传感器校准装置制造方法
【专利摘要】本实用新型提供了传感器校准装置，该装置包括：I2C接口，其经由I2C信号线连接至传感器；以及校准模块，其耦合至所述I2C接口并经由所述I2C接口与所述传感器通信，所述校准模块包括：校准内核，其经由所述I2C接口向所述传感器提供校准值；起始值寄存器，其存储初始化校准值并将所述初始化校准值提供给所述校准内核，所述校准内核经由所述I2C接口将所述初始化校准值作为校准值写入所述传感器；目标值寄存器，其存储所述传感器的期望输出值；以及容差寄存器，其存储所述传感器基于所述校准值进行校准之后的输出值与所述期望输出值之差的容差值，所述校准内核在超出所述容差值的指示下经由所述I2C接口将所述校准值经修改后的新的校准值写入所述传感器。
【专利说明】传感器校准装置
【技术领域】
[0001]本实用新型涉及一种校准装置，尤其涉及用于校准传感器的装置。
【背景技术】
[0002]在各种领域中，传感器被广泛用于感测各种参数，如速度、加速度、旋转、位移、形变、压力、温度、气体、湿度等，并且相应地存在各种各样的传感器，例如，速率传感器、加速度计、陀螺仪、位移传感器、形变传感器、压力传感器、温度传感器、气体传感器、湿度传感器等。由于传感器输出的测量结果是重要的处理参数，因此希望传感器输出的测量结果达到所设计和所要求的高精确度。然而，传感器在生产过程中由于制造误差等原因、或者在使用过程中由于老化等原因可能使得传感器的感测输出不够准确。例如，微机电系统(MEMS)传感器在生产过程中经历流片、封装、测试等步骤之后，其输出是有偏差的。
[0003]因此，为了确保传感器的精确度，传感器在制造完成后、或者在使用一段时间后可以进行校准。例如，可以在传感器中添加一些校准寄存器，通过修改这些寄存器可以校准传感器输出，使得传感器输出更加精确。要达到精确校准目的，校准寄存器的级数越多越好，以输出精度为8位的MEMS加速度计为例，至少需要一个8位的校准寄存器，即等效的校准级数必须为28级(即256级)。校准级数越多，单个MEMS传感器的校准运算时间就会越长，因此校准步骤是影响MEMS传感器成本的重要因素之一。现在业界大多采用专门的校准设备来同时校准多个MEMS传感器，从而提高校准效率，降低校准成本。一般的MEMS传感器使用I2C接口，每个I2C接口用到两条信号线，若要同时校准20颗MEMS传感器，则校准设备需要有40条信号线。另外，同时校准的MEMS传感器数目越多，校准设备所需要的其他资源也就越多，比如要达到真正的并行校准目的，针对采样MEMS传感器所得到的数据还必须拥有并行的计算处理单元来进行处理，整个校准设备的价格就会相应地成倍增长。
[0004]为了满足对传感器的低价格、高精确输出的需求，业界迫切需要一种能高效地校准传感器的装置。
实用新型内容
[0005]本实用新型要解决的技术问题是提供一种校准传感器的装置。针对现有传感器校准系统结构复杂、效率过低和价格过高等缺点，本实用新型提供了一种高效地校准传感器的装置。另外，本实用新型还提供了基于FPGA (现场可编程门阵列)的校准装置，该校准装置利用FPGA的并行处理优势，能够同时校准多个传感器，从而缩短了单个传感器的校准时间，提高了测试生产效率。
[0006]在一个实施例中，提供了一种传感器校准装置，其特征在于，包括:I2C接口，其经由I2C信号线连接至传感器；以及校准模块，其耦合至所述I2C接口并经由所述I2C接口与所述传感器通信，所述校准模块包括:校准内核，其经由所述I2C接口向所述传感器提供校准值；起始值寄存器，其存储初始化校准值并将所述初始化校准值提供给所述校准内核，所述校准内核经由所述I2C接口将所述初始化校准值作为校准值写入所述传感器；目标值寄存器，其存储所述传感器的期望输出值；以及容差寄存器，其存储所述传感器基于所述校准值进行校准之后的输出值与所述期望输出值之差的容差值，所述校准内核在超出所述容差值的指示下经由所述I2C接口将所述校准值经修改后的新的校准值写入所述传感器。
