时间同步冗余传感器的制造方法
【专利摘要】一种冗余传感器，包括至少两个感测元件。冗余传感器包括多种方法和装置，用于对来自感测元件的数据加时间戳和进行合成。公开了使用方法以及其他实旋例。
【专利说明】时间同步冗余传感器
【背景技术】1、【技术领域】
[0001]此处公开的本发明涉及传感器的冗余使用，传感器例如温度传感器或压力传感器，特别是，提供冗余感测的协调。
[0002]2、相关现有技术说明
[0003]大量工业过程需要获知环境温度以及压力状况。例如，在自动推进系统中，期望获知燃气压力和温度，从而能够有效控制燃烧。已经发明了大量的传感器来解决这一需求。
[0004]通常来讲，这些传感器基于持续变化的原则来监测温度和压强中的其中的至少一个。在某些实施例中，这些传感器适合用在恶劣的环境中。正如猜测的，这些传感器中某些属于复杂设备(并且因此造价不菲)。
[0005]设备越复杂越容易失效，这已经成为广泛共识。相应地，某些环境采样协议要求使用冗余传感器。
[0006]冗余采样允许使用这些传感器的系统将两个(或者更多个)传感器的输出进行比较，从而确定传感器测量值的有效性。理论上讲，一个传感器上的单点故障不会影响另一个传感器的输出。如果两个传感器测量的数据一致，系统会做出合理假设，假设两个传感器都在正常工作。如果两个(或更多个)传感器的数据不一致，那么系统可以做出合理假设，假设至少一个传感器故障。
[0007]现有技术对这一问题的解决方案的一个实例在附图1中示出。附图1示出冗余传感器5的实施例。在该实例中，冗余传感器5包括第一感测元件6-1以及第二感测元件6-2。(注意为了简化，附图标记“6”总体上指感测元件，并且6-X表示具体的感测元件。另外，这里通常使用这一惯例)。每个感测元件6都处于一个感测环境中(即，用于感测周围条件的环境)。每个感测元件6-1，6-2连接到各自的感测电路8，例如集成电路(IC) 8-1，8-2。每个感测电路8为感测元件6供电，信号接收，放大等。每个感测电路8 (此后仅为了方便都称为“1C”)向其他设备传送数据，例如数字总线合成器3。然后数字总线合成器3将来自传感器2的数据传送到另一个系统。
[0008]通常来讲，在附图1所示的一个实施例中，数字总线合成器3从每个IC8采集数据，并且将数据放在一个共用数字输出总线(没有示出)上。使用该数据的系统将接收到一个单独的信息，该信息包含来自两个传感器中的每一个的数据。系统作出比较从而确定传感器是否提供足够相关的数据。
[0009]通常来讲，这种布置类型对工作来说就够了。也就是说，在静态环境下，这种类型的合并方式足够了。然而在动态环境下，例如当传感器测量液体燃料压力的时候，系统中会有持续不断的脉动或者回转压力。如果异步地操作这两个(或更多个)传感器，就会在不同时刻测量压力。数字总线合成器3会采集异步数据，将他们合并到一个通讯程序包中，并且将其发给系统。如果两个样本之间的采样延迟足够长，那么传感器会在两个极为不同的液位上适当的对压力进行测量。这两个异步采样值的系统比较会表现出极为不一致，无意中引起故障的传感器的错误报故障。
[0010]因此，所需要的是能够提供两个或多个传感器之间数据相关性的方法和装置，其中该数据是基于持续变化的原则提供的。优选地，这些方法和装置大大降低了传感器故障的误报。
【发明内容】
[0011]在一个实施例中，提供一个传感器。传感器包括至少两个感测元件，配置用于异步地感测该激励并且提供所感测的数据；一个时钟，配置提供每次感测的时间；至少一个信号调适电路，配置用于从感测到的数据提供经过调适的数据；以及合成电路，配置用于提供数字数据序列，包括经调适的数据以及所感测的数据之间的时间中的至少一个。
