{\overset{m_i}{\mathrm{\Σ}}}{A}_{\mathrm{i\μ}}\·a_{\mathrm{i\μ}}$

其中：

k_i    PID控制器的积分路径的增益上升因子

n_i    所考虑的移位寄存器的数量

m_i    所使用的辅助比较器的数量

s_iν  来自移位寄存器的ν时钟周期延迟位[+1或-1]

S_iν  s_iν的权重因子

a_iμ  第μ个辅助比较器的输出[0或1]

A_iμ  a_iμ的权重因子

$k_{d\_\mathrm{rise}}=1+|\underset{\mathrm{\ν}=0}{\overset{n_d}{\mathrm{\Σ}}}{S}_{\mathrm{d\ν}}\·s_{\mathrm{d\ν}}|+\underset{\mathrm{\μ}=0}{\overset{m_d}{\mathrm{\Σ}}}{A}_{\mathrm{d\μ}}\·a_{\mathrm{d\μ}}$

with:

k_{d_rise}  PID控制器的比例路径的增益升因子

n_d       所考虑的移位寄存器的数量

m_d       所使用的辅助比较器的数量

s_dν     来自移位寄存器的ν时钟周期延迟位[+1或-1]

S_dν     s_dν的权重因子

a_dμ     第μ辅助比较器的输出[0或1]

A_dμ     a_dμ的权重因子

在某些情况下，积分系数k_i可以取值为0，因为在来自估计器的误差信号表示电压输出非常接近目标电压的情况下，改变积分系数没有意义。此设定非常稳定并有助于确保回转之后输出值快速接近目标值。

图7A-7C示出作为一系列波形的一系列模拟结果。图7A示出传感器接口的电路行为，该传感器接口包括一位比较器而未使用估计器设定PID系数。图7A中的上图示出传感器接口模块试图将PSI5同步脉冲发送到一个或多个传感器时的两个电压曲线。传感器接口模块内的一位比较器从控制单元接收目标电压702，其中，目标电压702表示要发送的同步脉冲。一位比较器测量输出电压704，并调节其内部电流（图7A的下部），试图使输出电压704跟踪目标电压702。在图7A的实施方式中，一位控制器不具有足够的增益以跟踪目标电压702，因此由传感器接口提供的输出电压704未正确跟踪。

图7B示出包括一位比较器而不使用估计器设定PID系数的另一传感器接口的电路行为。在该实例中，一位控制器足够快速，使得输出电压708充分跟踪目标电压706（如图7B的上图所示）。然而，一位比较器结构在输出电压线上以及在传送的输出电流710中产生了高频瞬变。两者均将产生电磁辐射，并应被避免。

图7C示出包括一位计算器和估计器的另一传感器接口的电路行为。图7C示出具有估计器的一位比较器足够快速使得输出电压712充分跟踪目标电压714（如图7C的上图所示）。此外，包括估计器也减少了不期望的高频电流瞬变（如图7C的下部所示）。以这种方式，本文公开的传感器接口提供传感器接口的良好的跟踪能力，同时提供低功耗并减少电磁辐射。

虽然已关于一个或多个实现方式示出和描述了本发明，但对于本领域的技术人员，基于对该说明书和附图的阅读与理解，可进行等价的修改和更改。

此外，应理解，诸如“第一”和“第二”的标识符并不意味着关于其他元件的任何类型的排序或布置；而“第一”和“第二”和其他类似的标识符仅是通用标识。此外，应理解，术语“耦接”包括直接和间接耦接。本发明包括所有这些修改和更改，并只通过所附权利要求的范围来限制。特别地，关于由上述部件（例如，元件和/或资源）进行的各种功能，除非另有说明，用来描述这些组件的术语旨在与进行上述部件（例如，功能等价）的指定功能的任何部件，即使不在结构上等价于进行本文所示的本发明的示例性实施方式的功能的公开的结构。此外，虽然本公开的特定特征可以关于多个实现中的一个来公开，但是该特征可以与其它实现的一个或多个特性来组合，如任何给定的或特定的应用所期望和优势。此外，用在本申请和所附权利要求中的冠词“一（a）”和“一（an）”旨在解释为指“一个或多个”。

此外，在某种程度上术语“包括”、“具有（having）”、“具有（has）”、“使用（with）”或其变形用在详细的说明书中或权利要求中，这些术语旨在包括在与术语“包括（comprising）”类似的方式中。

Claims (20)

1.一种传感器接口模块，包括：

控制单元接口，被配置为耦接至控制单元；

电源电压模块，通过所述控制单元接口耦接至所述控制单元；

一位比较器或粗模拟数字转换器（ADC），具有耦接至所述电源电压模块的第一比较器输入端，并且具有经由反馈路径耦接至所述传感器接口模块的输出节点的第二比较器输入端；

传感器接口，耦接至所述传感器接口模块的所述输出节点，并被配置为耦接至一对导线，所述一对导线耦接至多个传感器。

2.根据权利要求1所述的传感器接口模块，其中，所述传感器接口被配置为向所述传感器提供电源电压，并基于由所述一位比较器或粗模拟数字转换器输出的误差信号调制所述电源电压。

