用于分析处理转速传感器单元的输出信号的方法和转速传感器单元

摘要

本发明提出一种用于分析处理转速传感器单元的输出信号的方法，其中所述方法具有以下步骤：在第一方法步骤中提供借助于所述转速传感器单元的至少一个转速传感器测量的角速度值的n元组；在第二方法步骤中根据所述角速度值的n元组确定中间值；在第三方法步骤中根据所述中间值以及根据在所述转速传感器单元的寄存器中存储的先前的方向变化值计算新的方向变化值；在第四方法步骤中在所述寄存器中存储所述新的方向变化值，其中一直重复所述第一方法步骤、所述第二方法步骤、所述第三方法步骤和/或所述第四方法步骤，直至在第五方法步骤中由连接到所述转速传感器单元上的外部的数据处理单元读取所述新的方向变化值和/或在第六方法步骤中探测到超过阈值。

说明书

技术领域

本发明从一种用于分析处理转速传感装置的输出信号的方法和转速传 感装置出发。

背景技术

这样的转速传感装置是普遍已知的。例如由文献DE10108196A1已 知了一种具有用于测量角速度的科里奥利元件的转速传感器，其中第一和 第二科里奥利元件通过弹簧相互连接并且被激励与第一轴平行地进行振 动，其中第一和第二探测机构基于施加到所述科里奥利元件上的科里奥利 力探测第一和第二科里奥利元件的偏转，从而所述第一探测机构的第一探 测信号与所述第二探测机构的第二探测信号的差依赖于科里奥利力并且因 此也依赖于存在的角速度。

由文献DE102007060942A1还已知一种多通道转速传感器，其适用 于测量绕彼此垂直的旋转轴的转速。特别地，三通道转速传感器或转速传 感器的设置是已知的，其能够实现绕三个彼此独立的旋转轴的测量。这样 的转速传感器或转速传感器的设置例如用于确定便携式设备——如移动电 话、平板计算机等等相对于参考系统的位置。在此，根据由转速传感器测 量并且作为输出信号提供的角变化进行位置变化的计算。

例如由文献US3231726A得知一种用于计算位置变化的方法。因为 角变化是不可交换的，所以需要以高采样率从转速传感器读取转速传感器 的输出信号。所述采样率必须显著地位于以下频率范围之上：待测量的运 动位于所述频率范围中。通过这种方式将复杂的旋转（绕三个轴的旋转） 分解为多个更小的旋转。人的运动例如位于小于20Hz的频率范围内。这些 信号的无误差整合典型地需要100Hz的采样率。不利的是，由于高采样率 必须相对频繁地激活便携式设备的主处理器，以便读取以及再处理转速传 感器的输出信号。由此导致相对较大的电流消耗。特别地，在便携式设备 中，这由于仅仅有限的电池容量导致便携式设备的电池运行时间的减少。

发明内容

根据并列权利要求的根据本发明的方法和根据本发明的转速传感器单 元相对于现有技术具有以下优点：显著降低转速传感器单元与外部的数据 处理单元之间的数据传输以及能量消耗。如果根据本发明的方法例如用于 电池运行的便携式设备中，则由此优选可以极大地提高电池运行时间。这 些优点通过以下方式实现：已经在转速传感器单元中通过相对简单的方式 预处理一个转速传感器或多个转速传感器的输出信号，其方式是，在考虑 在寄存器中存储的先前的方向变化值的情况下将角速度值立即换算成始终 更新的、新的方向变化值。所述新的方向改变值总是包含关于转速传感器 单元的上一次位置变化的信息。通过多次重复由第一、第二、第三和第四 方法步骤组成的循环的逐步累加当前的方向变化值，从而代表在当前的、 新的方向变化值中的全部位置变化信息。外部的数据处理单元——例如便 携式设备的主处理器有利地仅仅还需读取当前的方向变化值，以便寄存自 从上一次读取发生的位置变化。对此显著更小的采样率是足够的，因为不 再必须持续地询问所有在一次循环期间产生的信息。这意味着：相比于现 有技术必须传输更少的数据量并且能够实现外部的数据处理单元在节能模 式或睡眠模式中的更长的停留时间，由此降低了能量消耗并且因此尤其提 高了便携式设备的电池运行时间。此外，根据阈值监视优选持续地或者有 时监视方向变化值，从而可以将方向变化值中例如由圆整误差或近似计算 导致的误差和不精确性减小到一个预选的最大程度上。在第四方法步骤中 在每一次循环中优选以新的方向变化值覆盖在寄存器中存储的先前的方向 变化值。角速度的n元组优选包括绕一个旋转轴的唯一的角速度（n=1）或 者绕三个彼此独立的旋转轴的三个角速度（n=3）。在多于一个空间方向上 的测量中，例如借助于唯一的多通道转速传感器或借助于多个单通道转速 传感器测量角速度值。转速传感器优选包括半导体衬底上的微机械转速传 感器，其在半导体制造工艺的范畴内制造。在一种替代的实施方式中也可 考虑，在每一次循环中附加地也在例如构造为FiFo（First-In-First-Out：先 进先出）的输出寄存器中存储每一个新的方向值，这些方向值可依次优选 根据其存储的时间顺序由外部的数据处理单元从所述输出寄存器中读取。

