可编程非接触式开关和仿真高可靠性开关的方法与流程

本申请总体上涉及一种可编程非接触式开关，并且更具体地涉及一种仿真(emulate)在安全性至关重要的控制中尤其有用的高可靠性开关的方法。

背景技术：

传统上，电气开关是使用机械运动来改变电流的流动的机电装置。传统的开关技术采用机械触点来控制电气电路。例如，常规开关利用移动部件和静止部件来随着该开关被致动而“闭合”和“断开”电路。这些开关在许多应用中都能很好地工作，但是由于机械磨损和电流流过导电元件所引起的劣化(例如，电弧和跟踪)而具有有限的寿命。

常规电气开关的另一个缺点是机械运动和电气状态(接通/断开)之间的关系是多维容差的函数。例如，由于零件间变差，机械容差会产生变化的操作时序。由于磨损和环境的影响，触点会随时间变化，从而产生与开关的使用年限和使用频率有关的变化的操作时序。操作时序上的这些变化产生了操作曲线，该操作曲线可以通过来自所有开关的群体中的一个开关在机械行程期间被断言的概率来最好地描述，如图1所示。

在诸如汽车点火开关的安全性至关重要的控制中，性能上的这种变化可能是具有挑战性的。例如，参照图2，汽车离散逻辑点火开关可以具有不同的操作模式，诸如结合止动器(detent)的不同位置、弹簧复位(瞬时)功能和/或互锁而定义的off(关闭)、acc(accessory(附件))、run(行驶)和start(启动)，并且在这些模式下提供不同模式的动力和/或助力操作。run模式和start模式可以为车辆操作员提供在其他模式(诸如accessory模式)下不可用的助力转向和制动。表示操作模式的每个条状物具有在其端部内建立的容差(例如，参见图2中以圆圈限定的区域)，该容差产生不确定性。如果点火开关遭受到用户所期的run模式被电子控件不合适地表征为accessory模式时的时序变化和充分磨损，则用户可能不得不在没有动力转向或助力制动的情况下操作车辆。

因此，在点火开关的情况下，电接触功能必须与机械特征(例如止动器、弹簧复位(瞬时)功能以及互锁)可靠地同步，并且不会不合适宜地重叠。当针对开关而定义的机械特征和电气输出信号不同步且重叠时(例如，当预期的机械特征在开关操作期间无法解决并产生不正确的电气响应时)，可能会出现诸如机械和电气叠加(stack)折衷之类的问题。减少这种不期望的操作变化的努力可能是昂贵的并且可能不是完全有效的。例如，传统开关经常被调整为同步于一个功能，但是不能最佳地同步于所有位置。

技术实现要素：

根据示例实施例，提供了一种用于对开关进行仿真的装置，该装置包括：传感器，其被配置为沿着与操作所述开关相关联的机械行程范围，感测针对开关的一个或多个特征的位置信息；和控制器，其被配置为：将针对一个或多个特征中的每一个的位置信息和对应输出存储在存储器装置中，以及当传感器在开关的操作期间检测到针对所述对应输出的位置信息时生成所述对应输出。

根据示例实施例的方面，该位置信息是由传感器在学习操作期间生成的，在所述学习操作期间，开关沿着机械行程范围被移动到一个或多个特征之中的每个特征，且传感器针对该特征生成位置信息，并且位置信息与针对该特征而指定的对应输出一起被控制器存储。

根据示例实施例的方面，该开关具有从旋转动作和线性动作中选择的至少一个动作，并且对于旋转动作，机械行程范围是围绕旋转轴线，且对于线性动作，机械行程范围是沿着纵向轴线。

根据示例实施例的方面，该开关的一个或多个特征选自止动位置、互锁接合位置、与瞬时开关操作区的开始相对应的位置、以及行程结束位置。

根据示例实施例的方面，该传感器是非接触式固态传感器。此外，传感器可以是从由霍尔效应传感器、磁阻传感器和电容传感器组成的组中选择的。例如，传感器可以包括两个角位置同轴(on-axis)霍尔效应元件，其被配置为检测旋转一致但旋转速率不同的一对双极磁体(two-polemagnets)的旋转，以在两个磁体之间产生正弦相位差来感测开关的位置信息。

