CN113029207B - 一种高灵敏和可配置的传感器驱动和信号处理集成电路 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种高灵敏和可配置的传感器驱动和信号处理集成电路，它涉及集成电路技术领域。传感单元通过结构和信号可配置信号采集单元接至模拟放大滤波和对比积分单元，参考单元与模拟放大滤波和对比积分单元连接，模拟放大滤波和对比积分单元与ADC单元连接，ADC单元接至DSP单元，DSP单元分别与结构和信号可配置驱动单元、输出信号发生单元连接，结构和信号可配置驱动单元与传感单元连接；DSP单元还与存储器单元连接。本发明对传感器产生的电压电流信号进行对比积分、对传感网络进行现场编程和对驱动信号进行抗干扰编程，实现对传感信号的高精度、高灵敏、高线性、低功耗、抗干扰和可配置采样和处理，应用前景广阔。

Description

一种高灵敏和可配置的传感器驱动和信号处理集成电路
技术领域
本发明涉及的是集成电路技术领域，具体涉及一种高灵敏和可配置的传感器驱动和信号处理集成电路。
背景技术
目前，人人上网到万物互联是互联网发展的自然趋势，物联的上行链路把万物的状态和行为信息上传，状态和行为信息通过各种传感器获得。绝大多数情况下，传感器在电力的驱动下运行，同时产生电压或电流等信息信号，为此，传感器需要专用的集成电路进行驱动，同时收集其产生的信号。驱动的灵活与好坏、信号收集和处理电路的结构和算法均直接决定了传感器系统的性能、成本和可靠性等重要品质参数。
现有典型应用如图1所示，在测量某种物理量，例如但不限于压力时，传感单元1利用两个端子的可变电阻组成电桥，驱动和处理专用集成电路4输出大小和波形相对固定的电压，测量另外一个或一对端子的电压，获得待测物理量或压力的电学传感值。这种典型结构和算法有其固有缺点：
(1)驱动信号数量有限，一般为一到两组；
(2)驱动信号种类或者是电压或者是电流，不能两者组合使用；
(3)驱动信号数值和波形固定，不能灵活编程；
(4)如果传感器单元多于一个单元组成网络，其网络结构不能灵活配置；
(5)抗电磁或机械干扰能力差；
(6)灵敏度受限于增益和功耗，精确度有待提升。
为了解决上述问题，设计一种新型的高灵敏、高线性、低功耗、抗干扰和可配置传感器驱动和信号处理电路尤为必要。
发明内容
针对现有技术上存在的不足，本发明目的是在于提供一种高灵敏和可配置的传感器驱动和信号处理集成电路，结构简单，设计合理，实现对传感信号的高灵敏、高线性、低功耗、抗干扰和可配置采样和处理，实用性强，可靠性高，易于推广使用。
为了实现上述目的，本发明是通过如下的技术方案来实现：一种高灵敏和可配置的传感器驱动和信号处理集成电路，包括传感单元、参考单元、驱动和信号处理专用集成电路，所述的驱动和信号处理专用集成电路包括有结构和信号可配置驱动单元、结构和信号可配置信号采集单元、模拟放大滤波和对比积分单元、ADC单元、DSP单元、输出信号发生单元和存储器单元，传感单元通过结构和信号可配置信号采集单元接至模拟放大滤波和对比积分单元，参考单元与模拟放大滤波和对比积分单元连接，模拟放大滤波和对比积分单元与ADC单元连接，ADC单元将模拟放大滤波和对比积分单元的模拟输出信号转换成数字信号，ADC单元接至DSP单元，DSP单元对ADC输出的数字信号通过编程实现各种数字信号处理算法，DSP单元分别与结构和信号可配置驱动单元、输出信号发生单元连接，结构和信号可配置驱动单元与传感单元连接，输出信号发生单元产生各种常用但不限于I2C、SPI、SENT等输出格式信号；所述的DSP单元还与存储器单元连接，存储器单元通过内置Flash、EPP和ROM结构存储DSP算法所需的数据。
