模数转换器电路、对应的设备和方法与流程

相关申请的交叉引用本申请要求于2018年11月9日提交的申请号102018000010211的意大利专利申请的优先权，于此将该申请通过引用的形式并入本文。本公开总体上涉及电子系统及方法，并且，在特定的实施例中涉及模数转换器(adc)电路、对应的设备和方法。
背景技术：
：现在，诸如直流(dc)电动机的电动机被通用地使用在自动化应用中(诸如电扇、泵、或制动器应用)。将常规的dc电动机替换为无刷dc(bldc)电动机也存在增长的趋势。在大多数自动化应用中，bldc和相关联的控制电路的故障条件的检测是非常令人向往的特征。控制电路的任务是标识故障条件并且应用应对措施以保护系统。检测到的故障条件可以被汇报给系统微控制器并且经由交通工具诊断接口使其可访问以进行进一步的服务和/或调查。技术实现要素：除了广泛的活动，进一步提升的方案在前文所讨论的领域中也被期望。在提供改善的方案中实施例做出了贡献。描绘涉及在模数转换器中的故障检测。一个或多个实施例可以应用于例如被用于对可以与安全目的相关的信号进行采样的模数转换器(adc)，并且可以促进提高应用的安全等级。根据一个或多个实施例，具有在所附权利要求中所阐述的特征的电路被使用。一个或多个实施例可以涉及对应的设备。用于诸如bldc电动机的电动机的控制设备可以是此类设备的示例性设备。一个或多个实施例可以涉及对应的方法。权利要求是在本文中相应于实施例而被提供的技术指导的整合部分。一个或多个实施例可以被使用于使用一个或多个模数转换器(adc)的应用中，该模数转换器(adc)被使用以采样信号，该信号可以是与针对安全目的相关的，并且可以促进改善应用的安全等级，例如汽车领域中的三相电动机的控制应用中。否则将被理解的是，尽管在整个说明书中为了易于解释和理解而被广泛提及，但是实施例的使用绝不限于电动机和/或汽车领域。一个或多个实施例可以促进可以在各种应用中检测影响模数转换器的瞬态故障，同时避免求助于大量冗余硬件和/或过采样。应注意，冗余硬件和/或过采样可以具有对设备尺寸、计算载荷和检测延迟的负面影响，并且例如可以就转换器带宽而言地限制性能。一个或多个实施例可以促进检测可以影响模数转换器的瞬态故障。与某些现有技术方案相比，一个或多个实施例可以提供具有就设备的尺寸(以及，可能地，成本)而言仅增加中量(例如增加到15％至20％)的诊断覆盖延伸，而对转换器带宽、计算载荷和检测延迟没有明显影响。附图说明现在将参考附图仅通过示例的方式描述一个或多个实施例，其中：图1是模数转换器(adc)的示例性的框图；以及图2是实施例的示例性框图。具体实施方式在随后的描绘中，一个或多个具体细节被图示，旨在提供对本说明书的实施例的示例的深入理解。可以在没有一个或多个特定细节的情况下或者利用其他方法、部件、材料等来获得实施例。在其他状况下，已知的结构、材料或操作未被详细地图示或描述，以使实施例的某些方面不会被模糊。在本说明书的框架中对“实施例”或“一个实施例”的引用旨在指示相对于该实施例描述的特定配置、结构或特性被包括在至少一个实施例中。因此，在本说明书的一个或多个点中可以出现的诸如“在实施例中”或“在一个实施例中”之类的短语不一定指一个和同一实施例。此外，在一个或多个实施例中，可以在任何适当的方式中组合特定的构型、结构或特性。本文中所使用的参考仅出于方便的目的而被提供，因此不限定保护的程度或实施例的范围。下列的表1是示例性的故障模式/故障，这些故障模式/故障可以影响模数转换器(adc)，例如被包括在高级汽车应用中的控制电路中。如所指出的，参考该示例性应用领域仅是为了易于说明和理解，并且不能在限制意义上、甚至间接地解释实施例。表1—示例性adc硬件故障已经提出了各种方法来解决这些故障。例如，文件：stmicroelectronicsan4266-spc56xl70xx系列安全应用指南(参见,例如https://www.st.com/content/ccc/resource/technical/document/application_note/7e/8e/b4/f7/22/c8/41/af/dm00077858.pdf/files/dm00077858.pdf/jcr:content/translations/en.dm00077858.pdf)公开了两种途径。