TWI649972B - 感測器介面電路和感測器輸出調整方法 - Google Patents

感測器介面電路和感測器輸出調整方法 Download PDF

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Abstract

根據本發明之一實施例提供了一種感測器介面電路和感測器輸出調整方法。感測器介面電路包括一處理器以及一增益控制電路。處理器取得一感測器之一線性區間之資訊以設定對應上述感測器之一配置。增益控制電路耦接上述處理器，對對應上述線性區間之一最大電性值以及一最小電性值執行一歸零操作，以及根據一類比至數位轉換器之一最大輸入範圍，對上述線性區間之一斜率執行一輸出全擺幅控制操作，其中上述類比至數位轉換器係上述感測器介面電路之一次級電路。

Description

感測器介面電路和感測器輸出調整方法
本發明說明書主要係有關於一感測器介面電路技術，特別係有關於可應用在不同種類感測器之感測器介面電路，以及標準化不同種類感測器之感測器輸出。
針對不同的應用，不同種類之感測器被開發出來。在現今新感測器之開發，新的感測器需要藉由一認證平台來進行認證。然而，若認證平台不能滿足新的感測器之需求，就需要設計出新的認證平台。因此，感測器之開發時間將會被延長。
此外，不同種類之感測器會具有不同特性資訊或需要不同驅動電路。也就是說，針對不同種類之感測器之開發和認證，每一種不同種類之感測器需要本身專屬之感測器介面電路。因此，不同種類之感測器之開發和認證缺乏了效率和彈性。
有鑑於上述先前技術之問題，本發明提供了感測器介面電路和感測器輸出調整方法。
根據本揭露之一實施例提供了一種感測器介面電 路。上述感測器介面電路包括一處理器，以及一增益控制電路。處理器取得一感測器之一線性區間之資訊以設定對應上述感測器之一配置。增益控制電路耦接上述處理器，對對應上述線性區間之一最大電性值以及一最小電性值執行一歸零操作，以及根據一類比至數位轉換器之一最大輸入範圍，對上述線性區間之一斜率執行一輸出全擺幅控制操作，其中上述類比至數位轉換器係上述感測器介面電路之一次級電路。處理器更根據上述線性區間定義一感測器範圍。
根據本發明之一實施例提供了一種感測器輸出調整方法。感測器輸出調整方法之步驟包括：取得一感測器之一線性區間之資訊；對對應上述線性區間之一最大電性值以及一最小電性值執行一歸零操作；根據一類比至數位轉換器之一最大輸入範圍，對上述線性區間之一斜率執行一輸出全擺幅控制操作；以及設定上述對應上述感測器之一配置。
關於本發明其他附加的特徵與優點，此領域之熟習技術人士，在不脫離本發明之精神和範圍內，當可根據本案實施方法中所揭露之感測器介面電路以及感測器輸出調整方法，做些許的更動與潤飾而得到。
100‧‧‧感測器介面電路
110‧‧‧處理器
120‧‧‧增益控制電路
130‧‧‧驅動電路
140‧‧‧儲存裝置
150‧‧‧開關電路
200‧‧‧感測器
410‧‧‧位準位移電路
420‧‧‧增益控制器
430‧‧‧放大器
610-1、610-2、610-3、610-4、610-5、610-6‧‧‧開關
620-1、620-2、620-3‧‧‧感測器
第1圖係顯示根據本揭露之一實施例所述之感測器介面電路100之方塊圖。
第2A圖係顯示根據本揭露之一實施例所述之一種感測器 示意圖。
第2B圖係顯示根據本揭露之另一實施例所述之一種感測器示意圖。
第3A-3C圖係顯示根據本揭露之一實施例所述之感測器線性區間與電路輸出響應之示意圖。
第4圖係顯示根據本揭露之一實施例所述之增益控制電路120之方塊圖。
第5A-5B圖係顯示根據本揭露之另一實施例所述之感測器線性區間與電路輸出響應之示意圖。
第6圖係顯示根據本揭露之一實施例所述之開關電路150之方塊圖。
第7圖係根據本揭露之一實施例所述之感測器輸出調整方法之流程圖。
本章節所敘述的是實施本發明之最佳方式，目的在於說明本發明之精神而非用以限定本發明之保護範圍，本發明之保護範圍當視後附之申請專利範圍所界定者為準。
