一種快速表徵超過特定阻值的方法及裝置製造方法
2023-06-28 03:24:36 2
一種快速表徵超過特定阻值的方法及裝置製造方法
【專利摘要】本發明提供了一種快速表徵超過特定阻值的方法及裝置，該快速表徵超過特定阻值的裝置包括：脈衝激勵產生單元，其通過裝置一端施加配置適當的脈衝激勵到儲能組件上，並在另一端採集對激勵的響應來表徵阻值是否超過設定的閾值。本發明簡化了複雜的模/數轉換(ADC)法，提高了工作效率，使其表徵響應時間提高到納秒級，易於各個領域應用。
【專利說明】一種快速表徵超過特定阻值的方法及裝置
【技術領域】
[0001]本發明涉及一種表徵特定阻值的【技術領域】，特別是涉及一種快速表徵對象超過特定阻值的方法及裝置。
【背景技術】
[0002]在電子科學技術中，經常需要使用到基礎的特徵阻值，例如溫度傳感器、溼度傳感器、壓力傳感器、加速度傳感器等。所述的特徵阻值能夠被快速表徵是非常重要的。
[0003]常規表徵阻值的方法有兩種:一種是最為常見的利用歐姆定律的伏安法或其變異方法，圖1所示為兩端伏安表徵法的結構圖，其中包括被表徵的電阻13，限流電阻12，測量電流的電流表14和電壓表15。所描述的方法是施加直流電壓11經過限流電阻12產生電流流經到被表徵的電阻13，通過電流表14和電壓表15獲得流經被表徵電阻的電流I和被表徵電阻兩端電壓值V，利用歐姆定律R = V/I計算得到被表徵電阻13的阻值。對伏安法也可以採取變異改進方法，如通過增加電路的複雜度和昂貴優質的器件實現施加恆流或恆壓等以減少誤差和提高表徵速度。如果需要確定是否超過了預期設定的阻值，必須通過人工比較或增加其他電路來實現。上述的表徵方法屬於常規測量方法，達到表徵需要較長的轉換時間。在需要快速表徵的場合情況下有較大局限性。
[0004]另外一種常用方法如圖2所示，採用集成運放、模/數轉換(ADC)來實現數字式測量被表徵電阻阻值。其結構包括被表徵的電阻21，在選擇適當的分檔量程和電阻/電壓轉換22後，通過集成運算放大器組成的信號調理單元23對電壓信號做適當的處理，以滿足模/數轉換器(ADC) 24所需的電壓幅度，ADC在穩定的參考電壓25下把模擬的電壓信號轉換為數位訊號量，微處理器26接收到數位訊號進行處理以及驅動，通過顯示29輸出測量的阻值，當然也可以通過通信模塊27把數據收發到PC28或者其他應用接口，微處理器26可以通過本身的人機接口模塊20實現交互控制，從而可以通過設定的閾值來確定被表徵對象的阻值有沒有超過。上面所述的數字式表徵方法中，模/數轉換器是關鍵，需要選擇解析度高，轉換速率快，誤差小等參數的器件，因此這種方法使用器件多電路比較複雜，影響精度的因素多，成本高，如果需要同時實時表徵多路阻值就更加複雜和昂貴。
【發明內容】
[0005]為了能夠快速表徵對象的阻值，使系統能夠快速判斷對象的阻值是否超過設定的閾值，從而能夠快速處理對響應時間要求極高的任務，本發明提供了一種快速表徵超過特定阻值的方法及裝置。
[0006]本發明所採用的技術方案是:一種用於快速表徵超過特定阻值的裝置，其特徵在於:包括激勵脈衝產生單元、緩衝單元、使能控制單元、儲能單元、激勵差異比較單元和表徵指示單元，其中所述激勵脈衝產生單元與所述緩衝單元連接，該緩衝單元用於暫存所述激勵脈衝產生單元產生的電壓，所述使能控制單元一方面與所述緩衝單元相連接，另一方面通過表徵電路用於連接被表徵對象，以使在該使能控制單元激活的情況下，所述緩衝單元上的電壓施加在該被表徵對象上，所述儲能單元用於採集脈衝在所述被表徵對象上的響應，所述激勵差異比較單元用於比較該響應與所述激勵脈衝產生單元產生的電壓，所述表徵指示單元根據比較結果表徵所述被表徵對象是否超出特定阻值。
[0007]本發明還公開了一種用於快速表徵超過特定阻值的方法，其特點在於包括如下步驟:
