一種通用型傳感器信號處理系統的製作方法
2023-08-05 08:05:16
一種通用型傳感器信號處理系統的製作方法
【專利摘要】本實用新型提供一種通用型傳感器信號處理系統。所述系統包括傳感器接口單元、寄存器控制單元、數據傳輸接口、數位訊號處理單元、數據發送單元、數據接收單元、顯示單元和電源及電源管理單元。傳感器接口單元與數位訊號處理單元連接，數據發送單元一端連接數位訊號處理單元，另一端連接數據接收單元，數據接收單元與顯示單元連接；寄存器控制單元也與數位訊號處理單元連接。本實用新型所述系統採用可攜式設計，體積小、功耗低、成本低，可針對不同傳感器配置不同參數，檢測結果以圖形或數據形式實時顯示。
【專利說明】一種通用型傳感器信號處理系統
【技術領域】
[0001] 本發明涉及電子【技術領域】，具體為一種用於多種類型的傳感器輸出信號處理的信 號處理系統。
【背景技術】
[0002] 隨著近代工業、半導體技術、微系統技術、通信技術、計算機技術的飛速發展，作為 獲取物理世界信息的工具，傳感器技術已成為科學研究的一個重點領域。電信號傳感器根 據輸出的不同，可分為安培型傳感器和伏特型傳感器，對應輸出為電流信號和電壓信號，傳 感器檢測系統採集傳感器輸出的電流信號或電壓信號，經模擬處理和數字處理後形成檢測 指標的定性和定量顯示。
[0003] 近年來，得益於半導體集成製造工藝和MEMS微機械技術的迅猛發展，傳感器檢測 系統朝著微小型化的方向發展，可攜式設計越來越多地應用於環境檢測設備、醫療監測設 備當中。在保證測量精度的前提下，如何選擇合適的各功能模塊器件、數位訊號處理方法消 除噪聲幹擾及減小面積實現微型化等方面成為重點研究方向。
[0004] 傳統的傳感器檢測系統採用基於工業標準接口的模塊化系統或大型設備實現，其 體積大、便攜性差的特點限制了其應用範圍。
【發明內容】
[0005] 本發明的目的是提供一種體積小、安全性能好、便攜性強的通用型傳感器信號處 理系統，該系統有利於實現傳感器檢測系統的小型化。
[0006] 為達到以上目的，本發明的技術方案為：一種通用型傳感器信號處理系統，包括：
[0007] 傳感器接口單元，用於將傳感器輸出的電流或電壓信號進行初步處理和放大；
[0008] 寄存器控制單元，其存儲來自數據處理單元的控制信號，根據傳感器類型及傳感 器輸出信號範圍為傳感器接口晶片配置不同的參數；
[0009] 數據傳輸接口，其作為系統內各模塊間的標準通信接口，將數位訊號處理單元為 傳感器接口晶片配置的數據傳輸給寄存器控制單元、傳輸傳感器接口晶片的檢測處理數據 到數位訊號處理單元、並將數據發送單元的數據傳輸給數據接收單元；
[0010] 數位訊號處理單元，其接收傳感器接口晶片的檢測處理數據，完成數位訊號算法， 將處理結果存儲並傳輸至數據發送單元；
[0011] 數據發送單元，將數位訊號處理單元的處理結果發送給數據接收單元；
[0012] 數據接收單元，存儲來自數據發送單元的數據，緩衝等待圖形及數據顯示單元讀 取；
[0013] 顯示單元，讀取數據接收單元緩衝的數據，進行檢測結果的圖形描繪及進行圖形 和數據顯示；
[0014] 電源及電源管理單元，為系統內各單元供電。
[0015] 優選的，所述傳感器接口單元包括跨阻放大器、積分器、可編程增益放大器、模數 轉換器，所述傳感器輸出的電流信號分別輸入跨阻放大器和積分器處理後輸出至可編程增 益放大器放大，再經模數轉換器轉換後輸出。
[0016] 更優選的，所述傳感器接口單元還包括電壓電流轉換器，若傳感器輸出電壓信號 則先經電壓電流轉換器轉換成電流信號後再分別傳輸至跨阻放大器和積分器，處理後輸出 至可編程增益放大器放大，最後經模數轉換器轉換後輸出。
