专利名称：用于电容测量的可配置电子控制器的制作方法
技术领域：
本发明涉及电容测量的设备和方法，尤其是连接到可配置电子控制器的电容式传感器和电缆电容，这种可配置电子控制器在汽车和工业自动化中是有用的。
背景技术：
汽车和工业电子控制系统将电容式传感器用于，如压力、湿度和位置感应，液面、触摸开关以及其他控制应用的测量。为了这个目的，电子控制器优选地装备有电容到数字转换模块，比如Analog Device公司的AD7745型。该电路的目的仅仅是电容测量，并不适于通过相同输入的对例如电压或电流传感器的另一传感器类型的数据采集。
一个更为灵活的解决方案是Sensor Platforms公司的传感器信号处理器芯片型号SSP1492。这个信号处理器可以配置成接受电容式、电感式或者电阻式的传感器类型，但是每一种配置取决于外部元件，而这些外部元件不能在实时操作中进行更换。换句话说，为了配置另一传感器类型的信号采集，必须改变印制电路板的元件。这从物流和经济的角度上来说是很成问题的。
WO2005/029207(授予V.Burkatovsky)中所述的可配置电子控制器配置为，通过软件命令，在相同的输入引脚上执行不同输入信号参数，如电压、电流和电阻的测量，以及接受数字开-关检测器。WO2006/008732(V.Burkatovsky)中所述的另一相关发明描述了这种可配置电子控制器的输入信号互连检测的装置和方法。
本发明的目的之一是提供一种电容测量技术，这种电容测量技术可用于计算机化的控制，尤其是用于基于上述WO2005/029207中所述类型的可配置电子控制器结构的控制。
电缆诊断领域是工业自动化控制技术的重要部分。在这种应用中，通常所采用的电缆具有一致的几何形状，而可有几十厘米到几十米的长度变化。电缆断开或损坏使得电缆中断，这被认为是机器控制的主要故障，这就需要服务人员采用特殊工具为接下来的维修对故障进行定位。
在诸如Infineon Current Sense TLE4990数据手册(箝位选项)中提到了电缆断点的诊断。在诸如US6,868,357中描述了用于电缆测试的工具，其利用了频域反射仪(FDR)的原理。在诸如US6,646,454，、US5,339,022，、US5,493,650和US6,181,140中描述的其他装置通过测量被测试电缆的频率或者电容特性来确定电缆的长度。
US6,459,271描述了一种通过下列方法来定位电缆故障的装置向导体的一端施加直流电压阶跃函数，在整个采样周期内在该端处测量流入导体的直流电流，对在整个采样周期内测得的电流进行积分，并且通过积分直流电流和已知的导体电容/单位长度来计算导体的这一端到开路故障之间的距离。
这些所描述的装置器件被实现为测试和测量的工具，专门用于测量电容或者电缆长度，电缆断点检测和定位，而不适用于机器控制。
本发明的另一目的是通过基于上述WO2005/029207中所述类型的可配置电子控制器结构的电容测量技术来提供一种用于对连接到电子控制器的电线和电缆的断点进行定位的方法。在这种方法中，同样的控制器能够在它的输入端接受所有类型信号，在它的输出端产生控制信号，并且测量电缆的电容以检测并定位电缆断点并且执行导线诊断。
发明内容
特定实施例的目的是提供一种方法和一种设备，通过使用自适应输入单元测量电容，尤其是测量高值和低值的电容。特定实施例的另一目的是提供一种基于电容测量的估算开路导体长度的方法。本发明的各实施例的所有目的、方面、特征和优势，将从下面的优选实施例、附图和权利要求的详细描述中得到更清晰的理解和认识。
根据发明的一个方面，提供了通过输入单元测量电容的设备。输入单元包括具有第一输入和第二输入的比较器，电容连接在第一输入和地之间；串联连接在第一参考电压源和第一输入之间的第一电阻器和第二电阻器；连接到第一电阻器、第二电阻器和地的第一开关，所述第一开关适合于从第一控制线接收第一控制信号以及根据第一控制信号在打开状态和闭合状态之间切换，第一电阻器、第二电阻器和第一开关适合于分别在第一开关打开时和第一开关闭合时，提供电容的充电和放电。第三电阻器和第四电阻器串联连接在第二参考电压源、第二开关和波形输入线之间，该第三电阻器和第四电阻器连接到第二输入。第二开关适合于从第二控制线接收第二控制信号，以及基于第二控制信号在打开状态和闭合状态之间转变，以便分别在第二开关打开和闭合时，在波形输入信号和偏置衰减的波形输入信号之间切换第二输入。提供系统时钟以至少同步波形输入和第一、第二控制信号，并且比较器在其输出处产生指示第一输入处的信号幅度是否大于第二输入处信号幅度的信号。
