CN111953333B - 阵列式mems传感器spi并行数据采集电路及传感系统 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种阵列式MEMS传感器SPI并行数据采集电路及传感系统，实现了并行同步获取多个MEMS传感器数据，通过SPI通信总线并行同步获取多个MEMS传感器的设计方案及数据采集时序；设计了信号驱动与电平转换电路；给出了并行数据预处理及解析方案。其可以在同一时刻同步采集多个MEMS传感器数据，具有通信稳定、便于独立操作等优点。

Description

阵列式MEMS传感器SPI并行数据采集电路及传感系统
技术领域
本发明涉及MEMS传感器系统技术领域，具体涉及一种阵列式MEMS传感器SPI并行数据采集电路及传感系统。
背景技术
当前MEMS传感器正越来越多的被应用到军民及工业领域，其高性价比、低功耗特性越来越具有更加广阔的应用前景。由于MEMS传感器在测量精度、测量噪声等方面存在较大的缺陷，因此在实际使用过程中受到限制。当前，提升MEMS传感器测量精度、减小其测量噪声多从结构设计和电路系统着手，这从一定程度上提升了MEMS传感器性能，随之而来的也是MEMS传感器良率的降低、成本提高，这不利于MEMS传感器的应用。
发明内容
本发明要解决的技术问题是提供一种阵列式MEMS传感器SPI并行数据采集电路及传感系统，其通过SPI通信总线并行同步获取多个MEMS传感器数据，具有通信稳定、便于独立操作等优点。
为了解决上述技术问题，本发明提供了一种阵列式MEMS传感器SPI并行数据采集电路，包括：
传感器模块，所述传感器模块包括多个阵列式排布的MEMS传感器，每个所述MEMS传感器上皆连接有主机控制线、时钟线、片选线和用于采集传感器数据的数据线；
控制器，所述控制器包括第一I/O端口、第二I/O端口、第三I/O端口和多个第四I/O端口，每个所述MEMS传感器的主机控制线皆与第一I/O端口电性连接，每个所述MEMS传感器的时钟线皆与第二I/O端口电性连接，每个所述MEMS传感器的片选线皆与第三I/O端口电性连接，所述第四I/O端口与所述数据线一一对应电性连接。
作为优选的，还包括信号驱动与电平转换电路，其用于提高第一I/O端口、第二I/O端口和第三I/O端口对MEMS传感器的驱动能力，并进行电平转换。
作为优选的，所述信号驱动与电平转换电路包括多个驱动子电路；所述驱动子电路位于所述MEMS传感器的信号线与所述控制器上对应的端口之间，其中，所述信号线为主机控制线、时钟线、片选线或数据线，所述主机控制线与控制器上的第一I/O端口对应，所述时钟线与第二I/O端口对应，所述片选线与第三I/O端口对应，所述数据线与第四I/O端口对应。
作为优选的，所述驱动子电路包括第一上拉电阻、第二上拉电阻和场效应管；所述场效应管的栅极和第一上拉电阻的第一端皆与控制器的电源端电性连接，所述场效应管的源极与信号线对应的控制器的I/O端口和第一电阻的第二端电性连接；所述第二上拉电阻的第一端与所述场效应管的漏极和信号线电性连接，所述第二上拉电阻的第二端与MEMS传感器的电源端电性连接。
作为优选的，所述场效应管为N沟道增强型场效应管。
本发明公开了一种阵列式MEMS传感器SPI并行数据采集方法，基于上述的阵列式MEMS传感器SPI并行数据采集电路采集数据，其特征在于，包括以下步骤：所述片选线由高电平转换为低电平，片选所有的MEMS传感器，所述第二I/O端口经时钟线产生时钟信号，所述主机控制线产生控制寄存器地址信号及寄存器操作数据，所有MEMS传感器均接收相同的寄存器地址信号和寄存器操作数据；在阵列式MEMS传感器数据采集阶段，所有所述片选线进行所有芯片片选，所述第二I/O端口经时钟线产生时钟信号，所述主机控制线产生控制寄存器地址信号，以上信号同步操作所有MEMS传感器；所述控制器读取数据线信号并进行信号整合。