[0008](I)配置激勵脈衝；
[0009](2)施加激勵脈衝到被表徵對象上；
[0010](3)通過儲能單元採集該脈衝在所述被表徵對象上的響應；
[0011](4)採集到的該響應通過緩衝單元後和該激勵脈衝進行比較，當發現不一致時，表徵所述被表徵對象的阻值超過特定阻值。
[0012]通過本發明的上述技術方案，能夠快速、簡單、實時地表徵阻值是否超過設定閾值。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0013]圖1是現有的利用歐姆定律的伏安法測量電路；
[0014]圖2是現有的模/數轉換的數字式測量表徵阻值的結構框圖；
[0015]圖3是根據本發明的快速表徵超過特定阻值的方法的示意圖；
[0016]圖4是根據本發明的快速表徵超過特定阻值的方法的結構連接框圖；
[0017]圖5是根據本發明的快速表徵超過特定阻值的方法的流程圖；
[0018]圖6是一個激勵脈衝圖；
[0019]圖7是不同阻值的表徵對象在一個脈衝激勵下的響應圖；
[0020]圖8是根據本發明的表徵對象沒有超過特定阻值的響應圖；
[0021]圖9是根據本發明的表徵對象超過特定阻值的響應圖。
【具體實施方式】
[0022]下面結合附圖對本發明作進一步詳細的說明。為清楚起見，省略了對完整理解本發明不必要的元素。這些附圖提煉為簡單的示意圖，能夠說明本發明的基本方法及裝置。
[0023]本發明實現了一種快速表徵對象的阻值是否超過了閾值的方法，該方法可以運用在許多領域，實現不同的功能組合，尤其是應用到實時系統中。
[0024]本發明的總體技術方案如下所述。針對具體的被表徵對象設置對應被表徵對象的閾值；主控單元根據設置的閾值產生具體的參數來配置裝置的激勵脈衝和差異計數；施加脈衝激勵到儲能組件上；採集在儲能組件上對激勵的響應來表徵阻值是否超過設定的閾值。本發明的方法及裝置中包含有儲能組件和至少一個緩衝器跟被測對象連接。儲能組件兩端的充電時間常數與被表徵對象的阻值成正比，儲能組件兩端對於激勵響應的充電電壓，可以用於表徵在不同的實施例中對象的阻值。激勵的響應通過緩衝器被採集到差異比較單元，通過比較發送激勵，可以表徵被表徵對象的阻值是否超過設定的閾值。如果超過則進行指示，並且計數作為後端功能模塊控制、存儲、發送數據等使用。
[0025]圖3是從總體上示意本方法的框圖。被表徵對象32可以是任何以阻值變量為判斷依據的對象，比如高溫報警系統的溫度傳感器、產品的電阻參數檢查、接地電阻等等。本發明實現的快速表徵超過特定阻值的裝置31，從被表徵對象32方面作為參考，可以表述為快速表徵超過特定阻值的裝置31通過A端施加激勵與響應採集33把配置好的激勵脈衝電壓施加到被表徵對象32與內部連接的儲能組件上，B端施加激勵與響應採集34則把響應的激勵採集送到緩衝器，在裝置的內部實現差異比較、計數和顯示等功能；下一個周期則是從B端施加激勵與採集響應34把配置好的激勵脈衝電壓施加到被表徵對象32與內部連接的儲能組件上，A端施加激勵與採集響應33則把響應的激勵採集送到緩衝器，在裝置的內部實現差異比較、計數和顯示等功能。如此周而復始的施加激勵和採集響應，從而實現了快速地表徵對象是否超過特定的阻值。
[0026]本發明的方法及裝置31的實施例如圖4所示，其是所述方法的結構連接框圖。該裝置包括激勵脈衝產生單元403，脈衝的產生實現方式有很多種，可以通過專門的DDS(直接數字式頻率合成器)晶片或者集成運放和分立元件搭建來實現。本裝置優先基於標準基準時鐘404，根據需要表徵的參數控制激勵脈衝配置405來實現不同周期、幅度、正負脈衝的數字式，加上PLL (鎖相環)更加精準地保證脈衝質量，使激勵脈衝產生單元403能夠根據需要隨時靈活得到周期和正負幅度符合要求的激勵脈衝，同時也能夠供給系統作為時鐘使用。激勵的波形可以是不同類型的，比如一個尖形、鋸齒或其他可變電壓波形。
