CN112422094A - 片上系统及信号处理方法 - Google Patents

Abstract

本申请实施例提供一种片上系统及信号处理方法。该片上系统包括：电荷放大器，该电荷放大器与预设的压电传感器连接，用于将压电传感器的电荷模拟信号转换为电压模拟信号。本申请实施例将电荷放大器集成为片上系统，集成度高，体积小，整体质量较低，避免了电路板质量偏大而引入的电荷模拟信号测量误差。

Description

片上系统及信号处理方法

技术领域

本申请涉及电子技术领域，尤其涉及一种片上系统及信号处理方法。

背景技术

目前，针对压电传感器的信号处理是传感器应用中的重要环节，主要是通过分立元件设计成的电荷放大器将电荷模拟信号转换成电压模拟信号，在电压模拟信号的基础上进行数据处理。

由于使用分立元件设计成的电荷放大器的质量通常较大，因此使得放置压电传感器和电荷放大器的电路板的整体质量较大，往往会给压电传感器的电荷模拟信号测量带来一定的误差。

发明内容

本申请实施例提供了一种片上系统及信号处理方法，能够避免电路板质量偏大而引入的电荷模拟信号测量误差。

第一方面，本申请实施例提供一种片上系统，该片上系统包括电荷放大器，电荷放大器与预设的压电传感器连接；

电荷放大器，用于将压电传感器的电荷模拟信号转换为电压模拟信号。

在第一方面的一些可实现方式中，该片上系统还包括模数转换器；

模数转换器，用于对电压模拟信号进行模数转换，得到电压数字信号。

在第一方面的一些可实现方式中，该片上系统还包括采样保持器，采样保持器分别与电荷放大器和模数转换器连接；

采样保持器，用于保持电压模拟信号；

模数转换器，用于对保持的电压模拟信号进行模数转换，得到电压数字信号。

在第一方面的一些可实现方式中，压电传感器、电荷放大器和采样保持器分别为至少一个，至少一个的电荷放大器与至少一个的压电传感器一一对应连接，至少一个的采样保持器与至少一个的电荷放大器一一对应连接。

在第一方面的一些可实现方式中，该片上系统还包括模拟多路复用器，采样保持器通过模拟多路复用器与模数转换器连接；

模拟多路复用器，用于将采样保持器接入模数转换器。

在第一方面的一些可实现方式中，还包括控制单元，用于处理、控制并输出电压数字信号。

在第一方面的一些可实现方式中，片上系统由CMOS工艺制作。

第二方面，本申请实施例提供一种信号处理设备，该设备包括第一方面或者第一方面任一些可实现方式中所述的片上系统。

第三方面，本申请实施例提供一种信号处理方法，该方法应用于第一方面或者第一方面任一些可实现方式中所述的片上系统，包括：

电荷放大器将压电传感器的电荷模拟信号转换为电压模拟信号。

在第三方面的一些可实现方式中，该方法还包括：

模数转换器对电压模拟信号进行模数转换，得到电压数字信号。

在第三方面的一些可实现方式中，该方法还包括：

采样保持器保持电压模拟信号；

模数转换器对电压模拟信号进行模数转换，得到电压数字信号，包括：

模数转换器对保持的电压模拟信号进行模数转换，得到电压数字信号。

在第三方面的一些可实现方式中，该方法还包括：

模拟多路复用器将采样保持器接入模数转换器。

在第三方面的一些可实现方式中，该方法还包括：

控制单元处理、控制并输出电压数字信号。

本申请实施例提供的一种片上系统及信号处理方法，通过将电荷放大器集成为片上系统，使得电路集成度高，体积小，整体质量较低，避免了电路板质量偏大而引入电荷模拟信号测量误差，进而对电荷模拟信号进行处理，得到精确的电压模拟信号。

附图说明

为了更清楚地说明本申请实施例的技术方案，下面将对本申请实施例中所需要使用的附图作简单地说明，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是本申请实施例提供的一种片上系统的结构示意图；

