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Technisches Gebiet
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Die Erfindung betrifft eine Sensoranordnung, umfassend einen Sensortimer, der ausgebildet ist, anhand eines bereitgestellten Taktsignals ein Sensorzeit-Signal zu erzeugen und eine Rateneinrichtung, die anhand des Sensorzeit-Signals ein CountDown-Signal erzeugt.
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Die Erfindung betrifft weiter ein Verfahren zum Betreiben einer Sensoranordnung sowie eine Sensoranordnung, umfassend ein Sensor-Frontend.
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Stand der Technik
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Obwohl die vorliegende Erfindung allgemein auf beliebige Sensoranordnungen anwendbar ist, wird die vorliegende Erfindung in Bezug auf Inertialmesseinheiten erläutert.
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Inertialmesseinheiten, beispielsweise eine Kombination eines Beschleunigungssensors mit einem Gyroskop, haben vielfältige Anwendungen, beispielsweise in Smartphones, Wearables oder dergleichen. Hierbei wird dem entsprechenden Sensor eine Ausgabedatenrate - output-date rate ODR - vorgegeben, die begrenzt aus einer vorgegebenen Liste, beispielsweise 100 Hz, 200 Hz oder 400 Hz et cetera, ausgewählt werden kann.
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Um die Ausgabedatenrate frei wählen zu können, damit die Nachbearbeitung der vom Sensor bereitgestellten Daten und auch damit die Synchronisierung an Umgebungsanforderungen vereinfacht wird, ist es einerseits bekannt geworden, die Ausgabedatenrate höher als die für die jeweilige Anwendung erforderliche Ausgabedatenrate zu wählen und dann zu interpolieren. Dies kann sowohl mittels der Sensortreiber-Firmware oder auch durch den Sensor selbst, beispielsweise mittels eines in den Sensor integrierten Mikrocontrollers, erfolgen. Problematisch hierbei sind jedoch möglicherweise auftretende Interpolationsfehler, Latenz bei der Bereitstellung der Daten durch die (Nach-)Verarbeitung sowie zusätzlich erforderliche Speicher- und Rechenressourcen.
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Offenbarung der Erfindung
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In einer Ausführungsform stellt die vorliegende Erfindung eine Sensoranordnung bereit, umfassend
einen Sensortimer, der ausgebildet ist, anhand eines bereitgestellten Taktsignals ein Sensorzeit-Signal zu erzeugen,
eine Rateneinrichtung, die oberhalb eines ODR-Schwellwerts basierend auf einer vorgebbaren Ausgabedatenrate und anhand des Sensorzeit-Signals ein CountDown-Signal erzeugt,
einen CountDown-Timer, der ausgebildet ist, das CountDown-Signal unabhängig vom Sensorzeit-Signal für ein Sensor-Frontend bereitzustellen, wenn die vorgebbare Ausgabedatenrate unter dem ODR-Schwellwert liegt und
wobei das Sensor-Frontend, der CountDown-Timer und die Rateneinrichtung derart zusammenwirkend ausgebildet sind, sodass bei Ablauf des CountDown-Signals das Sensor-Frontend Daten einer Messung ausgibt.
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In einer weiteren Ausführungsform stellt die vorliegende Erfindung ein Verfahren zum Betreiben einer Sensoranordnung gemäß einem der Ansprüche 1-5 bereit, umfassend die Schritte:
- - Bereitstellen eines Sensorzeit-Signals mittels des Sensortimers anhand eines Taktsignals,
- - Bereitstellen einer Ausgabedatenrate,
- - Vergleichen der Ausgabedatenrate mit einem ODR-Schwellwert,
und wenn die Ausgabedatenrate unterhalb des ODR-Schwellwerts liegt:
- ◯ Bereitstellen eines CountDown-Signals für ein Sensor-Frontend mittels eines Count-Down-Timers unabhängig vom Sensorzeit-Signal,
und wenn die Ausgabedatenrate oberhalb des ODR-Schwellwerts liegt, - ◯ Bereitstellen eines CountDown-Signals mittels einer Rateneinrichtung, basierend auf der Ausgabedatenrate und anhand des Sensorzeit-Signals,
- - Bereitstellen von Daten einer Messung des Sensor-Frontends, derart, sodass bei Ablauf des CountDown-Signals das Sensor-Frontend Daten einer Messung ausgibt.
