CN116418344A - 一种用于可穿戴设备的传感器装置及其配置方法 - Google Patents

一种用于可穿戴设备的传感器装置及其配置方法 Download PDF

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CN116418344A CN202211573576.8A CN202211573576A CN116418344A CN 116418344 A CN116418344 A CN 116418344A CN 202211573576 A CN202211573576 A CN 202211573576A CN 116418344 A CN116418344 A CN 116418344A
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Abstract

本申请涉及一种用于可穿戴设备的传感器装置及其配置方法。传感器装置，包括传感器、数据采集模块和处理单元。数据采集模块包括SAR ADC模块和sigma delta ADC模块。SAR ADC模块先对所述传感器的输出信号进行检测，以得到第一输出数值和检测模拟信号；具有跨度为2b的检测范围，且由N比特控制。sigma delta ADC模块接收从所述传感器的输出信号减去SAR ADC的检测模拟信号后所得的残留模拟信号，并进行测量，以得到第二输出数值；以及具有从下调限值‑a1到上调限值+a2之间的检测范围，使得2b/2N或者2b/(2N‑1)<(a1+a2)<2b。第一输出数值和第二输出数值求和作为采样数值。该传感器装置及其配置方法能够提供覆盖环境变化的扩展的动态范围，且能够提供更高的精度。

Description

一种用于可穿戴设备的传感器装置及其配置方法
技术领域
本申请涉及无线通信领域，更具体地，涉及一种用于可穿戴设备的传感器装置及其配置方法。
背景技术
智能可穿戴设备被广泛应用于各种环境，而各种环境则可能具有多变的温度、湿度和器件老化状况等。传感器装置是可穿戴设备的整体构造中重要的一环，目前传感器装置的采集动态范围，有时不能良好地覆盖这些环境变化。由于芯片电路版图设计、芯片电路制造的非理想性，各种电路寄生电容、寄生电阻等的影响，以及电路噪声和其它一些电路非理想特性等，会导致传感器装置检测到的值偏离标称值，导致精度不够。有时传感器装置中的数据采集模块会采用多档设计，由于各档的偏差，对于相同的检测信号，利用不同档进行采集测量甚至会得到不同的检测值。因此，对于用于可穿戴设备的传感器装置的动态范围和精度上存在改进空间。
发明内容
提供了本申请以解决现有技术中存在的上述缺陷。需要一种用于可穿戴设备的传感器装置及其配置方法，其能够提供覆盖环境变化的扩展的动态范围，且能够提供更高的精度。
根据本申请的第一方案，提供了一种用于可穿戴设备的传感器装置，包括传感器、用于采集所述传感器的输出信号的数据采集模块和处理单元。所述数据采集模块包括SARADC模块和sigma delta ADC模块。所述SAR ADC模块配置为：先对所述传感器的输出信号进行检测，以得到第一输出数值和检测模拟信号；以及具有跨度为2b的检测范围，且由N比特控制，其最低有效位对应的变化量为2b/2N或者2b/(2N-1)。所述sigma delta ADC模块配置为：接收从所述传感器的输出信号减去SAR ADC的检测模拟信号后所得的残留模拟信号，并对所述残留模拟信号进行测量，以得到第二输出数值；以及具有从下调限值-a1到上调限值+a2之间的检测范围，使得2b/2N或者2b/(2N-1)<(a1+a2)<2b。所述处理单元配置为：对所述第一输出数值和所述第二输出数值求和，作为所述数据采集模块的采样数值。
根据本申请的第二方案，提供了一种用于可穿戴设备的传感器装置的配置方法。该方法包括如下步骤。可以为所述传感器装置提供传感器、用于采集所述传感器的输出信号的数据采集模块和处理单元。可以为所述数据采集模块提供SAR ADC模块和sigma deltaADC模块。可以为所述SAR ADC模块设置跨度为2b的检测范围和N位寄存器。可以为所述sigma delta ADC模块设置从下调限值-a1到上调限值+a2之间的检测范围，使得2b/2N或者2b/(2N-1)<(a1+a2)<2b。可以利用所述SAR ADC模块先对所述传感器的输出信号进行检测，以得到第一输出数值和检测模拟信号。可以利用所述sigma delta ADC模块接收从所述传感器的输出信号减去SAR ADC的检测模拟信号后所得的残留模拟信号，并对所述残留模拟信号进行测量，以得到第二输出数值。以及，可以利用所述处理单元对所述第一输出数值和所述第二输出数值求和，作为所述数据采集模块的采样数值。
利用本申请各个实施例提供的用于可穿戴设备的传感器装置及其配置方法，其利用SAR ADC模块使得能检测到较大动态范围的传感器输出信号，l利用sigma delta ADC模块提升了能够检测到的传感器输出信号的精度，又经由SAR ADC模块和sigma delta ADC模块的检测范围的协同配合，使得SAR ADC模块的最低有效位对应的变化量能够被sigmadelta ADC模块精确检出，从而在提供覆盖环境变化的扩展动态范围的同时，也能够提供更高的精度。
