WO2001006215A1 - Device for the analog or digital processing of signals - Google Patents

Abstract

The invention relates to a device for evaluating the output signals of a sensor, for example of an air flow sensor in a motor vehicle, which device is optionally suitable for the analog or digital processing of signals. The change between analog and digital signal processing is carried out by means or trigger signals that are supplied from outside. The device is especially useful for detecting the amount of air taken in by an internal combustion engine. A hot-film air flowmeter is used as the sensor element and the trigger signal for the change is supplied by the control element of the internal combustion engine.

Description

Vorrichtung zur analogen oder digitalen SignalverarbeitungDevice for analog or digital signal processing

Stand der TechnikState of the art

Die Erfindung geht aus von einer Vorrichtung zur analogen oder digitalen Signalverarbeitung nach der Gattung desThe invention relates to a device for analog or digital signal processing according to the genus

Hauptanspruchs und betrifft insbesonders die Auswertung von Signalen von Luftmassenmesser bei Brennkraftmaschinen.Main claim and relates in particular to the evaluation of signals from air mass meters in internal combustion engines.

Sensoren, deren Ausgangssignale für verschiedenartige Aus- ertesysteme zur Verfügung gestellt werden, müssen üblicherweise an die nachfolgende Auswerteeinheit angepaßt werden. Derzeit erhältliche Luftmassenmesser, beispielsweise Heiß- filmluftmassenmesser werden zukünftig möglicherweise sowohl mit analoger (optional) als auch mit digitaler Auswerteelek- tronik ausgestattet. Dadurch lassen sich Vereinfachungen bei der Kennlinie und dem Temperaturgang erreichen. Damit ein Luftmassenmesser mit digitaler Auswerteelektronik kompatibel zu bisherigen Luftmassenmessern mit analogem Konzepten bleibt, muß eine zumindest teilweise analoge Signalverarbei- tung erhalten bleiben.Sensors whose output signals are made available for various types of evaluation systems usually have to be adapted to the subsequent evaluation unit. Air mass meters currently available, for example hot film air mass meters, may in future be equipped with both analog (optional) and digital evaluation electronics. This makes it possible to simplify the characteristic curve and the temperature response. In order for an air mass meter with digital evaluation electronics to remain compatible with previous air mass meters with analog concepts, at least partially analog signal processing must be retained.

Bei bekannten Auswerteschaltungen bzw. Auswerteelektroniken für Luftmassenmesser wird die Problematik der Ana- log/Digitalen-Meßwertverarbeitung bereits angesprochen. So wird beispielsweise in der DE-OS 44 08 243 eine Meßwertver- arbeitung bei einem Luftmassenmesser beschrieben, bei der eine analoge Signalverarbeitung in einer dem Sensor zugeordneten Auswerteschaltung durchgeführt wird. Das Ausgangs- signal dieser analogen Signalverarbeitung wird dann dem Steuergerät der Brennkraftmaschine zugeführt und von diesem nach einer Analog/Digital -Wandlung digital weiterverarbeitet. Bei der bekannten Meßwertverarbeitung arbeitet die zum Sensor gehörende Signalauswerteschaltung noch rein analog und die Digitalisierung der Meßwerte sowie die digitale Wei- terverarbeitung erfolgt erst im Steuergerät.In the case of known evaluation circuits or evaluation electronics for air mass meters, the problem of analog / digital measurement value processing has already been addressed. For example, in DE-OS 44 08 243 a measured value Work described in an air mass meter, in which an analog signal processing is carried out in an evaluation circuit associated with the sensor. The output signal of this analog signal processing is then fed to the control unit of the internal combustion engine and is further processed digitally by the latter after an analog / digital conversion. In the known measurement value processing, the signal evaluation circuit belonging to the sensor still operates purely analog, and the digitization of the measurement values and the digital further processing take place only in the control unit.

