一种耗材芯片、耗材芯片动态功耗调整方法与流程

本发明属于成像设备耗材技术领域，具体涉及一种耗材芯片、耗材芯片动态功耗调整方法。

背景技术：

目前市场上面的耗材芯片由于空间原因，开始采用更少的通讯线进行数据的传递，其中有采用载波调整的方式，这样的通讯方式会将通讯信号与芯片供电电源混合在一起，输出信号和输入信号通常使用调整电平宽度和电平高度的方式进行识别。

1）电平宽度识别就意味着发送信号对于发送方要求一致，但是往往批量进行生产的时候，一致性就会出现偏差，特别随着机器的工作温度提高往往会导致电平宽度调制器件性能变化，导致识别错误。市面上往往采用，电平宽度加长的方式来避免错误的概率，使得通信效率极低。另外，一旦发送方的一致性出现偏差，比如vp或ron出现偏差，还可能会导致电平高度（电平高度=vp-i*ron，vp为成像设备的输入电压，ron为成像设备的等效内阻,i为耗材芯片的动态功耗）出现偏差，进而影响耗材芯片认证。

2）由于供电和信号共用1根线，如果芯片由于运行加密算法模块会导致功耗阶段性提升，导致信号出现大的跌落，从而影响电平高度的识别，造成识别错误。目前采用的技术往往不加密技术或者采用纯软件加密，导致安全性差或加密效率速度过慢。

3）同时现有的某些打印成像设备会在打印过程中对耗材芯片进行功耗检测，要求打印过程中耗材芯片的功耗必须保持在一定的区间范围内，比如功耗在8ma到10ma，如果当检测过程中芯片的功耗不能满足功耗检测的要求，打印机或终止打印并出现打印报错的现象。

实用新型专利cn201720693362.2公开了耗材芯片及耗材容器，并具体公开了耗材芯片包括基板、通信端子及电路模块；所述通信端子及电路模块均设置于基板上，所述通信端子与电路模块连接；所述电路模块包括处理器、电源组件及调节元件；所述调节元件与通信端子、电源组件均连接；所述电源组件与处理器连接；所述处理器包括输出引脚，所述输出引脚与通信端子连接。该实用新型通过在电路模块中设置调节元件，通过调节元件调整电源组件的充电速度，使得耗材芯片的电源组件能够及时地存储足够的电量，使得耗材芯片尽快进入等待接收指令的状态，耗材芯片的工作状态或者指令相应的时序与成像设备的工作状态匹配，从而达到耗材芯片能与成像设备正常、稳定通信的效果。然而，该实用新型并未解决现有电平宽度、电平高度识别偏差导致通信不良、不稳、甚至通信失败的问题。

技术实现要素：

本发明针对现有技术存在的问题，提出了一种耗材芯片、耗材芯片动态功耗调整方法，能有效解决批量性和一致性精度的识别问题，并保证信号的可识别的电平保持在一个稳定状态，能确保通信安全且通信数据正确。

本发明是通过以下技术方案得以实现的：

本发明提供一种耗材芯片，包括电源模块、算法模块、控制模块、动态功耗平衡模块；当所述耗材芯片识别到成像设备发送启动信号时，启动所述算法模块，所述控制模块发出功耗调整信号给所述动态功耗平衡模块，所述动态功耗平衡模块用于将负载在小电流负载和大电流负载之间切换，以确保反馈稳定的电平信号给成像设备；否则，不启动算法模块，所述控制模块控制所述动态功耗平衡模块将负载切换为最大负载值，以确保反馈能通过成像设备功耗检测模式的电平信号。

本发明电源模块、算法模块、控制模块、动态功耗平衡模块在耗材芯片上电时启动。启动时，所述动态功耗平衡模块工作在高功耗状态下。此高功耗状态为能通过成像设备功耗检测模式的状态。当成像设备与耗材芯片进行通讯时，耗材芯片通过识别成像设备发送的信息确认是否有启动算法模块的需要，当需要时，则动态功耗平衡模块根据算法模块的功耗将负载在小电流负载和大电流负载两种情况下进行切换，以保证能反馈稳定的电平信号给成像设备；不需要时，动态功耗平衡模块调整为最大负载值，以确保反馈能通过成像设备功耗检测模式的电平信号。这样，动态功耗平衡模块在最大负载值下的功耗，等于启动算法模块时，算法模块功耗与动态功耗平衡模块功耗之和。

