Sensorzeit-Synchronisation Stand der Technik

Synchronisierung von Sensordaten mit der Anzeige auf mobilen Geräten wird z.B. in der Offenlegungsschrift US 20110164163 AI beschrieben. Dort geht es um die Synchronisierung von Sensoren und Augmented Reality im Allgemeinen, nicht um die Methode einzelne Datenpunkte und deren zeitlichen Versatz untereinander zu korrigieren.

US 8050881 Bl beschreibt die Synchronisierung einer lokalen Uhr im Sensor mit eine weiteren Uhr und Interpolation der Zeiten. Dabei werden jedoch nur die Zeitpunkte von (ganzzahligen) Messungen berücksichtigt, nicht die Verzögerung zwischen Entstehung der Daten und Auslesung aus dem Sensor. Auch wird die Asynchronität verschiedener Sensoren untereinander nicht berücksichtigt oder aktiv beseitigt.

US 7382780 Bl beschreibt eine nachträgliche Zeitsynchronisierung mit Hilfe von sample counters und real time clock, sowie das Zusammenfassen zu Data frames.

Sensordatenfusion erfordert mehrere Sensoren in einem System, aus denen eine neue Zielgröße berechnet wird. Beispielsweise kann aus einer Ausgangslage eines starren Körpers durch eine Wertereihe von einem Beschleunigungssensor und einem Drehratensensor die Lage zu einem späteren Zeitpunkt

näherungsweise berechnet werden. Häufig ist das System sogar überbestimmt, z.B. bei einer Fusion der Daten von Beschleunigungssensor, Drehratensensor und Erdmagnetfeldsensor, so dass durch geeignete Filter, z.B. Kaiman Filter, Fehler minimiert werden können. Die in der Praxis verwendeten Algorithmen zur Berechnung der Zielgrößen gehen davon aus, dass die Messpunkte der einzelnen Sensoren äquidistant sind und keine Phasenverschiebung aufweisen. Die Datenraten sind typischerweise identisch oder Vielfache voneinander, z.B. bei einem Beschleunigungssensor und einem Drehratensensor, die beide mit 100 Hz Sensordaten liefern, ergibt sich das Bild in Fig. 1.

Die Sensordatenfusion findet typischerweise auf Systemen statt, die aus einer Kontrolleinheit und mehreren Sensoren bestehen. Fig. 2 zeigt einen möglichen Aufbau eines solchen Systems. Eine Anzahl Sensoren A bis N ist mit einer gemeinsamen Kontrolleinheit verbunden.

Die Kontrolleinheit kann in Software auf einem Prozessor oder Mikrocontroller implementiert werden oder in dedizierter Hardware. Die Sensoren bestehen typsicherweise aus einem MEMS Element, einem analogen Frontend und einem digitalen Backend. Der Sensor liefert typischerweise mit einer konfigurierbaren Frequenz neue Daten und legt diese im digitalen Backend ab. Häufig enthält das digitale Backend einen FI FO Speicher, in dem die Daten zwischengespeichert werden, wie z.B. im dreiachsigen Beschleunigungssensor BMA255 Digital der Firma Bosch Sensortec, damit die Kontrolleinheit seltener Daten abholen muss, was zu einer Energieeinsparung führen kann. Die Sensoren sind typischerweise nicht synchronisiert und die Ausgabedaten rate der Sensoren ist von

Umgebungsparametern wie der Temperatur abhängig. Die Sensoren liefern asynchrone Daten wie in Fig. 3 schematisch dargestellt.

In der Regel werden heute die asynchronen Sensordaten aus den Sensoren ausgelesen, und die Kontrolleinheit legt einen Zeitstempel auf den

Auslesezeitpunkt, womit sie künstlich synchronisiert werden. Das führt zu Fehlern in der oder den berechneten Zielgrößen bei der Sensordatenfusion.

Werden die Daten im digitalen Backend der jeweiligen Sensoren in einem FI FO gespeichert, dann ist die Synchronisation noch schwieriger, da der

Auslesezeitpunkt für alle Sensordaten im FI FO der gleiche ist. Wird mit der im Sensor eingestellten Datenrate zurückgerechnet, können die Zeitstempel auf den Daten sogar stark auseinanderlaufen. Fig. 4 zeigt dazu beispielsweise einen Fall, in dem das 11. Element im FI FO von Sensor B nach dem 12. Element im FI FO von Sensor A aufgenommen wird.

Es gibt heute verschiedene Möglichkeiten verschiedene Sensoren vollständig zu synchronisieren.