第一途径基于单读模拟输入，其中每个模拟输入信号被假定为：使用一个adc进行顺序过采样，并且比较经由应用软件执行的结果。第二途径基于双读模拟输入，其中每个模拟输入信号被假定为：使用两个adc在相同的时间冗余地被采样，并且比较经由应用软件执行的结果。此外，文件stmicroelectronicsrm0342-spc56xl70xx参考手册(可见于：www.st.com/content/ccc/resource/technical/document/reference_manual/31/7e/97/ed/a6/dc/4e/2d/dm00071188.pdf/files/dm00071188.pdf/jcr:content/translations/en.dm00071188.pdf)提供了在adc自测特征上的额外细节，其对于检测永久性故障是有用的。这些途径促进了各种硬件辅助测试的应用，即：-电源自测，其中三个不同参考电压被采样，并且这些测试转换代表了一种“原子”操作(没有功能性转换被交错)。内部看门狗特征(由软件预先配置)被用于将采样值与预期值进行比较；-电阻-电容自测：通过在adc中设置内部电阻式数模转换器(dac)来执行十九个测试转换。由软件预先配置的内部看门狗特征将再次被用于将采样值与预期值进行比较；-电容自测：通过在adc中设置包括采样电容器和内部电容dac的电容元件来执行十七个测试转换。再一次，由软件预先配置的内部看门狗特征被用于将采样值与预期值进行比较；-指定的第一冗余代码测试adc_swtest_regcrc，其中adc配置寄存器值的循环冗余码(crc)校验和被计算、并与一个预期值进行比较；-指定的第二冗余代码测试siul_swtest_regcrcm，其中adc配置寄存器值的额外crc校验和被计算、并与一个预期值进行比较；如果前述途径被采纳，则两对进一步的测试可以被影响：-在指定的测试adc_swtest_test1中，内置的自测(bist)软件利用adc的预采样特征。预采样允许在adc内部电容器在其开始对来自焊盘的模拟输入的采样和转换阶段之前，对其进行预充电或放电。在预采样阶段期间，adc采样内部生成的电压，而在采样阶段中，adc采样来自焊盘的模拟输入。如果在模拟多路复用电路中发生开路故障，则由adc转换的信号不是来自焊盘的模拟输入，而是预采样参考电压(vdd或vss)。针对安全功能使用的每个模拟输入运行此bist。因为被专用于模拟输入的焊盘是input类型的，所以来自系统集成单元精简版(siul–控制spc56xl70xx微控制器中焊盘的ip)的缺失的使能引起了开路故障；-在指定的另一测试adc_swtest_test2中，软件bist使用adc的预采样特征。预采样被配置在这样一种方式中：通道的采样被旁路，并且预采样参考电源电压被转换。在第一步骤期间，vdd电压被转换，并且与其预期值进行比较。然后，vss电压被转换，并且与其预期值进行比较。如果这些值与预期值不同，则在多路复用电路中的短路故障被表明；-在指定的测试adc_swtest_valchk中，具有一些字段的adc数据寄存器被验证，这些字段指示转换通道的数量以及转换类型(例如正常或注入)。在每次取得后，sw测试读取并且校验这些字段；-在指定的测试adc_swtest_oversampling中，针对对每个信号执行时间冗余转换。在测试中，以远高于与信号相关的奈奎斯特(nyquist)频率的速率将信号采样。测试比较所取得的值以校验相关性：事实上，在故障的状况中，取得的值与其自身不相关。针对随机故障，针对每次取得，至少三个连续的转换被涉及。如果后一方法被采纳，则在指定的额外sw测试adc_swtest_cmp中，双取得值在涉及某些近似的比较中被比较，该近似是为了将转换差纳入考虑。下列的表2是在前面讨论中的hw辅助测试和sw测试(安全机制)以及相关执行频率的概要。基本上，hw辅助测试可以在开机之后被执行，或是针对每个故障容许时间间隔(ftti，即在致命事件发生之前在系统中可以存在一个或多个故障的时间跨度)被执行一次，并且这些基本上能够去检测影响adc的永久性故障。相反地，针对每个转换sw测试都被执行，并且这些sw测试能够去检测临时(瞬态或间歇性)故障，这些故障会影响特定模数转换的结果。