DE19858536A1 - Verfahren zur Signalauswertung - Google Patents
Verfahren zur SignalauswertungInfo
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Abstract
Es wird ein Verfahren zur Signalauswertung, z. B. bei Impulsrädern beschrieben, bei dem der Abstand zwischen vorgebbaren Signalflanken in einem eine CPU, Timer und Speicher umfassenden Mikrocontroller bestimmt wird, indem beim Auftreten von Signalflanken ein Interrupt ausgelöst wird, mit dem die anstehenden Timerwerte gespeichert werden. Aus der Differenz zwischen vorgebbaren Timerwerten werden Zeitabstände ermittelt, die umgekehrt proportional zur Geschwindigkeit bzw. zur Drehzahl sind. Damit Timer mit einer relativ geringen Bitzahl, beispielsweise mit 16 Bit verwendet werden können, werden auch die beim Überlauf der Timer erhaltenen Zahlenwerte erfaßt und bei der Bestimmung der Abstände berücksichtigt. Bei Verwendung von Trommelspeichern werden pro Trommelspeicherwert nur vier Bits benötigt, ein Verdachtsbit und drei Bits als Überlaufzähler.
Description
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Signalauswertung,
insbesondere zur Messung von Abständen zwischen vorgebbaren
Signalflanken bei der Auswertung von Drehzahlgebersigalen.
Es ist bekannt, daß bei der Auswertung von Drehzahlgebersi
gnalen Grenzen auftreten, unterhalb derer eine zuverlässige
Auswertung nicht mehr möglich ist.
Für verschiedene Anwendungen, beispielsweise bei Antibloc
kierregelsystemen (ABS), Antriebsschlupfregelungen (ASR)
und Fahrdynamikregelungen (FDR) werden Radgeschwindigkeiten
benötigt, die mit Hilfe von Drehzahlgebern ermittelt wer
den. Diese Drehzahlgeber umfassen Impulsräder, die eine
vorgebbare Anzahl von Zähnen, beispielsweise 48 aufweisen
und mit dem oder den Rädern bzw. den zugehörigen Achsen in
Verbindung stehen und mit diesen rotieren. Der Abstand von
Zahn zu Zahn solcher Impulsräder bezogen auf den Radumfang
beträgt üblicherweise etwa 4 cm. Bei der Abtastung der Im
pulsräder erzeugt ein Aufnehmer, beispielsweise ein induk
tiver Aufnehmer ein Ausgangssignal, das die Oberfläche des
betreffenden Impulsrades widerspiegelt. Nach einer Signal
aufbereitung entsteht ein rechteckförmiges Signal, das in
einer zugehörigen Auswerteeinrichtung verarbeitet wird. Üb
licherweise umfaßt die Auswerteeinrichtung einen Mikrocon
troler, in welchem jede Zahnflanke des Impulsrades bzw. je
de Signalflanke des Signales einen Interrupt auslöst. Durch
Ausmessung der Signalabstände werden im Mikrocontroler
Zeitabstände gebildet, die wiederum proportional zur Dreh
zahl des Rades sind.
Ein Verfahren zur Ermittlung von Raddrehzahlen, das nach
der vorstehend beschriebenen Methode arbeitet, ist bei
spielsweise aus der DE-OS 44 44 408 in Verbindung mit einem
Antiblockiersystem bekannt. Bei dem bekannten Verfahren
wird jedoch nicht angegeben, wie der untere Grenzwert der
Radgeschwindigkeit, die maximal noch auswertbar ist, ver
ringert werden kann. Üblicherweise werden Raddrehzahlen,
die kleiner sind als 2,75 km/h nicht mehr ausgewertet, da
dann die Abstände zwischen den Signalflanken so groß werden
(116.5 ms), daß sie mit einem üblichen 16 Bit Timer, der
nur einen Wertebereich von 0 bis 65535 umfaßt, nicht mehr
ausgewertet werden können. Diese Zusammenhänge gelten für
die üblicherweise eingesetzten Impulsräder mit 48 Zähnen
und einem Zahnabstand von 4 cm bezogen auf den Radumfang.
