CN116481599A - 多通道信号采集设备和传感器*** - Google Patents

Abstract

本公开涉及多通道信号采集设备和传感器***。该多通道信号采集设备获得多路传感器信号，其中所述多路传感器信号均为采用时域信号表达方式的模拟信号并且分别表示多个传感器各自对应的感测结果，并且该多通道信号采集设备包括：模数转换模块，被配置为将所述多路传感器信号中的部分或全部并行地转换成相应的数字信号。由此，利用本公开的多通道信号采集设备，能够提高***集成度，缩短多路传感器信号的采集处理时间，并且电路简单且芯片占地面积小。

Description

多通道信号采集设备和传感器***

技术领域

本公开涉及传感器领域，特别涉及对传感器信号的采集等相关处理。

背景技术

现有的多通道信号采集设备通常采用传统的基于总线传输的多通道信号采集架构，例如图1所示的。但是，在这种基于总线传输的多通道信号采集架构中，每一路信号通道都是一个完备的信号处理采集***，例如图1所示的，每一路信号通道都要包含信号调理模块、模数转换模块以及计算通信模块，导致综合成本大幅上升。

考虑到基于总线传输的多通道信号采集架构的以上问题，现有技术还提出了一种常见的多通道信号采集架构，即基于标准电压型模数转换器（Analog to DigitalConverter，以下简称“ADC”）的多通道信号采集架构，例如图2所示的。在该架构中各路信号通道共用模数转换模块和计算通信模块。但是，这种基于标准电压型模数转换器的架构在任一时刻只能处理一个通道的模拟电压输入，因此在有多路信号输入的情况下，需要前置一个多路选择模块，用来将传送过来的多路信号进行选择处理，即每一次选择多路信号中的一路传送给ADC进行模数转换。在如图2所示的有N路信号输入的情况下，假设每一路信号处理时间为t₀，则由于ADC需要分时处理，那么N路信号处理时间将为N*t₀，因此大幅增加了多通道信号的采集时间。

由此，希望改进多通道信号采集设备的架构。

发明内容

本公开要解决的一个技术问题是提供一种改进的多通道信号采集设备。

根据本公开的第一个方面，提供了一种多通道信号采集设备，其获得多路传感器信号，其中所述多路传感器信号均为采用时域信号表达方式的模拟信号并且分别表示多个传感器各自对应的感测结果，其中，所述多通道信号采集设备包括：模数转换模块，被配置为将所述多路传感器信号中的部分或全部并行地转换成相应的数字信号。

可选地，所述多路传感器信号均为矩形波电压信号，并且所述多路传感器信号均利用与所述矩形波电压信号的周期相关的信息来表示对应传感器的感测结果。

可选地，与所述矩形波电压信号的周期相关的所述信息包括周期的绝对时长、占空比、相邻周期时长之间的比例或者相邻周期时长的差值之间的比例。

可选地，所述模数转换模块包括时钟发生器、计数器以及多个检测部，其中，所述时钟发生器被配置为产生时钟信号；其中，所述计数器被配置为对所述时钟信号进行计数并输出计数值；以及其中，所述多个检测部被配置为分别检测所述多路传感器信号各自的上升沿和下降沿，并且记录在检测到上升沿和下降沿时的计数值。

可选地，所述多个检测部中的一个检测部包括边沿检测器和寄存器，其中，所述边沿检测器的输出端耦接到所述寄存器的时钟脉冲输入端，所述计数值被输入到所述寄存器的数据输入端；其中，所述边沿检测器被配置为在检测到所述传感器信号的上升沿和下降沿时均输出一个脉冲信号；以及其中，所述寄存器被配置为在所述时钟脉冲输入端处接收到一个脉冲信号时寄存所述数据输入端处接收到的计数值。

