CN113485510A - 实现垂直霍尔传感器分时工作的系统 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种实现垂直霍尔传感器分时工作的系统，包括垂直霍尔元件、双采样放大器、迟滞比较器、输出模块、高频振荡器模块、低频振荡器模块、上电复位模块、分时开关控制模块，垂直霍尔元件接收固定的偏置电流，双采样放大器的输入端与垂直霍尔元件的输出端相连接，迟滞比较器的输入端与双采样放大器的输出端相连接，输出模块的输入端与迟滞比较器的输出端相连接。采用了本发明的实现垂直霍尔传感器分时工作的系统，具有特殊时钟控制和工作方式，通过独创的垂直霍尔传感器的分时工作方式，不但可以得到极低的平均功耗，而且在类似液位计这种采用大量霍尔磁传感器的应用方案中，也不会产生大的瞬态电流，保证方案系统能够精确工作。
Description
技术领域
本发明涉及传感器领域，尤其涉及工业液位计应用领域，具体是指一种实现垂直霍尔传感器分时工作的系统。
背景技术
工业液位计的一个主要的实现方式是采用浮球液位计，可以用于化工，生化，医药，食品饮料，石油燃料，污水处理等存储测量。典型特征是由一个浮球，一个插杆组成。浮球里面包含一个磁铁，插杆里面包含一长串由电阻和传感器组成的选通电路。浮球液位计通过连接安装于容器顶部固定。当浮球随着容器液位变化而上下移动。插杆内的传感器受浮球内磁铁的作用而选通不同的接入电阻，从而产生电信号，显示液体的实际位置。这种液体储藏容器一般来说都非常大，为了精确指示液体位置，需要接入的传感器甚至有上百个。而给电阻串和传感器供电都是采用一定驱动能力的LDO。这就造成了对传感器的平均功耗和瞬态功耗都有非常高的要求。
浮球内的磁铁一般为上下充磁，所以磁力线方向是平行于插杆，这样做的好处是对插杆内的传感器的安装位置要求不严格。插杆内的传感器无论是放置在哪个位置，检测的平行于插杆的磁场都是几乎一致的。传统的浮球液位计电路实现方式大多都是采用有n个电阻组成的电阻串，磁开关和线性稳压器(LDO)以及微处理器(MCU)来实现，如图2所示。
所有电路都由LDO提供电源。传统方式是选用干簧管作为磁性开关来组成选通电路。但干簧管由于价格昂贵，近年来慢慢被磁开关传感器所替代。比较典型的代表有检测平行于芯片表面磁场的TMR磁开关(隧道磁阻开关)，但TMR开关的价格成本也很高，且对最大磁场有严格要求。此时更低成本的垂直型霍尔就更有优势了。垂直型霍尔检测的也是平行于芯片表面的磁场，且更加有利于低成本的芯片集成。但霍尔技术因为灵敏度低，通常信号调理电路更复杂，且需要消耗比较大的电流。那么分时开启工作的技术就能达到极低的平均功耗。如下图，在10Hz的低频时钟控制下，芯片工作的时间与芯片关闭的时间之比是1:499，那么如果这个芯片正常工作时间是2mA，那么近似地，这个芯片的平均功耗只有2mA/500＝4uA。假设选通电路里面需要用到100个霍尔磁开关传感器，那么总的平均功耗也只有400uA，这对LDO的供电系统没有任何问题。但是当系统上电后，这些芯片几乎是同时上电并且同时进行分时开启工作的，所以会造成上电瞬间和工作过程中的瞬态功耗特别大。假设这100个霍尔磁开关同时上电工作，那么瞬态电流高达2mA*100＝200mA，这对一般的LDO供电系统来说是不可以接收的。会造成LDO被瞬间下拉，从而引起液位计的读数出错。
发明内容
本发明的目的是克服了上述现有技术的缺点，提供了一种满足稳定性、精确工作、适用范围较为广泛的实现垂直霍尔传感器分时工作的系统。
为了实现上述目的，本发明的实现垂直霍尔传感器分时工作的系统如下：
该实现垂直霍尔传感器分时工作的系统，其主要特点是，所述的系统包括垂直霍尔元件、双采样放大器、迟滞比较器、输出模块、高频振荡器模块、低频振荡器模块、上电复位模块、分时开关控制模块，