作为优选，所述算法模块包括大功耗算法单元和小功耗算法单元；当所述大功耗算法单元启动时，所述控制模块发出低功耗调整信号给所述动态功耗平衡模块，所述动态功耗平衡模块将负载切换为小电流负载；当所述小功耗算法单元启动时，所述控制模块发出高功耗调整信号给所述动态功耗平衡模块，所述动态功耗平衡模块将负载切换为大电流负载。

当所述大功耗算法单元启动时，则意味着算法模块处于高功耗状态；当所述小功耗算法单元启动时，则意味着算法模块处于低功耗状态。所述高功耗状态或所述低功耗状态均为一定区间范围内的功耗状态。当大功耗算法单元功耗为8ma，负载模块功耗为2ma；当小功耗算法单元功耗为4ma，负载模块功耗为6ma。当算法模块不启动时，则负载模块功耗为10ma。为此，在确保总功耗不变的前提下，可相应调整大功耗算法单元、小功耗算法单元的功耗。

作为优选，所述算法模块为耗材芯片与成像设备通信认证的算法模块。

作为优选，所述算法模块为硬件算法模块。

作为优选，所述动态功耗平衡模块包括运算放大器、第一传输门、第二传输门、第一电阻、第二电阻、第一晶体管、第二晶体管、第三晶体管、第四晶体管、第五晶体管、可调负载支路；所述运算放大器的输出端连接第一晶体管的栅极，所述第一晶体管的漏极依次经所述第一电阻、所述第二电阻接地，所述运算放大器的正输入端连接在所述第一电阻和所述第二电阻之间，所述运算放大器的负输入端连接参考电压；所述第二晶体管的栅极和所述第三晶体管的栅极分别经所述第一传输门连接所述第一晶体管的栅极，所述第三晶体管的漏极分别连接所述第四晶体管的漏极和栅极；所述第四晶体管的漏极和栅极分别第二传输门连接可调负载支路，所述第四晶体管的漏极连接所述第五晶体管的源极，所述第四晶体管的源极和所述第五晶体管的漏极分别接地；所述第一晶体管的源极、所述第二晶体管的源极、所述第三晶体管的源极、可调负载支路分别连接电源电压；所述第一传输门具有互为反相的控制信号l0ad_en,load_enn；所述第二传输门具有互为反相的控制信号l0ad_0,l0ad_0n；所述第二晶体管的栅极连接l0ad_en，所述第五晶体管的栅极连接load_enn。

作为优选，所述可调负载支路包括第六晶体管、第七晶体管；所述第六晶体管的栅极经第二传输门连接第四晶体管的栅极和漏极，所述第六晶体管的栅极连接所述第七晶体管的源极，所述第六晶体管的漏极连接电源电压；所述第六晶体管的源极和第七晶体管的漏极分别接地；所述第七晶体管的栅极连接l0ad_0n。

作为优选，所述动态功耗平衡模块包括第一传输门、第二传输门、第一电阻、可调负载支路；电源电压通过一支路的第一传输门连接第一电阻到地；电源电压通过另一支路的第二传输门连接可调负载支路到地；所述第一传输门具有互为反相的控制信号l0ad_en,load_enn；所述第二传输门具有互为反相的控制信号l0ad_0,l0ad_0n。

作为优选，所述可调负载支路包括第二电阻、第一晶体管；所述第二传输门依次连接第二电阻、第一晶体管的漏极，所述第一晶体管的栅极连接l0ad_en，所述第一晶体管的源极接地。

一种耗材芯片动态功耗调整方法，包括：

耗材芯片识别到成像设备发送启动信号时，启动耗材芯片内的算法模块，耗材芯片的控制模块发出功耗调整信号给耗材芯片的动态功耗平衡模块，所述动态功耗平衡模块将负载在小电流负载和大电流负载之间切换，以确保反馈稳定的电平信号给成像设备；否则，所述控制模块控制所述动态功耗平衡模块将负载切换为最大负载值，以确保反馈能通过成像设备功耗检测模式的电平信号。

