集成自校准电路的无线传感测量系统

1.一种集成自校准电路的无线传感测量系统，其特征是：包括发射芯片、无源传感芯片和一对谐振线圈（5），所述发射芯片包括锁相环（1）、功率放大器（2）、幅度检测器（3）和第一数据处理器（4），所述无源传感芯片包括负载调制器（6）、能量转换器（7）、第二数据处理器（8）和模数转换器（9）；所述锁相环（1）的输出端与功率放大器（2）的输入端连接，幅度检测器（3）的输出端与第一数据处理器（4）连接；所述能量转换器（7）的参考电压输出端与模数转换器（9）连接，所述模数转换器（9）的输出端与第二数据处理器（8）的输入端连接，第二数据处理器（8）的输出端与负载调制器（6）连接；负载调制器（6）、能量转换器（7）和所述一对谐振线圈中的其中一个谐振线圈相互并联，功率放大器（2）、所述一对谐振线圈中的另一个线圈、幅度检测器（3）依次连接；
所述第一数据处理器（4）包括解码器（18）、反相器（19）、第一锁存器（20）、第二锁存器（21）、除法器（22）、乘法器（23）和数据接口转换器（24）；所述解码器（18）的数据输入端与幅度检测器（3）的输出端连接，所述解码器（18）的其中一位数据输出端分别与第一锁存器（20）的时钟端、反相器（19）的输入端连接，解码器（18）的其它位数据输出端与第一锁存器（20）、第二锁存器（21）的各数据输入端对应连接；反相器（19）的输出端与第二锁存器（21）的时钟端连接，第一锁存器（20）的数据输出端与除法器（22）的除数输入端连接，第二锁存器（21）的数据输出端与乘法器（23）的其中一个输入端连接，乘法器（23）的另一个输入端与高电平连接，乘法器（23）的输出端与除法器（22）的被除数输入端连接，除法器的商输出端与数据接口转换器（24）的数据输入端连接；
所述模数转换器（9）包括选择器（11）、计数器（12）、第三锁存器（13）、比较器（14）、D触发器（16）、延迟单元（15）、二分频器（17）、电流源（25）、电容和NMOS管，所述电流源（25）与电容串接，NMOS管与电容并联，所述电容的其中一端接地，该电容的另一端与比较器（14）的V+端连接；选择器（11）的1端口与能量转换器（7）的参考电压输出端连接，选择器（11）的输出端与比较器（14）的V-端连接，比较器（14）的输出端与D触发器（16）的数据端连接，D触发器（16）的输出端分别与第三锁存器（13）的时钟端、延迟单元（15）的输入端连接，延迟单元（15）的输出端分别与二分频器（17）的输入端、NMOS管的栅极、计数器（12）的复位端连接，二分频器（17）的输出端与选择器（11）的选择端、第三锁存器（13）的其中一位数据输入端连接，第三锁存器（13）的其他数据输入端与计数器（12）的数据输出端连接。

集成自校准电路的无线传感测量系统\n技术领域\n[0001] 本发明涉及一种无线传感测量系统。该系统集成自校准电路，测量精度高。\n背景技术\n[0002] 无线传感测量技术广泛应用于各个领域，包括温度、湿度、压力等的实时监测。由于复杂度低、成本低、寿命久等显著优点，无线传感测量系统中无源传感芯片比有源传感芯片得到了更广泛的应用。无源无线传感测量系统包括发射芯片和无源传感芯片两个部分，无源传感芯片将发射芯片发射的电磁波转化为自身所需要的能量，并将传感器所检测的变量转化为数字信号，耦合到发射芯片。发射芯片可检测出该数字信号并交由单片机处理。\n[0003] 但由于无线传感测量系统经常在环境恶劣的情况下使用，比如高温，潮湿等，常规的测量方法会受到较大的影响，并导致测量结果误差较大。本发明在无线传感测量芯片组中集成自校准电路，该电路结构简单，同时大大减弱工作环境、生产工艺对测量精度的影响。\n发明内容\n[0004] 本发明的目的是提供一种集成自校准电路的无线传感测量系统。\n[0005] 为实现上述目的，本发明所采取的技术方案是：该集成自校准电路的无线传感测量系统包括发射芯片、无源传感芯片和一对谐振线圈，所述发射芯片包括锁相环、功率放大器、幅度检测器和第一数据处理器，所述无源传感芯片包括负载调制器、能量转换器、第二数据处理器和模数转换器；所述锁相环的输出端与功率放大器的输入端连接，幅度检测器的输出端与第一数据处理器连接；所述能量转换器的参考电压输出端与模数转换器连接，所述模数转换器的输出端与第二数据处理器的输入端连接，第二数据处理器的输出端与负载调制器连接；负载调制器、能量转换器和所述一对谐振线圈中的其中一个谐振线圈相互并联，功率放大器、所述一对谐振线圈中的另一个线圈、幅度检测器依次连接。