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In einer weiteren Ausführungsform stellt die vorliegende Erfindung eine Sensoranordnung bereit, umfassend ein Sensor-Frontend und einen CountDown-Timer, wobei das Sensor-Frontend überwiegend abgeschaltet ist und wobei der CountDown-Timer ausgebildet ist, ein CountDown-Signal für das Sensor-Frontend bereitzustellen und wobei das Sensor-Frontend zum Initiieren einer Ausgabe von Daten einer Messung ausschließlich mit dem CountDown-Timer verbunden ist und wobei Sensor-Frontend und CountDown-Timer so ausgebildet sind, dass das Sensor-Frontend so eingeschaltet wird, sodass eine Messung durchgeführt wird und bei Ablauf eines CountDown-Signals die Daten der durchgeführten Messung ausgegeben werden.
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Das CountDown-Signal wird dabei insbesondere kontinuierlich dem Sensor-Frontend bereitgestellt. Das Sensor-Frontend nutzt das CountDown-Signal um die internen Abläufe des Sensor-Frontends, wie beispielsweise Rohsignale aufzuzeichnen, Rohsignale zu filtern, Temperaturfehler zu kompensieren und dergleichen so zu timen also so zeitlich durchzuführen, dass die Daten der Messung, also der ausgegebene Sensorwert, exakt dann zeitlich fertig wird, wenn der Count-Down-Timer den Wert ‚0‘ erreicht, also das CountDown-Signal somit abgelaufen ist.
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Einer der damit erzielten Vorteile ist, dass damit zum einen, insbesondere, wenn sich die Sensoranordnung in einem Energiesparmodus befindet, die Ausgabedatenrate frei wählbar ist. Zum anderen ist ein Vorteil, dass keine Interpolation von Daten durchgeführt werden muss, sodass Sensordaten ohne zusätzliche Berechnungen und Speicherbedarf und mit äußerst geringer Latenz bereitgestellt werden können. Ein weiterer Vorteil ist, dass mittels des CountDown-Signals mehrere Sensoren absolut synchron betrieben werden können und dass das Alter der vom Sensor-Frontend bereitgestellten Signale minimal ist.
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Weitere Merkmale, Vorteile und weitere Ausführungsformen der Erfindung sind im Folgenden beschrieben oder werden dadurch offenbar.
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Gemäß einer weiteren Weiterbildung ist das Sensor-Frontend bei einer Ausgabedatenrate unterhalb des Schwellwerts zeitweise abgeschaltet und das Sensor-Frontend ist derart gesteuert eingeschaltet, sodass bei Ablauf des CountDown-Signals Daten der Messung ausgegeben werden. Mit anderen Worten wird das Sensor-Frontend nur dann zeitweise und gesteuert so eingeschaltet, dass bei entsprechendem Empfang und Ablauf des CountDown-Signals Daten einer Messung vom Sensor-Frontend bereitgestellt werden. Vorteil hierbei ist, dass Energie durch das abgeschaltete Sensor-Frontend eingespart werden kann, gleichzeitig jedoch Daten von Messungen entsprechend der gewünschten Ausgabedatenrate bereitgestellt werden.
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Gemäß einer weiteren Weiterbildung sind der Sensortimer und der CountDown-Timer in Form eines Timers und einer mittels des Timers über Sync-Signale gesteuerten DPLL-Schaltung realisiert. Vorteil hiervon ist eine einfache Einbettung in Sensoranordnungen mit digitaler Phasenregelschleife DPLL, digital phase locked loop, die von einem Timer Taktsignale erhält.
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Gemäß einer weiteren Weiterbildung weist das Sensor-Frontend eine Inertialmesseinheit, insbesondere umfassend einen Beschleunigungssensor, ein Gyrometer und/oder einen Temperatursensor, auf. Vorteil hiervon ist, dass eine Inertialmessvorrichtung mit frei wählbarer Ausgabedatenrate bereitgestellt werden kann.