作为优选，所述的参考单元设置在驱动和信号处理专用集成电路的外部，也可集成在驱动和信号处理专用集成电路的内部；参考单元输出信号不随待测物理量变化，例如但不限于压力、场强等变化，所述的传感单元输出随待测物理量变化。
作为优选，所述的参考单元采用但不限于电阻、电容、电感等电学器件或者由电学器件组成的电路网络，参考单元采用但不限于正敏感脉冲参考网络或负敏感脉冲参考网络，其中正敏感脉冲参考网络由电感和第一电容组成，电感与第一电容并联；负敏感脉冲参考网络由电感和第一电容组成，电感与第一电容串联；正负敏感脉冲参考网络分别用来筛选或过滤宽度为
Figure BDA0002979941240000021
的电磁脉冲。
作为优选，所述的结构和信号可配置驱动单元包含M个输出，M为自然数，每个输出可以单独为电压、电流，其数值可以是任意实数，也可以用两个输出仿真复数输出，每个输出的波形是但不限于不变的常数、正余弦函数、方波、三角波或者随机或伪随机波形序列，通过不同序列和组合驱动，实现抗干扰精确物理量测量。
作为优选，所述的传感单元的传感器输入结构和信号可配置，结构和信号可配置信号采集单元有N个信号接入到驱动和信号处理专用集成电路，N为自然数，接入信号与内置的可配置互联结构相连通过现场配置，实现但不限于对外部传感单元器件的串并联、桥式结构、任意双端或多端口网络，从而实现物理量传感。
作为优选，所述的模拟放大滤波和对比积分单元由对比积分电路、第二电容-第五电容、第一开关-第四开关组成，对比积分电路的负极输入端依次连接第二开关、第一开关至传感单元，第二开关与第一开关之间的节点连接第五电容至地端，对比积分电路的负极输入端与输出端之间接有第二电容，对比积分电路的正极输入端依次连接第四开关、第三开关至参考单元，第四开关与第三开关之间的节点连接第三电容至地端，对比积分电路的正极输入端与输出端之间接有第四电容，对比积分电路的输出端接至ADC单元。模拟放大滤波和对比积分单元将传感单元和参考单元的信号分别放大滤波然后对比积分，通过对比，去除干扰信号，实现宽线性和抗干扰传感；通过延长积分时间，实现降低放大器增益，实现低功耗和高精度传感。
本发明的有益效果：本电路对传感器产生的电压电流信号进行对比积分、对传感网络进行现场编程和对驱动信号进行抗干扰编程，实现对传感信号的高精度、高灵敏、高线性、低功耗、抗干扰和可配置采样和处理，应用前景广阔。
附图说明
下面结合附图和具体实施方式来详细说明本发明；
图1为背景技术中现有传感器典型应用的结构示意图；
图2为本发明参考单元外置的电路框图；
图3为本发明参考单元内置的电路框图；
图4为本发明正敏感脉冲参考网络的电路图；
图5为本发明负敏感脉冲参考网络的电路图；
图6为本发明内置的可配置互联结构示意图；
图7为本发明模拟放大滤波和对比积分单元的电路图；
图8为本发明用桥式压敏电阻电桥测试压力的原理示意图。
具体实施方式
为使本发明实现的技术手段、创作特征、达成目的与功效易于明白了解，下面结合具体实施方式，进一步阐述本发明。
参照图2-8，本具体实施方式采用以下技术方案：一种高灵敏和可配置的传感器驱动和信号处理集成电路，包括传感单元1、参考单元2、驱动和信号处理专用集成电路3，所述的驱动和信号处理专用集成电路3包括有结构和信号可配置驱动单元301、结构和信号可配置信号采集单元302、模拟放大滤波和对比积分单元303、ADC单元304、DSP单元305、输出信号发生单元306和存储器单元307，传感单元1通过结构和信号可配置信号采集单元302接至模拟放大滤波和对比积分单元303，参考单元2与模拟放大滤波和对比积分单元303连接，模拟