Aufgabe der ErfindungObject of the invention

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, bei Digitalbe- trieb, also bei einer digitalen Signalauswertung im Sensor selbst die die zu messende Größe , beispielsweise die Luftmasse aus dem Sensorsignal zu ermitteln. Dazu wird eine Zeitbasis benötigt, mit der das vom Sensorelement gelieferte analoge Signal abgetastet wird. Eine Möglichkeit, eine sol- ehe Signalabtastung zu realisieren und eine Möglichkeit, wie die Umschaltung von Digital- auf Analog-Betrieb erfolgen kann, soll mit der vorliegenden Erfindung aufgezeigt werden.The object of the invention is to determine the quantity to be measured, for example the air mass, from the sensor signal in digital operation, that is to say in the case of a digital signal evaluation in the sensor. This requires a time base with which the analog signal supplied by the sensor element is sampled. The present invention is intended to show one possibility of realizing such a signal sampling and one way of switching from digital to analog operation.

Vorteile der ErfindungAdvantages of the invention

Die erfindungsgemäße Vorrichtung mit den Merkmalen des Anspruchs 1 hat den Vorteil, daß eine besonders hohe Genauigkeit bei der Meßwertverarbeitung erhalten wird, wobei diese in vorteilhafter Weise analog oder digital erfolgen kann. Weiterhin wird eine Entlastung der nachfolgenden Steuereinrichtung, beispielsweise des Steuergeräts der Brennkraftmaschine ermöglicht, da die Signalverarbeitung und Aufbereitung bereits weitgehend im Sensor realisiert wird. Weitere Vorteile der Erfindung werden durch die in den Unteransprüchen angegebenen Maßnahmen erzielt . Dabei ist von Vorteil, daß ein Triggersignal gebildet wird, daß als Zeitbasis für die Signalabtastung dient und gleichzeitig zur Umschaltung zwischen Digital- und Analog-Betrieb des Sensor verwendet werden kann. Weiterhin kann das Triggersignal in vorteilhafter Weise so über die Spannungsversorgung zugeführt werden, daß eine Kabelverbindung zwischen dem Steuergerät und dem Sensor eingespart werden kann.The device according to the invention with the features of claim 1 has the advantage that particularly high accuracy is obtained in the processing of the measured values, which can advantageously be carried out analog or digital. Furthermore, the subsequent control device, for example the control unit of the internal combustion engine, is relieved of load, since the signal processing and processing is already largely implemented in the sensor. Further advantages of the invention are achieved by the measures specified in the subclaims. It is advantageous that a trigger signal is formed that serves as a time base for the signal sampling and at the same time can be used to switch between digital and analog operation of the sensor. Furthermore, the trigger signal can advantageously be supplied via the voltage supply in such a way that a cable connection between the control device and the sensor can be saved.

Zeichnungdrawing

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in der Zeichnung dargestellt und wird in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert . Im einzelnen zeigt Figur 1 eine erfindungsgemäße Schaltungsanordnung mit verschiedenen Triggersignalen und Figur 2 zeigt den Signalfluß am Beispiel eines Heißfilmluft- massenmessers mit einer Triggerung der Luftmasseninformation durch ein vom Steuergerät geliefertes Signal.An embodiment of the invention is shown in the drawing and is explained in more detail in the following description. 1 shows a circuit arrangement according to the invention with different trigger signals and FIG. 2 shows the signal flow using the example of a hot film air mass meter with a triggering of the air mass information by a signal supplied by the control device.

Beschreibungdescription

In Figur 1 ist ein Ausführungsbeispiel für eine Schaltung für die Übertragung eines Triggersignals vom Steuergerät 10 zum Sensor 11, beispielsweise einem Heißfilmluftmassenmesser dargestellt. Vom Steuergerät 10 ist lediglich der Verstärker 12, an dessen Ausgang das Referenzsignal Uref entsteht, dargestellt. Zu diesem Verstärker gehört ein Rückkoppelwider- stand 13. Dem invertierenden Eingang des Verstärkers 12 wird über den Transistor 14 das Signal tseg zugeführt, das im Steuergerät ohnehin vorliegt. Das Signal tseg, das üblicherweise auch als tn-Signal bezeichnet wird, weist einen Impuls pro Segment auf. Als Segment wird bei einer Brennkraftma- schine ein Winkelbereich bezeichnet, der sich über zwei Kur- beiwellenumdrehungen geteilt durch die Anzahl der Zylinder der Brennkraftmaschine erstreckt.FIG. 1 shows an exemplary embodiment of a circuit for the transmission of a trigger signal from the control device 10 to the sensor 11, for example a hot film air mass meter. From the control unit 10, only the amplifier 12, at the output of which the reference signal Uref is generated, is shown. A feedback resistor 13 belongs to this amplifier. The inverting input of the amplifier 12 is supplied via the transistor 14 with the signal tseg, which is present in the control unit anyway. The signal tseg, which is usually also referred to as a tn signal, has one pulse per segment. In the case of an internal combustion engine, a segment is an angular range that extends over two course at shaft revolutions divided by the number of cylinders of the internal combustion engine.

