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Stand der Technik
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Die Erfindung geht aus von einer Auswerteeinheit für das Messsignal eines mikromechanischen Sensors mit den Merkmalen des Oberbegriffs des Anspruchs 1.
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Zur Erfassung von physikalischen Messgrößen, wie Druck, Temperatur, Beschleunigung, Drehrate, usw. werden, insbesondere in Kraftfahrzeugen, zunehmend mikromechanische Sensoren eingesetzt. Dem eigentlichen Messwertaufnehmer ist im Allgemeinen eine Auswerteeinheit nachgeschaltet, die dazu dient, ein die Messgröße repräsentierendes elektrisches Signal zu erzeugen, das zur Informationsübertragung, sowie zur Steuerung oder Regelung vorgebbarer Größen geeignet ist. In der nicht vorveröffentlichten Anmeldung
DE10308393A1 ist beschrieben, dass diese Auswerteeinheit einen Analog/Digital-Wandler (A/D-Wandler) enthält und die anschließende Informationsübertragung digital erfolgt.
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Eine einzige der o. g. Messgrößen wird oftmals zur Steuerung oder Regelung mehrerer vorgebbarer Größen benötigt. Wenn diese Größen unterschiedliche Anforderungen an das Messsignal hinsichtlich Empfindlichkeit und Messbereich haben, müssen zwei oder mehr Sensoren und/oder Auswerteeinheiten zur Messwertaufnahme und Übertragung eingesetzt werden.
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Die Druckschrift G. J. Proakis „Digital Communications”, McGraw-Hill Book Company, 1998, S. 88–93 offenbart nichtuniforme Quantisierer. Die Druckschrift
JP 09280885 A offenbart einen Sensor mit variablem Verstärker, dessen Verstärkungsfaktor geändert wird, wenn das Sensorsignal bestimmte Schwellenwerte überschreitet.
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Vorteile der Erfindung
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Die Erfindung geht aus von einer Auswerteeinheit für das Messsignal eines mikromechanischen Sensors mit einem eine Kennlinie repräsentierenden Eingangs-/Ausgangs-Verhalten. Sie beinhaltet Mittel zur analog-digitalen Wandlung des Messsignals und Übertragungsmittel zur Übertragung des gewandelten Messsignals oder eines von dem gewandelten Messsignal abhängigen Signals. Der Kern der Erfindung besteht darin, dass die Übertragungsmittel derart ausgestaltet sind, dass die Kennlinie wenigstens zwei Bereichen mit unterschiedlichem Anstieg aufweist.
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Die erfindungsgemäße Auswerteeinheit für das Messsignal eines mikromechanischen Sensors hat den Vorteil, dass nur ein einziger Sensor und/oder eine einzige Auswerteeinheit benötigt wird.
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Vorteilhaft ist, dass durch die unterschiedlichen Anstiege der Kennlinie unterschiedliche Auflösungen des Messsignals realisiert sind. Anwendungen mit unterschiedlichen Anforderungen an die Empfindlichkeit wird so ein entsprechend aufgelöstes Signal zur Verfügung gestellt.
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Bei einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass die Kennlinie wenigstens zwei lineare Bereiche mit unterschiedlichem Anstieg aufweist. Diese Ausgestaltung erfüllt insbesondere die Anforderungen von Anwendungen, bei denen eine lineare Kennlinie gefordert ist und sich die Wertebereiche der verschiedenen Anwendungen nicht überdecken.
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Bei einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass die Kennlinie mittels eines funktionalen Zusammenhangs, insbesondere eines durch Polynome beschreibbaren oder exponentiellen oder logarithmischen Zusammenhangs, dargestellt ist. Mit solchen Kennlinien können bereits in der Auswerteeinheit funktionale Zusammenhänge zwischen Messgröße und Regelgröße abgebildet werden. Der funktionale Zusammenhang kann insbesondere mittels einer Recheneinheit, z. B. eines Mikroprozessors, dargestellt werden.
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Bei einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass die Kennlinie durch eine, insbesondere frei wählbare, Übertragungsfunktion dargestellt ist. So kann z. B. während des Betriebes, in Abhängigkeit von der Anwendung die das Signal gerade verarbeitet, gesteuert über einen äußeren Eingang an der Auswerteeinheit eine entsprechende Kennlinie geladen oder ausgewählt werden. Weiterhin ist denkbar, dass bei Über- oder Unterschreiten eines bestimmten Messwertes gesteuert über einen äußeren Eingang an der Auswerteeinheit die Kennlinie derart geändert wird, dass eine Messbereichsumschaltung erfolgt.