[0012]在另一个实施例中，提供传感器，所述传感器包括:至少两个感测元件，配置用于同步地感测激励并且提供感测的数据；至少一个信号调适电路，配置从感测到的数据提供经过调适的数据；以及合成电路，配置提供包括经调适的数据的数字数据序列。
[0013]在另一个实施例中，提供一种从冗余传感器提供合成数据的方法。该方法包括接收从至少两个感测元件中的每个感测到的数据；接收与至少两个感测元件的每个的采样时间相关联的时间数据；将时间数据与感测到的数据相关从而提供合成数据；并且调适合成数据从而提供经调适的数据。
【专利附图】
【附图说明】
[0014]根据如下连同附图进行的说明，本发明的特征和优点将变得清晰，其中:
[0015]附图1为流程图，说明现有技术中冗余传感器的内容；
[0016]附图2到5为流程图，说明根据这里教导的冗余传感器实施例；并且
[0017]附图6说明用于冗余传感器的数据传输的数据存储缓存器之间的关系。
【具体实施方式】
[0018]这里公开一种冗余传感器。在典型实施例中，冗余传感器配置用于感测压力。可用于感测其他条件(例如温度)的冗余传感器提供感测元件之间数据的时间相关性，从而降低了传感器感测故障的误报，并且增加了传感器数据的可靠性。通常来说，冗余传感器适于工业使用，例如那些严酷环境下需要较长使用寿命的设备中。
[0019]现在参考附图2，提供了一流程图，描述了示例性的冗余传感器10。该实例中，冗余传感器10包括第一感测元件6-1及第二感测元件6-2。每个感测元件6配置为置于感测环境(即，感测周围条件的环境)中。每个感测元件6与各自的感测电路8相连，例如集成电路(IC)8-1，8-2。每个感测电路8为感测元件6供电，信号接收，放大等。每个感测电路8(这里仅为了方便，此后都称为“1C”)向其他设备传送数据，例如数字总线控制器3。数字总线合成器14此后向另一个系统传送传感器2的数据。
[0020]附图2所示实施例中，数字总线合成器14包括时钟。基于持续变化的原则，数字总线合成器14提供每个相应IC8-l，8-2的当前时间。每个IC8-l，8-2将当前时间与当前采样数据关联起来。换一种方式说，每个IC，8-l，8-2可对传感器数据加“时间戳”。然后将传感器数据传送到数字总线合成器14。数字总线合成器14此后将传感器适当地合并起来，并且传送合并后的数据(即，一个数据集，包括来自每个感测元件6的时间戳数据)。
[0021]应当指出的是，冗余传感器10可以容纳多个感测元件6。另外，大量元件可以作为感测元件6，以及支撑电路8和数字总线合成器14使用。另外，冗余传感器10能够提供多种数据的感测，例如压力和温度。简言之，冗余传感器10的实施例实际上仅仅受到需求的限制或者用户、设计者、制造商或者其他相似利益方的约束。
[0022]附图3提供另一实施例。如图3所示，数字总线合成器14的职责已经重新分配。也就是在附图3中，第一 IC18(或者“主”)满足感测电路8-1的功能，以及数字总线合成器14的功能。在该实施例中，第一 IC18向第二 IC19(或者“从”，)发送时钟信号(即，当前时间)。反过来，第二 IC19接收当前时间，来自感测元件6-2的时间戳数据，并且向第一 IC18发送带时间戳的传感器数据。类似地，第一 IC18利用当前时间以及来自各个感测元件6-1的时间戳传感器数据。在适当的情况下，第一 IC18将适当地合并时间戳传感器数据，并且传送合并后的数据。
[0023]在该实施例中，并不要求第一 IC18和第二 IC19为不同类型。也就是说，第一 IC18和第二 IC19两者可以是相同的设计，或者简单的配置不同，例如通过布线，编程等。