可选地，所述多通道信号采集设备还包括：计算通信模块，被配置为对所述模数转换模块获得的所述数字信号进行相应计算和通信处理。

可选地，所述模数转换模块和所述计算通信模块被集成到一个主芯片上，所述多路传感器信号共用所述主芯片中的所述模数转换模块和所述计算通信模块。

可选地，所述多通道信号采集设备还包括：多个时域信号调理模块，被配置为分别接收所述多个传感器的输出信号，并且将所述输出信号分别调理为采用时域信号表达方式的模拟电压信号来作为所述多路传感器信号。

根据本公开的第二个方面，提供了一种传感器***，包括：多个传感器；以及根据本公开的第一个方面的多通道信号采集设备。

由此，利用本公开的多通道信号采集设备，能够提高***集成度，缩短多路传感器信号的采集处理时间，并且电路简单且芯片占地面积小。

附图说明

通过结合附图对本公开示例性实施方式进行更详细的描述，本公开的上述以及其它目的、特征和优势将变得更加明显，其中，在本公开示例性实施方式中，相同的参考标号通常代表相同部件。

图1示出了根据现有技术的基于传输总线的多通道信号采集架构。

图2示出了根据现有技术的共用模数转换器（ADC）的多通道信号采集架构。

图3示出了根据本公开一个实施例的多通道信号采集设备的组成示意图。

图4A-图4C分别示出了根据本公开一些实施例的传感器信号的时域信号表达方式的一些波形示例。

图5A-图5B分别示出了根据本公开一个实施例的采用时域信号表达方式的传感器信号的理想波形示例和受到干扰后的波形示例。

图6示出了根据本公开一个实施例的模数转换模块的组成示意图。

图7示出了根据本公开一个实施例的对多路采用时域信号表达方式的传感器信号同时进行模数转换处理的原理示意图。

图8示出了根据本公开另一个实施例的模数转换模块的组成示意图。

图9示出了根据本公开一个实施例的包含多路传感器及相应的多通道信号采集设备的传感器***的组成示意图。

具体实施方式

下面将参照附图更详细地描述本公开的优选实施方式。虽然附图中显示了本公开的优选实施方式，然而应该理解，可以以各种形式实现本公开而不应被这里阐述的实施方式所限制。相反，提供这些实施方式是为了使本公开更加透彻和完整，并且能够将本公开的范围完整地传达给本领域的技术人员。

如前所述，针对例如图1和图2所示的现有技术的多通道信号采集设备存在的问题，本公开提出了一种改进的多通道信号采集设备，其能够仅用一个模数转换模块来对多路传感器信号并行进行模数转换处理，从而提高了***集成度，并且缩短了多路传感器信号的采集处理时间，而且相比于现有技术，本公开的模数转换模块的电路实现结构简单，芯片占地面积（footprint）（即所需晶圆面积）小，从而进一步简化***实现，节约硬件成本。下面将结合附图示出的本公开的实施例来更详细阐述本发明的概念。

图3示出了根据本公开一个实施例的多通道信号采集设备的组成示意图。

如图3所示，在一些实施例中，多通道信号采集设备可以包括分别用于多路信号通道1-N的多个信号调理模块311-31N，其例如可以被配置为分别接收多个传感器的输出信号，并且将这多个输出信号分别调理为适合后续信号处理的N路传感器信号S1-SN（其可以均为采用时域信号表达方式的模拟信号并且分别表示多个传感器各自对应的感测结果）并将其传送到该多通道信号采集设备中多路共用的模数转换模块320。该模数转换模块320被配置为对多路传感器信号S1-SN中的部分或全部并行地进行模数转换，从而得到与多路传感器信号S1-SN分别对应的数字信号D1-DN。另外，多通道信号采集设备还可以包括在模数转换模块320后续的计算通信模块330，其被配置为对模数转换模块320获得的数字信号S1-SN分别进行相应的计算和通信处理，其输出信号可以通过标准接口360而被输出到外部。例如后面将详述的，由于本公开的传感器信号采用时域信号表达方式，其利用时间信息来表达传感器的被测量，因此在一些情况下可以对整个***中的多路传感器信号同时计时（例如通过设置一个统一的时钟），从而容易同时获得多路传感器信号的时间信息，即容易实现多路传感器信号的同时处理等。