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Gemäß einer weiteren Weiterbildung ist mittels einer Einstelleinrichtung die Ausgabedatenrate entsprechend einem Vielfachen des Taktsignals und/oder der Betreiberfrequenz der Inertialmesseinheit frei einstellbar. Einer der damit erzielten Vorteile ist, dass auf einfache Weise die Ausgabedatenrate auf Basis des Takt- oder Betreibersignals einstellbar ist.
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Gemäß einer weiteren Weiterbildung des Verfahrens zum Betreiben einer Sensoranordnung wird das Sensor-Frontend bei einer Ausgabedatenrate unterhalb des Schwellwerts zeitweise abgeschaltet und das Sensor-Frontend wird so gesteuert wieder eingeschaltet, sodass bei Ablauf des CountDown-Signals durch das Sensor-Frontend die Daten einer Messung ausgegeben werden. Vorteil hierbei ist, dass Energie eingespart werden kann, gleichzeitig jedoch Daten von Messungen entsprechend der gewünschten Ausgabedatenrate bereitgestellt werden. Dies verbessert unter anderem die Laufzeit von Smartphones, Wearables oder dergleichen mit einer entsprechenden Sensoranordnung.
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Weitere wichtige Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen, aus den Zeichnungen, und aus dazugehöriger Figurenbeschreibung anhand der Zeichnungen.
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Es versteht sich, dass die vorstehend genannten und die nachstehend noch zu erläuternden Merkmale nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar sind, ohne den Rahmen der vorliegenden Erfindung zu verlassen.
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Bevorzugte Ausführungen und Ausführungsformen der Erfindung sind in den Zeichnungen dargestellt und werden in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert, wobei sich gleiche Bezugszeichen auf gleiche oder ähnliche oder funktional gleiche Bauteile oder Elemente beziehen.
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Figurenliste
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Dabei zeigt in schematischer Form
- 1 eine bekannte Sensoranordnung;
- 2 eine Sensoranordnung gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
- 3 eine Sensoranordnung gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
- 4 eine Sensoranordnung gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung; und
- 5 Schritte eines Verfahrens zum Betreiben einer Sensoranordnung gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
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Ausführungsformen der Erfindung
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1 zeigt eine bekannte Sensoranordnung.
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Im Detail ist in
1 eine bekannte Sensoranordnung 1 gezeigt, umfassend einen Sensortimer 2, eine Rateneinrichtung 3 und ein Sensor-Frontend 5. Der Sensortimer 2 erhält ein Taktsignal 100 und erzeugt ein Sensorzeit-Signal 101, beispielsweise ein kontinuierliches CountUp-Signal. Dieses Signal 101 wird zusammen mit einer insbesondere von einem Benutzer der Sensoranordnung 1 vorgegebenen Ausgabedatenrate 20 mittels eines Signals 105 an die Rateneinrichtung 3 übermittelt. Die Rateneinrichtung 3 erzeugt aus dem Sensorzeit-Signal 101 und dem Signal 105, mit welchem die Ausgabedatenrate an die Rateneinrichtung 3 übermittelt wird, dann ein CountDown-Signal 104, beispielsweise in Form eines Sägezahn-Signals, welches an das Sensor-Frontend 5 übermittelt wird. Auf Basis des CountDown-Signals 104 werden alle Datenpfade und Sensor-Frontends 5 synchronisiert, das heißt entsprechende Ausgabesignale werden bereitgestellt, wenn das CountDown-Signal 104 abläuft, also den Wert 0 annimmt. Das Sensor-Frontend 5 erzeugt üblicherweise regelmäßig auf Basis einer festen Frequenz Rohsensordaten. Diese müssen anschließend gefiltert werden. Da auch die Möglichkeiten der Filterung beschränkt sind, ist ebenfalls die Wahlmöglichkeit der Ausgabedatenrate beschränkt. So kann diese beispielsweise lediglich aus der Liste: 3,2 kHz, 1,6 kHz, 800 Hz, 400 Hz, ..., 12,5 Hz ausgewählt werden. Wird eine größere Ausgabedatenrate benötigt, übersteigt die Anzahl der für eine Datenausgabe des Sensor-Frontends notwendigen Rohsensordaten die Anzahl der aufgenommenen Sensordaten. Der Sensortimer 2 kann dabei beispielsweise als einfacher Zähler implementiert sein, welcher mit einer vorgegebenen Frequenz hochzählt, wie dies in der
DE 10 2015 209 129 B3 gezeigt ist, welche hiermit durch Verweis in die vorliegende Anmeldung einbezogen ist.
