(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
物理量を累積または積分してＭ−ビットデジタル値で出力するセンサーから前記デジタル値を入力されて処理する信号処理装置であって、
連続した二つのデータ獲得時間での前記物理量の差が予め定められた範囲内にあると、デジタルカウンタ増分ΔＣｉが２Ｍ−１よりも大きい場合、前記デジタルカウンタ増分ΔＣｉから２Ｍを引いて前記デジタルカウンタ増分ΔＣｉを１次補正し、前記デジタルカウンタ増分ΔＣｉが−２Ｍ−１よりも小さい場合、前記デジタルカウンタ増分ΔＣｉに２Ｍを加えて前記デジタルカウンタ増分ΔＣｉを１次補正し、ΔＣｉ′×ΔＣｉ−１″＜０であり且つα×２Ｍ−１＜ΔＣｉ′＜２Ｍ−１である場合、前記１次補正されたデジタルカウンタ増分から２Ｍを引いて前記１次補正されたデジタルカウンタ増分を２次補正し、ΔＣｉ′×ΔＣｉ−１″＜０であり且つ−２Ｍ−１＜ΔＣｉ′＜−α×２Ｍ−１である場合、前記１次補正されたデジタルカウンタ増分に２Ｍを加えて前記１次補正されたデジタルカウンタ増分を２次補正する信号処理部を含み、
前記物理量の差の絶対値は、α×Ｓ×２Ｍ−１／Δｔよりも小さく、前記Ｓは、前記センサーのスケール因子であり、前記Δｔは、前記センサーのデータ獲得周期であり、前記αは、１よりも小さい値を有し、
時間ｔｉ−１でデジタルカウンタ出力値がＣｉ−１であり、時間ｔｉ＝ｔｉ−１＋Δｔでデジタルカウンタ出力値がＣｉである時、前記ΔＣｉは、ΔＣｉ＝Ｃｉ−Ｃｉ−１で計算され、
前記ΔＣｉ′は、時間ｔｉで前記１次補正されたデジタルカウンタ増分であり、前記ΔＣｉ−１″は、時間ｔｉ−１で前記２次補正されたデジタルカウンタ増分である、信号処理装置。
【請求項２】
前記信号処理部が計算できる前記物理量の絶対値の最大の大きさは、（２−α）×Ｓ×２Ｍ−１／Δｔである、請求項１に記載の信号処理装置。
【請求項３】
物理量を累積または積分してＭ−ビットデジタル値で出力するセンサーからの前記デジタル値を処理する信号処理方法であって、
連続した二つのデータ獲得時間での前記物理量の差が予め定められた範囲内にあると、デジタルカウンタ増分ΔＣｉが２Ｍ−１よりも大きい場合、前記デジタルカウンタ増分ΔＣｉから２Ｍを引いて前記デジタルカウンタ増分ΔＣｉを１次補正し、前記デジタルカウンタ増分ΔＣｉが−２Ｍ−１よりも小さい場合、前記デジタルカウンタ増分ΔＣｉに２Ｍを加えて前記デジタルカウンタ増分ΔＣｉを１次補正し、ΔＣｉ′×ΔＣｉ−１″＜０であり且つα×２Ｍ−１＜ΔＣｉ′＜２Ｍ−１である場合、前記１次補正されたデジタルカウンタ増分から２Ｍを引いて前記１次補正されたデジタルカウンタ増分を２次補正し、ΔＣｉ′×ΔＣｉ−１″＜０であり且つ−２Ｍ−１＜ΔＣｉ′＜−α×２Ｍ−１である場合、前記１次補正されたデジタルカウンタ増分に２Ｍを加えて前記１次補正されたデジタルカウンタ増分を２次補正する段階を含み、
前記物理量の差の絶対値は、α×Ｓ×２Ｍ−１／Δｔよりも小さく、前記Ｓは、前記センサーのスケール因子であり、前記Δｔは、前記センサーのデータ獲得周期であり、前記αは、１よりも小さい値を有し、
時間ｔｉ−１でデジタルカウンタ出力値がＣｉ−１であり、時間ｔｉ＝ｔｉ−１＋Δｔでデジタルカウンタ出力値がＣｉである時、前記ΔＣｉは、ΔＣｉ＝Ｃｉ−Ｃｉ−１で計算され、
前記ΔＣｉ′は、時間ｔｉで前記１次補正されたデジタルカウンタ増分であり、前記ΔＣｉ−１″は、時間ｔｉ−１で前記２次補正されたデジタルカウンタ増分である、信号処理方法。
【請求項４】
