CN105628263A - 一种压敏传感器阵列的信号处理电路及方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种压敏传感器阵列的信号处理电路，其包括一个M行N列的压敏传感器阵列，以及可以输出正负激励电压的激励源；所述传感器阵列的同一行的传感器单元的正输出短接作为该行的输出，所述传感器阵列同一列的传感器单元的负输出短接作为该列的输出，因此整个传感器阵列具有一个正激励输入、一个负激励输入、M个行输出信号，以及N个列输出信号。该信号处理电路及方法可以显著减少传感器输出信号线的个数，减小连线面积、提高可靠性、降低后续芯片的输入通道、减少模拟信号转数字信号的转换次数，降低整个系统成本和体积。

Description

一种压敏传感器阵列的信号处理电路及方法
技术领域
本发明属于信号处理领域，特别是一种压敏传感器阵列的信号处理电路及方法。
背景技术
压敏传感器是一种可以将外部施加的压力转化为电信号的传感器，有电阻式、电容式以及压电式等多种不同信号形式。电阻式传感器从早期的采用金属片电阻应变片发展到现在的使用复合材料、纳米材料(石墨烯)来制作，体积可以做得越来越小，因此应用范围也逐渐扩大。
例如，现在有使用复合材料压敏传感器制作的触摸按键被应用于家电等领域，用来取代传统的机械按键，具有寿命长、外形美观、可实现多功能等优点。通常为了获得好的信号质量，压敏传感器在电特性上一般会被接成电桥的形式，从而使压力信号转换为差分的电信号。但这样每个电桥对应将有一对差分信号，对于制作大的按键阵列时，信号的连线将变得非常之多。例如4X3的键盘将有24根信号线和2根激励信号，使得走线的面积较大，不利于缩小产品体积，降低了可靠性，同时也要求后续信号处理芯片增加输入通道，增加了成本。
例如专利申请200710087168.0公开了一种利用压敏传感器构造指纹图像输入装置的方法，属于指纹识别、图像传输、传感器技术领域。首先在面积大于单个手指面积的绝缘板上将多个接触面最大半径小于指纹单条沟壑宽度的压敏传感器分别以横向和纵向方式布置，形成一个由压敏传感器组成的阵列，每个传感器在受到压力而触发时产生一个强电信号，未受到压力的传感器不产生电信号；当手指放置于上述传感器阵列上时，手指指纹的凸出部分就会触发传感器，传感器产生强电信号；由于传感器阵列中的每一个传感器均代表指纹图像中的一个象素点，因此，由传感器阵列产生的强弱信号就形成了一张二值化后的指纹图像。该方法虽然采用压敏传感器阵列来解决问题，但是并没有对信号连线进行处理，压敏传感器阵列所用的信号线依然非常之多，使得走线的面积较大，不利于缩小产品体积，同时也降低了线路的可靠性，增加了成本。
发明内容
为解决上述问题，本发明的目的在于提供一种压敏传感器阵列的信号处理电路及方法，该信号处理电路及方法能够有效地减少信号线的数量，提高可靠性，降低成本。
本发明的另一个目的在于提供一种压敏传感器阵列的信号处理电路及方法，该信号处理电路及方法可以显著减少传感器输出信号线的个数，减小连线面积、降低后续芯片的输入通道、减少模拟信号转数字信号的转换次数，降低整个系统成本和体积。
为实现上述目的，本发明的技术方案如下。
一种压敏传感器阵列的信号处理电路，其包括一个M行N列(M、N至少一个大于1)的压敏传感器阵列，以及可以输出正负激励电压的激励源；其中压敏传感器阵列具有M×N个采用电桥形式连接的传感器单元，每个单元具有正激励输入、负激励输入以及正输出、负输出四个端口，所述各传感器单元的正激励短接至正激励电压，所述各传感器单元的负激励短接至负激励电压；其特征在于所述传感器阵列的同一行的传感器单元的正输出短接作为该行的输出，所述传感器阵列同一列的传感器单元的负输出短接作为该列的输出，因此整个传感器阵列具有一个正激励输入、一个负激励输入、M个行输出信号，以及N个列输出信号。
优选地，所述信号处理电路还包括一个模拟数字转换电路，至少包括一个模数转换器(ADC)，可以将上述传感器阵列的行、列输出信号转换为数字信号。
优选地，所述模拟数字转换电路还包括一个在数模转换器之前的一个仪用放大器，可以将上述传感器阵列的行、列输出信号放大后送入模数转换器转换。
优选地，所述行输出信号中任意一个和列输出信号中任意一个组成一对差分信号送入模拟数字转换电路转换。
优选地，所述信号处理电路还包括一个伪半桥电路，具有正激励输入以及负激励输入，分别接上述正激励电压和负激励电压；该伪半桥电路还具有一个输出信号，该信号大小由激励源正负电压决定，不随压力变化；上述行、列输出信号分别和该伪半桥电路输出信号组成信号对输入模拟数字转换电路进行转换。