另外一个方面，提供了测量电容值的方法，包括提供可配置输入单元的步骤，输入单元包括具有第一输入和第二输入的比较器，电容连接在第一输入和地之间；第一电阻器和第二电阻器串联连接在第一参考电压源和第一输入之间；连接到第一电阻器、第二电阻器和地的第一开关；串联连接在第二参考电压源、第二开关和波形输入线之间的第三电阻器和第四电阻器，该第三电阻器和第四电阻器连接到第二输入。接下来方法的步骤包括通过向第一开关提供第一控制信号和向第二开关提供第二控制信号来定义输入单元的第一测量配置和第二测量配置；提供系统时钟以至少同步波形输入和第一、第二控制信号；通过第一控制信号启动至少一个电容充电和放电周期；以及通过第一和第二测量配置测量至少一个高电容值和低电容值。由于通过系统时钟的累积计数进行测量，比较器的输出信号指示电容值。
根据另一方面，提供一种可配置控制器，其包括系统时钟，同步控制模块；连接同步控制模块的多个可配置信号采集模块；连接多个信号采集模块的控制逻辑；分别连接多个信号采集模块和相应的多个输入引脚的多个输入单元；连接同步控制模块和多个输入单元的同步信号发生器，其中多个输入单元的每个单元可操作将输入信号参数转换为基于时间的参数；并且其中信号采集模块的每个模块被配置为将基于时间的参数转换为数字形式。输入单元包括具有第一输入和第二输入的比较器，第一输入连接到输入引脚，并且输出信号连接到信号采集模块；连接到输入引脚的传感器输出信号和电容中的至少一个；第一晶体管开关和第二晶体管开关；分别连接到比较器的第一输入和第二输入，以及连接到到第一晶体管开关和第二晶体管开关的电阻器网络，其中第一晶体管开关可由信号采集模块配置为形成对在输入引脚接收到的传感器输出信号的上拉或下拉；并且其中第一晶体管开关可由信号采集模块配置为启动至少一个电容充电和放电周期。其中第二晶体管开关可由信号采集模块配置为将第二输入连接到第二参考电压源或者来自同步信号发生器的输入波形；并且其中产生的比较器输出信号指示传感器输出信号和电容值中的至少一个。
根据再另一方面，提供了采集多个信号和测量电容的方法，其包括步骤提供系统时钟，同步控制模块，配置连接同步控制模块的多个可配置信号采集模块，提供连接多个信号采集模块的控制逻辑，提供分别连接多个信号采集模块的多个输入单元，提供连接多个输入单元的同步信号发生器，所述多个输入单元从传感器和充电电容采集输入信号，所述输入信号由所述多个输入单元中的一个采集，将采集的输入信号转换成多个基于时间的参数，将多个基于时间的参数转换成数字形式。由输入单元中包括的第一开关和第二开关控制将采集到的输入信号参数转换为多个基于时间的参数。
文中参照附图，仅以示例的方式说明本发明，其中 图1是本发明中使用的包括自适应输入单元电路的电子控制器的原理框图； 图2是本发明中使用的自适应输入单元电路的原理图； 图3A-3C示出优选实施例和高电容值测量中所涉及信号的时序图； 图4A-4C示出另一优选实施例和高电容值测量中所涉及信号的时序图； 图5A-5C示出优选实施例和低电容值测量中所涉及信号的时序图； 图6A-6C示出另一优选实施例和低电容值测量中所涉及信号的时序图； 图7示出优选实施例中使用的比较器535的两个输入端上的信号，该信号也在图6A中示出； 图8示出在周期T内测量得到的总电荷，如图6A-6C所示； 图9是和图6A相关的另一时序图；而 图10是本发明中测量开路导线自身电容和长度的自适应输入单元电路的原理图。
具体实施例方式 将参考可配置电子控制器的结构来说明本发明的优选实施例，特别是如在Vitaly Burkatovsky的名义下与本申请同时提交的标题为“ANADAPTIVE INPUT-CELL CIRCUITRY USEFUL IN CONFIGURABLEELECTRONICS CONTROLLERS”的美国申请号(Attorney Docket 91563ARRS)中所述的自适应输入单元的结构。
电容测量的优选实施例基于图1中的结构，它和上述美国申请号11/472142的图3中描述的结构大体相似。
