CN104713579A

CN104713579A - 一种通用型传感器信号处理系统

Info

Publication number: CN104713579A
Application number: CN201410744782.XA
Authority: CN
Inventors: 李志超; 陈敏
Original assignee: Shenzhen Desay Microelectronic Technology Ltd Co
Current assignee: Shenzhen Desay Microelectronic Technology Ltd Co
Priority date: 2014-12-09
Filing date: 2014-12-09
Publication date: 2015-06-17

Abstract

本发明提供一种通用型传感器信号处理系统。所述系统包括传感器接口单元、寄存器控制单元、数据传输接口、数字信号处理单元、数据发送单元、数据接收单元、显示单元和电源及电源管理单元。传感器接口单元与数字信号处理单元连接，数据发送单元一端连接数字信号处理单元，另一端连接数据接收单元，数据接收单元与显示单元连接；寄存器控制单元也与数字信号处理单元连接。本发明所述系统采用便携式设计，体积小、功耗低、成本低，可针对不同传感器配置不同参数，检测结果以图形或数据形式实时显示。

Description

一种通用型传感器信号处理系统

技术领域

本发明涉及电子技术领域，具体为一种用于多种类型的传感器输出信号处理的信号处理系统。

背景技术

随着近代工业、半导体技术、微系统技术、通信技术、计算机技术的飞速发展，作为获取物理世界信息的工具，传感器技术已成为科学研究的一个重点领域。电信号传感器根据输出的不同，可分为安培型传感器和伏特型传感器，对应输出为电流信号和电压信号，传感器检测系统采集传感器输出的电流信号或电压信号，经模拟处理和数字处理后形成检测指标的定性和定量显示。

近年来，得益于半导体集成制造工艺和MEMS微机械技术的迅猛发展，传感器检测系统朝着微小型化的方向发展，便携式设计越来越多地应用于环境检测设备、医疗监测设备当中。在保证测量精度的前提下，如何选择合适的各功能模块器件、数字信号处理方法消除噪声干扰及减小面积实现微型化等方面成为重点研究方向。

传统的传感器检测系统采用基于工业标准接口的模块化系统或大型设备实现，其体积大、便携性差的特点限制了其应用范围。

发明内容

本发明的目的是提供一种体积小、安全性能好、便携性强的通用型传感器信号处理系统，该系统有利于实现传感器检测系统的小型化。

为达到以上目的，本发明的技术方案为：一种通用型传感器信号处理系统，包括：

传感器接口单元，用于将传感器输出的电流或电压信号进行初步处理和放大；

寄存器控制单元，其存储来自数据处理单元的控制信号，根据传感器类型及传感器输出信号范围为传感器接口芯片配置不同的参数；

数据传输接口，其作为系统内各模块间的标准通信接口，将数字信号处理单元为传感器接口芯片配置的数据传输给寄存器控制单元、传输传感器接口芯片的检测处理数据到数字信号处理单元、并将数据发送单元的数据传输给数据接收单元；

数字信号处理单元，其接收传感器接口芯片的检测处理数据，完成数字信号算法，将处理结果存储并传输至数据发送单元；

数据发送单元，将数字信号处理单元的处理结果发送给数据接收单元；

数据接收单元，存储来自数据发送单元的数据，缓冲等待图形及数据显示单元读取；

显示单元，读取数据接收单元缓冲的数据，进行检测结果的图形描绘及进行图形和数据显示；

电源及电源管理单元，为系统内各单元供电。

优选的，所述传感器接口单元包括跨阻放大器、积分器、可编程增益放大器、模数转换器，所述传感器输出的电流信号分别输入跨阻放大器和积分器处理后输出至可编程增益放大器放大，再经模数转换器转换后输出。

更优选的，所述传感器接口单元还包括电压电流转换器，若传感器输出电压信号则先经电压电流转换器转换成电流信号后再分别传输至跨阻放大器和积分器，处理后输出至可编程增益放大器放大，最后经模数转换器转换后输出。

更优选的，传感器接口单元中积分器后设置采样保持器，传感器电流信号经积分器处理后经采样保持器输出给可编程增益放大器。

更优选的，所述传感器单元集成于一芯片中。

优选的，所述数据发送单元和数据接收单元均包括无线收发器，所述通用型传感器信号处理系统之间可远程相互传输数据，实现互校准功能。

与现有技术相比，本发明有益效果在于：

（1）所述通用型传感器信号处理系统由传感器接口芯片接收来自传感器输出的电流或电压信号，改变以往采用多个独立元件搭建的传感器接口电路的方法，实现模拟信号经放大、调整、最后转换为数字信号，大大减小了接口电路的面积与功耗，并提高了测量精度；

（2）本发明中数字信号处理单元可控制传感器芯片根据所接入的传感器类型不同以及输出信号范围及灵敏度不同，对其内部的跨阻放大器跨阻值的大小、电容积分器积分时间的长短与积分电容的大小、可编程增益放大器增益的大小进行相应的配置，实现各类传感器通用；