第1圖係顯示根據本揭露之一實施例所述之感測器介面電路100之方塊圖。感測器介面電路100可應用在針對不同種類感測器之開發之一認證平台。也就是說，感測器介面電路100可應用在不同種類之感測器，例如：電壓觸發-電壓輸出(voltage-excited-voltage-output)之感測器(如第2A圖所示)或電流觸發-電壓輸出(current-excited-voltage-output)之感測 器(如第2B圖所示)，但本揭露並不以此為限。
感測器介面電路100包括一處理器110、一增益控制電路120、一驅動電路130以及一儲存裝置140。注意地是，為了闡明本揭露之內容，第1圖僅係顯示一簡化之方塊圖，在此方塊圖中僅顯示和本揭露相關之元件。然而，本揭露並不以第1圖所示之方塊圖為限。
第3A-3C圖係顯示根據本揭露之一實施例所述之感測器線性區間與電路輸出響應之示意圖。第3A圖為一感測器之響應(環境物理量和感測器元件值之比)範例。第3B圖為根據此範例感測器並透過特定拓撲得到之電性響應(環境物理量和電性輸出之比)。第3C圖為根據此範例感測器並配合本案提出之方法所得到之電路輸出響應(環境物理量和本案提出之方法電路類比輸出之比，適用於輸入範圍為0~3.3V之類比數位轉換器)。
根據本揭露之一實施例，當一感測器200連接至感測器介面電路100，處理器110會掃描對應感測器200之環境值(environment value)，以取得線性區間(linear region)之資訊(如第3A圖所示)，以及感測器200之其他相關的特性資訊(例如：感測器200之靈敏度)。舉例來說，若感測器200之感測環境係對應電流，處理器110會從0安培(A)到100安培(A)掃描對應感測器200之環境值。當處理器110掃描對應感測器200之環境值後，感測器200會產生對應電流範圍(0A~100A)之感測值，且根據感測器200之拓撲(topology)(如第2A圖所示)將感測值轉換為感測器200之電性值(electronic value)。接 著，處理器110會取得感測器200之線性區間之資訊。以第3A和3B圖為例，當處理器110掃描對應感測器200之環境值時，感測器200會產生對應掃描環境值之電流區間之感測值，且根據感測器200之拓撲，將感測值轉換為感測器200之電性值。當感測器200之電性值產生後，處理器110會取得感測器200之線性區間(從Sbottom至Stop)之資訊。感測器200之線性區間可視為感測器200之操作區間。當感測器200操作在線性區間時，感測器200會產生與環境物理量成線性變化的感測值，易於根據感測值判斷環境之物理量。
處理器110根據感測器200之線性區間，可定義一感測器範圍(sensor range)、一最大電性值、一最小電性值，以及線性區間之斜率。以第3B圖為例，感測器範圍係從Sbottom至Stop、最大電性值係Etop、最小電性值係Ebottom，且線性區間之斜率為△E/△S，其中△E=Etop-Ebottom，且△S=Stop-Sbottom。
根據本揭露之一實施例，驅動電路130耦接至處理器110以及感測器200。當感測器200連接至感測器介面電路100時，驅動電路130會傳送一驅動源(例如：一驅動電壓或一驅動電流)至感測器200。根據本揭露之一實施例，當處理器110取得感測器200之線性區間(如第3B圖所示)之資訊時，處理器110會根據感測器200之線性區間，校正驅動源之值。也就是說，當感測器200之電性值超過線性區間時，處理器110會降低驅動源之值。根據本揭露之一實施例，針對不同種類之感測器，驅動電路130係一可程式(programmable)驅動器。根 據本揭露之一些實施例，一些種類之感測器不需要驅動源，即可感測環境直接產生信號。
根據本揭露之實施例，對應線性區間之相關參數，以及感測器200之其他相關特性資訊會被儲存或記錄在儲存裝置140。因此，在處理器110已掃描對應感測器200之環境值，取得對應感測器200之線性區間之資訊，以及對應線性區間之相關參數後，當感測器200產生感測器輸出(或感測信號)時，處理器110將會從儲存裝置140讀取感測器200之相關資訊，而不用再次掃描對應感測器200之環境值。
