數字受控的傳感器系統的制作方法

專利名稱：數字受控的傳感器系統的制作方法
技術領域：
本發明一般涉及用來操作傳感器的系統和方法，更確切的，涉及用于數字電容薄膜式壓力計的嵌入式控制系統，所述電容薄膜式壓力計使用一個高級數字信號處理器，其包括用來處理內部測量功能的內核和測量控制算法。
背景技術：
許多制造工藝在重要的工藝步驟中需要對壓強進行準確且可重復的測量。這些工藝可以依賴電容薄膜式壓力計來實現對容器壓強的準確判定。電容薄膜式壓力計(或電容壓力計)普遍使用于半導體工業中。這一部分是因為它們適用于該工業的腐蝕性操作。而且還因為它們的高準確性以及對污染的不敏感性。
電容壓力計是一種可以被用來測量處理容器中諸如壓強這樣的參量的一種傳感器。電容壓力計的外殼包括由一個薄膜所隔開的兩個容器。所述容器中的一個與要被測量壓強的處理容器或導管之間有流體的交互。壓力計的另一個容器一般(盡管不是必須)是被抽空的。它是一個壓力參考容器。電容器板處于壓力計外殼和薄膜上。這些電容器板所具有的電容可以被測量。當處理氣體進入第一容器，它就會給薄膜施加壓力，從而使薄膜移動。連接在薄膜上的電容器板相應就會移向連接在壓力計外殼上的電容器板，從而就改變了電容器板之間的電容。電容的改變對應了壓強的增加，因而可以被用作對壓強的量度。
電容壓力計通常是通過測量探測電極的相對移動所導致的電容變化來進行操作的。可以用多種不同類型的電接口來測量電容的變化，例如平衡二極管電橋接口、基于保護次級變壓器的電橋接口、以及匹配參考電容橋接口。這些接口測量電容的方式在于，利用耦合到壓力計電容板上的電路來確定它們電容的變化以及被測量參數相應的變化。
電容薄膜壓力計的一個主要優點在于它能夠檢測到極小的薄膜移動，從而就可以檢測到被測量處理參數的很小的變化。這種傳感器的準確度一般為所產生的讀數的0.25到0.5％。例如，在一個典型的電容薄膜式壓力傳感器中，一個薄的薄膜可以測量到10-5Torr。稍厚，但更加粗糙的薄膜可以在低密度真空到大氣范圍內進行測量。為了覆蓋一個寬的真空范圍，可以在一個多量程封裝中連接兩個或多個電容傳感頭。
使用差分電容壓力計的系統一般對壓強讀數的可重復性有嚴格的要求，其偏置漂移一般限制在滿量程的.02％每天。差分電容薄膜式壓力計的滿量程偏離一般會導致0.22.0pF(10-12F)的電容變化。所以，到傳感元件的電子接口(“模擬前端”或“AFE”)每天的漂移不可以超過0.04飛法(10-15F)。
除了對性能的嚴格要求以外，用戶越來越需要基于差分電容壓力計的系統能夠利用其它工藝設備的進展。例如，一些最新的工藝技術需要數字通信、嵌入式診斷以及低溫靈敏性。現有的電容薄膜式壓力計通常不能滿足這些需求。

發明內容
上述的一個或多個問題可以用本發明的多個實施例來解決。廣義上講，本發明包括用于數字控制傳感器的系統和方法。本發明的多個實施例可以基本減小或消除與現有技術中用來操作傳感器的系統和方法相關的缺點和問題。
在一個實施例中，用于電容薄膜式壓力計的數字控制器被嵌入在一個數字信號處理器(DSP)中。該控制器通過一個可變增益模塊、一個零偏置模塊以及一個模數轉換器(ADC)從一個傳感器模擬前端接收數字化輸入。控制器通過調整可變增益以及零偏置模塊來自動縮放接收到的輸入。控制器還對一個加熱裝置進行監控和調整，以維持傳感器的合適溫度。控制器使用一個內核軟件模塊來將處理資源分配給壓力計控制器模塊的多個任務。該內核模塊重復執行一個循環，其中，每個循環執行高優先級任務集合的全部以及低優先級任務集合中的一個。從而，控制器模塊就按照精確的周期提供傳感器測量輸出，同時還可以實現輔助功能(例如自動縮放、零偏置調整以及嵌入式診斷)。
本系統和方法可以提供相對于現有技術的很多有點。例如，它們可以讓控制器能夠同時服務數字工具控制器接口和嵌入式診斷端口接口。此外，它們還可以實現控制器內的嵌入式診斷。控制器的數字引擎能夠離散地監控系統變量，并且能夠無縫的將數據提供給工具控制器和/或嵌入式診斷端口。系統變量可以包括壓力計壓強、傳感器溫度、加熱器驅動、環境溫度、預處理壓力計壓強、零偏置以及設備狀態，但并不限于這些。此外，在本系統和方法中不需要使用人工調整的分壓計。除了在裝配時手動安裝的一個壓力計平衡電阻以外，所有的校準調整都是由一個自動校準臺數字化的完成的。所有的校準參數都被存儲在非易失存儲器中，且可以被嵌入式診斷端口所訪問。此外，本系統和方法可以通過嵌入式診斷端口來允許壓力計的線性化以及傳感加熱器控制器的配置。