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2 zeigt eine Sensoranordnung gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
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Im Detail ist im Wesentlichen eine Sensoranordnung 1 gemäß 1 gezeigt. Im Unterschied zur Sensoranordnung 1 gemäß 1 ist bei der Sensoranordnung 1 gemäß 2 ein CountDown-Timer 4 angeordnet, der beispielsweise im Energiesparmodus der Sensoranordnung 1 die Bereitstellung des CountDown-Signals 104 übernimmt. Hierzu wird der CountDown-Timer 4 mit einer beliebigen Zeit 21 durch einen Benutzer oder anderweitig automatisiert konfiguriert und diese beispielsweise in einem entsprechenden Register bereitgestellt. Beispielsweise kann als Zeit 21 40 Mikrosekunden vorgegeben werden, welche der Taktzeit eines Gyroskops entspricht oder auch auf 150 ns, welche beispielsweise der Sensoranordnung-internen Taktfrequenz beim Betrieb eines Sensor-Frontends mit einem Beschleunigungssensor entspricht. Diese Zeit 21 wird dem CountDown-Timer 4 bereitgestellt, der dann - wenn durch die Rateneinrichtung 3 kein CountDown-Signal 104 erzeugt wird - die Erzeugung und Bereitstellung des CountDown-Signals 104 für das Sensor-Frontend übernimmt. Dies ist insbesondere dann der Fall, wenn die bereitzustellende Ausgabedatenrate unter einen vorgegebenen Wert sinkt. Mit anderen Worten wird der Wert im Register zur Initiierung des CountDown-Timers 4 genutzt, der bis zu dem Wert 0 herunterzählt. Bei dem Wert 0 sind dann Daten einer Sensormessung bereitgestellt. Der CountDown-Timer 4 zählt dann erneut bis zu dem Wert 0 herunter, und so weiter.
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3 zeigt eine Sensoranordnung gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
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Im Detail ist in 3 eine Sensoranordnung 1 gezeigt, die im Wesentlichen der Sensoranordnung 1 gemäß 2 entspricht. Im Unterschied zur Sensoranordnung 1 gemäß 2 ist bei der Sensoranordnung 1 gemäß 3 nun der Sensortimer 2 in Form eines Timers 2a und einer mittels des Timers 2a über Sync-Signale gesteuerten DPLL-Schaltung 2b realisiert. Der Timer 2a erhält hierbei wieder ein Taktsignal 100 und übermittelt dieses als Signal 100b an die DPLL-Schaltung 2b. Darüber hinaus erzeugt der Timer 2a anhand einer vorgegebenen Zeit 22 ein Synchronisierungssignal 100a in Form eines Pulses sobald dieser auf die vorgegebene Zeit hochgezählt hat und übermittelt dieses ebenfalls an die DPLL-Schaltung 2b. Anschließend zählt dieser erneut bis zu der vorgegebenen Zeit 22 hoch. Auf dieses Synchronisierungssignal 100a kann dann die DPLL-Schaltung 2b einrasten. Hierbei stellt der Timer 2a Signale mit einer Auflösung entsprechend dem Systemtakt mit dem Taktsignal 100a bereit. Entsprechend dem von der DPLL-Schaltung 2b bereitgestellten Synchronisierungszählsignal 101' wird mittels einer Rateneinrichtung 3' und der ihr zur Verfügung gestellten Anzahl 20 von aufzunehmenden Daten pro Synchronisierungspuls - samples per sync, SPS - mittels des Signals 105' ein CountDown-Signal 104 bereitgestellt, welches dann dem Sensor-Frontend 5 übermittelt wird. Auf Basis des CountDown-Signals 104 werden alle Datenpfade und Sensor-Frontends 5 synchronisiert, das heißt entsprechende Ausgabesignale werden bereitgestellt, wenn das CountDown-Signal 104 abläuft.