根據本揭露之一實施例，感測器200之相關特性資訊會被預先儲存在儲存裝置140。舉例來說，和處理器200之資料庫(data sheet)相關之資訊會被預先儲存在儲存裝置140，其中資料庫中可包括感測器200之線性區間以及相關特性資訊之資訊。因此，在本揭露之此實施例中，處理器110會直接從儲存裝置140讀取感測器200之特性資訊，以根據此特性資訊取得感測器200之線性區間之資訊。也就是說，處理器110不需要掃描對應感測器200之環境值(或感測值)來取得感測器200之線性區間以及相關特性資訊之資訊。
根據本揭露之一實施例，當處理器110已經根據線性區間，定義感測器範圍、最大電性值、最小電性值，線性區間之斜率，處理器110會透過增益控制電路120對感測器200之感測器輸出執行一歸零操作(return-to-zero)以及一輸出全擺幅(full-scale)控制操作，以提高感測器輸出的增益效果。
增益控制電路120會對感測器200之感測器輸出 執行一歸零操作。在歸零操作時，增益控制電路120會執行一直流位準位移(direct-current(DC)level shift)操作。也就是說，對應感測器200之線性區間之電性值會減掉一直流位準，以使得最小電性值位移至0(或趨近0)。以第3B圖為例，若最大電性值Etop是2.5伏特(V)且最小電性值Ebottom是1.5伏特(V)，在歸零操作後，最大電性值Etop將會位移至1伏特(2.5V-1.5V)，以及最小電性值Ebottom將會位移至0伏特(1.5V-1.5V)。此外，其他對應感測器200之線性區間之電性值亦會被減掉1.5V。
在歸零操作後，增益控制電路120會根據一類比至數位轉換器(analog-to-digital(ADC)convertor)之一最大輸入範圍，對線性區間之斜率執行一輸出全擺幅控制操作，其中類比至數位轉換器係感測器介面電路100之一次級電路(subsequent-stage circuit)。在輸出全擺幅控制操作下，對應感測器200之線性區間之電性值會被乘上一增益值，以使得最大電性值會變為類比至數位轉換器之最大輸入範圍。以第3B和3C圖為例，若在歸零操作後，最大電性值Etop是1伏特且最小電性值Ebottom是0伏特，且類比至數位轉換器之最大輸入範圍係3.3伏特，當對應感測器200之線性區間之電性值會乘上一增益值時，最大電性值Etop會變為類比至數位轉換器之最大輸入範圍係3.3伏特，其中此增益值為3.3/(2.5-1.5)。透過輸出全擺幅控制操作後，線性區間之斜率就會被改變。如第3C圖所示，線性區間之斜率會從△E/△S變為△ln/△S。此外，透過輸出全擺幅控制操作後，感測器200之線性區間會被調整至可應用在類比至數位轉換器之最大輸入範圍，以增加類比至 數位轉換器之解析度(resolution)。
在歸零操作和輸出全擺幅控制操作後，感測器輸出會被提供給類比至數位轉換器以及其他後端裝置(post device)，以進行後端處理(post processing)，例如：數位信號處理和信號分析。對於不同種類的感測器，經過歸零操作和輸出全擺幅控制操作後，不同種類的感測器之感測器輸出會根據類比至數位轉換器之最大輸入範圍被標準化(standardized)。標準化之感測器輸出可被提供給類比至數位轉換器以及其他後端裝置，以進行後端處理。
注意地是，為了闡明本揭露之內容，第3A-3C圖僅係顯示本揭露之一實施例，但本揭露並不以第3A-3C圖所示之內容為限。也就是說，根據不同種類之感測器，第3A-3C圖所示之線性區間和相關參數會有所不同。
第4圖係顯示根據本揭露一實施例所述之增益控制電路120之方塊圖。如第4圖所示，增益控制電路120可包括一位準位移電路410、一增益控制器420以及一放大器430。位準位移電路410可係一減法器(subtractor)，以執行歸零操作。增益控制器420會根據類比至數位轉換器之最大輸入範圍以及位準位移電路410之輸出，決定增益值。放大器430可係一乘法器(multiplier)，以執行輸出全擺幅控制操作。注意地是，為了闡明本揭露之內容，第4圖僅係顯示一簡化之方塊圖，在此方塊圖中僅顯示和本揭露相關之元件。然而，本揭露並不以第4圖所示之方塊圖為限。