附图说明
下面将参照附图描述本发明的示例性实施例的特征、优势以及技术和工业意义，其中相同的附图标记表示相同的元件，并且其中：
图1示出根据本申请实施例的用于可穿戴设备的传感器装置的结构概要图；
图2示出根据本申请实施例的用于可穿戴设备的传感器装置的数据采集模块的构造及工作原理的示意图；
图3示出根据本申请实施例的用于可穿戴设备的传感器装置在出厂后实际使用时的处理流程示意图；
图4示出根据本申请实施例的用于可穿戴设备的传感器装置在出厂前进行预先配置的处理流程示意图；以及
图5示出根据本申请实施例的用于可穿戴设备的传感器装置的配置方法的流程示意图。
具体实施方式
为使本领域技术人员更好的理解本申请的技术方案，下面结合附图和具体实施方式对本申请作详细说明。下面结合附图和具体实施例对本申请的实施例作进一步详细描述，但不作为对本申请的限定。
本申请中使用的“第一”、“第二”以及类似的词语并不表示任何顺序、数量或者重要性，而只是用来区分。“包括”或者“包含”等类似的词语意指在该词前的要素涵盖在该词后列举的要素，并不排除也涵盖其他要素的可能。在附图中的箭头并不用于限定箭头所连接的步骤的执行顺序，各个实施例中步骤的执行顺序也可以用不同于箭头所示的其他顺序来执行，只要使得各个步骤逻辑上不产生矛盾即可。
图1示出根据本申请实施例的用于可穿戴设备的传感器装置的结构概要图。如图1所示，该传感器装置100包括传感器101、用于采集所述传感器的输出信号的数据采集模块103和处理单元102。
该可穿戴设备包括但不限于智能手表、智能手环、智能耳机、智能眼镜、智能首饰、便携式的智能生理监护设备等，其中采用传感器101来采集各种所需的信号。具体说来，所述传感器101可以包括电容检测传感器、光电检测传感器、声学检测传感器、电阻检测传感器、温度检测传感器和生理参数检测传感器中的任何一种。
例如，对于智能耳机来说，传感器101可以包括电容检测传感器，其检测的是电容且输出信号表征电容值，可以应用于耳机的出入耳检测，单击、双击、长按、滑动等操作检测等等。对于电容检测传感器来说，其检测到的电容受到电路走线(比如传感器101与数据采集模块103的电路连线)，传感器101的周边器件与传感器101的相互位置，传感器101周边器件的形状、大小、导电率等的影响。对于可穿戴设备处于整机状态，比如智能耳机、智能手表等处于整机状态，上述的种种影响与可穿戴设备被用户使用时的状态一致。本文中所谓的“可穿戴设备”处于“整机状态”及该状态下的“参考输出信号”旨在表示作为整机的可穿戴设备在工厂校准阶段(内部安装好了传感器101)被使用但不存在传感器101的前景输入(例如没有触发信号)的情况下的输出信号。
对于电容检测传感器和智能耳机而言，智能耳机出厂校准阶段电容检测传感器周边几厘米内(1cm、2cm等)除了智能耳机本身自带的器件外没有其他导体或电容存在时，该电容检测传感器输出的信号可以作为“参考输出信号”。或者，智能耳机在整机状态，且耳机周边环境比如其它导体或电容保持不变时，该电容检测传感器输出的信号可以作为“参考输出信号”。进一步地，随着温度、湿度、器件老化以及周边的物体发生变化(例如手指、皮肤等接近或贴近)，会引起电容变化。前景输入是与背景输入相对而言的，对于电容检测传感器来说，表示除了智能耳机的整机状态下的内部电气元件布局构造以外没有引入其他环境变化因素。
又例如，对于智能眼镜或智能手表来说，传感器101可以包括光电检测传感器，诸如PPG(光电容积描记术)传感器，其检测的是光信号且输出信号是PPG信号。PPG传感器的输出信号也受其周边器件形状、质地、大小、位置等的影响，整机状态时，其周边器件的影响与用户使用该智能眼镜或智能手表时一致。对于PPG传感器而言，智能眼镜或智能手表在工厂校准阶段作为整机被用户使用但只有环境光而没有来自主动光源的入光时的PPG信号即为“参考输出信号”。类似地，随着温度、湿度、器件老化以及周边的物体发生变化，也会引起PPG信号的变化。对于PPG传感器来说，前景输入表示在智能眼镜或智能手表的整机状态下只有环境光输入而没有其他主动光源输入。
对于不同款的、不同个体的可穿戴设备，传感器101的输出信号可能会产生大范围的动态变化。回到图1，所述数据采集模块103包括SAR ADC模块104和sigma delta ADC模块105。所述SAR ADC模块104配置为先对所述传感器101的输出信号进行检测，以得到第一输出数值(参见图2)和检测模拟信号；sigma delta ADC模块105则配置为接收从所述传感器101的输出信号减去SAR ADC模块104的检测模拟信号后所得的残留模拟信号，并对所述残留模拟信号进行测量，以得到第二输出数值(参见图2)。所述处理单元102配置为：对所述第一输出数值和所述第二输出数值求和，作为所述数据采集模块103的采样数值。
SAR ADC模块104即逐次逼近寄存器型(SAR)模拟数字转换器(ADC)，通常应用于采样速率低于5Msps的中等至高分辨率应用。SAR ADC模块104的分辨率一般为8位至16位，具有低功耗、小尺寸等特点。
