CN109375092A - 基于iic协议的双检测方式传感器控制接口电路 - Google Patents

基于iic协议的双检测方式传感器控制接口电路 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种基于IIC协议的双检测方式气体传感器控制接口电路，包括：信号处理模块，用于通过两种不同的方法分别将电阻变化转换为电压变化，并将采集到的模拟电压信号转变为数字信号；数字控制模块，用于存储所述信号处理模块输出的数字信号，同时控制整个系统工作状态，提供系统所需的分频时钟；IIC接口模块，用于接收外部控制信息，并根据要求传递存储的数字信号；电源模块，用于给各模块提供所需电压。本发明提供了两种传感器信号测试方法，可以避免单测试方法的局限性，更方便地进行数据采集和处理，减少外部干扰对结果的影响；同时集成了一个IIC接口模块，与外部进行通信更加方便，且大大增加了系统的实用性。

Description

基于IIC协议的双检测方式传感器控制接口电路
技术领域
本发明涉及集成电路技术领域，特别涉及一种基于IIC协议的双检测方式传感器控制接口电路。
背景技术
过去几十年以来，气体传感器已经广泛应用于工业，民用，军事等多个领域，对检测系统的后端电路也有着更高的要求。目前常用的后端电路多是依赖于PCB板搭建的电压分压法测试系统，通过固定电阻与传感器敏感电阻的分压，将测得的电压通过一个外置ADC电路转换为数字信号，再经过一个单片机传输到主机。例如：张洋，王永刚，夏金峰.基于混合电动势型SO2传感器的研制及接口电路设计[J].长春工程学院学报(自然科学版)，2016，17(2)：34-38。
随着集成电路芯片的发展，为了实现检测系统的小型化、通用化，很多检测系统开始用专用集成电路(ASIC)芯片来代替PCB板。比较常用的是通过ASIC芯片来实现电压分压法对传感器敏感电阻的测量，它的体积小，功耗低，成本低。例如：程义军，唐祯安.微热板阵列式集成气体传感器的芯片电路设计[J].传感技术学报，2015(11)：1620-1624。除此之外，还有通过ASIC芯片来实现频率法对传感器敏感电阻的测量。电压分压法测电阻应用广泛，设计简单，测量速度快，但是测量范围小，精度小，频率法测量范围大，精度高，但是速度较慢。
如何根据不同的应用需求，系统灵活的改变测量方法，同时又要保证系统的便携性，通用性是本领域技术人员渴望解决的技术难题，从而也引出了本发明的目的。
发明内容
(一)要解决的技术问题
本发明的目的在于提供一种基于IIC协议的双检测方式传感器控制接口电路，以根据不同的应用需求来灵活地选择测量方法，同时保证系统的便携性以及通用性，避免了占用太多的资源。
(二)技术方案
根据本发明的一方面，提供一种基于IIC协议的双测试方法气体传感器控制接口电路，包括：
信号处理模块，用于通过两种不同的方法分别将电阻变化转换为电压变化，并将采集到的模拟电压信号转变为数字信号；
数字控制模块，与所述信号处理模块的输出端连接，用于存储所述信号处理模块输出的数字信号，同时控制整个系统工作状态，提供系统所需的分频时钟；
IIC接口模块，与所述数字控制模块输出端连接，用于接收外部控制信息，并根据要求传递存储的数据。
在进一步的实施方案中，所述信号处理模块包括：第一信号通路和第二信号通路，且所述第一信号通路和所述第二信号通路并联于所述信号处理模块的输入端和输出端。
在进一步的实施方案中，所述第一信号通路包括：电阻变化转电压变化测量电路，用于将电阻变化转换为对应的模拟信号；
低通滤波电路，与所述电阻变化转电压变化测量电路相连，用于将所述模拟信号进行滤波整流；