通過閱讀下面的詳細描述以及參考附圖，本發明的其它目標和優點可以變得更加清楚。
圖1中的硬件框圖表示了一個實施例中的嵌入式系統控制器。
圖2中的流程圖表示了一個實施例中嵌入式系統的內核模塊的操作。
圖3中的框圖表示了一個實施例中的嵌入式系統的壓力計控制器模塊。
盡管本發明可以有多種修改和可替換形式，但其具體實施例是通過附圖以及詳細描述中的例子來說明的。然而，需要理解的是，這些附圖和詳細描述并不是為了將本發明限制在所描述的某個具體實施例。相反，本公開是為了包括屬于權利要求所確定的本發明范圍以內的所有修改、等價和可替換方式。
具體實施例方式
下面將要描述本發明的優選實施例。需要注意的是，下文所述的實施例僅僅是示例性的，它們是對本發明的解釋而不是限制。
廣義的說，本發明包括用于數字控制傳感器的系統和方法。本發明的多個實施例可以基本上減小或消除與操作傳感器的傳統技術的系統和方法所對應的缺點和問題。
在一個實施例中，用于電容薄膜式壓力計的一個數字控制器被嵌入到一個數字信號處理器(DSP)中。該控制器通過一個可變增益模塊、一個零偏置模塊以及一個模數轉換器(ADC)從一個傳感器AFE接收數字化的輸入。控制器通過調整可變增益以及零偏置模塊來自動縮放接收到的輸入。控制器還監視和調整一個加熱裝置以維持傳感器的適當溫度。
控制器所使用的內核模塊將處理資源分配給壓力計控制模塊的各個任務。該內核模塊重復的執行一個循環，其中在每一次重復中，高優先級任務組的全部都被執行，以及低優先級任務組的中的一個被執行。在一個實施例中，所述高優先級任務包括從傳感器讀取數字化的輸入，線性化所述輸入，提供壓強輸出。所述低優先級任務包括提供串行通信接口(SCI)消息，提供控制區域網絡(CAN)消息，補償環境溫度，控制傳感器加熱器，控制溫度和狀態LED，檢查零壓強和過壓強以及類似情形。
控制器的數字引擎對系統變量進行監控的目的在于，產生準確、可重復并且是溫度補償后的壓強輸出，同時還支持數字工具控制器接口、獨立診斷接口、閉環加熱器控制器以及其它壓力計功能。執行所有這些功能都不會影響到壓力計的準確度或性能。
優點。為了達到差分電容壓力計系統中新的需求，可能就需要一個數字控制系統。傳統的模擬信號會受到噪聲、接地環路、以及信號損耗的影響。由于數字通信不會受到噪聲和信號惡化的影響，所以數字通信就可以解決這些問題。在一個實施例中，壓力計上的數字通信接口是利用嵌入數字控制系統來實施的。
傳統技術只提供(如果有的話)了很少的診斷特征。傳統的模擬壓力計必須從工具移開才能被診斷。利用本系統和方法，壓力計就不需要被移開來診斷和解決問題。例如，可以通過數字診斷端口、或者到PC、筆記本電腦、PDA或校準臺的一個接口來在正常操作的過程中監控或獲取系統內部參數。該壓力計還可以包括嵌入的診斷裝置來幫助解決工具或壓力計的問題。這些特征通過快速發現和解決工具或傳感器的問題來降低持有成本。
對傳統的模擬壓力計進行校準時，調整多個分壓計所用的過程主要是手動校準。然而，本系統和方法可以提供自動校準(例如，由一個校準臺來實施)。在一個實施例中，一個嵌入數字引擎允許進行自動校準和測試，這就降低了制造的成本，并減小了設備之間的差異。與現有技術不同，這里不需要使用分壓計。由于校準過程是數字的和自動的，所以出現人為因素而導致變化的機會就大大減小。所以，就可以實現更高的準確性、可重復性、設備-設備之間的可重復性。
高性能薄膜式壓力計通常會受到溫度系數要求的影響。也就是說，壓力計對溫度變化的敏感性必須是最小。減小溫度系數的值通常需要一個精確的傳感加熱控制系統。本系統和方法使用了數字技術來監控和控制加熱器輸出，因而也有利于高級的加熱器控制。本系統和方法還利用對環境溫度的測量來補償電子線路中溫度的變化。
所以，本系統和方法可以提供很高的壓力計性能，同時還允許與主設備以及診斷裝置進行數字通信。此外，本系統和方法還可以降低壓力計的制造成本以及最終用戶的持有成本。
