CN104965182A - 一种集成霍尔效应探测器的无线物联网芯片及方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种集成霍尔效应探测器的无线物联网芯片及方法，在同一个物联网芯片的内部，使霍尔元件、电压放大器、模数转换器、控制逻辑模块依次电路连接；霍尔元件输出与所在磁场对应的电压，经过电压放大器将霍尔元件输出的电压放大后，由模数转换器采样量化转为电压的数字信号；所述控制逻辑模块根据对电压的数字信号采集的结果，输出对应于霍尔元件所在磁场与所检测物理量关系的指令。本发明利用反转的霍尔元件的输出电压来消除失配电压的影响，及通过增大模数转换器的采样电容，并进行多次采样取平均值的操作来消除芯片内部热噪声。

Description

一种集成霍尔效应探测器的无线物联网芯片及方法

技术领域

本发明涉及物联网(IOT)领域，特别涉及在无线物联网芯片设备中集成了霍尔效应探测器(Hall Effect Sensor)的技术。

背景技术

霍尔效应(Hall Effect)是指置于磁场中的电流载体，其中的载流子受到洛伦兹力(Lorentz Force)的影响，会产生一个与电流和磁场方向都垂直的电压，该电压的大小与电流大小和磁场强度的乘积成正比。霍尔效应探测器(Hall Effect Sensor)就是指利用霍尔效应的原理，用来检测磁场的大小和方向。虽然霍尔效应探测器是一种磁场探测器，以它为核心元件却可以检测温度、压力、位置、流量等等，应用范围十分广泛。

霍尔效应探测器主要由两部分组成：霍尔元件11和电压检测电路12，如图1所示。霍尔元件11是可以放置于待检测磁场中的导电薄片，电压检测电路12将霍尔元件11产生的电压放大并检测出来，进而推知磁场的大小和方向。

传统的物联网芯片14使用霍尔效应探测器16的方法，是在PCB板15(印制电路板)上集成霍尔效应探测器16和物联网的控制逻辑模块13，主要有两种方式：一种是霍尔元件11和电压检测电路12全部都在物联网芯片14外部，霍尔效应探测器16与物联网芯片14的控制逻辑模块13是两个相互独立的元件，两者之间以模拟的或者数字的信号线相连接，如图2所示；另外一种是物联网芯片14的内部集成了电压检测电路12，对霍尔元件11的电压输出进行检测，如图3所示。

这两种方式的缺点显而易见：系统成本中包含了霍尔效应探测器，无法降到最低；霍尔效应探测器需要额外占用PCB板空间，物联网设备的体积不会太小；物联网芯片需要额外的管脚与霍尔效应探测器相接，影响物联网芯片其他功能的扩展；霍尔效应探测器分立于物联网控制芯片之外，不便于后者对其的控制，系统功耗无法做到最优。

发明内容

为了克服传统的物联网芯片使用霍尔效应探测器所产生的各种弊端，本发明针对其根本原因，提供一种集成霍尔效应探测器的无线物联网芯片及方法，将霍尔效应探测器的霍尔元件和电压检测器集成在物联网芯片内部，并有效克服芯片内部热噪声及失配电压的影响。本发明还提供一种失配电压消除装置。

为了达到上述目的，本发明的一个技术方案是提供一种集成霍尔效应探测器的无线物联网芯片，在同一个物联网芯片的内部，集成有电路连接的以下部件：

霍尔元件，输出与所在磁场对应的电压；

电压放大器，连接霍尔元件的输出端，将霍尔元件输出的电压进行放大；

模数转换器，连接电压放大器的输出端，将放大后的电压信号采样量化转为电压的数字信号；

控制逻辑模块，连接模数转换器的输出端，根据对电压的数字信号采集的结果，来输出对应于霍尔元件所在磁场与所检测物理量关系的指令。

优选地，所述物联网芯片的内部还集成有接收器、发送器、开关；

所述控制逻辑模块分别与接收器、发送器电路连接，所述开关通过切换将接收器或发送器中的一个，与物联网芯片外部的天线电路连接，来无线发送指令或接收外部的信息。

优选地，所述物联网芯片与天线分别布置于PCB板上。

优选地，所述物联网芯片设置有失配电压消除装置，其中包含：电压反转电路、减法器；

所述电压反转电路的输入端与霍尔元件的输出端连接，将霍尔元件的输出电压反转；

所述霍尔元件及电压反转电路的输出端，分别通过电压放大器连接数模转换器的输入端，来向其发送霍尔元件的输出电压V_HALL和反转后的输出电压-V_HALL；

所述模数转换器的输出端连接减法器的输入端，向该减法器分别输出根据输出电压V_HALL和反转后的输出电压-V_HALL采样输出的结果D_out1和D_out2，由所述减法器输出对采样输出结果的减法计算结果“D_out1-D_out2”；