图2是本申请实施例提供的另一种片上系统的结构示意图；

图3是本申请实施例提供的另一种片上系统的结构示意图；

图4是本申请实施例提供的另一种片上系统的结构示意图；

图5是本申请实施例提供的另一种片上系统的结构示意图；

图6是本申请实施例提供的另一种片上系统的结构示意图；

图7是本申请实施例提供的另一种片上系统的结构示意图；

图8是本申请实施例提供的一种信号处理方法的流程示意图；

图9是本申请实施例提供的另一种信号处理方法的流程示意图；

图10是本申请实施例提供的一种信号处理设备的结构示意图。

具体实施方式

下面将详细描述本申请的各个方面的特征和示例性实施例，为了使本申请的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本申请进行进一步详细描述。应理解，此处所描述的具体实施例仅解释本申请，而不是限定本申请。对于本领域技术人员来说，本申请可以在不需要这些具体细节中的一些细节的情况下实施。下面对实施例的描述仅仅是为了通过示出本申请的示例来提供对本申请更好的理解。

需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。

目前，通常将压电元件和使用分立元件设计成的电荷放大器一起组装成压电集成电路(Integrated Electronics Piezo Electric，IEPE)传感器，通过该IEPE传感器输出电压模拟信号。但是该方案的缺点在于使用分立元件设计成的电荷放大器的质量较大，使得IEPE传感器的整体质量较大，往往会给压电传感器的电荷模拟信号测量带来一定的误差。

为了解决现有技术问题，本申请实施例提供了一种片上系统及信号处理方法。该片上系统包括：电荷放大器，该电荷放大器与预设的压电传感器连接，用于将压电传感器的电荷模拟信号转换为电压模拟信号。通过将电荷放大器集成为片上系统，使得电路集成度高，体积小，整体质量较低，避免了电路板质量偏大而引入电荷模拟信号测量误差，进而对电荷模拟信号进行处理，得到精确的电压模拟信号。

下面结合附图，通过具体的实施例及其应用场景对本申请实施例提供的片上系统及信号处理方法进行详细说明。

作为一个示例，本申请实施例提供的片上系统可以应用于桥梁、建筑、交通、风力发电、智能制造等涉及到压电传感器的应用场景，在此不做限制。

图1是本申请实施例提供的一种片上系统的结构示意图，如图1所示，片上系统100可以包括电荷放大器110。其中，电荷放大器110与预设的压电传感器210连接。

电荷放大器110可以用于将压电传感器210的电荷模拟信号转换为电压模拟信号，即对压电传感器210输出的电荷模拟信号进行放大和调理，得到电压模拟信号。可选地，压电传感器210可以是压电加速度传感器或者压电压力传感器等等。

在本申请实施例中，通过将电荷放大器集成为片上系统，使得电路集成度高，体积小，整体质量较低，避免了电路板质量偏大而引入电荷模拟信号测量误差，进而对电荷模拟信号进行处理，得到精确的电压模拟信号。

图2是本申请实施例提供的另一种片上系统的结构示意图，与图1相比，图2所示的片上系统100还可以包括模数转换器120。其中，模数转换器120与电荷放大器110连接。

作为一个示例，模数转换器120可以用于对电压模拟信号进行模数转换，得到电压数字信号。通过在片上系统集成模数转换器，能够使用该片上系统进行模数转换，无需在片外添加模数转换器，使得整体应用电路比较精简。

可选地，模数转换器120可以是逐次逼近型模数转换器(SuccessiveApproximation Register ADC，SAR ADC)或者SD ADC等等。

图3是本申请实施例提供的另一种片上系统的结构示意图，与图2相比，图3所示的片上系统100还可以包括采样保持器130。其中，采样保持器130分别与电荷放大器110和模数转换器120连接。