\n[0006] 进一步地，本发明所述第一数据处理器包括解码器、反相器、第一锁存器、第二锁存器、除法器、乘法器和数据接口转换器；所述解码器的数据输入端与幅度检测器的输出端连接，所述解码器的其中一位数据输出端分别与第一锁存器的时钟端、反相器的输入端连接，解码器的其它位数据输出端与第一锁存器、第二锁存器的各数据输入端对应连接；反相器的输出端与第二锁存器的时钟端连接，第一锁存器的数据输出端与除法器的除数输入端连接，第二锁存器的数据输出端与乘法器的其中一个输入端连接，乘法器的另一个输入端与高电平连接，乘法器的输出端与除法器的被除数输入端连接，除法器的商输出端与数据接口转换器的数据输入端连接。\n[0007] 进一步地，本发明所述模数转换器包括选择器、计数器、第三锁存器、比较器、D触发器、延迟单元、二分频器、电流源、电容和NMOS管，所述电流源与电容串接，NMOS管与电容并联，所述电容的其中一端接地，该电容的另一端与比较器的V+端连接；选择器的1端口与能量转换器的参考电压输出端连接，选择器的输出端与比较器的V-端连接，比较器的输出端与D触发器的数据端连接，D触发器的输出端分别与第三锁存器的时钟端、延迟单元的输入端连接，延迟单元的输出端分别与二分频器的输入端、NMOS管的栅极、计数器的复位端连接，二分频器的输出端与选择器的选择端、第三锁存器的其中一位数据输入端连接，第三锁存器的其他数据输入端与计数器的数据输出端连接。\n[0008] 与现有技术相比，本发明具有的有益的效果是：\n[0009] a)无源传感芯片中模数转换器集成选择器，选择器在能量转换器产生的参考电压Vref和传感器与固定电阻的分压Vdata中选择其一并输出给比较器的V-端。因而，本发明所提出的模数转换器不仅采样参考电压Vref值，而且采样传感器检测变量Vdata的值，采样的变量是传感器电压比参考电压的相对值。通过二分频器的控制，模数转换器的采样对象在参考电压Vref与传感器检测变量Vdata之间自动切换。传统的测量方法仅测量传感器检测变量Vdata的值，但由于环境变化、工艺偏差等的影响，参考电压Vref会发生变化导致测量结果不准确。与常规方法不同，本发明利用模数转换器采样传感器检测变量Vdata与参考电压Vref的值，从而获得的相对值避免了因参考电压不稳定而对测量精度造成的影响。\n[0010] b)发射芯片将接收到的两次数据Vdata和Vref送入第一数据处理器中，在第一数据处理器中，集成了并行二进制乘法器和并行二进制除法器。解码器正确解码后，进行二进制运算，Vdata乘以0x3FF并除以Vref，其结果被校准在0～1024之间。最后，该结果送入数据接口转换器中并输出，从而实现自动校准算法。数据接口转换器可选用脉冲调制波生成器，串行通信接口等。本发明将数据校准为脉冲调制信号，简化数据与单片机的接口，电路结构简单，实用性强。\n附图说明\n[0011] 图1是本发明的无线传感测量系统的结构示意图；\n[0012] 图2是本发明的模数转换器的电路原理图；\n[0013] 图3是本发明的第一数据处理器的电路原理图。\n[0014] 图中：1、锁相环，2、功率放大器，3、幅度检测器，4、第一数据处理器，5、谐振线圈，\n6、负载调制器，7、能量转换器，8、第二数据处理器，9、模数转换器，10、电阻式传感器，11、选择器，12、计数器，13、第三锁存器，14、比较器，15、延迟单元，16、D触发器，17、二分频器，18、解码器，19、反相器，20、第一锁存器，21、第二锁存器，22、除法器，23、乘法器，24、数据接口转换器，25、电流源。\n具体实施方式\n[0015] 下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明。\n[0016] 如图1所示，本发明集成自校准电路的无线传感测量系统包括发射芯片、无源传感芯片和一对谐振线圈5，发射芯片包括锁相环1、功率放大器2、幅度检测器3和第一数据处理器4，无源传感芯片包括负载调制器6、能量转换器7、第二数据处理器8和模数转换器\n9；锁相环1的输出端与功率放大器2的输入端连接；模数转换器9的输出端与第二数据处理器8的输入端连接，第二数据处理器8的输出端与负载调制器6连接；负载调制器6、能量转换器7与一对谐振线圈中的其中一个谐振线圈并联，功率放大器2、一对谐振线圈中的另一个线圈、幅度检测器3依次连接。