具有掃描時刻時間戳的傳感器的制造方法
【專利摘要】本發(fā)明涉及一種傳感器，所述傳感器包括檢測元件、模擬前端和數(shù)字后端；其中，所述數(shù)字后端通過數(shù)字接口可與控制單元連接，其中，所述傳感器在數(shù)字后端中提供經(jīng)掃描的數(shù)據(jù)。所述傳感器包含用于在所述數(shù)字后端中提供經(jīng)掃描的數(shù)據(jù)的時間信息的機(jī)構(gòu)，所述控制單元能夠通過數(shù)字接口訪問所述機(jī)構(gòu)。此外本發(fā)明涉及一種將時間信息分配給傳感器的經(jīng)掃描的測量數(shù)據(jù)的方法。
【專利說明】具有掃描時刻時間戳的傳感器

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及一種傳感器，所述傳感器具有檢測元件、模擬前端和數(shù)字后端；其中， 數(shù)字后端通過數(shù)字接口可與控制單元連接，其中，所述傳感器在數(shù)字后端中提供經(jīng)掃描的 數(shù)據(jù)。
[0002] 此外，本發(fā)明還涉及一種用于將時間信息分配到傳感器的經(jīng)掃描的測量數(shù)據(jù)的方 法。

【背景技術(shù)】
[0003] 文獻(xiàn)US-7382780B1描述了在使用掃描值計(jì)數(shù)器和實(shí)時時鐘的情況下的回顧性的 時間同步以及幀中的數(shù)據(jù)的采集。該文獻(xiàn)不涉及子掃描間隔時間。傳感器典型地由檢測元 件、模擬前端和數(shù)字后端組成，如在圖1中可以看出。檢測元件將待測量的物理參量轉(zhuǎn)換為 模擬信號，而模擬前端控制檢測元件并且處理模擬信號并且將其轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號。數(shù)字后 端實(shí)施例如數(shù)字濾波、事件產(chǎn)生以及模擬前端的控制。一個或多個傳感器通過數(shù)字傳感器 后端的數(shù)字接口與一個控制單元連接，例如智能手機(jī)或互聯(lián)網(wǎng)平板中的應(yīng)用處理器、專用 微控制器（μC)或者控制單元以硬件或軟件形式的任意其他的實(shí)現(xiàn)。傳感器以可配置的輸 出數(shù)據(jù)速率〇dr掃描傳感器數(shù)據(jù)并且將經(jīng)處理的傳感器數(shù)據(jù)掃描值存儲在數(shù)字后端中。必 要時數(shù)字后端可以包含用于傳感器數(shù)據(jù)存儲的先入先出（FIFO)存儲器。控制單元經(jīng)由數(shù) 字接口從數(shù)字后端讀取傳感器數(shù)據(jù)。傳感器不具有全局時間的概念，也就是說在控制單元 中處理傳感器數(shù)據(jù)時典型地假定，控制單元讀取傳感器數(shù)據(jù)的時間與傳感器數(shù)據(jù)被掃描的 時間是相同的。
[0004] 傳感器典型地實(shí)現(xiàn)濾波功能，例如具有確定的帶寬限制的低通濾波器。
[0005] 傳感器的輸出數(shù)據(jù)速率經(jīng)常與環(huán)境參數(shù)如溫度相關(guān)。在這些參數(shù)變化時輸出數(shù)據(jù) 速率的10 %的波動并不少見。具有獨(dú)立的和典型更準(zhǔn)確的時間參考的控制單元異步地以讀 取數(shù)據(jù)速率rdr從傳感器讀取數(shù)據(jù)，如在圖2中所示。
[0006] 每個掃描間隔框（10)說明新的傳感器數(shù)據(jù)掃描值，其存儲在數(shù)字部分中，下面的 箭頭說明控制單元從傳感器的讀?。?0)，該控制單元在該例子中相比于傳感器更頻繁地產(chǎn) 生輸出數(shù)據(jù)。因?yàn)榈湫偷丶僭O(shè)，傳感器數(shù)據(jù)掃描時間和傳感器數(shù)據(jù)讀取時間是相同的，這意 味著，不考慮輸出數(shù)據(jù)的產(chǎn)生與讀取之間的延遲。通過該假設(shè)引入時間抖動（Zeitjitter)， 該時間抖動通過抖動框（20)說明。通過該機(jī)制添加的平均抖動通過以下給定：