前記段階で計算できる前記物理量の絶対値の最大の大きさは、（２−α）×Ｓ×２Ｍ−１／Δｔである、請求項３に記載の信号処理方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、信号処理装置および方法に関し、より詳しくは、物理量を累積して出力するセンサーからのデジタル信号を処理する信号処理装置および方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
センサーに印加される物理量を累積または積分して出力するセンサーは、通常、二進カウンタ（ｂｉｎａｒｙ  ｃｏｕｎｔｅｒ）で表現されるデジタル値を出力する。このデジタル値は、物理量が変化すれば共に変化し、その大きさがデジタル値の最大値または最小値を越えるようになると、ロールオーバー（ｒｏｌｌ−ｏｖｅｒ）する。このようなセンサーが提供する累積型デジタル出力から物理的な値を計算するためには、現在のデジタル出力値と直前獲得周期のデジタル出力値との差であるカウンタ増分と、二つの値の間の時間間隔であるデータ獲得周期（またはその逆数であるサンプリング周波数）とを用いる。この時、カウンタ増分の絶対値が二進カウンタが有し得る最大値の半分よりも大きいと、計算される物理的な値の符号が変化してしまう現象が発生して測定値を正確に計算することができない。したがって、現在と直前の出力値の差であるカウンタ増分の絶対値は、常時、二進カウンタの最大値の半分よりも小さくならなければならない。つまり、センサー自体はより大きい値を測定することができるとしても、二進カウンタの大きさ（または二進ビット数）の制限によって、カウンタ最大値の半分に該当する物理量がこのセンサーで計算できる最大測定値となる。最大測定値を増加させるために、カウンタの最大値（二進ビット数）を増加させたり、サンプリング周波数を増加させたりしなければならないが、これは直ちにセンサーの費用およびセンサーを用いるシステムの複雑性が増加する原因となる。韓国特許公開第１０−２００９−００６８１７２号には、センサーからの出力をデジタル値で変換する信号を処理する装置と関連した内容が記載されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】韓国特許公開第１０−２００９−００６８１７２号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
したがって、本発明が解決しようとする課題は、二進カウンタの最大値を増加させたり、サンプリング周波数を増加させたりすることなく、センサーの最大測定値を増加させることができる信号処理装置および方法を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
このような課題を解決するための本発明の一実施形態に係る信号処理装置は、物理量を累積または積分してＭ−ビットデジタル値で出力するセンサーから前記デジタル値を入力されて処理する信号処理装置であって、連続した二つのデータ獲得時間での前記物理量の差が予め定められた範囲内にあると、デジタルカウンタ増分の絶対値が２Ｍ−１よりも大きい場合、前記デジタルカウンタ増分を前記センサーが測定した物理量で計算する信号処理部を含む。
【０００６】
前記物理量の差の絶対値は、α×Ｓ×２Ｍ−１／Δｔよりも小さく、前記Ｓは、前記センサーのスケール因子であり、前記Δｔは、前記センサーのデータ獲得周期であり、前記αは、１よりも小さい値を有することができる。
【０００７】
前記信号処理部は、前記デジタルカウンタ増分ΔＣｉが２Ｍ−１よりも大きい場合、前記デジタルカウンタ増分から２Ｍを引き、前記デジタルカウンタ増分が−２Ｍ−１よりも小さい場合、前記デジタルカウンタ増分に２Ｍを加えて前記デジタルカウンタ増分を１次補正し、時間ｔｉ−１でデジタルカウンタ出力値がＣｉ−１であり、時間ｔｉ＝ｔｉ−１＋Δｔでデジタルカウンタ出力値がＣｉである時、前記ΔＣｉは、ΔＣｉ＝Ｃｉ−Ｃｉ−１で計算され得る。
【０００８】