表2—示例性adc硬件故障半导体故障率大体上被报告为时间故障(fit)，其中一个fit是在10亿操作小时中的一次故障。诸如iec/tr62380的行业标准提供了基于部件的复杂性和使用条件(诸如温度和电源接通/关断时间)的数学模型以预估永久性fit(封装以及硅)。现不存在行业标准化的方法以预估瞬时fit。理想地，预估可以是基于来自使用合适的处理技术的测试芯片的实验的数据的，正如在非行业标准sn29500中所描述的。注意，硅的瞬态fit可以比硅的永久fit高1至3个数量级。例如，在某些汽车微控制器中，针对rawfit的大约三个数量级幅度与针对剩余fit的两个数量级的幅度比率(即，未被已实现的安全机制检测到的故障数量)可以被观察到。此外，大多数剩余的fit是由于瞬时故障引起的。系统开发人员执行致命性分析和风险评估，从而评估风险降低水平，目标是为了功能安全最终产品系统应用。评估结果的是安全目标，例如在iec61508中所述的安全完整性等级(sil)1至4的分类或在iso262626中的汽车安全完整性等级(asil)a至d的分类。这些标准限定了指标，该指标评估结构性安全机制和发生故障的可能性，这些机制减少了针对各种故障类型的风险，，然后使用这些指标用于衡量安全目标的实现。诸如spfm(单点故障指标)、lfm(潜在故障指标)以及sff(安全故障因素)的指标是比例指标，其示出了故障率减少的结构有效性。此外，pmhf(针对随机硬件故障的可能性指标)以及pfh(每小时故障可能性)是可能性指标，其示出了总体减少的风险等级。下列的表3示出了单点故障(spfm)、潜在故障指标(lfm)、和针对随机硬件故障的可能性(pmhf)的asil规格。表3—asil指标规格asilspfmpmhf(fit)lfmasilb>90％<100>60％asilc>97％<100>80％asild>99％<10>90％根据此表，为了达到汽车安全完整性等级(asil)并且还减少剩余fit的绝对数量(例如，针对asild设备，pmhf<10)，对于能够检测至少固定百分比的fit(例如，针对asild设备，spfm>99.0％且lfm>90,0％)的系统和子系统开发人员而言，安全机制是被期望的。结果，系统开发人员主要关注在瞬时故障的检测上。在前文中所描述的现有方法中的某些实现方式中，针对每个经采样的模拟输入信号(adc_swtest_oversampling测试)三个采样被取得，并且比较被委托给软件特征。针对每个转换，特征验证一些附加值(adc_swtest_valchk)。结果，每个经采样的模拟输入信号的总转换时间可以被明显地影响，从而，可用转换器带宽被显著地减少。此外，在被考虑的示例性状况中，比较被委托给软件并引起了某些计算载荷。此外，由于检测取决于专用软件例程的延迟和执行时间，就此而言，故障的检测可以不是立即的。在另一方面上，此类具有其相关安全机制的方法的实现不影响设备尺寸：然而，这要与影响转换器带宽，计算载荷以及检测延迟的其他因素进行权衡。在前面讨论中的后一种方法的某些实现方式中，为了利用冗余并且减少ccf(通用原因故障)的可能性，adc硬件和冗余硬件被配置为由独立模块拥有，并且，比较以及增加的计算载荷被再次委托给软件特征。再一次地，由于检测取决于专用软件例程的延迟和执行时间，就此而言，故障的检测可以不是立即的。实现具有其相关安全机制的该方法不影响转换器带宽，而是具有在设备尺寸、成本、计算载荷和检测延迟上的影响。一个或多个实施例促进检测瞬时故障，瞬时故障可以影响模数转换器，以在设备尺寸和成本上减少的影响，并且在转换器带宽、计算载荷和检测延迟上没有明显的影响。图1是模数转换器(adc)电路10的示例性框图。此类电路的操作涉及两个过程：采样和量化。采样过程，在采样及保持(s&h)电路框12中被执行，将持续变化的模拟信号采样(捕获)，并针对一定(最短)时间将其值保持(冻结)在恒定等级。在量化电路块14中执行的量化处理将离散值的有限集合的元素中的经采样值转换。在图1的示例性框图中，第一多路复用器电路块16被提供以选择将被转换的输入信号i，即adc通道。在图1的示例性框图中，这种类型的操作由一组adc配置的寄存器18来控制，针对每个adc通道，其包括：adc数据寄存器201、202、…、20n，其中n是可以用来存储经转换的值的通道的总数(其代表了来自adc转换器10的输出o)，并且由第二多路复用器电路块22在adc配置的寄存器18的控制下被选择。