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Bei einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass die Übertragungsfunktion in diskreten Werten in einem Speicher hinterlegt ist und mittels einer Vergleichseinrichtung anhand dieses Speichers der zum digitalisierten Messwert gehörige Ausgangswert bestimmt wird. Diese Ausgestaltung minimiert den Rechenaufwand, was die erfindungsgemäße Auswerteeinheit weiterhin kostengünstiger macht. Weiterhin ist es möglich bei gleichem mechanischen und elektronischen Aufbau Sensor und Auswerteeinheit mittels der im Speicher hinterlegten Kennlinie für völlig verschiedene Anwendungen wie z. B. Navigation oder Überroll-Erkennung anzupassen. Hier ist ebenfalls denkbar, dass der Speicher mehrere vordefinierte Kennlinien enthält, oder dass während des Betriebes über einen äußeren Eingang neue Kennlinien in den Speicher der Auswerteeinheit geschrieben werden können. Weiterhin ist es möglich, in der Auswerteeinheit mehrere Übertragungsmittel mit je einem eigenen Ausgang vorzusehen. An den Ausgängen werden dann unterschiedliche Kennlinien zur Verfügung gestellt, die zur Steuerung oder Regelung verschiedener vorgebbarer Größen geeignet sind.
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Eine weitere vorteilhafte Ausgestaltung besteht darin, dass am Ausgang ein digitales Signal, insbesondere mit seriellem Protokoll nach Standard des Serial Peripheral Interface (SPI), ausgegeben wird und/oder, dass am Ausgang nach einer digital-analog Wandlung ein analoges Signal ausgegeben wird. Dadurch ist es möglich, sowohl eine analoge Schnittstelle, als auch eine wohldefinierte digitale Schnittstelle, gemäß einem Industriestandard, zwischen der Auswerteeinheit und ihrer Umgebung vorzusehen. Dies reduziert wiederum die Kosten, insbesondere für Anpassungsarbeiten.
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Bei einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass der durch die Kennlinie dargestellte Wertebereich und die Auflösung der Kennlinie mittels einer geeigneten Wortbreite des digitalen Ausgangssignals und/oder mittels eines geeigneten Spannungsbereichs des analogen Ausgangssignals festgelegt wird. Diese Ausführung ist besonders vorteilhaft, wenn der physikalische Messbereich des mit der Auswerteeinheit verbundenen Sensors größer als der durch die Kennlinie darstellbare Wertebereich ist.
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Bei dem mikromechanischen Sensor, für dessen Messsignal die erfindungsgemäße Auswerteeinheit bestimmt ist, kann es sich insbesondere um einen Drehratensensor, einen Beschleunigungssensor, einen Öldrucksensor, Gassensor, Luftmassensensor oder Temperatursensor handeln.
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Besonders vorteilhaft ist die erfindungsgemäße Auswerteeinheit, wenn die Ausgangswerte aus den Bereichen unterschiedlicher Anstiege von wenigstens zwei verschiedenen Anwendungen in einem Kraftfahrzeug verarbeitet werden. So stellen insbesondere Überroll-Erkennung im Airbag Steuergerät und Überroll-Vermeidung in Verbindung mit dem Elektronischen Stabilitätsprogramm (ESP) zwei Anwendungen dar, die Bewegungen um dieselbe Drehachse eines Fahrzeugs, die Längsachse (Rollachse) verarbeiten. Die Überrollerkennung benötigt einen großen Messbereich bei geringer Auflösung für die Drehrate um einen plötzlichen Überschlag zu erkennen. Die Überroll-Vermeidung soll schon ein langsames seitliches Anheben des Fahrzeuges erkennen und benötigt deshalb eine mit hoher Auflösung und geringem Messbereich dargestellte Drehrate für die Regelfunktion. Weiterhin ist beispielsweise möglich die Erkennung von Kurvenfahrten für die Navigation mit der Erkennung von Schleuderbewegungen des Kraftfahrzeugs für das ESP zu verbinden, da es sich hier ebenfalls um zwei Bewegungen um dieselbe Drehachse, die Gierachse des Fahrzeugs handelt. Bei Richtungsänderungen im Rahmen der Navigation, wie z. B. Abbiegen ist nur ein kleiner Messbereich der Drehrate erforderlich. Zur fortlaufenden Bestimmung der Richtung in die das Fahrzeug führt, müssen jedoch auch sehr kleine Änderungen der Drehrate dargestellt werden. Gerät das Fahrzeug ins Schleudern, so müssen sehr große Drehraten bei geringer Auflösung dargestellt werden. Jeder dieser Anwendungen wird bisher durch einen eigenen Sensor und eine eigene Auswerteeinheit die gemeinsame Messgröße zur Verfügung gestellt. Hier lassen sich Sensoren und Auswerteeinheiten einsparen.