本发明的有利构型和改进方案可以由从属权利要求以及参照附图的说 明中得出。

根据一种优选实施方式，在实施第五或第六方法步骤之后在第七方法 步骤中将在寄存器中存储的方向变化值设置为原始值并且以第一方法步骤 重新开始所述方法。所述原始值优选包括一种零值，即没有发生方向的变 化。通过有利的方式，在计算相应的方向变化值期间产生的误差在重置在 寄存器中存储的方向变化值之后不再影响随后循环中的新的方向变化值的 计算。可以通过这种方式限制最大出现的误差。设置为零的方向变化值— —其以四元数的形式表示为方向变化向量——意味着：没有发生位置变化 并且看起来如下：

$q_{\mathrm{1,0}}=\left(\begin{array}{c}1\\ 0\\ 0\\ 0\end{array}\right)$

根据一种优选实施方式，方向变化值包括方向变化向量，尤其是四元 数。因此以有利的方式可以相对简单地表示以及进一步处理三维空间中的 位置变化。基于四元数的数值系统的应用具有以下优点：可以特别简单以 及有效地表示以及进一步处理三维空间中的旋转。每一个四元数包括四个 标量数值，从而寄存器尤其设计成每一次循环存储四个值。

根据一种优选实施方式，在第六方法步骤中监视：在第三方法步骤中 计算的方向变化向量的长度是否超过一个可配置的和/或预先确定的阈值。 方向变化向量应仅仅说明方向的变化。对此，方向变化向量应具有长度（也 作为向量的模或量值）1，即其中是四元数形式的方向变化向量。 由于中间值的优选仅仅近似的计算，可能存在方向变化向量的量值与1的 偏差。这样的误差随着第一、第二、第三和第四方法步骤的每一次循环不 断累加。由此导致在第三方法步骤中新的方向变化值的计算具有误差。通 过有利的方式使所述效应最小化，其方式是，监视新的方向变化值的长度 并且将其与可配置和/或预先确定的阈值进行比较。如果超过所述阈值，则 在寄存器中存储的先前的方向变化值被中间存储在输出寄存器中和/或由 外部的数据处理单元读取并且随后被设置为零值。此外可考虑，由转速传 感器单元向外部的数据处理单元传输中断和/或由外部的数据处理单元还 读取新的方向变化值或者将新的方向变化值存储在输出寄存器中。

根据一种优选实施方式，自从在寄存器中存储的先前的方向变化值上 一次设置为原始值，借助于计数器计数所实施的第三方法步骤的次数，其 中在第六方法步骤中监视：所述计数器是否超过另一个可配置的和/或预先 确定的阈值。由于中间值的优选仅仅近似的计算，方向变化值具有误差的 危险随着第一、第二、第三和第四方法步骤的每一次循环增加。此外，各 个误差随着第一、第二、第三和第四方法步骤的每一次循环累加。第一、 第二、第三和第四方法步骤的可能循环的最大数量的限制（无需在此期间 重置在寄存器中存储的先前的方向变化值）通过有利的方式负责：将误差 限制到一个合理的最大程度上。一旦达到了最大可能数量的循环，则新的 方向变化值被中间存储在输出寄存器中和/或由外部的数据处理单元读取 并且随后在寄存器中存储的先前的方向变化值被设置为零，从而随后计算 的方向变化值不基于先前的近似误差。此外可考虑的是，由转速传感器单 元向外部的数据处理单元传输中断。

根据一种优选实施方式，如果在第六方法步骤中检测到超过阈值，则 在第九方法步骤中将新的和/或先前的方向值存储在可由外部的数据处理 单元读取的输出寄存器中。这具有以下优点：在通过重置为原始值舍弃在 寄存器中存储的先前的方向变化值之前，在输出寄存器中中间存储位置变 化。因此确保不丢失描述位置变化的值。输出寄存器现在可立即或者在一 个随后的时刻由外部的数据处理单元读取。

根据一种优选实施方式，在第二方法步骤中作为角速度值的n元组的 线性函数计算中间值。通过有利的方式，线性函数可以相比于通常用于计 算方向变化向量、优选四元数的三角函数更简单地、特别是以电路（即以 硬件）的形式实现。通过线性函数的近似尤其如下实现：