優選實施例圖1中的功能框圖表示了具有一個數字控制器的傳感系統的結構。在該圖所示和實施例中，控制器是用數字信號處理器(DSP)110來實施的。在另一實施例中，控制器可以用一個微控制器或者其它數字處理器來實施。該控制器從傳感器10接收數字化的輸入，處理該輸入，控制傳感器以及相關部件，執行多種服務功能，以及向用戶提供輸出數據。在一個實施例中，控制器DSP被嵌入在(集成在)傳感器中。
壓強獲取。在本實施例中，來自傳感器(也就是電容薄膜式壓力計)10的信號被模擬前端(AFE)30轉換成電壓。該AFE信號被一個可編程增益放大器40所放大，并被零偏置模塊50進行零調整。可編程增益放大器40以及零偏置模塊50都被內嵌的控制器DSP110所控制。接著，模數轉換器(ADC)60將被放大和偏置的模擬信號轉換成數字信號。然后，ADC60在接收到嵌入控制碼指令時與處理器通信，將數字信號傳送給處理器。
由于不同的傳感器的輸出之間差別可能很大，所以可編程增益放大器40和零偏置模塊50就被用來修改AFE30所產生的信號。所以，該信號在被數字化之前就已經自動調整到了合適的水平。這些部件取代了現有系統中用于增益和偏置調整的分壓計。分壓計很容易出現不正確的調整，且具有很高的溫度系數，所以不使用分壓計就可以提高壓力計的性能。
信號處理。DSP110所接收到的數字化壓強信號是用數字技術來處理的，從而非線性的傳感信號被轉換成線性的壓強信號。這一個處理過程所使用的線性化算法基于在對控制器進行自動校準時所計算出的常數。這些常數被保存在EEPROM150的非易失性存儲器中。一個溫度補償算法也被用來處理信號以補償電路中的溫度變化。
當數字信號被DSP處理之后，它可以被送到一個或多個輸出端口。該數字信號可以被直接送到一個數字設備或網絡，例如可以將其用于DeviceNet網絡102的控制區域網絡(CAN)收發器101，或者送到一個RS232/485嵌入診斷端口，通過該診斷端口，數字信號可以用于校準臺、PC或其它設備。被處理的數字信號還可以被送到數模轉換器(DAC)70，以產生適用于模擬設備的模擬信號。如果需要，該模擬信號可以在被傳送到設備104之前被電路103所縮放，并被一個算法進行線性化。
零偏置。零偏置是當把壓力計置于一個基準壓強或者一個低于壓力計檢測分辨率的壓強時，壓力計的輸出。傳統CDG的一個問題就在于控制壓力計中零偏置漂移。大多數壓力計隨著時間都會出現零偏置值的漂移或移動。所以，這些壓力計需要被不斷的調整來補償這些漂移。傳統壓力計需要用戶(例如一個技師)來調整分壓計，以使得壓力計在處于基準壓強的時候顯示零伏。
本系統通過不調整分壓計來簡化零調整過程。控制器被配置來監控壓強信號，并響應一個恰當的指令來自動調整零偏置模塊50。由于對零偏置的調整是由控制器自動完成的，所以調整零偏置所需的時間就被最小化。由于在調整分壓計時的人為出錯的機會已經沒有了，所以出現錯誤調整的風險就減小了。(需要注意的是，調整的準確度通常都會比手工調整分壓計所能達到的準確度大很多。)零調整的過程可以被手動調用(例如，通過使用者按下按鈕)，或者也可以響應工具端口、診斷端口、觸電閉合、甚至控制器自己的信號來啟動。
在一個實施例中，控制器包含與零調整過程相關的鎖出特征。對零偏置的調整只有在適當條件存在的情況下才會進行。如果這些條件中的某一個沒有得到滿足，誤差就會被引入到后續的測量中。在一個實施例中，進行零調整過程之前需要滿足下面的條件入口壓強必須低于壓力計的零調整極限；傳感器必須處于設定點溫度；電路的環境溫度必須處于預定范圍內；必須沒有過壓信號；傳感器或控制器中沒有故障情況。由于這些條件不被滿足將會導致不正確的調整，所以控制器被配置成只有滿足這些條件時才進行零調整。
可變增益。控制器還可以提供對系統的自動校準。由于傳感信號可能沒有處于最佳信號范圍(也就是幅度以及與零的偏離)，所以有時就需要調整可變增益模塊以及零偏置模塊，以得到最好的信號來輸入到模數轉換器和控制器中。控制器被配置來將控制輸入提供給可變增益和零偏置模塊，從而實現對它們的調整。這就免去了傳統系統中手動調節分壓計的需要。通過根據數字化傳感信號來調整這些模塊，校準的準確性和可重復性就得到了提高。
加熱器控制。在本實施例中，控制器也可以控制傳感器加熱裝置20。所述加熱裝置在本實施例中時必需的，這是因為傳感輸出是溫度的函數，還因為傳感器的性能可能會受到傳感器(電容薄膜式壓力計)薄膜上處理氣體凝結的影響。所以，控制器就監控著傳感器的溫度，并且調整加熱裝置的溫度以將傳感器保持在期望的設定點溫度。對加熱器的控制是在一個閉環子系統中實施的，該閉環子系統與其它系統功能并行操作，它不會降低壓力計的準確度或性能。