Am nichtinvertierenden Eingang des Verstärkers 12 liegt die Referenzspannung Uref. Durch diese Beschaltung im Steuergerät entsteht am Ausgang des Verstärkers 12 das Signal UrefS, das in der Figur 1 links unten dargestellt ist. Dieses Signal UrefS wird über die Schnittstelle 16 und den Widerstand 17 dem Sensor 11 zugeführt.The reference voltage Uref is at the non-inverting input of the amplifier 12. This wiring in the control unit produces the signal UrefS at the output of the amplifier 12, which is shown at the bottom left in FIG. This signal UrefS is fed to the sensor 11 via the interface 16 and the resistor 17.

Der Sensor 11 umfaßt ein Sample and Hold-Glied, das die zugeführte Referenzspannung UrefS filtert . Das Sample and Hold-Glied umfaßt einen Verstärker 18, dessem nichtinvertie- rendem Eingang die Spannung UrefS zugeführt wird. Der Aus- gang des Verstärkers 18 führt auf die Schaltstrecke eines Transistors 19, die in Serie mit einem Widerstand 20 zum nichtinvertierenden Eingang eines Verstärkers 21 führt. Zwischen dem nichtinvertierenden Eingang des Verstärkers 21 und Masse liegt ein Kondensator 22. Der Ausgang des Verstärkers 21 ist mit dem nicht invertierenden Eingang der Verstärker 18 und 21 verbunden.The sensor 11 comprises a sample and hold element which filters the supplied reference voltage UrefS. The sample and hold element comprises an amplifier 18, the voltage UrefS of which is supplied to its non-inverting input. The output of the amplifier 18 leads to the switching path of a transistor 19, which leads in series with a resistor 20 to the non-inverting input of an amplifier 21. A capacitor 22 is located between the non-inverting input of amplifier 21 and ground. The output of amplifier 21 is connected to the non-inverting input of amplifiers 18 and 21.

Ein weiterer Verstärker 23 erhält am nichtinvertierenden Eingang das Referenzsignal UrefS. Der invertierende Eingang des Verstärkers 23 ist über die Diode 24 dem nicht invertierenden Eingang der Verstärker 18 und 21 verbunden, über den Widerstand 25 wird die Batteriespannung Ubat zugeführt.Another amplifier 23 receives the reference signal UrefS at the non-inverting input. The inverting input of amplifier 23 is connected via diode 24 to the non-inverting input of amplifiers 18 and 21, and battery voltage Ubat is supplied via resistor 25.

Am Ausgang des Verstärkers 23 entsteht das Segmentsignal Seg, das in Figur 1 Mitte dargestellt ist. Dieses Segmentsignal wirkt über den Widerstand 26 auf die Basis des Transistors 19, wodurch der Transistor 19 in der gewünschten Weise angesteuert wird. Die gefilterte Referenzspannung Urefg entsteht am Ausgang des Verstärkers 21, sie ist in der Figur 1 unten rechts dargestellt. In Figur 2 ist ein Blockschaltbild für den Signalfluß bei einem Heißfilmluftmassenmesser dargestellt, mit einer Triggerung der Luftmasseninformation durch das Steuergerätesignal UrefS. Der Sensor selbst ist wie in Figur 1 mit 11 bezeichnet, er umfaßt ein Sensorelement 27, das der im Saugrohr der Brennkraftmaschine strömenden Luft ausgesetzt wird. Neben dem Sensorelement 27 wird noch ein Temperaturfühler 28 der Luft ausgesetzt und mißt ihre Temperatur.The segment signal Seg, which is shown in the middle of FIG. 1, is produced at the output of the amplifier 23. This segment signal acts through the resistor 26 on the base of the transistor 19, whereby the transistor 19 is driven in the desired manner. The filtered reference voltage Urefg arises at the output of the amplifier 21; it is shown at the bottom right in FIG. FIG. 2 shows a block diagram for the signal flow in a hot film air mass meter, with a triggering of the air mass information by the control unit signal UrefS. The sensor itself is designated as 11 in FIG. 1 and comprises a sensor element 27 which is exposed to the air flowing in the intake manifold of the internal combustion engine. In addition to the sensor element 27, a temperature sensor 28 is also exposed to the air and measures its temperature.