$q_1\approx \left(\begin{array}{c}\cos \left(\right|\overrightarrow{\omega }|·T/2)\\ {\omega }_x/\left|\overrightarrow{\omega }\right|·\sin \left(\right|\overrightarrow{\omega }|·T/2)\\ {\omega }_y/\left|\overrightarrow{\omega }\right|·\sin \left(\right|\overrightarrow{\omega }|·T/2)\\ {\omega }_z/\left|\overrightarrow{\omega }\right|·\sin \left(\right|\overrightarrow{\omega }|·T/2)\end{array}\right)\approx \left(\begin{array}{c}1{\omega }_x·T/2\\ {\omega }_y·T/2\\ {\omega }_z·T/2\end{array}\right)$

在此，ω_x,y,z相应于绕x轴、y轴和z轴的相应角速度，而T是采样时 间（T=1/数据速率）。通过所述近似有利地极大地减小计算开销。

根据一种优选实施方式，在第三方法步骤中，通过中间值与在寄存器 中存储的先前的方向变化值的乘法、特别是四元数乘法形成所述方向变化 值。所述先前的方向变化值分别是在之前执行的第一、第二、第三和第四 方法步骤的循环中计算出的方向变化值——其在之前的循环的第四方法步 骤中存储在寄存器中——或者是复位为原始值的方向变化值。在每一次循 环中，这样的之前的方向变化值与在第二方法步骤中确定的中间值相乘。 乘积相应于一个新的方向变化值，其又被存储在寄存器中，从而所述新的 方向变化值在下一次循环中又用作之前的方向变化值。因此，位置变化在 每一次循环中逐步地累加。

根据一种优选实施方式，在第八方法步骤中，借助于外部的数据处理 单元累加多个在第五方法步骤中读取的方向变化值。因此，能够通过有利 的方式实现通过外部的数据处理单元相对简单地计算有效的方向变化值， 为此无需高的采样率。此外，相比于现有技术，在采样时刻方面产生公差 增大。多个方向变化值的累加优选在注意条件的情况下通过有效的方 向变化值的多次标准化实现。

本发明的另一主题是一种用于实施用于分析处理输出信号的方法的转 速传感器单元，其具有至少一个用于确定角速度的n元组的转速传感器、 一个用于根据所述角速度的n元组确定中间值的分析处理电路以及一个用 于存储方向变化值的寄存器，其中所述分析处理电路还配置用于根据所述 中间值以及根据在寄存器中存储的先前的方向变化值计算新的方向变化 值，其中所述转速传感器单元如此构造，使得所述新的方向变化值可由连 接到所述转速传感器单元上的外部的数据处理单元读取。通过有利的方式， 根据本发明的转速传感器单元具有寄存器，在所述寄存器中可以分别存储 在之前的循环中计算的先前的方向变化值，从而在随后的循环中可以计算 基于所述先前的值的、新的方向变化值。因此，一方面相比于现有技术不 需要具有相对较高的和消耗能量的采样率的转速传感器单元的采样而另一 方面确保了不丢失测量值。此外极大地减少了所需的数据传输。因此可以 极大地提高便携式设备的电池运行时间。

根据一种优选实施方式，所述分析处理电路配置用于在读取所述新的 方向变化值、用于监视实施为方向变化向量的新的方向变化值的长度的监 视单元显示超过阈值和/或用于计数由分析处理电路实施的新的方向变化 值的计算的计数器显示超过另一个阈值时重置在寄存器中存储的先前的方 向变化值。因此有利地极大地提高了转速传感器单元的精度。

根据一种优选实施方式，转速传感器优选包括三通道转速传感器，和/ 或其中分析处理电路实现到ASIC形式的集成电路中。通过有利的方式， 分析处理电路以硬件的实现可相对省电地以及在相对较小的晶片面上实 现。尤其因此能够在无空间密集的、开销较高并且消耗能量的处理器或微 控制器（μc）的情况下实现角速度的预处理。

附图说明

在附图中示出并且在以下描述中进一步阐述本发明的实施例。

附图示出：

图1：根据本发明的第一实施方式的方法的示意图；

图2：根据本发明的第二实施方式的方法的示意图；

图3：根据本发明的第三实施方式的方法的示意图。

具体实施方式

在不同的附图中，相同的部件总是设有相同的附图标记并且因此通常 也分别仅仅命名或提及一次。

在图1中示出了根据本发明的第一实施方式的用于分析处理转速传感 器单元1的输出信号的方法的示意图。转速传感器单元1具有转速传感器， 其测量绕X轴、Y轴和Z轴的转速或者角速度ω_x、ω_x、ω_x，其中X轴、Y 轴和Z轴彼此独立。