Eine erste Möglichkeit ist der sogenannte Forced Mode. Die Sensoren starten dabei eine Messung, wenn sie über die digitale Schnittstelle beispielsweise von der Kontrolleinheit angestoßen werden, wie z.B. im elektronischen Kompass BMC050 der Firma Bosch Sensortec. Dies erfolgt typischerweise durch Lesen oder Schreiben auf ein Register des digitalen Backends.

Eine zweite Möglichkeit liegt in der Verwendung eines externen

Synchronisationsanschlusses: Die Sensoren haben dabei zusätzlich zur digitalen Schnittstelle einen externen Pin, an den ein Synchronisationssignal von der Kontrolleinheit, einem anderen Sensor oder einer anderen Komponente im System anliegt.

Werden FI FOs verwendet, lässt sich eine partielle Synchronisation dadurch erreichen, dass ein gemeinsamer FI FO für alle Sensoren verwendet wird. Die partielle Synchronisation vermeidet das in Fig. 4 dargestellte FI FO spezifische Synchronisationsproblem (Überholen von Daten). Diese Lösung wird häufig in Systemen eingesetzt, die einen Mikrokontroller als Sensorhub verwenden, wie z.B. den ML610Q792 der Firma Lapis. Zudem gibt es Sensoren, die im digitalen Backend einen Sensorhub mit FI FO für alle angeschlossenen Sensoren integrieren, wie z.B der Drehratensensor MPU3050 der Firma Invensense.

Die oben vorgestellten Lösungen des Synchronisationsproblems können unter Umständen Nachteile mit sich bringen. Der Forced mode stellt

Echtzeitanforderungen an die Kontrolleinheit, die in den marktdominierenden Systemen heute nicht gegeben sind, und es ist nicht zu erwarten, dass diese zukünftig erfüllt werden. Der externe Sync Pin verursacht zusätzliche Kosten im Sensor und durch die Verdrahtung auch im System.

Offenbarung der Erfind Vorteile der Erfindung

Die Erfindung betrifft einen Sensor zur Aufnahme von Meßwerten und Ausgabe von Daten-Samples, mit wenigstens einem ersten Register zum Hinterlegen einer Sensorzeit, welche Zeitinformationen über Phasenlage und/oder Periode der Daten-Samples enthält, wobei das erste Register extern auslesbar ist. Der Kern der Erfindung besteht darin, daß der Sensor wenigstens ein zweites Register beinhaltet, welches extern beschreibbar ist, und durch welches die Phasenlage und/oder die Periode der Daten-Samples in dem Sensor einstellbar ist.

Die Erfindung betrifft auch ein Sensorsystem mit wenigstens einem

erfindungsgemäßen Sensor und mit einer externen Kontrolleinheit mittels der wenigstens das erste Register lesbar und wenigstens das zweite Register beschreibbar ist.

Die Erfindung betrifft auch ein sensorfusioniertes System mit wenigstens einem erfindungsgemäßen Sensorsystem mit wenigstens zwei erfindungsgemäßen Sensoren. Die Erfindung betrifft auch ein Verfahren zur Einstellung der Phasenlage und/oder der Periode von Daten-Samples in einem erfindungsgemäßen

Sensorsystem oder einem erfindungsgemäßen sensorfusionierten System.

Die Erfindung ermöglicht vorteilhaft die Synchronisation der Sensorzeit mit der Zeit der Komponente, welche die Datenfusion durchführt, typischerweise der

Kontrolleinheit. Der Sensor implementiert heute normalerweise bereits einen Sample timer, der intern verwendet wird, um zu bestimmen, wann der Sensor eine neue Messung startet. Dieser Sample timer wird mit einem Sample counter zur Sensorzeit Sensor time erweitert.

Die Kontrolleinheit kann vorteilhaft die Ausgabedatenraten der Daten-Samples in Bezug auf ihre Systemuhr sehr genau messen, da SensorTime {SampleCounter, SampleTimer) sub-sample Genauigkeit ermöglicht. Es wird also das gebrochenrationale Verhältnis beider Uhren ermittelt. Daraufhin wird die Ausgaberate des Sensor abgeglichen, wobei vorteilhaft ebenfalls sub-sample Genauigkeit verwendet wird, d.h. es kann ein gebrochen-rationales Verhältnis zwischen der Sensoruhr und dessen Ausgaberate durch die Register adjust und /oder offset eingestellt werden. Vorteilhaft sind mehrer Sensoren z.B. über einen Datenbus an eine

Kontrolleinheit angeschlossen und werden mit dieser synchronosiert. Vorteilhaft ist hierbei beispielsweise eine gemeinsame Abfrage der Daten möglich. Ebenso ist das Abgleiche mit einem Bustakt möglich, was die Datenübertragung erleichtert. Vorteilhaft lassen sich bei den erfindungsgemäßen Vorrichtungen mit dem erfindungsgemäßen Verfahren Datenraten von Sensoren anpassen.