作为一个示例，采样保持器130可以用于保持电压模拟信号。具体地，可以理解为采样保持电荷放大器110输出的电压信号。模数转换器120可以具体用于对采样保持器130保持的电压模拟信号进行模数转换，得到电压数字信号。如此可以在压电传感器210的采样频率较快时，保持一定时间的电压模拟信号，以便模数转换器120进行模数转换，避免引入转换误差。

在一个实施例中，压电传感器210、电荷放大器110和采样保持器130分别为至少一个，至少一个的电荷放大器110与至少一个的压电传感器210一一对应连接，至少一个的采样保持器130与至少一个的电荷放大器110一一对应连接。

示例性地，如图4所示，压电传感器210、电荷放大器110、采样保持器130和模数转换器120分别为至少一个，例如3个。电荷放大器110与压电传感器210一一对应连接，采样保持器130与电荷放大器110一一对应连接，模数转换器120与采样保持器130一一对应连接。

在一个实施例中，片上系统100还可以包括模拟多路复用器，采样保持器130通过模拟多路复用器140与模数转换器120连接，模拟多路复用器可以用于将采样保持器130接入模数转换器120。

作为一个示例，如图5所示，压电传感器210、电荷放大器110和采样保持器130分别为至少一个，例如3个。电荷放大器110与压电传感器210一一对应连接，采样保持器130与电荷放大器110一一对应连接，模拟多路复用器140与每个采样保持器130连接，模数转换器120与模拟多路复用器140连接。模拟多路复用器140可以用于交替接入采样保持器130。也就是说，将采样保持器130交替接入模数转换器120，从而使一个模数转换器120可以分时转换不同的采样保持器130保持的电压模拟信号。具体来讲，可以实现分时转换不同通道的模拟信号，支持多通道同步采样。

在一个实施例中，片上系统100还可以包括控制单元和供电单元。其中，控制单元可以是微控制单元(Microcontroller Unit，MCU)，例如以Cotex-M0为内核的MCU。控制单元用于处理、控制并输出电压数字信号。例如控制单元可以具体用于压缩电压数字信号，并输出压缩后的电压数字信号，减少数据传输量。供电单元可以是供电管理电路，用于为电荷放大器110、采样保持器130、模拟多路复用器140、模数转换器120和控制单元提供电能，同时也可以用于整个片上系统100的功耗管理。

示例性地，图6是本申请实施例提供的另一种片上系统的结构示意图，与图5相比，图6所示的片上系统100还可以包括控制单元150和供电单元160。其中，控制单元150与模数转换器120连接。

图7是本申请实施例提供的另一种片上系统的结构示意图，与图6相比，图7所示的控制单元150还可以与输出模块220连接，供电单元160还可以与供电模块230连接，供电模块230与电源模块240连接。其中，输出模块220可以包括有线输出模块或者无线输出模块。其中，有线输出模块可以是RS485收发器、RS232收发器、串行外围设备接口(SerialPeripheral Interface，SPI)收发器、集成电路总线接口(Inter-Integrated Circuit，I2C)收发器或者通用异步收发器(Universal Asynchronous Receiver/Transmitter，UART)等等。无线输出模块可以是无线保真(Wireless Fidelity，Wi-Fi)收发器、第五代移动通信技术(5th-Generation，5G)收发器或者蓝牙收发器等等。电源模块240可以是电池，例如锂电池、铅酸蓄电池或者石墨烯电池等等，也可以是电源适配器，插在电源插座上，用于为供电模块230提供电能。供电模块230是电路板级电源管理电路，用于为供电单元160提供电能。

作为一个示例，控制单元150可以用于通过输出模块220输出电压数字信号。例如，可以通过输出模块220向计算设备输出电压数字信号，以用于计算设备对电压数字信号进行特征提取，进行数据分析。

