KR20200078992A - 압력센서를 이용한 스마트 센싱시스템 - Google Patents

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Abstract

압력센서를 이용한 스마트 센싱시스템은 인가되는 압력을 센싱하여 제1 가변전압 및 제2 가변전압을 생성하는 압력센서; 상기 제1 가변전압 및 상기 제2 가변전압의 전압차에 따라 생성되는 출력전류와 제어신호에 의해 조절되는 저항값에 따라 전압값이 결정되는 출력전압을 생성하는 차동증폭기; 및 상기 출력전압의 전압값을 감지하여 상기 인가되는 압력을 측정하고, 상기 증폭전압의 전압값을 조절하기 위한 상기 제어신호를 출력하는 프로세서를 포함한다.

Description

압력센서를 이용한 스마트 센싱시스템{SMART SENSING SYSTEM USING THE PRESSURE SENSOR}
본 발명은 압력센서를 이용한 스마트 센싱시스템에 관한 것으로, 보다 구체적으로는 사용자로부터 인가되는 압력을 감지하고 감지결과를 디지털신호 및 파형으로 변환하여 사용자의 신체 상황을 실시간으로 모니터링하기 위한 압력센서를 이용한 스마트 센싱시스템에 관한 것이다.
일반적으로, 병원에서 주로 사용하는 공기압에 의한 혈압계는 통상적으로 사람이 어느 정도 안정화 상태에서 팔뚝에 압력을 가하여 혈압 및 맥박을 측정하고 있다. 이는 하루에 6번 이상 측정하는 것을 권장하지 않는다. 이는 휴대하여 쉽게 혈압을 측정할 수 없다. 한편, 고정식에서 벗어난 스마트 혈압계는 나름대로 휴대는 가능하나, 여전히 크고 불편하다는 단점이 있다.
심전도(ECG, electro cardiography) 센서 또는 광학맥파(PPG, Photo plethysmography) 센서의 피크치의 시간차를 활용하여 혈압을 측정하는 기술은 사람마다 다양한 특성 때문에 혈압을 정확하게 측정하는 어려움이 많이 있다.
첫째, 가슴에 심전도 센서를 설치하여 혈압을 측정하거나 팔뚝 또는 팔목에 광학맥파 센서를 설치하여 혈압을 측정할 수 있다. 즉, 2개의 다른 센서를 일정한 거리에 두고 신체적 반응에 대한 시간차를 알고리즘에 의하여 분석함으로써, 혈압을 측정할 수 있다.
둘째, 일정한 거리가 있는 한 쌍의 심전도 센서 또는 한 쌍의 광학맥파 센서의 피크치의 시간 간격을 혈압으로 측정할 수 있다. 즉, 2개의 동일한 센서를 일정한 거리에 두고 신체적 반응에 대한 시간차를 알고리즘에 의하여 분석함으로서, 혈압을 측정할 수 있다.
종래와 같이 혈압을 측정하려면, 상당히 복잡하다. 특히, 최소 2개의 센서가 신체의 2곳에 일정한 거리를 두고 떨어져 부착해야 하고, 각각의 센서 신호에 대한 피크치를 측정하여 혈압을 표현해야 한다. 또한, 실제 측정을 위해서는 피부와 측정 전극의 안정화가 우선되어야 하고, 피부색 또는 여러 노이즈에 따라 오차가 커지므로, 정확하게 측정하기에는 매우 어려움이 있다.
본 발명의 목적은 종래의 문제점을 해결하기 위한 것으로서, 사용자로부터 인가되는 압력을 감지하고 감지결과를 디지털신호 및 파형으로 변환하여 사용자의 신체 상황을 실시간으로 모니터링하기 위한 압력센서를 이용한 스마트 센싱시스템을 제공함에 있다.
상술한 본 발명의 목적을 달성하기 위한 바람직한 실시예에 따르면, 본 발명에 따른 압력센서를 이용한 스마트 센싱시스템은 인가되는 압력을 센싱하여 제1 가변전압 및 제2 가변전압을 생성하는 압력센서; 상기 제1 가변전압 및 상기 제2 가변전압의 전압차에 따라 생성되는 출력전류와 제어신호에 의해 조절되는 저항값에 따라 전압값이 결정되는 출력전압을 생성하는 차동증폭기; 및 상기 출력전압의 전압값을 감지하여 상기 인가되는 압력을 측정하고, 상기 증폭전압의 전압값을 조절하기 위한 상기 제어신호를 출력하는 프로세서를 포함한다.
여기서, 상기 제1 가변전압 및 상기 제2 가변전압은 상기 인가되는 압력을 기반으로 전압값이 조절된다.
여기서, 상기 압력센서는 전원전압과 접지전압 사이에 연결되는 제1 내지 제4 저항을 포함하고, 상기 인가되는 압력에 따라 저항값이 변경되는 상기 제1 저항과 상기 제2 저항의 저항값을 기반으로 상기 제1 가변전압을 생성하고, 상기 인가되는 압력에 따라 저항값이 변경되는 상기 제3 저항과 상기 제4 저항의 저항값을 기반으로 상기 제2 가변전압을 생성한다.