采用本发明方法，电平保持在稳定状态，解调信号准确，能保证耗材芯片能够在成像设备上正常工作。

作为优选，所述动态功耗平衡模块将负载在小电流负载和大电流负载之间切换的具体步骤为：

当所述算法模块的大功耗算法单元启动时，所述控制模块发出低功耗调整信号给所述动态功耗平衡模块，所述动态功耗平衡模块将负载切换为小电流负载；

当所述算法模块的小功耗算法单元启动时，所述控制模块发出高功耗调整信号给所述动态功耗平衡模块，所述动态功耗平衡模块将负载切换为大电流负载。

作为优选，所述启动信号为耗材芯片与成像设备的通信认证信号时，耗材芯片内的算法模块用于计算认证密码，以反馈给成像设备。

作为优选，所述通信认证信号包括读序列号数据及芯片计数数据命令、轮密钥计算命令和初步认证命令；所述耗材芯片的控制模块发出低功耗调整信号给耗材芯片的动态功耗平衡模块的具体过程如下：

当接收到读序列号数据及芯片计数数据命令时，耗材芯片反馈密钥序列号和芯片计数给成像设备；

当接收到轮密钥计算命令时，耗材芯片启动算法模块计算轮密钥，控制模块发出低功耗调整信号给耗材芯片的动态功耗平衡模块，将负载切换为小电流负载，以确保反馈稳定的电平信号给成像设备；

当接收到初步认证命令时，耗材芯片启动算法模块计算认证密码，控制模块发出高功耗调整信号给耗材芯片的动态功耗平衡模块，将负载切换为大电流负载，并将认证密码反馈给成像设备。

作为优选，由成像设备发送的启动信号为电平宽度按如下方式解调后的信号：高电平比低电平宽，解调为1；高电平比低电平窄，解调为0。

本发明具有以下有益效果：

本发明一种耗材芯片、耗材芯片动态功耗调整方法，采用高低电平的宽度对比进行识别，有效解决了批量性和一致性精度的问题；电平高度识别时，采用动态功耗平衡模块来动态调整负载为大电流负载或小电流负载，以控制电流动态恒定，保证信号的可识别的电平保持在一个非常稳定的状态，在保证效率安全的同时也保证了通信的正确性。另外，在采用动态功耗平衡模块时，耗材芯片可采用硬件算法模块进行加密，在确保通信稳定、可靠的情况下，确保数据通信的安全性并提高加密速度。

附图说明

图1为现有耗材芯片启动算法模块时的电平波形图；

图2为本发明一种耗材芯片的结构示意图；

图3为采用本发明耗材芯片启动算法模块时的电平波形图；

图4为图3中动态功耗平衡模块一实施方式的电路图；

图5为图3中动态功耗平衡模块另一实施方式的电路图；

图6为本发明一种耗材芯片动态功耗调整方法的流程图。

具体实施方式

以下是本发明的具体实施例并结合附图，对本发明的技术方案作进一步的描述，但本发明并不限于这些实施例。

耗材芯片包括电源模块、控制模块、算法模块、通信模块。电源模块用以提供耗材芯片工作所需的电源电压。所述通信模块用于与成像设备，如打印机，进行交互通信。所述控制模块用于根据接收到的成像设备指令来控制耗材芯片运算、存储等工作。所述算法模块用于执行控制模块发送的命令的相关运算，如轮密钥计算、认证密码计算等。

在耗材芯片与成像设备通讯过程中，耗材芯片上电，即启动电源模块、控制模块、算法模块。当算法模块被启动进行算法运算时，耗材芯片的功耗就会阶段性上升，通讯时的电平会下降。如若没有采取任何措施，电平波形如图1所示。可见此时电平被极大地拉低，可能会使解调出错，因为高低电平不恒定，会导致电平被误解出低电平，致使耗材芯片和成像设备通讯失败。如图1所示，错误解调出的数字信号为101000，而正确信号为101101。

为了解决上述电平不稳定，解调信号出错的问题，本发明提出一种耗材芯片。如图2，本发明耗材芯片包括电源模块、算法模块、控制模块、动态功耗平衡模块。所述动态功耗平衡模块在芯片上电时即被启动，并默认其工作在高功耗状态。耗材芯片需要识别成像设备是否发送启动信号，如识别到启动信号，则为需要启动算法模块。所述算法模块执行算法运算，此时功耗上升，电平跌落。所述控制模块发出功耗调整信号给所述动态功耗平衡模块，所述动态功耗平衡模块用于将负载在小电流负载和大电流负载之间切换，以确保反馈稳定的电平信号给成像设备。如未识别到启动信号，则为不需要启动算法模块，所述控制模块控制所述动态功耗平衡模块将负载切换为最大负载值，以确保反馈能通过成像设备功耗检测模式的电平信号。

