传感器设备以及用于控制传感器设备的能量消耗的电路装置和方法与流程

1.本发明涉及一种传感器设备，以及用于控制传感器设备的能量消耗的一种电路装置和一种方法。


背景技术：

2.传感器通常检测一个或多个周围环境参数，并提供与待检测的参数相对应的输出信号。为了检测和预处理传感器的输出信号，通常需要电路，该电路需要电能。尤其对于电池供电的传感器装置，在此值得期望的是：传感器装置具有尽可能低的能量消耗。
3.文献de 10 2018 200 379 a1描述一种具有至少一个传感器元件的传感器装置。传感器装置还包括用于基于传感器信号产生传感器数据的电路装置，其中，在激活模式下产生传感器数据，而在休眠模式下不产生传感器数据。


技术实现要素：

4.本发明提出具有根据本发明的特征的用于自动控制传感器设备的能量消耗的一种电路装置，一种传感器设备，以及用于自动控制传感器设备的能量消耗的一种方法。其他有利的构造是从属权利要求的主题。
5.本发明的优点
6.本发明基于以下知识：传感技术上检测的信号的预处理和处理通常需要电能。在此，可用于传感器信号的处理的能量可能是受限的。提供用于传感器信号的处理的能量例如可以由诸如电池等的电能存储器来提供。因此，力求使得用于传感器信号的预处理和处理的能量消耗保持尽可能低。
7.此外，本发明基于以下知识：传感技术上检测的测量参量可能不会永久地发生变化。传感技术上监测的参数可能能够在较长的时间内保持恒定，或者至少仅在不重要相关的值范围内移动。根据应用，在这种情况下不需要永久地检测和预处理传感器值。
8.因此，本发明的构思是考虑所述知识并且提出对传感器信号的尽可能高效节能的处理。在此，本发明的一个特别的构思在于：仅在传感器信号指示待监测的参数发生明显的变化时，才监测传感器的输出信号并激活传感器信号的下游的预处理和/或处理。附加地或替代地，也可以根据传感器信号的时间上的变化来匹配传感器信号的预处理或处理。例如，在传感器信号的低的时间上的变化的情况下，下游的处理也仅能以低时钟速率实施。在此，对于具有较低的时钟速率的该处理仅需要较低的电功率。反之，在传感器信号的高的时间上的变化的情况下，也可以相应地匹配传感器信号的处理或预处理，以便对于这种情况始终能够确保所需的准确度。
9.如果在监测传感器信号的时间上的变化时确定传感器信号没有变化或至少没有明显变化，则传感器信号的下游的预处理或处理可以完全停用，或仅以非常低的所需功率运行。为此，用于处理或预处理传感器信号的单元例如可以置于空闲模式(ruhemodus)，或
置于具有非常低的能量消耗的运行模式。
10.在用于处理传感器数据的设备的输入连接部能够提供传感器信号的传感器可以涉及任何传感器。尤其以下任何传感器都是可能的：所述传感器检测一个或多个环境参数(如温度、压力、湿度、亮度或任何其他数值)并输出与检测到的参数相对应的传感器值。在此，传感器值可以以任何形式提供，尤其是提供为任何模拟信号。例如，可以输出与通过传感器监测的参数相对应的电流或相对应的电压。
11.差分装置(differenziereinrichtung)可以与用于处理传感器数据的设备的输入连接部直接连接，以接收由传感器提供的传感器信号。必要时可以在输入连接部和差分装置之间设置合适的耦合装置。所述耦合装置例如可以将从传感器领域中提供的传感器信号转换成与传感器信号相对应的、适合于进一步处理的信号。例如，由传感器提供的电流信号可以转换成相应的电压信号，或者可以将电压信号转换成相应的电流信号。在需要时，如有必要也能够实现电隔离或类似。
12.差分装置可以监测由传感器提供的传感器信号。差分装置尤其可以执行时间上的差分(differenzieren)。在此，差分装置可以求取传感器信号的变化，尤其是传感器信号随时间的变化。差分装置例如可以求取：传感器信号相比预定值的偏差是否高于阈值，或传感器信号在预先确定的时间段内的变化是否高于预给定的阈值。如果探测到这种偏差，则差分装置例如可以输出相应的信号化。替代地，差分装置可以输出与所监测的传感器信号的时间上的变化相应的信号。