[0007]抖動平均=MIN(l/odr, l/rdr)/2。
[0008] 經(jīng)常應(yīng)用一個以上傳感器的數(shù)據(jù)，以便計(jì)算合并數(shù)據(jù)，例如移動裝置在空間上的 取向或者其位置。這些技術(shù)經(jīng)常應(yīng)用在慣性測量單元（MUS)中。抖動使得所計(jì)算的數(shù)據(jù) 的精度變差。
[0009] 除odr與rdr之間的不匹配以外，延遲還導(dǎo)致，延遲可能對確定的應(yīng)用一一例如實(shí) 時游戲應(yīng)用產(chǎn)生影響。
[0010] 對于上述問題具有三個已知的解決方案。根據(jù)用于抖動^^的等式，讀取數(shù)據(jù)速率 rdr的增大縮小了平均抖動。根據(jù)用于抖動^^的等式，輸出數(shù)據(jù)速率odr的增大縮小了平均 抖動。輸出數(shù)據(jù)速率的增大通過當(dāng)前傳感器例如三軸加速度傳感器BMA25?igital支持。 另一種技術(shù)是通過中斷觸發(fā)讀取，該技術(shù)應(yīng)由傳感器要求，如果新數(shù)據(jù)可用，則發(fā)送中斷到 控制單元。然后這開始由傳感器讀取數(shù)據(jù)。
[0011] 然而這些已知的解決方案可能包括一些缺點(diǎn)。讀取數(shù)據(jù)速率rdr的增大對于控制 單元而言增大了工作負(fù)荷。如果控制單元以軟件實(shí)現(xiàn)并且執(zhí)行處理器僅僅具有低的滿負(fù)荷 (Auslastung)，則該解決方案增大了執(zhí)行處理器從非激活到一個狀態(tài)的過渡的次數(shù)，由此 顯著增大了電流消耗。
[0012] 輸出數(shù)據(jù)速率Odr的增大意味著，如果增大掃描速率，則由此增大傳感器數(shù)據(jù)上 的噪音。如果僅僅與低通濾波器的帶寬無關(guān)地改變輸出數(shù)據(jù)速率，則數(shù)字后端的實(shí)現(xiàn)更復(fù) 雜。由此，數(shù)字后端的所需要的硅面積和電流消耗提高。因此，用于傳感器硬件和傳感器的 運(yùn)行的成本增加。
[0013] 通過中斷觸發(fā)讀取除了典型的接口如I2C之外也要求用于中斷信號的單獨(dú)的線 路，由此增加了成本。附加地通過在控制單元上的軟件來處理中斷不是非常高效，因?yàn)橹袛?要求在處理器中的上下文切換。這對處理器中的緩存命中率和類似的效率參數(shù)產(chǎn)生影響。 如果多個傳感器與一個處理器連接，則該解決方案沒有很好地縮放。附加地在多個現(xiàn)代移 動平臺中不直接提供中斷，并且由此該解決方案僅僅部分地處理該問題。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0014] 本發(fā)明具有的任務(wù)在于實(shí)現(xiàn)一種傳感器，可以盡可能精確地給所述傳感器的測量 數(shù)據(jù)分配測量時刻。本發(fā)明也具有以下任務(wù)：實(shí)現(xiàn)一種用于將傳感器的測量數(shù)據(jù)分配給測 量時刻的方法。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0015] 圖1示出了預(yù)先已知的傳感器以及控制單元。
[0016] 圖2示出了預(yù)先已知的傳感器輸出數(shù)據(jù)速率作為控制單元的讀取數(shù)據(jù)速率的函 數(shù)。
[0017] 圖3示出了根據(jù)本發(fā)明的第一實(shí)施方式的傳感器的掃描定時器。