（3）所述系统中数据发送单元与数据接收单元在单个系统内通信，速度快，功耗低；还可支持多个系统之间通信，具有多个系统互校准功能，并可形成用户网络，实现检测信息共享。

（4）数据传输接口是标准协议的I²C总线，只有时钟线和数据线两位，通过对设定地址的寄存器进行读写操作，有效减少因传输数据线较多而引起的面积较大、寄生电容较大等缺点。

附图说明

图1 为本发明所述通用型传感器信号处理系统的组成结构示意框图；

图2 为本发明所述传感器接口单元的组成结构示意框图；

图3 为本发明传感器接口芯片的电容积分器电流检测通路的扫描特性曲线图；

图4 为本发明传感器接口芯片的跨阻放大器电流检测通路的扫描特性曲线图；

图5 为本发明传感器接口芯片的跨阻放大器电压检测通路的扫描特性曲线图。

图6 为本发明电源及电源管理芯片的结构示意图。

具体实施方式

为方便本领域技术人员的理解，以下结合附图及具体实施例，对本发明进一步详细描述。

如图1所示，本发明所述系统包括传感器接口单元1、寄存器控制单元2、数据传输接口3、数字信号处理单元41、数据发送单元42、数据接收单元51、显示单元52和电源及电源管理单元6。传感器接口单元1与数字信号处理单元41连接，数据发送单元42一端连接数字信号处理单元41，另一端连接数据接收单元51，数据接收单元51与显示单元52连接；寄存器控制单元2也与数字信号处理单元41连接。

传感器接口单元1接收来自传感器的输出信号，经电压电流转换后，进一步进行增益可调放大，最后将模拟信号转换成数字信号，传感器接口单元1处理后的数字信号经由I²C总线（数据传输接口3）传输给数字信号处理单元41；数字信号处理单元41进行信号处理算法，提取出原始信号特性，并转换成传感器的检测指标，经数据发送单元42输出给远程系统或通过I²C总线输出给本地显示单元直接显示；数据发送单元42与数据接收单元51在单个系统内通过I²C总线实现通信，在多个系统之间通过无线收发器实现通信；显示单元52根据传感器类型及信号处理结果，同步绘制检测指标动态图形，并显示检测指标实时的数据结果。数字信号处理单元41与显示单元之间通信通过数据发送单元和数据接收接收单元，或者可将数据发送单元和数据接收接收单元分别内置于数字信号处理单元和显示单元中，实现通讯。

如图2，所述的传感器接口单元包含了输入端的电压电流转换器、跨阻放大器、电容积分器及与三者输出端依次连接的可编程增益放大器和模数转换器。跨阻放大器、电容积分器用于直接接收输出为电流信号的传感器信号，电压电流转换器用于接收输出为电压信号的传感器信号，将电压信号转换为电流信号后再输入到跨阻放大器和电容积分器。

电流信号经跨阻放大器通路时，增益由运放的输出端和负输入端之间的反馈电阻R决定，输出电压与输入电流成线性关系，根据电阻阻值与面积的设计，此通路适合检测1uA到1mA范围内的电流，转换系数如式1所示：

（1）

电流经电容积分器通路时，增益由运放输出端和负输入端的积分电容Citgr和积分时间fs决定，积分电容和积分时间一定时，输出电压与输入电流成线性关系，此通路适合检测1n A到1uA范围内的小电流，电容积分器的输出电压如2式所示：

（2）

传感器输出电压信号时，传感器接口单元为降低输入信号携带的噪声干扰，不能将输入电压信号直接接入可编程增益放大器进行放大，而是先流经电压电流转换器，其转换后的电流信号流经上述跨阻放大器或电流积分器进行后续处理，转换后电流如3式所示：

（3）

跨阻放大器和电容积分器的输出Vo接到可编程增益放大器的输入端，可编程增益放大器通过电容C1采样、C2放大，通过调节电容C2的大小，实现增益的可编程调节，输出电压如4式所示：

（4）

图3显示了采用上述传感器接口单元的电容积分器电流检测通路，以0.5nA步长从1nA-100nA的输入直流电流时的扫描检测结果，可见传感器接口单元的输出随着输入电流的线性增加呈现单调递增变化，线性度良好；

图4显示了采用上述传感器接口单元的跨阻放大器电流检测通路，以0.5uA步长从1uA-30uA的输入直流电流时的扫描检测结果，可见传感器接口单元的输出随着输入电流的线性增加呈现单调递增变化，线性度良好；

图5显示了采用上述传感器接口单元的跨阻放大器电压检测通路，对输入电压以10mV为步长扫描1mV-1.6V的输出结果，从图上看出传感器接口单元输出数字码随输入电压的线性增加呈现单调递减变化，具有良好线性度。