因此，与现有技术相比（例如图1或图2所示的），根据本公开的多通道信号采集设备能够使得多路传感器信号共用一个模数转换模块和计算通信模块，从而提高了***集成度，同时也降低了***总功耗。另外，由于各路信号通道只负责信号调理模块，因此也实现了各通道的低功耗采集。另外，根据本公开的多通道信号采集设备能够对作为采用时域信号表达方式的模拟信号的多路传感器信号同时进行模数转换处理，因此极大地缩短了多路传感器信号的采集处理时间，实现了多通道信号的高速采集处理。随着通道数N的急剧增加，本发明大幅降低多通道采集处理时间所带来的效益将更加显著。

另外，如图3所示，模数转换模块320和计算通信模块330被集成到一个主芯片350上，从而实现了高度集成。多路信号通道的多个信号调理模块311-31N被分别集成在N个从芯片341-34N上。在一种可能的实现方式中，这N个从芯片341-34N上还可以集成有各自对应的传感器或传感器的其他处理电路。在另一种可能的实现方式中，各信号通道的信号调理模块可以与传感器分开制作在不同的芯片上。在其他实施例中，在传感器的输出信号就可以直接被后续的例如模数转换模块等进行信号处理的情况下，也可以去掉信号调理模块。或者，信号调理模块也可被视为传感器的一部分电路。另外，在如后续将讨论的采用时域信号表达方式的模拟信号作为传感器信号的情况下，在一些实施例中，信号调理模块311-31N可以是时域信号调理模块，其被配置为分别接收多个传感器的输出信号，并且将输出信号分别调理为采用时域信号表达方式的模拟电压信号来作为传感器信号S1-SN。例如，传感器的输出信号可以是常规的模拟信号，其用电压的幅值来表示传感器的感测结果，而时域信号调理模块可以将该常规的模拟信号转变为采用时域信号表达方式的模拟电压信号，其用时间相关的信息来表示该感测结果，如后续将详述的，采用时域信号表达方式的模拟电压信号来作为传感器信号，不易受干扰的影响，从而实现高精度采集。另外，在其他实施例中，这N个信号调理模块也可以与模数转换模块和计算通信模块一起被集成到主芯片上。本领域技术人员均理解，在实际中可以根据需要来任意设置或不设置信号调理模块，本发明对此没有任何限制。

本领域技术人员均理解，本发明不限定于某一类传感器，而是可以适用于所有输出电信号作为感测结果的传感器。在本文中，“感测结果”指的是传感器感测到的非电量（如各种物理量、化学量或生物量等），而前述的传感器的“输出信号”或“传感器信号”等可以是用来表示传感器的感测结果的电压信号或电流信号等各种电信号。

本领域技术人员均理解，本发明不限于本公开各图所示的多通道信号采集设备的示例结构。例如，根据实际应用的需要，多通道信号采集设备还可以包括图中未示出的其他电路模块。另外，例如，根据实际应用的需要，多通道信号采集设备也可以去除图中示出的计算通信模块、标准接口等。

下面以采用时域信号表达方式的模拟信号作为传感器信号的示例来更清楚展示上述图3所示的本发明的实施例。

在一些实施例中，传感器可以包括一个电路模块来将常规的模拟信号转换为采用时域信号表达方式的模拟信号，从而使得原先由模拟信号的幅值表达的信息（例如感测结果）转换为由时间来表达。相比于用信号幅值来表示感测结果的常规模拟感测信号，这种时域信号关注的是时间信息而不关注信号幅值变化，因此进一步增强了传感器信号的抗干扰能力，如后续图5A-图5B所示的。当然本公开不限于此，相反也可以根据该传感器的被测非电量直接获得采用时域信号表达方式的模拟信号来表达其感测结果。或者，如前所述，可以利用多通道信号采集设备中的信号调理模块来将常规的模拟信号转变为采用时域信号表达方式的模拟电压信号。