其中，耗材芯片与成像设备通讯过程中，成像设备对耗材芯片进行功耗检测。初始上电状态下，动态功耗平衡模块工作在高功耗状态，高功耗状态符合成像设备功耗检测模式。在监测到不需要启动算法模块时，调整后的功耗状态也需要符合成像设备功耗检测模式。

当采用动态功耗平衡模块后，相当于在芯片上电时加入了一个可调负载，当耗材芯片监测到算法模块启动时，控制模块发出控制信号，根据算法模块运行在高功耗状态或低功耗状态，来对负载进行切换，这样就能满足通讯时的电平要求，从而使得通讯保持稳定。图3示出了采用动态功耗平衡模块调整后的波形图，其能解调出正确信号101101。

具体地，所述算法模块包括大功耗算法单元和小功耗算法单元。当所述大功耗算法单元启动时，所述控制模块发出低功耗调整信号给所述动态功耗平衡模块，所述动态功耗平衡模块将负载切换为小电流负载。当所述小功耗算法单元启动时，所述控制模块发出高功耗调整信号给所述动态功耗平衡模块，所述动态功耗平衡模块将负载切换为大电流负载。

以耗材芯片与成像设备通信认证为例，所述算法模块可以为耗材芯片与成像设备通信认证的算法模块。所述算法模块在认证时运算轮密钥、认证密码，最终反馈认证密码给成像设备，使得两者认证通过后能进行交互通信。如，所述启动信号为耗材芯片与成像设备的通信认证信号时，所述通信认证信号包括读序列号数据及芯片计数数据命令、轮密钥计算命令和初步认证命令。所述耗材芯片的控制模块发出功耗调整信号给耗材芯片的动态功耗平衡模块的具体过程如下：

当接收到读序列号数据及芯片计数数据命令时，耗材芯片反馈密钥序列号和芯片计数给成像设备；

当接收到轮密钥计算命令时，耗材芯片启动算法模块计算轮密钥，控制模块发出低功耗调整信号给耗材芯片的动态功耗平衡模块，将负载切换为小电流负载，以确保反馈稳定的电平信号给成像设备；

当接收到初步认证命令时，耗材芯片启动算法模块计算认证密码，控制模块发出高功耗调整信号给耗材芯片的动态功耗平衡模块，将负载切换为大电流负载，并反馈认证密码给成像设备。

也就是说，耗材芯片与成像设备进行通讯时，成像设备发送读序列号命令，耗材芯片从eepprom中读取密钥序列号和芯片计数反馈给成像设备，此时未启动算法模块，通讯正常。接着，成像设备发送轮密钥计算命令，耗材芯片进行命令处理。紧接着，成像设备会像耗材芯片发送查询命令来查询前述命令是否处理完成，若耗材芯片未完成处理，需反馈成像设备未完成信号，耗材芯片启动算法模块：先将耗材芯片计数加1，然后根据原始密钥、随机数、芯片计数数据通过算法模块加密运算得到轮密钥，最后将芯片计数发送给成像设备。同时，耗材芯片控制模块发出低功耗调整信号给耗材芯片的动态功耗平衡模块，将负载切换为小电流负载，使得反馈电平能满足通讯要求。耗材芯片在进行认证密码计算时，启动算法模块计算，耗材芯片控制模块发出高功耗调整信号给动态功耗平衡模块，将负载切换为大电流负载。

所述算法模块可以是软件算法模块，也可以是硬件算法模块。当采用硬件算法模块时，能提高耗材芯片与成像设备之间的通信安全度。基于上述示例，可将算法模块中的大功耗算法单元和小功耗算法单元分别认定为轮密钥计算单元和认证密码计算单元。所述轮密钥计算单元、认证密码计算单元为采用现有计算方式实现的运算单元。当进行其他算法计算时，可预先认定某一算法单元为大功耗算法单元，认定另一算法单元为小功耗算法单元。而本文旨在于，控制模块根据算法模块的功耗来控制动态功耗平衡模块的负载工作状态，以实现功耗平衡。