\n[0017] 如图2所示，模数转换器9采用积分型结构，模数转换器9包括选择器11、计数器\n12、第三锁存器13、比较器14、D触发器16、延迟单元15、二分频器17、电流源25、电容和NMOS管，电流源25与电容串接，NMOS管与电容并联，电容的其中一端接地，该电容的另一端与比较器14的V+端连接；选择器11的1端口与能量转换器7的参考电压输出端连接，选择器11的输出端与比较器14的V-端连接，比较器14的输出端与D触发器16的数据端连接，D触发器16的输出端分别与第三锁存器13的时钟端、延迟单元15的输入端连接，延迟单元15的输出端分别与二分频器17的输入端、NMOS管的栅极、计数器12的复位端连接，二分频器17的输出端与选择器11的选择端、第三锁存器13的其中一位数据输入端连接，第三锁存器13的其他数据输入端与计数器12的数据输出端连接。\n[0018] 如图3所示，第一数据处理器4包括解码器18、反相器19、第一锁存器20、第二锁存器21、除法器22、乘法器23和数据接口转换器24；解码器18的数据输入端与幅度检测器3的输出端连接，解码器18的其中一位数据输出端分别与第一锁存器20的时钟端、反相器19的输入端连接，解码器18的其它位数据输出端与第一锁存器20、第二锁存器21的各数据输入端对应连接；反相器19的输出端与第二锁存器21的时钟端连接，第一锁存器20的数据输出端与除法器22的除数输入端连接，第二锁存器21的数据输出端与乘法器23的其中一个输入端连接，乘法器23的另一个输入端与高电平连接，乘法器23的输出端与除法器22的被除数输入端连接，除法器的商输出端与数据接口转换器24的数据输入端连接。\n[0019] 本发明可根据传感器10类型的不同，广泛应用于温度、湿度、压力等变量的检测，传感器10应为电阻式传感器。使用时，将无源传感芯片中能量转换器7产生的参考电压Vref与电阻式传感器10的一端连接，电阻式传感器的另一端分别与选择器11的0端口、固定电阻R1的一端连接，固定电阻R1的另一端接地，形成分压电路，如图2所示。本发明的工作过程如下：\n[0020] a)发射芯片由锁相环1和功率放大器2经其中一个谐振线圈向外发射电磁波，无源传感芯片经另一个谐振线圈接收能量，通过能量转换器7将电磁波转化为稳定的电压并提供整个芯片工作，并产生参考电压Vref提供给模数转换器9。\n[0021] b)无源传感芯片模数转换器9将外接传感器10的变化转换为数字信号，经由第二数据处理器8编码，送给负载调制器6，对载波进行调制，并耦合到发射芯片。具体工作原理可参见图2：首先，2uA电流源25对电容C1充电，同时计数器12开始计数，当电容C1的充电电压V+等于V-时，比较器14输出高电平，经D触发器16同步后产生Latch信号，并将此时计数器12的值锁存到第三锁存器13中，该值即为V-对应的二进制数据。然后，V-由电阻式传感器10电阻Rsensor和固定电阻R1的分压Vdata与参考电压Vref经由选择器11而得。\n选择信号SEL由Latch信号经二分频器17所得，即V-在Vdata与Vref中自动切换。同时选择信号SEL与第三锁存器13的一位数据输入端D12连接，用来判断该数据是Vdata还是Vref。\n最后，Latch信号经延迟单元15后，变为RST信号同时将计数器12清零，并打开NMOS管M1，使电容C1放电。然后比较器14输出为低，经D触发器16后，RST变为低，关闭NMOS管M1，开始新一轮充电。模数转换器9不仅采样Vdata的值，而且采样Vref的值，两个值都将送入第二数据处理器8并调制。\n[0022] c)发射芯片由幅度检测器3检测载波包络，解调出正确的数据信号后，交由第一数据处理器4处理并校准。在第一数据处理器4中，正确的数据先经过解码器18将串行数据转化为并行数据，并根据D12判断，若为1，该数据送入第一锁存器20，表明此数据为Vref的数据；若为0，该数据送入第二锁存器21，表明该数据为Vdata的数据。然后进行二进制运算，Vdata乘以0x3FF并除以Vref，其结果被校准在0～1024之间。最后，该结果送入数据接口转换器中并输出，从而实现自动校准算法。数据接口转换器可选用脉冲调制波生成器，串行通信接口等。本发明将数据校准为脉冲调制信号，简化数据与单片机的接口，电路结构简单，实用性强。