图4A-4C分别示出了根据本公开一些实施例的传感器信号的一些波形示例，其中传感器信号为采用时域信号表达方式的模拟信号。

在一些可能的实现方式中，模拟信号的时域信号表达方式可以有两大分类：1)利用周期的绝对时间长度来表达信息（例如前述的感测结果）；2)利用周期的比例关系来表达信息。其中，第二种比例关系时域表达可包括每个周期的占空比和相邻周期比例这两种表达方式。

具体地，如图4A所示，在时域信号用周期绝对时长表达时，其周期T的大小可表达信号的信息，例如可以将常规的模拟信号的幅值大小成比例地转换成周期T的大小。如图4B所示，在用每个周期占空比表达时域信号时，其占空比可表达信号的信息，例如正比于常规的模拟信号的幅值大小，即，其中TH表示高电平时长，TL表示低电平时长。如图4C所示，在时域信号用相邻周期比例表达时，相邻周期时长之间的比例或者相邻周期时长差值之间的比例可表达信号的信息，例如与常规的模拟信号的幅值大小成比例，即/>，或者/>，其中，T1、T2、T3分别表示相邻的3个周期时长。当然，本领域技术人员均理解，本发明不限于上述的将模拟信号幅值成比例转换成相应的周期相关信息的情况，也可以采用其他方式来将被测量或表示被测量的模拟信号转换成相应的周期相关信息，只要二者之间存在映射关系即可。

在一些可能的实现方式中，传感器信号可以为矩形波信号，并且该传感器信号利用与该矩形波信号的周期相关的信息来表示感测结果。例如，可以用周期的绝对时长、占空比、相邻周期时长之间的比例或者相邻周期时长的差值之间的比例等与周期相关的信息来表示感测结果。

常规的模拟电压信号传输抗干扰能力比较差，这是因为受到干扰后的常规模拟电压信号的幅值发生了变化，而常规模拟电压信号是由其幅值来表达信息（例如感测结果）的，因此幅值的变化会影响下一级信号处理。然而，如图5A和图5B所示，上述的采用时域信号表达方式的模拟电压信号则不一样，因其不关注信号幅值的小范围变化，其抗干扰能力很强。具体而言，图5A-5B分别示出了根据本公开一个实施例的采用时域信号表达方式的传感器信号的理想波形示例和受到干扰后的波形示例。如图5A和图5B所示，该采用时域信号表达方式的传感器信号只关注其上升沿和下降沿E1-E4，确认了上升沿和下降沿E1-E4的时间即可确认时长T1和T2。当如图5B所示的时域信号受到干扰后，由于干扰信号的幅度通常相比于上升沿和下降沿的高度而言较小，因此干扰并不会改变上升沿和下降沿的判断，即图5B所示的受到干扰后的信号的上升沿和下降沿E1'-E4'的时间与图5A所示的理想信号的上升沿和下降沿E1-E4的时间相同，因此时间周期也未发生改变，即T1=T1'，T2=T2'。

在如上所述采用模拟信号的各种时域信号表达方式来实现传感器信号的实施例中，在一些情况下，上述的模数转换模块可以包括时钟发生器、计数器以及多个检测部，例如图6所示的。

图6示出了根据本公开一个实施例的模数转换模块的组成示意图。图7示出了根据本公开一个实施例的对多路采用时域信号表达方式的传感器信号同时进行模数转换处理的原理示意图，其中为了简单明了起见仅示出了两路传感器信号S61和S62作为示例。