所述失配电压消除装置将所述减法计算结果“D_out1-D_out2”与一恒定变量的运算结果，作为消除失配电压后霍尔元件的输出电压。

一个具体示例中，所述恒定变量是电压V_LSB的二分之一的数值，其与减法计算结果“D_out1-D_out2”的乘积作为消除失配电压后霍尔元件的输出电压；该电压V_LSB是模数转换器的最低有效位的电压。

本发明的另一个技术方案是提供一种失配电压消除装置，适用于所述集成霍尔效应探测器的无线物联网芯片；

所述失配电压消除装置包含：电压反转电路、减法器；

所述电压反转电路的输入端与霍尔元件的输出端连接，将霍尔元件的输出电压反转；

所述霍尔元件及电压反转电路的输出端，分别通过电压放大器连接数模转换器的输入端，来向其发送霍尔元件的输出电压V_HALL和反转后的输出电压-V_HALL；

所述模数转换器的输出端连接减法器的输入端，向该减法器分别输出根据输出电压V_HALL和反转后的输出电压-V_HALL采样输出的结果D_out1和D_out2，由所述减法器输出对采样输出结果的减法计算结果“D_out1-D_out2”；

所述失配电压消除装置将所述减法计算结果“D_out1-D_out2”与一恒定变量的运算结果，作为消除失配电压后霍尔元件的输出电压。

一个具体示例中，所述恒定变量是电压V_LSB的二分之一的数值，其与减法计算结果“D_out1-D_out2”的乘积作为消除失配电压后霍尔元件的输出电压；该电压V_LSB是模数转换器的最低有效位的电压。

本发明的又一个技术方案是提供一种在无线物联网芯片内部集成霍尔效应探测器的方法；在同一个物联网芯片的内部，使霍尔元件、电压放大器、模数转换器、控制逻辑模块依次电路连接；

霍尔元件输出与所在磁场对应的电压，经过电压放大器将霍尔元件输出的电压放大后，由模数转换器采样量化转为电压的数字信号；所述控制逻辑模块根据对电压的数字信号采集的结果，输出对应于霍尔元件所在磁场与所检测物理量关系的指令。

优选地，在霍尔元件的电压输出端，连接一个电压反转电路，对霍尔元件的输出电压V_HALL进行反转得到-V_HALL；

所述模数转换器根据输出电压V_HALL和反转后的输出电压-V_HALL，分别采样输出的结果D_out1和D_out2；

计算下式，得到消除失配电压后的霍尔元件的输出电压：

$V_{HALL}=\frac{(D_{out1}-D_{out2})\·V_{LSB}}{2}$

其中，模数转换器的最低有效位的电压为V_LSB。

优选地，通过增大模数转换器的采样电容，并对模数转换器进行多次采样取平均值的操作来消除芯片内部热噪声。

与现有技术相比，本发明的优点在于：

霍尔效应探测器及物联网芯片无需单独封装，将霍尔元件和电压检测电路集成到物联网芯片中能够有效降低成本，减少功耗，并且两者在PCB板上布置所需的空间小，使物联网设备的体积减小，还不影响物联网芯片的管脚设置及功能扩展。本发明通过加大采样电容，和通过多次采样取平均值的方法来消除芯片内部热噪声的影响。本发明利用霍尔元件的反转的输出电压进行计算，消除了芯片内部的失配电压，使得测量结果更为准确。

附图说明

图1是现有霍尔效应探测器的结构示意图；

图2是现有霍尔效应探测器与物联网芯片的一种连接方式示意图；

图3是现有霍尔效应探测器与物联网芯片的另一种连接方式示意图；

图4是本发明的集成霍尔效应探测器的无线物联网芯片的结构示意图；

图5是本发明中失配电压消除装置的结构原理图。

具体实施方式

如图4所示，本发明在物联网芯片8的内部集成霍尔效应探测器所包含的霍尔元件1和电压检测器。即，在物联网芯片8的内部，依次电路连接有：霍尔元件1、电压检测器中的电压放大器2、ADC 3(模数转换器)、控制逻辑模块4。所述控制逻辑模块4分别与RX 5(接收器)及TX 6(发送器)信号连接，RX 5、TX 6通过切换用的开关7，与物联网芯片8外部的天线9连接。该物联网芯片8与天线分别布置于PCB板10上。