本发明另一方面提供上述种压敏传感器阵列的信号处理电路的处理方法，所述方法包括：1)将M个行输出信号和N个列输出信号组合成M×N个差分信号；2)将上述组合的差分信号分别送入模拟数字转换电路转换为数字信号，一共需转换M×N次；3)将转换的数字信号进行排序处理；4)至少将排序中的数字信号的最大值作为施加在压敏传感器阵列上的压力信号；
优选地，上述方法还包括，当M＝1或者N＝1时，将转换的数字信号中从大到小排序的前两个值的平均值作为施加在压敏传感器阵列上的压力信号；当M>1且N>1时，将转换的数字信号中从大到小排序的前四个值的平均值作为施加在压敏传感器阵列上的压力信号；
优选地，上述平均值还需乘上一个大于1的预设系数得到施加在压敏传感器阵列上的压力信号；所述的预设系数由传感器的结构、形变体的特性有关。
本发明再提供上述压敏传感器阵列的信号处理电路的处理方法，其特征在于所述方法包括：
1)将M个行输出信号和N个列输出信号分别和伪半桥输出信号组成信号对；
2)将上述组合的信号对(假定伪半桥输出信号作为负端输入)分别送入模拟数字转换电路转换为数字信号，一共需转换M+N次；
3)将转换的数字信号按照行输出信号组合和列输出信号组合分别进行排序处理；
4)至少将行输出信号组合和列输出信号组合排序中的最大值的差值作为施加在压敏传感器阵列上的压力信号。
优选地，上述方法还包括，当M＝1或者N＝1时，将转换的数字信号中列输出信号组合(M＝1时)或者行输出信号组合(N＝1时)按从大到小排序的前两个值的平均值作为施加在压敏传感器阵列上的压力信号；当M>1且N>1时，将转换的数字信号中列输出信号组合和行输出信号组合分别按从大到小排序，再将行输出信号组合的排序前两大的值分别和列输出信号组合排序的前两大值相减得到四个差值，再将四个差值的平均值作为施加在压敏传感器阵列上的压力信号；
优选地，上述平均值还需乘上一个大于1的预设系数得到施加在压敏传感器阵列上的压力信号；所述的预设系数由传感器的结构、形变体的特性有关。
以上虽然将行输出信号接传感器单元电桥的正输出端，列输出信号接传感器单元电桥的负输出端，但反过来将行输出信号接传感器单元电桥的负输出端，列输出信号接传感器单元电桥的正输出端，依然是可以的。
本发明所述的压敏传感器阵列的信号处理电路及方法可以显著减少传感器输出信号线的个数，减小连线面积、提高可靠性、降低后续芯片的输入通道、减少模拟信号转数字信号的转换次数，降低整个系统成本和体积。
附图说明
图1是现有技术所实施的流程图。
图2是本发明实施方式一的压敏传感器阵列信号处理电路的电路图。
图3是图2中转换电路204的电路图。
图4是图1所示信号处理电路的处理流程图。
图5是本发明实施方式二的压敏传感器阵列信号处理电路的电路图。
图6是图5中转换电路305的电路图。
图7是图5所示信号处理电路的处理流程图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
请参照图1所示，为一种常见的压敏传感器阵列的信号处理电路100。101和102是压敏传感器单元，具有相同的结构。以压敏传感器单元101为例，其由2个电阻式传感器RS100、RS103，以及两个电阻RS101和RS102组成的桥式电路组成；其中RS100一端接激励电压正端VREF，RS100另一端接RS102，而RS102的另一端则接激励电压负端GND；RS101一端接激励电压正端VREF，RS101另一端接RS103，而RS103的另一端则接激励电压负端GND。RS101和RS103的公共节点输出电压信号为正输出VP10，RS100和RS102的公共节点输出电压信号为负输出VN10。VP10和VN10组成差分对信号送入模拟数字转换电路103进行转换；另外压敏传感器单元102输出VP11和VN11差分信号送入模拟数字转换电路103进行转换。
可见，以上传感器单元输出的差分信号是分别送入模拟数字转换电路进行转换的。一个传感器单元有一对信号，因此K个传感器单元就有2*K个信号，信号数随着传感器单元的增大而显著增大。