如图6所示，模数转换模块600可以包括时钟发生器610、计数器620以及分别用于N路传感器信号的N个检测部631-63N。其中，时钟发生器610被配置为产生并输出时钟信号611到计数器620，然后由计数器620对时钟信号611进行计数并输出计数值621。计数值621通过一个公共的线被输送到各个检测部631-63N，其中，各个检测部631-63N被配置为分别检测N路传感器信号S61-S6N各自的上升沿和下降沿，并且记录各个上升沿和下降沿处的计数值。模数转换得到的N路数字信号D61-D6N可以是分别记录各路传感器信号S61-S6N的各个上升沿和下降沿处的计数值的序列；或者可以是对各个上升沿和下降沿处的计数值进行了相应计算得到的周期相关的数值，在这种情况下，各个检测部631-63N还要被配置为对其所记录的各个上升沿和下降沿处的计数值进行相应计算来得到与周期相关的数值信息。

时钟发生器610可以产生相对于传感器信号的周期而言非常高频的时钟信号611，其时钟周期为T_clock。因为高速时钟频率非常高，所以其时钟周期T_clock非常小，可作为高速计数器620的计数基准。由此如图7所示的，计数器620对时钟信号611的计数值可以被视为N路传感器信号共用的一个***时钟，由相应检测部记录下两路传感器信号S61和S62中的每一个上升沿和下降沿处的计数值（N1、N2、N3……），即相当于记录了每一个上升沿和下降沿处的时间，用计数值乘以时钟周期即可得到时间，而由时间差可以得到周期信息，例如：

传感器信号S61的高电平时长，

传感器信号S61的低电平时长，

传感器信号S61的占空比计算公式为：

，

传感器信号S62的高电平时长，

传感器信号S62的低电平时长，

传感器信号S62的占空比计算公式为：

。

从上述内容可以看出，全局共用高速时钟和高速计数器就可以将任意多个的时域信号表达方式的传感器信号同时转换为与之对应的数字信号，从而同时实现多路信号的模数转换处理。理论上***处理多路信号的时间降低为单路信号耗时最长的时间，从而实现了多通道信号的高速采集处理。这种模数转换的时间分辨率为一个时钟周期，即误差在一个时钟周期内，只要该时钟周期相对于时域信号表达方式的传感器信号的周期时长而言足够小，例如相差2个数量级以上，误差可忽略或在可接受范围内。可以根据所要求的模数转换精度来选择合适的时钟信号频率。

图8示出了根据本公开另一个实施例的模数转换模块的更具体的结构组成示意图。

图8为了清楚起见以两路传感器信号作为示例展示了如图6所示的检测部的一种可能实现方式。

如图8所示，各检测部831/832可以具有相同的结构，均包括边沿检测器841/842和寄存器851/852。其中，各边沿检测器在检测到输入的传感器信号的边沿（包括上升沿和下降沿）时输出一个检测脉冲，作为寄存器的时钟信号，寄存器在收到检测脉冲时将保存此时的计数值。

具体而言，如图8所示，以检测部831为例，边沿检测器841的输出端耦接到寄存器851的时钟脉冲输入端CLK，计数器820输出的全局共用的计数值821被输入到寄存器851的数据输入端D。边沿检测器841在检测到传感器信号S81的每一个上升沿和下降沿时均会输出一个脉冲信号，而当寄存器851在时钟脉冲输入端CLK处接收到这一个脉冲信号时会寄存此时数据输入端D处接收到的计数值821，即，寄存器851的正相输出端Q一直输出此时接收到的数据输入（计数值821）直到接收到下一个时钟脉冲。由此，模数转换得到的数字信号D81可以为一个记录传感器信号S81中的每一个上升沿和下降沿处的计数值的序列。通过后续对该数字信号中的计数值进行相应的数字计算即可获得传感器信号S81的周期相关的数字信息。