[0024]可以采用多种方式提供时钟机构。例如，时钟可为采样时钟，其中上升延或下降延是用于启动采样的信号。时钟也可以为慢时钟，其中每个IC8具有内锁相环(PLL)从而在慢时钟上锁相。时钟依赖于数字信号，例如数字总线合成器14发出的一个数字信号。通过自激数字计数器生成时间戳，例如数字总线合成器14内的数字计数器。一旦接收到来自各个通道(即，各个感测元件)的传感器信号，读取计数器，并且将数值与相应的传感器数据关联。
[0025]附图4和5提供了另外的一些冗余传感器10的实施例。如图4所示，冗余传感器10包括至少两个感测元件6。至少两个感测元件6配置用于感测共用激励的相同特性。对至少两个感测元件6的输出进行异步采样，如定时标记tsample和tsample+s所示。此后在将来自至少两个感测元件6采样的信号传送到数字总线合成器14之前，由至少一个信号调适电路41(41-1,41-2)进行处理。数字总线合成器14再次生成一个单一数字数据序列。数字总线合成器14还接收至少一个定时信号。通常来讲，至少一个定时信号包括足够的信息以确定采样信号之间的时间差。然后，信号采样之间的时间差连同输入激励已知的最快变化速率可用于确定调适后信号之间允许的无故障差。
[0026]比较而言，异步采样包括对两个或更多信号进行采样而在每个采样间隔之间具有大的时间延迟。基于所需输入带宽或最快的输入暂态事件的分辨率，如果采用比系统最小定时分辨率类似的数量级或者高于该分辨率，那么可认为定时差大。异步定时可采用对采样信号之间进行定时偏移或者采样周期之间差的形式。
[0027]通常来讲，信号调适电路41为一个将其中一个感测元件6的信号转换为“调适信号”的电路。“调适信号”是一个包含输出响应的期望特性的信号。换句话说，“调适信号”包括来自至少一个感测元件6的数据，其中该数据已经被调整为表示至少一个影响因子。信号调适实例包括采样信号的热补偿，从而使得信号数据关于温度相对恒定。相应地，至少一个信号调适电路41的每一个可包括至少一种形式的“调适数据”。调适数据可以表现为一个数据表，作为多项式函数和其他类似有用的形式。应当理解的是信号调适电路41因此可包括至少一个外部元件的输入，例如温度传感器。每个感测电路8-1，8-2 (以及第一 IC18和第二 IC19)可以用作信号调适电路41。
[0028]在附图5的实施例中，冗余传感器10包括至少两个感测元件6。感测元件6感测到共用激励的相同特性。然后对这些感测元件6的输出进行同步采样，如时间标记tsample和tsample+5所示。此后在将来自感测元件6的采样的信号传送到数字总线合成器14之前，由相应的信号调适电路41处理来自感测元件6的采样信号。数字总线合成器14生成单个数字数据序列。在该冗余传感器10的实施例中，数字总线合成器14没有接收定时信号，因为感测元件6被同步采样。作为同步采样的结果，用于确定无故障信号的样本之间允许的偏差的幅度可以是一个预先确定的常量。
[0029]总体而言，“同步采样”包括以小的定时差异采样两个或更多个信号。如果认定差异比观察最快输入暂态事件所要求的定时分辨率显著地小，那么可以认为该定时偏差小。类似的，如果认定差异比所需最大系统带宽相关的周期显著地小，那么可以认定该定时偏差小。
[0030]通过增强数字实施例中有用的通讯技术，可以实现进一步降低错误数据误报。更具体地，在执行寄存器内容的传送后，立即将已知位序列(例如，全零)存储在周期性更新的寄存器中。如果该位序列被接收系统所接收，那么位序列将会被识别为包含无效数据。提供一个典型实施例，并且与附图6 —起考虑。