根据示例实施例的各方面，该装置还包括第二传感器，其用于感测针对开关的一个或多个特征的位置信息，以向控制器提供冗余的位置信息。

根据示例实施例的各方面，该开关是从由汽车点火开关、汽车风挡刮水器开关、汽车转向信号开关、汽车前照灯开关、汽车变速器控制开关和气囊展开操作开关组成的组中选择的。

根据示例实施例的各方面，该输出是从由离散逻辑输出、通过通信介质传达的信号、控制器局域网(can)总线信号、装置消息以及开关接触操作命令组成的组中选择的。例如，通信介质可以是从由射频链路、有线链路、串行总线链路、以及光学链路组成的组中选择的。

根据示例实施例，提供了一种用于对高可靠性开关进行仿真的方法，该方法包括：相对于开关部署感测装置以生成与该开关有关的位置信息，感测装置被配置为沿着与操作所述开关相关联的机械行程范围来感测针对该开关的一个或多个特征的位置信息；映射(mapping)与该开关的一个或多个特征相对应的位置信息以生成该开关的习得的概况(profile)；和定义针对该开关的一个或多个特征中的各个特征的输出，并存储针对该开关的一个或多个特征中的各个特征的输出和对应位置信息。

根据示例实施例的各方面，该方法还包括：定义关于针对该开关的一个或多个特征中的各个特征的对应位置信息的位置信息值范围。此外，该方法还包括操作所述开关，并且当感测到位置信息处于针对该开关的一个或多个特征中的各个特征而定义的位置信息值范围内时，生成与在开关的操作期间所感测到的位置信息相对应的存储的输出。

根据示例实施例的各方面，所述映射包括：获得针对从止动位置、互锁接合位置、与瞬时开关操作区的开始相对应的位置、以及行程结束位置之中选择的该开关的一个或多个特征的位置信息。

根据示例实施例的方面，部署感测装置包括使用非接触式固态传感器来感测开关。非接触式固态传感器可以是从由霍尔效应传感器、磁阻传感器、和电容传感器组成的组中选择的。例如，感测装置可以是包括两个角位置同轴霍尔效应元件的霍尔效应传感器，所述两个角位置同轴霍尔效应元件被配置为检测旋转一致但旋转速率不同的一对双极磁体的旋转，以在两个磁体之间产生正弦相位差来感测开关的位置信息。此外，该开关可以是从由汽车点火开关、汽车风挡刮水器开关、汽车转向信号开关、汽车前照灯开关、汽车变速器控制开关、和气囊展开操作开关组成的组中选择的。

根据示例实施例的各方面，定义所述输出包括：关于位置信息指定输出，该输出是从由离散逻辑输出、通过通信介质传达的信号、控制器局域网(can)总线信号、装置消息、以及开关接触操作命令组成的组中选择的。例如，通信介质可以是从由射频链路、有线链路、串行总线链路、以及光学链路组成的组中选择的。

通过以下结合附图的描述，这些以及其他优点和特征将变得更加明显。

附图说明

在说明书的结尾处的权利要求书中特别指出并明确要求保护了本文所述的专有权的细节。从以下结合附图的详细描述中，本文描述的技术方案的前述和其他特征以及优点是显而易见的，在附图中：

图1是描绘表示开关相对于所有开关群体在其机械行程期间被断言的概率的曲线的图；

图2是示例常规开关的图；

图3是示例开关操作概况图；

图4是使用根据一个或多个所示实施例的仿真高可靠性开关的方法的示例改进型开关操作概况图；

图5是根据一个或多个所示实施例的被配置为仿真目标开关的示例可编程非接触式开关的框图；

图6是根据一个或多个所示实施例的示例可编程非接触式开关的图；

图7是根据一个或多个所示实施例的示例可编程非接触式开关的框图，该示例可编程非接触式开关采用两个角位置同轴霍尔传感器并且被配置为对目标开关进行仿真；

图8是根据一个或多个所示实施例的改进型开关操作概况图，其指示了仿真示例目标机械开关的代表性习得功能；以及

图9是对高可靠性开关进行仿真的示例方法中的步骤的框图。

具体实施方式

如本文中所使用的，术语模块和子模块是指一个或多个处理电路，例如专用集成电路(asic)、电子电路、处理器(共享的、专用的或成组的)、以及执行一个或多个软件或固件程序的存储器、组合逻辑电路、和/或提供所描述功能的其他合适的组件。可以理解，下面描述的子模块可以被组合和/或进一步划分。