具体来说，图1是采用了多个自适应输入单元500的可配置控制系统600的一个实施例的总体框图。可配置控制系统600基本类似于WO2005/029207的图3中所示出的控制器，不同的是自适应输入单元500代替了原来的基本输入单元240。可配置控制系统600包括同步信号发生器250；可配置数字单元200，例如FPGA或者CPLD，其至少包含同步控制模块270、控制逻辑模块370和多个信号采集模块260，配置为通过自适应输入单元500接收来自可配置控制系统600输入引脚210的信号。自适应输入单元500可以相同或可以不同。
输出控制逻辑模块280可被配置为通过高端输出驱动器350和/或低端输出驱动器360来提供连接到可配置控制系统600的输出引脚380的负载的控制。在该实施例中，上述高端输出驱动器350各自具有高端开关控制310和高端开关320，同时上述低端输出驱动器360各自具有低端开关控制330和低端开关340。
可配置控制系统600的同步控制模块270被配置为产生基本的时间相关信号，以便于同步自适应输入单元500和信号采集模块260的运行。对于通过自适应输入单元500将输入信号值转换成基于时间的参数(例如脉冲宽度，延时，占空比，频率等)，以及随后对于通过可配置信号采集模块260将这些基于时间的参数转换为数字形式，上述同步是需要的。同步控制模块270一种可能的实现方式可以是，例如，对等间隔输入脉冲数量进行计数的计数器。例如，上述脉冲序列可以从系统时钟获取。同步控制模块270的输出参考数据290连接到每一个信号采集模块260并且还作为同步数据275连接到同步信号发生器250。同步信号发生器250例如实现为数模转换器。同步控制模块270连接到每个信号采集模块260并且还作为同步数据275连接到同步信号发生器250。当同步控制模块270运行时，与输出参考数据290相等的同步数据275的值周期性地从零变化到其最大值，这使得在同步信号发生器250的同步输出255上产生了锯齿形同步信号Vsync。这个电压被传送到自适应输入单元500的第二输入端。自适应输入单元500的第一输入端相应地连接到可配置控制系统600的相应输入引脚。自适应输入单元500的输出信号连接到相应的信号采集模块260的输入端。可配置信号采集模块260的实现可以根据需要接受的信号类型而改变，从而支持不同的外部环境。
将通过分析涉及一定范围的示例性传感器系列的信号采集方法来说明自适应输入单元500的功能。
在图2中，电容器610连接到自适应输入单元500的引脚1。输入引脚210处的输入电压Vinp输入自适应输入单元500并且与电容器610两端的电压相等。
自适应输入单元500的结构适合实现多种用于电容测量的方法。这些方法中的每一种对于特定范围的电容值是最优的。为下面描述的发明的优选实施例定义两种电容范围低于500nF的低电容范围，和高于200nF的高电容范围。这两个范围内的电容值的交叠区域意味着200nF至500nF范围内的电容可以采用任何一种所建议的方法来测量而不会损失很多精度。
现在详细说明对下面描述的优选示例有用的图2中自适应输入单元500的两种配置。为了讨论，并作为非限制的示例，第一电磁控制开关548被示为N-Ch FET晶体管T1而第二电磁控制开关550被示为P-Ch FET晶体管T2。正如下面将看到的，基于分别提供给第一电磁控制开关548和第二电磁控制开关550的信号来确定自适应输入单元500的配置。
可以理解的是，在其他实施例中，第一电磁控制开关548或者第二电磁控制开关550可包括可对电信号、光信号或磁信号响应而从不导电状态转换到导电状态的任何开关，例如，采用包括但不限于继电器、光耦器件、电流控制开关、电压控制开关或P沟道场效应晶体管的电磁控制形式。而且，可以理解的是，所列举的电阻值只是示例性的，并且可采用获得与文中所述功能性一致的结果的其它值，并且鉴于文中教示，上述其它值的选择在所属领域普通技术人员的范围内。
还如图2所示，可提供可选择的缓冲器566和568以防止非预期或不想要的电磁脉冲的传输。
自适应输入单元500的第一测量配置是通过向该单元的端4施加逻辑低信号来提供的。在这种情况下，第二电磁控制开关550闭合并且参考电压Vref_2通过电阻器Rb 546施加到比较器535的第一输入端；施加到比较器535的第一输入端的电压设为Vc1。为了保证Vc1上同步输入255的低纹波，电阻器Rb 546应该为低阻值，例如Rb小于200Ω，而电阻器Rs 560应该为从几KΩ到几百KΩ的高阻值。如下文所述，自适应输入单元500的第一配置代表的方案包含电容器610、电阻器Ru542和Rd544、参考电压Vref_1和第一电磁控制开关548来比较输入引脚210的输入电压Vinp与预定阈值Vc1。