SAR ADC模块104可以采用多种方式来实现，参考图2对其基本结构进行简单说明。该SAR ADC模块104可以包括N位寄存器及控制电路104b、比较器104c和N位DAC 104a，所述N位DAC 104a配置为输出在所述N位寄存器的当前比特配置下的检测模拟信号，所述比较器104c配置为对所述检测模拟信号与所述传感器101的输出信号进行比较，所述N位寄存器根据所述比较器104c的比较结果来改变所述N位寄存器的当前比特配置。具体说来，来自传感器101的输出信号，也就是SAR ADC模块104的模拟输入电压(VIN)由采样/保持电路保持。例如，为实现二进制搜索算法，N位寄存器首先设置在中间刻度(即最高有效位MSB设置为1)。这样，N位DAC 104a的输出，即检测模拟信号VDAC被设为VREF/2，VREF是提供给ADC的基准电压。然后，由比较器104c比较判断VIN是小于还是大于VDAC。如果VIN大于VDAC，则比较器104c输出逻辑高电平或1，N位寄存器的MSB保持为1。相反，如果VIN小于VDAC，则比较器104c输出逻辑低电平，N位寄存器的MSB清0。随后，控制电路移至下一位，并将该位设置为高电平，进行下一次比较。这个过程一直持续到最低有效位LSB。上述操作结束后，也就完成了SAR ADC模块104对所述传感器101的输出信号的检测(模数转换)，N位转换结果储存在N位寄存器内，并得到了第一输出数值(参见图2)和最终的检测模拟信号。
sigma delta ADC模块105也称为Δ-Σ模数转换器，其硬件构造包含积分器、比较器和1位或多位(比如3位，5位)数模转换器(DAC)，这些构件按序排列在一个负反馈循环中。以数模转换器(DAC)为单比特为例，将输入信号和取反的DAC输出相加馈入积分器电路。积分器的输出是一个斜坡信号，该信号的斜率与积分器的输入信号的幅度成正比。积分器输出与比较器参考信号进行比较，产生0或1。比较器的二进制输出基于ADC过采样时钟送入数字抽取滤波器。每个位代表积分的斜坡输出相对于比较器参考的方向，多次循环之后，位流代表输入信号的量化数值。实际上，反馈循环让DAC的平均输出匹配输入信号，而数字抽取滤波器将位流进行平均，输出期望采样速率下的n位采样。
所述处理单元102可以实现为微型处理器，诸如SOC、DSP等，也可以实现为硬件处理电路，诸如ASIC、FPGA等。
所述SAR ADC模块104配置为具有跨度为2b的检测范围，且由N比特控制，其最低有效位对应的变化量为2b/2N或者2b/(2N-1)；所述sigma delta ADC模块105配置为具有从下调限值-a1到上调限值+a2之间的检测范围，使得2b/2N或者2b/(2N-1)<(a1+a2)<2b。在一些实施例中，所述sigma delta ADC模块105的检测范围可以是对称的，也就是[-a1,+a1]。
如此，可以先利用由N比特控制(也就是配备N位寄存器)的SAR ADC模块104进行检测以得到第一输出数值，使得能检测到的传感器101的输出信号有较大的动态范围，再用检测精度更高的sigma delta ADC模块105对残留模拟信号进行检测以得到对所述第一输出数值进行上调或者下调的第二输出数值。将所述sigma delta ADC模块105配置为具有从下调限值-a1到上调限值+a2之间的检测范围，使得2b/2N或者2b/(2N-1)<(a1+a2)<2b，可以对所述第一输出数值进行上调或者下调，而且使得最低有效位对应的变化量落在所述sigmadelta ADC模块105的上调/下调范围内，实现了所述sigma delta ADC模块105对所述SARADC模块104的检测偏差的有效弥补，从而使得数据采集模块103兼具低功耗、较大动态范围和高精度。
在一些实施例中，所述SAR ADC模块104预先配置有至少第一档，所述第一档设定有第一输出数值。也就是说，第一档可以在出厂前预先配置好，使得在整机状态下使用时可以直接启用第一档，并直接获取设定的第一输出数值，而无需重复SAR ADC模块104的测量过程。再用检测精度更高的sigma delta ADC模块105对残留模拟信号进行检测。数据采集模块103的误差主要由SAR ADC模块104导致，由于芯片电路版图设计、芯片电路制造的非理想性，以及各种电路寄生电容，寄生电阻等的影响，电路噪声，以及其它一些电路非理想特性，SAR ADC模块104的各档的检测值与其标称值有误差，其N位寄存器的配置对应N位的二进制数，每增减一个1，虽然其标称值增减相同的一个单位，但其实际得到的模拟检测信号增加的量却可能存在误差，而通过设置第一档并通过第一档的预先配置减少该档位的固定误差，利用检测范围设置为2b/2N或者2b/(2N-1)<(a1+a2)<2b的高精度的sigma delta ADC模块105，以高精度检出扣除固定误差后的传感器101的输出信号，从而可以提升数据采集速度、降低功耗并保持较高的精度。
在一些实施例中，将所述传感器装置100配置于所述可穿戴设备以处于整机状态，从而输出参考输出信号。对于该传感器101的该参考输出信号，为所述第一档配置所述N位寄存器使得残留模拟信号小于阈值(例如但不限于最小，或者在多档情况下比其他档的残留模拟信号都更小)，并利用所述sigma delta ADC模块105测量该残留模拟信号，以得到所述第一档的设定第一输出数值和设定第二输出数值。该处理也可以称为对第一档的出厂前的校准，校准后在出厂后就可以直接使用了。如此，可以使得最终输出数值适应于传感器101的不同参考输出信号(其可能随着整机状态下的电气构造的变化而变化)，从而使数据采集模块103具有尽可能大的动态范围，使得预先配置好的第一档能够灵活且针对性地应对不同款的、不同个体的可穿戴设备的整机状态下传感器101的输出信号由于各种原因产生的大范围的动态变化。同时，使得同一整机状态下的可穿戴设备其传感器101的残留模拟信号尽量落在高精度的sigma delta ADC模块105的检测范围或量程内，而尽量避免其截顶或饱和。