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Vorteilhaft ist die erfindungsgemäße Auswerteeinheit generell für alle Anwendungen, die zur Steuerung/Regelung vorgebbarer Größen wenigstens das Ausgangssignal benötigen, wobei die erste Anwendung kleine Werte mit großer Auflösung und die weitere Anwendung große Werte mit geringer Auflösung benötigt.
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Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen sind den Unteransprüchen zu entnehmen.
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Zeichnung
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Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in der Zeichnung dargestellt und in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert.
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In 1 sind in einem Diagramm Ausgangswerte über der Drehrate aufgetragen. Verschiedene Kennlinien sind dargestellt.
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In 2 sind in einem Diagramm Ausgangswerte über der Drehrate aufgetragen. Verschiedene Kennlinien sind bei verschiedenen Wertebereichen dargestellt.
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3 zeigt eine erfindungsgemäße Ausgestaltung der Auswerteeinheit für das Messsignal eines mikromechanischen Sensors mit Übertragungsfunktion.
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4 zeigt eine weitere erfindungsgemäße Ausgestaltung der Auswerteeinheit für das Messsignal eines mikromechanischen Sensors mit Übertragungsfunktion und Vergleichsglied.
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5 zeigt eine erfindungsgemäße Auswerteeinheit, sowie wenigstens zwei mit dem Ausgang verbundene Mittel zur Steuerung oder Regelung vorgebbarer Größen.
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Beschreibung von Ausführungsbeispielen
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Anhand der im folgenden beschriebenen Ausführungsformen soll die Erfindung detailliert dargestellt werden.
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In 1 sind in einem Diagramm beispielhaft für einen mikromechanischen Drehratensensor mit erfindungsgemäßer Auswerteeinheit Ausgangswerte in (a. u.) über der Drehrate in (°/s) aufgetragen.
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Kennlinie 11 zeigt einen Verlauf mit 2 linearen Bereichen. Am Koordinatenursprung beginnend ist ein erster sehr großer Bereich mit konstantem Anstieg dargestellt. Daran schließt sich bei sehr großen Drehraten ein zweiter kleiner Bereich mit dem Anstieg Null an. Eine Auswerteeinheit mit dieser generierten Kennlinie nutzt den physikalischen Messbereich des Sensors maximal aus. Sie ist damit für Anwendungen geeignet, die vorzugsweise Messwerte aus einem weiten Messbereich verarbeiten.
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Kennlinie 12 zeigt ebenfalls einen Verlauf mit 2 linearen Bereichen. Der erste Bereich weist im Vergleich zu dem aus Kennlinie 11 einen viel größeren Anstieg auf und endet bei wesentlich geringeren Drehraten. Dann schließt sich ein entsprechend längerer zweiter Bereich mit dem Anstieg Null an. Eine Auswerteeinheit mit der Kennlinie 12 nutzt die physikalische Auflösung des Sensors maximal aus. Bei gleichem Wertebereich des Ausgangswertes ist aber der Messbereich der Drehrate viel kleiner als im Fall der Kennlinie 11. Die Auswerteeinheit mit Kennlinie 12 ist damit für Anwendungen geeignet, die vorzugsweise hochaufgelöste Messwerte aus einem relativ kleinen Messbereich verarbeiten.
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In Kennlinie 13 sind die Merkmale der Kennlinien 11 und 12 kombiniert. An einen ersten Bereich mit relativ großem Anstieg und damit hoher Auflösung schließt sich ein zweiter Bereich mit relativ kleinem Anstieg, aber maximaler Ausnutzung des Messbereichs an. Eine Auswerteeinheit mit Kennlinie 13 ist daher sowohl für Anwendungen geeignet, die vorzugsweise hochaufgelöste Messwerte aus einem relativ kleinen Messbereich verarbeiten, als auch für Anwendungen, die vorzugsweise Messwerte aus einem weiten Messbereich verarbeiten.
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Kennlinie 14 zeigt die Merkmale von Kennlinie 13. Sie unterscheidet sich jedoch darin, dass der Anstieg sich stetig ändert. Im hier dargestellten Fall zeigt die Kennlinie den Verlauf einer Wurzelfunktion
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In 2 sind in einem Diagramm Sensorausgangswerte über der Drehrate in (°/s) aufgetragen. Die Kennlinien 21 und 22 entsprechen den Kennlinien 11 und 12 aus 1. Die Kennlinien 23 und 24 entsprechen den Kennlinien 13 und 14 aus 1, weisen jedoch generell gegenüber einen größeren Anstieg auf und besitzen damit eine größere Auflösung. Dies wird durch einen gegenüber den Kennlinien 21 und 22 größeren Wertebereich der Ausgangswerte ermöglicht.