参见图2，所示为本发明所实现压敏传感器阵列信号处理电路200的一个实施例。压敏传感器阵列信号处理电路200由3个压敏传感器单元201、202、203组成1列3行的阵列，以及模拟数字转换电路203组成。压敏传感器单元201～203的结构和压敏传感器单元101一致，但压敏传感器单元的正输出、负输出信号的连接方式和图1所示方式不同。压敏传感器单元201～203的正输出信号连接在一起形成VP2电压信号，而压敏传感器单元201～203的负输出信号分别为VN20、VN21、VN22；以上信号VP2、VN20、VN21、VN22送入模拟数字转换电路进行转换。
参见图3，所示为压敏传感器阵列信号处理电路200中模拟数字转换电路204的具体结构。204包括输入多路选择器2041，仪用放大器2042，以及模数转换器2043；压敏传感器单元201～203输出信号VP2通过2041选择作为正输入信号INP0输入2042的的正输入端；VN20～VN21可分别通过2041作为负输入信号INN0输入2042的负输入端。仪用放大器2042将输入信号INP0-INN0放大后送入模数转换器2043；模数转换器2043将输入的模拟信号转换为数字信号输出。
再参见图4，所示为压敏传感器阵列信号处理电路200相应的信号处理方法。其具体实现步骤为：
步骤S201中，多路选择器2041将输入信号依次组合成3组差分信号(VP2,VN20)，(VP2,VN21)，以及(VP2,VN22)，输出为(INP0,INN0)信号。
步骤S202将三组差分信号依次通过2042以及2043转换为三组数字信号：数字信号1、数字信号2以及数字信号3。以上多路选择器2041是组合一对差分信号，后续2042,2043即转换一组，为便于阐述将组合和转换分为两个步骤讲述。
步骤S203将转换的数字信号进行排序处理，如压力施加点为压敏传感器202位置并靠近201一侧，则从大到小排序结果为数字信号2、数字信号1、数字信号3。
步骤S204取排序前两位的数字信号求平均得到的数字信号均值0可代表未经校正的压力值。
步骤S205将步骤S204得到的数字信号均值0乘上预设的校正系数，如1.2，最终得到的数字信号均值1代表经校正的压力值。
本发明所实现的压敏传感器阵列信号处理电路300的另一个实施例参见图5，压敏传感器阵列信号处理电路300由3个压敏传感器单元301～304组成2行2列的阵列，以及模拟数字转换电路305组成。压敏传感器单元301～304的结构和压敏传感器单元101一致，但压敏传感器单元的正输出、负输出信号的连接方式和图1所示的方式不同。阵列第一行的压敏传感器单元301、303的正输出信号连接在一起形成VROW0的行输出信号；阵列第二行压敏传感器单元302、304的正输出信号连接在一起形成VROW1的行输出信号；阵列第一列压敏传感器单元301、302的负输出信号连接在一起形成VCOL0的列输出信号；阵列第二列压敏传感器单元303、304的负输出信号连接在一起形成VCOL1的列输出信号。
另外还有一伪半桥电路，包括电阻RS360和RS361，其中RS360上端接激励电压正端VREF，下端与RS361上端连接；RS361下端接激励电压负端GND。RS360和RS361的结合点输出共模电压信号VCM0。
以上信号VROW0、VROW1、VCOL0以及VCOL1送入模拟数字转换电路305进行模拟数字转换。
图6所示为压敏传感器阵列信号处理电路300中模拟数字转换电路305的具体结构。模拟数字转换电路305包括输入多路选择器3051，仪用放大器3052，以及模数转换器3053；压敏传感器单元301～304输出的行输出信号VROW0、VROW1，列输出信号VCOL1、VCOL0，以及共模电压信号VCM0等作为差分信号(INP1INN1)送入仪用放大器3052将放大后送入模数转换器3053；模数转换器3053将输入的模拟信号转换为数字信号输出。
图7所示为压敏传感器阵列信号处理电路300相应的信号处理方法。其具体的实现步骤为：
步骤S301，多路选择器3051将输入信号依次组合成4组差分信号(VROW0,VCM0)、(VROW1,VCM0)、(VCOL0,VCM0)以及(VCOL1,VCM0)，输出为(INP1,INN1)信号。
步骤S302将三组差分信号依次通过3052以及3053分别转换为四组数字信号：数字信号DR0、数字信号DR1、数字信号DC0以及数字信号DC1。以上多路选择器3051是组合一对差分信号，后续3052,3053即转换一组，为便于阐述将组合和转换分为两个步骤讲述。
步骤S303将转换的数字信号进行排序处理，则从大到小排序结果为DC0、DR0、DR1、DC1。
步骤S304取排序前四位的数字信号求平均得到的数字信号均值2可代表未经校正的压力值。