根據本揭露之一實施例，感測器介面電路更包括 一偏移消除電路(offset cancelation circuit)(圖未顯示)。偏移消除電路耦接至增益控制電路120。偏移消除電路用以在感測器200之感測器輸出傳送給增益控制電路120之前，消除感測器200之感測器輸出之偏移。根據本揭露之一實施例，不同感測器之偏移會儲存在儲存裝置140中。根據本揭露之一實施例，偏移消除電路可包括或整合在增益控制電路120中。
在歸零操作和輸出全擺幅控制操作後，處理器110會設定對應感測器200之配置(configuration)，並將此配置儲存在儲存裝置140中。當感測器200產生新的感測器輸出，處理器110會從儲存裝置140讀取對應感測器200之配置，而不用再次執行上述操作。
根據本揭露之一實施例，若感測器200之目標區間(target region)小於感測器200之線性區間，處理器110會從線性區間選取目標區間，並放大對應目標區間之感測器輸出，以增加類比至數位轉換器之解析度和準確性。目標區間表示在電流環境中，感測器200僅會感測在目標區間之範圍內的信號。
第5A-5B圖係顯示根據本揭露之另一實施例所述之感測器線性區間與電路輸出響應之示意圖。第5A圖為某一特定應用下感測器之目標區間(即在此應用下，感測器不會變動超出目標區間範圍外)的感測器之響應(環境物理量和感測器元件值之比)範例。第5B圖為根據此範例感測器並配合本案提出之方法所得到之電路輸出響應(環境物理量和本案提出之方法電路類比輸出之比，適用於輸入範圍為0~3.3V之類比數 位轉換器)。
以第5A-5B圖為例，處理器110會從線性區間(如第5A圖所示)選取目標區間(例如：40A~41A)，也就是說，Sbottom會變為40，且Stop會變為41。接著，處理器110會放大對應目標區間之感測器輸出(如第5B圖所示)。第5A和5B圖所示之「max」係表示類比至數位轉換器之最大輸入範圍。根據本揭露之一實施例，當處理器110掃描對應感測器200之環境值，以取得感測器200之線性區間和其他相關特性資訊之資訊時，處理器110可直接掃描對應目標區間之環境值。
根據本揭露之一實施例，感測器介面電路100可包含一開關電路150。開關電路150包括分別對應不同感測器之複數開關。處理器110會掃描對應不同種類之感測器之環境值，以取得不同種類之感測器之線性區間和其他相關特性資訊之資訊，以及透過分時多工之方式對不同種類之感測器進行歸零操作和輸出全擺幅控制操作。也就是說，藉由切換開關，處理器110可分別連接到不同感測器。
第6圖係顯示根據本揭露一實施例所述之開關電路150之方塊圖。如第6圖所示，在開關電路150中，開關610-1配置在驅動電路130和感測器620-1之間，開關610-2配置在增益控制電路120和感測器620-1之間，開關610-3配置在驅動電路130和感測器620-2之間，開關610-4配置在增益控制電路120和感測器620-2之間，開關610-5配置在驅動電路130和感測器620-3之間，以及開關610-6配置在增益控制電路120和感測器620-3之間。處理器110會藉由切換開關610-1、開 關610-2、開關610-3、開關610-4、開關610-5和開關610-6，掃描對應感測器620-1、620-2和620-3之環境值，以取得感測器620-1、620-2和620-3之線性區間和其他相關特性資訊之資訊。感測器620-1、620-2和620-3之線性區間和其他相關特性資訊之資訊會儲存在儲存裝置140。此外，處理器110會藉由增益控制電路120分別對感測器620-1、620-2和620-3之處理器輸出進行歸零操作和輸出全擺幅控制操作。注意地是，為了闡明本揭露之內容，第6圖僅係顯示一簡化之方塊圖，在此方塊圖中僅顯示和本揭露相關之元件。然而，本揭露並不以第6圖所示之方塊圖為限。