環境溫度補償。盡管環境溫度給傳感器性能帶來的影響通常比傳感器溫度的影響小，但這一影響是存在的。所以，控制器就被耦合到一個環境溫度傳感器140。控制器從傳感器140接收環境溫度信息，然后處理該數字信號來補償環境溫度的影響。
數字通信端口。上文已經提到，控制器可以把處理后的數字信號提供到多個端口以用于多種其它設備。例如，控制器可以具有CAN接口來將數據送到CAN收發器101，然后該收發器將數據送到DeviceNet網絡。類似的，控制器包括耦合到DAC70的壓強輸出端口，所述DAC70能夠將模擬信號(對應于數字信號)提供給外部模擬設備。此外，控制器還可以通過UART(通用異步接收器/發送器)將數據傳送給RS232/485診斷端口100。診斷端口100是獨立的，它可以使得控制器能夠進行自動校準、測試以及消除故障。該端口允許控制器通過串行鏈路將診斷數據提供給PC、筆記本電腦、PDA、校準臺以及類似裝置(105)。如果診斷端口能夠與適當的網頁服務設備進行交互，那么診斷端口就可以允許進行遠程診斷。
其它硬件模塊。本實施例中控制器所監控的其它信號包括地址、波特率選擇器以及MacID開關(160)、以及多種狀態(例如故障)和溫度LED(170)。所述狀態和溫度LED可以由控制器中內嵌的診斷裝置來驅動。控制器還與一個非易失性存儲器(例如EEPROM 150)相交互以存儲校準和配置參數。這些硬件特征將在本公開的其它部分得到更細致的描述。
軟件。實施控制器的DSP被編程來周期性的執行一定的任務，這包括處理傳感信號中的功能性任務，以及在診斷、校準以及其它非測量功能中的輔助任務。在一個實施例中，所述編程是通過一個內核模塊和一個控制器模塊來實現的。所述內核模塊連續執行處理資源，并將處理資源分配給要被執行的多個任務，而真正執行這些任務的是控制器模塊。
內核模塊。如上所述，本實施例的內嵌控制器的內核將處理器資源分配給控制模塊的各個任務。由于嵌入式控制器的主要任務是控制傳感器，所以控制器的第一優先級就是服務于系統的傳感功能。內核被設計來精確提供這些功能的周期性服務。在本實施例中，這些功能包括從模數轉換器中讀取數字化的壓強信號，對數字化的壓強信號線性化，以及將線性化的信號提供給多個輸出端口(尤其是那些特別用于傳感器輸出的)。通過首先給這些高優先級任務分配資源，內核就確保了及時和準確地確定感測的壓強。
由于本實施例中的嵌入式控制器是用在一個閉環壓強控制系統中的，所以控制器在它的壓強響應時間內不要引入任何變化，這一點很重要。如果與處理壓強信號相關的功能被延遲了，那么壓強控制系統實際上就是用失效的數據在操作，從而就會產生潛在的錯誤控制數據。所以，內核給低優先級任務分配資源的方式就必須不延誤或打擾高優先級的壓強計算任務。
所述內核由一個定時器來確定步調，該定時器周期性的產生中斷來觸發高優先級壓強計算任務。每個中斷會觸發一個新的控制流程周期，這包括執行所有的高優先級任務，以及，在本實施例中，執行低優先級任務中的一個。每個高優先級任務在下一個定時器中斷之前完成執行過程。在下一個終端之前的剩余時間可以被用于低優先級的任務。
在一個實施例中，高優先級任務包括從模數轉換器中讀取AFE輸出；計算線性化的壓強輸出；將線性化的壓強值寫入到DAC中；服務CAN緩沖器；以及服務串行端口緩沖器。
本實施例中的低優先級任務包括處理串行通信消息(通過嵌入診斷端口100)；處理CAN消息(通過DeviceNet端口101)；更新環境溫度補償；服務閉環加熱算法；服務溫度LED；監控過壓和零調整輸入；服務狀態LED170以及開關160；服務EEPROM 150。
圖2中的流程圖表示了嵌入式系統內核的操作。在打開電源(或復位)時，內核將資源分配給DSP的初始化，包括控制器模塊以及內核模塊自身。在完成初始化之后，內核反復執行循環200，循環200一般包括步驟220和230。該循環的每一次執行都是響應定時器210的信號，從而就確保了該循環的執行是精確的周期性的。