Das erfindungsgemäße Verfahren mit den Merkmalen des An
spruchs 1 hat demgegenüber den Vorteil, daß der untere
Grenzwert der Radgeschwindigkeit gegenüber herkömmlichen
Systemen deutlich verringert werden kann, so daß Signalaus
wertungen nahezu bis zum Stillstand durchgeführt werden
können. Zumindest ist es in Verbindung mit der Bestimmung
von Radgeschwindigkeiten möglich, die Geschwindigkeitsmes
sung bis zu 0,5 km/h zuverlässig durchzuführen.
Erzielt wird dieser Vorteil, indem ein Verfahren zur
Signalauswertung durchgeführt wird, mit dem der Abstand
zwischen vorgebbaren Signalflanken bestimmt wird, indem
beim Auftreten von Signalflanken Timerwerte gespeichert
werden und die Differenz zwischen vorgebbaren Timerwerten
gebildet wird. Das Verfahren läuft in einem Mikrocontroller
der wenigstens n-Bit Timer-und Speichermittel umfaßt. Dabei
werden die beim Überlauf der Timer erhaltenen Zahlenwerte
ebenfalls erfaßt und bei der Bestimmung der Abstände zwi
schen den Signalflanken mitberücksichtigt.
Das erfindungsgemäße Verfahren hat den wesentlichen Vor
teil, daß ein 16-Bit Timer eingesetzt werden kann und
trotzdem eine Grenzgeschwindigkeit erzielbar ist, für die
eigentlich ein 18-Bit Timer erforderlich wäre. Vorteilhaf
terweise werden die fehlenden 2 Bits durch einen Mehrauf
wand im Rechenablauf der Software des Mikrocontrollers er
halten. In vorteilhafter Weise wird nur ein geringer
RAM-Speicher-Bedarf benötigt. Durch den Einsatz von Trom
melspeichern werden vorteilhafterweise pro Trommelspeicher
nur 4 Bits benötigt, wobei ein Verdachtbit und 3 Bits als
Überlaufzähler erforderlich sind.
In weiterhin vorteilhafter Weise wird das erfindungsgemäße
Verfahren zur Signalauswertung im Zusammenhang mit der Er
mittlung von Raddrehzahlen bei Antiblockierregelsystemen,
bei Antriebsschlupfregelungen und/oder Fahrdynamikregelun
gen eingesetzt, wodurch auch in diesen Systemen eine Herab
setzung der auswertbaren Minimalgeschwindigkeit erhalten
wird. Dies gilt sowohl für die Radgeschwindigkeiten als
auch für die daraus ermittelte Fahrzeuggeschwindigkeit. Da
mit besteht die Möglichkeit, zukünftige Fahrzeuge, die mit
Längsregelsystemen, z. B. ACC (adaptive cruise control) aus
gerüstet sind, komfortabel bis in den Stand abzubremsen.
Das Verfahren läßt sich selbstverständlich auch bei anderen
Systemen einsetzen, es ist immer dann besonders vorteil
haft, wenn Signale ausgewertet werden sollen, bei denen der
Abstand zwischen einem auszuwertenden ersten und einem aus
zuwertenden zweiten Ereignis (z. B. Signalflanke) groß sein
kann und wenn die Kapazität (Bitzahl) der eingesetzten Ti
mer begrenzt werden soll.
Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in der Zeichnung
dargestellt und wird in der nachfolgenden Beschreibung nä
her erläutert. Im einzelnen zeigt Fig. 1 die zum Verständ
nis der Erfindung erforderlichen Hardwarekomponenten und
Fig. 2 ein Struktogramm der Timerwertdifferenzenüberwa
chung.