自适应输入单元500的第二测量配置是通过为该单元的端4施加逻辑高信号来提供的。在这种情况下，第二电磁控制开关550断开并且同步输入255的同步信号Vsync通过电阻器Rs 560施加到比较器535的第一输入端。由于比较器535的低输入电流，Rs 560上的电压降可以忽略并且Vc1实际上等于同步信号Vsync。
如下文所述，自适应输入单元500的第二配置代表输入引脚210的输入电压Vinp与施加到同步输入255的控制器产生的同步信号Vsync相比较的方案。随后，比较器535提供输出，指示输入电压Vinp的幅度是否大于同步电压Vsync的幅度。
测量高电容值的优选实施例 高电容值测量的方法是通过采用自适应输入单元500的第一配置来实现的。图3A-3C示出测量过程所涉及的信号的时序图。在开始测量(t＝t0)之前施加到自适应输入单元500的控制信号的状态应该是引脚5的Ctrl_1(图3B的曲线4)-逻辑高；引脚4的Ctrl_2(在图3中没有示出)恒为逻辑低，并且如上所述Vsync对根据第一配置的测量过程影响很小。Ctrl_1的逻辑高电平使得第一电磁控制开关548保持闭合，这使自适应输入单元500的端1通过电阻器Rd接地。在这种状态下比较器535的输入电压Vinp(曲线2)等于零。
接下来假设Vref_2<Vref_1。
为了启动测量在t＝t0时刻Ctrl_1下降为逻辑低电平，在来自参考电压Vref_1的电流开始通过电阻器Ru 542和Rd 544对电容器610进行充电的同时关断第一电磁控制开关548。在t＝t1时刻输入电压Vinp到达电平
(图3A的曲线1)并且比较器535的输出电压(Vcel1-曲线3)从逻辑低电平变为逻辑高电平。相关的信号采集模块260(图1所示)被配置为从t到t1时间内执行系统时钟计数功能。测量电容C和在测量周期Δt内计数得到的系统时钟数量N之间的相关性将在下文中示出。
通过电阻器Ru 542和Rd 544充电的电容610上的电压Vinp可用以下的等式描述 其中VM—参考电压Vref_1 t—充电时间 τ—时间常数 对于如图2所示的充电方案，时间常数τ取决于电容器610的测量电容C以及电阻器Ru 542和Rd 544。第一电磁控制开关548的开路电阻可忽略。
τ1＝(Ru+Rd)x C (2) 在t1时刻，当电容器610的充电达到预定的阈值电压Vth时，在这种情况下Vth＝Vref_2；式(1)为 将式(2)代入式(3)并求解C 由于测量周期Δt等于t1(t0＝0)，t1可以由在Δt时间内计数得到的系统时钟周期TSC的数量N替换 t1＝N×TSC (5) 定义
我们得到了一个更为简化的等式
或者 C＝N×K (8) 其中K为常数
或者
其中fs为系统时钟的频率。
结论-由信号采集模块260计数得到的系统时钟数量N正比于测量电容并且可以用于电容值计算。
高电容值测量的另一实施例是通过使用自适应输入单元500的第二种配置来实现的。图4A-4C示出测量过程中下文所讨论的信号的时序图。
发往第二电磁控制开关550的逻辑高电平Ctrl_2信号将断开参考电压Vref_2与电阻器Rb 546和比较器535的连接。这允许同步输入255处的同步电压Vsync通过电阻器Rs 560施加到比较器535的输入端1。这个电压设为Vc1，如图4A中的曲线5所示。如上文所述，电容器610上的电压(曲线2)和发往第一电磁控制开关548的测量信号(图4B的曲线4)的起点相同。
为了启动，测量信号Ctrl_1与同步输入255周期的起点一致地降低为逻辑低电平。逻辑低Ctrl_1信号断开第一电磁控制开关548并且启动电容器610的充电过程(曲线2)。输出引脚220处提供的比较器535的输出电压Vcell如图4C曲线3所示，并且用一系列持续时间Tp的脉冲来表示，Tp与电容器610上的电压成正比。
在该实施例的高电容测量方法中，在测量的电容器充电期间对系统时钟的数量N进行计数，直到如图4C所示的输入单元脉冲产生的宽度Tp到达预定的值Tstop。为了简化测量电容的计算，Tstop应被确定为与等于如图4A所示的0.632Vref_1的充电电容器电压对应的脉冲宽度。