作为优选的，所述控制器读取数据线信号并进行信号整合，包括：所述第二I/O端口经时钟线产生时钟信号，所述第四I/O端口通过数据线采集每个MEMS传感器的数据，实现不同MEMS传感器数据读取；所述控制器对读取的数据进行整合，完成数据预处理与解析。
作为优选的，所述控制器对读取的数据进行整合，完成数据预处理与解析，具体包括：采用SPI通信进行数据读取时，同一时刻获取到阵列式MEMS传感器数据字节的一位，8个时钟信号获取一个字节，16个时钟信号获取两个字节数据；在8个时钟信号之后，所述控制器获取到8位多个I/O数据，将每个I/O数据的不同位按顺序进行整合形成每个MEMS传感器输出的数据字节，完成数据预处理与解析。
本发明公开了一种MEMS传感系统，基于上述阵列式MEMS传感器SPI并行数据采集方法实现。
本发明的有益效果：
1、本发明采用通过SPI通信总线并行同步获取多个MEMS传感器数据，具有通信稳定、便于独立操作等优点。
2、本发明设计阵列式MEMS传感器并行数据采集方案，可实现阵列传感器数据同步获取。
附图说明
图1为SPI通信总线并行同步获取多个MEMS传感器的结构示意图；
图2为信号驱动与电平转换电路图；
图3为阵列式MEMS传感器SPI并行指令控制时序图；
图4为阵列式MEMS传感器SPI并行数据采集时序图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步说明，以使本领域的技术人员可以更好地理解本发明并能予以实施，但所举实施例不作为对本发明的限定。
MEMS传感器存在噪声大，测量精度低的缺陷，为此本发明公开了一种阵列式MEMS传感器SPI并行数据采集方法，该方法通过SPI并行数据获取方式，实现了多传感器阵列数据的采集，为MEMS传感器降噪提供了可行的方案。本发明给出了SPI并行数据采集的方案设计图，如图1。图1中，所有传感器的时钟线(SCLK)、主机控制线(MOSI)、片选线(nCS)分别采用共线连接到控制器的三个I/O口上，可以实现同步控制。数据线(MISOx)采用多条数据线与控制器多个I/O连接，图中阵列为I行J列，总共N个传感器，则需要MISO1到MISON条数据线。针对系统方案设计图，公开了其时序方案，如图3和4所示。在时序方案中，分为指令控制时序图和数据采集时序图。在控制时序方面，首先，片选线(nCS)进行所有传感器片选，即拉低片选线；其次，时钟线(SCLK)进行时钟信号发送，主机控制线(MOSI)同时发送寄存器地址给N个传感器；最后，再经过一个字节时钟信号(SCLK)利用主机控制线(MOSI)发送寄存器指令。在整个指令控制时序内，所有数据线(MISOx)处于闲置状态。在数据采集时序方面，首先，片选线(nCS)进行所有传感器片选，即拉低片选线；其次，时钟线(SCLK)进行时钟信号发送，主机控制线(MOSI)同时发送寄存器地址给N个传感器，此时数据线(MISOx)处于空闲状态；最后，再经过一个字节时钟信号(SCLK)利用数据线(MISOx)并行采集N个传感器的输出信号，实现并行数据采集，此时主机控制线(MOSI)处于空闲状态。针对不同的控制器应用，给出了电平转换和驱动电路图，如图2所示，信号传输分为控制器端和传感器端。在控制器端，上拉电阻R11、R12、……、R1N+3(一共N+3个电阻)实现上拉功能，电源线(VDD1)采用与控制器等电平。片选线(nCS)、时钟线(SCLK)、主机控制线(MOSI)、数据线(MISOx)与控制器相连。在传感器端，上拉电阻R21、R22、……、R2N+3(一共N+3个电阻)实现上拉功能，电源线(VDD2)采用与传感器供电等电平。片选线(nCS)、时钟线(SCLK)、主机控制线(MOSI)、数据线(MISOx)与传感器相连。采用N+3个N-MOS实现电平转换，在图中采用Q1、Q2、……、QN+3表示。以其中一个N-MOS为例，其源极与控制器端一个I/O相连，漏极与传感器端一个端口相连，栅极与控制器端供电电源(VDD1)相连，这里实现电平转换的条件是控制器端电源(VDD1)大于或等于传感器端电源(VDD2)。