[0018] 圖4示出了根據(jù)本發(fā)明的第二實(shí)施方式的傳感器定時器，該傳感器定時器由傳感 器的掃描計(jì)數(shù)器和掃描定時器組成。
[0019] 圖5示出了兩個傳感器，所述兩個傳感器分別以略微不同的掃描速率在FIFO存儲 器中存儲它們的掃描值。
[0020] 圖6示出了根據(jù)本發(fā)明的傳感器以及控制單元。
[0021] 圖7示出了用于避免傳感器的數(shù)據(jù)讀取時的抖動的方法。
[0022] 圖8示出了用于傳感器的實(shí)時輸出數(shù)據(jù)速率估計(jì)的方法。
[0023] 圖9示出了用于減小從傳感器獲得數(shù)據(jù)時的延遲的方法。
[0024] 圖10示出了用于在使用傳感器中的FIFO存儲器的情況下減小抖動的方法。

【具體實(shí)施方式】
[0025] 圖3根據(jù)本發(fā)明的第一實(shí)施方式示出了傳感器的掃描定時器。在本發(fā)明的第一實(shí) 施方式中將寄存器添加至在圖1中所述的傳感器。寄存器包含傳感器數(shù)據(jù)的齡期（Alter) 并且通過傳感器的數(shù)字后端更新。附加的寄存器允許控制單元從傳感器數(shù)據(jù)的產(chǎn)生起讀取 所述傳感器數(shù)據(jù)的齡期。附加的寄存器可以實(shí)現(xiàn)為單獨(dú)的計(jì)數(shù)器，或者存在的計(jì)數(shù)器可以 被重新使用，由此控制數(shù)據(jù)掃描。計(jì)數(shù)器在新的數(shù)據(jù)掃描值產(chǎn)生之后被復(fù)位并且繼續(xù)運(yùn)行， 直至數(shù)據(jù)通過控制單元來讀取或者更長時間。"掃描定時器"是掃描時間寄存器的值，標(biāo)準(zhǔn) 化到一個掃描周期上。掃描周期通過Ι/odr給定。如果例如具有10毫秒的掃描周期，則如 果數(shù)據(jù)掃描值在讀取的時刻有3毫秒之久，則掃描定時器具有值：0. 3個掃描周期（在讀取 時刻）。由此可以減小抖動。
[0026] 掃描定時器的讀取允許控制單元確定數(shù)據(jù)在從傳感器讀取的時刻有多久。在理想 情況下所述掃描定時器寄存器原子式（在數(shù)據(jù)塊中在沒有中斷的情況下）與傳感器數(shù)據(jù)一 起被讀取?？刂茊卧梢詤⒄掌淇刂葡到y(tǒng)時間重建在過去的一個實(shí)際產(chǎn)生傳感器數(shù)據(jù)的時 亥IJ。如果一個以上傳感器一一例如加速計(jì)、偏航率傳感器以及磁力計(jì)處于系統(tǒng)中，則經(jīng)同步 化的傳感器數(shù)據(jù)對于傳感器合并算法是重要的。所減小的抖動允許更好的傳感器數(shù)據(jù)同 步。由此傳感器合并算法的效率增大。
[0027] 圖4示出了根據(jù)本發(fā)明的第二實(shí)施方式的傳感器定時器，所述傳感器定時器由傳 感器的掃描計(jì)數(shù)器和掃描定時器組成。在本發(fā)明的第二實(shí)施方式中，將寄存器添加至在圖3 中所述的傳感器。如果除了掃描定時器之外還存在掃描計(jì)數(shù)器，則這應(yīng)該稱為傳感器時間。 因此，可以測量傳感器時鐘作為控制系統(tǒng)時鐘的函數(shù)?？刂茊卧梢宰x取兩個時刻時的傳 感器時間并且計(jì)算真實(shí)的輸出數(shù)據(jù)速率rodr。真實(shí)的輸出數(shù)據(jù)速率允許預(yù)測緊接著產(chǎn)生的 傳感器數(shù)據(jù)何時可用，這可以用于減小在讀取傳感器數(shù)據(jù)時的延遲，而不會顯著增大功率。 附加地允許FIFO中的數(shù)據(jù)幀的數(shù)據(jù)產(chǎn)生時間的估計(jì)，由此又實(shí)現(xiàn)了更好的數(shù)據(jù)同步。