在这种情况下，充电时间等于如图4A所示的时间常数τ。因此，由式(2)和式(5)，测量电容可由下式得到 在t0，由信号Ctrl_1(图4B的曲线4)的下降沿触发，信号采集模块260启动系统时钟计数，并且当Tp的值达到Tstop时停止计数
因为Tp对应于可能不同于0.632Vref_1的阈值电压Vth，通常Tstop可预先确定。在这种情况下电容值应由式(6)和式(7)确定。测量低电容值 低电容值的测量在例如电容式传感器、电容接触开关或者电缆电容测量的工业控制方面很重要。下面的低电容测量方法基于图1中可配置控制器的使用。
一实施例是基于自适应输入单元500的第一配置。图5A-5C表示这种测量过程中所涉及信号的时序图。
第一电磁控制开关548和第二电磁控制开关550的控制信号的预测量(t<t0)状态分别与图3中所描述的状态类似。
为了执行低电容值的测量，信号采集模块260开始产生Ctrl_1脉冲，如图5B中的曲线4所示，其中逻辑低状态使得电容器610能够通过电阻器Ru 542和Rd 544充电，逻辑高状态使得电容器610通过电阻器Rd 544放电。充电-放电周期的数量δ预先设定为任意合适的值。
在每个电容器充电周期即从充电周期的起点到电容器电压Vinp(图5A的曲线2)与阈值电压
(图5A中的曲线1)相等的点，信号采集模块260对系统时钟进行计数。发往信号采集模块260的比较器535输出端处的计数使能信号如图5C的曲线5所示。进行计数时钟的连续累加直到预定的最后周期第δ个结束。每个充电周期的电容器610的电容值可以通过式(7)得到。
在式(7)的左端和右端都乘以δ我们得到
式(δ×N)表示对于δ个周期上每个可计数时间间隔Δt计数的系统时钟周期的和。
从而，在这种情况下计算电容器610的电容的等式是
图1可配置控制器的一个优势是能够改变或者组合任何一个输入引脚的功能。电容测量就是很好的例子例如，图1中可配置控制系统600的输入引脚210被分配给通过电缆从远程传感器接收的模拟探测器信号。另外，在需要的情况下要求可配置控制器定位电缆断开点。这项任务可以通过测量“开路”电缆的自身电容来实现。如果采用自适应输入单元500的第二配置进行模拟探测器信号的采集，那么为了简便，优选的情况是同样采用第二输入单元配置进行电容测量。这种方法将作为另一实施例在下文中描述，其中示出所述方法功能性的时序图如图6至图9所示。
为了执行采用第二种输入单元配置的低电容器610的测量，信号采集模块260开始产生形式为由等中断间隔Tc分开的相等脉冲Td的序列的Ctrl_1信号，如图6B的曲线3所示。如上第一实施例中所述，曲线3的信号导致了测量的电容器610的电容的充电和放电，如图6A的曲线2所示。图6A的曲线1示意性地示出的Vsync的周期T和电容充电周期之间的比值必须是整数值，这意味着Vsync的斜坡周期应被分成预定数量的等充电-放电周期。
图7示出在自适应输入单元500的第二种配置中工作的比较器535的两个输入端的信号。在图7中，(和图6A中一样)，曲线1示出同步电压Vsync而曲线2示意性地示出输入电压Vinp。为了阐述清楚假定测量输入电压Vinp(曲线2)在同步电压Vsync的周期内实际上恒定。
基于WO2005/029207的阐述，从同步电压的起始周期(Vsync＝0)到Vsync等于Vinp的时刻的时间tEA正比于输入电压Vinp 其中α为Vsync的斜角。
可以通过信号采集模块260中配置的计数器对tEA内系统时钟的数量N进行计数来测量间隔。
因而，tEA可以表示为 tEA＝N×TSC (15) 其中N为时间tEA内计数的系统时钟的数量，TSC为系统时钟周期，通过比较式(14)和式(15)我们得到 Vinp＝N×TSC×tg(α) (16) 图6A中示出实际时序图，其中使用与图7的示意图相同的标记。曲线1为同步电压Vsync信号，曲线2描述了电容器610重复性的充电-放电，如图6B的Ctrl_1信号(曲线3)所示。低电容值测量是基于如图6C所示的时间ΔTR(n)的变化周期内系统时钟的计数和相继的累加。ΔTR(n)为电容器610的充电曲线2表示的输入电压Vinp和曲线1所表示的同步电压Vsync的交点，与曲线3的脉冲序列的上升沿所指示的每个放电周期的起点之间的时间间隔。