模拟信号转数字信号电路，与所述低通滤波电路和所述信号处理模块的输出端相连，用于将滤波后的模拟信号转换为数字信号。
在进一步的实施方案中，所述第二信号通路包括：电阻变化转电压方波信号电路，用于将电阻变化转换为对应的模拟信号；
电压方波信号频率测量电路，与所述电阻变化转电压方波信号电路和所述信号处理模块的输出端相连，用于将所述模拟信号转换为对应频率。
在进一步的实施方案中，所述数字控制模块包括数据寄存器，与信号处理模块输出端连接，用于存储所述信号处理模块输出的数字信号；系统控制模块，与IIC接口电路的输入段连接，用于接收到外部命令以后通过改写所述数据寄存器的值来实现对整个系统的控制；时钟模块，用于根据系统控制进行指定分频，给其余各个部分提供工作时钟。
在进一步的实施方案中，所述IIC接口模块包括符合IIC协议的从机模块，用于与外部IIC主机进行通信。
在进一步的实施方案中，所述的基于IIC协议的双测试方法气体传感器控制接口电路还包括电源模块，所述电源模块的输出端分别与各个模块相连，用于给各模块提供所需电压。
在进一步的实施方案中，所述电源模块包括：若干个线性稳压器和1个带隙参考源。
在进一步的实施方案中，所述控制接口电路基于CMOS芯片制造工艺制作。
(三)有益效果
本发明提供了一种基于IIC协议的双检测方式传感器控制接口电路，其包括电压分压法和频率法双检测方式的气体传感器控制接口电路，与传统的气体检测系统的后端电路比，其优点在于：
1.本发明包括了电压分压法以及频率测量法两种常用的测量方法，避免了单测试方法存在的缺陷，可以根据不同的应用需求来选用不同的测试方法，整个系统更加灵活，既保证了系统的测量精度，测量范围，同时又保证了测量过程的速度。
2.本发明基于SMIC180nm芯片制造工艺，成品面积小于2mm2，可与相应传感器芯片直接封装于特制的外壳中构成一个完整的气体测试系统，总面积不超过1cm2，具有很好的便携性，适应现在科技发展对气体检测系统的需求，同时整体制造成本低，适合批量生产。
3.本发明包括了一个IIC接口电路，IIC接口电路应用十分广泛，在很多嵌入式系统中都有所应用。本发明提供的电路可以直接与很多系统连接使用，通用性极强，不需要依赖特殊的实验仪器。
附图说明
图1为本发明实施例中的电路整体结构示意图；
图2为本发明实施例中的信号处理模块电路的结构示意图；
图3为本发明实施例中的数字模块框图，包括数字控制模块和IIC接口模块；
图4为本发明实施例中的电源模块的电路结构示意图；
图5为本发明实施例中的电压分压法信号通路电路结构示意图；
图6为本发明实施例中的频率测量法信号通路电路结构示意图；
图7为本发明实施例中的电源模块的线性稳压源电路结构示意图。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本发明作进一步的详细说明。
在本发明的一个实施例中，提供一种基于IIC协议的双测试方法气体传感器控制接口电路，如图1所示包括：
信号处理模块，用于通过两种不同的方法分别将电阻变化转换为电压变化，并将采集到的模拟电压信号转变为数字信号；
数字控制模块，与所述信号处理模块的输出端连接，用于存储所述信号处理模块输出的数字信号，同时控制整个系统工作状态，提供系统所需的分频时钟；
IIC接口模块，与所述数字控制模块输出端连接，用于接收外部控制信息，并根据要求传递存储的数据。
在本实施例中，所述信号处理模块包括：第一信号通路和第二信号通路，且所述第一信号通路和所述第二信号通路并联于所述信号处理模块的输入端和输出端。其中，两条信号通路分别为两种不同的测试方法的电路通路。