如上所述，当为开关定义的机械特征和电气输出信号不同步且重叠时(例如，当预期的机械特征在开关操作的过程中无法解决并产生不正确的电气响应时)，可能会出现诸如机械和电气叠加折衷之类的问题。例如，在点火开关的情况下，电气接触功能必须可靠地与机械特征(例如，止动、弹簧复位(瞬时)功能和互锁)同步，以最小化不希望的重叠。本文描述了非接触式可编程开关以及使用其来将目标开关仿真为改进型高可靠性开关的方法的说明性实施例，以克服经受机械容差的常规开关的缺点，该机械容差会产生变化的操作时序和不希望的机械和电气叠加的折衷。

图2是示例目标开关(例如，下面描述的图5中的目标开关20)的示图，针对该示例目标开关的说明性实施例可以被用于对高可靠性开关进行仿真。图2中的开关是离散逻辑点火开关，其具有与开关特征相对应的off、附件(acc，accessory)、run和start功能或操作，该开关特征例如行程位置的对应的止动或互锁和/或弹簧复位(瞬时)开始和结束。应当理解，目标开关20可以是在其中期望高度可靠的开关操作的任何应用中的任何类型的开关，例如在安全至关重要的汽车应用中的例如转向信号开关、挡风玻璃刮水器操作开关、气囊展开操作开关、前照灯开关和汽车变速器控制开关(例如，换挡器(shifter)或换挡杆(gearshift)等、或(例如，在机器人应用程序中的)人机界面操作开关等。

图3是用于点火开关的常规开关操作概况图，其表示关于示例开关特征的示例开关功能或操作(例如，off、acc、run和start)。虚线24指示机械止动位置。交叉阴影线区域26指示行程位置的瞬时(弹簧复位)开始和结束。区域28指示“必须闭合”区。区域30指示“可能闭合”容差区(高达6°)。区域或条状物32指示典型的目标开关(例如，图5中的目标开关20)的操作。

如以下将描述的，当使用根据说明性实施例的可编程非接触式开关来对该目标点火开关进行仿真时，如图4所示，实现了针对点火开关的改进型开关操作概况图。当将图3和图4的开关操作概况图进行比较时，可以看出，使用根据说明性实施例的可编程非接触式开关来仿真目标点火开关实现了图4中的习得的开关概况，其不具有参照图2和3描述的传统目标点火开关的大容差。将例如图3中的条状物28与图4中的条状物40进行比较。条状物28示出了电气功能与机械特征的明显重叠。相比之下，图4中的习得的开关概况中的条状物40，特别地条状物40a和40b，示出了接触时序是如何同步的以及如何使用止动器来学习位置之间的机械行程，以使得容差不再由于机械部分和电气部分的叠加而在不正确位置提供不期望的功能。

如图4所示以及在下面参考图5至图9进一步描述的，由说明性实施例提供的技术解决方案包括可编程非接触式开关，该可编程非接触式开关利用非接触式位置传感器50和具有开关算法的处理器52以新颖且有利的方式来改善传统开关20的功能。所使用的传感器技术类似于电动助力转向(eps)系统中的位置传感器。然而，传感器技术通过针对开关仿真的说明性实施例而被优化，由此传感器输出54被学习并可靠地用于指定的开关功能或操作。输出54可以被用来指定开关操作(例如，run或acc)、触发软件更新、或在操作所述开关的系统中发送消息(例如，经由can总线)。

包括(一个或多个)非接触式位置传感器50和处理器52的可编程非接触式开关就动作而言可以是旋转的或线性的。(一个或多个)传感器50可以是例如不具有电气周期限制的非接触式固态传感器，这使得可编程非接触式开关在其整个寿命期间的电气工作非常稳健。

根据示例实施例，(一个或多个)传感器50包括两个角位置同轴霍尔传感器。这些传感器检测一对双极磁体的旋转，如图6和7所示。磁体通过共用的驱动器而一致地旋转，但是以不同的旋转速率来旋转。该速率变化是通过使用两个不同的齿轮比(gearratio)来实现的。作为进一步的增强，霍尔传感器可以是双的，也就是说，使用并行配置的两个霍尔元件以实现冗余从而提高鲁棒性。这种冗余配置允许这些传感器50在符合针对汽车生产中的电气和/或电子系统的功能安全性的国际标准化组织(iso)26262标准(用于)的功能安全性系统中满足asil“d”要求。