另外，如图6A所示，同步电压Vsync的周期T包含n个相等的放电和充电周期Td-Tc，产生了n个间隔ΔtRn(曲线4)。输入电压测量的范围0到
被分成n个相等的部分。这个部分的值可以写成 测量电容C和时钟计数和值之间的关系如下文所述。
通过定义，电容器充电电流I(t)为 其中Q(t)为电容器的电荷。
推导出在特定时间T电荷QT的表达式为 考虑到实际应用，积分可由Riemann求和代替，其中用矩形面积之和表示积分面积
由于事实上所述方法需要将每个充电周期分成n等份，QT可以表示为
或者
其中T-测量周期，而 n-测量数量 I(ti)的每次测量可以从欧姆定律来定义 其中
-上拉电阻器Ru 542和Rd 544上的电压。
图9示出电容器610的一个充电-放电周期，如曲线2所示(也可见图6曲线1)。
通过进一步描述，图9示出图6中首先示出的电容器610的单个放电-充电周期2的测量面积的更详细的视图。在图9中，曲线2为放电-充电周期而曲线1表示Vsync。
为最大可测输入电压，由
表示。所讨论的测量面积由间隔Δt(i)和式(17)中确定的ΔV(i)的边界限定。放电时间定义为ΔTd而在该时间间隔内Vsync的相应变化定义为ΔVd。类似的周期ΔTc的充电时间内Vsync的变化量定义为ΔVc。ΔVc可以表示为 ΔVc＝ΔVinp(i)+ΔVR(i) (24) 其中ΔVinp(i)和ΔVR(i)分别是从开始充电到Vinp和Vsync的交叉点(间隔ΔTinp(i))的Vsync电压变化量和从上述交叉点到充电结束(间隔ΔTR(i))的Vsync电压变化量。
对于每个Vinp和Vsync交叉点时刻，电阻器Ru 542、Rd 544上的电压降将是 通过使用以上定义，对第一放电-充电周期，我们得到 对于第二周期 对于周期(n) 定义常量
为ψ和Ψ，考虑方程(17)我们得到 采用图9的定义，
可表示为 或者 其中Ψd＝Ψ-ΔVd是一个已知的并且不能改变的电压。
现在考虑式(23)，式(34)可写成 每个充电周期(i)内测得的充电电流如图8所示。
基于式(16)，式(35)可以转换成 将式(36)代入式(22)我们得到
或者
转换后
电容器C610的充电的图形描绘通过图8中从A点到B点和时间t0到tn内的面积来表示，该面积是由式(7)约束的。
通过定义 现在，将测量周期T(图6C)结束时式(39)中电荷的表达式代入到式(40)，我们得到
或者简化形式为
其中NR(i)是在时间间隔ΔTR(i)内计数的系统时钟的数量。
因此
为测量周期T内计数的NR(i)的总和。
A和B为常数，定义为 对于要求估算电缆断点位置的可配置控制器的应用，已知的单位电缆长度电容CL用来计算连接到特定输入引脚210的电缆长度。
由于单位长度电容被设为常数，估算到断点位置的距离 其中CX为特定输入引脚上的测量电容。
考虑到实际应用，电缆长度L可表示为厘米或米的值，或者表示为连接器再分成的导线的片段。
所述的电容值测量的方法一方面受限于相对大的电容值(几千uF)，例如导致充电时间过长的值，而另一方面受限于由于充电时间快而导致较低精度的低电容值(几pF)。电容测量方法和电缆断点定位的目前优选的应用将在下文描述。
第一种优选应用与工业自动化中使用的“机器诊断”模式相关，其中CEC(可配置电子控制器)模块在用于输入测量和输出控制的机器中使用。
大多数时间，CEC应当工作在其正常模式，执行信号采集和负载控制。在特定机器的启动或者任何时刻，例如当故障事件，如引起末端开路电缆的事件或引起传感器或者传感器组断开的事件(如WO2006/008732所详述)发生时，到诊断模式的转换由图1中数字单元200使能。在这种情况下，信号采集模块260将利用所述低电容值测量的实施例之一来检测传感器断开的位置。在这种情况下选择低电容测量方法是是关于相对地测量的有问题的电缆615、引线或导线的自电容的预知信息的结果，假定导体长度L小于8-10米，这表示电容值不超过500nF。该实施例由图10作为一示例表示。
如果信号采集模块260的配置仅支持用于正常模式操作的信号采集功能，那么信号采集模块260的用于电容测量和电缆断点定位诊断的其它配置将会被独立加载，例如，通过服务中心测试设备。当信号采集模块260的配置同时包含信号采集和开路定位模块时，只有其中的一个模块可被使能。在这种情况下，没有必要重新加载可编程逻辑，只需要由图1的控制逻辑模块370产生激活正常模式或者诊断模式的使能信号。