所述的垂直霍尔元件接收固定的偏置电流，所述的双采样放大器的输入端与垂直霍尔元件的输出端相连接，用于放大和滤波霍尔器件的输出信号，所述的迟滞比较器的输入端与双采样放大器的输出端相连接，所述的输出模块的输入端与迟滞比较器的输出端相连接，用于处理迟滞比较器的输出信号并作为传感器输出；
所述的高频振荡器模块提供所有电路模块的高频工作时钟，所述的分时开关控制模块接收低频振荡器模块的输出时钟和上电复位模块的输出信号，所述的分时开关控制模块的输出时钟控制信号用于分别控制高频振荡器模块、垂直霍尔元件、双采样放大器和迟滞比较器。
较佳地，所述的系统还包括随机配置模块，所述的随机配置模块的输出端与分时开关控制模块的输入端相连接，用于配置分时工作点，通过写入不同数值来改变时钟控制信号从低电平变为高电平的第一个跳变沿的时间点，进而控制所有受控电路的开启时间点。
较佳地，所述的时钟控制信号从低电平变为高电平时，所有电路模块开始上电工作；所述的时钟控制信号从高电平变为低电平时，所有电路模块关闭。
较佳地，所述的系统还包括编程单元和一线协议模块，所述的编程单元的输入端与一线协议模块相连接，所述的一线协议模块通过传感器芯片的输出端进行通信编程，对编程单元写入随机值。
较佳地，所述的系统还包括延迟单元，输入端与低频振荡器模块的输出端、上电复位模块的输出端和编程单元的输出端相连接，由一组触发器组成，按照编程单元的数据产生延迟信号。
较佳地，所述的系统还包括延迟运算单元，输入端与延迟单元的输出端和分时开关控制模块的输出端相连接，用于产生信号延迟输出来控制整个芯片的唤醒工作和睡眠模式。
较佳地，所述的高频振荡器模块的输入端与延迟运算单元的输出端相连接，用于产生高频时钟信号，受延迟运算单元的输出信号的控制在唤醒工作和睡眠模式之间切换。
较佳地，所述的系统还包括控制信号生成器和模拟信号处理模块，所述的控制信号生成器的输入端与高频振荡器模块的输出端相连接，所述的模拟信号处理模块的输入端与控制信号生成器的输出端和延迟运算单元的输出端相连接，所述的控制信号生成器用于在高频振荡器模块的输出信号有效时，生成四相旋转工作时钟组和比较器工作时钟组，所述的模拟信号处理模块在四相旋转工作时钟组、比较器工作时钟组和延迟单元输出信号的协同工作下对采集到的霍尔信号进行放大处理，得到芯片的输出。
采用了本发明的实现垂直霍尔传感器分时工作的系统，具有特殊时钟控制和工作方式，让采用大量垂直霍尔传感器的液位计应用方案不会产生极大的瞬态功耗。本发明通过独创的垂直霍尔传感器的分时工作方式，不但可以得到极低的平均功耗，而且在类似液位计这种采用大量霍尔磁传感器的应用方案中，也不会产生大的瞬态电流，保证方案系统能够精确工作。
附图说明
图1为本发明的实现垂直霍尔传感器分时工作的系统的垂直霍尔传感器芯片功能框图。
图2为现有技术的液位计应用框图。
图3为本发明的实现垂直霍尔传感器分时工作的系统的垂直霍尔传感器芯片模块框图。
图4为本发明的实现垂直霍尔传感器分时工作的系统的芯片时序控制框图。
图5为本发明的实现垂直霍尔传感器分时工作的系统的芯片工作时序图。
具体实施方式
为了能够更清楚地描述本发明的技术内容，下面结合具体实施例来进行进一步的描述。
本发明的该实现垂直霍尔传感器分时工作的系统，其中包括垂直霍尔元件、双采样放大器、迟滞比较器、输出模块、高频振荡器模块、低频振荡器模块、上电复位模块、分时开关控制模块，
所述的垂直霍尔元件接收固定的偏置电流，所述的双采样放大器的输入端与垂直霍尔元件的输出端相连接，用于放大和滤波霍尔器件的输出信号，所述的迟滞比较器的输入端与双采样放大器的输出端相连接，所述的输出模块的输入端与迟滞比较器的输出端相连接，用于处理迟滞比较器的输出信号并作为传感器输出；
所述的高频振荡器模块提供所有电路模块的高频工作时钟，所述的分时开关控制模块接收低频振荡器模块的输出时钟和上电复位模块的输出信号，所述的分时开关控制模块的输出时钟控制信号用于分别控制高频振荡器模块、垂直霍尔元件、双采样放大器和迟滞比较器。