在本实施例中，所述第一信号通路如图2所示，包括：电阻变化转电压变化测量电路，用于将电阻变化转换为对应的模拟信号；
低通滤波电路，与所述电阻变化转电压变化测量电路相连，用于将所述模拟信号进行滤波整流；
模拟信号转数字信号电路，与所述低通滤波电路和所述信号处理模块的输出端相连，用于将滤波后的模拟信号转换为数字信号。
其中，所述电阻变化转电压变化测量电路可以是差分固定阻值电阻分压电路；所述低通滤波电路可以基于闭环运算放大器，且所述闭环运算放大器可以包括带反馈的2阶米勒放大器，用于通过所述电源模块提供的一个较大幅值电源来获得较大的电压输出范围；所述模拟信号转数字信号电路可以是10位的逐渐逼近型模数转换器。
当外部控制使用电压分压法测量即第一信号通路时，所述电阻变化转电压变化测量电路与所述传感器敏感电阻相连，检测到敏感气体后，电源模块提供一个固定电压，传感器的敏感电阻和电阻变化转电压变化测量电路的固定阻值电阻进行分压，然后，通过一个低通滤波电路和差分电路将电压输出到模数转换器，并由模数转换器将电压转换为一个10位的数字信号。
在本实施例中，如图2所示，所述第二信号通路包括：电阻变化转电压方波信号电路，用于将电阻变化转换为对应的电压方波信号；
电压方波信号频率测量电路，与所述电阻变化转电压方波信号电路和所述信号处理模块的输出端相连，用于将所述电压方波信号转换为对应频率。其中，所述电阻变化转电压方波信号电路可以是电阻电容震荡电路；所述电阻变化转电压方波信号电路可以基于数字电路频率计数设计。
当外部控制使用频率法测量即第二信号通路时，电阻变化转电压方波信号电路与传感器敏感电阻相连，检测到敏感气体后，传感器的敏感电阻和电阻变化转电压方波信号电路的固定电容相连，通过震荡产生相应周期的电压方波，再通过与其相连的电压方波信号频率测量电路测量出对应的电压方波信号的频率，转换为一个24位的数字信号。
在本实施例中，所述数字控制模块包括数据寄存器，与信号处理模块输出端连接，用于存储所述信号处理模块输出的数字信号；系统控制模块，与IIC接口电路的输入段连接，用于接收到外部命令以后通过改写所述数据寄存器的值来实现对整个系统的控制；时钟模块，用于根据系统控制进行指定分频，给其余各个部分提供工作时钟。
在本实施例中，电源模块，所述电源模块的输出端分别与各个模块相连，用于给各模块提供所需电压。其中，所述电源模块包括：若干个线性稳压器和1个带隙参考源。将外部供电转换为内部所需要电压，其中传感器电源，数字模块电源，模拟部分电源分开提供，避免干扰，降低噪声。
所述IIC接口模块包括符合IIC协议的从机模块，用于与外部IIC主机进行通信。IIC接口电路可以直接与很多系统连接使用，应用十分广泛，在很多嵌入式系统中都有所应用，通用性极强，不需要依赖特殊的实验仪器。
所述控制接口电路基于CMOS芯片制造工艺制作。可与相应传感器芯片直接封装于特制的外壳中构成一个完整的气体测试系统，具有便携性强、成本低等优点。
下面结合附图电路与一示例性实施例，进一步阐述本发明，应理解本实施例仅用于说明本发明而不限制本发明的范围，在阅读了本发明之后，本领域技术人员对本发明的各种等同变换均属于本申请所附权利申请的范围内。
