KR100205764B1

KR100205764B1 - The signal converting apparatus and method for capacittive pressure sensor

Info

Publication number: KR100205764B1
Application number: KR1019960069935A
Authority: KR
Inventors: 이성희; 이진희; 권영규; 박태준
Original assignee: 신현준; 재단법인포항산업과학연구원
Priority date: 1996-12-23
Filing date: 1996-12-23
Publication date: 1999-07-01
Also published as: KR19980051071A

Abstract

본 발명은 용량형 압력센서의 신호변환장치 및 그 방법으로서, 용량형압력센서(PS)와 연결되어 용량(Capacitance)에 비례한 주파수를 가진 파형을 발생시키는 입력부에 저항(R₁)(R₂)과 캐피시터(C)가 연결된 타이머 IC(1; Timer IC)와, 타이머 IC에 비인버터(NIV)와 인버터(IV)를 통해 연결되어 발생된 파형의 펄스주기를 계산하여 압력 값을 구하는 디지털로직부(2)를 구비하여 타이머 IC(1)에서 발생된 파형의 상승에지(edge)에서 인터럽트 0을 하강에지에서 인터럽트 1을 수행하고, 펄스가 상승할 때 인터럽트 0가 카운트를 초기화시킨 후 일정시간 간격으로 카운트를 하며, 일정 시간이 지나 펄스가 하강할 때에는 인터럽트 0에서 게수가 시작된 카운트를 정지시키고 그때까지 인터럽트 1의 카운트 값을 구하여 카운트 값과 카운트 주기의곱으로 실제시간을 계산하고, 실제시간과 저항(R₁)(R₂) 값으로 용량형 압력센서의 용량을 계산하는 것이다.The present invention relates to a signal conversion device and a method of a capacitive pressure sensor, which is connected to a capacitive pressure sensor (PS) and generates a resistance (R ₁ ) (R ₂ ) at an input unit for generating a waveform having a frequency proportional to the capacitance. Timer IC (1) and capacitor (C) are connected, and non-inverter (NIV) and inverter (IV) are connected to timer IC to calculate the pulse period of the generated waveform. Interrupt 0 is provided at the rising edge of the waveform generated by the timer IC 1 at the rising edge of the waveform generated by the timer IC 1, and when the pulse rises, the interrupt 0 initializes the count for a predetermined time. If the pulse falls after a certain period of time, the count starts at interrupt 0, stops the count, and calculates the actual time as the product of the count value and the count period. The capacity of the capacitive pressure sensor is calculated from the actual time and the resistance (R ₁ ) (R ₂ ) values.

Description

Signal converter of capacitive pressure sensor and its method

본 발명은 상기한 실정을 감안하여 종래 압력센서의 신호변환장치가 갖는 문제점을 해결하고자 발명한 것으로서, 충전용량에 따른 가변발진회로를 구성하여 발진파형의 주기를 측정, 압력으로 변환함으로써 변화오차를 줄일 뿐 아니라 디지털 값으로 쉽게 변환가능한 용량형 압력센서의 신호변환장치 및 그 방법을 제공함에 그 목적이 있다.The present invention has been made to solve the problems of the conventional pressure sensor signal converter in view of the above situation, by configuring a variable oscillation circuit according to the charging capacity by measuring the period of the oscillation waveform, and converting the change error by the pressure It is an object of the present invention to provide a signal converting device and a method of a capacitive pressure sensor that can be reduced and easily converted into digital values.

제1도는 본 발명 용량형 압력센서의 신호변환장치 구성도.1 is a block diagram of a signal conversion device of the capacitive pressure sensor of the present invention.

제2도는 본 발명에 따른 디지털로직부에서 인터럽트를 수행하는 프로우 챠트로서, a도는 인터럽트 0의 경우이고, b도는 인터럽트 1의 경우이다.2 is a flowchart for performing an interrupt in the digital logic unit according to the present invention, in which a is a case of interrupt 0 and b is a case of interrupt 1.

* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명* Explanation of symbols for main parts of the drawings

1 : 타이머 IC(Timer IC) 2 : 디지털로직부1: Timer IC 2: Digital logic part

PS : 압력센서 NIV : 비인버터PS: Pressure sensor NIV: Non-inverter

IV : 인버터 D/A : 디지털/아날로그변환기IV: Inverter D / A: Digital / Analog Converter

R_1,R₂: 저항 C : 캐패시터R _1, R ₂ : Resistor C: Capacitor

본 발명은 압력센서의 신호변환장치 및 방법에 관한 것으로서, 특히 충전용량에 따른 가변발진회로를 구성하여 발진 파형의 주기를 측정, 압력으로 변환함으로써 변환오차를 줄일 뿐 아니라 디지털 값으로 쉽게 변환가능한 용량형 압력 센서의 신호변환장치 및 그 방법에 관한 것이다.The present invention relates to a signal conversion device and a method of a pressure sensor, and in particular, by configuring a variable oscillation circuit according to the charging capacity, by measuring the period of the oscillation waveform, and converting it into pressure, not only reducing the conversion error, but also easily converting to digital values The present invention relates to a signal converter of a pressure sensor and a method thereof.