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Ein möglicher Vorteil dieser Ausführungsform ist, dass ein sogenanntes „Upsampling“ ermöglicht wird, das heißt beispielsweise vier Rohsensordaten pro Synchronisierungspuls. Ein weiterer möglicher Vorteil ist, dass die Genauigkeit der Bereitstellung einer gewünschten Ausgabedatenrate durch die Regelschleife der DPLL-Schaltung 2b höher ist verglichen mit der Ausführungsform der 2.
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4 zeigt eine Sensoranordnung gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
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Im Detail zeigt 4 im Wesentlichen eine Sensoranordnung gemäß 2. Im Unterschied zur Sensoranordnung 1 gemäß 2 fehlen bei der Sensoranordnung 10 gemäß 4 die Komponenten 2 und 3, also der Timer 2 sowie die Rateneinrichtung 3. Mittels des CountDown-Timers 4 werden die CountDown-Signale 104 entsprechend einer frei wählbaren Ausgabedatenrate erzeugt und dem Sensor-Frontend 5 übermittelt. Auf Basis des CountDown-Signals 104 werden wieder alle Datenpfade und Sensor-Frontends 5 synchronisiert, das heißt entsprechende Ausgabesignale werden bereitgestellt, wenn das CountDown-Signal 104 abläuft.
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Vorteil einer derartigen Sensoranordnung 10 ist, dass diese äußerst günstig in der Herstellung ist und einen niedrigen Energieverbrauch aufweist bei gleichzeitig frei wählbarer Ausgabedatenrate.
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5 zeigt Schritte eines Verfahrens zum Betreiben einer Sensoranordnung gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
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Im Detail zeigt 5 Schritte eines Verfahrens zum Betreiben einer Sensoranordnung. Dieses umfasst die folgenden Schritte:
- - Bereitstellen S1 eines Sensorzeit-Signals mittels des Sensortimers anhand eines Taktsignals,
- - Bereitstellen S2 einer Ausgabedatenrate,
- - Vergleichen S3 der Ausgabedatenrate mit einem ODR-Schwellwert,
und wenn die Ausgabedatenrate unterhalb des ODR-Schwellwerts liegt:
- o Bereitstellen S3a eines CountDown-Signals für ein Sensor-Frontend mittels eines Count-Down-Timers unabhängig vom Sensorzeit-Signal,
und wenn die Ausgabedatenrate oberhalb des ODR-Schwellwerts liegt, - o Bereitstellen S3b eines CountDown-Signals mittels einer Rateneinrichtung, basierend auf der Ausgabedatenrate und anhand des Sensorzeit-Signals,
- - Bereitstellen S4 von Daten einer Messung des Sensor-Frontends, derart, sodass bei Ablauf des CountDown-Signals das Sensor-Frontend Daten einer Messung ausgibt.
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Zusammenfassend kann zumindest eine der Ausführungsformen der Erfindung zumindest einen der folgenden Vorteile und/oder zumindest eines der folgenden Merkmale bereitstellen:
- - Frei wählbare Ausgabedatenrate
- - Sensordaten mit äußerst geringer Latenz
- - Reduzierter Energieverbrauch
- - Reduzierte Herstellungskosten
- - Möglichkeit des Upsamplings
- - Hohe Genauigkeit der Ausgabedatenrate
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Obwohl die vorliegende Erfindung anhand bevorzugter Ausführungsbeispiele beschrieben wurde, ist sie nicht darauf beschränkt, sondern auf vielfältige Weise modifizierbar.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102015209129 B3 [0022]