[0007]在一个实施例中，所述校准模块还包括:步进值寄存器，其存储所述校准值每次递增的步进值。
[0008]在一个实施例中，所述校准模块还包括:最大值寄存器，其存储所述传感器所能达到的最大校准值。
[0009]在一个实施例中，所述校准模块还包括:等待时间寄存器，其存储在将校准值写入所述传感器与接收所述传感器基于所述校准值进行校准之后的输出值之间等待的时间计数值。
[0010]在一个实施例中，所述传感器包括校准寄存器以存储由所述校准模块写入的校准值。
[0011]在一个实施例中，所述I2C接口包括:读写命令寄存器，其接收并存储来自所述校准模块的读或写命令；调整寄存器，其接收并存储来自所述校准模块的校准值；以及I2C接口内核，其经由所述I2C信号线将所述调整寄存器中的校准值写入所述传感器。
[0012]在一个实施例中，所述I2C接口还包括:输出寄存器，其存储所述I2C接口内核经由所述I2C信号线从所述传感器读取的所述传感器基于所述校准值进行校准之后的输出值。
[0013]在一个实施例中，所述传感器是MEMS传感器。
[0014]在一个实施例中，所述传感器包括速率传感器、加速度计、陀螺仪、位移传感器、形变传感器、压力传感器、温度传感器、气体传感器、或湿度传感器。
[0015]在一个实施例中，所述传感器校准装置是基于FPGA的传感器校准装置并且包括多个所述I2C接口和所述校准模块。
[0016]与现有技术相比，本实用新型具有以下优点:
[0017]通过从初始化校准值起通过步进值修改校准值来校准传感器，可以高效快速地将传感器的输出调整为达到预定精确度(在可允许容差内)。另外，本实用新型的传感器校准装置可以采用FPGA来实现，FPGA内部包括多个并行的校准模块以同时对多个传感器进行校准处理，从而达到并行地对所有传感器进行独立校准处理的目的，显著提高了校准的效率。
【专利附图】
【附图说明】
[0018]图1为本实用新型一实施例的传感器校准装置的示意框图。
[0019]图2是本实用新型一实施例的传感器校准装置的连接示意图。
[0020]图3是本实用新型一实施例的传感器校准装置的工作流程图。
【具体实施方式】
[0021]为了使本实用新型的技术方案、目的和优点更加清楚，下面结合具体实施例和附图对本实用新型作进一步说明，但不应以此限制本实用新型的保护范围。
[0022]图1为本实用新型一实施例的传感器校准装置10的示意框图。如图所示，传感器校准装置10包括N个I2C (集成电路间)接口 I?N (统一标注为12)以及相应的N个校准模块I?N(统一标注为14)，其中N为正整数。这N个I2C接口 12可分别通过I2C信号线连接至N个要校准的传感器I?N(统一标注为11)，从而传感器校准装置10能同时校准这N个传感器11。I2C信号线是两线式串行总线，因此每根I2C信号线使用I2C接口 12和传感器11各自的两个IO (输入输出)管脚。在这种情况下，N的值可为传感器校准装置10拥有的可用IO管脚数量的一半。本领域技术人员可以明白，实际测量的传感器11可以少于N个。在根据本实用新型的一个实施例中，传感器校准装置10可以采用FPGA(现场可编程门阵列)来实现。由于FPGA的IO管脚非常多，可以把很多传感器并联至FPGA，以一个拥有282个IO管脚的FPGA为例，可以将多达141个传感器都并行连接在FPGA上。另外，利用FPGA拥有的并行处理优势，可以大大提高校准的效率，结构上也非常简单，且整体价格非常便宜。在其他实施例中，传感器校准装置10也可以采用其他硬件架构来实现。在一个实施例中，传感器11可以是微机电系统(MEMS)传感器。另外，传感器11可以是速率传感器、力口速度计、陀螺仪、位移传感器、形变传感器、压力传感器、温度传感器、气体传感器、或湿度传感器等，也可以是本领域已知的或将来开发的任何传感器。