여기서, 상기 압력센서는 직렬로 연결되는 제1 및 제2 전류원과 제1 및 제2 캐패시터를 포함하고, 상기 인가되는 압력에 따라 캐패시턴스값이 변경되는 상기 제1 캐패시터의 캐패시턴스값을 기반으로 상기 제1 가변전압을 생성하고, 상기 인가되는 압력에 따라 캐패시턴스값이 변경되는 상기 제2 캐패시터의 캐패시턴스값을 기반으로 상기 제2 가변전압을 생성한다.
여기서, 상기 차동증폭기는 상기 제1 가변전압과 상기 제2 가변전압의 전압차를 감지 증폭하여 생성되는 상기 출력전류와 상기 저항값에 따라 전압값이 결정되는 상기 출력전압을 생성하는 전압전류 증폭기로 구현된다.
여기서, 상기 차동증폭기는 상기 제1 가변전압과 상기 제2 가변전압의 전압차를 감지 증폭하여 상기 출력전압을 생성하는 OP-AMP 차동증폭기로 구현된다.
여기서,상기 프로세서는 상기 출력전압의 전압값에 대응하는 상기 디지털신호를 생성하는 아날로그디지털변환기; 및 상기 디지털신호가 기 설정된 구간에 포함되지 않는 경우 상기 제어신호의 로직레벨 조합을 변경하여 출력하고, 상기 디지털신호를 외부 장치로 출력하는 통신회로를 포함한다.
본 발명에 따른 압력센서를 이용한 스마트 센싱시스템은 인가되는 압력에 따라 가변되는 제1 가변전압 및 제2 가변전압의 전압차에 따라 생성되는 출력전류와 제어신호에 의해 조절되는 저항값에 따라 전압값이 결정되는 증폭전압을 생성하는 차동증폭기; 직렬저항을 포함하고, 상기 직렬저항을 사용한 전압분배를 기반으로 상기 증폭전압의 특정 주파수 대역의 신호를 출력하는 전압분배시정수; 상기 증폭전압에 포함된 특정 주파수 대역의 신호를 필터링하여 출력전압을 생성하는 필터; 및 상기 출력전압의 전압값을 감지하여 상기 인가되는 압력을 측정하고, 상기 출력전압의 전압값에 대응하는 디지털신호를 외부로 출력하는 프로세서를 포함한다.
여기서, 상기 프로세서는 상기 증폭전압의 전압값을 조절하기 위한 상기 제어신호를 상기 차동증폭기로 출력한다.
여기서, 상기 차동증폭기는 상기 제1 가변전압과 상기 제2 가변전압의 전압차를 감지 증폭하여 생성되는 상기 출력전류와 상기 저항값에 따라 전압값이 결정되는 상기 증폭전압을 생성하는 전압전류 증폭기로 구현된다.
여기서, 상기 차동증폭기는 상기 제1 가변전압과 상기 제2 가변전압의 전압차를 감지 증폭하여 상기 증폭전압을 생성하는 OP-AMP 차동증폭기로 구현된다.
여기서, 상기 전압분배시정수는 전원전압과 접지전압 사이에 직렬로 연결되는 제1 저항과 제2 저항; 및 상기 제1 저항과 상기 제2 저항 사이에 연결되어 상기 증폭전압의 특정 주파수 대역의 신호를 출력하는 캐패시터를 포함한다.
여기서, 상기 프로세서는 상기 출력전압의 전압값에 대응하는 상기 디지털신호를 생성하는 아날로그디지털변환기; 및 상기 디지털신호가 기 설정된 구간에 포함되지 않는 경우 상기 제어신호의 로직레벨 조합을 변경하여 출력하고, 상기 디지털신호를 외부 장치로 출력하는 통신회로를 포함한다.
본 발명에 따른 압력센서를 이용한 스마트 센싱시스템은 상기 인가되는 압력을 센싱하여 상기 제1 가변전압 및 상기 제2 가변전압을 생성하는 압력센서를 더 포함한다.
여기서, 상기 압력센서는 전원전압과 접지전압 사이에 연결되는 제1 내지 제4 저항을 포함하고, 상기 인가되는 압력에 따라 저항값이 변경되는 상기 제1 저항과 상기 제2 저항의 저항값을 기반으로 상 제1 가변전압을 생성하고, 상기 인가되는 압력에 따라 저항값이 변경되는 상기 제3 저항과 상기 제4 저항의 저항값을 기반으로 상기 제2 가변전압을 생성한다.
여기서, 상기 압력센서는 직렬로 연결되는 제1 및 제2 전류원과 제1 및 제2 캐패시터를 포함하고, 상기 인가되는 압력에 따라 캐패시턴스값이 변경되는 상기 제1 캐패시터의 캐패시턴스값을 기반으로 상기 제1 가변전압을 생성하고, 상기 인가되는 압력에 따라 캐패시턴스값이 변경되는 상기 제2 캐패시터의 캐패시턴스값을 기반으로 상기 제2 가변전압을 생성한다.
본 발명에 따른 압력센서를 이용한 스마트 센싱시스템에 따르면, 사용자로부터 인가되는 압력을 감지하고 감지결과를 디지털신호 및 파형으로 변환하여 사용자의 신체 상황을 실시간으로 모니터링할 수 있다.