[0027]緩衝單元406由輸入緩衝器和輸出緩衝器組成。輸出緩衝器把激勵脈衝產生單元403送來的數據暫時存放，起到提高驅動能力，信號隔離，消除負載對激勵脈衝產生單元403的影響的作用。輸入緩衝器將採集到的響應電壓暫時存放以提高驅動能力，隔離對內部信號的影響，如果採集到的響應電壓高於緩衝器的輸入高電平(VIH)，緩衝器輸出就為高，同時反向緩衝器輸出為低。如果對象的阻值低於設置的特定阻值，那麼在儲能組件上的儲能電荷將達到足夠多的數量，採集到輸入緩衝器的將是高電平；相反，如果對象的阻值大於特定的阻值，在脈衝周期內將無法儲能到足以滿足輸入高電平的要求，所以經過緩衝器的邏輯為低電平。
[0028]使能控制單元407的功能是:當裝置上電後，裝置內的初始化和配置參數還未完成時，使能控制單元407暫時關閉對表徵的通路，以避免發生錯誤的表徵。初始化完成後，配置好被表徵對象的特定阻值等各種參數後，使能控制單元407打開表徵通路，裝置開始正常運行。
[0029]儲能單元409是本發明的裝置用來表徵阻值與對施加激勵作出響應的一個重要組成單元。儲能單元可以是一個電容，一個電感，或者是一個電阻電容組合，一個電感電容組合，一個電阻電感電容組合或一個其他原理的儲能組件。電容對正脈衝的儲能的電壓易以表現，應優先考慮採用。
[0030]自檢單元410是對電路的通信功能和表徵功能的檢測，便於了解裝置本身的功能正確性。它是一個標準的高精度高穩定性的電阻陣列或一個具有電阻特性的電路，當需要自檢時，控制接通自檢單元，發送編制好的自檢程序，產生特定脈衝對實際過程中遇到的情況進行模擬，從而可以實現對功能的判定和對裝置誤差進行補償，提高表徵精度。
[0031]被表徵對象408是本發明所要表徵的目標，它對所有需要快速表徵超過特定阻值的對象都適用。通過對系統的擴展和對功能的延伸，可以應用的領域非常廣泛。
[0032]激勵差異比較單元411對激勵脈衝源和採集到響應的電平進行差異比較，如果發現有不一樣的邏輯，則立馬通過差異計數413把超過特定阻值的次數記錄下來，差異計數413通過計數配置414可以在記錄設置好的次數後，標誌給下一級，例如記錄滿10個，才發出標誌信號給計數鎖存器，同時表徵指示412顯示有差異發生，並報告給裝置或系統。
[0033]數據傳輸單元416把計數鎖存器415的數據傳輸給數據存儲417和數據分析418分別進行存儲和分析。數據單元的數據也可以通過無線傳輸等其他方式把數據實時地傳遞給遠程的控制中心。
[0034]主控單元419通過輸入輸出信號實現整個表徵裝置的系統控制，其中包括上電的初始化，根據要表徵的特定阻值對激勵脈衝配置405進行參數配置，對使能單元407的使能控制，對自檢單元410的控制，對計數配置414的控制，對檢測到超過特定阻值的表徵的顯示傳輸，啟動保護程序等等。
[0035]在主控單元419的控制下，實現本發明的程序流程。如圖5所示是本發明的一個簡化流程圖。首先根據不同應用的具體情況，對表徵的對象在超過多少量的阻值時進行表徵來設置相應的參數(步驟51);用戶設置好參數後，裝置將自動配置激勵脈衝配置405、計數配置414 ;上述準備就緒後，系統等待使能命令決定是否開始實施表徵，如果不需要表徵，就一直處於等待狀態；如果接到一個開始表徵信號，則使能控制407使能導通，使能激勵施加到被表徵對象(步驟52);施加的脈衝激勵改變儲能單元409上的電壓，如果對象的阻值沒有超過設定的閾值，則能在脈衝周期內提高到預知的高電壓水平，相反如果對象的阻值超過了閾值，則將抑制儲能達到高電平水平(步驟53);通過另一端採集儲能單元的響應，該響應通過緩衝單元406輸出到內部(步驟54);採集回來的響應和激勵源(經過一定延時)在激勵差異比較單元411進行差異比較，如沒有發現差異就表明對象的阻值沒有超過特定的阻值，發現有差異則表徵對象超過設置的特定阻值(步驟55);在發現差異後，立刻計數，把信息傳給系統，以便採取必須要的措施(步驟56)。上述流程說明本發明快速表徵特定阻值方法及裝置實施例的基本流程。