其中，霍尔元件1的输出电压通过电压放大器2进行放大后，由ADC 3采样量化转为数字信号，控制逻辑模块4通过采集到的电压大小，得知霍尔元件1所处环境的磁场强度和大小，并且根据所检测物理量(如温度、位置、压力、流量等)与磁场的关系，得到相应的指令，并通过TX 6和天线9把指令用无线的方式发送出去。经由天线9和RX 5可以接收外部设备向其发送的信息，并将该信息传输给控制逻辑模块4。

在无线物联网芯片8内部集成霍尔效应探测器，需要克服的难点主要有：芯片内部热噪声的影响；以及，芯片内部元件匹配不佳产生的失配电压，导致测量结果产生固定偏差的影响。

针对芯片内部热噪声的影响，本发明采取加大ADC 3的采样电容，和通过多次采样取平均值的方法来克服。

如图5所示，为了消除失配电压的影响，本发明在霍尔元件1的电压输出端，放置了一个电压反转电路17。

定义霍尔元件1的输出电压为V_HALL，失配电压为V_OS，ADC 3的采样输出为D_out1，ADC 3的一个LSB(最低有效位)所代表的电压为V_LSB。

得到下式：

D_out1·V_LSB＝V_HALL+V_OS

将霍尔元件1的输出电压进行电压反转后得到-V_HALL，失配电压仍为V_OS，ADC 3的采样输出为D_out2。

得到下式：

D_out2·V_LSB＝V_HALL+V_OS

以上两式相减就可以消除V_OS的影响，得到霍尔元件1的输出电压为：

$V_{HALL}=\frac{(D_{out1}-D_{out2})\·V_{LSB}}{2}$

即，消除失配电压后霍尔元件1的输出电压，与(D_out1-D_out2)的减法计算结果相关，等于该减法计算结果与一恒定变量的运算结果。上文中以电压V_LSB的二分之一的数值，作为该恒定变量的一个示例。在其他的示例中，也可以选用别的固定数值的参数作为该恒定变量，同样可以起到消除失配电压的作用。

本发明提供一种失配电压消除装置，适用于集成霍尔效应探测器的无线物联网芯片8。该失配电压消除装置包含电压反转电路17及减法器18；所述电压反转电路17的输入端连接霍尔元件1的电压输出端；霍尔元件1及电压反转电路17的输出端，分别通过电压放大器2连接ADC 3的输入端以发送V_HALL和-V_HALL；ADC 3的输出端连接减法器18，向其分别输出采样输出的结果D_out1和D_out2；由减法器18输出(D_out1-D_out2)的减法计算结果。根据减法计算结果与一恒定变量的运算结果，作为消除失配电压后霍尔元件1的输出电压。控制逻辑模块4根据该运算结果的数值来计算生成相应的指令。所述减法器18可以是以相应元件构建的减法电路，也可以是相应的功能模块。

假设仍以上例的恒定变量的数值来进行计算，将所述减法计算结果与ADC 3的电压V_LSB相乘后除以2的数值输出，作为消除失配电压后霍尔元件1的输出电压。

尽管本发明的内容已经通过上述优选实施例作了详细介绍，但应当认识到上述的描述不应被认为是对本发明的限制。在本领域技术人员阅读了上述内容后，对于本发明的多种修改和替代都将是显而易见的。因此，本发明的保护范围应由所附的权利要求来限定。

Claims (10)

1.一种集成霍尔效应探测器的无线物联网芯片，其特征在于，

在同一个物联网芯片(8)的内部，集成有电路连接的以下部件：

霍尔元件(1)，输出与所在磁场对应的电压；

电压放大器(2)，连接霍尔元件(1)的输出端，将霍尔元件(1)输出的电压进行放大；

模数转换器(3)，连接电压放大器(2)的输出端，将放大后的电压信号采样量化转为电压的数字信号；

控制逻辑模块(4)，连接模数转换器(3)的输出端，根据对电压的数字信号采集的结果，来输出对应于霍尔元件(1)所在磁场与所检测物理量关系的指令。

2.如权利要求1所述的无线物联网芯片，其特征在于，

所述物联网芯片(8)的内部还集成有接收器(5)、发送器(6)、开关(7)；

所述控制逻辑模块(4)分别与接收器(5)、发送器(6)电路连接，所述开关(7)通过切换将接收器(5)或发送器(6)中的一个，与物联网芯片(8)外部的天线(9)电路连接，来无线发送指令或接收外部的信息。