또한, 본 발명은 차동증폭기의 세부 구성을 보다 간략하게 구현함으로써 압력센서를 이용한 스마트 센싱시스템의 구현 면적을 감소할 수 있다.
또한, 본 발명은 압력센서를 이용한 스마트 센싱시스템을 통해 사용자의 선택에 따라 실시간으로 사용자의 신체 상황을 확인할 수 있다. 특히, 압력센서를 이용한 스마트 센싱시스템의 세부 구성을 통해 사용자로부터 인가된 압력을 바탕으로 다양한 사용자의 신체 상황에 대응하는 신체정보를 추출하여 사용자에게 제공할 수 있다.
또한, 본 발명은 압력센서를 이용한 스마트 센싱시스템을 통해 신체정보 중 체온, 혈압, 맥박, 혈류, 산소포화도 중 적어도 어느 하나를 간편하고 정확하게 측정하여 사용자에게 제공할 수 있다.
또한, 본 발명은 웨어러블유닛의 세부 구성을 통해 사용자의 팔 또는 다리 또는 머리에 웨어러블유닛을 착용함에 있어서, 웨어러블유닛의 착용을 자연스럽게 하고, 웨어러블유닛의 착용에 대한 부담을 최소화시킬 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 압력센서를 이용한 스마트 센싱시스템의 구성을 도시한 블럭도이다.
도 2는 본 발명의 제1 실시예에 따른 압력센서를 이용한 스마트 센싱시스템의 구성을 도시한 블럭도이다.
도 3은 본 발명의 제2 실시예에 따른 압력센서를 이용한 스마트 센싱시스템의 구성을 도시한 블럭도이다.
도 4는 도 2 및 도 3에 도시된 전압-전류 증폭기의 제1 실시예를 도시한 도면이다.
도 5는 도 2 및 도 3에 도시된 전압-전류 증폭기의 제2 실시예를 도시한 도면이다.
도 6은 도 2 및 도 3에 도시된 가변저항의 구성을 도시한 도면이다.
도 7은 도 1 내지 도 3에 도시된 전압분배시정수의 구성을 도시한 회로도이다.
도 8은 본 발명의 다른 실시예에 따른 압력센서를 이용한 스마트 센싱시스템의 구성을 도시한 블럭도이다.
도 9는 본 발명의 일 실시예에 따른 압력센서를 이용한 스마트 센싱시스템이 적용된 웨어러블유닛의 다양한 구현예를 도시한 도면이다.
이하, 첨부된 도면들을 참조하여 본 발명에 따른 압력센서를 이용한 스마트 센싱시스템의 일 실시예를 설명한다. 이때, 본 발명은 실시예에 의해 제한되거나 한정되는 것은 아니다. 또한, 본 발명을 설명함에 있어서, 공지된 기능 혹은 구성에 대해 구체적인 설명은 본 발명의 요지를 명확하게 하기 위해 생략될 수 있다.
도 1을 참고하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 압력센서를 이용한 스마트 센싱시스템(100)은 압력센서(110), 차동증폭기(120), 전압분배시정수(130), 필터(140) 및 프로세서(150)를 포함할 수 있다.
압력센서(110)는 외부에서 인가되는 압력을 센싱하여 제1 가변전압(VBP) 및 제2 가변전압(VBN)을 생성할 수 있다. 압력센서(110)는 외부에서 인가되는 압력을 기반으로 전압값이 조절되는 제1 가변전압(VBP) 및 제2 가변전압(VBN)을 생성할 수 있다. 예를 들어, 압력센서(110)는 외부에서 인가되는 압력이 증가할수록 전압차가 증가하는 제1 가변전압(VBP) 및 제2 가변전압(VBN)을 생성할 수 있다.
차동증폭기(120)는 제1 가변전압(VBP) 및 제2 가변전압(VBN)을 인가 받아 증폭전압(VA)을 생성할 수 있다. 차동증폭기(120)는 제1 가변전압(VBP) 및 제2 가변전압(VBN)의 전압차에 따라 생성되는 출력전류와 제어신호(CTRL<1:N>)에 의해 조절되는 저항값에 따라 전압값이 결정되는 증폭전압(VA)을 생성할 수 있다. 차동증폭기(120)는 제1 가변전압(VBP) 및 제2 가변전압(VBN)의 전압차를 감지 증폭하고 저항값에 따라 전압값이 결정되는 증폭전압(VA)을 생성할 수 있다.
전압분배시정수(130)는 내부에 포함된 직렬저항을 사용한 전압분배를 기반으로 증폭전압(VA)의 특정 주파수 대역의 신호를 출력할 수 있다. 전압분배시정수(130)를 기반으로 생성되는 증폭전압(VA)는 외부에서 입력되는 압력에 대한 정보를 감지하기 위해 사용될 수 있다. 전압분배시정수(130)는 차동증폭기(120)에서 생성되는 증폭전압(VA)이 안정적으로 생성되는 경우 증폭전압(VA)을 바로 프로세서(150)로 출력하도록 구현될 수 있다.
필터(140)는 증폭전압(VA)에 포함된 특정 주파수 대역의 신호를 필터링하여 출력전압(VO)을 생성할 수 있다. 필터(140)는 전압분배시정수(130)를 통해 생성된 증폭전압(VA)에 대한 필터링을 수행하여 출력전압(VO)을 생성할 수 있다. 필터(140)는 차동증폭기(120)에서 생성되는 증폭전압(VA)이 안정적으로 생성되는 경우 필터링을 수행하지 않고 증폭전압(VA)을 바로 프로세서(150)로 출력하도록 구현될 수 있다.