Das Ausgangssignal des Sensorelements UA wird dem Umschaltung 29 zugeführt, mit der die Umschaltung zwischen einer analogen und einer digitalen Signalauswertung erfolgt . Bei einer digitalen Signalauswertung leitet die Umschaltung 29 das Ausgangssignal des Sensorelements 27 auf einen Analog/Digital -Wandler 30. Wird dagegen eine analoge Signalverarbeitung gewünscht, leitet der Umschalter 29 die Ausgangs- Spannung des Sensorelements 27 auf einen analogen Signalauswertungsblock 31, der hier nicht näher beschrieben werden soll. Der analoge Signalauswertungsblock 30 liefert ein analoges Ausgangssignal Ua, das dem Steuergerät 31 zur Verfügung gestellt wird. Erfindungsgemäß kann die analoge Signal - auswertung auch entfallen, die im folgenden beschriebene digitale Auswertung soll dann das selbe analoge Ausgangssignal Ua an das Steuergerät 31 liefern.The output signal of the sensor element UA is fed to the switchover 29, with which the switchover between an analog and a digital signal evaluation takes place. In the case of a digital signal evaluation, the changeover 29 routes the output signal of the sensor element 27 to an analog / digital converter 30. If, on the other hand, analog signal processing is desired, the changeover switch 29 routes the output voltage of the sensor element 27 to an analog signal evaluation block 31, which is not described here in greater detail should be described. The analog signal evaluation block 30 supplies an analog output signal Ua, which is made available to the control unit 31. According to the invention, the analog signal evaluation can also be omitted; the digital evaluation described below should then deliver the same analog output signal Ua to the control unit 31.

Erfindungsgemäß soll bei der digitalen Signalauswertung ein Ausgangssignal, z.B. eine analoge AusgangsSpannung Ua entstehen, die dem Steuergerät 31 für die weitere Auswertung zur Verfügung gestellt wird. Zur Erzeugung dieser z.B. analogen AusgangsSpannung wird das im A/D-Wandler 30 gewandelte Digitalsignal dem Block 32 zugeführt, in welchem eine Summa- tion der Luftmasse pro Segment erfolgt. Die Berechnung der Luftmasse pro Segment erfolgt durch Division der aufsummier- ten Luftmasse durch die Zahl der Meßwerte pro Segment. Die Division erfolgt im Block 33, der Zähler 34 zählt die Anzahl der Meßwerte . Die pro Segment berechnete Luftmasse wird im Digital/Analog-Wandler 35 in die gewünschte Analog-Spannung Ua gewandelt. Die Umschaltung 29 sowie die Triggerung des A/D-gewandelten Signales und die Ansteuerung des Zählers 34 erfolgt mit Hilfe eines Impulsdetektors 36, dem die Segmentinformation tn bzw. die daraus erzeugte Referenzspannung Uref zugeführt wird. Die SegmentInformation tn wird vom Steuergerät 31 geliefert.According to the invention, an output signal, for example an analog output voltage Ua, is to be produced in the digital signal evaluation and is made available to the control unit 31 for further evaluation. To generate this, for example, analog output voltage, the digital signal converted in the A / D converter 30 is fed to the block 32, in which the air mass per segment is summed. The air mass per segment is calculated by dividing the total air mass by the number of measured values per segment. The Division takes place in block 33, counter 34 counts the number of measured values. The air mass calculated per segment is converted into the desired analog voltage Ua in the digital / analog converter 35. The switchover 29 as well as the triggering of the A / D-converted signal and the activation of the counter 34 takes place with the aid of a pulse detector 36, to which the segment information tn or the reference voltage Uref generated therefrom is supplied. The segment information tn is supplied by the control unit 31.