3.如权利要求2所述的无线物联网芯片，其特征在于，

所述物联网芯片(8)与天线(9)分别布置于PCB板(10)上。

4.如权利要求1所述的无线物联网芯片，其特征在于，

所述物联网芯片(8)设置有失配电压消除装置，其中包含：电压反转电路(17)、减法器(18)；

所述电压反转电路(17)的输入端与霍尔元件(1)的输出端连接，将霍尔元件(1)的输出电压反转；

所述霍尔元件(1)及电压反转电路(17)的输出端，分别通过电压放大器(2)连接数模转换器(3)的输入端，来向其发送霍尔元件(1)的输出电压V_HALL和反转后的输出电压-V_HALL；

所述模数转换器(3)的输出端连接减法器(18)的输入端，向该减法器(18)分别输出根据输出电压V_HALL和反转后的输出电压-V_HALL采样输出的结果D_out1和D_out2，由所述减法器(18)输出对采样输出结果的减法计算结果“D_out1-D_out2”；

所述失配电压消除装置将所述减法计算结果“D_out1-D_out2”与一恒定变量的运算结果，作为消除失配电压后霍尔元件(1)的输出电压。

5.如权利要求4所述的无线物联网芯片，其特征在于，

所述恒定变量是电压V_LSB的二分之一的数值，其与减法计算结果“D_out1-D_out2”的乘积作为消除失配电压后霍尔元件(1)的输出电压；

该电压V_LSB是模数转换器(3)的最低有效位的电压。

6.一种失配电压消除装置，适用于权利要求1所述集成霍尔效应探测器的无线物联网芯片，其特征在于，

所述失配电压消除装置包含：电压反转电路(17)、减法器(18)；

所述电压反转电路(17)的输入端与霍尔元件(1)的输出端连接，将霍尔元件(1)的输出电压反转；

所述霍尔元件(1)及电压反转电路(17)的输出端，分别通过电压放大器(2)连接数模转换器(3)的输入端，来向其发送霍尔元件(1)的输出电压V_HALL和反转后的输出电压-V_HALL；

所述模数转换器(3)的输出端连接减法器(18)的输入端，向该减法器(18)分别输出根据输出电压V_HALL和反转后的输出电压-V_HALL采样输出的结果D_out1和D_out2，由所述减法器(18)输出对采样输出结果的减法计算结果“D_out1-D_out2”；

所述失配电压消除装置将所述减法计算结果“D_out1-D_out2”与一恒定变量的运算结果，作为消除失配电压后霍尔元件(1)的输出电压。

7.如权利要求6所述的失配电压消除装置，其特征在于，

所述恒定变量是电压V_LSB的二分之一的数值，其与减法计算结果“D_out1-D_out2”的乘积作为消除失配电压后霍尔元件(1)的输出电压；

该电压V_LSB是模数转换器(3)的最低有效位的电压。

8.一种在无线物联网芯片内部集成霍尔效应探测器的方法，其特征在于，

在同一个物联网芯片(8)的内部，使霍尔元件(1)、电压放大器(2)、模数转换器(3)、控制逻辑模块(4)依次电路连接；

霍尔元件(1)输出与所在磁场对应的电压，经过电压放大器(2)将霍尔元件(1)输出的电压放大后，由模数转换器(3)采样量化转为电压的数字信号；所述控制逻辑模块(4)根据对电压的数字信号采集的结果，输出对应于霍尔元件(1)所在磁场与所检测物理量关系的指令。

9.如权利要求8所述的方法，其特征在于，

在霍尔元件(1)的电压输出端，连接一个电压反转电路(17)，对霍尔元件(1)的输出电压V_HALL进行反转得到-V_HALL；

所述模数转换器(3)根据输出电压V_HALL和反转后的输出电压-V_HALL，分别采样输出的结果D_out1和D_out2；

计算下式，得到消除失配电压后的霍尔元件(1)的输出电压：

$V_{HALL}=\frac{(D_{out1}-D_{out2})\·V_{LSB}}{2}$

其中，模数转换器(3)的最低有效位的电压为V_LSB。

10.如权利要求8或9所述的方法，其特征在于，

通过增大模数转换器(3)的采样电容，并对模数转换器(3)进行多次采样取平均值的操作来消除芯片内部热噪声。