프로세서(150)는 아날로그디지털변환기(151) 및 통신회로(152)를 포함할 수 있다.
아날로그디지털변환기(151)는 출력전압(VO)의 전압값에 대응하는 디지털신호(DIGITAL<1:M>)를 생성할 수 있다. 아날로그디지털변환기(151)는 아날로그 전압인 출력전압(VO)의 전압값에 따라 로직레벨조합이 가변하는 디지털신호(DIGITAL<1:M>)를 생성할 수 있다. 아날로그디지털변환기(151)는 아날로그 디지털 컨버터(ADC: Analog-Digital Converter)로 구현될 수 있다.
통신회로(152)는 아날로그디지털변환기(151)로부터 디지털신호(DIGITAL<1:M>)를 인가 받아 외부로 출력할 수 있다. 통신회로(152)는 디지털신호(DIGITAL<1:M>)를 액정화면을 통해 외부로 출력할 수 있다. 통신회로(152)는 디지털신호(DIGITAL<1:M>)로부터 파형을 생성하여 액정화면을 통해 외부로 출력할 수 있다. 통신회로(152)는 차동증폭기(120)에 포함되는 저항들의 저항값을 조절하기 위한 제어신호(CTRL<1:N>)를 생성할 수 있다. 통신회로(152)는 디지털신호(DIGITAL<1:M>)가 기 설정된 구간에 포함되지 않는 경우 제어신호(CTRL<1:N>)의 로직레벨 조합을 변경하여 차동증폭기(120)로 출력할 수 있다. 디지털신호(DIGITAL<1:M>)가 기 설정된 구간에 포함되지 않는 경우는 출력전압(VO)의 전압값이 너무 높거나 너무 낮은 경우로 설정되고 이는 인가된 압력이 너무 높거나 너무 낮은 경우를 의미한다. 좀더 구체적으로, 디지털신호(DIGITAL<1:M>)가 기 설정된 구간보다 높은 경우는 인가된 압력이 너무 높은 경우이므로 차동증폭기(120)에 포함되는 저항들의 저항값을 낮게 조절하도록 제어신호(CTRL<1:N>)의 로직레벨 조합을 변경하여 차동증폭기(120)로 출력할 수 있다. 또한, 디지털신호(DIGITAL<1:M>)가 기 설정된 구간보다 낮은 경우는 인가된 압력이 너무 낮은 경우이므로 차동증폭기(120)에 포함되는 저항들의 저항값을 낮게 조절하도록 제어신호(CTRL<1:N>)의 로직레벨 조합을 변경하여 차동증폭기(120)로 출력할 수 있다.
도 2는 본 발명의 제1 실시예에 따른 압력센서를 이용한 스마트 센싱시스템을 도시한 도면이다.
제1 실시예에 따른 압력센서를 이용한 스마트 센싱시스템의 압력센서(110)는 다수의 저항(R1,R2,R3,R4)으로 구현되는 저항형 압력센서로 구현될 수 있다.
압력센서(110)는 전원전압(VDD)과 접지전압(GND) 사이에 직렬로 연결되는 제1 저항(R1)과 제2 저항(R2)을 기반으로 제1 가변전압(VBP)을 생성할 수 있다. 압력센서(110)는 외부에서 인가되는 압력에 따라 저항값이 변경되는 제1 저항(R1)과 제2 저항(R2)의 저항값을 기반으로 제1 가변전압(VBP)을 생성할 수 있다. 압력센서(110)는 전원전압(VDD)과 접지전압(GND) 사이에 직렬로 연결되는 제3 저항(R3)과 제4 저항(R4)을 기반으로 제2 가변전압(VBN)을 생성할 수 있다. 압력센서(110)는 외부에서 인가되는 압력에 따라 저항값이 변경되는 제3 저항(R3)과 제4 저항(R4)을 기반으로 제2 가변전압(VBN)을 생성할 수 있다. 제1 저항(R1), 제2 저항(R2), 제3 저항(R3)과 제4 저항(R4)은 외부에서 인가되는 압력에 따라 저항값이 변경되는 가변저항으로 구현될 수 있다.
제1 실시예에 따른 압력센서를 이용한 스마트 센싱시스템의 차동증폭기(120)는 전압-전류 증폭기(121) 및 가변저항(122)을 포함할 수 있다.
전압-전류 증폭기(121)는 제1 가변전압(VBP) 및 제2 가변전압(VBN)의 전압차를 감지 증폭하여 생성되는 출력전류(Iout)를 생성할 수 있다. 전압-전류 증폭기(121)는 제1 가변전압(VBP) 및 제2 가변전압(VBN)의 전압차에 따라 전류값이 가변하는 출력전류(Iout)를 생성할 수 있다.
가변저항(122)은 제어신호(CTRL<1:N>)에 따라 저항값이 조절될 수 있다.