图8中的模数转换模块800中的其他部分（例如时钟发生器810和计数器820等）可以与前面结合图6所述的类似，在此不再赘述。

图9示出了根据本公开一个实施例的包含多路传感器及相应的多通道信号采集设备的传感器***的组成示意图。

如图9所示，整个传感器***可以包括N路传感器961-96N以及相应的采集这N路传感器信号S91-S9N的多通道信号采集设备900。多通道信号采集设备900可以采用如前所述的各种结构的模数转换模块920来对该N路传感器信号S91-S9N同时进行模数转换处理，从而输出N个相应的数字信号D91-D9N。如前所述，多通道信号采集设备900也可以根据实际需求包括或不包括计算通信模块930。另外，如前所述，多通道信号采集设备900也可以根据实际需求包括或不包括该图未示出的信号调理模块等其他电路模块。信号调理模块可以被制作为传感器的内部电路，或者可以被制作为多通道信号采集设备的电路模块，或者可以被去掉。信号调理模块可以与传感器（或其他电路模块）或者多通道信号采集设备（或其他电路模块）制作在同一芯片或不同芯片上。本领域技术人员均理解，本发明对此没有限制。

以上已经描述了本发明的各实施例，上述说明是示例性的，并非穷尽性的，并且也不限于所披露的各实施例。在不偏离所说明的各实施例的范围和精神的情况下，对于本技术领域的普通技术人员来说许多修改和变更都是显而易见的。本文中所用术语的选择，旨在最好地解释各实施例的原理、实际应用或对市场中的技术的改进，或者使本技术领域的其它普通技术人员能理解本文披露的各实施例。

Claims (9)

1.一种多通道信号采集设备，其获得多路传感器信号，其中所述多路传感器信号均为采用时域信号表达方式的模拟信号并且分别表示多个传感器各自对应的感测结果，

其中，所述多通道信号采集设备包括：

模数转换模块，被配置为将所述多路传感器信号中的部分或全部并行地转换成相应的数字信号。

2.根据权利要求1所述的多通道信号采集设备，其中，所述多路传感器信号均为矩形波电压信号，并且所述多路传感器信号均利用与所述矩形波电压信号的周期相关的信息来表示对应传感器的感测结果。

3.根据权利要求2所述的多通道信号采集设备，其中，与所述矩形波电压信号的周期相关的所述信息包括周期的绝对时长、占空比、相邻周期时长之间的比例或者相邻周期时长的差值之间的比例。

4.根据权利要求2所述的多通道信号采集设备，其中，所述模数转换模块包括时钟发生器、计数器以及多个检测部，

其中，所述时钟发生器被配置为产生时钟信号；

其中，所述计数器被配置为对所述时钟信号进行计数并输出计数值；以及

其中，所述多个检测部被配置为分别检测所述多路传感器信号各自的上升沿和下降沿，并且记录在检测到上升沿和下降沿时的计数值。

5.根据权利要求4所述的多通道信号采集设备，其中，所述多个检测部中的一个检测部包括边沿检测器和寄存器，

其中，所述边沿检测器的输出端耦接到所述寄存器的时钟脉冲输入端，所述计数值被输入到所述寄存器的数据输入端；

其中，所述边沿检测器被配置为在检测到所述传感器信号的上升沿和下降沿时均输出一个脉冲信号；以及

其中，所述寄存器被配置为在所述时钟脉冲输入端处接收到一个脉冲信号时寄存所述数据输入端处接收到的计数值。

6.根据权利要求1所述的多通道信号采集设备，还包括：

计算通信模块，被配置为对所述模数转换模块获得的所述数字信号进行相应计算和通信处理。

7.根据权利要求6所述的多通道信号采集设备，其中，所述模数转换模块和所述计算通信模块被集成到一个主芯片上，所述多路传感器信号共用所述主芯片中的所述模数转换模块和所述计算通信模块。

8.根据权利要求1-7中任一项所述的多通道信号采集设备，还包括：

多个时域信号调理模块，被配置为分别接收所述多个传感器的输出信号，并且将所述输出信号分别调理为采用时域信号表达方式的模拟电压信号来作为所述多路传感器信号。

9.一种传感器***，包括：

多个传感器；以及

根据权利要求1-8中任一项所述的多通道信号采集设备。