第二种应用涉及到可配置控制器的正常操作模式并且尤其是涉及到如图2所示的电容测量。如果将要测量的电容值范围已知，使用上述优选测量方法中的一种是适当的。如果将要测量的电容值范围未知，测量过程应例如按以下顺序执行 步骤(1)-采用高电容测量方法开始估算，如上所述。
步骤(2)-指示测量的电容的步骤(1)中计数的系统时钟的总和与对应于预定中等电容值的预定的计数的系统时钟的总和进行比较，该预定中等电容值是通过高电容测量方法和低电容测量方法两者测量的。
如果步骤(1)中的计数的系统时钟比该预定值少，那么应当用低电容测量方法再完成一次测量。如果步骤(1)中的计数的系统时钟等于或者多于该预定值，那么测量(1)的结果是有效的。
在上述的实施例中，一个或多个的开关被描述为晶体管开关。可以理解的是，可使用包括但不限于继电器、光耦器件、电流控制或电压控制开关的任何形式的电磁控制开关。
虽然已对于优选实施例描述了本发明，应当理解的是这只是对示例的阐述，并且本发明可以有很多其它的变化、修改和应用。
部件清单 200 数字单元 210 输入引脚 220 输出引脚 250 同步信号发生器 255 同步输入 260 信号采集模块 270 同步控制模块 275 同步数据 280 输出控制逻辑模块 290 输出参考数据 310 高-端开关控制 320 高-端开关 330 低-端开关控制 340 低-端开关 350 高-端输出驱动器 360 低-端输出驱动器 370 控制逻辑模块 380 输出引脚 500 自适应输入单元 535 比较器 542 电阻器Ru 544 电阻器Rd 546 电阻器Rb 548 第一电磁控制开关 550 第二电磁控制开关 560 电阻器Rs 566 缓冲器 568 缓冲器 600 可配置控制系统 610 电容器 615 电缆 Ctrl_1 第一控制信号 Ctrl_2 第二控制信号 Vcell 输出电压 Vc1 参考电压 Vinp 输入电压 Vref_1 第一参考电压源 Vref_2 第二参考电压源 Vsync 同步电压
权利要求
1.通过输入单元测量电容的设备，所述输入单元包括
具有第一输入和第二输入的比较器，所述电容连接在所述第一输入和地之间；
第一电阻器和第二电阻器，串联连接在第一参考电压源和所述第一输入之间；
第一开关，连接到第一电阻器、第二电阻器和地，所述第一开关适合于从第一控制线接收第一控制信号，以及根据第一控制信号在打开状态和闭合状态之间切换，第一电阻器、第二电阻器和第一开关适合于分别在第一开关打开时和第一开关闭合时，对所述电容提供充电和放电；
第三电阻器和第四电阻器，串联连接在第二参考电压源、第二开关和波形输入线之间，所述第三电阻器和第四电阻器连接到所述第二输入；
所述第二开关适合于从第二控制线接收第二控制信号，以及基于第二控制信号在打开状态和闭合状态之间切换，以便分别在第二开关打开时和在第二开关闭合时，在所述波形输入信号和偏置衰减波形输入信号之间切换第二输入；以及
系统时钟，用于至少同步所述波形输入、第一控制信号和第二控制信号；
其中所述比较器适合于在输出产生信号，指示第一输入处的信号幅度是否大于第二输入处的信号幅度；以及
其中所述第一控制信号启动所述电容的至少一个充电和放电周期；
其中所述产生的输出信号通过所述系统时钟的累积计数来测量，并且指示了电容值。
2.如权利要求1所述的通过输入单元测量电容的设备，其中所述第一控制信号和所述第二控制信号定义了所述输入单元的第一配置和所述输入单元的第二配置。
3.如权利要求2所述的通过输入单元测量电容的设备，其中第一开关和第二开关可用于配置所述输入单元以使能高电容值范围中至少一个和低电容值范围中至少一个的测量。
4.如权利要求3所述的通过输入单元测量电容的设备，其中高电容值范围中的所述一个高于约200nf，而低电容值范围中的所述至少一个低于约500nf。
5.如权利要求1所述的通过输入单元测量电容的设备，其中测量的电容表示连接到所述输入单元的末端开路导体的长度。
6.一种测量电容值的方法，包括
a)提供可配置输入单元，所述输入单元包括具备第一输入和第二输入的比较器，所述电容连接在所述第一输入和地之间；第一电阻器和第二电阻器串联连接在第一参考电压源和所述第一输入之间，第一开关连接到所述第一电阻器、所述第二电阻器和地；第三电阻器和第四电阻器串联连接在第二参考电压源、第二开关和波形输入线之间，所述第三电阻器和第四电阻器连接到所述第二输入；