즉, 차동증폭기(120)는 전압-전류 증폭기(121)에서 생성되는 출력전류(Iout)와 가변저항(122)의 저항값에 따라 전압값이 조절되는 증폭전압(VA)를 생성할 수 있다. 증폭전압(VA)의 전압값은 출력전류(Iout)와 가변저항(122)의 저항값의 곱으로 설정될 수 있다.
도 2에 도시된 전압분배시정수(130), 필터(140) 및 프로세서(150)는 앞서 도 1에서 설명한 구성과 동일한 회로로 구현되므로 구체적인 설명은 생략한다.
도 3은 본 발명의 제2 실시예에 따른 압력센서를 이용한 스마트 센싱시스템을 도시한 도면이다.
제2 실시예에 따른 압력센서를 이용한 스마트 센싱시스템의 압력센서(110)는 다수의 전류원(111,112)과 다수의 캐패시터(C1,C2)로 구현되는 캐패시터형 압력센서로 구현될 수 있다.
압력센서(110)는 직렬로 연결되는 제1 전류원(111)과 제1 캐패시터(C1)를 기반으로 제1 가변전압(VBP)을 생성할 수 있다. 압력센서(110)는 직렬로 연결되는 제1 전류원(111)과 외부에서 인가되는 압력에 따라 캐패시턴스값이 변경되는 제1 캐패시터(C1)를 기반으로 제1 가변전압(VBP)을 생성할 수 있다. 압력센서(110)는 직렬로 연결되는 제2 전류원(112)과 제2 캐패시터(C2)를 기반으로 제2 가변전압(VBN)을 생성할 수 있다. 압력센서(110)는 직렬로 연결되는 제2 전류원(112)과 외부에서 인가되는 압력에 따라 캐패시턴스값이 변경되는 제2 캐패시터(C2)를 기반으로 제2 가변전압(VBN)을 생성할 수 있다. 제1 캐패시터(C1) 및 제2 캐패시터(C2)는 외부에서 인가되는 압력에 따라 캐패시턴스값이 변경되는 가변캐패시터로 구현될 수 있다.
제2 실시예에 따른 압력센서를 이용한 스마트 센싱시스템의 차동증폭기(120)는 전압-전류 증폭기(121) 및 가변저항(122)를 포함할 수 있다.
전압-전류 증폭기(121)는 제1 가변전압(VBP) 및 제2 가변전압(VBN)의 전압차를 감지 증폭하여 생성되는 출력전류(Iout)를 생성할 수 있다. 전압-전류 증폭기(121)는 제1 가변전압(VBP) 및 제2 가변전압(VBN)의 전압차에 따라 전류값이 가변하는 출력전류(Iout)를 생성할 수 있다.
가변저항(122)은 제어신호(CTRL<1:N>)에 따라 저항값이 조절될 수 있다.
즉, 차동증폭기(120)는 전압-전류 증폭기(121)에서 생성되는 출력전류(Iout)와 가변저항(122)의 저항값에 따라 전압값이 조절되는 증폭전압(VA)를 생성할 수 있다. 증폭전압(VA)의 전압값은 출력전류(Iout)와 가변저항(122)의 저항값의 곱으로 설정될 수 있다.
도 3에 도시된 전압분배시정수(130), 필터(140) 및 프로세서(150)는 앞서 도 1에서 설명한 구성과 동일한 회로로 구현되므로 구체적인 설명은 생략한다.
도 4는 도2 및 도3에 도시된 전압-전류 증폭기(121a)의 제1 실시예를 도시한 도면이다.
전압-전류 증폭기(121a)는 다수의 트랜지스터들로 구현되는 전압-전류 증폭기로 구현될 수 있다. 전압-전류 증폭기(121a)는 제1 가변전압(VBP) 및 제2 가변전압(VBN)의 전압차를 감지하고, 내부에 포함된 트랜지스터들의 비율(1:K)에 따라 전압차를 증폭하여 출력전류(Iout)의 전류값을 조절할 수 있다.
도 5는 도2 및 도3에 도시된 전압-전류 증폭기(121b)의 제2 실시예를 도시한 도면이다.
전압-전류 증폭기(121b)는 다수의 비교기 및 다수의 저항들로 구현되는 OP-AMP로 구현될 수 있다. 전압-전류 증폭기(121b)는 제1 가변전압(VBP) 및 제2 가변전압(VBN)의 전압차를 감지하고, 전압차를 감지 증폭하여 증폭전압(VA)을 생성할 수 있다.
도 6은 도2 및 도3에 도시된 본 발명의 일 실시예에 따른 가변저항(122)을 도시한 도면이다.
가변저항(122)은 증폭전압(VA)이 출력되는 노드와 접지전압(GND) 사이에 직렬로 연결되는 다수의 저항들(R11~Rn)과 다수의 스위치들(SW11~SWn)을 포함할 수 있다. 가변저항(122)은 제어신호(CTRL<1:N>)에 따라 다수의 스위치들(SW11~SWn)이 선택적으로 턴온되어 저항값이 조절될 수 있다. 예를 들어, 제어신호(CTRL<1:N>) 중 제1 제어신호(CTRL<1>)와 제2 제어신호(CTRL<2>)가 로직하이레벨로 생성되는 경우 제1 스위치(SW11)와 제2 스위치(SW12)가 턴온되고 제1 스위치(SW11)와 제2 스위치(SW12)에 의해 병렬로 연결된 제1 저항(R11)과 제2 저항(R12)의 저항값에 의해 가변저항(122)의 저항값이 조절된다. 즉, 가변저항(122)의 저항값은 제어신호(CTRL<1:N>)에 따라 다양한 저항값을 갖도록 조절될 수 있다.