Neben den bereits erwähnten Verbindungen zwischen dem Steuergerät 31 und dem Sensor 11 sind in Figur 2 noch eine Masseverbindung M und ein Anschluß TF dargestellt, über den das Steuergerät 31 die Temperatur Tf des Temperaturfühlers 28 einstellt. Die Pfeilrichtungen geben jeweils die Richtung der Signalflüsse an.In addition to the connections between the control unit 31 and the sensor 11 already mentioned, a ground connection M and a connection TF are also shown in FIG. 2, via which the control unit 31 sets the temperature Tf of the temperature sensor 28. The arrow directions indicate the direction of the signal flows.

Mit der Steuergerät abgegebenen Segmentinformation tn bzw. Uref läßt sich ein Signalfluß beim HFM-Sensor mit einer Triggerung der Luftmasseninformation durch das Steuergerät erzielen, bei dem eine einheitliche analoge AusgangsSpannung Ua erhalten wird, unabhängig davon, ob die Auswertung analog oder digital erfolgt . Damit bei Digitalbetrieb die Luftmasse aus dem Sensorsignal ermittelt werden kann, wird eine Zeit- basis benötigt, mit der das Sensorsignal abgetastet wird.With the control unit, the segment information tn or Uref can be used to achieve a signal flow in the HFM sensor with a triggering of the air mass information by the control unit, in which a uniform analog output voltage Ua is obtained, regardless of whether the evaluation is carried out analog or digital. So that the air mass can be determined from the sensor signal in digital operation, a time base is required with which the sensor signal is sampled.

Üblich ist beispielsweise eine Abtastung pro ms. Die so abgetasteten Luftmassen werden solange aufsummiert, bis ein Segment beendet ist. Ein Segment entspricht bei einem Vierzylindermotor 180 Grad Kurbelwellenwinkel (kw) . Die Luftma- sse ergibt sich dann aus der Summe aller abgetasteten Werte geteilt durch die Anzahl der Abtastpunkte. Der so ermittelte Wert für die Luftmasse wird analog als Spannung Ua abgegeben. Für die Triggerung und die Umschaltung von Digital -auf Analog-Betrieb ergibt sich die nachstehend beschriebene Vor- gehensweise. Der Zeitpunkt, zu dem die Summation der Luftmassen beginnen soll, wird dem Luftmassenmesser extern vom Steuergerät 31 mitgeteilt. Dazu wird das Signal tn, das als Triggersignal im Steuergerät ohnehin zur Verfügung steht, dem Luftmassenmesser zugeführt. Das Signal tn liefert pro Segment einen Impuls. Dieses Signal wird üblicherweise auch zur Drehzahlbestimmung verwendet. Die Einspeisung des Signales tn vom Steuergerät zum Luftmassenmesser erfolgt über die Spannungs- Versorgung des Luftmassenmessers und wird von diesem als Start-Segment (Trigger) detektiert. Diese Möglichkeit der TriggersignalZuführung ist in Figur 1 dargestellt. Eine Alternative wäre, das Triggersignal über die AusgangsSpannung des Luftmassenmessers einzuspeisen.For example, one sample per ms is customary. The air masses sampled in this way are added up until a segment has ended. In a four-cylinder engine, one segment corresponds to 180 degrees crankshaft angle (kw). The air mass then results from the sum of all sampled values divided by the number of sampling points. The value for the air mass determined in this way is given analogously as voltage Ua. The procedure described below results for triggering and switching from digital to analog mode. The time at which the summation of the air masses should start is communicated to the air mass meter externally by the control unit 31. For this purpose, the signal tn, which is already available as a trigger signal in the control unit, is fed to the air mass meter. The signal tn provides one pulse per segment. This signal is usually also used to determine the speed. The signal tn is fed from the control unit to the air mass meter via the voltage supply of the air mass meter and is detected by the air mass meter as a start segment (trigger). This possibility of trigger signal supply is shown in FIG. 1. An alternative would be to feed the trigger signal via the output voltage of the air mass meter.