압력측정용 센서는 크게 용량형 압력센서와 저항형 압력센서로 분류되는데, 저항형 압력센서는 압력에 따라 저항이 변하는 원리를 응용한 것으로 센서제작 공정이 비교적 간단한데 반해 감도가 떨어지는 불리한 점이 있으며, 용량형 압력센서는 여러 면에서 특성이 우수하나 제작공정이 까다로울 뿐만 아니라 변환기(Transducer)도 구성하기 어렵다.Pressure measuring sensors are largely classified into capacitive pressure sensors and resistive pressure sensors. Resistance type pressure sensors are based on the principle that resistance changes according to pressure. The sensor manufacturing process is relatively simple, but the sensitivity is inferior. Type pressure sensor is excellent in many aspects but it is not only difficult to manufacture but also difficult to construct transducer.

현재 압력센서는 모든 공장 자동화에 필수적인 반도체 센서로서 응용은 FA, 로봇, 자동차, 가전제품, OA 기기, 과학계측 및 정밀분석기기, 환경의료기기 등에 다방면으로 응용되고 있으며 수요가 점점 증대되고 있는 실점에 있다.At present, pressure sensor is an essential semiconductor sensor for all factory automation, and its application is applied to FA, robots, automobiles, home appliances, OA equipment, scientific measurement and precision analysis equipment, and environmental medical equipment. have.

이와 같은 실정에 비추어 종래 압력센서의 신호변환장치로서 미국특허 제5,377,524호에 개시되어 있는 바와 같이 충전기 앰프(Charger Amp) 등을 구성하여 변환하는 아날로그 변환방식이 알려져 있다. 이 방식은 용량값을 아날로그 회로를 통하여 전압으로 변환하는 방식으로 연산증폭기(OP-Amp)와 캐패시터등을 이용하여 적분회로를 꾸미고, 주기적인 펄스전압을 인가하는데, 이대 각 주기에서 용량 값에 비례한 적분 값을 가지게 하여 전압을 출력을 낸다. 이 전압값은 디지털 제어기에서 이용하려면 아날로그/디지탈변환기(A/D변환기)를 이용하여야 한다. 또한 이 방식의 결점은 아날로그 회로상에 저항이나 캐패시턴스의 경우 온도, 습도 및 노화 등의 영향으로 값이 변동되는 경우에는 정확한 변환을 보장할 수 없다는 것이다.In view of such a situation, an analog conversion method for configuring and converting a charger amplifier (Charger Amp) or the like is known as a signal conversion device of a conventional pressure sensor, as disclosed in US Patent No. 5,377,524. This method converts the capacitance value into a voltage through an analog circuit, decorates the integral circuit using an operational amplifier (OP-Amp) and a capacitor, and applies a periodic pulse voltage, which is proportional to the capacitance value in each period. The voltage is output by having one integral value. To use this voltage value in a digital controller, an analog / digital converter (A / D converter) must be used. The drawback of this approach is that it is not possible to guarantee accurate conversion if the values fluctuate due to the effects of temperature, humidity and aging in the case of resistance or capacitance on the analog circuit.

상기한 목적을 달성하기 위한 본 발명 압력센서의 신호변환장치는 용량형 압력센서(PS)와 연결되어 용량(Capacitance)에 비례한 주파수를 가진 파형을 발생시키는 입력부에 저항(R₁),(R₂)과 캐피시터(C)가 연결된 타이머 IC(1 : Timer IC)와, 타이머 IC에 비인버터(NIV)와 인버터(IV)를 통해 연결되어 발생된 파형의 펄스주기를 계산하여 입력값을 구하는 디지털로직부(2)를 구비한 것을 특징으로 한다.Signal conversion device of the pressure sensor of the present invention for achieving the above object is connected to the capacitive pressure sensor (PS) resistance (R ₁ ), (R) to the input unit for generating a waveform having a frequency proportional to the capacitance (R) ₂ ) A digital timer that calculates the pulse period of the waveform generated by connecting the timer IC (1: Timer IC) connected with the capacitor (C) and the non-inverter (NIV) and the inverter (IV) to the timer IC. It is characterized by including the logic unit (2).