도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 전압분배시정수(130)의 구성을 도시한 회로도이다.
전압분배시정수(130)는 전원전압(VDD)과 출력전압(VO)이 출력되는 노드 사이 에 연결되는 저항(R21), 출력전압(VO)이 출력되는 노드와 접지전압(GND) 사이에 연결되는 저항(R22) 및 출력전압(VO)이 출력되는 노드에 연결되어 증폭전압(VA)을 입력 받아 출력전압(VO)을 생성하는 캐패시터(C21)로 구현될 수 있다. 직렬로 연결되는 저항(R21)과 저항(R22)은 전원전압(VDD)을 전압분배하고 캐패시터(C21)는 증폭전압(VA)의 직류 성분을 제거하기 위한 역할을 수행할 수 있다.
전압분배시정수(130)의 시정수가 상대적으로 작아지는 경우, 전압분배시정수(130)를 통해 출력되는 출력전압(VO)의 고주파 특성이 상대적으로 강해질 수 있다. 또한, 전압분배시정수(130)의 시정수가 상대적으로 커지는 경우, 전압분배시정수(130)를 통해 출력되는 출력전압(VO)의 고주파 특성이 상대적으로 약해질 수 있다.
도 8을 참고하면, 본 발명의 다른 실시예에 따른 압력센서를 이용한 스마트 센싱시스템(200)은 압력센서(210), 차동증폭기(220) 및 프로세서(230)를 포함할 수 있다.
압력센서(210)는 외부에서 인가되는 압력을 센싱하여 제1 가변전압(VBP) 및 제2 가변전압(VBN)을 생성할 수 있다. 압력센서(210)는 외부에서 인가되는 압력을 기반으로 전압값이 조절되는 제1 가변전압(VBP) 및 제2 가변전압(VBN)을 생성할 수 있다. 예를 들어, 압력센서(210)는 외부에서 인가되는 압력이 증가할수록 전압차가 증가하는 제1 가변전압(VBP) 및 제2 가변전압(VBN)을 생성할 수 있다. 압력센서(210)는 앞서 도 1 내지 도 3에 도시된 압력센서(110)와 동일한 회로로 구현되어 동일한 동작을 수행하도록 구현될 수 있다.
차동증폭기(220)는 제1 가변전압(VBP) 및 제2 가변전압(VBN)을 인가 받아 출력전압(VO)을 생성할 수 있다. 차동증폭기(220)는 제1 가변전압(VBP) 및 제2 가변전압(VBN)의 전압차에 따라 생성되는 출력전류와 제어신호(CTRL<1:N>)에 의해 조절되는 저항값에 따라 전압값이 결정되는 출력전압(VO)을 생성할 수 있다. 차동증폭기(220)는 제1 가변전압(VBP) 및 제2 가변전압(VBN)의 전압차를 감지 증폭하고 저항값에 따라 전압값이 결정되는 출력전압(VO)을 생성할 수 있다. 차동증폭기(220)는 앞서 도 1 내지 도3에 도시된 차동증폭기(120)와 동일한 회로로 구현될 수 있다.
프로세서(230)는 아날로그디지털변환기(231) 및 통신회로(232)를 포함할 수 있다.
아날로그디지털변환기(231)는 출력전압(VO)의 전압값에 대응하는 디지털신호(DIGITAL<1:M>)를 생성할 수 있다. 아날로그디지털변환기(231)는 아날로그 전압인 출력전압(VO)의 전압값에 따라 로직레벨조합이 가변하는 디지털신호(DIGITAL<1:M>)를 생성할 수 있다. 아날로그디지털변환기(231)는 일반적인 아날로그 디지털 컨버터(ADC: Analog-Digital Converter)로 구현될 수 있다.
통신회로(232)는 아날로그디지털변환기(231)로부터 디지털신호(DIGITAL<1:M>)를 인가 받아 외부로 출력할 수 있다. 통신회로(232)는 디지털신호(DIGITAL<1:M>)를 액정화면을 통해 외부로 출력할 수 있다. 통신회로(232)는 디지털신호(DIGITAL<1:M>)로부터 파형을 생성하여 액정화면을 통해 외부로 출력할 수 있다. 통신회로(232)는 차동증폭기(220)에 포함되는 저항들의 저항값을 조절하기 위한 제어신호(CTRL<1:N>)를 생성할 수 있다. 통신회로(232)는 디지털신호(DIGITAL<1:M>)가 기 설정된 구간에 포함되지 않는 경우 제어신호(CTRL<1:N>)의 로직레벨 조합을 변경하여 차동증폭기(220)로 출력할 수 있다. 디지털신호(DIGITAL<1:M>)가 기 설정된 구간에 포함되지 않는 경우는 출력전압(VO)의 전압값이 너무 높거나 너무 낮은 경우로 설정되고 이는 인가된 압력이 너무 높거나 너무 낮은 경우를 의미한다. 좀더 구체적으로, 디지털신호(DIGITAL<1:M>)가 기 설정된 구간보다 높은 경우는 인가된 압력이 너무 높은 경우이므로 차동증폭기(220)에 포함되는 저항들의 저항값을 낮게 조절하도록 제어신호(CTRL<1:N>)의 로직레벨 조합을 변경하여 차동증폭기(220)로 출력할 수 있다. 또한, 디지털신호(DIGITAL<1:M>)가 기 설정된 구간보다 낮은 경우는 인가된 압력이 너무 낮은 경우이므로 차동증폭기(220)에 포함되는 저항들의 저항값을 낮게 조절하도록 제어신호(CTRL<1:N>)의 로직레벨 조합을 변경하여 차동증폭기(220)로 출력할 수 있다.