放大滤波和对比积分单元303与ADC单元304连接，ADC单元304将模拟放大滤波和对比积分单元303的模拟输出信号转换成数字信号，ADC单元304接至DSP单元305，DSP单元305对ADC输出的数字信号通过编程实现各种数字信号处理算法，DSP单元305分别与结构和信号可配置驱动单元301、输出信号发生单元306连接，结构和信号可配置驱动单元301与传感单元1连接，输出信号发生单元306产生各种常用但不限于I2C、SPI、SENT等输出格式信号；所述的DSP单元305还与存储器单元307连接，存储器单元307通过内置Flash、EPP和ROM结构存储DSP算法所需的数据。
值得注意的是，所述的结构和信号可配置驱动单元301包含M个输出，M为自然数，每个输出可以单独为电压、电流，其数值可以是任意实数，也可以用两个输出仿真复数输出，每个输出的波形是但不限于不变的常数、正余弦函数、方波、三角波或者随机或伪随机波形序列，通过不同序列和组合驱动，实现抗干扰精确物理量测量。
此外，所述的传感单元1的传感器输入结构和信号可配置，结构和信号可配置信号采集单元302有N个信号接入到驱动和信号处理专用集成电路3，N为自然数，接入信号与内置的可配置互联结构相连通过现场配置，实现但不限于对外部传感单元器件的串并联、桥式结构、任意双端或多端口网络，从而实现各种简单或复合物理量传感。上述内置可配置互联结构(图6)是一个所有输入节点相互均可配置为联通或不通的“完全图”，节点间的联通或不通由连线上的晶体管控制，通过不同的网络结构，可以实现对不同表现物理量的精确、可靠和抗干扰传感。
本具体实施方式所述的参考单元2可以设置在驱动和信号处理专用集成电路3的外部，也可集成在驱动和信号处理专用集成电路3的内部；参考单元2输出信号不随待测物理量变化，例如但不限于压力、场强等变化，所述的传感单元1输出随待测物理量变化，如果有外部干扰发生，会同时干扰参考单元和传感单元，通过对比可以实现抗干扰传感。
参考单元2采用但不限于电阻、电容、电感等电学器件或者由电学器件组成的电路网络。例如，参考单元2可采用但不限于正敏感脉冲参考网络或负敏感脉冲参考网络，正、负敏感脉冲参考网络分别用来筛选或过滤宽度为
Figure BDA0002979941240000051
的电磁脉冲；其中正敏感脉冲参考网络(图4)由电感L和第一电容C1组成，电感L与第一电容C1并联，当L＝1nH，C1＝50pF时，正敏感脉冲参考网络可用来检出宽度为0.2ns的ISM 2.4GHz WiFi或蓝牙无线干扰脉冲；负敏感脉冲参考网络(图5)则由电感L和第一电容C1组成，电感L与第一电容C1串联，L＝1nH，C＝50pF时，负敏感脉冲参考网络可以检出2.4GHz以外其他无线干扰脉冲。
本具体实施方式模拟放大滤波和对比积分单元303不同于只有模拟放大滤波的其它传感器驱动和信号处理集成电路的处理单元，能将传感单元1和参考单元2的信号分别放大滤波然后对比积分，通过对比，去除干扰信号，实现宽线性和抗干扰传感；通过延长积分时间，实现降低放大器增益，实现低功耗和高精度传感。该模拟放大滤波和对比积分单元由对比积分电路U、第二电容C2-第五电容C5、第一开关S1-第四开关S4组成，对比积分电路U的负极输入端依次连接第二开关S2、第一开关S1至传感单元1，第二开关S2与第一开关S1之间的节点连接第五电容C5至地端，对比积分电路U的负极输入端与输出端之间接有第二电容C2，对比积分电路U的正极输入端依次连接第四开关S4、第三开关S3至参考单元2，第四开关S4与第三开关S3之间的节点连接第三电容C3至地端，对比积分电路U的正极输入端与输出端之间接有第四电容C4，对比积分电路U的输出端接至ADC单元304。