作为本发明的优选实施方式，所述的系统还包括随机配置模块，所述的随机配置模块的输出端与分时开关控制模块的输入端相连接，用于配置分时工作点，通过写入不同数值来改变时钟控制信号从低电平变为高电平的第一个跳变沿的时间点，进而控制所有受控电路的开启时间点。
作为本发明的优选实施方式，所述的时钟控制信号从低电平变为高电平时，所有电路模块开始上电工作；所述的时钟控制信号从高电平变为低电平时，所有电路模块关闭。
作为本发明的优选实施方式，所述的系统还包括编程单元和一线协议模块，所述的编程单元的输入端与一线协议模块相连接，所述的一线协议模块通过传感器芯片的输出端进行通信编程，对编程单元写入随机值。
作为本发明的优选实施方式，所述的系统还包括延迟单元，输入端与低频振荡器模块的输出端、上电复位模块的输出端和编程单元的输出端相连接，由一组触发器组成，按照编程单元的数据产生延迟信号。
作为本发明的优选实施方式，所述的系统还包括延迟运算单元，输入端与延迟单元的输出端和分时开关控制模块的输出端相连接，用于产生信号延迟输出来控制整个芯片的唤醒工作和睡眠模式。
作为本发明的优选实施方式，所述的高频振荡器模块的输入端与延迟运算单元的输出端相连接，用于产生高频时钟信号，受延迟运算单元的输出信号的控制在唤醒工作和睡眠模式之间切换。
作为本发明的优选实施方式，所述的系统还包括控制信号生成器和模拟信号处理模块，所述的控制信号生成器的输入端与高频振荡器模块的输出端相连接，所述的模拟信号处理模块的输入端与控制信号生成器的输出端和延迟运算单元的输出端相连接，所述的控制信号生成器用于在高频振荡器模块的输出信号有效时，生成四相旋转工作时钟组和比较器工作时钟组，所述的模拟信号处理模块在四相旋转工作时钟组、比较器工作时钟组和延迟单元输出信号的协同工作下对采集到的霍尔信号进行放大处理，得到芯片的输出。
本发明的具体实施方式中，应用于工业液位计的垂直霍尔传感器芯片。该芯片集成垂直霍尔元件、信号调理电路，以及控制该芯片分时工作的时序控制电路，如图1。垂直霍尔元件用来检测平行于芯片表面的磁场。信号调理电路用来对垂直霍尔元件采集到的信号进行放大，失调消除，滤波，比较，以及输出等信号处理工作。时序电路用来提供芯片工作的所有时钟信号和时序控制信号，包括一个低频时钟产生模块和一个高频时钟产生模块。其产生的时钟信号用来控制信号调理电路和霍尔器件的工作时间，包括它们的关闭和唤醒，工作时间和关闭时间比，唤醒时间点配置等。让芯片在分时工作的情况下实现比较极低的平均功耗。同时，本发明的特殊时钟控制和工作方式，让采用大量垂直霍尔传感器的液位计应用方案不会产生极大的瞬态功耗。
本发明通过独创的垂直霍尔传感器的分时工作方式解决了这一问题，不但可以得到极低的平均功耗，而且在类似液位计这种采用大量霍尔磁传感器的应用方案中，也不会产生大的瞬态电流，保证方案系统能够精确工作。本发明的该垂直霍尔传感器包含一个垂直霍尔元件，固定的偏置电流Ihall流过该器件；一个四相的相关双采样放大器(CDS AMP)放大和滤波霍尔器件的输出信号；放大器处理后的信号输入到一个迟滞比较器(CMP HYS)；比较器的输出经过输出模块(OUTPUT)处理后作为最终的传感器输出。一个高频的振荡器模块(HOSC)提供所有电路的高频工作时钟。一个低频的振荡器模块(LOSC)的输出时钟输入到分时开关控制模块。一个上电复位模块的输出信号作为分时开关控制模块的另外一个输入。
分时开关控制模块的输出时钟控制信号(CK_duty)用来分别控制所有受控电路包括上述高频振荡器模块，垂直霍尔元件的偏置电流，双采样放大器以及迟滞比较器的分时工作。
时钟控制信号从低电平变为高电平时，所有受控电路开始上电工作；反之，它从高电平变为低电平时，所有受控电路关闭。
一个随机配置模块作为开关控制模块的另外一个输入，用来配置分时工作点，通过不同数值的写入，可以改变CK_duty从低电平变为高电平的第一个跳变沿的时间点，从而控制所有受控电路的开启时间点。
本发明的具体实施方案如图4所示，具体包括：