[0028] 圖5示出了兩個傳感器，所述兩個傳感器分別以略微不同的掃描速率在FIFO存儲 器中存儲它們的掃描值，即使對于這些傳感器所配置的輸出數(shù)據(jù)速率可能是相同的。附圖 在一個例子中不出了兩個傳感器的異步掃描的問題。隨著掃描的開始在相同的時刻在一個 給定的時間段中傳感器A在FIFO中存儲12個掃描值，而傳感器B存儲僅僅11個掃描值。 在沒有傳感器定時器的情況下，如果基于讀取時間和所配置的ODR計(jì)算掃描時間，則FIFO 中的掃描值在該例子中錯位（Fehlausgerichtet) -個以上掃描周期。
[0029] 圖6示出了根據(jù)本發(fā)明的傳感器以及控制單元。除了圖1的預(yù)先已知的傳感器以 夕卜，在數(shù)字后端中還設(shè)有用于傳感器數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)寄存器、掃描定時器和掃描計(jì)數(shù)器。為了讀 取所測量的數(shù)據(jù)、掃描計(jì)數(shù)器和掃描時間，控制單元CU經(jīng)由接口與傳感器連接。附加地可 以在數(shù)字后端中設(shè)有FIFO存儲器。在該FIFO中可以存儲傳感器數(shù)據(jù)的值。
[0030] 本發(fā)明的另一方面是用于在從傳感器獲得數(shù)據(jù)時的抖動減小的方法。圖7示出了 用于避免在傳感器的數(shù)據(jù)讀取時的抖動的方法?？刂茊卧x取傳感器數(shù)據(jù)和傳感器時間。 傳感器時間內(nèi)容的掃描定時器部分直接是在圖2中的抖動框20中示出的抖動。控制單元 通過從其當(dāng)前系統(tǒng)時間減去掃描定時器*掃描周期來計(jì)算數(shù)據(jù)產(chǎn)生時間，也就是實(shí)際的傳 感器時間?？刂茊卧狢U然后使用實(shí)際的傳感器時間代替系統(tǒng)時間作為用于在數(shù)據(jù)讀取時 提供的經(jīng)掃描的數(shù)據(jù)的時間戳。
[0031] 實(shí)際的傳感器數(shù)據(jù)時間=在數(shù)據(jù)讀取時的系統(tǒng)時間-掃描定時器*掃描周期。
[0032] 作為擴(kuò)展可以減去用于掃描（例如在傳感器前端中）、數(shù)據(jù)處理（例如在傳感器后 端中）和數(shù)據(jù)讀取的附加的延遲。
[0033] 本發(fā)明的另一方面是用于在從傳感器獲得數(shù)據(jù)時的實(shí)時輸出數(shù)據(jù)速率估計(jì)的方 法，如在圖8中所示。假設(shè)原子式讀取傳感器時間，也就是在在數(shù)字接口上的操作中不允許 傳感器時間在讀取操作期間發(fā)生改變，例如掃描計(jì)數(shù)器必須與掃描定時器兼容。
[0034]實(shí)施例：
[0035] 傳感器時間寄存器具有一個區(qū)域rst
[0036] Rst〈 =2掃描計(jì)數(shù)器的比特
[0037] 最大可能的輸出數(shù)據(jù)速率是Odrmax
[0038] 如果在時刻tl和t2(其中，t2〈tl+rst/odrmax)讀取傳感器時間，貝Ij可以糾正潛在 的溢出?？梢允褂胷odr=mod(傳感器時間（t2)-傳感器時間（tl)，rst)/(t2-tl)來估 計(jì)真實(shí)的輸出數(shù)據(jù)速率rodr(例如單位為掃描值/秒），其中，模運(yùn)算由Knuth,DonaldE所 著的（《TheArtofComputerProgramming，Addison-Wesley，1972 年）限定。
[0039] 如果在控制單元收到數(shù)據(jù)之前使用FIFO,則rodr的應(yīng)用例如是延遲的減小或抖 動的減小。
[0040] 本發(fā)明的另一方面是用于減小從傳感器獲得數(shù)據(jù)時的延遲的方法，如在圖9中示 出。那么rodr可以用于計(jì)算將來的時間t(η)，在所述時間，緊接著的η個掃描值對于控制 單元而言準(zhǔn)備好用于從傳感器的調(diào)用，
[0041]t(n) =t2+(n-掃描定時器（t2)/rodr
[0042] n> = 1...