通过以上的命令识别过程，根据命令内容，耗材芯片能合理利用动态功耗平衡模块切换负载接入大小，以控制电流动态恒定。

在一实施方式下（参照图4），所述动态功耗平衡模块包括运算放大器q1、第一传输门tg1、第二传输门tg2、第一电阻r1、第二电阻r2、第一晶体管tp1、第二晶体管tp2、第三晶体管tp3、第四晶体管tn2、第五晶体管tn3、可调负载支路。当成像设备进行功耗检测时，传输门tg1开启对电源电压的下拉电流。l0ad_0n为修调位。利用导通/不导通第二传输门tg2的方式，来确定是否接入可调负载支路。当接入时，负载就会切换为大电流负载，否则，负载就会切换为小电流负载。

具体地，所述运算放大器q1的输出端连接第一晶体管tp1的栅极，所述第一晶体管tp1的漏极依次经所述第一电阻r1、所述第二电阻r2接地，所述运算放大器q1的正输入端连接在所述第一电阻r1和所述第二电阻r2之间，所述运算放大器q1的负输入端连接参考电压vref。所述第二晶体管tp2的栅极和所述第三晶体管tp3的栅极分别经所述第一传输门tg1连接所述第一晶体管tp1的栅极，所述第三晶体管tp3的漏极分别连接所述第四晶体管tn2的漏极和栅极。所述第四晶体管tn2的漏极和栅极分别第二传输门tg2连接可调负载支路，所述第四晶体管tn2的漏极连接所述第五晶体管tn3的源极，所述第四晶体管tn2的源极和所述第五晶体管tn3的漏极分别接地。所述第一晶体管tp1的源极、所述第二晶体管tp2的源极、所述第三晶体管tp3的源极、可调负载支路分别连接电源电压vdd；所述第一传输门tg1具有互为反相的控制信号l0ad_en,load_enn。所述第二传输门tg2具有互为反相的控制信号l0ad_0,l0ad_0n。所述第二晶体管tp2的栅极连接l0ad_en，所述第五晶体管tn3的栅极连接load_enn。

其中，所述可调负载支路包括第六晶体管tn4、第七晶体管tn5。所述第六晶体管tn4的栅极经第二传输门tg2连接第四晶体管tn2的栅极和漏极，所述第六晶体管tn4的栅极连接所述第七晶体管tn5的源极，所述第六晶体管tn4的漏极连接电源电压vdd。所述第六晶体管tn4的源极和第七晶体管tn5的漏极分别接地。所述第七晶体管tn5的栅极连接l0ad_0n。

本发明不限于采用一条可调负载支路，可采用多条相同结构的可调负载支路，相邻可调负载支路之间通过传输门连接。图4示出了所述动态功耗平衡模块采用两条可调负载支路时的电路图。以图4为例，进行具体说明。当有两条可调负载支路时，还包括第三传输门tg3。新增的可调负载支路包括第八晶体管和第九晶体管。所述第八晶体管tn6的栅极经第三传输门tg3连接第四晶体管tn2的栅极和漏极，所述第八晶体管tn6的栅极连接所述第九晶体管tn7的源极，所述第八晶体管tn6的漏极连接电源电压vdd。所述八晶体管tn6的源极和第九晶体管tn7的漏极分别接地。所述第三传输门tg3具有互为反相的控制信号l0ad_1,l0ad_1n。所述第九晶体管tn7的栅极连接l0ad_1n。当成像设备进行功耗检测时，通过load_en信号为高电平，传输门tg1开启对电源电压的下拉电流。load_0n，load1n分别为修调位，可根据实际情况进行调节。

1)当芯片未启动算法模块或其它大功耗模块时，load_en，load_0，load_1都为高电平，传输门tg2和tg3开启，负载就会切换大电流负载；

2)当芯片需要启动算法模块或其它大功耗模块时，load_en为高电平，load_0或者load_1为高电平，第二传输门tg2或者第三传输门tg3开启，负载就会切换小电流负载。若load_0为高，load_1为低电平，那么tn6所在可调负载支路断开，ivdd=i1+i2+i4。

