CN219145386U - 一种用于传感器的信号传输电路、传感装置及交互系统 - Google Patents

Abstract

本申请实施例属于传感器技术领域，涉及一种用于传感器的信号传输电路，包括：控制器和N个触发器,其中N为大于等于2的整数；N个触发器依序级联；控制器的数据信号输出引脚与N个触发器中的第一触发器的数据信号输入引脚连接；控制器的CS信号输出引脚分别与N个触发器的时钟信号输入引脚连接；每个触发器的信号输出引脚与一传感器的片选信号输入引脚连接。本申请还涉及一种传感装置/交互系统。本申请提供的技术方案通过将触发器作为控制器的扩展接口与传感器连接，可以使得传感器布局更加灵活。

Description

一种用于传感器的信号传输电路、传感装置及交互系统

技术领域

本申请涉及传感器技术领域，特别是涉及一种用于传感器的信号传输电路、传感装置及交互系统。

背景技术

为提高交互系统灵敏度，需要在交互端布置数量密集的传感器，传感器数量越多，对单个传感器读取的时间就会要求越短，因此对硬件资源也提出更高的要求。

通常，对多个传感器进行数据采集，主要通过串行外设接口(Serial PeripheralInterface SPI)采集多路信号，具体主要采用通过总线共用SCLK、SDI、SDO信号，单独扩展片选(CS)信号的方式来进行，通过单独控制CS信号来实现逐个的信号采集，使得采集信号点过多，因此需要增加很多路的CS信号，过多路的信号传输会导致系统稳定性变差；同时，也会导致控制器与信号采集系统之间的通信线束过多。

为解决上述问题，可以将控制器通过移位寄存器与多个传感器连接，但是，该方法中移位寄存器通道数量固定，且封装尺寸较大，在一定程度上约束了传感器布局，或者造成芯片资源的浪费。

实用新型内容

基于此，本申请实施例提供一种用于传感器的信号传输电路、传感装置及交互系统，通过将触发器作为控制器的扩展接口与传感器连接，可以使得传感器布局更加灵活。

第一方面，本申请实施例提供一种用于传感器的信号传输电路，采用了如下所述的技术方案：

一种用于传感器的信号传输电路，传感器为N个，包括：控制器和N个触发器,其中N为大于等于2的整数；所述控制器包括SPI和数据信号输出引脚；所述SP I包括CS信号输出引脚；每个触发器包括时钟信号输入引脚、数据信号输入引脚和信号输出引脚；

所述N个触发器依序级联；

所述数据信号输出引脚与第一触发器的数据信号输入引脚连接，用于向所述第一触发器发送数据信号；所述数据信号为控制所述N个触发器的所述信号输出引脚的输出状态的数据信号；所述第一触发器为所述依序级联的N个触发器中位于第一位的触发器；

所述控制器的所述CS信号输出引脚分别与所述N个触发器的所述时钟信号输入引脚连接，用于将基于所述CS信号输出引脚的高低电平切换得到的时钟信号分别同步发送给所述N个触发器；

每个所述触发器的所述信号输出引脚与一所述传感器的片选信号输入引脚连接。

进一步的，所述N个传感器及其连接的所述触发器集成为一个模块；或

所述N个传感器及其连接的所述触发器分散布局。

进一步的，所述触发器包括CLK引脚、Q引脚和D引脚；

所述CLK引脚作为所述时钟信号输入引脚；所述D引脚作为所述数据信号输入引脚；所述Q引脚作为所述信号输出引脚。

进一步的，所述N个触发器依序级联通过如下电路结构实现：

上一触发器的所述Q引脚与下一触发器的所述D引脚连接。

进一步的，所述控制器包括GP IO引脚；所述GPIO引脚作为所述数据信号输出引脚。

进一步的，所述SP I还包括总线引脚，所述总线引脚通过总线与所述传感器连接。

进一步的，所述总线引脚包括SCLK引脚、SD I引脚和SDO引脚；

所述SCLK引脚、所述SDI引脚和所述SDO引脚通过总线与所述传感器连接。

进一步的，所述触发器为D触发器；和/或

所述控制器为MCU或FPGA。

第二方面，本申请实施例提供一种传感装置，采用了如下所述的技术方案：

一种传感装置，所述传感装置包括传感器和上面所述的用于传感器的信号传输电路。

第三方面，本申请实施例提供一种交互系统，采用了如下所述的技术方案：

一种交互系统，所述交互系统包括交互本体、控制装置和上面所述的传感装置；所述传感装置的所述传感器和所述触发器设置于所述交互本体。

与现有技术相比，本申请实施例主要有以下有益效果：

本申请通过将触发器作为控制器的扩展接口与传感器连接，每个触发器既可与单个传感器匹配，实现多个传感器分散布局；也可以将多个传感器与多个触发器整体做成传感器模块，以满足任意数量传感器的扩展，从而使得传感器布局更加灵活。