一个低频振荡器，输出ckl信号，提供1KHz的低频工作时钟。也可以按照功耗等设计要求采用其他低频时钟频率。
一个上电复位模块，提供por_n复位信号，当por_n为低电平时复位逻辑电路里面的触发器(DFF)，时其初始态为0。
一个编程单元，按照成本考虑采用一次编程(OTP)，也可以采用EFUSE方式，EEPROM方式等编程单元。编程单元有10位输出bit<9:0>。编程单元字长也可以根据需要取其他值。
一个一线协议模块，通过整个传感器芯片的输出端进行通信编程，对上述编程单元的10bit字节写入随机值。
一个延迟单元模块，由一组触发器组成。以上述低频振荡器和上电复位信号作为改模块的输入，按照编程单元的10bit数据，产生延迟信号delay。
一个分时控制信号，以上述低频震荡器的输出ckl作为输入，产生一个0.1％占空比的分时控制的开关信号ck_duty，其周期为5Hz，ck_duty为高时表示工作，ck_duty为低时表示不工作。占空比和周期也可以按照设计功耗和性能要求选择其他值。
一个延迟运算单元，通过上述延迟单元和分时控制的输出信号delay，ck_duty作为该模块的输入信号，产生ckd_duty信号。作为上述ck_duty信号的延迟输出来控制整个芯片的唤醒工作和睡眠模式。
一个高频震荡器，用来产生一个1MHz的高频时钟信号，也可以按照设计要求采用其他高频频率输出。该模块受上述延迟单元的输出ckd_duty的控制在唤醒工作和睡眠模式之间切换。
一个控制信号生成器，在上述高频振荡器的输出ckh有效时，生成四相旋转工作时钟组ck_hall，和比较器工作时钟组ck_comp。
一个模拟信号处理模块在上述四相旋转工作时钟组ck_hall和比较器工作时钟组ck_comp以及延迟单元输出信号ckd_duty的协同工作下对采集到的霍尔信号进行放大处理，得到整个芯片的输出。
整个工作过程如下图，当系统电源vcc上电后，首先产生一个por_n信号，低电平有效，对所有逻辑电路进行复位0操作。低频震荡器慢慢开始工作直至稳定输出ckl。此时上述延迟运算单元根据编程单元的设置位bit<9:0>，进行延迟单元和分时控制的处理后产生ckd_duty信号。Ckd_duty信号周期为5Hz，占空比为0.1％，表示高电平占整个ckd_duty时钟信号周期的0.1％。ckd_duty为高电平时整个电路工作在唤醒工作区间，此时高频振荡器，控制信号生产器，模拟信号处理电路都开始工作。时钟工作信号组Ckh，ck_hall，ck_comp都有效。而低电平表示整个电路工作在睡眠模式，睡眠模式下，只有低频振荡器在工作，消耗极低的电流(通常小于100nA)。假设正常工作时，工作电流为1.5mA，那么按照这种分时工作模式，整个芯片的平均功耗大于为1.5mA*0.1％＝1.5uA。
在大规模量产的工厂终测时，通过一线协议对上述编程单元的bit<9:0>按芯片测试次序写入0～1023。这样就使得每颗芯片的ck_duty第一个唤醒工作时间点发生变化，如下图5，当对第一个芯片写入0时，产生的ckd_duty信号的时序如ckd_duty0所示。当对第二个芯片输入1时，ckd_duty1的唤醒时间点相对ckd_duty0做了一个延迟。当对第三个芯片输入2时，ckd_duty2的唤醒时间点相对ck_duty1也做了一个延迟。同理，对后续第四个到第1024个芯片按次序做写入操作，可以对每个芯片分别产生ckd_duty3，ckd_duty4，……ckd_dutyn(其中n＝1023)。当测试第1025个芯片时，对编程单元bit<9:0>再写入0操作，第1026个芯片写入1，以此类推，按照芯片测试顺序分别对测试芯片写入0～1023。
这样每颗芯片相当于随机写入了0～1023个不同的值。也就表示每个芯片的唤醒工作时钟ckd_dutyn(n＝0～1023)的唤醒时间点是随机的。当液位计应用时，通常采用几十甚至上百个该传感器芯片。如果随机从量产芯片中取一百个芯片作为组合来应用到液位计方案中，那么可以近似认为该组一百个芯片的唤醒工作时间点都不一样，这样就不会产生瞬态上电电流，也不会产生瞬态工作电流。实现了在极低的平均功耗下，也限制了瞬态工作电流，使得在工业液位计应用系统中LDO供电的稳定性。