继续参照图6和图7，(一个或多个)传感器52和处理器50可以是例如可从新罕布什尔州曼彻斯特的allegromicrosystems有限责任公司获得的霍尔效应角度传感器集成电路(ic)(例如，型号a3337)。然而，应当理解，可以使用不同的ic，并且不需要在同一组件或封装中提供(一个或多个)传感器50和处理器52。例如，a1337具有片上系统(soc)架构，该架构具有控制器、存储器、数字信号处理、模拟前端、模数转换和基于磁性圆形垂直霍尔(cvh)技术提供非接触式高分辨率位置信息的感测技术。a1337在同一表面安装封装中合并了两个电气独立的基于霍尔效应的传感器裸片。每个基于霍尔传感器的裸片在x-y平面中通过360度测量磁场矢量的方向，并基于实际物理读数以及由系统设计人员已设置的任何内部配置参数来计算角度测量值。主机微控制器52使用每个裸片的输出来提供单个通道的目标数据。用于iso26262asild(安全性至关重要)应用的说明性实施例的可编程非接触式开关的示例组件可以是双独立soic组件，比如从allegromicrosystems有限责任公司可获得的a1335、a1337和a1338，但是也可以使用其他组件和制造商。

继续参照图6和7，每个磁体的旋转可感测到0.02°，从而提供非常高的精度。变化的旋转速率会在两个磁体之间产生改变的正弦相位差。这允许通过多次磁体旋转感测到唯一的位置。这种多次旋转的能力允许小角度旋转在机械上被放大，而不是受限于360°的磁体旋转。然后，根据说明性实施例，可以将该位置信息存储到微控制器52中并使用由微控制器52实现的开关算法(图9)将其与开关功能或输出54相关联。这些开关功能54可以是例如固态电气输出(离散输出)，或通过通信介质(无线电、串行总线、光学链路等)传输的信号(例如消息)。这允许通过将开关或目标装置20移动到机械特征(止动、互锁限制或其他位置)并学习与该特征相对应的位置来对说明性实施例的可编程非接触式开关进行编程。然后，与该位置相关联的电气功能可以是当根据处理器52中的开关算法感测到该位置时的输出54。可以在机械行程范围内学习目标开关20的功能，从而允许说明性实施例的开关算法对常规机械开关进行仿真，而没有机械开关限制。

根据示例实施例，包括(一个或多个)非接触式位置传感器50和具有开关算法的处理器52的可编程非接触式开关提供了学习过程，该学习过程在去除由组件容差引起的变化方面特别有用。能够针对每个组件及其独特的物理量来定制针对目标装置20的闭合点、断开点和所有操作区。例如，在图8中描绘了根据一个或多个说明性实施例的改进型开关操作概况图，其指示了仿真示例目标机械开关的代表性习得的功能。沿着线60来指示机械开关的旋转程度和止动。沿着线62来指示使用说明性实施例的开关算法生成的习得的位置。如在64处所指示的，用于仿真机械开关20的习得的功能不具有传统目标点火开关的大容差(例如参照图2和图3所描述的那些)，并且除去了变化的操作时序以及不期望的机械和电气叠加折衷。例如，基于以下标识的感测位置来生成以下输出54：

启动器(starter)：如果位置>90°，则为真。

点火系统(ignitionsystem)：如果位置>65°，则为真。

行驶(run)：如果65°<位置<90°，则为真。

附件(accessory)：如果40°<位置<90°，则为真。

钥匙提醒(keyminder)：如果0°<位置<40°，则为真。

当将图2中的常规开关概况与图4或图8中改进型开关概况进行比较时，显然，就图4或图8中的习得的功能和感测的位置而言存在更高的精度。例如，在starter功能与run功能和accessory功能之间没有重叠，因此机械和电气叠加折衷的可能性较小。

应当理解，可以使用其他非接触技术来感测以上结合图7所描述的两个齿轮的旋转，例如使用磁阻或电容传感器。同轴霍尔传感器具有非常好的可靠性和灵敏度。此外，同轴霍尔传感器允许使用微调工艺(trimmingprocess)对由于机械容差引起的误差进行校正。