该对比积分电路，Vout＝∫[(C2/C5)V1-(C4/C3)V2]dV，如果V1和V2都包含有ΔV的干扰信号，在C2/C5＝C4/C3条件下，干扰信号ΔV对Vout没有影响；如果V1和V2分别包含的干扰信号为ΔV1和ΔV2，则通过配置(C2/C5)/(C4/C3)＝ΔV2/ΔV1可以使Vout不受干扰影响。
本具体实施方式用压敏电阻电桥测试压力,其原理见图8：用直流电压驱动第一开关S1和第四开关S4，接收第二开关S2和第三开关S3之间电压，可获得输出电压为：Vout1＝[R1/(R1+R3)-R2/(R2+R4)]。改换配置，用直流电压驱动第二开关S2和第三开关S3，接收第一开关S1和第四开关S4之间电压，可获得输出电压为：Vout2＝[R1/(R1+R2)-R3/(R3+R4)]；取Vout1和Vout2的算术平均作为测试结果Vout，可以更好地消除因元件参数分散和老化速度不同，带来的误差。如果在电感L和第一电容C1组成的参考单元上出现宽度为
Figure BDA0002979941240000061
的干扰，在Vout中同样也会出现类似的干扰影响，将Vout减去LC电路的参考输出，即可消除特定宽度的干扰。如果对驱动信号采用某种频率f的交流驱动信号，获得的测试结果也是频率为f的交流信号，通过滤波处理，可以排除频率f以外的干扰信号；如果驱动信号是矩形脉冲，可以利用对比积分电路，将去除干扰后的接收信号按脉冲个数进行积分，实现宽精度范围动态配置测量。特别地，L＝1μH，C＝μF时，可以消除3μs左右的内燃机火花塞干扰，有效地提升车用传感器抗干扰性能。
本具体实施方式的技术优势在于：
(1)支持更多驱动输出，一般大于或等于三组以上；
(2)电路的输出驱动信号有多种类型，例如但不限于电压，电流或者阻抗；
(3)电路的输出信号波形可以是但不限于常数，方波，正弦等波形；
(4)电路的输出信号个数、种类和波形可以组合使用；
(5)支持内置或外接参考单元，且参考单元输出不随待测物理量变化；
(6)支持多路，一般大于或等于两路，传感器网络节点接入，通过对内部可配置互联结构的编程实现对传感单元网络的不同配置，例如但不限于串联和并联等；
(7)支持将传感单元和参考单元的输入对比积分处理，实现低功耗、高增益和抗干扰性能。
综上，本发明对传感器产生的电压电流信号进行对比积分、对传感网络进行现场编程和对驱动信号进行抗干扰编程，实现对传感信号的高精度、高灵敏、高线性、低功耗、抗干扰和可配置采样和处理，可靠性高，具有广阔的市场应用前景。
以上显示和描述了本发明的基本原理和主要特征和本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。

Claims (8)

1.一种高灵敏和可配置的传感器驱动和信号处理集成电路，其特征在于，包括传感单元(1)、参考单元(2)、驱动和信号处理专用集成电路(3)，所述的驱动和信号处理专用集成电路(3)包括有结构和信号可配置驱动单元(301)、结构和信号可配置信号采集单元(302)、模拟放大滤波和对比积分单元(303)、ADC单元(304)、DSP单元(305)、输出信号发生单元(306)和存储器单元(307)，传感单元(1)通过结构和信号可配置信号采集单元(302)接至模拟放大滤波和对比积分单元(303)，参考单元(2)与模拟放大滤波和对比积分单元(303)连接，模拟放大滤波和对比积分单元(303)与ADC单元(304)连接，ADC单元(304)将模拟放大滤波和对比积分单元(303)的模拟输出信号转换成数字信号，ADC单元(304)接至DSP单元(305