[0036]下面結合圖6和圖7來進一步闡述本發明的方法是如何來表徵對象超過特定阻值。圖6是施加的一個激勵脈衝的一個周期，所述的激勵脈衝是針對一個特定阻值配置的，由正半周期61和負半周期62組成。圖7是兩種阻值在電容組成的儲能組件下的激勵響應圖，圖中曲線分別為:在正半周期內沒有超過設定阻值的對象的儲能電壓曲線71，超過設定阻值的儲能電壓曲線72 ;在負半周內儲能元件電容開始的放電，沒有超過特定阻值的放電曲線73，以及超過特定阻值的放電曲線74。
[0037]圖8是本發明表徵對象未超過特定阻值的響應圖；一旦系統確定使能開始表徵對象，激勵脈衝產生單元403產生脈衝電壓81，在內部時鐘信號的上升沿在電容式的儲能單元409上充電(82)。在時鐘的下降沿，採集脈衝激勵通過儲能單元上的電壓82，在規定的延時內關閉相同的時鐘信號，該延時由儲能的電容器值決定，因為電容儲能到閾值的電平高度需要一定的時間。脈衝正半周期一過儲能的電容就開始放電。由於表徵的對象的阻值未超過特定的阻值，在對應的周期內儲能達到了高電平的標準閾值，所以在採集時為高電平。
[0038]圖9是本發明表徵對象超過特定阻值的響應圖。在系統決定開始表徵對象後，激勵脈衝產生單元403產生脈衝電壓(91)，在內部時鐘信號的上升沿施加於通過表徵對象在電容式的儲能單元(409)上充電(92)。在時鐘的下降沿採集脈衝激勵通過儲能單元上的電壓92，在規定的延時內關閉相同的時鐘信號。脈衝正半周期一過儲能的電容就開始放電。由於表徵的對象的阻值超過了特定的阻值，在對應的周期內儲能不能達到高電平的標準閾值，所以在採集時為低電平。那麼在激勵差異比較單元411內就會發現採集回來的響應和激勵源的預期不一致，就會表徵對象超過了一次設定的阻值。並通過另一端的施加一個負脈衝去強制硬復位電容上的電壓。如果存儲的電壓無法被重置復位就表明對象變化的阻值已經不能再回到設置的閾值內了，便可以標誌為永久的超過閾值，並退出表徵。否則，表徵可以在一定的時間內重複測試相同的對象，以確定是否發生過一次超過閾值，或偶爾的地重複超過特定的阻值，記錄下超過阻值的數據，進行後續的分析處理。
[0039]下面進一步描述本發明的實施例。
[0040]實施例1:基於本發明的快速表徵特定阻值的方法，把所有組成的單元通過印刷電路板製備成為一臺設備裝置。所述設備主要由主控制器、輸入輸出接口、比較器、計數器、基準時鐘、脈衝產生器、緩衝器、使能控制、儲能組件、自校準單元、施加激勵和採集響應的多組埠組成。通過所述設備能夠方便地對位置不固定的被測對象進行表徵，只需要把設備的測試埠與對象良好連接，外圍不需要增加任何額外的輔助器材，該設備即可表徵被測對象的阻值是否超過設定的閾值。任何被表徵對象在受到施加激勵的情況下，儲能組件上的電壓響應會正比例於被表徵對象的阻值，採集得到的響應經過緩衝器輸出便可以進行比較得出結果，周而復始的進行發送激勵、採集響應，就實現了對表徵對象的實時監測。
[0041]實施例2:作為嵌入式應用本發明的方法，一個嵌入式系統採用多種傳感器，對傳感器的特徵阻值能夠及時快速表徵是非常重要的一個性能，如利用溫度傳感器設定的高溫報警系統。嵌入本發明的方法就能夠把表徵溫度變化的阻值轉換成使用脈衝激勵對儲能組件的充電電壓，如果不能達到預定的電壓閾值，就表明響應和激勵之間有差異，即表徵溫度超過了設定的溫度點。所述的嵌入式方法發出報警信號快速的傳遞給系統，系統才能及時採用措施來控制處理，避免發生危險。