步驟220包括的任務是涉及傳感器輸出處理以產生輸出信號的(也就是說，是高優先級任務)。在上述實施例中，這些任務包括讀取模數轉換器60所產生的數字信號，對該信號線性化以產生線性壓強輸出信號，對壓強信號進行溫度補償調整，以及將得到的壓強數據寫入到數模轉換器之外的緩沖器、CAN和診斷(SCI)端口中。所有這些任務都在每次循環中被執行一次。所以，傳感控制器系統的測量功能就具有與定時器210一樣的周期。
在執行了高優先級任務的步驟220之后，步驟230將選擇低優先級步驟中的一個。這些任務中的每一個都被作為獨立的步驟(240-247)表示在圖中。在圖示的實施例中，低優先級任務包括提供SCI消息(240)；提供CAN消息(241)；進行溫度補償(242)；進行加熱控制(243)；控制溫度LED(244)；進行零檢查和過壓檢查(245)；控制狀態LED(246)；以及控制EEPROM和逝去時間計時器(247)。一個任務計數器在每個循環中完成低優先級任務的時候會增加(參見步驟250)，對一個循環中所要執行的低優先級任務的選擇就是基于該任務計數器的。這樣，低優先級任務步驟240-247就被順序地執行，一次循環200執行一個。換句話說，每個低優先級任務每“N”次循環被執行一次，其中“N”為任務列表中的任務數。
在本實施例中，控制了每次循環200的啟動的定時器210被設定以使得有足夠時間來完成所有高優先級任務以及低優先級任務中的任何一個(包括增大任務計數器)。在其它實施例中，也許希望減小時間周期的長度，以更頻繁的更新控制器所產生的傳感器輸出讀數。在這樣的情況下，也許就沒有足夠的時間來完成所選的低優先級任務。所以，設計中就需要準備對所選任務的非完整執行的情況，并在稍后的時候繼續執行或重新執行該任務。可替換的，也許并不需要對控制器的傳感器輸出讀數作頻繁的更新。在這種情況下，就可以增大計時器的時間間隔，從而使得在一個循環中可以執行不止一個低優先級任務。還可以有其它一些變化。
使用圖2所示的內核控制循環，每個任務在下一個計時器中斷到來之前就已經完成。這一順序處理可以確保壓力計控制系統能夠在服務所有其它壓力計功能的同時，以精確周期的形式讀取、線性化以及輸出容器的壓強。該控制流有效的區分了計算資源的優先級，從而使壓力計的準確性和性能達到最大，同時還提供了輔助功能。
控制器模塊。如上所述，當內核分配資源以后，控制器模塊就將執行嵌入式控制器的任務。控制器模塊的結構示于圖3。下面將通過參考該圖來描述該結構。
在一個實施例中，控制器模塊程序被編制到DSP中。(需要注意的是，這里所講的“軟件”指的是配置來讓DSP執行指定任務的一組指令，所述“軟件”包括軟件、程序包以及硬編碼的指令。)控制器模塊被配置來從加熱裝置和傳感器、AFE以及模數轉換器接收數據。控制器模塊還從零按鈕接收控制輸入(當用戶按下該按鈕來啟動自動歸零處理時)。控制器模塊將本實施例中的輸出數據提供給CAN端口、數模轉換器以及診斷端口(RS232/485)。控制器模塊將控制輸出提供給模擬零偏置和增益部件，以及加熱裝置和傳感器。
控制模塊300所包括的一個加熱控制模塊310被配置來從耦合到傳感器10的溫度傳感器上接收溫度數據。加熱控制模塊310處理該數據來確定傳感器10的溫度是否合適，并且在需要的時候調整該溫度。這可以涉及對應不同的傳感器10區域來獨立地控制多個加熱部件。加熱設定點以及調整值被存儲在EEPROM中，并且在打開電源的時候被恢復。
零調整模塊330被配置來啟動零偏置調整過程，以作為對從零按鈕所接收到的信號的響應。零調整模塊330自動確定傳感器和/或模擬前端的漂移，從而糾正之。換句話說，如果有效壓強為零(也就是低于最小可分辨壓強)，那么零調整模塊330就會判定必須調整以將模數轉換器所數字化的傳感器信號置為零。然后該信息可以被送給零偏置控制模塊，然后零偏置控制模塊會反過來實現對零偏置硬件模塊的實際調整。這一調整存儲在EEPROM中，并且在打開電源的時候被恢復。
需要注意的是，在一個實施例中，零調整模塊330包括鎖出特征。這就在沒有達到調整所需條件(為了正常執行調整所需的條件)的情況下，防止進行零調整。換句話說，自動零偏置調整過程被鎖出。本實施例中所需要滿足的具體條件為，傳感器中的壓強低于一個預定閾值，傳感器溫度處于期望設定點，電路的環境溫度處于一個預定范圍內，以及控制器中沒有故障。