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3 zeigt beispielhaft eine erfindungsgemäße Ausführung der Auswerteeinheit für das Messsignal eines mikromechanischen Drehratensensors. Die Erfassungseinheit 31, d. h. der eigentliche Sensor, ist mit dem Eingang der Auswerteeinheit verbunden und liefert ihr ein Rohsignal 311. Das Rohsignal 311, das technisch insbesondere einem Kapazitätssignal entspricht und das aufgrund des Sensoraufbaus der Drehrate des Sensors weitgehend proportional ist, wird zunächst mittels eines Kapazitäts/Spannungs-Wandlers (C/U-Wandler) 32 in das Spannungssignal 321 gewandelt. Das Spannungssignal 321 wird in einem A/D-Wandler 33 digitalisiert – wodurch ein digitalisiertes Spannungssignal 331 erzeugt wird – und anschließend in einem Demodulator 35 demoduliert. Hierzu wird dem Demodulator 35 durch eine Hochfrequenzeinheit 34 zusätzlich zu dem digitalisierten Spannungssignal 331 aus dem A/D-Wandler 33 ein entsprechendes Demodulationssignal 341 zugeführt. Der Demodulator 35 erzeugt dabei ein demoduliertes Signal 351, das mittels eines Tiefpassfilters gefiltert werden kann (hier nicht dargestellt) und einem Übertragungsglied 36 zugeführt wird. Das Übertragungsglied 36 realisiert eine Übertragungsfunktion und erzeugt das Ausgangssignal in Form eines Offsets am Ausgang 37. Ein solchermaßen vorliegendes Ausgangssignal 361 kann dann beispielsweise einer SPI-Schnittstelle 381 zur Verfügung gestellt werden. Weiterhin kann das Ausgangssignal 361 beispielsweise einem Digital/Analog-Wandler (D/A-Wandler) 382 zur Weiterverarbeitung zur Verfügung gestellt werden.
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4 zeigt eine weitere erfindungsgemäße Ausführung der Auswerteeinheit für das Messsignal eines mikromechanischen Sensors, bestehend aus Erfassungseinheit 41, C/U-Wandler 42, A/D-Wandler 43, Hochfrequenzeinheit 44 und Demodulator 45. Das Übertragungsglied besteht hier aus dem Vergleichsglied 461 und wenigstens einer, insbesondere mittels einer Tabelle, in einem Speicher 462 hinterlegten Übertragungsfunktion. Vom Demodulator wird das demodulierte Signal 451 dem Vergleichsglied 461 zur Verfügung gestellt. Das Vergleichsglied 461 bestimmt mittels der im Speicher 462 hinterlegten Werte der Übertragungsfunktion für jedes Signal 451 das zugehörige Ausgangssignal 464, welches am Ausgang 47 der Auswerteeinheit zur Verfügung gestellt wird. Der Speicher 462 weist wiederum einen Eingang 463 auf. Mittels dieses Eingangs kann der Inhalt des Speichers geändert werden und/oder aus mehreren hinterlegten Kennlinien eine geeignete Kennlinie ausgewählt werden. Das Ausgangssignal 464 kann der SPI-Schnittstelle 381 zur Verfügung gestellt und in ein serielles Ausgangssignal 491 umgewandelt werden. Daneben kann das Ausgangssignal 464 einem D/A-Wandler 482 zur Weiterverarbeitung zur Verfügung gestellt und in ein analoges Ausgangssignal 492 umgewandelt werden.
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5 zeigt eine erfindungsgemäße Auswerteeinheit mit einem Sensor am Eingang, sowie zwei mit dem Ausgang verbundene Mittel zur Steuerung oder Regelung vorgebbarer Größen. Dargestellt sind ein Drehratensensor 51 und die Auswerteeinheit 52.
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Das am Ausgang der Erfassungseinheit anliegende Signal 521 wird einem Mittel zur Überrollvermeidung 531, insbesondere einem ESP zur Verfügung gestellt. Das Mittel 531 verarbeitet das Signal 521 und gibt ein Regelsignal aus, das an ein Stellglied 541, insbesondere Bremsen, Lenkung, Antrieb, Fahrwerk weitergeleitet wird, um das Überrollen des Fahrzeugs zu vermeiden.
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Das am Ausgang der Erfassungseinheit anliegende Signal 521 wird weiterhin einem Mittel zur Überrollerkennung 541, insbesondere einem Airbagsteuergerät zur Verfügung gestellt. Das Mittel 541 verarbeitet das Signal 521 und gibt ein Steuersignal aus, das an ein Stellglied 541, insbesondere einen Airbag weitergeleitet wird, um im Fall des Überrollens des Fahrzeugs den Airbag zu einem geeigneten Zeitpunkt zu aktivieren.