前記信号処理部は、ΔＣｉ′×ΔＣｉ−１″＜０である場合、α×２Ｍ−１＜ΔＣｉ′＜２Ｍ−１であると、前記１次補正されたデジタルカウンタ増分から２Ｍを引き、−２Ｍ−１＜ΔＣｉ′＜−α×２Ｍ−１であると、前記１次補正されたデジタルカウンタ増分に２Ｍを加えて前記１次補正されたデジタルカウンタ増分を２次補正し、前記ΔＣｉ′は、時間ｔｉで前記１次補正されたデジタルカウンタ増分であり、前記ΔＣｉ−１″は、時間ｔｉ−１で前記２次補正されたデジタルカウンタ増分であり得る。
【０００９】
前記信号処理部が計算できる前記物理量の絶対値の最大の大きさは、（２−α）×Ｓ×２Ｍ−１／Δｔであり得る。
【００１０】
本発明の他の実施形態に係る信号処理方法は、物理量を累積または積分してＭ−ビットデジタル値で出力するセンサーからの前記デジタル値を処理する信号処理方法であって、連続した二つのデータ獲得時間での前記物理量の差が予め定められた範囲内にあると、デジタルカウンタ増分の絶対値が２Ｍ−１よりも大きい場合、前記デジタルカウンタ増分を前記センサーが測定した物理量で計算する段階を含む。
【００１１】
前記計算段階は、前記デジタルカウンタ増分ΔＣｉが２Ｍ−１よりも大きい場合、前記デジタルカウンタ増分から２Ｍを引き、前記デジタルカウンタ増分が−２Ｍ−１よりも小さい場合、前記デジタルカウンタ増分に２Ｍを加えて前記デジタルカウンタ増分を１次補正する段階を含み、時間ｔｉ−１でデジタルカウンタ出力値がＣｉ−１であり、時間ｔｉ＝ｔｉ−１＋Δｔでデジタルカウンタ出力値がＣｉである時、前記ΔＣｉは、ΔＣｉ＝Ｃｉ−Ｃｉ−１で計算され得る。
【００１２】
前記計算段階は、ΔＣｉ′×ΔＣｉ−１″＜０である場合、α×２Ｍ−１＜ΔＣｉ′＜２Ｍ−１であると、前記１次補正されたデジタルカウンタ増分から２Ｍを引き、−２Ｍ−１＜ΔＣｉ′＜−α×２Ｍ−１であると、前記１次補正されたデジタルカウンタ増分に２Ｍを加えて前記１次補正されたデジタルカウンタ増分を２次補正する段階をさらに含み、前記ΔＣｉ′は、時間ｔｉで前記１次補正されたデジタルカウンタ増分であり、前記ΔＣｉ−１″は、時間ｔｉ−１で前記２次補正されたデジタルカウンタ増分であり得る。
【発明の効果】
【００１３】
本発明によれば、二進カウンタの最大値を増加させたり、サンプリング周波数を増加させたりすることなく、センサーの最大測定値の限界を拡張させることができ、そのため、センサーを用いた設計をより効率的且つ経済的に行うことができる。
【図面の簡単な説明】
【００１４】
【図１】本発明の一実施形態に係る信号処理装置を説明するためのブロック図である。
【図２】本発明の一実施形態に係る信号処理装置に入力されるセンサー出力値を示した概略図である。
【図３】センサー出力が正の方向にロールオーバーする時、本発明の一実施形態に係る信号処理装置の補正方法を説明するための概略図である。
【図４】センサー出力が負の方向にロールオーバーする時、本発明の一実施形態に係る信号処理装置の補正方法を説明するための概略図である。
【図５】センサー出力値の増分が最大測定値に近接して増加方向が分からない状態を示す概略図である。
【図６】本発明の一実施形態に係る信号処理装置のセンサーの最大測定値の拡張のための補正方法を説明する概略図である。
【発明を実施するための形態】
【００１５】
以下の詳細な説明では本願の一部を構成する添付図面を参照する。文脈で別に指示しない限り、図面において類似する符号は一般に類似する構成要素を示す。詳細な説明、図面および特許請求の範囲に記載された例示的な実施形態は、限定しようとする意図ではない。ここで提示された思想または範囲を逸脱しない範囲内で、他の実施形態が利用され、他の変更が行われ得る。本願の構成要素は、ここで一般に説明され、図面で示されているように、相異なる構成の幅広い多様性内での相異なる構成において、配列、置換、結合、設計が可能であり、これら全てが明確に考慮されており、本願の一部を構成するものであることが容易に理解され得る。