한편 본 발명 압력센서의 신호변환방법은 타이머 IC(1)에서 발생된 파형에 상승에지(edge)에서 인터럽트 0을 하강에지에서 인터럽트 1을 수행하고, 펄스가 상승할 때 인터럽트 0가 카운트를 초기화시킨 후 일정시간 간격으로 카운트를 하며, 일정시간이 지나 펄스가 하강할 때에는 인터럽트 0에서 계수가 시작된 카운트를 정지시키고 그때가지 인터럽트 1의 카운트 값을 구하여 카운트 값과 카운트주기의 곱으로 실제시간을 계산하고, 실제시간과 저항(R₁)(R₂) 값으로 용량형 압력센서의 용량을 계산하는 것을 특징으로 한다.On the other hand, the signal conversion method of the pressure sensor of the present invention performs interrupt 1 on the rising edge and interrupt 1 on the falling edge of the waveform generated by the timer IC 1, and interrupt 0 initializes the count when the pulse rises. After that, if the pulse falls after a certain period of time, the count starts to stop at Interrupt 0. Then, the count value of Interrupt 1 is calculated. The capacity of the capacitive pressure sensor is calculated using the actual time and the resistance (R ₁ ) (R ₂ ).

이하 첨부도면을 참조하여 본 발명을 상세하게 설명한다.Hereinafter, the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings.

도1은 본 발명 용량형 압력센서의 신호변환장치 구성도로서, 신호변환장치는 크게 두 부분으로 나눠지는데 먼저 용량형 압력센서와 연결되어 용량(Capacitance)에 비례한 주파수를 가진 파형을 발생시키는 타이머 IC1; (Timer IC) 및 주변 회로 부품으로 구성된 가변발진 회로부와 발생된 파형이 펄스주기 계산 및 이로부터 압력값을 계산하는 디지털로직부(2)가 있다. 이 디지털로직부(2)는 MPU(Micro Processor Unit)를 통한 출력부가 있는데 여기에는 직렵데이타, 병렬데이타, 정전압 아날로그, 점전류 아날로그 등의 출력을 가진다.1 is a configuration diagram of a signal conversion device of the capacitive pressure sensor according to the present invention. The signal conversion device is divided into two parts. First, a timer is connected to the capacitive pressure sensor to generate a waveform having a frequency proportional to capacitance. IC1; There is a variable oscillation circuit section composed of a Timer IC and peripheral circuit components, and a digital logic section 2 in which the generated waveform calculates a pulse period and a pressure value therefrom. The digital logic unit 2 has an output unit through an MPU (Micro Processor Unit), which has outputs such as serial data, parallel data, constant voltage analog, and point current analog.

타이머 IC(1)와 주변 소자들로 구성돈 가변발진 회로부는 연결된 용량형 압력센서(PS)에 비례하는 주기를 가지는 펄스파형을 출력한다 이 펄스프형의 주기 T는 다음 식과 같다.The variable oscillation circuit portion composed of the timer IC 1 and the peripheral elements outputs a pulse waveform having a period proportional to the connected capacitive pressure sensor PS. The pulse period, T, is as follows.

T = 1.1 R₁CT = 1.1 R ₁ C

여기서 저항(R₁)에 따라 캐패시터(C)의 캐패시턴스의 값은 pF단위에서부터 mF까지의 용량이 가능하다. 알고 있는 값의 저항(R₁)을 사용한 발진파형을 분석하면 정확한 캐패시터(C)의 캐패시턴스 용량을 계산해낼 수 있다. 가변 발전회로부에서 R₂는 발진파형의 듀티비(Duty Ratio)를 결정한다.In this case, the capacitance of the capacitor C may vary from pF to mF depending on the resistance R ₁ . By analyzing the oscillation waveform using a known value of resistance (R ₁ ), it is possible to calculate the capacitance capacity of the capacitor (C) accurately. In the variable power generation circuit portion, R ₂ determines the duty ratio of the oscillation waveform.