作为示例，可以仅仅为所述SAR ADC模块104设置第一档，也仅仅需要对第一档进行预先配置，但不限于此。
在一些实施例中，所述SAR ADC模块104还预先配置其他档以便在佩戴使用可穿戴设备时选择启用，所述第一档和其他档在预先配置中可以各自设定有不同的第一输出数值。对于传感器101的同样的参考输出信号，使用所述第一档时比使用其他档时所述sigmadelta ADC模块105的第二输出数值更小，所述参考输出信号为在工厂校准时所述传感器装置配置于所述可穿戴设备以处于整机状态的输出信号。如此，旨在让第一档作为实际使用时的主要档以确保较大的动态范围，其他档的最终输出数值则旨在基于第一档进行增减调节，以进一步扩大动态范围。
进一步说来，在出厂前，在可穿戴设备的整机状态下，传感器101具有同样的参考输出信号的测试环境中，测量了第一档的最终输出数值和其他档的最终输出数值。发现对于同样的参考输出信号，不同档之间存在测量误差。可以在第一档和其他档的预先配置(预先校准)的过程中，记录其他档相对于所述第一档的测量误差，并作为其他档相对于所述第一档的采样数值的校准值存储在存储单元106中。
相应地，如图3所示，所述处理单元102可以进一步配置为确定启用的档是否其他档(步骤301)。如果是，在步骤302，在采样数值的基础上以校准值进行校准，以校准后的采样数值作为所述数据采集模块的最终采样数值。如果否，则在步骤302，直接以采样数值不经校准而作为最终采样数值。如此，可以利用在测试环境中基于传感器101的同样的参考输出信号来测量出启用不同档的采样数值之间存在的固有误差。因为在测试环境中，可穿戴设备处于整机状态，传感器装置103的机械电学环境与实际使用时基本相同，所测得的固有误差模拟了实际使用环境中启用不同档会导致的固定误差，从而消除了该固定误差，使得不同档的采样数值保持一致，且以主要档位-第一档的采样数值作为参考值。
所述第一档和所述其他档的预先配置仅在出厂前执行。在一些实施例中，各个其他档的设定第一输出数值与所述第一档的设定第一输出数值的差异不超过所述sigmadelta ADC模块105的检测范围。也就是说，各个其他档的设定第一输出数值可以在第一档的动态变化范围的基础上尽量扩展，但扩展范围要保持落在sigma delta ADC模块105的检测范围内，以确保改变档位后的残留模拟信号的变化落在sigma delta ADC模块105的检测范围内，从而以高精度检出，以确保检测的精度。
对于预先配置好的第一档和其他档，所述N位寄存器各自有不同的设定比特配置，以使得第一档和其它档相应具有不同的设定第一输出数值。
如图4所示，所述第一档和所述其他档的预先配置通过如下步骤来执行。在步骤401，将所述传感器装置配置于所述可穿戴设备以处于整机状态，从而输出参考输出信号。在步骤402，对于传感器的同样的参考输出信号，为所述第一档配置所述N位寄存器使得残留模拟信号小于阈值(例如最小)，并利用所述sigma delta ADC模块测量该残留模拟信号，以得到所述第一档的设定第一输出数值和设定第二输出数值。在一些实施例中，在步骤402，在所述可穿戴设备处于整机状态且在工厂校准时，可以由处理单元选择所述SAR ADC模块的一档，使得该档下残留模拟信号最小(例如如果有多档则比其他档下的残留模拟信号都小)，以该档作为所述第一档。
在步骤403，对于传感器的同样的参考输出信号，为其他档配置所述N位寄存器使得残留模拟信号的数值与所述第一档的差异小于(a1+a2)/2且大于(a1+a2)/4，并利用所述sigma delta ADC模块测量该残留模拟信号，以得到所述其他档的设定第一输出数值和设定第二输出数值。如果所述sigma delta ADC模块具有对称的检测范围[-a1,a1]，则该差异小于a1且大于a1/2。
对于传感器的同样的参考输出信号，通过使得其他档的残留模拟信号的数值与所述第一档的差异小于(a1+a2)/2且大于(a1+a2)/4，既显著扩大了数据采集模块103的动态范围，动态范围扩大超过(a1+a2)/4(如果a1＝a2则动态范围扩大超过a1/2)，同时通过使得改变档位后的残留模拟信号依然落在sigma delta ADC模块的检测范围内(差异小于(a1+a2)/2)，使得残留模拟信号能够被sigma delta ADC模块105精确检测，而不会截顶或饱和，从而确保了检测精度。
在一些实施例中，所述其他档包括设定第一输出数值分别小于和大于所述第一档的设定第一输出数值的第二档和第三档。下面以第二档低于第一档且第三档高于第一档的档位设置来举例说明。
例如，可以在测试环境下以相同的参考输出信号先对SAR ADC模块的第一档进行校准，得到第一档的设定第一输出数值120，使得残留模拟信号最小也就是使得设定第二输出数值的读数最小。