[0042]實施例3:利用分布式來實現快速表徵對象超過特定阻值的組織結構，所述的分布式是指構成整個功能的單元不局限於在一個單一的系統內實現，而是能夠在不同系統中分別實現其中的一部分功能單元，把所有的功能單元連接組合成一個網絡，構成跨越多個系統來組成完整功能的一種實現方式。例如在一個系統內集成了除脈衝產生單元和儲能單元外的所有功能單元，另一個系統中恰好有富餘的資源可以用來作為脈衝產生單元，而在靠近被表徵對象的系統安排儲能組件。在本實施例中，可以根據不同系統的資源合理的利用本身的資源，把功能單元分別在不同的系統內實現，從而可以在線表徵在整個構成網絡迴路的被表徵對象，把多個功能單元聯繫起來就如一個整體系統來配置管理一樣。
[0043]通過本發明的上述技術方案，從而能夠實現對需要被表徵對象提供一種易於實現，擴展廣泛，響應快速，實時在線的表徵多路阻值是否超過設定的閾值。
[0044]雖然上述對本發明在快速表徵超過特定阻值的某些示例性實例中已經描述了。需要理解的是，本發明並不限制於所公開的實施方式，而是意在覆蓋包括在所附的權利要求書中的實質和範圍之內的各種修改和等同布置及其等同物。
【權利要求】
1.一種用於快速表徵超過特定阻值的裝置，其特徵在於:包括激勵脈衝產生單元、緩衝單元、使能控制單元、儲能單元、激勵差異比較單元和表徵指示單元，其中所述激勵脈衝產生單元與所述緩衝單元連接，該緩衝單元用於暫存所述激勵脈衝產生單元產生的電壓，所述使能控制單元一方面與所述緩衝單元相連接，另一方面通過表徵電路用於連接被表徵對象，以使在該使能控制單元激活的情況下，所述緩衝單元上的電壓施加在該被表徵對象上，所述儲能單元用於採集脈衝在所述被表徵對象上的響應，所述激勵差異比較單元用於比較該響應與所述激勵脈衝產生單元產生的電壓，所述表徵指示單元根據比較結果表徵所述被表徵對象是否超出特定阻值。
2.根據權利要求1所述的裝置，其特徵在於:還包括自檢單元，用於檢測該裝置自身的功能正確性。
3.根據權利要求1所述的裝置，其特徵在於:還包括差異計數器，用於記錄超出特定阻值的次數。
4.根據權利要求3所述的裝置，其特徵在於:還包括計數鎖存器，當所述差異計數器記錄的超出特定阻值的次數達到給定值後，才發出標誌信號給所述計數鎖存器。
5.根據權利要求4所述的裝置，其特徵在於:還包括數據傳輸單元，用於將所述計數鎖存器的數據傳輸給數據存儲單元和/或數據分析單元。
6.權利要求1所述的裝置，其特徵在於:還包括主控單元，該主控單元用於根據被表徵對象的特定阻值配製激勵脈衝。
7.根據權利要求1所述的裝置，其特徵在於:所述的緩衝單元包括輸入緩衝器和輸出緩衝器，該輸入緩衝器用於暫時存放所述響應以提高驅動能力，該輸出緩衝器用於暫存所述激勵脈衝產生單元產生的電壓。
8.根據權利要求2所述的裝置，其特徵在於:所述自檢單元是一個高精度低漂移的電阻性電路。
9.根據權利要求1所述的裝置，其特徵在於:所述儲能單元是一個電容，或者是電阻、電容和電感混合組成的組件。
10.一種用於快速表徵超過特定阻值的方法，其特點在於包括如下步驟: (1)配置激勵脈衝； (2)施加激勵脈衝到被表徵對象上； (3)通過儲能單元採集該脈衝在所述被表徵對象上的響應； (4)採集到的該響應通過緩衝單元後和該激勵脈衝進行比較，當發現不一致時，表徵所述被表徵對象的阻值超過特定阻值。
11.根據權利要求10所述的方法，其特徵在於:根據所述被表徵對象設置閾值，主控單元根據該閾值產生具體的參數來配置激勵脈衝。
【文檔編號】G01R27/14GK103926467SQ201410164430
【公開日】2014年7月16日 申請日期:2014年4月23日 優先權日:2014年4月23日
【發明者】劉鵬, 關永, 金聲震, 張銳, 王洪民, 劉超 申請人:首都師範大學, 北京漢迪永創科技有限責任公司