13.差分——即监测传感器信号的时间上的变化——尤其可以在模拟领域中(即基于模拟接收的传感器信号)以及在数字领域中(即基于经数字化的传感器信号)进行。如果传感器信号的监测在模拟领域中进行，那么只要在模拟领域中没有检测到传感器信号的时间上的变化或者没有检测到传感器信号的时间上的明显的变化，在必要时可以停用所有下游连接的其他部件，尤其是模数转换器。反之，如果传感器信号的监测在数字领域内进行，则必须至少暂时激活上游连接的部件(例如模数转换器)，以便能够提供所需的数字信号。
14.基于通过差分装置对传感器信号的分析处理，可以匹配传感器设备的运行。为此，例如可以根据所探测到的传感器信号的时间上的变化分别从传感器设备的多个可能的运行状态中选择一个合适的运行状态，然后可以相应地设置传感器设备。例如，可以在传感器设备中设置如下的空闲状态(睡眠模式)：在所述空闲状态中传感器设备仅具有最小的能量消耗。例如，在这种空闲状态中，传感器可以不实施传感器的传感器信号的处理。此外，可以在传感器设备中设置如下的运行状态：在所述运行状态中在预先确定的时间间隔内由传感器连续或周期性地处理传感器信号。尤其例如可以设置，根据传感器信号的时间上的变化来匹配传感器设备的一个或多个运行参数。例如，可以根据传感器信号的时间上的变化值来匹配模数转换的采样率。此外，可以根据传感器信号的时间上的变化值来匹配其他运行参数，如处理速度等。
15.因此，以这种方式能够实现如下：如果传感器信号不改变或仅以低程度改变，则使得用于处理传感器信号的能量消耗最小化。同时，能够确保：在传感器信号中发生明显的变化时，通过相应地匹配数字信号处理的运行参数始终确保传感器信号的足够准确的处理。
16.本发明的其他构型、扩展方案和实施方式还包括以上或以下关于本发明的实施例所描述的特征的没有明确提及组合。本领域技术人员在此尤其还将添加各个方面，作为对
本发明相应的基本形式的改善或补充。只要有意义，所述的构型和扩展方案能够任意地相互组合。
附图说明
17.以下在附图中产生本发明的其他特征和优点。在此示出：
18.图1示出根据本发明的一种实施方式的传感器设备的框图，所述传感器设备具有用于自动地控制能量消耗的电路装置；
19.图2示出流程图，该流程图是用于根据本发明的一种实施方式的用于自动地控制传感器设备的能量消耗的方法的基础。
具体实施方式
20.图1示出根据一种实施方式的传感器设备100的示意图。传感器设备100包括至少一个传感器2和用于控制传感器设备100的能量消耗的电路装置1。传感器2可以涉及任何如下的传感器：所述传感器在传感技术上检测一个或多个参数，如温度、压力、湿度、亮度、速度、加速度或任何其他参数。传感器2例如可以涉及微机械压力传感器元件、加速度传感器元件、旋转速率控制传感器元件或磁性传感器元件。
21.在此处示出的实施例中，电容式地检测参数，并且借助电容/电压转换器10将所述参数转换成模拟的传感器信号。但当然也能够以任何其他形式来提供模拟的传感器信号。
22.电路装置1包括模拟前端电路30。电容/电压转换器10是所述模拟前端电路30的一部分，所述模拟前端电路还包括具有可变的采样率和分辨率的模数转换器32。借助所述模数转换器32将模拟的传感器信号转换成数字的传感器信号。
23.对经数字化的传感器信号的进一步的处理例如能够在数字后端电路40中进行，所述数字后端电路同样是电路装置1的一部分。例如，数字后端电路40可以具有任何合适的组件，例如连接在模数转换器32下游的、具有可变的滤波器参数的数字滤波器43。当然，也能够是任何其他组件，例如放大器、先进先出(fifo)存储器或输出接口。尤其可以通过有线或无线的接口将经处理的传感器信号传输到一个或多个其他设备。所述传输在此可以借助任何合适的格式或协议进行。