第一档的设定第一输出数值可以为120，如果所述sigma delta ADC模块的检测范围为[-10,+10]，则第二档的设定第一输出数值为111(即120-9)而第三档的设定第一输出数值为129(即120+9，9<10)，使得第二档和第三档在第一档的基础上尽量扩大动态范围但与之的差距又不超出sigma delta ADC模块的检测范围以确保检测精度。
在出厂前，可以在测试环境中，利用传感器的相同的参考输出信号，对第一档、第二档和第三档都进行预先配置，分别设定第一输出数值为120、111和129，用各档都测量一下，得出各档的采集数值，并对各档的采集数值进行比较来进行预先校准，可以以第一档为基准进行校准，记录第二档和第三档相较第一档的校准值，并在实际使用时启用第二档和第三档时以该校准值进行校准，使得各档之间读数偏差基本保持一致。
具体说来，在三档中，对于第一档，可以从高比特到低比特配置SAR ADC模块的N比特，使经SAR ADC模块检测后剩余的传感器输出信号(也就是残留模拟信号)最小，从而配置好寄存器比特，并在寄存器的该比特配置下，利用sigma delta ADC模块检测剩余传感器输出信号，从而完成预先校准。
对于第二档，可以配置SAR ADC模块的寄存器的N比特，使第二档与第一档对于传感器的同一参考输出信号，剩余传感器输出信号的差异小于10，且大于5(10/2)。具体说来，在配置第二档的寄存器的N比特时，可以在第一档的N比特设置基础上，根据第二档的设定第一输出数值相较所述第一档的设定第一输出数值的调节值，例如-9，与所述N位寄存器的比特配置之间的预定关系，来进行调整。对于第三档的预先校准类似，在此不赘述。
在实际使用时，所述处理单元可以进一步配置为：在所述可穿戴设备出厂后被佩戴使用时，遍历尝试所述SAR ADC模块的第一档和经校准的其他档使得残留模拟信号最小的档被启用。如果启用了第一档，则第一输出数值采用所述第一档的设定第一输出数值，如上的第一档、第二档和第三档的设定第一输出数值为120、111和129的情况下，第一输出数值就直接采用120。
在一些实施例中，所述处理单元可以进一步配置为：在确定了所述SAR ADC模块要启用的档的情况下，判定该档下所述sigma delta ADC模块105的第二输出数值是否接近其检测范围的下调限值-a1(例如-10)或者上调限值+a2(+10)，如果接近下调限值-a1则下调一档作为启用档，如果接近上调限值+a2则上调一档作为启用档。如此，可以尽量避开使用所述sigma delta ADC模块105的检测范围的上下限附近范围，使得尽量使用所述sigmadelta ADC模块105的检测范围的中部，从而提升精度。
在一些实施例中，所述传感器装置至少包括检测通道和参考通道，所述参考通道提供所述参考输出信号而不受所述传感器装置的使用状态的影响，所述检测通道响应于所述传感器装置的使用状态的变化而提供变化的输出信号。所述数据采集模块进一步配置为：以分时交替的方式，以所述SAR ADC模块的相同档采集检测通道和参考通道的输出信号，从而得到检测通道的采样数值和所述参考通道的采样数值；从检测通道的采样数值减去所述参考通道的采样数值，以得到最终的采样数值。
所述检测通道和参考通道是成对的，这一对通道，采用SAR ADC模块的同一个档位，利用检测通道-参考通道的差值做传感器信号检测。比如电容传感器，一个通道的传感器会随着用户手指、肌肤等接近或贴近而电容增大，可以称之为检测通道；另一个通道则不会或几乎不会随着用户手指、肌肤等接近或贴近而电容增大，这个通道就是参考通道。再比如PPG传感器，检测通道可以接收发射主动光源时的检测到的PPG信号，参考通道可以接收环境光照明时的PPG信号。调整SAR ADC模块的档位时，两个通道调整成同一档位，这样利用检测通道-参考通道的差值做传感器信号检测，可以抵消不同档位的SAR ADC模块的标称值与实际值的误差。
图5示出根据本申请实施例的用于可穿戴设备的传感器装置的配置方法的流程示意图。如图5所示，该配置方法可以包括如下步骤。
在步骤501，为所述传感器装置提供传感器、用于采集所述传感器的输出信号的数据采集模块和处理单元。
在步骤502，为所述数据采集模块提供SAR ADC模块和sigma delta ADC模块。
在步骤503，为所述SAR ADC模块设置跨度为2b的检测范围和N位寄存器。
在步骤504，为所述sigma delta ADC模块105设置从下调限值-a1到上调限值+a2之间的检测范围，使得2b/2N或者2b/(2N-1)<(a1+a2)<2b。
在步骤505，利用所述SAR ADC模块先对所述传感器的输出信号进行检测，以得到第一输出数值和检测模拟信号。
在步骤506，利用所述sigma delta ADC模块105接收从所述传感器的输出信号减去SAR ADC模块的检测模拟信号后所得的残留模拟信号，并对所述残留模拟信号进行测量，以得到第二输出数值。
以及，在步骤507，可以利用所述处理单元对所述第一输出数值和所述第二输出数值求和，作为所述数据采集模块的采样数值。