【００１６】
以下、図面を参照して本発明の実施形態に係る信号処理装置について詳細に説明する。
【００１７】
図１は、本発明の一実施形態に係る信号処理装置を説明するためのブロック図であり、図２は、本発明の一実施形態に係る信号処理装置が受信するセンサー出力値を示した概略図である。
【００１８】
図１および図２を参照すると、本発明の一実施形態に係る信号処理装置２００は、センサー１００の出力信号を伝達される入力部２１０と、伝達された信号を処理する信号処理部２２０とを含む。
【００１９】
センサー１００は、角度、加速度、角速度などの多様な種類の物理量を検出し測定する機能を備えた素子であって、物理量を累積または積分して二進カウンタ（ｂｉｎａｒｙ  ｃｏｕｎｔｅｒ）で表現されるデジタル値を出力する。このデジタル値は、物理量が変化すれば共に変化し、その大きさがデジタル値の最大値または最小値を越えるようになればロールオーバー（ｒｏｌｌ−ｏｖｅｒ）する。
【００２０】
入力部２１０は、センサー１００からデジタル値を入力されて信号処理装置２００内にデータを伝送し、信号処理装置２００でデジタル値を処理することができるように適切な処理を行う。
【００２１】
信号処理部２２０は、センサー１００からのデジタル値を用いて測定しようとする物理量を算出する。便宜上、時間ｔｉでセンサーに印加される実際の物理量をωｉとし、信号処理部が計算する測定された物理量を
0005920745.tif 000002
とする。例えば、センサー１００がＭ−ビットの二進カウンタを有していると、センサー１００は、最小値０と最大値２Ｍ−１との間のデジタルカウンタ値を出力するようになる。図２に示したように、ｔｉ−１でデジタルカウンタ出力値がＣｉ−１であり、ｔｉ=ｔｉ−１＋Δｔでデジタルカウンタ出力値がＣｉであると、Δｔの間のデジタルカウンタ増分は、ΔＣｉ=Ｃｉ−Ｃｉ−１で計算され、ｔｉで測定された物理量の値（ｍｅａｓｕｒｅｄ  ｖａｌｕｅ）は、
0005920745.tif 000003
で算出される。ここで、Ｓは、センサー１００のスケール因子であり、Δｔは、センサー１００のデータ獲得周期である。
【００２２】
図３は、センサー出力が正の方向にロールオーバーする時、本発明の一実施形態に係る信号処理装置の補正方法を説明するための概略図であり、図４は、センサー出力が負の方向にロールオーバーする時、本発明の一実施形態に係る信号処理装置の補正方法を説明するための概略図である。
【００２３】
図３に示したように、時間ｔｉ−１でのセンサー１００のデジタルカウンタ出力値Ｃｉ−１が最大値２Ｍ−１以下である状態で正の物理量が印加されると、デジタルカウンタは増加して時計方向に回転するようになり、結局、最大値を越えるようになると、デジタルカウンタ出力は再び最小値０から増加する。この時、時間ｔｉでのデジタルカウンタ出力値Ｃｉが再び最小値０から増加していずれかの値をとる場合、このような現象を正のロールオーバー（ｐｏｓｉｔｉｖｅ  ｒｏｌｌ−ｏｖｅｒ）という。この時、デジタルカウンタ増分をΔＣｉ=Ｃｉ−Ｃｉ−１で計算すれば、実際の物理量とは異なる値を有する。正のロールオーバーが起こった時、カウンタ値から正確な物理量を計算するためには、デジタルカウンタ増分をΔＣｉ=Ｃｉ−Ｃｉ−１＋２Ｍのように補正して計算しなければならない。
【００２４】