发明人经研究发现，阵列式MEMS传感器可以有效地减小传感器噪声大、测量精度低的缺陷，提升了系统性能，具体方案介绍如下。
参照图1所示，本发明公开了一种阵列式MEMS传感器SPI并行数据采集电路，包括传感器模块和控制器。
传感器模块包括多个阵列式排布的MEMS传感器，每个MEMS传感器上皆连接有主机控制线、时钟线、片选线和用于采集传感器数据的数据线；
控制器包括第一I/O端口、第二I/O端口、第三I/O端口和多个第四I/O端口，每个MEMS传感器的主机控制线皆与第一I/O端口电性连接，每个MEMS传感器的时钟线皆与第二I/O端口电性连接，每个MEMS传感器的片选线皆与第三I/O端口电性连接，第四I/O端口与数据线一一对应电性连接。
本发明还包括信号驱动与电平转换电路，其用于提高第一I/O端口、第二I/O端口和第三I/O端口对MEMS传感器的驱动能力，并进行电平转换。参照图2所示，信号驱动与电平转换电路包括多个驱动子电路；驱动子电路位于MEMS传感器的信号线与控制器上对应的端口之间，其中，信号线为主机控制线、时钟线、片选线或数据线，主机控制线与控制器上的第一I/O端口对应，时钟线与第二I/O端口对应，片选线与第三I/O端口对应，数据线与第四I/O端口对应。
驱动子电路包括第一上拉电阻、第二上拉电阻和场效应管；场效应管的栅极和第一上拉电阻的第一端皆与控制器的电源端电性连接，场效应管的源极与信号线对应的控制器的I/O端口和第一电阻的第二端电性连接；第二上拉电阻的第一端与场效应管的漏极和信号线电性连接，第二上拉电阻的第二端与MEMS传感器的电源端电性连接。其中，场效应管为N沟道增强型场效应管。采用电平转换与驱动电路设计，实现多种控制器操作，具有兼容性好的优点。图2中，第一上拉电阻为R11、R12、……、R1N+3，第二上拉电阻为R21、R22、……、R2N+3。场效应管为Q1、Q2、Q3、Q4、……、QN+3。
参照图3-图4所示，本发明公开了一种阵列式MEMS传感器SPI并行数据采集方法，基于上述的阵列式MEMS传感器SPI并行数据采集电路采集数据，包括以下步骤：
片选线由高电平转换为低电平，片选所有的MEMS传感器，第二I/O端口经时钟线产生时钟信号，主机控制线产生控制寄存器地址信号及寄存器操作数据，所有MEMS传感器均接收相同的寄存器地址信号和寄存器操作数据；
在阵列式MEMS传感器数据采集阶段，所有片选线进行所有芯片片选，第二I/O端口经时钟线产生时钟信号，主机控制线产生控制寄存器地址信号，以上信号同步操作所有MEMS传感器；
控制器读取数据线信号并进行信号整合，包括：第二I/O端口经时钟线产生时钟信号，第四I/O端口通过数据线采集每个MEMS传感器的数据，实现不同MEMS传感器数据读取；控制器对读取的数据进行整合，完成数据预处理与解析。
其中，控制器对读取的数据进行整合，完成数据预处理与解析，具体包括：采用SPI通信进行数据读取时，同一时刻获取到阵列式MEMS传感器数据字节的一位，8个时钟信号获取一个字节，16个时钟信号获取两个字节数据；在8个时钟信号之后，控制器获取到8位多个I/O数据，将每个I/O数据的不同位按顺序进行整合形成每个MEMS传感器输出的数据字节，完成数据预处理与解析。
以上所述实施例仅是为充分说明本发明而所举的较佳的实施例，本发明的保护范围不限于此。本技术领域的技术人员在本发明基础上所作的等同替代或变换，均在本发明的保护范围之内。本发明的保护范围以权利要求书为准。

Claims (8)