EEPROM模塊320被配置來管理EEPROM(電可擦除只讀存儲器)中的數據存儲。EEPROM模塊存儲了增益和零調整值、配置數據、歷史診斷數據、以及加熱配置和控制數據。如上所述，由控制器模塊300所計算的線性化常數也被存儲在EEPROM中。壓強線性化模塊340利用這些常數來將從模數轉換器所接收到的非線性數字化信號轉換成可以通過適當的端口進行輸出的線性壓強信號。需要注意的是，由壓強線性化模塊340所產生的線性壓強信號可能需要被溫度補償模塊350所處理，以對環境溫度的變化進行糾正。
一旦壓強信號被線性化，且溫度得到了補償，該信號就可以被送到適當的輸出端口。在一個實施例中，這些模塊包括，被配置來控制到CAN端口(可以被用于DeviceNet網絡)輸出的工具控制器模塊360，被配置來控制到專用診斷端口的輸出的嵌入式診斷和校準模塊370，以及被配置來控制到數模轉換器的輸出的數模轉換器模塊380。
嵌入式診斷和校準模塊370可以允許在控制模塊與諸如校準臺或PC這樣的外部設備之間的通信。所以，控制器就可以利用數字信號數據以及內部控制數據來執行診斷過程，然后將該信息傳送給用戶。需要注意的是，各個實施例所執行的具體診斷可能彼此不同，所以這里將不討論具體的過程。對具體過程的編程一定是在熟悉技術的人的能力范圍之內的。診斷可以產生故障狀態指示，該指示可以被傳送給用戶，可以用來驅動LED指示器，可以用于其它診斷過程等等。在一個實施例中，故障狀態被存儲在一個歷史數據庫中以用于后來的分析。
嵌入式診斷和校準模塊370所實現的校準還利用了來自諸如校準臺這樣的外部設備的通信。所述模塊被配置來接收從校準臺下載的數據，例如校準常數或者描述自動校準過程中使用的多變量響應函數的其它數據。然后，該信息可以與內部變量一起被用來調整可變增益以及零偏置硬件模塊來獲得優化輸入數據，所述內部變量包括未處理的傳感信號、環境溫度、傳感器溫度以及過壓信號。
從圖3可以看出，除了所述控制模擬傳感器信號偏置的零偏置控制模塊以外，控制器模塊300還包括一個傳感器增益控制模塊。該模塊控制著可編程增益硬件模塊，所述可編程增益硬件模塊將來自模擬前端的模擬傳感器信號進行放大。這就可以使提供給模數轉換器輸入端的信號水平是最合適的。放大增益以及零調整值都被存儲在EEPROM中，且在打開電源的時候被恢復。控制器模塊300還包括一個過壓輸入模塊，該模塊被配置來在模擬前端探測一個過壓情況。
除了上述的本發明實施例以外，還有很多可替換實施例也屬于本公開的范圍之內。例如，如上所述，一個可替換實施例可以包括一個傳感器系統，其具有一個傳感器、一個模擬前端、一個模數轉換器和一個數字控制器。該系統可以包括其它獨立的或組合的硬件部件。這些部件可以包括一個傳感器加熱器、一個可變增益模塊、一個零偏置模塊、一個存儲器(例如，EEPROM)、通信端口、校準臺、PC、PDA、網絡、或其它外部設備。
其它實施例可以包括多種方法。例如，一個可替換實施例包括進行零調整的一個方法。該方法包括下列步驟檢測零調整指令(例如，來自用戶按鈕開關、接點閉合，或來自通信端口的數字指令)；檢測入口壓強信號的零偏置值；將零偏置信號從線性化的壓強輸出信號中數字地去除；以及更新零調整狀態變量。該方法還可以包括的步驟有，指示零調整操作的成功與否，僅僅在滿足預定條件的情況下執行該過程(否則鎖出該過程)，等等。
另一可替換實施例可以包括的方法在于，給諸如電容薄膜式壓力計這樣的傳感器進行較準。該方法的步驟可以包括測量傳感器入口的真實壓強；探測與電容薄膜式壓力計相關的一系列系統變量(例如，未處理的輸入壓強信號，環境溫度信號，傳感器溫度信號或過壓信號)；控制與電容薄膜式壓力計相關的另一系列系統變量(例如，傳感器增益放大器值或零偏置值)；用回歸技術對壓強建模，以產生用系統變量描述壓力計壓強的一個多變量響應函數；以及將多變量響應函數輸入到嵌入式控制系統中以使能輸出壓強信號。
上文已經通過具體的實施例描述了本發明所能提供的好處和優點。這些好處和優點，以及任何讓它們能夠出現或變得更加明顯的元件或限制都不應該被認為是任何或全部權利要求決定性的、必需的、或者是本質的特征。正如這里所用的，術語“包括”或其任何變形都應該被理解為非排他性的包括這些術語后所跟的元件或限制。相應的，包括一系列元件的一個過程、方法、物品或裝置并不僅僅包括這些元件，而是可以包括沒有列出或者這內含于所述過程、方法、物品或裝置中的其它元件。