[0023]图2是本实用新型一实施例的传感器校准装置10的连接示意图。为简单起见，图2中仅示出了传感器校准装置10中的一个校准模块14和一个I2C接口 12，但传感器校准装置10可如图1中所示地包括N个校准模块14和N个I2C接口 12，其中每个校准模块14和I2C接口 12具有如图2中所示的配置。要校准的传感器11包括校准寄存器112，其中传感器11的最终检测输出是传感器11实际检测到的值基于校准寄存器112中的校准值进行预定运算之后得到的经校准值，其中该预定运算可以是不同地设计的，例如线性加减运算、比例缩放、或其他更复杂的算法，本实用新型不限于此。利用传感器校准装置10来修改传感器11的校准寄存器112中的校准值就能够校准传感器11的输出，使得传感器11的输出更加精确。
[0024]如图所示，传感器11经由I2C信号线连接至传感器校准装置10中的I2C接口 12，该I2C接口 12耦合至校准模块14，从而校准模块14能经由I2C接口 12与传感器11通信。校准模块14包括校准内核142，校准内核142用于执行校准过程，并且能经由I2C接口 12向传感器11的校准寄存器112写入校准值，从而校准传感器11的输出。
[0025]在一个实施例中，I2C接口 12包括I2C接口内核122、读写命令寄存器124、调整寄存器126、和输出寄存器128，并且这些寄存器都与I2C接口内核122相连接，其中读写命令寄存器124接收并存储来自校准内核142的读或写命令并将其输送给I2C接口内核122，以控制I2C接口内核122对传感器11进行读或写操作。调整寄存器126接收并存储来自校准模块14的校准值，输出寄存器128用于存储传感器11基于校准值进行校准之后的输出值。例如，当校准内核142发出写命令的时候，其同时将校准值输送给调整寄存器126，然后I2C接口内核122将调整寄存器126里的值通过I2C信号线写入传感器11中的校准寄存器112。当校准内核142发出读命令的时候，I2C接口内核122经由I2C信号线读取传感器11基于所述校准值进行校准之后的输出值，并将其存储在输出寄存器128中，输出寄存器128随后将传感器11的输出值传递给校准内核142。
[0026]在一个实施例中，校准模块14还包括多个寄存器143?148，并且这些寄存器143?148都与校准内核142相连接，从而在校准内核142的操作过程中将寄存器值输送给校准内核142。例如，这多个寄存器143?148包括目标值寄存器143、容差寄存器144、等待时间寄存器145、起始值寄存器146、最大值寄存器147、步进值寄存器148等。具体而言，起始值寄存器146存储应用于传感器11中的校准寄存器112的初始化校准值；目标值寄存器143存储传感器11的期望输出值；容差寄存器144存储容差值，表示传感器11的实际输出值与期望输出值之差(例如，绝对值)的可允许误差；等待时间寄存器145存储时间计数值，其中校准内核142在将校准值写入传感器11之后可等待该时间计数值，然后再读取传感器11基于该校准值进行校准之后的输出值；最大值寄存器147存储传感器11中的校准寄存器112所能达到的最大校准值；步进值寄存器148存储校准值每次递增的步进值，校准内核142可将上一个校准值与步进值累加以获得新的校准值。以下结合图3来描述传感器校准装置10的校准操作。
[0027]图3是本实用新型一实施例的传感器校准装置的工作流程图，其可以例如由图2中所示的传感器校准装置10来执行。参照图1和2，每个校准模块14的功能可以是一致的，每个校准模块14内部的校准内核142进行校准的工作流程也是一致的，这里只参照其中一个校准模块14和I2C接口 12来进行工作流程描述。