另外，将该触发器作为控制器的扩展接口，可以减少控制器与传感器之间的通信线束，减少了控制器的引脚数量，因此可以选择更小封装的控制器，降低硬件成本；另外，当需要增加传感器数量的时候，只需要扩展更多的触发器即可，而不需要更换封装更大的控制器，提升了系统的扩展能力。

另外，通过将CS引脚作为时钟信号输出引脚，相较于控制器的一般引脚产生的时钟信号，SPI自带的CS引脚可以直接由SPI控制器控制输出，因此数据采集更加稳定，更加节省控制时间，且由于SP I支持高速通信，所以CS引脚输出的时钟信号频率比一般引脚产生的时钟信号更高，这样在高速通信时，可以降低通信时间，从而可以减少传感器扫描的时间，以采集更多的数据。

附图说明

为了更清楚地说明本申请或现有技术中的方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作一个简单介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本申请的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是本申请提供的信号传输电路的一个实施例的框架结构示意图；

图2是本申请提供的信号传输电路的一个实施例的电路结构示意图。

具体实施方式

除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本申请技术领域的技术人员通常理解的含义相同；本文中在申请的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施例的目的，不是旨在于限制本申请；本申请的说明书和权利要求书及上述附图说明中的术语“包括”和“具有”以及它们的任何变形，意图在于覆盖不排他的包含。本申请的说明书和权利要求书或上述附图中的术语“第一”、“第二”等是用于区别不同对象，而不是用于描述特定顺序。

在本文中提及“实施例”意味着，结合实施例描述的特定特征、结构或特性可以包含在本申请的至少一个实施例中。在说明书中的各个位置出现该短语并不一定均是指相同的实施例，也不是与其它实施例互斥的独立的或备选的实施例。本领域技术人员显式地和隐式地理解的是，本文所描述的实施例可以与其它实施例相结合。

为了使本技术领域的人员更好地理解本申请方案，下面将结合附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。

如图1所示，图1是本申请提供的信号传输电路的一个实施例的框架结构示意图。

本申请实施例提供一种用于传感器13的信号传输电路，该电路包括：控制器11和N个触发器12，其中N为大于等于2的整数。

其中，传感器13的数量为N个。具体地，传感器13可以为由N个传感器131(比如：压力传感器、触觉传感器、图像传感器或接近传感器等)构成的传感器阵列，也可以为分散布局的N个传感器131。可以理解的是，传感器数量越多，测量结果的精度也越高，因此为了提高交互系统的灵敏度，通常在交互端布置传感器或者分散布局的多个传感器。

触发器12包括时钟信号输入引脚121、数据信号输入引脚122和信号输出引脚123。

N个触发器12通过级联的方式依序连接。

具体地，可以通过某一台触发器的接口引脚连接下一台触发器的接口引脚，以达到扩展整个触发器接口引脚的目的。

在一个实施例中，触发器12可以采用各种型号的D触发器(Dflip-flop)，比如：74LVC1、74HC74或74LS74。

具体地，D触发器一般包含一个数据输入引脚D(简称“D引脚”)，一个数据输出引脚Q(简称“Q引脚”)，一个时钟信号引脚CLK(简称“CLK引脚”)。当触发器检测到时钟信号CLK的上升沿时，都会读取数据信号输入引脚的当前状态，然后将信号输出引脚的状态调整到与输入一致，直至下一个CLK的上升沿到来。

示例性的，如图2所示，图2是本申请提供的信号传输电路的一个实施例的电路结构示意图。触发器包括CLK引脚、D引脚和Q引脚。其中，CLK引脚作为上时钟信号输入引脚121、D引脚作为上述数据信号输入引脚122，Q引脚作为上述信号输出引脚123。进一步地，在一个实施例中，上一个触发器的Q引脚与下一个触发器的D引脚连接，从而实现将N个触发器12依序级联。

控制器11包括SPI和数据输出引脚112；其中，SPI包括CS信号输出引脚111(简称“CS引脚”)。

在本申请实施例中，控制器11可以通过串行外设接口(Serial PeripheralInterface SPI)与外围设备(即传感器)连接。通常SPI包括CS信号输出引脚和总线引脚，总线引脚可以通过总线与传感器13连接。