[0031 ] 在一个实施例中，按照如下提供数据输出。首先，数字信息包，N，写入寄存器A (通过串行传送或并行传送)。然后将数字信息包，N并行拷贝到寄存器B。在这点上，重写寄存器A为预先确定的特定数值。这通过使用另一条到寄存器A的电路完成。然后在数字总线上连续发出该数据信息包N，并且在一些情况下，进而通过具有有效数据的接收系统(例如通过循环冗余码校验(CRC)，信号可信性等)验证。接下来，将另一个数字信息包N+1写入寄存器A，重写之前的内容，然后重复该过程。
[0032]因此，提高了压力传感器(故障模式和故障影响分析检测)的数字数据传输中具体的低概率故障的可观测性。
[0033]可以实现各种不同的实施例。例如，在一个实施例中，输出寄存器可串行与入和串行输出。另一实施例中，输出寄存器可并行写入和并行输出。
[0034]当发生禁止输出寄存器更新的故障情况下，该解决方案能够使得接收系统检测基于传感器的故障，并且进一步增强故障的可检测性。
[0035]相应地，这里提供了多种方法和装置，其中各传感器和传感器子系统配置用于异步地对环境进行采样，生成时间戳数据的冗余传感器10使得接收系统能够做出关于环境以及感测元件的健康情况的合理决策。例如，如果两个数据点之间的时间戳非常短，那么将该数据与相对置信度进行比较是合理的。然而，如果时间戳反应了相对长的时间间隔，那么系统会接受、调整或者拒绝该数据。另外，时间戳数据还可以用于监测或评估感测元件的功能性。
[0036]另外，接收系统可配置采用以前不可用的方式利用合成数据。例如，可使用算法通过数据平均、数据的线性拟合等插入数据。
[0037]应当认识到冗余传感器10中可以使用多种集成电路、感测元件以及其他组件。另夕卜，无需对实施采样的采样频率、参数或环境，采样范围等进行限制。例如，冗余传感器10可以与多个被配置用于恶劣环境、频率采样等的传感器一起使用。[0038]例如，在某些实施例中，冗余传感器10包括至少一个表面贴装器件(SMD)电热调节器，热电偶或者其他类型的温度传感器。冗余传感器10可包括配置用于测量绝对压力和/或表压的至少一个压力传感器。在某些实施例中，压力传感器包括电容性感测元件。在这些实施例中，至少部分电容性元件的偏移(由于施加于其上的压力)引起元件的输出信号的变化。输出信号的变化可与所施加的压力相关。
[0039]应当认识到这里的教导仅仅是说明性的，并不是对本发明的限制。另外，本领域技术人员应当认识到可以同时仍然在本发明范围内实现其他组件、配置、布置方式等。例如，传感器、电路等的配置与这里所公开的实施例不同。通常来讲，冗余传感器的组件设计和/或应用仅受到系统设计者、制造者、操作者和/或用户需求的限制以及任何特定环境中出现的要求的限制。
[0040]包含并且使用各种其他组件从而提供这里所教导的各个方面。例如，使用其他材料，材料的合成和/或材料的省略，从而提供这里所教导范围内的附加实施例。
[0041]当介绍本发明或实施例中的元件时，冠词“a”，“an”以及“the”用于指代有一个或多个元件。类似地，当形容词“another”用于介绍一个元件时，其本意指的是个或多个元件。术语“包括”以及“具有”本意是包含性的，从而除了列出的元件还有其他元件。
[0042]本申请中描述了多个变量，包括但不限于部件，条件以及性能特征。还可以理解的是这些变量的任意组合可以确定本发明的一个实施例。例如，采用一组传感器在给定环境条件的特定范围情况下的用于主体的特定材料组合，但是不会明确说明该特定组合，作为本发明的实施例。物品，部件，条件和/或方法的其他组合也可以从这些列出的变量中具体进行选择，从而确定其他实施例，这对于本领域技术人员来说也是很明显的。
[0043]尽管本发明已经参考典型实施例进行说明，本领域技术人员应当理解在不偏离本发明范围的情况下可以做出多种变化，等同替换物可以替代其中的元件。另外，本领域技术人员可以将特定仪器，情况或材料使用到本发明的教导中从而做出许多改变而不偏离其实质范围。因此，本发明的目的不限于所公开的特定实施例作为执行本发明所能考虑出的最好方式，而是本发明包括落入附加权利要求的范围的所有实施例。