상술한 압력센서를 이용한 스마트 센싱시스템에 따르면, 사용자로부터 인가되는 압력을 감지하고 감지결과를 디지털신호 및 파형로 변환하여 사용자의 신체 상황을 실시간으로 모니터링할 수 있다.
도 9를 참고하여 본 발명의 일 실시예에 따른 압력센서를 이용한 스마트 센싱시스템이 적용된 웨어러블유닛의 다양한 구현예를 설명하면 다음과 같다.
압력센서를 이용한 스마트 센싱시스템(100)은 웨어러블유닛(W)에서 사용자의 신체와 접촉되는 면에 구비된다.
여기서, 웨어러블유닛(W)은 사용자의 머리를 감싸는 헤드밴드(WH)와, 사용자의 시력을 교정하거나 사용자의 눈을 보호하거나 가상현실 체험을 위해 사용자의 머리에 탈부착 가능하게 착용하는 헤드셋(WG)과, 사용자의 팔 또는 다리에 탈부착 가능하게 착용하는 탈착밴드(WW)와, 사용자의 머리 보호를 위해 사용자의 머리에 착용하는 헤드캡(WC)과, 사용자의 신체 상황을 측정하기 위한 위치에 탈부착 가능하게 부착되는 탈착패치(미도시) 중 어느 하나를 포함할 수 있다.
여기서, 헤드밴드(WH)는 탄성을 가지므로, 압력센서를 이용한 스마트 센싱시스템(100)과 사용자의 신체 밀착력을 향상시킬 수 있다. 헤드밴드(WH)는 사용자의 머리 둘레에 대응하여 사용자의 머리에 안정되게 안착 지지될 수 있다. 그러면, 도 9의 (a)에 도시된 바와 같이 압력센서를 이용한 스마트 센싱시스템(100)은 사용자의 머리 관자놀이에 위치하도록 헤드밴드(WH)의 내측면에 구비될 수 있다.
또한, 헤드셋(WG)은 안경, 고글, 가상현실 체험용 헤드셋으로 구분할 수 있다. 그러면, 도 9의 (b)에 도시된 바와 같은 헤드셋(WG) 중 안경의 경우, 압력센서를 이용한 스마트 센싱시스템(100)은 사용자의 머리 관자놀이에 위치하도록 안경다리에 구비될 수 있다. 헤드셋(WG) 중 고글이나 가상현실 체험용 헤드셋의 경우, 압력센서를 이용한 스마트 센싱시스템(100)은 고글프레임이나 헤드셋 프레임에 구비되거나, 고글프레임 지지를 위한 고글다리 또는 고글밴드에 구비되거나, 헤드셋 프레임의 지지를 위한 헤드셋밴드에 구비될 수 있다. 고글밴드 또는 헤드셋밴드는 탄성을 가지므로, 압력센서를 이용한 스마트 센싱시스템(100)과 사용자의 신체 밀착력을 향상시킬 수 있다.
또한, 탈착밴드(WW)는 탄성을 가지므로, 압력센서를 이용한 스마트 센싱시스템(100)과 사용자의 신체 밀착력을 향상시킬 수 있다. 탈착밴드(WW)는 사용자의 팔 둘레 또는 다리 둘레에 대응하여 사용자의 팔 또는 다리에 안정되게 안착 지지될 수 있다. 탈착밴드(WW)의 양단에는 상호 탈부착이 가능한 탈착결합부가 구비됨에 따라 사용자의 신체에서 탈착밴드(WW)의 탈부착을 간편하게 할 수 있다. 그러면, 도 9의 (c)에 도시된 바와 같이 압력센서를 이용한 스마트 센싱시스템(100)은 사용자의 팔목 또는 사용자의 발목에 접촉되도록 탈착밴드(WW)의 내측면에 구비될 수 있다.
또한, 헤드캡(WC)은 모자, 헬맷으로 구분할 수 있다. 모자의 경우, 머리를 감싸는 캡부의 내측 가장자리에는 탄성을 갖는 모자밴드가 구비될 수 있다. 헬맷의 경우, 헬맷의 내측 가장자리에는 사용자의 머리를 감싸 지지하는 헬맷밴드가 구비될 수 있다. 그러면, 도 9의 (d)에 도시된 바와 같이 헤드캡(WC) 중 모자의 경우, 압력센서를 이용한 스마트 센싱시스템(100)은 사용자의 머리 관자놀이에 위치하도록 헤드캡(WC)의 내측에 구비될 수 있다.