MPU로 구성된 디지털로직부(2)는 파형을 입력받아 파형의 주기를 계산해내는데 인터럽트를 이용한다. 도2와 도3은 인터럽트에 의해 수행되는 기능의 흐름도를 나타낸 것이다. 파형 입력회로에 의하면 상승 에지(edge)에서 인터럽트 0가 수행되고 하강 에지에서 인터럽트 1이 수행되도록 하였다. 펄스가 상승할 때 인터럽트 0은 카운트를 초기화시키고 일정시간 간격으로 카운트를 시작하는 기능을 끝낸다. 일정시간이 지나 펄스가 하강할 때에는 인터럽트 1이 수행되는데 먼저 인터럽트 0에서 카운트가 시작된 카운트를 정지시키고 그때 까지 카운트된 값을 읽는다. 이 카운트 값으로부터 실제 시간을 계산해낸다. 이 실제시간은 카운트가 사용한 카운트 주기와 카운트 값의 곱으로 계산된다. 이 시간과 가변발진부에 사용된 저항의 값을 이용해 연결된 용량형 압력센서의 용량을 계산해낸다. 이 용량은 곧 바로 압력값으로 계산되어 출력된다. 이 압력 값은 디지털 값이므로 곧 바로 디지털 제어기로의 직렵 도는 병렬 전송이 가능하고, 아날로그 값으로 출력할 경우에는 D/A 변환기를 통하여 원하는 범위의 값으로 출력이 가능하다. 여기서 원하는 범위란 일정 압력을 일정 전압으로 변환시켜 출력하는 경우 출력의 범위를 말한다.The digital logic unit 2 composed of the MPU receives the waveform and uses an interrupt to calculate the period of the waveform. 2 and 3 show flowcharts of functions performed by interrupts. According to the waveform input circuit, interrupt 0 is performed at the rising edge and interrupt 1 is performed at the falling edge. When the pulse rises, interrupt 0 terminates the count and resets the count at regular intervals. When the pulse falls after a certain time, interrupt 1 is executed. At the interrupt 0, the count that started counting is stopped and the counted value is read. The actual time is calculated from this count value. This actual time is calculated as the product of the count period used by the count and the count value. Using this time and the value of the resistance used in the variable oscillator, the capacity of the connected capacitive pressure sensor is calculated. This capacity is immediately calculated by the pressure value and output. Since this pressure value is a digital value, it can be directly transmitted to the digital controller or parallel transmission. In case of outputting an analog value, it can be output in the desired range through the D / A converter. Here, the desired range refers to the range of output when the constant pressure is converted to a constant voltage and output.

본 발명은 다음과 같은 효과를 가진다. 먼저 아날로그 회로부가 적으므로 잡음에 강하고, 에러율이 낮다. 둘째로 압력측정 및 변환에 디지털로직부가 사용되기 때문에 현재 널리 사용되고 있는 디지털 제어기로의 데이터 전송이 용이하다는 것이다. 기존 압력 측정 및 변환기는 아날로그 방식의 측정에서 A/D 변환기를 통한 디지털 전송이 가능했는데 본 발명은 디지털 방식의 측정에서 전송되므로 에러발생률이 아주 낮다. 셋재로, 디지털 방식이므로 데이터 변환이 용이하여 모든 제어시스템에 연결이 가능하다. 특히 프로세서 응용시스템에 적용시에는 가변발진회로만 구성하면 압력측정 및 제어가 가능해진다. 또한 아날로그 방식의 입력을 요구하는 경우 전압이든 전류든 원하는 범위의 값으로 출력이 가능하다. 마지막으로 용량형 압력센서 특성이 특정 구간에서 비선형 특성을 가질 경우에도 정확한 보정 및 출력이 가능하다. 디지털 방식 측정-변환 구조이므로 변환시 특별한 수식을 이용하거나 변화 도표를 이용하면 비선형 구간에서의 정확한 압력도 측정할 수 있다.The present invention has the following effects. First, since there are few analog circuit parts, it is resistant to noise and has a low error rate. Second, because digital logic is used for pressure measurement and conversion, it is easy to transmit data to the digital controller which is widely used. Conventional pressure measurement and transducers were capable of digital transmission via A / D converters in analogue measurements, but the present invention is very low in error rate since it is transmitted in digital measurements. As a digital method, it is easy to convert data and can be connected to all control systems. Especially when applied to processor application system, only variable oscillation circuit can be used to measure and control pressure. In addition, if an analog input is required, it can be output in a desired range of voltage or current. Finally, even if the capacitive pressure sensor characteristic has a nonlinear characteristic in a certain section, accurate correction and output are possible. Because of the digital measurement-conversion structure, accurate pressures in nonlinear sections can be measured by using special equations or change charts in the conversion.

Claims

Timer IC (1; Timer IC) connected to the capacitive pressure sensor (PS) and connected to the resistor (R ₁ ), (R ₂ ) and the capacitor (C) at the input to generate a waveform having a frequency proportional to the capacitance And a digital logic unit (2) connected to the timer IC through a non-inverter (NIV) and an inverter (IV) to calculate a pulse period of the generated waveform to obtain a pressure value. Signal converter.

Interrupt 0 is executed at the rising edge of the waveform generated by the timer IC 1 at the falling edge, and when the pulse rises, interrupt 0 initializes the count and counts at a predetermined time interval. When the pulse goes down after time, stop the count that started counting at Interrupt 0, calculate the count value of Interrupt 1 till then, calculate the real time by multiplying the count value and count period, and calculate the real time and resistance (R ₁ ), ( R ₂ ) signal conversion method of the capacitive pressure sensor, characterized in that for calculating the capacity of the capacitive pressure sensor.