[0028]在步骤302，上电并进入初始化状态。例如，传感器校准装置10上电并进入初始化状态。
[0029]在步骤304，将校准值写入传感器。例如，在上电初始化之后，校准内核142进入写校准寄存器状态，其中校准内核142读取起始值寄存器146中的初始化校准值，并给I2C接口 12发写命令，同时将初始化校准值写入I2C接口 12的调整寄存器126作为校准值，然后由I2C接口内核122将调整寄存器126里的校准值通过I2C信号线写入传感器11中的校准寄存器112。
[0030]在可任选的步骤306，进入等待状态。例如，在将校准值写入传感器11之后，校准内核142进入等待状态并进行计数，当计数值未达到等待时间寄存器145的计数值时，校准内核142 —直处于等待状态；当达到等待时间寄存器145的计数值后，该校准流程前进到步骤 308。
[0031]在步骤308，读取传感器基于校准值进行校准之后的输出值。例如，校准内核142进入读取输出状态并给I2C接口 12发读命令，这时I2C接口内核122把从I2C信号线读到的传感器11的输出值经由输出寄存器128传送给校准内核142。
[0032]在步骤310，判断传感器的输出值与期望输出值之差是否在容差值之内。例如，校准内核142将传感器11的输出值与目标值寄存器143中存储的期望输出值相减以获得差值(例如，还可以取绝对值)，然后判断这个差值(或绝对值)是否在容差寄存器144中存储的容差值之内。如果该差值在容差值之内，该校准流程前进到步骤312 ;否则前进到步骤316。
[0033]在可任选的步骤312，固定当前的校准值。例如，如果传感器11的输出值与期望输出值之差在容差值之内，表明当前校准值对传感器11进行了精确的校准，则校准内核142向I2C接口 12发出固化校准寄存器值的命令，将最新一次写入到传感器11中的校准寄存器112的当前校准值固化起来，以便传感器11掉电后其校准寄存器112的校准值不丢失。在其他实施例中，校准寄存器112可以是非易失性存储器，从而无需用于固化校准值的步骤312也能(例如，在掉电后)保持当前的校准值。
[0034]在可任选的步骤312，确定校准成功，表示校准模块14成功地将传感器11的输出值校准到可接受的程度，该校准流程在步骤322结束。
[0035]回到步骤310，如果传感器的输出值与期望输出值之差不在容差值内，则进入步骤316。在步骤316，修改校准值。例如，校准内核142将上一次写入传感器11的校准值加上步进值寄存器148中存储的步进值以形成新的校准值。
[0036]在步骤318，判断新的校准值是否超过传感器所能达到的最大校准值。例如，校准内核142将新的校准值与最大值寄存器147中存储的最大校准值进行比较，如果新的校准值超过最大校准值，则该校准流程进入步骤320 ;否则循环回到步骤304。
[0037]在步骤320，确定校准无效，并且该校准流程在步骤322结束。例如，如果新的校准值超过最大校准值，表示校准内核142不能将传感器11的输出值校准到可接受的程度，则确定校准内核142进行的校准操作失效并结束。
[0038]另一方面，如果新的校准值不超过最大校准值，则该校准流程循环回到步骤304，将该新的校准值写入传感器，并重复该流程，直至校准成功(步骤314)或校准无效(步骤320)。