在本实施例中，基于IIC协议的双测试方法气体传感器控制接口电路包括：信号处理模块，与传感器相连；数字控制模块，与信号处理模块相连；IIC接口模块，与数字控制模块和外部主机分别连接；电源模块，与传感器、信号处理模块、数字控制模块和IIC接口模块分别连接。其中，信号处理模块包括：电阻变化转电压变化测量电路和电阻变化转电压方波信号电路分别与传感器相连；通滤波电路，与电阻变化转电压变化测量电路相连；模拟信号转数字信号电路，与低通滤波电路和输出端分别相连；电压方波信号频率测量电路，与电阻变化转电压方波信号电路和输出端分别相连。数字控制模块包括：系统控制模块，与电源模块和IIC接口模块分别连接；数据寄存器，与信号处理模块和系统控制模块分别连接；以及时钟模块，与信号处理模块、系统控制模块和外部晶振分别连接；IIC接口电路包括一个符合IIC协议的从机，具体结构与数据流如图3所示。电源模块如图4所示，包括6个线性稳压器和1个带隙参考源电路。
在本实施例中，电压分压法信号通路如图5所示，包括电阻变化转电压变化测量电路、低通滤波电路和模拟信号转数字信号电路。其中电阻变化转电压变化测量电路为一个差分输出分压电路，R0为一个具有良好稳定性的固定电阻，Vref为电源模块提供的一个固定电压，Vcm为两个R0分压产生的固定电压值，RI为参考电阻，Rs为传感器的敏感电阻，Vin为RI和R0的分压电压。当传感器检测到敏感气体时，Rs的阻值发生变化，Vin也发生相应变化，Vcm保持不变，随后Vin和Vcm电压信号通过一个源跟随器输入到低通滤波电路。由于低通滤波电路的设计基于一个闭环运算放大器，所以具有更好的线性度和谐波失真特性。如图5所示，闭环运算放大器由一个带反馈的2阶米勒放大器组成，电源模块提供了较高的工作电压，导致整体的输出动态范围比一般的设计要大，适用范围更广。经过低通滤波以后，电压信号输入到模拟信号转数字信号电路。本实施例中设计的模拟信号转数字信号电路是一个10位的逐次逼近型ADC，当信号转换完成以后，输出一个10位的数字信号到数字控制模块。除了电压分压法信号通路以外，还有一条频率测量法信号通路，在这条信号通路中，如图6所示包括电阻变化转电压方波信号电路和电压方波信号频率测量电路。其中电阻变化转电压方波信号电路的设计基于一个RC震荡电路，C1为一个固定容值的震荡电容，Rs为传感器的敏感电阻，Rs和C1发生震荡，产生具有一定频率的电压方波。当传感器检测到敏感气体，Rs发生变化，电压方波的频率随之发生变化，通过测量频率来测量敏感电阻的变化。随后电压方波输入到电压方波信号频率测量电路，电压方波信号频率测量电路属于数字电路设计，设计思路为对1S内的电压方波信号的高电平进行计数，经过内部计算后输出一个24位的频率值到数字控制电路。为了避免信号干扰，两条信号通过数字控制模块的两个开关控制，两个开关都打开时，两条通路均不工作；当一个开关打开，另一个闭合时，对应通路工作；当两个开关同时闭合时，电压分压法信号通路工作。
数字控制模块与IIC接口模块均基于数字电路设计，数字控制模块包括一个系统控制模块以及时钟模块，IIC接口电路包括一个符合IIC协议的从机。如图3所示，当外部主机控制系统工作时，外部信号通过IIC接口模块的SDA，SCL两个端口输入，通过改写系统控制模块内部的寄存器的值来对整个系统进行控制，例如对信号通路的选择，对传感器供电电压的选择，以及整体的开关控制，系统在按照外部命令正常工作以后，信号处理模块将获得的数字信号存入到数字控制模块对应的寄存器之中，当外部主机需要读取数据时发送相应指令读取寄存器内部的数据。只要外部设备通过一个IIC主机接口，即可对整体进行控制并获得相应数据。
电源模块如图4所示，由6个线性稳压器和1个带隙参考源构成。线性稳压源如图7所示，其中为了获得更好的带负载能力和更大的输入输出范围，特意将P型通道MOS管的尺寸设计的比较大。误差放大器是一个很经典的单级放大器，可以通过改变R1和R2的比值来改变电压输出。同时为了避免不同模块之间的信号干扰，电源模块给不同模块提供给了不同的电压，例如给传感器提供了1.5V电压，给模拟电路部分提供了1.2V电压，给数字电路部分提供了1.8V电压。