利用这样的配置方法，可以先利用由N比特控制(也就是配备N位寄存器)的SARADC模块进行检测以得到第一输出数值，使得能检测到的传感器的输出信号有较大的动态范围，再用检测精度更高的sigma delta ADC模块对残留模拟信号进行检测以得到对所述第一输出数值进行上调或者下调的第二输出数值。将所述sigma delta ADC模块配置为具有从下调限值-a1到上调限值+a2之间的检测范围，使得2b/2N或者2b/(2N-1)<(a1+a2)<2b，可以对所述第一输出数值进行上调或者下调，而且使得最低有效位对应的变化量落在所述sigma delta ADC模块的上调/下调范围内，实现了所述sigma delta ADC模块对所述SARADC模块的检测偏差的有效弥补，从而使得数据采集模块兼具低功耗、较大动态范围和高精度。
在一些实施例中，所述配置方法还包括：为所述SAR ADC模块提供设定有第一输出数值的至少第一档；以及在出厂前对所述第一档通过如下步骤进行预先配置：将所述传感器装置配置于所述可穿戴设备以处于整机状态，从而输出参考输出信号；对于传感器的同样的参考输出信号，为所述第一档配置所述N位寄存器使得残留模拟信号小于阈值，并利用所述sigma delta ADC模块测量该残留模拟信号，以得到所述第一档的设定第一输出数值和设定第二输出数值。该处理也可以称为对第一档的出厂前的校准，校准后在出厂后就可以直接使用了。如此，可以使得最终输出数值适应于传感器的不同的参考输出信号(其随着不同个体不同型号的不同整机状态会发生变化)，从而数据采集模块具有尽可能大的动态范围，使得预先配置好的第一档能够灵活且针对性地应对不同款的、不同个体的可穿戴设备的整机状态下，传感器的输出信号由于各种原因产生的大范围的动态变化。同时，使得同一整机状态下的可穿戴设备的传感器的残留模拟信号尽量落在高精度的sigma delta ADC模块的检测范围或量程内，而尽量避免其截顶或饱和。
在一些实施例中，所述配置方法还包括为所述SAR ADC模块提供设定有不同的第一输出数值的其他档。以及，可以在出厂前对所述其他档通过如下步骤进行预先配置：对于传感器的同样的参考输出信号，为其他档配置所述N位寄存器使得残留模拟信号的数值与所述第一档的差异小于(a1+a2)/2且大于(a1+a2)/4，并利用所述sigma delta ADC模块测量该残留模拟信号，以得到所述其他档的设定第一输出数值和设定第二输出数值。对于传感器的同样的参考输出信号，通过使得其他档的残留模拟信号的数值与所述第一档的差异小于(a1+a2)/2且大于(a1+a2)/4，显著扩大了数据采集模块的动态范围，高精度的动态范围扩大超过(a1+a2)/4，如果a1＝a2则动态范围扩大超过a1/2，同时由保持落在所述sigmadelta ADC模块的检测范围内，而尽量避免其截顶或饱和。
在一些实施例中，所述配置方法还包括在出厂前对所述第一档和其他档进行预先配置，使得满足各个其他档的设定第一输出数值与所述第一档的设定第一输出数值的差异不超出所述sigma delta ADC模块的检测范围。如此，可以在整机状态的可穿戴设备实际使用时，使得改变档位后的残留模拟信号依然尽量落在sigma delta ADC模块的检测范围内，能够被sigma delta ADC模块精确检测，而不会截顶或饱和，从而确保了检测精度。
在一些实施例中，该预先配置具体可以设置三档，除了第一档，还有设定第一输出数值分别小于和大于所述第一档的设定第一输出数值的第二档和第三档。也就是第二档和第三档的设定第一输出数值分居第一档的设定第一输出数值两侧。例如，可以在测试环境下以相同的参考输出信号先对SAR ADC模块的第一档进行校准，得到第一档的设定第一输出数值120，使得残留模拟信号最小也就是使得设定第二输出数值的读数最小。
第一档的设定第一输出数值可以为120，如果所述sigma delta ADC模块的检测范围为[-10,+10]，则第二档的设定第一输出数值为111而第三档的设定第一输出数值为129，使得第二档和第三档在第一档的基础上尽量扩大动态范围但与之的差距又不超出sigmadelta ADC模块的检测范围以确保检测精度。
在一些实施例中，所述配置方法还包括：预先存储所述其他档相对于所述第一档的采样数值的校准值；在出厂后使用时，利用所述处理单元确定启用的档是否其他档，如果是，在采样数值的基础上以校准值进行校准，校准后的采样数值作为所述数据采集模块的最终采样数值。具体说来，对于所述SAR ADC模块来说，如果启用的档是合适档，那么误差就比较小，如果启用了不合适的档误差就会比较大。在出厂前，在可穿戴设备的同个整机状态下，传感器具有参考输出信号的测试环境中，测量了第一档的最终输出数值和其他档的最终输出数值。发现对于该参考输出信号，不同档之间存在测量误差。可以在第一档和其他档的预先配置(预先校准)的过程中，记录其他档相对于所述第一档的测量误差，并作为其他档相对于所述第一档的采样数值的校准值预先存储。相应地，在实际使用时，可以确定启用的档是否其他档。如果是，在采样数值的基础上以校准值进行校准，以校准后的采样数值作为所述数据采集模块的最终采样数值。如果否，则直接以采样数值不经校准而作为最终采样数值。如此，可以利用在测试环境中基于传感器的参考输出信号来测量出启用不同档的采样数值之间存在的固有误差。因为在测试环境中，可穿戴设备处于整机状态，传感器装置的机械电学环境与实际使用时基本相同，所测得的固有误差模拟了实际使用环境中启用不同档会导致的固定误差，从而消除了该固定误差，使得不同档的采样数值保持一致，且以主要档位-第一档的采样数值作为参考值。