当运算放大器q1开启，流过第一晶体管tp1的电流：

i1=vref/r2

当功耗检测的指令到来时，第一传输门tg1导通，通过镜像流过第三晶体管tp3支路的电流为：

i2=i1*（βp3/βp1）

其中，β为晶体管的宽长比，第六tn4、第八晶体管tn6的可调负载支路的电流也可以通过这种方法得出，只要选择合适的晶体管的宽长比，通过第一传输门tg1的开启与关闭，就能实现在电源vdd产生满足打印成像设备的功耗要求。

在另一实施方式下（参照图5），所述动态功耗平衡模块包括第一传输门tg1、第二传输门tg2、第一电阻r1、可调负载支路。电源电压vdd通过一支路的第一传输门tg1连接第一电阻r1到地gnd。电源电压vdd通过另一支路的第二传输门tg2连接可调负载支路到地gnd。所述第一传输门tg1具有互为反相的控制信号l0ad_en,load_enn，所述第二传输门tg2具有互为反相的控制信号l0ad_0,l0ad_0n。利用导通/不导通第二传输门tg2的方式，来确定是否接入可调负载支路。当接入时，负载就会切换为大电流负载，否则，负载就会切换为小电流负载。

所述可调负载支路包括第二电阻r2、第一晶体管tn0。所述第二传输门tg2依次连接第二电阻r2、第一晶体管tn0的漏极，所述第一晶体管tn0的栅极连接l0ad_en，所述第一晶体管tn0的源极接地。

本发明不限于采用一条可调负载支路，可采用多条相同结构的可调负载支路，每条可调负载支路通过传输门与电源电压连接。图5示出了所述动态功耗平衡模块采用两条可调负载支路时的电路图。以图5为例，进行具体说明。当有两条可调负载支路时，还包括第三传输门tg3。新增的可调负载支路包括第第三电阻r3和第二晶体管tn1。所述第三传输门tg3依次连接第二电阻r2、第二晶体管tn1的漏极，所述第二晶体管tn1的栅极连接l0ad_en，所述第二晶体管tn1的源极接地。所述第三传输门tg3具有互为反相的控制信号l0ad_1,l0ad_1n。

当发送小功耗算法指令时，load_en，load_0，load_1都为高电平，传输门tg2和tg3开启，负载就会切换大电流负载；当发送大功耗算法指令时，load_en为高电平，load_0或者load_1为高电平，传输门tg2或者tg3开启，负载就会切换小电流负载。

当功耗检测的指令到来时，传输门tg1导通，流经r1的电流为：

i1=vdd/r1

只要选择合适的电阻值r1，r2，r3，就能使芯片功耗满足打印成像设备的要求。

基于上述耗材芯片，本发明还提出一种耗材芯片动态功耗调整方法。如图6，方法包括：

耗材芯片识别到成像设备发送启动信号时，启动耗材芯片内的算法模块，耗材芯片的控制模块发出功耗调整信号给耗材芯片的动态功耗平衡模块，所述动态功耗平衡模块将负载在小电流负载和大电流负载之间切换，以确保反馈稳定的电平信号给成像设备；否则，所述控制模块控制所述动态功耗平衡模块将负载切换为大电流负载，以确保反馈能通过成像设备功耗检测模式的电平信号。

其中，所述动态功耗平衡模块将负载在小电流负载和大电流负载之间切换的具体步骤为：

当所述算法模块的大功耗算法单元启动时，所述控制模块发出低功耗调整信号给所述动态功耗平衡模块，所述动态功耗平衡模块将负载切换为小电流负载；

当所述算法模块的小功耗算法单元启动时，所述控制模块发出高功耗调整信号给所述动态功耗平衡模块，所述动态功耗平衡模块将负载切换为大电流负载。

其中，考虑到由成像设备发送的启动信号可能存在一致性偏差，为此，对由成像设备发送的启动信号进行特定的解调，采用高低电平的宽度对比方式进行解调识别。具体地，直接识别高低电平的宽度，高电平比低电平宽，解调为1；高电平比低电平窄，解调为0。这样可适应通信波形产生周期的变化情况。

本领域的技术人员应理解，上述描述及附图中所示的本发明的实施例只作为举例而并不限制本发明。本发明的目的已经完整有效地实现。本发明的功能及结构原理已在实施例中展示和说明，在没有背离所述原理下，本发明的实施方式可以有任何变形或修改。