来自adc转换器10的输出o可以被提供给“用户”设备d(在虚线中示出)，关于该用户设备d，adc转换器10可以是不同的、分离的元件或结合在其中的部件。诸如dc电动机的电动机的控制器(例如，bldc电动机的控制器可以是这种设备的示例)。该基本电路布局可以被认为是本领域中的常规电路，这使得在这里不必提供更详细的描述。一个或多个实施例可以沿着在图2的框图中例示的线在这样的电路布局上发展。在图2中，用相同的附图标记指示与已经结合图1讨论的部件或元件相似的部件或元件。尽管为了简洁起见将不重复相应的描述，但是应当理解，结合图1所提供的公开内容适用于一个或多个实施例。在图2中例示的一个或多个实施例中，另一个(冗余的)量化电路块140可以被提供。量化电路块140被配置为与量化电路块14合作，实现对采样电路块12的输出值的并行量化处理。量化块14的输出被存储在相应的通道数据寄存器201、202、…、20n中，通道数据寄存器与所选择的adc通道相关联，并且由相关配置寄存器18经由多路复用器电路块22而被选择。量化块140的输出被存储在对应的数据寄存器200中。来自寄存器201、202、…、20n的值(经由(第三)多路复用器电路块24而选择)在(冗余)验证器电路块(rc块)26中被比较以用于可能的不匹配。在本文例示的一个或多个实施例中，如果下列(不匹配)条件被校验，则故障可以被宣布(使用从电路块26发布的对应的fault信号，例如，朝向设备控制器的信号-在图中不可见)：xdata_reg_nxoryrc_data_reg>tue[lsbs]其中：-xdata_reg_n是被存储在第n个被选择的通道数据寄存器201、202、…、20n中的值，经由(第三)多路复用器电路块24被选择，-yrc_data_reg是被存储在冗余数据寄存器200中的值，-tue是总未调整错误，其可以在最低有效比特的单位(lsb)中被表示，以及-xor代表异or逻辑操作器。在一些程度上，本文讨论的示例性匹配/不匹配比较的标准可以被看作是一种基于lsb执行的“石蕊测试”。基于adc转换器的tue的这种方法被发现为针对本文的目的是足够的。另外将理解的是，一个或多个实施例可以采纳其他标准(例如，各种类型的距离、欧几里得、sad等)用于这种示例性的匹配/不匹配的比较。在本文例示的一个或多个实施例中，在另一组配置寄存器180的控制下，经由多路复用器电路块24，将在26处与存储在寄存器200中的值进行比较的值被选择，旨在避免ccf(通用原因故障)。此外，在本文所例示的一个或多个实施例中，在26处的比较可以在量化处理(在电路块14中)的转换结束(eoc)或冗余量化处理(在电路块140中)的转换结束(rc_eoc)处开始，例如在首先发生的那一个处。名义上，这两个事件应该同时发生。一个发生在另一个之前可以指示以下事实：量化电路块的一个未被正确地执行(至少未及时执行)其功能。这可以是由于错误的配置所致。如果发生这种情况，则不会利用正确的转换值来更新“迟到”块的数据寄存器，并且错误可以在故障被识别的情况被声明。经由对来自寄存器组18的信号eoc和来自寄存器组180的信号rc_eoc起作用的或门28，该起点可以被确定，其也可以促进检测在量化过程中的时间偏差。名义上，在26中的比较可以在每次转换结束后宣告故障，而数据(即，转换的结果)是在adc数据寄存器201、202、…、20n中可用的，并且可以在一系列转换完成后被提供给“用户”设备d。可选地，例如在当adc数据寄存器201、202、…、20n不可以在比较结束的时间和在将这些数据提供给“用户”设备d的时间之间保证数据的完整性的状况中，则来自寄存器200的数据可以被存储在fifo中，经由错误校正码(ecc保护的)保护，以便在来自fifo的要求时被供应给“用户”设备d。如所注出的，一个或多个实施例可以促进检测瞬时故障，该瞬时故障影响模数转换器，该影响具有就设备的尺寸(以及，可能地，成本)而言仅增加中量(例如增加到15％至20％)的诊断覆盖延伸，而对转换器带宽、计算载荷和检测延迟没有明显影响。下列的表4提供了针对瞬时故障的预估诊断覆盖的总结，与在本文中提供的示例性实施例的详细描述的介绍中讨论的两种方法相比，其可以由所描绘的一个或多个实施例来提供。