3.根据权利要求1所述的传感器接口模块，其中，所述误差信号在长度上少于四位。

4.根据权利要求1所述的传感器接口模块，还包括：

PID控制器，具有耦接至所述一位比较器或粗模拟数字转换器的输出端的输入端；

第一和第二可控电流源，具有耦接至所述PID控制器的输出端的各自的输入端子，并被配置为在所述传感器接口的所述输出节点上合作建立输出电压。

5.根据权利要求4所述的传感器接口模块，还包括：

估计器，耦接至所述反馈路径，其中，所述估计器被配置为基于所述反馈路径上的位的历史来确定用于所述PID控制器的系数。

6.一种传感器接口模块，包括：

控制单元接口，被配置为从控制单元接收第一控制信号，其中，所述第一控制信号对应于要发送到多个传感器中的至少一个的信息；

电源电压模块，耦接至所述控制单元接口，并被配置为基于所述第一控制信号输出目标电压；

一位比较器或粗模拟数字转换器（ADC），具有耦接至所述电源电压模块的第一比较器输入端，并且具有经由反馈路径耦接至所述传感器接口模块的输出节点的第二比较器输入端；其中，所述一位比较器或粗模拟数字转换器被配置为基于所述目标电压信号和所述输出节点上的输出电压之间的比较来提供具有电压电平的误差信号；以及

传感器接口，耦接至一对导线，所述一对导线耦接至所述多个传感器以及所述一位比较器或所述粗模拟数字转换器，其中，所述传感器接口被配置为向所述传感器提供电源电压并基于所述误差信号调制所述电源电压。

7.根据权利要求6所述的传感器接口模块，其中，所述误差信号在长度上少于四位。

8.根据权利要求6所述的传感器接口模块，其中，所述误差信号在长度上是一位。

9.根据权利要求6所述的传感器接口模块，还包括：

PID控制器，被配置为基于所述误差信号输出第二控制信号；

第一和第二可控电流源，被配置为接收所述第二控制信号并基于所述第二控制信号在所述输出节点上合作建立所述输出电压。

10.根据权利要求9所述的传感器接口模块，还包括：

估计器，耦接至所述反馈路径，其中，所述估计器被配置为基于所述反馈路径上的位的历史来确定用于所述PID控制器的系数。

11.根据权利要求10所述的传感器接口模块，其中，所述估计器包括：

移位寄存器，耦接至所述比较器，并被配置为及时存储来自所述比较器的连续的一位值；以及

查找表，被配置为基于所述移位寄存器中存储的一位值选择控制系数。

12.根据权利要求10所述的传感器接口模块，还包括：

多个辅助比较器，具有不同的各自的触发点，并被配置为基于所述反馈路径上的位的历史帮助设定所述PID控制器的系数。

13.根据权利要求10所述的传感器接口模块，其中，所述估计器包括逻辑单元，所述逻辑单元被配置为计算数学函数以确定PID系数。

14.根据权利要求10所述的传感器接口模块，其中，所述误差信号和反馈路径均是一位变量，并且其中，所述估计器被配置为基于在不同的时间在所述反馈路径上提供的多个一位来确定用于所述PID控制器的系数。

15.根据权利要求6所述的传感器接口模块，还包括：

解调单元，耦接至所述一对导线；其中，所述解调单元被配置为通过测量由所述多个传感器中的至少一个输出到所述一对导线上的电流来从至少一个传感器接收输入信号。

16.根据权利要求15所述的传感器接口模块，还包括：

PID控制器，被配置为基于所述误差信号输出第二控制信号；

其中，所述第二控制信号被用作被传送到所述多个传感器的电流的度量，并且还被用于从由所述PID控制器传送的数据流中提取从所述多个传感器接收的数据。

17.一种传感器接口模块，被配置为耦接在控制单元和一对导线之间，

其中，所述一对导线耦接至多个传感器，所述传感器接口模块包括：

电压电源，被配置为基于来自所述控制单元的控制信号提供目标电压；

比较器或粗模拟数字转换器（ADC），具有在长度上少于四位的输出，其中，所述比较器或粗模拟数字转换器的第一输入端从所述电压电源接收所述目标电压；

PID控制器，具有耦接至所述比较器的输出端的输入端；

第一和第二可控电流源，具有耦接至所述PID控制器的输出端的控制端子，其中，所述第一和第二可控电流源之间的节点经由反馈路径耦接至所述比较器或粗模拟数字转换器的第二输入端。

18.根据权利要求17所述的传感器接口模块，其中，所述节点被配置为基于所述目标电压向所述传感器提供电源电压，并基于由所述比较器或粗模拟数字转换器输出的误差信号调制所述电源电压。

19.根据权利要求17所述的传感器接口模块，还包括：

解调单元，耦接至所述一对导线；其中，所述解调单元被配置为通过测量由所述多个传感器中的至少一个输出到所述一对导线上的电流来从至少一个传感器接收输入信号。

20.根据权利要求17所述的传感器接口模块，还包括：

估计器，耦接至所述反馈路径，其中，所述估计器被配置为基于所述反馈路径上的位的历史来确定用于所述PID控制器的系数。

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