In Fig. 1 sind schematisch die wesentlichen Bestandteile
einer Einrichtung in der die erfindungsgemäßen Verfahren
zur Signalauswertung ablaufen können, dargestellt. Dabei
ist ein Aufnehmer, beispielsweise ein Induktivsensor mit
dem Bezugszeichen 10 versehen. Dieser Aufnehmer 10 ist
feststehend und tastet ein mit einer Welle 11a in Verbin
dung stehendes Impulsrad 11 ab, das an seiner Oberfläche
eine Anzahl von Winkelmarken 12 aufweist. Diese Winkelmarke
12, die auch als Zähne bezeichnet werden, sind beim Ausfüh
rungsbeispiel alle gleichartig und weisen voneinander die
selben Abstände auf. Wenn sich die Welle 11a und damit auch
das Impulsrad 11 mit der Drehzahl n dreht, entsteht im Auf
nehmer 10 ein Signal S1, das die Oberfläche des Impulsrades
11 widerspiegelt und insbesondere nach einer geeigneten
Aufbereitung als rechteckförmiges Signal vorlegt.
Das Signal S1 wird in einer Auswerteeinrichtung 13, bei
spielsweise einem Mikrocontroller ausgewertet, wobei aus
zeitlichen Abständen zwischen vorgebbaren Signalflanken
Zeitwerte gebildet werden, die proportional zur Drehzahl n
sind.
Der Mikrocontroller 13 umfaßt wenigstens eine zentrale Pro
zessoreinheit CPU 14 sowie Timer 15, beispielsweise 16-Bit-Ti
mer und Speicher 16, beispielsweise wenigstens einen
Trommelspeicher. Die Verknüpfung dieser Elemente im Mikro
controller 13 ist im einzelnen nicht dargestellt. Die er
forderlichen Rechenvorgänge laufen in der CPU 14 ab. Das
als Signal S2 bezeichnete Signal stellt die ermittelte
Drehzahl dar, die entweder vom Mikrocontroller selbst wei
terverarbeitet wird oder ggf. an weitere Auswerteeinrich
tungen oder Steuergeräte, die die Drehzahlwerte benötigen,
weitergeleitet wird.
Bei Fahrzeugen mit ABS, ASR und/oder FDR werden die Radge
schwindigkeiten und daraus auch die Fahrzeuggeschwindigkeit
üblicherweise mit einem solchen System wie es in Fig. 1
dargestellt ist, ermittelt. Die eingesetzten Impulsräder
besitzen üblicherweise 48 Winkelmarken bzw. Zähne. Der Ab
stand von Winkelmarke zu Winkelmarke bezogen auf den Radum
fang beträgt bei üblichen Systemen etwa 4 cm. Jede von ei
ner Winkelmarkenflanke des Impulsrades ausgelöste Signal
flanke löst im Mikrocontroler 13 einen Interrupt aus, mit
dem der im Timer 15 vorhandene zugehörige Timerwert in den
Speicher 16, z. B. einen Trommelspeicher eingetragen werden
kann. Die Größe des Trommelspeichers beträgt üblicherweise
6 Byte, damit können also drei Timerwerte gespeichert wer
den. Zur Ermittlung der ungefilterten Radgeschwindigkeit
wird üblicherweise die Differenz des letzten Timerwertes
und des drittletzten Timerwertes gebildet, es werden also
immer gleichsinnige Signalflanken ausgewertet. Die Drehzahl
ist umgekehrt proportional zum zeitlichen Abstand der Si
gnalflanken. Je größer die Differenz der Timerwerte ist,
desto kleiner ist also die Drehzahl und damit auch die Rad
geschwindigkeit.
Wird ein 16-Bit-Timer eingesetzt, kann ein Wertebereich von
0 bis 65535 ausgewertet werden, diese Zahlen lassen sich
mit einem solchen 16-Bit-Timer darstellen. Die maximal mög
liche Meßdauer beträgt damit 116,5 Millisekunden (abhängig
von benutzter Frequenz), es können also noch Signale ausge
wertet werden, bei denen der Abstand zwischen zwei auszu
wertenden Flanken 116,5 Millisekunden beträgt. Bei den der
zeitigen ABS, ARS und Fahrdynamikregelungssystemen wird die
Geschwindigkeitsaufbereitung abgebrochen, wenn die Diffe
renz zwischen auszuwertenden Signalflanken in den Bereich
von 65535 kommt. Damit ist mit den üblicherweise vorhande
nen Impulsrädern eine untere Grenzgeschwindigkeit von 2,75
km/h festgelegt. Damit diese Grenzgeschwindigkeit verrin
gert werden kann, müßten 18-Bit-Timer eingesetzt werden,
dies würde zu einem Hardwaremehraufwand führen, der mit der
vorliegenden Erfindung vermieden werden soll.