24.根据本发明，电路装置1包括至少一个差分装置31、41，所述差分装置监测模拟的传感器信号和/或经数字化的传感器信号并且探测传感器信号的时间上的变化。在此处示出的实施例中，设置模拟的差分装置31，其监测由电容/电压转换器10提供的模拟的传感器信号，并且探测模拟的传感器信号的变化：例如传感器信号的偏差高于预给定的阈值，或传感器信号在预先确定的时间段内的变化高于预给定的值。附加地，在此在数字后端电路40中设置数字的差分装置41，其探测经数字化的传感器信号的变化。
25.将由模拟的差分装置31和/或数字的差分装置41求取的偏差、尤其是传感器信号随时间的偏差提供给控制装置42，该控制装置设计用于，根据传感器信号的时间上的变化来选择和设置传感器设备100的多个预给定的运行模式中的一个。为此，控制装置42能够改变传感器设备100的各个部件的运行、尤其是模数转换器32和/或滤波器43的运行模式，尤其在数字后端电路40中根据所求取的传感器信号的变化来进行改变。
26.例如，当模拟的传感器信号不发生变化或至少不明显地发生变化时，控制设备42
可以将传感器设备100的相应的部件置于空闲状态(睡眠模式)。例如，如果模拟的传感器信号的变化高于预给定的阈值，则控制设备42可以将模数转换器32和/或数字后端电路40中的部件41和43置于空闲模式。替代地，如果模拟的传感器信号在预给定的时间段内的变化不超过预给定的阈值，则相应的部件就可以保持在空闲状态中。此外，用于维持空闲状态或设置空闲状态的任何其他标准当然也是可能的。
27.如果基于通过差分装置31、41中的至少一个进行的监测来探测预先确定的事件，例如传感器信号的偏差高于预先确定的值，或者传感器信号在预先确定的时间段内的偏差超过预先确定的值，则控制装置42为传感器设备100选择其他预给定的运行模式并使得其改变为所述其他运行模式。为此，控制设备42例如可以激活模数转换器32和/或所需的其他部件以便实施任何操作，例如模数转换、滤波、存储、数据传输或类似。
28.此外，为了进一步优化传感器设备100的运行性能，尤其是为了优化能量消耗，此外能够动态地匹配传感器设备100、例如模数转换器32的部件的一个或多个设置。例如，在传感器设备100内，尤其在数字后端电路40中，可以根据通过模拟的差分装置和/或数字的差分装置31、32求取的传感器信号的变化来匹配用于处理经数字化的传感器数据的时钟速率。例如，如果通过差分装置31、41探测到传感器信号的快速变化，则可以以更高的处理速度来处理数据。相反，如果通过差分装置31、41探测到传感器信号仅缓慢地变化，则处理速度就会降低。
29.附加地或替代地，也能够根据传感器信号的变化速度来匹配运行参数，例如模数转换器32的采样率。如此，例如当模拟的差分装置和/或数字的差分装置31、41确定输入连接部10处的传感器信号正在快速变化时，可以提高模数转换器32的采样率。类似地，当传感器信号较慢地变化时，可以降低模数转换器32的采样率。当然，此外也能够是任何的如下其他参数：所述其他参数能够根据输入连接部10处的传感器信号的时间上的变化来动态地匹配。
30.如果模拟的传感器信号未发生变化或至少未明显地发生变化，则因此必要时能够将传感器设备100的模数转换器32和/或其他部件，尤其数字后端电路40的其他部件置于空闲状态。因此在所述空闲状态下，传感器数据的处理例如是受限制的，或者必要时完全停止(eingestellt)。例如，在空闲状态期间可能根本不进行传感器数据的处理。替代地也可能的是，例如在空闲状态中进行传感器信号的受限的处理。在空闲状态中，也能够例如周期性地对传感器信号进行必要时短时间的处理。例如能够对于预先确定的持续时间进行传感器信号的处理。随后，可以对于其他时间段暂停传感器信号的处理，以便随后对于预先确定的持续时间再次处理传感器信号。以这种方式，即使在恒定的传感器信号下或者传感器信号仅以低的程度发生变化的情况下，也能够进行传感器信号的至少受限的其他处理。