现在参考图9，图9是示出了示例方法的流程图，该示例方法可以根据开关算法、经由处理器52而实现为一系列操作。说明性实施例的示例包括三个步骤：a)如在70处所指示的，从高可靠性传感器获得位置信息；b)如在72处所指示的，映射特征(根据需要，止动器、弹簧复位元件)的位置；c)基于位置信息来分配功能。将在下面进一步详细讨论该方法中的这些步骤中的每个步骤。

例如，关于获得位置信息(框70)，可以通过旋转动作传感器50或线性动作传感器50来获得位置信息。如上所述，不具有电气周期限制的非接触式固态传感器是有利的。例如，使用非接触式固态传感器可以确保在开关的整个使用寿命内开关的电气操作非常鲁棒。

如上所述，一个有利的实施例使用两(2)个角位置同轴霍尔传感器50。这些传感器50检测一对双极磁体的旋转，如图7所示。通过共用的驱动器使磁体一致地旋转，但是旋转速率不同。该速率变化是通过使用两个不同的齿轮比来实现的。每个磁体的旋转都可以感测到0.02°，从而具有非常高的精度。相异的旋转速率会在两个磁体之间产生变化的正弦相位差。这允许在多个磁体旋转上感测唯一的位置。这种多旋转能力允许机械地放大小角度旋转，而不受360°磁体旋转的限制。作为进一步的增强，每个霍尔传感器都可以使用并行配置的两个霍尔元件，以通过冗余提高鲁棒性。在这种配置下，传感器系统可以满足在符合iso26262功能安全性的系统中的asil“d”要求。

关于图9中的框72以及映射关于通过说明性实施例的技术解决方案而仿真的目标开关20的特征的位置的操作，然后可以经由处理器52来存储利用(一个或多个)传感器50生成的位置信息和所习得的行程中的重要位置。这些位置可以是止动位置、行程结束、弹簧复位(瞬时)区的开始或其他重要位置(互锁接合)。在校准过程期间，通过将传感器52移动到机械特征并保存位置信息来学习这些位置。此学习过程对于去除由组件容差引起的变化特别有用。因此，可以为每个组件及其独特的物理量来“定制”位置。

关于图9中的框74和功能分配的操作，来自前一操作(框72)的位置映射与预定义功能54同步。这些功能可以是模块输出(离散)、逻辑状态、模拟输出、甚至是通过网络传达的消息。网络可以是串行总线(即can、lin、flexray等)、光学链路或射频传输(wifi、蓝牙等)。例如，可以通过开关算法来配置指定的开关映射位置，以促使输出can消息连同闭合接触(aclosecontact)。因此，在操作期间，开关的读取位置和输出可以是除了纯粹接触闭合之外的功能。

功能可以在机械行程范围内学习，从而允许开关算法在没有机械开关限制的情况下模拟常规机械开关。由说明性实施例提供的技术解决方案创建了学习和映射装置，使得基本上每个开关都可以针对在其中操作所述开关的机械系统而被唯一地编程和配置。由说明性实施例提供的技术解决方案是有利的，因为开关的位置在任何时候都是已知的，使得系统设计者可以学习系统实际上在哪里连同系统计划要在哪里。根据说明性实施例，系统设计者可以使用绝对位置技术，并基本上将任何功能或消息映射到可靠地感测到的位置。

在本文中根据一个或多个说明性实施例描述了技术解决方案，其以新颖的方式利用鲁棒的非接触式位置传感器来仿真传统开关的功能。众所周知不存在霍尔传感器用于仿真传统开关的应用。所使用的传感器技术类似于电动助力转向系统中的位置传感器。但是，它是针对开关仿真(这是一项独特的功能)而优化的，并且输出被用于开关仿真。

尽管仅结合有限数量的实施例详细描述了技术方案，但是应当容易理解，技术方案不限于这样公开的实施例。而是，可以对技术方案进行修改以并入迄今未描述但与技术方案的精神和范围相称的任何数量的变型、变更、替代或等效布置。另外，尽管已经描述了技术方案的各种实施例，但是应当理解，技术方案的各方面可以仅包括所描述的实施例中的一些。因此，技术方案不应被视为由前述描述来限制。