1.一种阵列式MEMS传感器SPI并行数据采集电路，其特征在于，包括：
传感器模块，所述传感器模块包括多个阵列式排布的MEMS传感器，每个所述MEMS传感器上皆连接有主机控制线、时钟线、片选线和用于采集传感器数据的数据线；
控制器，所述控制器包括第一I/O端口、第二I/O端口、第三I/O端口和多个第四I/O端口，每个所述MEMS传感器的主机控制线皆与第一I/O端口电性连接，每个所述MEMS传感器的时钟线皆与第二I/O端口电性连接，每个所述MEMS传感器的片选线皆与第三I/O端口电性连接，所述第四I/O端口与所述数据线一一对应电性连接；
其中，所述控制器通过控制主机控制线、时钟线和片选线的电信号并采集数据线的传输数据以实现阵列式MEMS传感器的数据采集，该采集电路实现并行数据采集的步骤如下：
所述片选线由高电平转换为低电平，片选所有的阵列式MEMS传感器，所述第二I/O端口经时钟线产生时钟信号，所述主机控制线产生控制寄存器地址信号及寄存器操作数据，所有阵列式MEMS传感器均接收相同的寄存器地址信号和寄存器操作数据；
在阵列式MEMS传感器数据采集阶段，所有所述片选线进行所有芯片片选，所述第二I/O端口经时钟线产生时钟信号，所述主机控制线产生控制寄存器地址信号，以上信号同步操作所有阵列式MEMS传感器；
所述控制器读取数据线信号并进行信号整合。
2.如权利要求1所述的阵列式MEMS传感器SPI并行数据采集电路，其特征在于，还包括信号驱动与电平转换电路，其用于提高第一I/O端口、第二I/O端口和第三I/O端口对MEMS传感器的驱动能力，并进行电平转换。
3.如权利要求2所述的阵列式MEMS传感器SPI并行数据采集电路，其特征在于，所述信号驱动与电平转换电路包括多个驱动子电路；
所述驱动子电路位于所述MEMS传感器的信号线与所述控制器上对应的端口之间，其中，所述信号线为主机控制线、时钟线、片选线或数据线，所述主机控制线与控制器上的第一I/O端口对应，所述时钟线与第二I/O端口对应，所述片选线与第三I/O端口对应，所述数据线与第四I/O端口对应。
4.如权利要求3所述的阵列式MEMS传感器SPI并行数据采集电路，其特征在于，所述驱动子电路包括第一上拉电阻、第二上拉电阻和场效应管；
所述场效应管的栅极和第一上拉电阻的第一端皆与控制器的电源端电性连接，所述场效应管的源极与信号线对应的控制器的I/O端口和第一电阻的第二端电性连接；
所述第二上拉电阻的第一端与所述场效应管的漏极和信号线电性连接，所述第二上拉电阻的第二端与MEMS传感器的电源端电性连接。
5.如权利要求4所述的阵列式MEMS传感器SPI并行数据采集电路，其特征在于，所述场效应管为N沟道增强型场效应管。
6.如权利要求1所述的阵列式MEMS传感器SPI并行数据采集电路，其特征在于，所述控制器读取数据线信号并进行信号整合，包括：
所述第二I/O端口经时钟线产生时钟信号，所述第四I/O端口通过数据线采集每个MEMS传感器的数据，实现不同MEMS传感器数据读取；
所述控制器对读取的数据进行整合，完成数据预处理与解析。
7.如权利要求6所述的阵列式MEMS传感器SPI并行数据采集电路，其特征在于，所述控制器对读取的数据进行整合，完成数据预处理与解析，具体包括：
采用SPI通信进行数据读取时，同一时刻获取到阵列式MEMS传感器数据字节的一位，8个时钟信号获取一个字节，16个时钟信号获取两个字节数据；
在8个时钟信号之后，所述控制器获取到8位多个I/O数据，将每个I/O数据的不同位按顺序进行整合形成每个MEMS传感器输出的数据字节，完成数据预处理与解析。
8.一种MEMS传感系统，其特征在于，包括权利要求1所述的阵列式MEMS传感器SPI并行数据采集电路。
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