继续如图2所示，在一个实施例中，SPI包括SCLK、SDI、SDO和CS四路引脚，用于输出/输入SCLK、SDI、SDO和CS信号。其中，CS信号输出引脚111与触发器12连接；SCLK、SD I、SDO引脚分别通过总线14(如图1所示)直接与每个传感器131的SCLK、SDI、SDO三路引脚相连，用于与被片选的传感器之间进行数据信号传输，以采集被片选的传感器的数据信号等。

具体地，上述控制器11可以是计算机、微控制器(比如：MCU、FPGA)、微处理器、或其他数据处理芯片等。如图2所示，为方便理解，本申请实施例以控制器11为微控制器11为例进行进一步详细说明。

其中，CS信号输出引脚111，用于将基于CS信号输出引脚111的高低电平切换得到的时钟信号发送给N个触发器12。

本申请实施例将CS信号输出引脚作为控制器11的时钟信号输出引脚，用于输出时钟信号，以触发上述N个触发器12。

具体地，SPI控制器可以预设频率控制切换CS引脚电平高低状态，电平切换会产生一个边沿跳变，可以使用这个跳变作为时钟信号。

数据信号输出引脚112，用于输出数据信号。其中，该数据信号为控制各个触发器12的信号输出引脚123输出状态的数据信号，有关数据信号后面实施例会有进一步说明。

除此之外，控制器11还可以包括GPIO引脚，可以将GPIO引脚作为上述数据信号输出引脚112。

控制器11的数据信号输出引脚112与第一触发器P1的数据信号输入引脚122连接，用于将数据信号发送给触发器12；其中，第一触发器P1为依序级联的N个触发器中位于第一位的触发器。

控制器11的CS信号输出引脚111分别与N个触发器12的时钟信号输入引脚121连接，用于将时钟信号分别同步发送给N个触发器12。

每个触发器12的信号输出引脚123与一传感器131的片选(CS)信号输入引脚连接。

本申请实施例中，当各个触发器同步检测到时钟信号时，会读取数据信号输入引脚122的当前状态值(基于接收的控制器发送的数据信号得到)，然后将信号输出引脚123的状态值调整到与数据信号输入引脚122的状态值一致，根据预设规则，基于各个传感器的输入引脚122的状态值，从N个触发器12中选出目标触发器，从而片选出与该目标触发器12对应的传感器131；在另一个实施例中，控制器通过SPI对被片选的传感器进行数据采集。因此，通过本申请实施例的信号传输电路可以实现传感器片选、传感器数据采集等信号传输功能。

示例性的，继续如图2所示，数字电路中，电信号仅用“1”、“0”数字串传输，对应高、低电平。基于此，微控制器11发起SPI通讯，通过GPIO引脚发送数据“1”给第一触发器P1；微控制器11控制CS引脚按照预设频率进行电平高低状态切换，将基于该切换产生的上升边沿跳变作为时钟信号同步给到各个触发器；基于该时钟信号的触发，第一触发器P1的Q引脚的状态值为“1”，其余触发器的Q引脚状态值为“0”，则SPI通过总线引脚开始采集第一传感器F1的数据；基于预设频率，微控制器11再次通过GPIO发送数据“0”给第一触发器P1，基于上述时钟信号对各个触发器的触发，第二触发器P2的Q引脚的状态值为“1”，其余触发器的Q引脚的状态值为“0”，则SPI通过总线引脚开始采集第二传感器F2的数据，依次类推，微控制器11将一直发送数据“0”，直至完成所有传感器的数据的单次采集。当微控制器11再次通过GPIO引脚发送数据“1”给第一触发器P1时，开始下一次的循环采集。

继续如图2所示，需要说明的是，在一个实施例中，N个传感器及其连接的触发器可以集成为一个模块；在另一个实施例中，N个传感器及其连接的触发器分散布局，即每个传感器及其连接的触发器为一个小单元，多个传感器之间分别分散分布在不同的地方。

示例性的，以数据手套为例，可以将触发器和传感器整体作为一个传感器模块统一设置于数据手套端，而将控制器集成在机器人的后端控制部分。

本申请实施例可以满足任意数量传感器的扩展，减少控制器与数据手套之间的连接线束，提高布线灵活性。

本申请通过将触发器12作为控制器11的扩展接口与传感器13连接，即控制器通过多个依序级联的触发器形成扩展接口，每个触发器分别与一传感器对应连接，单独控制一个传感器，且触发器封装体积较小，因此每个触发器既可与单个传感器匹配，实现多个传感器分散布局；也可以将多个传感器与多个触发器整体做成传感器模块，以满足任意数量传感器的扩展，从而使得传感器布局更加灵活。