Ausgelöst durch die Triggerung wird die Luftmasse des letzten Segments berechnet und der Abtastzähler 34 wieder auf Null gesetzt. Die Information „Summe Luftmassen" wird ebenfalls auf Null gesetzt. Über den Digital/Analog-Wandler 35 wird die Luftmasse in die entsprechende AusgangsSpannung Ua umgesetzt. Nach dem Motorstart ist mit Empfang der ersten Impulse bekannt, daß der Luftmassenmesser digital arbeiten soll. Bleiben die Impulse aus, wird die Luftmasse als Ana- log-Signal ausgegeben. Die Zuführung der tn-Impulse ent- scheidet also darüber, ob digital oder analog ausgewertet wird. Triggered by the triggering, the air mass of the last segment is calculated and the sampling counter 34 is reset to zero. The information "total air masses" is also set to zero. The air / mass converter is converted into the corresponding output voltage Ua via the digital / analog converter 35. After the engine has started, it is known when the first impulses are received that the air mass meter should work digitally The air mass is output as an analog signal, so the supply of the tn pulses determines whether the evaluation is digital or analog.

Claims

Ansprüche Expectations

1. Vorrichtung zur Auswertung der Ausgangssignale eines Sensors, mit einer Analogschaltung, der die Ausgangssignale zugeführt werden und die an ihrem Ausgang eine analoge AusgangsSpannung (Ua) abgibt, dadurch gekennzeichnet, daß ein digitaler Signalverarbeitungszweig vorhanden ist, der an seinem Ausgang ein Ausgangssignal abgibt, das im Prinzip der von der Analogschaltung abgegebenen Spannung entspricht, mit Umschaltmitteln, die das Ausgangssignal des Sensorelements entweder der Analogschaltung oder dem digitalen Signalverarbeitungszweig zuführt, wobei die Umschaltung durch von außen zuführbare Impulse vorgenommen wird.1.Device for evaluating the output signals of a sensor, with an analog circuit to which the output signals are supplied and which outputs an analog output voltage (Ua) at its output, characterized in that a digital signal processing branch is present which outputs an output signal at its output, which corresponds in principle to the voltage emitted by the analog circuit, with switching means which feed the output signal of the sensor element either to the analog circuit or to the digital signal processing branch, the switching being carried out by pulses which can be supplied from the outside.

2. Vorrichtung zur Signalauswertung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Ausgangssignal des digitalen Signalverarbeitungszweiges ein Analogsignal oder ein frequenzabhängiges oder ein PWM-Signal oder ein Digitalsignal ist .2. Device for signal evaluation according to claim 1, characterized in that the output signal of the digital signal processing branch is an analog signal or a frequency-dependent or a PWM signal or a digital signal.

Vorrichtung zur Signalauswertung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Sensor ein Heißfilmluftmassenmes- ser ist, mit einem Sensorelement, das der im Saugrohr einer Brennkraftmaschine strömenden Luft ausgesetzt wird und die Analog- und/oder die Digitalschaltung Bestandteil des Sensors sind.Device for signal evaluation according to claim 2, characterized in that the sensor is a hot film air mass meter with a sensor element which is exposed to the air flowing in the intake manifold of an internal combustion engine and the analog and / or digital circuit are part of the sensor.

4. Vorrichtung zur Signalauswertung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß das Ausgangssignal des Sensors dem4. Device for signal evaluation according to claim 3, characterized in that the output signal of the sensor

Steuergerät einer Brennkraftmaschine zugeführt wird und die Triggersignale, die die Umschaltung analog/digital bewirken, vom Steuergerät geliefert werden.Control unit is supplied to an internal combustion engine and the trigger signals, which effect the switchover from analog to digital, are supplied by the control unit.

5. Vorrichtung zur Signalauswertung nach Anspruch 4 dadurch gekennzeichnet, daß die Triggersignale, die dem Sensor zugeführt werden, die Segmentinformationsignale tn sind.5. Device for signal evaluation according to claim 4, characterized in that the trigger signals which are fed to the sensor are the segment information signals tn.

6. Vorrichtung zur Signalauswertung nach einem der vorherge- henden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Mittel zur digitalen Signalverarbeitung wenigstens einen A/D- Wandler, Mittel zur Summation sowie einen Digital/Analog- Wandler umfassen. 6. Device for signal evaluation according to one of the preceding claims, characterized in that the means for digital signal processing comprise at least one A / D converter, means for summation and a digital / analog converter.