Der Grundgedanke der Erfindung besteht darin, die zusätz
lich benötigten zwei Bits durch einen Mehraufwand in der
Software zu realisieren. Dazu wird ein erfindungsgemäßes
Verfahren zur Signalauswertung durchgeführt. Sofern die Er
mittlung der Geschwindigkeit aus der Differenz des letzten
Timerwertes und des drittletzten Timerwertes ermittelt wer
den soll, ist es erforderlich, daß alle drei Überläufe der
Timerwertdifferenzen exakt erfaßt werden und bei der Be
stimmung der Radgeschwindigkeiten berücksichtigt werden. Es
ist dann möglich, die Radgeschwindigkeit bis zu 0,5 Km/h zu
messen, ohne daß der 16-Bit-Timer durch einen 18-Bit-Timer
ersetzt werden muß. Es ist ausserdem ein sehr geringer
RAM-Speicher Bedarf erforderlich. Pro Trommelspeicherwert wer
den nur vier Bits benötigt, nämlich ein Verdachtsbit und
drei Bits als Überlaufzähler. Aufgrund der Zykluszeit von
zwei Millisekunden könnte der Überlauf "verpaßt" werden, da
der alte Zählerwert nicht zwischengespeichert werden soll,
deshalb ist ein Verdachtsbit erforderlich. Ein mögliches
Auswerteverfahren ist in Fig. 2 als Struktogramm der Timer
wertdifferenzenüberwachung dargestellt.
Die Bedeutung der einzelnen Timerwerte ist wie folgt:
T1 = Timerwert der drittletzten Flanke
T2 = Timerwert der zweitletzten Flanke
T3 = Timerwert der letzten Flanke.
T1 = Timerwert der drittletzten Flanke
T2 = Timerwert der zweitletzten Flanke
T3 = Timerwert der letzten Flanke.
Im Schritt SCH1 erfolgt eine Überprüfung, ob eine Signal
flanke erfaßt wird. Ist dies der Fall, wird im Schritt SCH2
die Datenkonsistenz sichergestellt. Es werden dabei alle
Überläufe umgespeichert und es erfolgt ein Umspeichern al
ler Überlaufverdachtsbits.
Wird im Schritt SCH1 erkannt, daß keine Flanke erfaßt wur
de, werden im Schritt SCH3 die Überläufe für die Timerwerte
T2 und T3 gesetzt. Es wird weiterhin ein Verdacht auf Über
lauf geprüft und es wird überprüft, ob sich dieser Verdacht
bestätigt hat. Trifft dies zu, wird der Überlaufzähler er
höht und die noch vorhandenen Verdachtsbits werden ge
löscht.
Im Schritt SCH4 werden die Überläufe für die Timerwerte T1
und T2 gesetzt. Weiterhin wird der Verdacht auf Überlauf
geprüft und falls er sich bestätigt wird der Überlaufzähler
erhöht und die Verdachtsbits werden gelöscht.
An die Schritte SCH3 und SCH4 schließt sich der Schritt
SCH5 an, indem eine Prädiktion, also eine Vorhersage der
Überläufe für die Timerwerte T2 und T3 erfolgt. Dabei wird
überprüft, ob in den nächsten zwei Millisekunden Überläufe
der Timerwertdifferenzen zu erwarten sind. Ist dies der
Fall, werden Verdachtsbits gesetzt, ist dies nicht der
Fall, werden Verdachtsbits gelöscht.
Prinzipiell ist der Vorschlag unabhängig von der beispiel
haft gegebenen Begrenzung des Timers auf 16 Bit. Durch die
beschriebene Methode können alle begrenzten Timer erweitert
werden. Dies trifft auch entsprechend auf die Anzahl der
Überlaufbits zu. Je nach gewünschter Auflösung können mehr
oder weniger Überlaufbits benutzt werden.