盡管本發明是通過參考具體實施例來描述的，但需要理解這些實施例僅僅是示例性的，本發明的范圍并不限于這些實施例。還可以對上述實施例作多種變化、修改、添加和改進。可以理解，這些變化、修改、添加和改進是屬于下文權利要求書所限定的本發明范圍之內的。
權利要求
1.一種數字受控的傳感器系統包括一個傳感器；一個模擬前端模塊，它被耦合到所述傳感器并且被配置來產生一個模擬傳感器信號；一個模數轉換器，它被配置來將所述模擬傳感器信號轉換成一個數字傳感器信號；以及一個數字控制器，它被配置來接收所述數字傳感器信號，處理該信號，然后提供一個指示對應于所述傳感器信號的測得參數的輸出信號，其中所述控制器利用一個內核模塊，該內核模塊被配置來執行一個控制循環的重復操作，其中控制循環包括執行所有的高優先級任務以及執行一個或多個低優先級任務。
2.權利要求1中的系統，其中數字控制器實施在一個數字信號處理器(DSP)中，其中DSP被內嵌于所述傳感器中。
3.權利要求1中的系統，其中數字控制器實施在一個微控制器中，其中微控制器被內嵌于所述傳感器中。
4.權利要求1中的系統，其中所述傳感器包括一個電容薄膜式壓力計。
5.權利要求1中的系統，其中控制循環的每次重復都是周期性執行的。
6.權利要求1中的系統，其中高優先級任務包括由下述任務組成的任務組中的至少一個或多個從模數轉換器讀取數字傳感器信號；從數字傳感器信號中計算出線性化壓強值；將線性化的壓強值寫入到一個數模轉換器中；以及將線性化的壓強值傳送到一個或多個端口緩沖器。
7.權利要求1中的系統，其中低優先級任務包括由下述任務組成的任務組中的至少一個或多個處理從診斷端口接收到的通信消息；處理控制區域網絡消息；進行環境溫度補償；執行閉環加熱器算法；服務溫度LED；監控過壓和零調整輸入；服務狀態LED和開關；服務一個EEPROM；執行自動模擬縮放過程；執行自動零調整過程；以及執行嵌入式診斷過程。
8.權利要求1中的系統，其中數字控制器被配置來執行自動校準過程。
9.權利要求8中的系統，其中數字控制器被配置來計算一組校準常數，線性化計算就是基于這組校準常數來進行的。
10.權利要求9中的系統，其中數字控制器被配置來利用一個回歸過程計算所述的一組校準常數。
11.權利要求9中的系統，其中數字控制器被配置來在非易失性存儲器中存儲所述一組校準常數。
12.權利要求8中的系統，其中數字控制器被配置來利用從一個校準臺導入到數字控制器中的校準數據來進行自動校準過程。
13.權利要求1中的系統，其中數字控制器被配置來執行一個自動零調整過程。
14.權利要求13中的系統，其中數字控制器被配置來響應于用戶的指示來執行自動零調整過程。
15.權利要求13中的系統，其中數字控制器被配置來響應通過網絡連接所接收到的電子指示來執行自動零調整過程。
16.權利要求13中的系統，其中數字控制器被配置來將控制數據提供給一個模擬零調整模塊，其中所述控制數據是由所述自動零調整過程所產生的。
17.權利要求13中的系統，其中數字控制器被調整來鎖出自動零調整過程，除非一組預定條件被滿足。
18.權利要求17中的系統，其中所述一組預定條件包括由下列各項構成的組中的一個或多個入口壓強低于傳感器的檢測極限；傳感器及其電路處于設定點溫度；環境溫度處于預定范圍內；過壓信號未被聲明；以及傳感器或控制器中沒有故障。
19.權利要求1中的系統，其中數字控制器被配置來執行一個或多個嵌入式診斷過程。
20.權利要求19中的系統，其中數字控制器被配置來提供故障情況的指示，所述故障情況是由一個或多個嵌入式診斷過程所檢測到的。
21.權利要求19中的系統，其中數字控制器被配置來存儲檢測到的故障情況。
22.權利要求1中的系統，其中數字控制器被配置來將從一個或多個嵌入式診斷過程所得到的診斷數據傳送到一個診斷端口。
23.權利要求1中的系統，其中數字控制器還包括一個專用診斷端口。
24.權利要求23中的系統，其中存儲在數字控制器中的內部數據可以被外部設備訪問。
25.權利要求1中的系統，其中數字控制器被配置來對數字傳感器信號進行線性化。
26.權利要求25中的系統，其中數字控制器被配置為利用基于存儲在非易失性存儲器中的值的線性化表達式對數字傳感器信號進行線性化。
27.權利要求26中的系統，其中的非易失性存儲器是一個EEPROM。