在第一方法步骤10中，由转速传感器测量以及提供三个角速度ω_x、ω_x和ω_x的元组。在第二方法步骤20中，由这三个角速度ω_x、ω_x和ω_x以及在 使用采样时间T（等于1/数据速率）分别计算角变化ω_x·T、ω_y·T和ω_z·T。 根据角变化ω_x·T、ω_y·T和ω_z·T随后由以下线性函数

$q_1\approx \left(\begin{array}{c}1{\omega }_x·T/2\\ {\omega }_y·T/2\\ {\omega }_z·T/2\end{array}\right)$

近似地计算四元数（位置变化四元数）形式的中间值q₁。在第三方法步骤 30中，为了计算新的方向变化值q_neu，将中间值q₁与在转速传感器单元1的 寄存器中存储的先前的方向变化值q_alt在四元数乘法范畴内相乘。先前的方 向值q_alt或者源于由第一、第二、第三和第四方法步骤10、20、30、40组 成的在先循环或者之前在第七方法步骤70的范畴内设置为原始值q_1，0，尤 其

$q_{\mathrm{1,0}}=\left(\begin{array}{c}1\\ 0\\ 0\\ 0\end{array}\right)$

在随后的第四方法步骤40中，将在第三方法步骤30中新计算的方向变化 值q_neu存储在寄存器中。在此，覆盖先前的方向变化值q_alt。随后重新开始由 第一、第二、第三和第四方法步骤10、20、30、40组成的循环。在中间询 问50中，在每一次循环中询问：是否由转速传感器提供了新的角速度值ω_x、 ω_x和ω_x。如果存在新的角速度值ω_x、ω_x和ω_x，即由转速传感器可测量到角 变化（因为发生了转速传感器单元1的运动），则在第三方法步骤30中根 据在第二方法步骤20中新计算的中间值q₁以及根据在寄存器中存储的先前 的方向变化值q_alt（相应于在之前的循环中计算的新的方向变化值q_neu）计算 新的方向变化值q_neu。一直重复由第一、第二、第三和第四方法步骤10、20、 30、40（和中间询问50）组成的循环，直至在第六方法步骤60中计数器达 到另一可配置的和/或预先给定的阈值。所述计数器计数在第三方法步骤30 的范畴内所进行的乘法的数量。换句话说：计数器计数重新计算新的方向 变化值q的频数。因为随着每一次新的乘法可能的误差的大小增大，所以通 过借助于另一可配置的和/或预先确定的阈值限制到第三方法步骤30的最 大数量上来限制误差。如果在第六方法步骤60中探测到达到了所述另一可 配置的和/或预先确定的阈值t，则在第九方法步骤90中在输出寄存器、例 如Fifo存储器（先进先出）中存储当前的方向变化值q_neu并且随后在第七方 法步骤70中又将在寄存器中存储的先前的方向变化值q_alt设置为原始值 q_1，0。在输出寄存器中存储的方向变化值q_neu由外部的数据处理单元、特别 是便携式设备的处理器读取，从而描述位置变化的值不丢失。

在图2中示出了根据本发明的第二实施方式的方法的示意图，其中第 二实施方式基本上与根据图1示出的第一实施方式相同，其中与第一实施 方式不同地在第二实施方式中在第六方法步骤60中监视新的方向值q_neu的 长度。如果在第三方法步骤30中计算的方向变化向量q_neu的长度超过一个 可配置的和/或预先确定的阈值，则在第十方法步骤100中产生中断信号。 随后在第七方法步骤70中又将先前的方向变化值q_alt设置为原始值q_1，0。当 前的方向变化值q_neu可选择地被舍弃、由外部的数据处理设备读取和/或被存 储在输出寄存器、例如Fifo存储器（先进先出）中。

在图3中示出了根据本发明的第三实施方式的方法的示意图，其中第 二实施方式基本上与根据图1示出的第一实施方式相同，其中与第一实施 方式不同地在第三实施方式中一直重复由第一、第二、第三和第四方法步 骤10、20、30、40（和中间步骤50）组成的循环，直至在第五方法步骤80 中外部的数据处理单元读取新的方向变化值q_neu或者探测到通过外部的数 据处理单元的读取。替代地也可考虑，在此在寄存器中存储的先前的方向 变化值q_alt由外部的数据处理设备读取。所读取的方向变化值q_neu现在代表自 从上一次读取的所有位置变化。在读取方向变化值q_neu之后，在第七方法步 骤70中又将在寄存器中存储的先前的方向变化值q_alt设置为原始值q_1，0。可 考虑，在第八方法步骤中借助于外部的数据处理单元将多个在第五方法步 骤80中从转速传感器单元1中读取的方向变化值_qⁱ_neu在外部的数据处理单 元内累加成一个有效的方向变化值q_eff。