Alle beispielhaft genannten Zahlen:
- - 16 Bit Timer
- - 3 Bit Überlaufzähler für einen entsprechenden 18 Bit Timer
- - Zählwert 65 535 entspricht 116,5 ms
hängen von von einer speziellen Implementierung ab.
Claims (8)
1. Verfahren zur Signalauswertung mit einem Mikrocontrol
ler, der das Signal verarbeitet und wenigstens n-Bit-Ti
mer, insbesondere 16-Bit-Timer und Speichermittel um
faßt und die Abstände zwischen vorgebbaren Signalflanken
bestimmt werden, indem beim Auftreten der vorgebbaren
Signalflanken Timerwerte gespeichert werden und die Dif
ferenzen zwischen vorgebbaren Timerwerten gebildet wer
den, dadurch gekennzeichnet, daß die Überläufe der Ti
merwertdifferenzen exakt erfaßt werden und die erhalte
nen Zahlenwerte bei der Bestimmung der Abstände mitbe
rücksichtigt werden.
2. Verfahren zur Signalauswertung nach Anspruch 1, dadurch
gekennzeichnet, daß die Signalauswertung jeweils für
gleichartige Signalflanken erfolgt, wobei die Differenz
des letzten Timerwertes und des drittletzten Timerwertes
gebildet wird und diese Differenz in eine Geschwindig
keit umgerechnet wird.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeich
net, daß bei jedem durch eine Signalflanke ausgelösten
Interrupt im Mikrocontroler der zugehörige Timerwert in
einen Trommelspeicher eingetragen wird, wobei die Größe
des Trommelspeichers wenigstens 6 Byte beträgt, so daß
er drei Timerwerte speichern kann.
4. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, da
durch gekennzeichnet, daß alle drei Überläufe der Timer
wertdifferenzen exakt erfaßt werden und die so erfaßten
Überläufe bei der Bestimmung der Geschwindigkeiten be
rücksichtigt werden.
5. Verfahren zur Signalauswertung nach einem der vorherge
henden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß bei einem
erwarteten Überlauf der Timerwerte ein Verdachtsbit ge
setzt wird, daß bei erkanntem Überlauf dieses wieder ge
löscht wird und der betreffendes Überlaufzähler erhöht
wird, wobei die Verarbeitung so erfolgt, daß pro Trom
melspeicherwert nur vier Bits benötigt werden, nämlich
ein Verdachtsbit und drei Bits als Überlaufzähler.
6. Verfahren zur Signalauswertung nach einem der vorherge
henden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß zur Timer
wertdifferenzenüberwachung in einem Schritt (SCH1) ge
prüft wird, ob eine Signalflanke erfaßt wurde, daß in
einem Schritt (SCH2) die Datenkonsistenz sichergestellt
wird, falls im Schritt (SCH1) erkannt wird, daß eine
Flanke erfaßt wurde, daß dann in einem Schritt (SCH4)
die Überläufe für die Timerwerte der drittletzten Flanke
(T1) und der zweitletzten Flanke (T2) gesetzt werden,
daß in einem Schritt (SCH3) sofern im Schritt (SCH1)
keine Flanke erfaßt wurde, die Überläufe der Timerwerte
der zweitletzten (T2) und der letzten Flanke (T3) ge
setzt werden und daß in einem Schritt (SCH5) eine Vor
hersage der Überläufe für die Timerwerte der zweitletz
ten Flanke (T2) und den Timerwert der letzten Flanke
(T3) erfolgt.
7. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß
im Schritt (SCH2) zur Sicherung der Datenkonsistenz ein
Umspeichern aller Überläufe und ein Umspeichern aller
Überlaufverdachtsbits erfolgt.
8. Verfahren nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeich
net, daß in den Schritten (SCH3) und (SCH4) jeweils der
Verdacht auf Überlauf geprüft wird und zutreffendenfalls
der Überlaufzähler erhöht wird und die Verdachtsbits ge
löscht werden.
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