在一些实施例中，所述配置方法还包括：利用所述处理单元，在确定了所述SARADC模块要启用的档的情况下，判定该档下所述sigma delta ADC模块的第二输出数值是否接近其检测范围的下调限值-a1或者上调限值+a2，如果接近下调限值-a1则下调一档作为启用档，如果接近上调限值+a2则上调一档作为启用档。如此，可以尽量避开使用所述sigmadelta ADC模块105的检测范围的上下限附近范围，使得尽量使用所述sigma delta ADC模块105的检测范围的中部，从而提升精度。
根据本申请各个实施例结合装置和设备描述的处理过程的各个步骤也可以独立地或者组合地结合于此，作为配置方法的实施例，在此不赘述。
此外，尽管已经在本文中描述了示例性实施例，其范围包括任何和所有基于本申请的具有等同元件、修改、省略、组合(例如，各种实施例交叉的方案)、改编或改变的实施例。权利要求书中的元件将被基于权利要求中采用的语言宽泛地解释，并不限于在本说明书中或本申请的实施期间所描述的示例，其示例将被解释为非排他性的。因此，本说明书和示例旨在仅被认为是示例，真正的范围和精神由以下权利要求以及其等同物的全部范围所指示。
以上描述旨在是说明性的而不是限制性的。例如，上述示例(或其一个或更多方案)可以彼此组合使用。例如本领域普通技术人员在阅读上述描述时可以使用其它实施例。另外，在上述具体实施方式中，各种特征可以被分组在一起以简单化本申请。这不应解释为一种不要求保护的申请的特征对于任一权利要求是必要的意图。相反，本申请的主题可以少于特定的申请的实施例的全部特征。从而，权利要求书作为示例或实施例在此并入具体实施方式中，其中每个权利要求独立地作为单独的实施例，并且考虑这些实施例可以以各种组合或排列彼此组合。本发明的范围应参照所附权利要求以及这些权利要求赋权的等同形式的全部范围来确定。
以上实施例仅为本申请的示例性实施例，不用于限制本发明，本发明的保护范围由权利要求书限定。本领域技术人员可以在本申请的实质和保护范围内，对本发明做出各种修改或等同替换，这种修改或等同替换也应视为落在本发明的保护范围内。

Claims (20)

1.一种用于可穿戴设备的传感器装置，包括传感器、用于采集所述传感器的输出信号的数据采集模块和处理单元，其特征在于，
所述数据采集模块包括SAR ADC模块和sigma delta ADC模块，
所述SAR ADC模块配置为：
先对所述传感器的输出信号进行检测，以得到第一输出数值和检测模拟信号；以及
具有跨度为2b的检测范围，且由N比特控制，其最低有效位对应的变化量为2b/2N或者2b/(2N-1)；
所述sigma delta ADC模块配置为：
接收从所述传感器的输出信号减去SAR ADC的检测模拟信号后所得的残留模拟信号，并对所述残留模拟信号进行测量，以得到第二输出数值；以及
具有从下调限值-a1到上调限值+a2之间的检测范围，使得2b/2N或者2b/(2N-1)<(a1+a2)<2b，
所述处理单元配置为：对所述第一输出数值和所述第二输出数值求和，作为所述数据采集模块的采样数值。
2.根据权利要求1所述的传感器装置，其特征在于，所述SAR ADC模块预先配置有至少第一档，所述第一档设定有第一输出数值。
3.根据权利要求2所述的传感器装置，其特征在于，所述SAR ADC模块还预先配置其他档以便在佩戴使用可穿戴设备时选择启用，所述第一档和其他档各自设定有不同的第一输出数值，
对于传感器的同样的参考输出信号，使用所述第一档时比使用其他档时所述sigmadelta ADC模块的第二输出数值更小，所述参考输出信号为所述传感器装置配置于所述可穿戴设备以处于整机状态的输出信号。
4.根据权利要求3所述的传感器装置，其特征在于，还包括存储单元，所述存储单元预先存储有其他档相对于所述第一档的采样数值的校准值，
所述处理单元配置为：确定启用的档是否其他档，如果是，在采样数值的基础上以校准值进行校准，校准后的采样数值作为所述数据采集模块的最终采样数值。
5.根据权利要求3所述的传感器装置，其特征在于，各个其他档的设定第一输出数值与所述第一档的设定第一输出数值的差异不超过所述sigma delta ADC模块的检测范围。
6.根据权利要求3所述的传感器装置，其特征在于，所述第一档和所述其他档的预先配置仅在出厂前执行。
7.根据权利要求3所述的传感器装置，其特征在于，所述SAR ADC模块具体包括N位寄存器及控制电路、比较器和N位DAC，所述N位DAC配置为输出在所述N位寄存器的当前比特配置下的检测模拟信号，所述比较器配置为对所述检测模拟信号与所述传感器的输出信号进行比较，所述N位寄存器根据所述比较器的比较结果来改变所述N位寄存器的当前比特配置，
其中，对于预先配置好的第一档和其他档，所述N位寄存器各自有不同的设定比特配置。
8.根据权利要求7所述的传感器装置，其特征在于，所述其他档包括设定第一输出数值分别小于和大于所述第一档的设定第一输出数值的第二档和第三档。
9.根据权利要求7所述的传感器装置，其特征在于，所述第一档和所述其他档的预先配置通过如下步骤来执行：
将所述传感器装置配置于所述可穿戴设备以处于整机状态，从而输出参考输出信号；
对于传感器的同样的参考输出信号，为所述第一档配置所述N位寄存器使得残留模拟信号小于阈值，并利用所述sigma delta ADC模块测量该残留模拟信号，以得到所述第一档的设定第一输出数值和设定第二输出数值；