b)通过向所述第一开关提供第一控制信号和向所述第二开关提供第二控制信号，定义所述输入单元的第一测量配置和第二测量配置；
c)提供系统时钟以至少同步所述波形输入与所述第一控制信号和所述第二控制信号；
d)通过所述第一控制信号启动所述电容的至少一个充电和放电周期；以及
e)通过所述第一测量配置和所述第二测量配置测量高电容值和低电容值中至少之一；
其中所述比较器的输出信号通过所述系统时钟的累积计数测量并且指示所述电容值。
7.如权利要求6所述的电容值测量方法，其中所述高电容值高于200nf而所述低电容值低于500nf。
8.一种可配置控制器，包括
系统时钟；
同步控制模块；
多个与所述同步控制模块连接的可配置信号采集模块；
与所述多个信号采集模块相连接的控制逻辑；
分别与所述多个信号采集模块连接并分别与相应的多个输入引脚连接的多个输入单元；以及
与所述同步控制模块连接并与所述多个输入单元连接的同步信号发生器，其中所述多个输入单元中的每一个输入单元可操作将输入信号参数转换为基于时间的参数；并且其中每一个所述信号采集模块被配置为将所述基于时间的参数转换为数字形式，输入单元包括
连接到所述输入引脚之一的，传感器输出信号和电容中的至少之一；
具有第一输入和第二输入的比较器，所述第一输入连接到与电容连接的输入引脚，输出信号连接到该多个信号采集模块中的一个信号采集模块；
第一晶体管开关；
第二晶体管开关；以及
电阻器网络，分别连接到所述第一输入、与电容连接的输入引脚、所述第二输入和所述第一和第二晶体管开关；
其中所述第一晶体管开关可由所述信号采集模块配置为形成对从输入引脚接收的传感器输出信号的上拉和下拉中的一个；并且
其中所述第一晶体管开关可以由所述信号采集模块配置为启动所述电容的至少一个充电和放电周期；并且
其中所述第二晶体管开关可由所述信号采集模块配置为将所述第二输入连接到第二参考电压源和来自所述同步信号发生器的输入波形中的一个；并且
其中所述比较器产生的输出信号指示所述传感器信号和所述电容值中的至少一个。
9.如权利要求8所述的输入单元，其中所述输入单元可操作将所述传感器输出信号转换为基于时间的参数；并且其中每一个所述信号采集模块被配置为将所述基于时间的参数转换为数字形式。
10.如权利要求8所述的输入单元，其中所述产生的输出信号通过所述系统时钟的累积计数测量并且指示所述电容值。
11.一种采集多个信号和测量电容的方法，包括以下步骤提供
系统时钟；
同步控制模块，配置与所述同步控制模块连接的多个可配置信号采集模块；
与所述多个信号采集模块连接的控制逻辑，提供分别与所述多个信号采集模块连接的多个输入单元，以及
与所述多个输入单元连接的同步信号发生器，所述多个输入单元从传感器和充电电容采集输入信号，所述输入信号由所述多个输入单元中的一个采集，将所述采集到的输入信号转换成多个基于时间的参数，将所述多个基于时间的参数转换为数字形式，其中从所述采集到的输入信号到多个基于时间的参数的所述转换是通过所述输入单元中包括的第一晶体管开关和第二晶体管开关控制的。
12.如权利要求11所述的方法，其中连接到所述输入单元中的一个的所述信号采集模块被配置为，根据输入单元采集的表征输入单元处的输入信号的一种类型的参数和测量的电容值至少之一，来控制所述输入单元之一的所述第一和第二晶体管开关。
13.如权利要求11所述的方法，其中所述第一和第二晶体管开关的所述配置控制，还确定执行所述将所述采集的输入信号转换为基于时间的参数，以及将所述基于时间的参数转换为数字形式的步骤的方式。
全文摘要
一种方法和设备，用于通过使用自适应输入单元电路、可配置电子控制器的一部分或主要通过计算机控制的自适应输入单元来测量电容。输入单元包括比较器、两个晶体管开关和分别连接到比较器和两个开关的电阻器网络。输入单元接收发往晶体管开关的控制信号，以及来自可配置电子控制器或计算机的同步波形输入。输入单元测量连接在其输入处的电容或者开路导体的自电容。输入单元将输入信号参数转换为基于时间的信号参数，其累积计数与测量的电容值相关。
文档编号G01R27/26GK101506669SQ200780023127
公开日2009年8月12日 申请日期2007年6月22日 优先权日2006年6月21日
发明者V·伯卡托夫斯基 申请人:伊斯曼柯达公司