[0017] 更優選的，傳感器接口單元中積分器後設置採樣保持器，傳感器電流信號經積分 器處理後經採樣保持器輸出給可編程增益放大器。
[0018] 更優選的，所述傳感器單元集成於一晶片中。
[0019] 優選的，所述數據發送單元和數據接收單元均包括無線收發器，所述通用型傳感 器信號處理系統之間可遠程相互傳輸數據，實現互校準功能。
[0020] 與現有技術相比，本發明有益效果在於：
[0021 ] ( 1)所述通用型傳感器信號處理系統由傳感器接口晶片接收來自傳感器輸出的電 流或電壓信號，改變以往採用多個獨立元件搭建的傳感器接口電路的方法，實現模擬信號 經放大、調整、最後轉換為數位訊號，大大減小了接口電路的面積與功耗，並提高了測量精 度；
[0022] ( 2 )本發明中數位訊號處理單元可控制傳感器晶片根據所接入的傳感器類型不同 以及輸出信號範圍及靈敏度不同，對其內部的跨阻放大器跨阻值的大小、電容積分器積分 時間的長短與積分電容的大小、可編程增益放大器增益的大小進行相應的配置，實現各類 傳感器通用；
[0023] (3)所述系統中數據發送單元與數據接收單元在單個系統內通信，速度快，功耗 低；還可支持多個系統之間通信，具有多個系統互校準功能，並可形成用戶網絡，實現檢測 信息共享。
[0024] (4)數據傳輸接口是標準協議的I2C總線，只有時鐘線和數據線兩位，通過對設定 地址的寄存器進行讀寫操作，有效減少因傳輸數據線較多而引起的面積較大、寄生電容較 大等缺點。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0025] 圖1為本發明所述通用型傳感器信號處理系統的組成結構示意框圖；
[0026] 圖2為本發明所述傳感器接口單元的組成結構示意框圖；
[0027] 圖3為本發明傳感器接口晶片的電容積分器電流檢測通路的掃描特性曲線圖；
[0028] 圖4為本發明傳感器接口晶片的跨阻放大器電流檢測通路的掃描特性曲線圖；
[0029] 圖5為本發明傳感器接口晶片的跨阻放大器電壓檢測通路的掃描特性曲線圖。
[0030] 圖6為本發明電源及電源管理晶片的結構示意圖。
【具體實施方式】
[0031] 為方便本領域技術人員的理解，以下結合附圖及具體實施例，對本發明進一步詳 細描述。
[0032] 如圖1所示，本發明所述系統包括傳感器接口單元1、寄存器控制單元2、數據傳輸 接口 3、數位訊號處理單元41、數據發送單元42、數據接收單元51、顯示單元52和電源及電 源管理單元6。傳感器接口單元1與數位訊號處理單元41連接，數據發送單元42 -端連接 數位訊號處理單元41，另一端連接數據接收單元51，數據接收單元51與顯示單元52連接； 寄存器控制單元2也與數位訊號處理單元41連接。
[0033] 傳感器接口單元1接收來自傳感器的輸出信號，經電壓電流轉換後，進一步進行 增益可調放大，最後將模擬信號轉換成數位訊號，傳感器接口單元1處理後的數位訊號經 由I 2C總線(數據傳輸接口 3)傳輸給數位訊號處理單元41 ;數位訊號處理單元41進行信 號處理算法，提取出原始信號特性，並轉換成傳感器的檢測指標，經數據發送單元42輸出 給遠程系統或通過I 2C總線輸出給本地顯示單元直接顯示；數據發送單元42與數據接收單 元51在單個系統內通過I2C總線實現通信，在多個系統之間通過無線收發器實現通信；顯 示單元52根據傳感器類型及信號處理結果，同步繪製檢測指標動態圖形，並顯示檢測指標 實時的數據結果。數位訊號處理單元41與顯示單元之間通信通過數據發送單元和數據接 收接收單元，或者可將數據發送單元和數據接收接收單元分別內置於數位訊號處理單元和 顯示單元中，實現通訊。