第7圖係根據本揭露之一實施例所述之感測器輸出調整方法之流程圖。此感測器輸出調整方法可應用在感測器介面電路100，以開發不同種類之感測器。首先，在步驟S710，感測器介面電路100取得感測器之線性區間之資訊。在步驟S720，感測器介面電路100針對對應線性區間之最大電性值和最小電性值執行一歸零操作。在步驟S730，感測器介面電路100根據一類比至數位轉換器之一最大輸入範圍，對線性區間之斜率執行一輸出全擺幅控制操作，其中類比至數位轉換器係感測器介面電路100之一次級電路。在步驟S740，感測器介面電路100設定對應感測器之一配置。根據本揭露之實施例，在感測器輸出調整方法中，感測器介面電路100更儲存對應線性區間之相關參數，以及對應感測器之配置。根據本揭露之實施例，在感測器輸出調整方法中，感測器介面電路100更根據線性區間定義一感測器範圍。
根據本揭露之一些實施例，在感測器輸出調整方法中，感測器介面電路100更傳送一驅動源至感測器，以及根據感測器之線性區間校正驅動源之值。
根據本揭露之一些實施例，在步驟S710，感測器介面電路100會先掃描環境值，然後根據掃描到之環境值取得感測器之線性區間之資訊。根據本揭露之一些實施例，在步驟S710，感測器介面電路100會直接讀取預先儲存在儲存裝置之感測器之特性資訊，以根據此特性資訊感測器之線性區間之資訊。
根據本揭露之一些實施例，在感測器輸出調整方法中，感測器介面電路100更在步驟S720之前，消除感測器輸出之偏移。根據本揭露之一些實施例，在感測器輸出調整方法中，感測器介面電路100更從線性區間選取一目標區間，以及放大對應目標區間之感測器輸出。
在本揭露之感測器輸出調整方法中，感測器介面電路100可應用在一認證平台以開發不同種類之感測器。也就是說，當在開發不同種類之感測器時，將不需要針對每一種不同種類之感測器設計專屬之感測器介面電路。因此，將會增加了不同種類之感測器在開發和認證上之效率和彈性。
本發明之說明書所揭露之方法和演算法之步驟，可直接透過執行一處理器直接應用在硬體以及軟體模組或兩者之結合上。一軟體模組(包括執行指令和相關數據)和其它數據可儲存在數據記憶體中，像是隨機存取記憶體(RAM)、快閃記憶體(flash memory)、唯讀記憶體(ROM)、可抹除可規化唯讀 記憶體(EPROM)、電子可抹除可規劃唯讀記憶體(EEPROM)、暫存器、硬碟、可攜式應碟、光碟唯讀記憶體(CD-ROM)、DVD或在此領域習之技術中任何其它電腦可讀取之儲存媒體格式。一儲存媒體可耦接至一機器裝置，舉例來說，像是電腦/處理器(為了說明之方便，在本說明書以處理器來表示)，上述處理器可透過來讀取資訊(像是程式碼)，以及寫入資訊至儲存媒體。一儲存媒體可整合一處理器。一特殊應用積體電路(ASIC)包括處理器和儲存媒體。一用戶設備則包括一特殊應用積體電路。換句話說，處理器和儲存媒體以不直接連接用戶設備的方式，包含於用戶設備中。此外，在一些實施例中，任何適合電腦程序之產品包括可讀取之儲存媒體，其中可讀取之儲存媒體包括和一或多個所揭露實施例相關之程式碼。在一些實施例中，電腦程序之產品可包括封裝材料。
注意地是，儘管未明確指定，但在此描述的方法的一個或多個步驟可以根據特定應用的需要，包括存儲、顯示和/或輸出步驟。換言之，在所述方法中討論的任何數據、記錄、字段和/或中間結果可以根據特定應用的需要，被存儲、顯示和/或輸出到另一個設備。雖然前面所述是針對本發明的實施例的，別的和更多的本發明實施例可以被設計而不偏離其基本範圍。本文給出的各個實施例或其各個部分，可以被組合以建立更多的實施例。上述本發明實施例內容呈現了實現本發明的最佳模式。上本發明實施例內容用於舉例說明本發明的一般原理的實例的目的，不應被用以限制本發明。本發明之保護範圍當視後附之申請專利範圍所界定者為準。
以上段落使用多種層面描述。顯然的，本文的教示可以多種方式實現，而在範例中揭露之任何特定架構或功能僅為一代表性之狀況。根據本文之教示，任何熟知此技藝之人士應理解在本文揭露之各層面可獨立實作或兩種以上之層面可以合併實作。