下面以三轴压电加速度传感器为例，结合图7对本申请实施例提供的片上系统进行详细说明，具体如下：

图7中的压电传感器210、电荷放大器110和采样保持器130分别设为3个，每个压电加速度传感器210表示三轴压电加速度传感器中的一个压电传感器。

其中，电荷放大器110用于将压电传感器210的电荷模拟信号转换为电压模拟信号。

采样保持器130用于保持电压模拟信号。

模拟多路复用器140用于交替接入采样保持器130，即交替导通采样保持器130。

模数转换器120用于对接入的采样保持器130保持的电压模拟信号进行模数转换，得到电压数字信号，从而使模数转换器120可以分时转换不同的采样保持器130保持的电压模拟信号，实现三通道同步采样。

控制单元150用于压缩电压数字信号，并通过输出模块220输出压缩后的电压数字信号。

供电单元160用于为电荷放大器110、采样保持器130、模拟多路复用器140、模数转换器120和控制单元150提供电能。

可选地，片上系统100可以用作智能压电加速度传感器专用芯片，振动监测应用专用芯片，可以由CMOS工艺制作，例如，可以采用55纳米超低功耗工艺制作该片上系统。如此能够减少模块之间的连接距离，进而可以减少信号噪声，提高信号质量，同时便于批量生产，方便用户使用。

其中，CMOS工艺是在PMOS工艺和NMOS工艺基础上发展起来的。CMOS中的C表示“互补”，即将PMOS器件和NMOS器件同时制作在同一硅衬底上，制作成CMOS集成电路。其中，PMOS器件是做在N型硅衬底上的，而NMOS器件是做在P型硅衬底上的，要将两种器件都做在同一个硅衬底上，需要在硅衬底上制作一块反型区域，该区域被称为“阱”。根据阱的不同，CMOS工艺分为P阱CMOS工艺、N阱CMOS工艺、双阱CMOS工艺。其中，N阱CMOS工艺工艺简单、电路性能较P阱CMOS工艺更优。一般情况下，通过CMOS工艺处理的晶圆上包含多颗裸片，可以将裸片切割成个体，通过封装即可成为片上系统。CMOS集成电路具有功耗低、速度快、抗干扰能力强、集成度高等众多优点。

可选地，其封装形式可以采用双列直插封装(Dual In-line Package，DIP)、插针网格阵列封装(Pin Grid Array Package，PGA)或者球栅阵列封装(Ball Grid Array，BGA)等等。可以理解，片上系统100也可以采用裸片形式。

基于本申请实施例的提供的片上系统，本申请实施例还提供一种信号处理设备，该信号处理设备包括图1-7任意一个实施例所示的片上系统100。

下面对本申请实施例提供的信号处理方法进行详细说明。其中，该信号处理方法可以应用于图1-7任意一个实施例所示的片上系统100。

图8是本申请实施例提供的一种信号处理方法的流程示意图，如图8所示，该信号处理方法可以包括以下步骤：

S810，电荷放大器将压电传感器的电荷模拟信号转换为电压模拟信号。

具体地，可以对压电传感器输出的电荷模拟信号进行放大和调理，得到电压模拟信号。

在本申请实施例中，通过将电荷放大器集成为片上系统，使得电路集成度高，体积小，整体质量较低，避免了电路板质量偏大而引入电荷模拟信号测量误差，进而对电荷模拟信号进行处理，输出精确的电压模拟信号。

在一个实施例中，该信号处理方法还可以包括：模数转换器对电压模拟信号进行模数转换，得到电压数字信号。

在一个实施例中，该信号处理方法还可以包括：采样保持器保持电压模拟信号。具体地，可以理解为采样保持电荷放大器输出的电压信号。模数转换器对采样保持器保持的电压模拟信号进行模数转换，得到电压数字信号。如此可以在压电传感器的采样频率较快时，保持一定时间的电压模拟信号，以便模数转换器进行模数转换，避免引入转换误差。