28.權利要求1中的系統，其中數字控制器被配置來對數字傳感器信號進行溫度補償。
29.用來數字控制傳感器系統的一種方法，包括接收一個模擬傳感器信號；將所述模擬傳感器信號轉換成一個數字傳感器信號；處理該信號以提供一個輸出信號，該輸出信號指示對應于所述傳感器信號的一個測量參數；以及在一個內核模塊中重復執行一個控制循環，其中所述控制循環包括執行所有的高優先級任務，以及執行一個或多個低優先級任務。
30.權利要求29中的方法，其中所述方法被實施在一個數字信號處理器(DSP)中，以及其中DSP內嵌于傳感器中。
31.權利要求29中的方法，其中所述方法被實施在一個微控制器中，以及其中所述微控制器內嵌于傳感器中。
32.權利要求29中的方法，還包括利用一個電容薄膜式壓力計產生傳感器信號。
33.權利要求29中的方法，還包括周期性的執行所述控制循環的每次重復。
34.權利要求29中的方法，其中高優先級任務包括由下述任務構成的任務組中的至少一個或多個從模數轉換器讀取數字傳感器信號；從數字傳感器信號中計算出一個線性化壓強值；將線性化的壓強值寫入到一個數模轉換器中；以及將線性化的壓強值傳送到一個或多個端口緩沖器。
35.權利要求29中的方法，其中低優先級任務包括由下述任務構成的任務組中的至少一個或多個處理從診斷端口接收到的通信消息；處理控制區域網絡消息；進行環境溫度補償；執行閉環加熱器算法；服務溫度LED；監控過壓和零調整輸入；服務狀態LED和開關；服務一個EEPROM；執行自動模擬縮放過程；執行自動零調整過程；以及執行一個嵌入式診斷過程。
36.權利要求29中的方法，還包括執行一個自動校準過程。
37.權利要求36中的方法，其中執行自動校準過程包括計算一組校準常數，所述線性化計算就是基于該組校準常數的。
38.權利要求36中的方法，其中對所述一組校準常數的計算是利用一個回歸過程來完成的。
39.權利要求36中的方法，還包括在一個非易失性存儲器中存儲所述一組校準常數。
40.權利要求36中的方法，還包括利用從一個校準臺導入的校準數據來執行自動校準過程。
41.權利要求29中的方法，還包括執行一個自動零調整過程。
42.權利要求41中的方法，還包括根據自動零調整過程所產生的控制數據來控制一個模擬零調整模塊。
43.權利要求41中的方法，還包括鎖出所述自動零調整過程，除非一組預定條件被滿足。
44.權利要求43中的方法，其中所述一組預定條件包括由下列各項構成的組中的一個或多個入口壓強低于傳感器的檢測極限；傳感器處于設定點溫度；環境溫度處于預定范圍內；過壓信號未被聲明；以及傳感器或控制器中沒有故障。
45.權利要求29中的方法，還包括執行一個或多個嵌入式診斷過程。
46.權利要求45中的方法，還包括提供對一個或多個嵌入式診斷過程所檢測到的故障情況的指示。
47.權利要求45中的方法，還包括存儲檢測到的故障情況。
48.權利要求29中的方法，還包括將從一個或多個嵌入式診斷過程所得到的診斷數據發送到一個診斷端口。
49.權利要求29中的方法，還包括對數字傳感器信號進行線性化。
50.權利要求49中的方法，其中數字傳感器信號是利用基于非易失性存儲器中所存儲的值的線性化表達式被線性化的。
51.權利要求50中的方法，其中非易失性存儲器是一個EEPROM。
52.權利要求29中的方法，還包括對數字傳感器信號進行溫度補償。
全文摘要
用來對傳感器進行數字控制的系統和方法。在一個實施例中，用于電容薄膜式壓力計的一個數字控制器被嵌入到一個數字信號處理器(DSP)中。該控制器通過一個可變增益模塊、一個零偏置模塊以及一個模數轉換模塊從傳感器AFE接收數字化輸入。該控制器通過調整可變增益和零偏置模塊對接收到的輸入進行校準。控制器還監控和調整一個加熱器裝置以維持傳感器中的合適溫度。控制器使用一個內核模塊來將處理資源分配給壓力計控制器模塊的多個任務。該內核模塊反復執行一個循環，其中，每個循環執行所有的高優先級任務和低優先級任務中的一個。從而，控制器模塊就可以按照精確的周期提供傳感器測量輸出，同時還能夠實現輔助功能。
文檔編號G01L9/12GK1666096SQ03815563
公開日2005年9月7日 申請日期2003年5月29日 優先權日2002年5月31日
發明者戴維·M.·阿爾伯特, 埃德溫·K.·艾倫特, 馬文·B.·愛德華茲 申請人:米克羅利斯公司