[0034] 如圖2,所述的傳感器接口單元包含了輸入端的電壓電流轉換器、跨阻放大器、電 容積分器及與三者輸出端依次連接的可編程增益放大器和模數轉換器。跨阻放大器、電容 積分器用於直接接收輸出為電流信號的傳感器信號，電壓電流轉換器用於接收輸出為電壓 信號的傳感器信號，將電壓信號轉換為電流信號後再輸入到跨阻放大器和電容積分器。
[0035] 電流信號經跨阻放大器通路時，增益由運放的輸出端和負輸入端之間的反饋電 阻R決定，輸出電壓與輸入電流成線性關係，根據電阻阻值與面積的設計，此通路適合檢測 IuA到ImA範圍內的電流，轉換係數如式1所示：
【權利要求】
1. 一種通用型傳感器信號處理系統，其特徵在於，包括： 傳感器接口單元，用於將傳感器輸出的電流或電壓信號進行初步處理和放大； 寄存器控制單元，其存儲來自數據處理單元的控制信號，根據傳感器類型及傳感器輸 出信號範圍為傳感器接口晶片配置不同的參數； 數據傳輸接口，其作為系統內各模塊間的標準通信接口，將數位訊號處理單元為傳感 器接口晶片配置的數據傳輸給寄存器控制單元、傳輸傳感器接口晶片的檢測處理數據到數 字信號處理單元、並將數據發送單元的數據傳輸給數據接收單元； 數位訊號處理單元，其接收傳感器接口晶片的檢測處理數據，完成數位訊號算法，將處 理結果存儲並傳輸至數據發送單元； 數據發送單元，將數位訊號處理單元的處理結果發送給數據接收單元； 數據接收單元，存儲來自數據發送單元的數據，緩衝等待圖形及數據顯示單元讀取； 顯示單元，讀取數據接收單元緩衝的數據，進行檢測結果的圖形描繪及進行圖形和數 據顯示； 電源及電源管理單元，為系統內各單元供電。
2. 如權利要求1所述的通用型傳感器信號處理系統，其特徵在於：所述傳感器接口單 元包括跨阻放大器、積分器、可編程增益放大器、模數轉換器，所述傳感器輸出的電流信號 分別輸入跨阻放大器和積分器處理後輸出至可編程增益放大器放大，再經模數轉換器轉換 後輸出。
3. 如權利要求2所述的通用型傳感器信號處理系統，其特徵在於：所述傳感器接口單 元還包括電壓電流轉換器，若傳感器輸出電壓信號則先經電壓電流轉換器轉換成電流信號 後再分別傳輸至跨阻放大器和積分器，處理後輸出至可編程增益放大器放大，最後經模數 轉換器轉換後輸出。
4. 如權利要求2所述的通用型傳感器信號處理系統，其特徵在於：所述傳感器接口單 元還包括為傳感器及傳感器接口單元內各電路提供高精度的模擬偏置電壓的帶隙基準源。
5. 如權利要求2所述的通用型傳感器信號處理系統，其特徵在於：積分器後設置採樣 保持器，傳感器電流信號經積分器處理後經採樣保持器輸出給可編程增益放大器。
6. 如權利要求1-5中任意一項所述的通用型傳感器信號處理系統，其特徵在於：所述 傳感器單兀集成於一晶片中。
7. 如權利要求1所述的通用型傳感器信號處理系統，其特徵在於：所述數據傳輸接口 使用標準協議的I2C總線。
8. 如權利要求1所述的通用型傳感器信號處理系統，其特徵在於：所述顯示單元根據 傳感器類型及信號處理結果，同步繪製檢測指標動態圖形顯示出來，並顯示檢測指標實時 的數據結果。
9. 如權利要求1所述的通用型傳感器信號處理系統，其特徵在於：所述數據發送單元 和數據接收單元均包括無線收發器，所述通用型傳感器信號處理系統之間可遠程相互傳輸 數據，實現互校準功能。
【文檔編號】G01D5/14GK204214462SQ201420767662
【公開日】2015年3月18日 申請日期:2014年12月9日 優先權日:2014年12月9日
【發明者】李志超, 陳敏 申請人:深圳市德賽微電子技術有限公司