在一个实施例中，该信号处理方法还可以包括：模拟多路复用器将采样保持器接入模数转换器。

在一个实施例中，该信号处理方法还可以包括：控制单元处理、控制并输出电压数字信号。

作为一个具体的示例，下面结合图7、图9对本申请实施例提供的信号处理方法进行详细说明，如图9所示，可以包括以下步骤：

S910，片上系统100初始化。

具体地，片上系统100可以重置各种预设配置参数，并对相应的外设使能。

S920，电荷放大器110将压电传感器210的电荷模拟信号转换为电压模拟信号。

S930，采样保持器130保持电压模拟信号。

S940，模拟多路复用器140接入采样保持器130。

S950，模数转换器120对接入的采样保持器130保持的电压模拟信号进行模数转换，得到电压数字信号。

其中，模数转换期间，可以通过转换状态标识来确定模数转换是否完成，转换完成时转换状态标识就会被清除。

S960，确定是否接入下一采样保持器130，若是，则执行S940，接入下一个采样保持器130。否则，执行步骤S970。

S970，控制单元150通过输出模块220输出电压数字信号。

可以理解的是，图8、图9所示的信号处理方法的各个步骤与图1-7所示的片上系统100的各个模块对应，并能达到其相应的技术效果，为了简洁，在此不再赘述。

图10是本申请实施例提供的一种信号处理设备的结构示意图。如图10所示，本实施例中的信号处理设备1000包括输入设备1001、输入接口1002、中央处理器1003、存储器1004、输出接口1005、以及输出设备1006。其中，输入接口1002、中央处理器1003、存储器1004、以及输出接口1005通过总线1010相互连接，输入设备1001和输出设备1006分别通过输入接口1002和输出接口1005与总线1010连接，进而与信号处理设备1000的其他组件连接。

具体地，输入设备1001接收来自外部的输入信息，并通过输入接口1002将输入信息传送到中央处理器1003；中央处理器1003基于存储器1004中存储的计算机可执行指令对输入信息进行处理以生成输出信息，将输出信息临时或者永久地存储在存储器1004中，然后通过输出接口1005将输出信息传送到输出设备1006；输出设备1006将输出信息输出到信号处理设备1000的外部供用户使用。

在一些实施例中，图10所示的信号处理设备1000包括：存储器1004，用于存储程序；处理器1003，用于运行存储器中存储的程序，以实现本申请实施例提供的信号处理方法。

本申请实施例还提供一种计算机可读存储介质，该计算机可读存储介质上存储有计算机程序指令；该计算机程序指令被处理器执行时实现本申请实施例提供的信号处理方法。

需要明确的是，本说明书中的各个实施例均采用递进的方式描述，各个实施例之间相同或相似的部分互相参见即可，为了简洁，不再赘述。本申请并不局限于上文所描述并在图中示出的特定配置和处理。为了简明起见，这里省略了对已知方法的详细描述。在上述实施例中，描述和示出了若干具体的步骤作为示例。但是，本申请的方法过程并不限于所描述和示出的具体步骤，本领域的技术人员可以在领会本申请的精神后，做出各种改变、修改和添加，或者改变步骤之间的顺序。

以上所述的结构框图中所示的功能块可以实现为硬件、软件、固件或者它们的组合。当以硬件方式实现时，其可以例如是电子电路、专用集成电路(Application SpecificIntegrated Circuit，ASIC)、适当的固件、插件、功能卡等等。当以软件方式实现时，本申请的元素是被用于执行所需任务的程序或者代码段。程序或者代码段可以存储在机器可读介质中，或者通过载波中携带的数据信号在传输介质或者通信链路上传送。“机器可读介质”可以包括能够存储或传输信息的任何介质。机器可读介质的例子包括电子电路、半导体存储器设备、只读存储器(Read-Only Memory，ROM)、闪存、可擦除ROM(EROM)、软盘、CD-ROM、光盘、硬盘、光纤介质、射频(Radio Frequency，RF)链路，等等。代码段可以经由诸如因特网、内联网等的计算机网络被下载。

还需要说明的是，本申请中提及的示例性实施例，基于一系列的步骤或者装置描述一些方法或系统。但是，本申请不局限于上述步骤的顺序，也就是说，可以按照实施例中提及的顺序执行步骤，也可以不同于实施例中的顺序，或者若干步骤同时执行。