[0039]如上所述，通过从初始化校准值起用步进值修改校准值来校准传感器11，可以将传感器11的输出调整为达到预定精确度(在可允许容差内)。本领域技术人员可以理解，可以合理地设置初始化校准值和步进值的大小，使得如上所述的校准过程高效地实现。例如，初始化校准值可以是负值(例如，传感器所能达到的最低校准值)且步进值是正值，从而校准值逐渐增大；或者初始化校准值可以是正值(例如，传感器所能达到的最大校准值)且步进值是负值，从而校准值逐渐增大。如果初始化校准值是正值且步进值是负值，则最大值寄存器147可存储传感器11中的校准寄存器112所能达到的最低校准值(或绝对值)。本领域技术人员可以明白，初始化校准值和步进值也可以按其他合理的方式来设置。
[0040]另外，传感器校准装置10可以采用FPGA来实现。FPGA内部每个校准模块都按上述描述来同时对多个传感器11进行校准处理，从而达到并行的对所有传感器11进行独立校准处理的目的，提高了校准的效率。
[0041]上面结合附图对本实用新型的实施例进行了描述，但是本实用新型并不局限于上述的【具体实施方式】，上述的【具体实施方式】仅仅是示意性的，而不是限制性的，本领域的普通技术人员在本实用新型的启示下，可以对本实用新型进行各种改动和变型而不脱离本实用新型的精神和范围，这些改动和变型及其等同技术均属于本实用新型的保护范围之内。
【权利要求】
1.一种传感器校准装置，其特征在于，包括: I2C接口，其经由I2C信号线连接至传感器；以及 校准模块，其耦合至所述I2C接口并经由所述I2C接口与所述传感器通信，所述校准模块包括: 校准内核，其经由所述I2C接口向所述传感器提供校准值； 起始值寄存器，其存储初始化校准值并将所述初始化校准值提供给所述校准内核，所述校准内核经由所述I2C接口将所述初始化校准值作为校准值写入所述传感器； 目标值寄存器，其存储所述传感器的期望输出值；以及 容差寄存器，其存储所述传感器基于所述校准值进行校准之后 的输出值与所述期望输出值之差的容差值，所述校准内核在超出所述 容差值的指示下经由所述I2C接口将所述校准值经修改后的新的校 准值写入所述传感器。
2.如权利要求1所述的传感器校准装置，其特征在于，所述校准模块还包括: 步进值寄存器，其存储所述校准值每次递增的步进值。
3.如权利要求1所述的传感器校准装置，其特征在于，所述校准模块还包括: 最大值寄存器，其存储所述传感器所能达到的最大校准值。
4.如权利要求1所述的传感器校准装置，其特征在于，所述校准模块还包括: 等待时间寄存器，其存储在将校准值写入所述传感器与接收所述传感器基于所述校准值进行校准之后的输出值之间等待的时间计数值。
5.如权利要求1所述的传感器校准装置，其特征在于，所述传感器包括校准寄存器以存储由所述校准模块写入的校准值。
6.如权利要求1所述的传感器校准装置，其特征在于，所述I2C接口包括: 读写命令寄存器，其接收并存储来自所述校准模块的读或写命令； 调整寄存器，其接收并存储来自所述校准模块的校准值；以及 I2C接口内核，其经由所述I2C信号线将所述调整寄存器中的校准值写入所述传感器。
7.如权利要求6所述的传感器校准装置，其特征在于，所述I2C接口还包括: 输出寄存器，其存储所述I2C接口内核经由所述I2C信号线从所述传感器读取的所述传感器基于所述校准值进行校准之后的输出值。
8.如权利要求1-7中任一项所述的传感器校准装置，其特征在于，所述传感器是MEMS传感器。
9.如权利要求1-7中任一项所述的传感器校准装置，其特征在于，所述传感器包括速率传感器、加速度计、陀螺仪、位移传感器、形变传感器、压力传感器、温度传感器、气体传感器、或湿度传感器。
10.如权利要求1-7中任一项所述的传感器校准装置，其特征在于，所述传感器校准装置是基于FPGA的传感器校准装置并且包括多个所述I2C接口和所述校准模块。
【文档编号】G01D18/00GK203811196SQ201320861388
【公开日】2014年9月3日 申请日期:2013年12月24日 优先权日:2013年12月24日
【发明者】张波, 蒋登峰, 邓登峰 申请人:杭州士兰微电子股份有限公司