【权利要求】
1.一种传感器,包括: 至少两个感测元件，配置为用于异步地感测激励和提供感测到的数据； 时钟，配置为提供用于每次感测的时间； 至少一个信号调适电路，配置为根据感测到的数据提供经调适的数据；以及 合成器电路，配置为提供数字数据序列，所述数字数据序列包括感测到的数据之间的时间和经调适的数据中的至少一个。
2.根据权利要求1所述的传感器，其中所述信号调适电路中的至少一个包括用于操作相应的感测元件的电子器件。
3.根据权利要求1所述的传感器，还包括用于控制感测的至少一个感测电路。
4.根据权利要求4所述的传感器，其中至少一个感测电路配置为接收当前时间。
5.根据权利要求1所述的传感器，其中感测电路、信号调适电路和合成器电路中的至少一个配置为进行如下操作中的至少一个:接收感测到的数据、从时钟接收时间、将感测时间与感测到的数据相关联、以及提供合成数据。
6.根据权利要求1所述的传感器，其中至少两个感测元件配置为感测温度和压力中的至少一个。
7.根据权利要求1所述的传感器，其中信号调适电路配置为对于影响因子补偿感测到的数据。
8.根据权利要求1所述的传感器，其中感测电路、信号调适电路与合成器电路中的至少一个配置为以预先确定的值重写数据。
9.一种传感器,包括: 至少两个感测元件，配置为用于同步地感测激励并且提供感测到的数据； 至少一个信号调适电路，配置为根据感测到的数据提供经调适的数据； 合成器电路，配置为提供包括经调适的数据的数字数据序列。
10.根据权利要求9所述的传感器，还包括用于启动感测的控制器。
11.根据权利要求10所述的传感器，其中所述控制器包括时钟。
12.根据权利要求9所述的传感器，其中所述信号调适电路中的至少一个包括用于操作相应的感测元件的电子器件。
13.根据权利要求9所述的传感器，还包括用于控制感测的至少一个感测电路。
14.根据权利要求9所述的传感器，其中感测电路、信号调适电路和合成器电路中的至少一个配置为进行如下操作中的至少一个:接收感测到的数据、从时钟接收时间、将感测时间与感测到的数据相关联、以及提供合成数据。
15.根据权利要求1所述的传感器，其中至少两个感测元件配置为感测温度和压力中的至少一个。
16.根据权利要求1所述的传感器，其中信号调适电路配置为对于影响因子补偿感测到的数据。
17.根据权利要求1所述的传感器，其中感测电路、信号调适电路与合成器电路中的至少一个配置为以预先确定的值重写数据。
18.—种从冗余传感器提供合成数据的方法，该方法包括: 从至少两个感测元件中的每一个接收感测到的数据；接收与所述至少两个感测元件中的每一个的采样时间相关的时间数据； 将所述时间数据与所述感测到的数据相关联，以提供合成数据；以及 调适所述合成数据以提供经调适的数据。
19.根据权利要求18所述的方法，还包括利用数字计数器、数字通信以及锁相环相关中的至少一个生成当前时间。
20.根据权利要求18所述的方法，还包括根据当前时间启动采样。
21.根据权利要求18所述的方法，还包括以预先确定的值重写寄存器，所述寄存器包含感测到的数据、时间数据、合成数据以及经调适的数据中的一个。
22.根据权利要求18所述的方法，其中调适包括如下操作中的至少一个:接收、调整和拒绝所述合成数据 。
【文档编号】G08C19/00GK104038333SQ201410113724
【公开日】2014年9月10日 申请日期:2014年3月7日 优先权日:2013年3月7日
【发明者】E·A·沃尔夫, D·L·科克姆, T·R·马赫, C·A·尼科尔斯 申请人:森萨塔科技公司