Vorteilhaft werden hierbei nicht die Sensordaten nachträglich synchronisiert, sondern die Generierung der Daten im Sensor selbst so geregelt, dass sie synchron erfolgt.

Zeichnung

Fig. 1 zeigt schematisch eine synchrone Datenausgabe zweier Sensoren A und B im Stand der Technik mit einem Sample je 10 ms.

Fig. 2 zeigt eine Kontrolleinheit mit mehreren Sensoren im Stand der Technik.

Fig. 3 zeigt schematisch eine asynchrone Datenausgabe zweier Sensoren A und B im Stand der Technik.

Fig. 4 zeigt schematisch eine asynchrone Datenausgabe zweier Sensoren A und B mit FI FO Speicher im Stand der Technik.

Fig. 5 zeigt einen Sensor mit zwei extern zugänglichen Registern SampleTimer und SampleCounter, verbunden mit einer Kontrolleinheit..

Fig. 6 zeigt einen erfindungsgemäßen Sensor mit zusätzlichen Registern adjust und offset, verbunden mit einer Kontrolleinheit. Fig. 7 zeigt schematisch den Ablauf der Kommunikation zwischen der

Kontrolleinheit und eines Sensors des erfindungsgemäßen Verfahrens zur Synchronisation des Sensors.

Fig. 8 zeigt mehrere erfindungsgemäße Sensoren mit zusätzlichen Registern adjust und offset, verbunden mit einer Kontrolleinheit.

Beschreibung von Ausführungsbeispielen

Fig. 5 zeigt einen Sensor mit zwei extern zugänglichen Registern SampleTimer und SampleCounter. Es ist im Stand der Technik bekannt Sensoren mit einem Sample Counter zu versehen, um die Zeit zwischen Daten-Samples zu messen. Dazu ist der Sample Counter im Sensor intern verfügbar. In der nicht

vorveröffentlichten Patentanmeldung DE 102012207026.5 ist ein Sensor beschrieben, welcher ein Register SampleTimer und ein Register SampleCounter enthält, wie in der Fig. 5 dargestellt ist. Das Register SampleTimer beinhaltet die Zeitdauer innerhalb eines Samples und wird mit Beginn jedes neuen Samples zurückgesetzt. Das Register SampleCounter zählt die Samples. Der Inhalt dieser beiden Register bildet die Sensorzeit SensorTime und ist von außen,

beispielsweise einer Kontrolleinheit zugänglich. Der Sensor erlaubt der

Kontrolleinheit die Sensorzeit auszulesen. Die Kontrolleinheit kann daraus jedem Sample der Datenausgabe des Sensors einen genauen Zeitstempel zuordnen.

Fig. 6 zeigt einen erfindungsgemäßen Sensor mit zusätzlichen Registern adjust und offset. Der erfindungsgemäße Sensor weist ein Meßelement (Sensing element) zur Aufnahme von Meßwerten, ein analoges Eingangsteil (Analog frontend) zur analogen Verarbeitung von Meßwerten, einen Analog/Digital Wandler (A/D Converter) zur Umwandlung und ein digitales Ausgangsteil (Digital backend) zur digitalen Ausgabe von Meßwerten auf. Die Meßwerte werden als Daten-Samples am Ausgang bereitgestellt und können beispielsweise in einem FI FO Speicher zwischengespeichert sein.

Der Sensor erlaubt der Komponente, welche die Datenfusion durchführt, hier der Kontrolleinheit, die Sensorzeit SensorTime auszulesen. Erfindungsgemäß erlaubt der Sensor der Kontrolleinheit die zusätzlichen Register adjust und offset von außen zu beschreiben und mittels dieser Kontrollregister die Datenrate und die Phase der Messung im Sensor zu steuern. Die Kontrolleinheit bestimmt somit Phasenlage und Zeitdauer der Datenaufnahme im Sensor.