また、図４に示したように、時間ｔｉ−１でのセンサー１００のデジタルカウンタ出力値Ｃｉ−１が最小値０以上である状態で負の物理量が印加されると、デジタルカウンタは減少して反時計方向に回転するようになり、結局、最小値を越えるようになると、デジタルカウンタ出力は再び最大値２Ｍ−１と大きくなってから、この値から再び減少するようになる。この時、時間ｔｉでのデジタルカウンタ出力値Ｃｉが最大値２Ｍ−１と大きくなってから減少していずれかの値をとる場合、このような現象を負のロールオーバー（ｎｅｇａｔｉｖｅ  ｒｏｌｌ−ｏｖｅｒ）という。この時、デジタルカウンタ増分をΔＣｉ=Ｃｉ−Ｃｉ−１で計算すれば、実際の物理量とは異なる値を有する。負のロールオーバーが起こった時、カウンタ値から正確な物理量を計算するためには、デジタルカウンタ増分をΔＣｉ＝Ｃｉ−Ｃｉ−１−２Ｍのように補正して計算しなければならない。
【００２５】
一方、図５を参照すると、印加される物理量の大きさが漸次に大きくなってデジタルカウンタ増分が２Ｍの半分になると、正の物理量により時計方向に増加したのか、あるいは負の物理量により反時計方向に減少したのか区分できなくなる。実際には、正の物理量が印加されたにもかかわらず反時計方向に回転したと誤って判断すれば、信号処理部２２０は、印加された物理量とは符号が反対である測定値を計算するようになり、このような現象をエイリアシング（Ａｌｉａｓｉｎｇ）という。エイリアシング現象が発生しないようにするためには、デジタルカウンタ増分ΔＣｉが常時ΔＣｍａｘ＝２Ｍ−１よりも小さくならなければならず、言い換えれば、センサーに印加される外部物理量がωｍａｘ＝Ｓ×２Ｍ−１／Δｔよりも小さくならなければならない。
【００２６】
結果として、センサーの最大測定領域を考慮したロールオーバー補正を次のとおり行えば、エイリアシング現象なしに正常的な値を計算することができる。
【００２７】
（１）ΔＣｉ＜−２Ｍ−１である時、ΔＣｉ′＝ΔＣｉ＋２Ｍに、
（２）ΔＣｉ＞２Ｍ−１である時、ΔＣｉ′＝ΔＣｉ−２Ｍに、
（３）（１）または（２）の条件に該当しない時、ΔＣｉ′＝ΔＣｉに補正する。
【００２８】
この方法によって、信号処理部２２０は、印加された物理量を
0005920745.tif 000004
のように計算することができる。前記（１）〜（３）の過程をデジタルカウンタ増分の１次補正とする時、この補正方法で計算できる物理量の絶対値は、ωｍａｘよりも小さく、これは次の［数１］のとおりである。
【００２９】
【数１】
0005920745.tif 000005
一方、センサー１００が測定しようとする物理量の変化（連続した二つのデータ獲得時間での物理量の差）が一定の範囲内にある場合、センサー１００の最大測定値を［数１］よりも大きく拡張させることができる。つまり、次の［数２］が常時満たされるα（０＜α＜１）が存在すると仮定する。
【００３０】
【数２】
0005920745.tif 000006
これは、センサーに印加される物理量の変化がセンサー１００の最大測定値のα倍よりも常時小さいという仮定であり、言い換えれば、測定しようとする物理量が急激に変化しないことを意味する。デジタルカウンタ増分の１次補正のみを用いて測定物理量
0005920745.tif 000007
を計算する場合には、印加される物理量の変化に何ら制約がないため、−ωｍａｘからωｍａｘまで、最大２ωｍａｘ＝２Ｓ×２Ｍ−１／Δｔまで変化し得るが、［数２］を満たす物理量は、変化の大きさに制限があることを意味する。
【００３１】
この場合、時間ｔｉで１次補正されたデジタルカウンタ増分ΔＣｉ′の符号が時間ｔｉ−１で既に２次補正されたデジタルカウンタ増分ΔＣｉ−１″の符号と異なるようになる瞬間に、次のとおり時間ｔｉで１次補正されたデジタルカウンタ増分ΔＣｉ′に２次補正を行うことによって、センサー１００の最大測定範囲を増加させることができる。ΔＣｉ′×ΔＣｉ−１″＜０を満たす場合に限って、信号処理部２２０は１次補正されたデジタルカウンタ増分を、
（１）α×２Ｍ−１＜ΔＣｉ′＜２Ｍ−１である時、ΔＣｉ″＝ΔＣｉ′−２Ｍに、