对于传感器的同样的参考输出信号，为其他档配置所述N位寄存器使得残留模拟信号的数值与所述第一档的差异小于(a1+a2)/2且大于(a1+a2)/4，并利用所述sigma deltaADC模块测量该残留模拟信号，以得到所述其他档的设定第一输出数值和设定第二输出数值。
10.根据权利要求9所述的传感器装置，其特征在于，为其他档配置所述N位寄存器具体包括：在所述第一档的所述N位寄存器的比特配置的基础上，结合其他档相较所述第一档的设定第一输出数值的调节值与所述N位寄存器的比特配置之间的预定关系，进行调整以得到其他档的N位寄存器的比特配置。
11.根据权利要求2所述的传感器装置，其特征在于，所述处理单元进一步配置为：在所述可穿戴设备处于整机状态且在工厂校准时，选择所述SAR ADC模块的一档，使得该档下残留模拟信号最小且作为所述第一档。
12.根据权利要求10所述的传感器装置，其特征在于，所述处理单元进一步配置为：在确定了所述SAR ADC模块要启用的档的情况下，判定该档下所述sigma delta ADC模块的第二输出数值是否接近其检测范围的下调限值-a1或者上调限值+a2，如果接近下调限值-a1则下调一档作为启用档，如果接近上调限值+a2则上调一档作为启用档。
13.根据权利要求1-12中任何一项所述的传感器装置，其特征在于，所述传感器装置至少包括检测通道和参考通道，所述参考通道提供所述参考输出信号而不受所述传感器装置的使用状态的影响，所述检测通道响应于所述传感器装置的使用状态的变化而提供变化的输出信号，
所述数据采集模块进一步配置为：以分时交替的方式，以所述SAR ADC模块的相同档采集检测通道和参考通道的输出信号，从而得到检测通道的采样数值和所述参考通道的采样数值；从检测通道的采样数值减去所述参考通道的采样数值，以得到最终的采样数值。
14.根据权利要求1-12中任何一项所述的传感器装置，其特征在于，所述传感器包括电容检测传感器、光电检测传感器、声学检测传感器、电阻检测传感器、温度检测传感器和生理参数检测传感器中的任何一种。
15.一种用于可穿戴设备的传感器装置的配置方法，其特征在于，包括如下步骤：
为所述传感器装置提供传感器、用于采集所述传感器的输出信号的数据采集模块和处理单元；
为所述数据采集模块提供SAR ADC模块和sigma delta ADC模块；
为所述SAR ADC模块设置跨度为2b的检测范围和N位寄存器；
为所述sigma delta ADC模块设置从下调限值-a1到上调限值+a2之间的检测范围，使得2b/2N或者2b/(2N-1)<(a1+a2)<2b；
利用所述SAR ADC模块先对所述传感器的输出信号进行检测，以得到第一输出数值和检测模拟信号；
利用所述sigma delta ADC模块接收从所述传感器的输出信号减去SAR ADC的检测模拟信号后所得的残留模拟信号，并对所述残留模拟信号进行测量，以得到第二输出数值；以及
利用所述处理单元对所述第一输出数值和所述第二输出数值求和，作为所述数据采集模块的采样数值。
16.根据权利要求15所述的配置方法，其特征在于，还包括：
为所述SAR ADC模块提供设定有第一输出数值的至少第一档；以及
在出厂前对所述第一档通过如下步骤进行预先配置：
将所述传感器装置配置于所述可穿戴设备以处于整机状态，从而输出参考输出信号；
对于传感器的同样的参考输出信号，为所述第一档配置所述N位寄存器使得残留模拟信号小于阈值，并利用所述sigma delta ADC模块测量该残留模拟信号，以得到所述第一档的设定第一输出数值和设定第二输出数值。
17.根据权利要求16所述的配置方法，其特征在于，还包括：
为所述SAR ADC模块提供设定有不同的第一输出数值的其他档；以及
在出厂前对所述其他档通过如下步骤进行预先配置：
对于传感器的同样的参考输出信号，为其他档配置所述N位寄存器使得残留模拟信号的数值与所述第一档的差异小于(a1+a2)/2且大于(a1+a2)/4，并利用所述sigma deltaADC模块测量该残留模拟信号，以得到所述其他档的设定第一输出数值和设定第二输出数值。
18.根据权利要求16所述的配置方法，其特征在于，还包括：
预先存储所述其他档相对于所述第一档的采样数值的校准值；
在出厂后使用时，利用所述处理单元确定启用的档是否其他档，如果是，在采样数值的基础上以校准值进行校准，校准后的采样数值作为所述数据采集模块的最终采样数值。
19.根据权利要求17所述的配置方法，其特征在于，还包括在出厂前对所述第一档和其他档进行预先配置，使得满足如下至少一个条件：
各个其他档的设定第一输出数值与所述第一档的设定第一输出数值的差异不超出所述sigma delta ADC模块的检测范围；
所述其他档包括设定第一输出数值分别小于和大于所述第一档的设定第一输出数值的第二档和第三档。
20.根据权利要求17所述的配置方法，其特征在于，还包括：
利用所述处理单元，在确定了所述SAR ADC模块要启用的档的情况下，判定该档下所述sigma delta ADC模块的第二输出数值是否接近其检测范围的下调限值-a1或者上调限值+a2，如果接近下调限值-a1则下调一档作为启用档，如果接近上调限值+a2则上调一档作为启用档。
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