另外，将该触发器12作为控制器11的扩展接口，控制器只需一个CS信号输出引脚和一个数据信号输出引脚就可以实现在任意多数量的传感器中进行片选，可以减少控制器与传感器之间的通信线束，减少了控制器11的引脚数量，因此可以选择更小封装的控制器，降低硬件成本；另外，当需要增加传感器数量的时候，只需要扩展更多的触发器即可，而不需要更换封装更大的控制器，提升了系统的扩展能力。

另外，本申请实施例通过将CS引脚作为时钟信号输出引脚，由于SPI通信对控制时序有一定的要求，需要CS在低电平的时候才开始通信，相较于控制器的其他一般引脚(比如：GPIO)产生的时钟信号，其自带的CS引脚可以由SPI控制器控制输出，因此数据采集更加稳定，更加节省控制时间，从而减少传感器扫描的时间，以采集更多的数据；另外，由于SPI支持高速通信，所以SPI自身的CS引脚，其输出频率能比一般引脚产生的时钟信号更高，这样在高速通信时，可以降低通信时间；再者，由于CS引脚本身就是SPI定义的信号，选用CS引脚作为存储时钟信号输出引脚，更加符合SPI通信的时序要求，增强了SPI通讯的稳定性。

继续如图1和图2所示，基于上述用于传感器的信号传输电路，本申请实施例还提供一种传感装置，该传感装置包括上述信号传输电路和传感器13。

本申请实施例中，控制器11包括SPI和数据信号输出引脚112(比如：GPIO引脚)；SPI包括SCLK、SD I、SDO和CS四路引脚；其中，控制器11的SCLK、SDI、SDO三路引脚与每个传感器的SCLK、SD I、SDO三路引脚连接；CS引脚分别与N个触发器12连接；数据信号输出引脚112与N个级联的触发器12中的第一触发器P1连接；每个触发器12的Q引脚与一传感器131的CS引脚连接。控制器11通过触发器12片选传感器131，SPI和被片选的传感器131之间通过SCLK、SD I、SDO三路引脚进行信号传输。

可以理解的是，传感装置除包括上述传感器和信号传输电路外，还可以包括其他结构和其他控制单元，在一些实施例中，其他控制单元可以与本申请实施例中的信号传输电路共用同一控制器11进行控制等，都属于本申请保护的范围。

本申请通过将触发器作为控制器的扩展接口与传感器连接，每个触发器既可与单个传感器匹配，实现多个传感器分散布局；也可以将多个传感器与多个触发器整体做成传感器模块，以满足任意数量传感器的扩展，从而使得传感器布局更加灵活，应用更广泛。

另外，将该触发器作为控制器的扩展接口，可以减少控制器与传感器之间的通信线束，减少了控制器的引脚数量，因此可以选择更小封装的控制器，降低硬件成本；另外，当需要增加传感器数量的时候，只需要扩展更多的触发器即可，而不需要更换封装更大的控制器，提升了系统的扩展能力。

另外，通过将CS引脚定义为存储时钟信号输出引脚，相较于控制器的一般引脚产生的时钟信号，SPI自带的CS引脚可以直接由SPI控制器控制输出，因此数据采集更加稳定，更加节省控制时间，且由于SPI支持高速通信，所以CS引脚输出的时钟信号频率比一般引脚产生的时钟信号更高，这样在高速通信时，可以降低通信时间，从而可以减少传感器扫描的时间，以采集更多的数据。

基于上述用于传感器的信号传输电路和传感装置，本申请实施例还提供一种交互系统。该交互系统包括交互本体、控制装置和上面实施例所述的传感装置；上述传感装置中的传感器和触发器部分设置于交互本体。

具体的，上述交互系统可以为各种现在已有或将来开发的交互系统，比如：触摸屏系统、VR设备、机器人遥操作系统、医疗康复/护理系统等等。

以触控屏系统为例，可以将传感器和触发器形成的模块集成在显示屏(交互本体)，传感器装置的控制器和交互系统的控制装置集成为一个控制模块，用户可以对显示屏显示的各栏目中的内容进行数据输入或者界面选择等触控操作，以实现人机交互。