또한, 탈착패치(미도시)는 탄성을 가지므로, 압력센서를 이용한 스마트 센싱시스템(100)과 사용자의 신체 밀착력을 향상시킬 수 있다.
상술한 압력센서를 이용한 스마트 센싱시스템이 적용된 웨어러블유닛(W)에 따르면, 사용자로부터 인가되는 압력을 감지하고 감지결과를 디지털신호로 변환하여 사용자의 신체 상황을 실시간으로 모니터링할 수 있다.
제1 실시예
100. 압력센서를 이용한 스마트 센싱시스템
110. 압력센서 120. 차동증폭기
121. 전압-전류 증폭기 122. 가변저항
130. 전압분배시정수 140. 필터
150. 프로세서 151. 아날로그디지털변환기
152. 통신회로
제2 실시예
200. 압력센서를 이용한 스마트 센싱시스템
210. 압력센서 220. 차동증폭기
230. 프로세서 231. 아날로그디지털변환기
232. 통신회로
W: 웨어러블유닛 WH: 헤드밴드
WG: 헤드셋 WW: 탈착밴드
WC: 헤드캡

Claims (8)

  1. 인가되는 압력을 센싱하여 제1 가변전압 및 제2 가변전압을 생성하는 압력센서;
    상기 제1 가변전압 및 상기 제2 가변전압의 전압차에 따라 생성되는 출력전류와 제어신호에 의해 조절되는 저항값에 따라 전압값이 결정되는 출력전압을 생성하는 차동증폭기; 및
    상기 출력전압의 전압값을 감지하여 상기 인가되는 압력을 측정하고, 상기 증폭전압의 전압값을 조절하기 위한 상기 제어신호를 출력하는 프로세서를 포함하는 압력센서를 이용한 스마트 센싱시스템.
  2. 제 1 항에 있어서, 상기 제1 가변전압 및 상기 제2 가변전압은 상기 인가되는 압력을 기반으로 전압값이 조절되는 것을 특징으로 하는 압력센서를 이용한 스마트 센싱시스템.
  3. 제 1 항에 있어서, 상기 압력센서는
    전원전압과 접지전압 사이에 연결되는 제1 내지 제4 저항을 포함하고,
    상기 인가되는 압력에 따라 저항값이 변경되는 상기 제1 저항과 상기 제2 저항의 저항값을 기반으로 상기 제1 가변전압을 생성하고, 상기 인가되는 압력에 따라 저항값이 변경되는 상기 제3 저항과 상기 제4 저항의 저항값을 기반으로 상기 제2 가변전압을 생성하는 압력센서를 이용한 스마트 센싱시스템.
  4. 제 1 항에 있어서, 상기 압력센서는
    직렬로 연결되는 제1 및 제2 전류원과 제1 및 제2 캐패시터를 포함하고,
    상기 인가되는 압력에 따라 캐패시턴스값이 변경되는 상기 제1 캐패시터의 캐패시턴스값을 기반으로 상기 제1 가변전압을 생성하고, 상기 인가되는 압력에 따라 캐패시턴스값이 변경되는 상기 제2 캐패시터의 캐패시턴스값을 기반으로 상기 제2 가변전압을 생성하는 압력센서를 이용한 스마트 센싱시스템.
  5. 제 1 항에 있어서, 상기 차동증폭기는
    상기 제1 가변전압과 상기 제2 가변전압의 전압차를 감지 증폭하여 생성되는 상기 출력전류와 상기 저항값에 따라 전압값이 결정되는 상기 출력전압을 생성하는 전압전류 증폭기로 구현되는 것을 특징으로 하는 압력센서를 이용한 스마트 센싱시스템.
  6. 제 1 항에 있어서, 상기 차동증폭기는
    상기 제1 가변전압과 상기 제2 가변전압의 전압차를 감지 증폭하여 상기 출력전압을 생성하는 OP-AMP 차동증폭기로 구현되는 것을 특징으로 하는 압력센서를 이용한 스마트 센싱시스템.
  7. 제 1 항에 있어서, 상기 프로세서는
    상기 출력전압의 전압값에 대응하는 상기 디지털신호를 생성하는 아날로그디지털변환기; 및
    상기 디지털신호가 기 설정된 구간에 포함되지 않는 경우 상기 제어신호의 로직레벨 조합을 변경하여 출력하고, 상기 디지털신호를 외부 장치로 출력하는 통신회로를 포함하는 압력센서를 이용한 스마트 센싱시스템.
  8. 인가되는 압력에 따라 가변되는 제1 가변전압 및 제2 가변전압의 전압차에 따라 생성되는 출력전류와 제어신호에 의해 조절되는 저항값에 따라 전압값이 결정되는 증폭전압을 생성하는 차동증폭기;
    직렬저항을 포함하고, 상기 직렬저항을 사용한 전압분배를 기반으로 상기 증폭전압의 특정 주파수 대역의 신호를 출력하는 전압분배시정수;
    상기 증폭전압에 포함된 특정 주파수 대역의 신호를 필터링하여 출력전압을 생성하는 필터; 및
    상기 출력전압의 전압값을 감지하여 상기 인가되는 압력을 측정하고, 상기 출력전압의 전압값에 대응하는 디지털신호를 외부로 출력하는 프로세서를 포함하는 압력센서를 이용한 스마트 센싱시스템.
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