采用了本发明的实现垂直霍尔传感器分时工作的系统，具有特殊时钟控制和工作方式，让采用大量垂直霍尔传感器的液位计应用方案不会产生极大的瞬态功耗。本发明通过独创的垂直霍尔传感器的分时工作方式，不但可以得到极低的平均功耗，而且在类似液位计这种采用大量霍尔磁传感器的应用方案中，也不会产生大的瞬态电流，保证方案系统能够精确工作。
在此说明书中，本发明已参照其特定的实施例作了描述。但是，很显然仍可以作出各种修改和变换而不背离本发明的精神和范围。因此，说明书和附图应被认为是说明性的而非限制性的。
Claims (8)
1.一种实现垂直霍尔传感器分时工作的系统，其特征在于，所述的系统包括垂直霍尔元件、双采样放大器、迟滞比较器、输出模块、高频振荡器模块、低频振荡器模块、上电复位模块、分时开关控制模块，
所述的垂直霍尔元件接收固定的偏置电流，所述的双采样放大器的输入端与垂直霍尔元件的输出端相连接，用于放大和滤波霍尔器件的输出信号，所述的迟滞比较器的输入端与双采样放大器的输出端相连接，所述的输出模块的输入端与迟滞比较器的输出端相连接，用于处理迟滞比较器的输出信号并作为传感器输出；
所述的高频振荡器模块提供所有电路模块的高频工作时钟，所述的分时开关控制模块接收低频振荡器模块的输出时钟和上电复位模块的输出信号，所述的分时开关控制模块的输出时钟控制信号用于分别控制高频振荡器模块、垂直霍尔元件、双采样放大器和迟滞比较器。
2.根据权利要求1所述的实现垂直霍尔传感器分时工作的系统，其特征在于，所述的系统还包括随机配置模块，所述的随机配置模块的输出端与分时开关控制模块的输入端相连接，用于配置分时工作点，通过写入不同数值来改变时钟控制信号从低电平变为高电平的第一个跳变沿的时间点，进而控制所有受控电路的开启时间点。
3.根据权利要求1所述的实现垂直霍尔传感器分时工作的系统，其特征在于，所述的时钟控制信号从低电平变为高电平时，所有电路模块开始上电工作；所述的时钟控制信号从高电平变为低电平时，所有电路模块关闭。
4.根据权利要求1所述的实现垂直霍尔传感器分时工作的系统，其特征在于，所述的系统还包括编程单元和一线协议模块，所述的编程单元的输入端与一线协议模块相连接，所述的一线协议模块通过传感器芯片的输出端进行通信编程，对编程单元写入随机值。
5.根据权利要求4所述的实现垂直霍尔传感器分时工作的系统，其特征在于，所述的系统还包括延迟单元，输入端与低频振荡器模块的输出端、上电复位模块的输出端和编程单元的输出端相连接，由一组触发器组成，按照编程单元的数据产生延迟信号。
6.根据权利要求5所述的实现垂直霍尔传感器分时工作的系统，其特征在于，所述的系统还包括延迟运算单元，输入端与延迟单元的输出端和分时开关控制模块的输出端相连接，用于产生信号延迟输出来控制整个芯片的唤醒工作和睡眠模式。
7.根据权利要求6所述的实现垂直霍尔传感器分时工作的系统，其特征在于，所述的高频振荡器模块的输入端与延迟运算单元的输出端相连接，用于产生高频时钟信号，受延迟运算单元的输出信号的控制在唤醒工作和睡眠模式之间切换。
8.根据权利要求1所述的实现垂直霍尔传感器分时工作的系统，其特征在于，所述的系统还包括控制信号生成器和模拟信号处理模块，所述的控制信号生成器的输入端与高频振荡器模块的输出端相连接，所述的模拟信号处理模块的输入端与控制信号生成器的输出端和延迟运算单元的输出端相连接，所述的控制信号生成器用于在高频振荡器模块的输出信号有效时，生成四相旋转工作时钟组和比较器工作时钟组，所述的模拟信号处理模块在四相旋转工作时钟组、比较器工作时钟组和延迟单元输出信号的协同工作下对采集到的霍尔信号进行放大处理，得到芯片的输出。
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