本申请通过将触发器作为控制器的扩展接口与传感器连接，每个触发器既可与单个传感器匹配，实现多个传感器分散布局；也可以将多个传感器与多个触发器整体做成传感器模块，以满足任意数量传感器的扩展，从而使得传感器布局更加灵活，应用更广泛。

另外，将该触发器作为控制器的扩展接口，可以减少控制器与传感器之间的通信线束，减少了控制器的引脚数量，因此可以选择更小封装的控制器，降低硬件成本；另外，当需要增加传感器数量的时候，只需要扩展更多的触发器即可，而不需要更换封装更大的控制器，提升了系统的扩展能力。

另外，通过将CS引脚定义为存储时钟信号输出引脚，相较于控制器的一般引脚产生的时钟信号，SPI自带的CS引脚可以直接由SPI控制器控制输出，因此数据采集更加稳定，更加节省控制时间，且由于SPI支持高速通信，所以CS引脚输出的时钟信号频率比一般引脚产生的时钟信号更高，这样在高速通信时，可以降低通信时间，从而可以减少传感器扫描的时间，以采集更多的数据，提高交互系统的实时交互能力。

显然，以上所描述的实施例仅仅是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例，附图中给出了本申请的较佳实施例，但并不限制本申请的专利范围。本申请可以以许多不同的形式来实现，相反地，提供这些实施例的目的是使对本申请的公开内容的理解更加透彻全面。尽管参照前述实施例对本申请进行了详细的说明，对于本领域的技术人员来而言，其依然可以对前述各具体实施方式所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等效替换。凡是利用本申请说明书及附图内容所做的等效结构，直接或间接运用在其他相关的技术领域，均同理在本申请专利保护范围之内。

Claims (10)

1.一种用于传感器的信号传输电路，传感器为N个，其特征在于，包括：控制器和N个触发器,其中N为大于等于2的整数；所述控制器包括SPI和数据信号输出引脚；所述SPI包括CS信号输出引脚；每个触发器包括时钟信号输入引脚、数据信号输入引脚和信号输出引脚；

所述N个触发器依序级联；

所述数据信号输出引脚与第一触发器的数据信号输入引脚连接，用于向所述第一触发器发送数据信号；所述数据信号为控制所述N个触发器的所述信号输出引脚的输出状态的数据信号；所述第一触发器为所述依序级联的N个触发器中位于第一位的触发器；

所述控制器的所述CS信号输出引脚分别与所述N个触发器的所述时钟信号输入引脚连接，用于将基于所述CS信号输出引脚的高低电平切换得到的时钟信号分别同步发送给所述N个触发器；

每个所述触发器的所述信号输出引脚与一所述传感器的片选信号输入引脚连接。

2.根据权利要求1所述的用于传感器的信号传输电路，其特征在于，所述N个传感器及其连接的所述触发器集成为一个模块；或

所述N个传感器及其连接的所述触发器分散布局。

3.根据权利要求1或2所述的用于传感器的信号传输电路，其特征在于，所述触发器包括CLK引脚、Q引脚和D引脚；

所述CLK引脚作为所述时钟信号输入引脚；所述D引脚作为所述数据信号输入引脚；所述Q引脚作为所述信号输出引脚。

4.根据权利要求3所述的用于传感器的信号传输电路，其特征在于，所述N个触发器依序级联通过如下电路结构实现：

上一触发器的所述Q引脚与下一触发器的所述D引脚连接。

5.根据权利要求1或2所述的用于传感器的信号传输电路，其特征在于，所述控制器包括GPIO引脚；所述GPIO引脚作为所述数据信号输出引脚。

6.根据权利要求1或2所述的用于传感器的信号传输电路，其特征在于，所述SPI还包括总线引脚，所述总线引脚通过总线与所述传感器连接。

7.根据权利要求6所述的用于传感器的信号传输电路，其特征在于，所述总线引脚包括SCLK引脚、SDI引脚和SDO引脚；

所述SCLK引脚、所述SDI引脚和所述SDO引脚通过总线与所述传感器连接。

8.根据权利要求1或2所述的用于传感器的信号传输电路，其特征在于，所述触发器为D触发器；和/或

所述控制器为MCU或FPGA。

9.一种传感装置，其特征在于，所述传感装置包括传感器和权利要求1-8任一项所述的用于传感器的信号传输电路。

10.一种交互系统，其特征在于，所述交互系统包括交互本体、控制装置和权利要求9所述的传感装置；

所述传感装置的所述传感器和所述触发器设置于所述交互本体。

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