表4—瞬时故障模式的诊断覆盖(1)不能够检测时间中的偏差(2)仅考虑配置损坏/错误对转换结果的影响。(3)不能够检测影响全部转换的故障正如在本文中例示的，电路(诸如，例如，10，其可以被使用于在模数转换器中的故障检测)可以包括：-模数转换电路路径(例如12、14、18)，其被配置为提供来自模拟输入信号(例如i)的经转换的数字数据(例如201、202、…、20n)，-额外(冗余)模数转换电路路径(例如12、140、180)，其被配置为与上述模数转换电路路径并联操作(至少部分地：参见，例如，量化电路级140及量化电路级14两者被耦合到通用采样电路级12)，额外的模数转换电路路径被配置为提供来自模拟输入信号的额外的经转换数字数据(例如200)，-比较电路(例如26)，其被配置为执行将来自模数转换电路路径的数字数据与来自额外的模数转换电路路径的额外的数字数据(200)进行比较，并且公布电路的故障条件作为比较的结果，显示在来自模数转换电路路径的数字数据和来自额外的模数转换电路路径(12、140、180)的数字数据之间的不匹配。如在本文中例示的电路可以包括采样电路级(例如12)，其被配置为接收模拟输入信号并且提供其经采样的版本，采样电路级通用于模数转换电路路径和额外的模数转换电路路径(也就是说，由其分享)，其中：-模数转换电路路径可以包括量化电路级(例如14)，其被耦合到通用采样电路级，并被配置提供来自模拟输入信号的经采样版本的数字数据；以及-额外的模数转换电路路径可以包括额外量化电路级(例如140)，其被耦合到通用采样电路级，并且被配置为提供来自模拟输入信号的经采样版本的额外数字数据。如在本文中例示的，-模数转换电路路径可以包括提供相应的数字数据的多个模数转换通道，-比较电路(例如26)可以被配置(例如22、24)为比较在模数转换电路路径中的来自多个模数转换通道的相应的数字数据和来自额外模数转换电路路径的额外数字数据，并且公布电路的故障条件作为比较的结果，显示出在模数转换电路路径中的从多个模数转换通道中的来自任何模数转换通道的相应数字数据和来自额外模数转换电路路径的额外数字数据之间的不匹配。在本文中例示的电路可以包括多路复用器电路块(例如22)，其被配置为将相应的数字数据(例如，从量化电路级所接收的)跨多个模数转换通道来分配。在本文中例示的电路可以包括多个寄存器，其被配置为存储在模数转换电路路径中来自多个模数转换通道的相应的数字数据。在本文中例示的电路中，比较电路可以包括额外的多路复用电路块(例如24)，其被配置从多个寄存器收回相应的数字数据，用于与来自额外的模数转换电路路径的额外数字数据进行比较。在本文中例示的电路中，额外的模数转换电路路径可以被配置为提供来自额外的模数转换电路路径的额外的数字数据错误校正码保护。在本文中例示的电路中，比较电路可以被配置为：作为来自模数转换电路路径的数字数据的结果和来自额外的模数转换电路路径的额外的数字数据达到某个差阈值，比较电路显示来自模数转换电路路径的数字数据和来自额外的模数转换电路路径的额外数字数据之间的不匹配，该差阈值可选地包括数字数据和额外的数字数据中的多个最低有效比特。在本文中例示的电路中，比较电路可以被配置(例如28)为被激活以早于模数转换电路路径中的模数转换的完成(例如，eoc)、以及早于在额外的模数转换电路路径中的模数转换的完成，执行来自模数转换电路路径的数字数据和来自额外的模数转换电路路径的额外的数字数据的比较。在本文中例示的设备(例如d)，其可以被耦合到和/或合并到本文中所例示的电路，该电路可以包括例如电动机控制设备，优选地用于无刷dc电动机。本文中所例示的电路的操作方法可以包括：-将模拟输入信号提供给模数转换电路路径和额外的模数转换电路路径，-从模数转换电路路径收集(例如，在o处)由模拟输入信号(i)的到数字信号的转换引起数字数据，-在比较电路处感测故障信号(例如，fault)，该信号指示由于比较结果而宣布的电路故障状态，从而显示了在来自模数转换电路路径的数字数据与来自额外的模数转换电路路径的额外的数字数据之间的不匹配。在不影响基本原理的情况下，细节和实施例可以相对于仅通过示例的方式描述的内容进行甚至显著的变化，而不背离保护的范围。保护程度由所附权利要求书确定。当前第1页12