[0043]由此，控制單元可以預(yù)測何時產(chǎn)生緊接著的數(shù)據(jù)，并且能夠直接在數(shù)據(jù)在傳感器 中可用之后以小的延遲調(diào)用所述數(shù)據(jù)。
[0044] 本發(fā)明的另一方面是用于在使用傳感器中的FIFO存儲器的情況下減小抖動的方 法，如在圖10中所示。rodr可以用于計(jì)算過去的時間tf(η)，在所述時間在FIFO中產(chǎn)生第η個幀。
[0045]tf(n)=t2_ 掃描定時器（t2)+n-I)/rodr
[0046] 如果使用odr代替rodr，則在具有10個元素的FIFO中在一次掃描周期抖動的 50%中產(chǎn)生odr中5%的錯誤。如果取而代之地應(yīng)用rodr，則解決了該問題。
[0047] 本發(fā)明的另一方面是用于擴(kuò)展傳感器的測量間隔的方法，如在圖8中所示。如果 最小可能的輸出數(shù)據(jù)速率Odrmin對于測量間隔rSt/(0drmax-0drmin)是預(yù)先已知的，則測量間 隔限于rSt/〇drmax是可以松動的，由此參照傳感器時間（tl)實(shí)現(xiàn)與傳感器時間溢出的次數(shù) 的明確唯一的相關(guān)性，
[0048]rodr= (mod(傳感器時間（t2)-傳感器時間（tl),rst)+sto*rst)/(t2_tl)
[0049]其中，
[0050]
[0051]在此，

【權(quán)利要求】
1. 一種傳感器，其包括檢測元件、模擬前端和數(shù)字后端；其中，所述數(shù)字后端通過數(shù)字 接口能夠與控制單元連接，其中，所述傳感器在所述數(shù)字后端中提供經(jīng)掃描的數(shù)據(jù)，其特征 在于，所述傳感器包含用于在所述數(shù)字后端中提供經(jīng)掃描的數(shù)據(jù)的時間信息的機(jī)構(gòu)，所述 控制單元能夠通過所述數(shù)字接口訪問所述機(jī)構(gòu)。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的傳感器，其特征在于，所述用于提供時間信息的機(jī)構(gòu)包括掃 描定時器寄存器。
3. 根據(jù)權(quán)利要求2所述的傳感器，其特征在于，所述用于提供時間信息的機(jī)構(gòu)包括掃 描計(jì)數(shù)器寄存器。
4. 根據(jù)權(quán)利要求2或3所述的傳感器，其特征在于，所述掃描計(jì)數(shù)器寄存器和/或所述 掃描定時器寄存器在原子式操作中能夠與所述經(jīng)掃描的數(shù)據(jù)一起被讀取。
5. 根據(jù)以上權(quán)利要求中任一項(xiàng)所述的傳感器，其特征在于，所述數(shù)字后端包括FIFO存 儲器。
6. -種用于將時間信息分配給傳感器的經(jīng)掃描的測量數(shù)據(jù)的方法，其特征在于以下步 驟： a) 提供根據(jù)以上權(quán)利要求1-5中任一項(xiàng)所述的傳感器； b) 提供控制單元，所述控制單元經(jīng)由數(shù)字接口與所述傳感器連接； c) 通過所述控制單元訪問所述傳感器的經(jīng)掃描的數(shù)據(jù)； d) 通過所述控制單元訪問所述傳感器的經(jīng)掃描的數(shù)據(jù)的時間信息； e) 通過所述控制單元計(jì)算時間戳； f) 通過所述控制單元將所述時間戳分配給所述經(jīng)掃描的數(shù)據(jù)。
7. 根據(jù)權(quán)利要求6所述的方法，其特征在于，所述控制單元設(shè)計(jì)用于當(dāng)達(dá)到所預(yù)測的 掃描時間時減小通過讀取所述經(jīng)掃描的數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)讀取延遲；其中，應(yīng)用方法t(l)，以便 預(yù)測在所述數(shù)字后端中提供緊接著的經(jīng)掃描的數(shù)據(jù)的時間。
8. 根據(jù)權(quán)利要求6所述的方法，其特征在于，所述控制單元設(shè)計(jì)用于減小所述時間戳 的抖動，其中，所述控制單元使用所述掃描定時器寄存器和/或所述掃描計(jì)數(shù)器寄存器，以 便以子掃描分辨率計(jì)算實(shí)際的掃描時間。
9. 根據(jù)權(quán)利要求8所述的方法，其特征在于，提供根據(jù)權(quán)利要求5所述的傳感器，并且 對于FIFO中的掃描值l?n在使用t = f (n)的情況下計(jì)算所述時間戳t。
10. -種傳感器系統(tǒng)，其包括根據(jù)權(quán)利要求1至5中任一項(xiàng)所述的傳感器和與所述傳感 器連接的控制單元。
【文檔編號】G01D9/00GK104508431SQ201380021794
【公開日】2015年4月8日 申請日期:2013年3月6日 優(yōu)先權(quán)日:2012年4月27日
【發(fā)明者】G·拉梅爾, R·多施, T·克勞斯 申請人:羅伯特·博世有限公司