应该注意的是，上述实施例对本发明进行说明而不是对本发明进行限制，并且本领域技术人员在不脱离所附权利要求的范围的情况下可设计出替换实施例。在权利要求中，不应将位于括号之间的任何参考符号构造成对权利要求的限制。单词“包括”不排除存在未列在权利要求中的元件或步骤。位于元件之前的单词“一”或“一个”不排除存在多个这样的元件。本发明可以借助于包括有若干不同元件的硬件以及借助于适当编程的计算机来实现。在列举了若干装置的单元权利要求中，这些装置中的若干个可以是通过同一个硬件项来具体体现。单词第一、第二、以及第三等的使用不表示任何顺序。可将这些单词解释为名称。
以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种基于IIC协议的双测试方法气体传感器控制接口电路，包括：
信号处理模块，用于通过两种不同的方法分别将电阻变化转换为电压变化，并将采集到的模拟电压信号转变为数字信号；
数字控制模块，与所述信号处理模块的输出端连接，用于存储所述信号处理模块输出的数字信号，同时控制整个系统工作状态，提供系统所需的分频时钟；
IIC接口模块，与所述数字控制模块输出端连接，用于接收外部控制信息，并根据要求传递存储的数据。
2.根据权利要求1所述的基于IIC协议的双测试方法气体传感器控制接口电路，其特征在于，所述信号处理模块包括：第一信号通路和第二信号通路，且所述第一信号通路和所述第二信号通路并联于所述信号处理模块的输入端和输出端。
3.根据权利要求2所述的基于IIC协议的双测试方法气体传感器控制接口电路，其特征在于，所述第一信号通路包括：电阻变化转电压变化测量电路，用于将电阻变化转换为对应的模拟信号；
低通滤波电路，与所述电阻变化转电压变化测量电路相连，用于将所述模拟信号进行滤波整流；
模拟信号转数字信号电路，与所述低通滤波电路和所述信号处理模块的输出端相连，用于将滤波后的模拟信号转换为数字信号。
4.根据权利要求2所述的基于IIC协议的双测试方法气体传感器控制接口电路，其特征在于，所述第二信号通路包括：电阻变化转电压方波信号电路，用于将电阻变化转换为对应的模拟信号；
电压方波信号频率测量电路，与所述电阻变化转电压方波信号电路和所述信号处理模块的输出端相连，用于将所述模拟信号转换为对应频率。
5.根据权利要求1所述的基于IIC协议的双测试方法气体传感器控制接口电路，其特征在于，所述数字控制模块包括数据寄存器，与信号处理模块输出端连接，用于存储所述信号处理模块输出的数字信号；系统控制模块，与IIC接口电路的输入段连接，用于接收到外部命令以后通过改写所述数据寄存器的值来实现对整个系统的控制；时钟模块，用于根据系统控制进行指定分频，给其余各个部分提供工作时钟。
6.根据权利要求1所述的基于IIC协议的双测试方法气体传感器控制接口电路，其特征在于，所述IIC接口模块包括符合IIC协议的从机模块，用于与外部IIC主机进行通信。
7.根据权利要求1至6任意一项所述的基于IIC协议的双测试方法气体传感器控制接口电路，其特征在于，还包括电源模块，所述电源模块的输出端分别与各个模块相连，用于给各模块提供所需电压。
8.根据权利要求7所述的基于IIC协议的双测试方法气体传感器控制接口电路，其特征在于，所述电源模块包括：若干个线性稳压器和1个带隙参考源。
9.根据权利要求8所述的基于IIC协议的双测试方法气体传感器控制接口电路，其特征在于，所述控制接口电路基于CMOS芯片制造工艺制作。
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