上述图3、图4和图5都是在电流电压转换系数与可编程增益放大器增益为设定值时的测量结果，通过调节电流电压转换系数与可编程增益放大器增益可获得指定范围内的更高精度的测量结果。

具体实施时，本发明所述系统电路单元体积小，传感器接口单元更可集成在一块芯片上，制作为手持式终端，使用方便。手持终端可采用电池供电，并为电池设置电源管理电路。图6为以电池作为电源及电源管理电路的实施例，电源管理电路的VDD端通过电阻R1连接到电池的正极，通过电容C1耦合至VSS，VSS连接至电池的负极；OD端、OC端连接N型MOS管的栅极，CS端连接电池的正极，与OD端连接的N型MOS管的源极连接VSS端，漏极连接与OC端连接的N型MOS管的源极，漏极连接与CS端连接的电阻的负极。在电池充放电过程中出现电流过大状态或检测到负载短路状态，则启动自保护功能，防止电池损伤或爆炸；电源管理电路静态电流小，提供系统待机功能，可以延长电池使用寿命。

本发明所述系统，传感器接口单元集成在一个芯片上，该芯片受数字信号处理单元控制，可根据所接入的传感器类型、传感器输出信号范围及灵敏度，对其内部的跨阻放大器跨阻值的大小、电容积分器积分时间的长短与积分电容的大小、可编程增益放大器增益的大小进行相应的配置。数字信号处理单元通过数据传输接口I²C总线对寄存器控制单元内相应的地址读写数据，寄存器控制单元直接将数据传输给传感器接口芯片的各配置管脚，使传感器接口芯片工作在最适宜的测量范围内。

所述系统中数据传输均采用标准协议的I²C总线，I²C总线只有时钟线和数据线两位，通过对设定地址的寄存器进行读写操作，有效减少因传输数据线较多而引起的面积较大、寄生电容较大等缺点。

传感器接口芯片处理后的数字信号经由I²C总线传输给数字信号处理单元，数字信号处理单元实现信号处理算法，消除噪声干扰，提取出原始信号特性，并根据用户标定或自标定的测量标准曲线，将数据转换成传感器的检测指标。

数据发送单元与数据接收单元在单个系统内通过I²C总线实现通信，速度快，功耗低；如果用户需要在多个系统之间通信，则通过无线收发器实现通信，实现多个系统互校准功能，并可形成用户网络，实现检测信息共享。

显示单元使用LED显示屏幕，功耗低，可靠性强，易于调试，容易与其他模块集成在一个系统内，其从数据接收单元接收缓冲的数据，绘制数字信号处理单元的输出数据曲线，并显示传感器测量指标的实时结果。

本发明所述感器信号处理系统，能够检测电流和电压两种信号，电流检测范围从1nA到1mA，电压检测范围从1mV到1.5V，可用于多种不同传感器，具有通用性，同时具有精度高、集成度高、功耗低和成本低的优点。

本发明未具体介绍的部分均可采用现有技术中的成熟功能模块。

以上为本发明优选的实现方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些显而易见的替换形式均属于本发明的保护范围。

Claims

1.一种通用型传感器信号处理系统，其特征在于，包括：

电源及电源管理单元，为系统内各单元供电。

2.如权利要求1所述的通用型传感器信号处理系统，其特征在于：所述传感器接口单元包括跨阻放大器、积分器、可编程增益放大器、模数转换器，所述传感器输出的电流信号分别输入跨阻放大器和积分器处理后输出至可编程增益放大器放大，再经模数转换器转换后输出。

3.如权利要求2所述的通用型传感器信号处理系统，其特征在于：所述传感器接口单元还包括电压电流转换器，若传感器输出电压信号则先经电压电流转换器转换成电流信号后再分别传输至跨阻放大器和积分器，处理后输出至可编程增益放大器放大，最后经模数转换器转换后输出。

4.如权利要求2所述的通用型传感器信号处理系统，其特征在于：所述传感器接口单元还包括为传感器及传感器接口单元内各电路提供高精度的模拟偏置电压的带隙基准源。

5.如权利要求2所述的通用型传感器信号处理系统，其特征在于：积分器后设置采样保持器，传感器电流信号经积分器处理后经采样保持器输出给可编程增益放大器。

6.如权利要求1-5中任意一项所述的通用型传感器信号处理系统，其特征在于：所述传感器单元集成于一芯片中。

7.如权利要求1所述的通用型传感器信号处理系统，其特征在于：所述数据传输接口使用标准协议的I²C总线。

8.如权利要求1所述的通用型传感器信号处理系统，其特征在于：所述显示单元根据传感器类型及信号处理结果，同步绘制检测指标动态图形显示出来，并显示检测指标实时的数据结果。

9.如权利要求1任意一项所述的通用型传感器信号处理系统，其特征在于：所述数据发送单元和数据接收单元均包括无线收发器，所述通用型传感器信号处理系统之间可远程相互传输数据，实现互校准功能。