雖然本發明已以較佳實施例揭露如上，然其並非用以限定本發明，任何熟習此技藝者，在不脫離本發明之精神和範圍內，當可作些許之更動與潤飾，因此本發明之保護範圍當視後附之申請專利範圍所界定者為準。

Claims (21)

  1. 一種感測器介面電路，包括：一處理器，取得一感測器之一線性區間之資訊以設定對應上述感測器之一配置；以及一增益控制電路，耦接上述處理器，對對應上述線性區間之一最大電性值以及一最小電性值執行一歸零操作，以及根據一類比至數位轉換器之一最大輸入範圍，對上述線性區間之一斜率執行一輸出全擺幅控制操作，其中上述類比至數位轉換器係上述感測器介面電路之一次級電路。
  2. 如申請專利範圍第1項所述之感測器介面電路，更包括：一儲存裝置，耦接至上述處理器，且儲存對應上述線性區間之相關參數，以及對應上述感測器之上述配置。
  3. 如申請專利範圍第2項所述之感測器介面電路，其中上述儲存裝置預先儲存上述感測器之特性資訊。
  4. 如申請專利範圍第3項所述之感測器介面電路，其中上述處理器讀取上述感測器之上述特性資訊，且根據上述特性資訊取得上述感測器之上述線性區間之上述資訊。
  5. 如申請專利範圍第1項所述之感測器介面電路，更包括：一驅動電路，耦接至上述處理器，且傳送一驅動源至上述感測器。
  6. 如申請專利範圍第5項所述之感測器介面電路，其中上述處理器根據上述感測器之線性區間，校正上述驅動源之值。
  7. 如申請專利範圍第1項所述之感測器介面電路，其中上述處理器掃描環境值，且根據掃描到之上述環境值，取得上述感測器之上述線性區間之上述資訊。
  8. 如申請專利範圍第1項所述之感測器介面電路，其中上述處理器根據上述線性區間定義一感測器範圍。
  9. 如申請專利範圍第1項所述之感測器介面電路，更包括：一偏移消除電路，耦接至上述增益控制電路，且消除一感測器輸出之一偏移。
  10. 如申請專利範圍第1項所述之感測器介面電路，其中上述處理器從上述線性區間選取一目標區間。
  11. 如申請專利範圍第1項所述之感測器介面電路，更包括：一開關電路，耦接至上述增益控制電路，且包括複數開關，其中上述處理器藉由切換上述複數開關，分別連接至不同感測器。
  12. 一種感測器輸出調整方法，包括：取得一感測器之一線性區間之資訊；傳送一驅動源至上述感測器；對對應上述線性區間之一最大電性值以及一最小電性值執行一歸零操作；根據一類比至數位轉換器之一最大輸入範圍，對上述線性區間之一斜率執行一輸出全擺幅控制操作；以及設定上述對應上述感測器之一配置。
  13. 如申請專利範圍第12項所述之感測器輸出調整方法，更包括：儲存對應上述線性區間之相關參數，以及對應上述感測器之上述配置。
  14. 如申請專利範圍第13項所述之感測器輸出調整方法，更包括：預先儲存上述感測器之特性資訊。
  15. 如申請專利範圍第14項所述之感測器輸出調整方法，更包括：讀取上述感測器之上述特性資訊；以及根據上述特性資訊取得上述感測器之上述線性區間之上述資訊。
  16. 如申請專利範圍第12項所述之感測器輸出調整方法，更包括：根據上述感測器之線性區間，校正上述驅動源之值。
  17. 如申請專利範圍第12項所述之感測器輸出調整方法，更包括：掃描環境值；以及根據掃描到之上述環境值，取得上述感測器之上述線性區間之上述資訊。
  18. 如申請專利範圍第12項所述之感測器輸出調整方法，更包括：根據上述線性區間定義一感測器範圍。
  19. 如申請專利範圍第12項所述之感測器輸出調整方法， 更包括：消除一感測器輸出之一偏移。
  20. 如申請專利範圍第12項所述之感測器輸出調整方法，更包括：從上述線性區間選取一目標區間。
  21. 如申請專利範圍第12項所述之感測器輸出調整方法，更包括：藉由切換一開關電路，分別連接至不同感測器，以設定對應不同感測器之配置。
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