In einem sensorfusionierten System mit mehreren Sensoren ist es hierdurch möglich, daß beispielsweise alle Sensoren im System synchron ihre jeweiligen Messungen starten und ausgeben. Fig. 8 zeigt mehrere erfindungsgemäße Sensoren mit zusätzlichen Registern adjust und offset, verbunden mit einer Kontrolleinheit, die ein derartiges sensorfusioniertes System bilden können.

Durch Auslesen der Sensorzeit zu zwei verschiedenen Zeitpunkten wird der Gangunterschied zwischen der Sensoruhr und der Systemuhr der Kontrolleinheit ermittelt. Diese Verhältnis der beiden Uhren wird als Korrekturfaktor in die Register adjust oder auch offset. den Sensor geschrieben.

Die Datenverarbeitung ist dabei wie folgt

Üblicherweise zählt ein internes Register {SampleTimer) im ADC bzw.

Dezimierfilter innerhalb des Sensors eine ganze Zahl von Clock Zyklen bis zur Ausgabe eines neuen Datenwertes.

In einem Beispiel zählt das SampleTimer Register von 0 bis zu einem

hinterlegten Endwert 2000. Bei Erreichen der 2000 wird ein neuer Datenwert (Daten-Sample) generiert, das SampleCounter Register um 1 erhöht und das SampleTimer Register auf 0 zurück gesetzt.

In einer Ausführungsform der Erfindung weist der Sensor ein Register adjust auf. Erfindungsgemäß wird der Endwert durch das Register adjust flexibel programmierbar gestaltet. Das Register adjust hat anfangs den Wert 2000.

Wird nun beim Messen des Gangunterschieds festgestellt, dass der Sensor 1% schneller läuft als die Kontrolleinheit, so wird der Endwert im Register adjust von 2000 um 20 auf 2020 erhöht, wordurch sich die Datenraten angleichen.

In einer weiteren Ausführungsform der Erfindung weist der Sensor das Register adjust mit einen Nachkommateil auf um die Genauigkeit weiter zu erhöhen. Die Nachkommastellen (Mantisse) des Registers adjust enthalten den

gebrochenzahligen Werte des Teilerverhältnises des Korrekturfaktors, ähnlich dem Einfügen eines Schaltjahres im Kalender. In dem Beispiel soll der genaue Endwert nun nicht 2020 sondern 2020.25 betragen. Wenn das Register adjust z.B. 8-bit Nachkommastellen hat (d.h. 1/256 als Quantisierungsschritt) und den Wert 64 enhält, so wird bei den ersten 64 Samples jeweils ein zusätzlicher Takt eingefügt, bei den nächsten 192 Takten nicht mehr, so dass sich im Mittel 2020.25 Takte der Sensoruhr für einen Datenpunkt ergibt.

Fig. 7 zeigt schematisch den Ablauf der Kommunikation zwischen der

Kontrolleinheit und eines Sensors des erfindungsgemäßen Verfahrens zur Synchronisation des Sensors.

Um Variationen während der Laufzeit auszugleichen (z.B. aufgrund von

Temperaturänderungen) und numerische Rundungsfehler zu korrigieren kann bei jedem Abfragen der Sensorsdaten gleichzeitg auch das Sample timer Register ausgelesen werden. Diese Information kann wird benutzt um mit dem gleichen Verfahren den Endwert laufend nachzustellen. Wie bereits oben beschrieben wird eine etwaige Abweichung zwischen Sensoruhr und Systemuhr ermittelt und die Werte der Register adjust und/oder offset entsprechend abgeglichen.

Um eine Stabilität der Regelung zu errreichen wird der Gangunterschied über mehrere Messpunkte betrachtet. Vor einer erneuten Änderung der Register adjust und offset ist die Zeit zur Messung des Korrekturfaktors abzuwarten um Oszillationen in der Regelschleife zu vermeiden.

In noch einer Ausführungsform der Erfindung ein Register offset auf.

Wird beim Messen festgestellt, dass der Sensor bereits um einen gewissen Wert von dem gewünschten Samplezeitraster weggelaufen ist, kann dieser innerhalb von einem oder mehreren Samples zusätzlich einmalig korrigiert werden.

Der Wert im Register offset gibt dabei an in welcher Häufigkeit der Endwert des Zählers z.B. um 1 erhöht (oder erniedrigt) werden muss.

Nachdem die Kontrolleinheit einen Wert in das Register offset geschrieben hat erhöht die Sensorschaltung im Zähler von Sensortime den Endwert z.B. um 1 und zählt bei jedem Sample das Register offset um z.B. 1 herunter bis zum Erreichen der 0.