)，DSP单元(305)对ADC输出的数字信号通过编程实现各种数字信号处理算法，DSP单元(305)分别与结构和信号可配置驱动单元(301)、输出信号发生单元(306)连接，结构和信号可配置驱动单元(301)与传感单元(1)连接，输出信号发生单元(306)产生输出格式信号，所述的DSP单元(305)还与存储器单元(307)连接，存储器单元(307)通过内置FlaSh、EPP和ROM结构存储DSP算法所需的数据；所述的模拟放大滤波和对比积分单元(303)由对比积分电路(U)、第二电容(C2)、第三电容(C3)、第四电容(C4)、第五电容(C5)、第一开关(S1)、第二开关(S2)、第三开关(S3)、第四开关(S4)组成，对比积分电路(U)的负极输入端依次连接第二开关(S2)、第一开关(S1)至传感单元(1)，第二开关(S2)与第一开关(S1)之间的节点连接第五电容(C5)至地端，对比积分电路(U)的负极输入端与输出端之间接有第二电容(C2)，对比积分电路(U)的正极输入端依次连接第四开关(S4)、第三开关(S3)至参考单元(2)，第四开关(S4)与第三开关(S3)之间的节点连接第三电容(C3)至地端，对比积分电路(U)的正极输入端与输出端之间接有第四电容(C4)，对比积分电路(U)的输出端接至ADC单元(304)；模拟放大滤波和对比积分单元(303)将传感单元(1)和参考单元(2)信号分别放大滤波然后对比积分，通过对比，去除干扰信号，实现宽线性和抗干扰传感；通过延长积分时间，实现降低放大器增益，实现低功耗和高精度传感。
2.根据权利要求1所述的一种高灵敏和可配置的传感器驱动和信号处理集成电路，其特征在于，所述的参考单元(2)设置在驱动和信号处理专用集成电路(3)的外部。
3.根据权利要求1所述的一种高灵敏和可配置的传感器驱动和信号处理集成电路，其特征在于，所述的参考单元(2)集成在驱动和信号处理专用集成电路(3)的内部。
4.根据权利要求1所述的一种高灵敏和可配置的传感器驱动和信号处理集成电路，其特征在于，所述的参考单元(2)采用电阻、电容、电感电学器件或者由电学器件组成的电路网络，参考单元(2)输出信号不随待测物理量变化，传感单元(1)输出随待测物理量变化。
5.根据权利要求4所述的一种高灵敏和可配置的传感器驱动和信号处理集成电路，其特征在于，所述的参考单元(2)采用正敏感脉冲参考网络，由电感(L)和第一电容(C1)组成，电感(L)与第一电容(C1)并联。
6.根据权利要求4所述的一种高灵敏和可配置的传感器驱动和信号处理集成电路，其特征在于，所述的参考单元(2)采用负敏感脉冲参考网络，由电感(L)和第一电容(C1)组成，电感(L)与第一电容(C1)串联。
7.根据权利要求1所述的一种高灵敏和可配置的传感器驱动和信号处理集成电路，其特征在于，所述的结构和信号可配置驱动单元(301)包含M个输出，M为自然数，每个输出为单独的电压、电流，或者用两个输出仿真复数输出，每个输出的波形是不变的常数、正余弦函数、方波、三角波或者随机或伪随机波形序列，通过不同序列和组合驱动，实现抗干扰精确物理量测量。
8.根据权利要求1所述的一种高灵敏和可配置的传感器驱动和信号处理集成电路，其特征在于，所述的传感单元(1)的传感器输入结构和信号可配置，结构和信号可配置信号采集单元(302)有N个信号接入到驱动和信号处理专用集成电路(3)，N为自然数，接入信号与内置的可配置互联结构相连通过现场配置，实现对外部传感单元器件的串并联、桥式结构，双端或多端口网络，从而实现物理量传感。
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