31.图2示出流程图，其以根据一种实施方式的用于控制传感器设备100的能量消耗的方法为基础。原则上，该方法可以包括以上结合传感器设备100已经描述的任何步骤。类似地，传感器设备100可以包括适合于实现以下描述的方法的任何部件。
32.所述方法尤其能够应用于具有传感器元件2、模拟前端电路30和数字后端电路40的传感器设备100。
33.在开始，在步骤s1中，该方法可能处于特别低的能量消耗(ultra low power，缩写ulp，超低功率)状态。在此，例如可以停用除了输入接口10之外的所有部件。接下来，在步骤
s2中，例如可以激活模拟的差分装置31，以便对输入信号关于可能的时间上的变化进行检查。在此，模拟的差分装置31例如可以跨越较长的时间段以连续的运行来运行。替代地可能的是，仅分别对于预先确定的时间间隔周期性地激活模拟的差分装置31，然后分别对于其他预先确定的时间间隔停用所述模拟的差分装置。
34.在步骤s3中可以检查，所接收的模拟信号的时间上的变化的量值delta_a是否高于预给定的阈值s_a。如果时间上的变化的量值delta_a小于预给定的阈值s_a，则传感器设备100的部件保持在其当前状态。否则，如果模拟输入信号的时间上的变化的量值delta_a超过预给定的阈值s_a，在步骤s4中可以激活传感器设备100的其他部件。例如可以激活模拟前端电路30的模数转换器32。此外，也可以激活数字后端电路40的部件。
35.在步骤s5中，在激活后端电路40时，在数字领域中借助数字的差分装置41来监测接收的传感器信号的时间上的变化。如果在此在步骤s6中确定经数字化的传感器信号的时间上的变化是近似恒定的，则系统可以保持其当前的运行状态。否则，在步骤s7中可以检查，所接收的传感器信号的时间上的变化是增加还是减少。
36.如果在步骤s7中确定了传感器信号的时间上的变化继续增加，则在步骤s8中，例如可以相应地匹配传感器设备100中的部件的运行、尤其是模数转换器32中的或数字后端电路40中的部件的运行。例如，可以提高对于模数转换器32中的模数转换的采样率。如果几个部件(例如数字后端电路40的部件)以周期性的运行来运行，则在探测到传感器信号的时间上的变化增加时可以匹配周期的运行的占空比。例如，可以缩短两个激活的运行周期之间的间歇。此外，例如，也可以从周期性的运行切换到连续的运行。
37.相反，如果在步骤s7中确定了传感器信号的时间上的变化相对于先前的时刻有所减少，则可以首先在步骤s9中检查是否仍然需要传感器设备100的激活的运行。例如，如果在步骤s7中确定了所接收的传感器信号的时间上的变化已经下降到低于相应的阈值，或者满足其他标准(并且所接收的传感器信号的幅度已经下降到低于预给定的阈值)，这表明至少部分地停用传感器设备100，如此能够将传感器设备100切换到上述的超低功率模式。
38.相反，如果在步骤s9中确定了所接收的传感器信号的时间上的变化仅以低的程度降低，则可以相应地匹配传感器设备100的运行模式。例如，在步骤s10中可以降低模数转换器32的采样率。如果传感器设备100的所有部件或传感器设备100的部件中的至少几个部件处于连续的运行模式，必要时也可以在步骤s10中将所述部件从连续的运行模式切换到周期性的运行模式，在所述周期性的运行模式中，仅暂时激活所述部件中的至少几个部件，然后对于预先确定的持续时间停用所述至少几个部件。如果传感器设备100的部件中的至少几个部件已经在周期性的运行模式中运行，则必要时也能够匹配所述周期性的运行模式的运行参数。例如，可以增加两个激活的阶段之间的间歇，或者可以缩短激活的阶段的运行持续时间。
39.综上所述，本发明涉及一种高效节能的传感器设备，一种用于所述高效节能的传感器设备的运行的电路装置，以及一种用于控制传感器设备的能量消耗的方法。尤其设置，根据所接收的传感器信号的时间上的变化来匹配传感器设备的运行模式。