上面参考根据本申请的实施例的方法、系统、设备和计算机程序产品的流程图和/或框图描述了本申请的各方面。应当理解，流程图和/或框图中的每个方框以及流程图和/或框图中各方框的组合可以由计算机程序指令实现。这些计算机程序指令可被提供给通用计算机、专用计算机、或其它可编程数据处理装置的处理器，以产生一种机器，使得经由计算机或其它可编程数据处理装置的处理器执行的这些指令使能对流程图和/或框图的一个或多个方框中指定的功能/动作的实现。这种处理器可以是但不限于是通用处理器、专用处理器、特殊应用处理器或者现场可编程逻辑电路。还可理解，框图和/或流程图中的每个方框以及框图和/或流程图中的方框的组合，也可以由执行指定的功能或动作的专用硬件来实现，或可由专用硬件和计算机指令的组合来实现。

以上所述，仅为本申请的具体实施方式，所属领域的技术人员可以清楚地了解到，为了描述的方便和简洁，上述描述的系统、模块和单元的具体工作过程，可以参考前述方法实施例中的对应过程，在此不再赘述。应理解，本申请的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本申请揭露的技术范围内，可轻易想到各种等效的修改或替换，这些修改或替换都应涵盖在本申请的保护范围之内。

Claims (13)

1.一种片上系统，其特征在于，包括电荷放大器，所述电荷放大器与预设的压电传感器连接；

所述电荷放大器，用于将所述压电传感器的电荷模拟信号转换为电压模拟信号。

2.根据权利要求1所述的片上系统，其特征在于，还包括模数转换器；

所述模数转换器，用于对所述电压模拟信号进行模数转换，得到电压数字信号。

3.根据权利要求2所述的片上系统，其特征在于，还包括采样保持器，所述采样保持器分别与所述电荷放大器和所述模数转换器连接；

所述采样保持器，用于保持所述电压模拟信号；

所述模数转换器，用于对保持的电压模拟信号进行模数转换，得到所述电压数字信号。

4.根据权利要求3所述的片上系统，其特征在于，所述压电传感器、所述电荷放大器和所述采样保持器分别为至少一个，至少一个的所述电荷放大器与至少一个的所述压电传感器一一对应连接，至少一个的所述采样保持器与至少一个的所述电荷放大器一一对应连接。

5.根据权利要求3或4所述的片上系统，其特征在于，还包括模拟多路复用器，所述采样保持器通过所述模拟多路复用器与所述模数转换器连接；

所述模拟多路复用器，用于将所述采样保持器接入所述模数转换器。

6.根据权利要求2或3所述的片上系统，其特征在于，还包括控制单元；

所述控制单元，用于处理、控制并输出所述电压数字信号。

7.根据权利要求1-3任意一项所述的片上系统，其特征在于，所述片上系统由CMOS工艺制作。

8.一种信号处理设备，其特征在于，所述设备包括如权利要求1-7任意一项所述的片上系统。

9.一种信号处理方法，其特征在于，所述方法应用于如权利要求1-7任意一项所述的片上系统，包括：

电荷放大器将压电传感器的电荷模拟信号转换为电压模拟信号。

10.根据权利要求9所述的方法，其特征在于，还包括：

模数转换器对所述电压模拟信号进行模数转换，得到电压数字信号。

11.根据权利要求10所述的方法，其特征在于，还包括：

采样保持器保持所述电压模拟信号；

所述模数转换器对所述电压模拟信号进行模数转换，得到电压数字信号，包括：

所述模数转换器对保持的电压模拟信号进行模数转换，得到所述电压数字信号。

12.根据权利要求11所述的方法，其特征在于，还包括：

模拟多路复用器将所述采样保持器接入所述模数转换器。

13.根据权利要求10或11所述的方法，其特征在于，还包括：

控制单元处理、控制并输出所述电压数字信号。

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