步骤S305将步骤S304得到的数字信号均值3乘上预设的校正系数，如1.2，最终得到的数字信号均值3代表经校正的施加在压敏传感器阵列301～304上的压力值。
以上列举的是2×2的传感器阵列，对于连线和转换步骤的节省相对传统方案并不明显。但若是4×4的阵列，则传感器阵列输出信号连线数将从原来的32根减少为8根，转换次数由原来的32次减少为8次，减少的幅度非常大。
另外，尽管上述实施例均以电阻式压敏传感器来阐述，但是对于可以接成桥式电路的电容式、压电式压敏传感器，同样适用。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种压敏传感器阵列的信号处理电路，其包括一个M行N列的压敏传感器阵列，以及可以输出正负激励电压的激励源；其中压敏传感器阵列具有M×N个采用电桥形式连接的传感器单元，每个单元具有正激励输入、负激励输入以及正输出、负输出四个端口，所述各传感器单元的正激励短接至正激励电压，所述各传感器单元的负激励短接至负激励电压；其特征在于所述传感器阵列的同一行的传感器单元的正输出短接作为该行的输出，所述传感器阵列同一列的传感器单元的负输出短接作为该列的输出；整个传感器阵列具有一个正激励输入、一个负激励输入、M个行输出信号，以及N个列输出信号。
2.如权利要求1所述的压敏传感器阵列的信号处理电路，其特征在于所述信号处理电路还包括一个模拟数字转换电路，至少包括一个模数转换器，以将上述传感器阵列的行、列输出信号转换为数字信号。
3.如权利要求2所述的压敏传感器阵列的信号处理电路，其特征在于所述行输出信号中任意一个和列输出信号中任意一个组成一对差分信号送入模拟数字转换电路转换。
4.如权利要求2所述的压敏传感器阵列的信号处理电路，其特征在于所述信号处理电路还包括一个伪半桥电路，具有正激励输入以及负激励输入，分别接上述正激励电压和负激励电压；该伪半桥电路还具有一个输出信号，该信号大小由激励源正负电压决定，不随压力变化；上述行、列输出信号分别和该伪半桥电路输出信号组成信号对输入模拟数字转换电路进行转换。
5.一种压敏传感器阵列的信号处理电路的处理方法，其特征在于所述方法包括如下步骤：
1)将M个行输出信号和N个列输出信号组合成M×N个差分信号；
2)将上述组合的差分信号分别送入模拟数字转换电路转换为数字信号，一共需转换M×N次；
3)将转换的数字信号进行排序处理；
4)至少将排序中的数字信号的最大值作为施加在压敏传感器阵列上的压力信号。
6.如权利要求5所述的压敏传感器阵列的信号处理电路的处理方法，其特征在于当M＝1或者N＝1时，将转换的数字信号中从大到小排序的前两个值的平均值作为施加在压敏传感器阵列上的压力信号；当M>1且N>1时，将转换的数字信号中从大到小排序的前四个值的平均值作为施加在压敏传感器阵列上的压力信号。
7.如权利要求6所述的压敏传感器阵列的信号处理电路的处理方法，其特征在于上述平均值还需乘上一个大于1的预设系数得到施加在压敏传感器阵列上的压力信号；所述的预设系数由传感器的结构、形变体的特性有关。
8.如权利要求5所述的压敏传感器阵列的信号处理电路的处理方法，当所述电路包括有伪半桥电路时，其特征在于所述方法包括：
1)将M个行输出信号和N个列输出信号分别和伪半桥输出信号组成信号对；
2)当伪半桥电路输出信号作为负端输入，将上述组合的信号对负端输入分别送入模拟数字转换电路转换为数字信号，一共需转换M+N次；
3)将转换的数字信号按照行输出信号组合和列输出信号组合分别进行排序处理；
4)至少将行输出信号组合和列输出信号组合排序中的最大值的差值作为施加在压敏传感器阵列上的压力信号。
9.如权利要求8所述的压敏传感器阵列的信号处理电路的处理方法，其特征在于当M＝1或者N＝1时，将转换的数字信号中列输出信号组合(M＝1时)或者行输出信号组合(N＝1时)按从大到小排序的前两个值的平均值作为施加在压敏传感器阵列上的压力信号；当M>1且N>1时，将转换的数字信号中列输出信号组合和行输出信号组合分别按从大到小排序，再将行输出信号组合的排序前两大的值分别和列输出信号组合排序的前两大值相减得到四个差值，再将四个差值的平均值作为施加在压敏传感器阵列上的压力信号。
10.如权利要求9所述的压敏传感器阵列的信号处理电路的处理方法，其特征在于上述平均值还需乘上一个大于1的预设系数得到施加在压敏传感器阵列上的压力信号。
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