（２）−２Ｍ−１＜ΔＣｉ′＜−α×２Ｍ−１である時、ΔＣｉ″＝ΔＣｉ′＋２Ｍに、
（３）（１）または（２）の条件に該当しない場合、ΔＣｉ″＝ΔＣｉ′に補正する。
【００３２】
これをデジタルカウンタ増分の２次補正という。
【００３３】
ΔＣｉ′×ΔＣｉ−１″＜０が発生する場合は２種類がある。第一は、印加される物理量の大きさが漸次小さくなって、時間ｔｉにデジタルカウンタ増分の大きさが０を通ってその符号が変わる場合であり、第二は、印加される物理量の大きさが漸次大きくなって、デジタルカウンタ増分の大きさがΔＣｍａｘ＝２Ｍ−１を越えてエイリアシング現象が発生する場合である。大きさが小さくなって符号が変わる場合には、符号が変わる状況をそのまま許容して、１次補正されたデジタルカウンタ増分を用いて物理量を算出しなければならない。しかし、大きさが漸次大きくなってエイリアシング現象が発生する瞬間には、実際に物理量の符号が変わってはならないため、デジタルカウンタ増分の１次補正値ΔＣｉ′の大きさがデジタルカウンタ増分の２次補正（１）、（２）の条件に該当する場合、変わった符号を還元させる２次補正を行う。
【００３４】
図６は、このような場合の一例を示す。Ｃｉ−１は０であり、Ｃｉが斜線領域内に存在する時、デジタルカウンタ増分の１次補正値ΔＣｉ′は、α×２Ｍ−１＜ΔＣｉ′＜２Ｍ−１範囲内に存在するようになる。もし、時間ｔｉ−１での２次補正値ΔＣｉ−１″が正数であった場合、時間ｔｉでの２次補正値ΔＣｉ−１″は、そのままΔＣｉ′になるが、ΔＣｉ−１″が負数であった場合、時間ｔｉでの２次補正値ΔＣｉ−１″は、負数であるΔＣｉ′−２Ｍに還元される。センサーに印加される物理量が［数２］の条件を満たせば、時間ｔｉ−１での物理量が負数である場合（ΔＣｉ−１″が負数）、時間ｔｉでの物理量が急に正数に変わって斜線領域内に入ることはできないためである。したがって、時間ｔｉでの物理量がたとえ［数１］を越える量であっても、正の物理量が印加されたのか、または負の物理量が印加されたのか区別が可能であるため、エイリアシング現象なしに印加された物理量を正確に計算することができる。
【００３５】
このように本発明の実施形態に係る信号処理装置によれば、連続した二つのデータ獲得時間での物理量の差に制限条件がある場合、最大測定値を拡張させることができる。増加する最大測定値は、次の［数３］のように表され得る。
【００３６】
【数３】
0005920745.tif 000008
例えばαが０．８である場合には、最大測定範囲を１．２倍向上させることができる。αは分析により決定され得る。つまり、多様な環境で測定対象の物理量が有し得る値を予測し、その変化率を算出して［数２］が満たされるαを求めることができる。
【００３７】
このように本発明の実施形態に係る信号処理装置が、センサー１００から入力される出力デジタル値を一定の条件下で補正することによって、信号処理部２２０が計算できる最大測定範囲を拡張させることができ、通常の測定範囲を越える物理量に対しても正確に該当物理量を算出することができる。
【００３８】
以上で、本発明の好適な実施形態について詳細に説明したが、本発明の権利範囲はこれに限定されず、特許請求の範囲で定義している本発明の基本概念を用いた当業者の多様な変形および改良形態も本発明の権利範囲に属する。
【符号の説明】
【００３９】
１００…センサー
２００…信号処理装置
２１０…入力部
２２０…信号処理部
【図１】
0005920745.tif 000009
【図２】
0005920745.tif 000010
【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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