可编程PWM微热板控温系统的制作方法

可编程pwm微热板控温系统
技术领域
1.本发明涉及半导体集成电路领域，尤其涉及一种可编程pwm微热板控温系统。


背景技术：

2.随着生产生活对气味识别需求的日益迫切，人们越来越重视电子鼻的发展。电子鼻中气体传感器至关重要，而气体传感器的特性又与温度息息相关。一方面，温度会影响气敏电阻的选择性、响应时间、恢复时间，另一方面，加热过程中产生了大量的功耗。
3.传统的微热板加热方式大多采用恒定电压加热，但恒压加热产生了额外的非必须功耗。为了实现更低功耗的应用，则必须改变微热板的加热方式。当下的控温电路大多采用脉冲宽度调制技术，根据温度比较结果来控制加热开关的通断，从而实现控温效果。例如，文献1(李文武,陈佳楠.基于微热板的加热控温集成电路设计[j].机械与电子,2021,39(04):23-27.)中设计的控温电路在每个系统时钟边沿进行温度的比较决定是否加热，如果加热温度小于目标温度则持续加热直至大于目标温度。但随着对系统功耗的进一步要求，需对加热时间和测量时间做出调整，并且在加热期间仍利用pwm技术进行调节，而非小于目标温度时持续加热。
[0004]
在温度采集中，一些文章利用adc来读取加热温度。例如：文献2(design interface circuits for thick film heater for a gas sensor resistor)中采用10位adc去读取加热温度。但如果要求宽的动态范围，就需要一个高精度的adc，而高精度adc设计复杂、代价高。电阻频率转换电路则具有设计简单，动态范围高和线性度好等优点。很多研究利用电阻频率转换电路去读取温度，但却只注重于电阻频率转换电路的高性能，忽略了电阻频率转换电路输出方波频率的数字转换。
[0005]
如何根据不同的加热温度，支持系统灵活的改变加热电压和pwm波形去降低系统功耗和减小加热温度波动幅度，同时又可以实时观测加热温度的微热板控温系统，是本领域技术人员亟待解决的技术难题。


技术实现要素：

[0006]
本发明的目的是提供一种可编程pwm微热板控温系统，可以降低加热功耗，减小加热温度波动幅度，提高测温电阻的检测范围，并且可以支持气体传感器阵列中传感器个体对加热温度、加热波形和加热电压的特异化选择。
[0007]
本发明的目的是通过以下技术方案实现的：
[0008]
一种可编程pwm微热板控温系统，包括：数字控制模块，以及与其连接的控温电路模块、读取电路模块与iic接口模块；其中：
[0009]
所述数字控制模块，通过iic接口模块与外部设备进行通信，接收外部设备输入的加热电压以及与pwm波形相关的信息，输出选择的加热电压以及产生的pwm波形信号；所述数字控制模块还根据所述读取电路模块传输的方波信号的计数值计算方波周期供所述外部设备通过iic接口模块读取，以及根据所述控温电路传输的judge信号的指定状态的计数
值与阈值的比较结果供所述外部设备通过iic接口模块读取，并接收所述外部设备根据所述方波周期和/或judge信号的指定状态的计数值与阈值的比较结果，动态调节加热电压和/或与pwm波形相关的信息；
[0010]
所述控温电路模块，接收数字控制模块选择的加热电压与pwm波形信号，所述pwm波形信号用于控制控温电路模块的工作模式；工作于比较模式下，通过比较与其连接的参考电阻与微热板上加热电阻的电阻值，获得judge信号；基于judge信号与pwm波形信号确定当前是否进入加热模式，若是，则根据选择的加热电路为气体传感器的微热板上加热电阻加热，并通过pwm波形信号调节加热时间；所述judge信号表示比较结果信号；
[0011]
所述读取电路模块，在所述数字控制模块输出的计数时间内，将与其连接的指定气体传感器的微热板上测温电阻的电阻变换转换为电流变换，再转换为相应的方波信号进行计数，并将方波信号的计数值传输至所述数字控制模块。
[0012]
由上述本发明提供的技术方案可以看出，本发明可以降低加热功耗，减小加热温度波动幅度，在满足自洽性、通用性、灵活性的同时兼顾便携性；同时该系统不但支持对阵列化的微热板式气体传感器进行控温，而且适用于最佳气敏响应温度不同的各类气体传感器微热板的控温。
附图说明
[0013]
为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域的普通技术人员来讲，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附图。
[0014]
图1为本发明实施例提供的一种可编程pwm微热板控温系统的示意图；
[0015]
图2为本发明实施例提供的可编程加热电压示意图；
[0016]
图3为本发明实施例提供的pwm波形实现波形图；
[0017]
图4为本发明实施例提供的控温电路模块示意图；
[0018]
图5为本发明实施例提供的控温单元电路示意图；
[0019]
图6为本发明实施例提供的电阻-频率转换电路示意图。
具体实施方式
[0020]
下面结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明的保护范围。
[0021]
首先对本文中可能使用的术语进行如下说明：
[0022]
术语“和/或”是表示两者任一或两者同时均可实现，例如，x和/或y表示既包括“x”或“y”的情况也包括“x和y”的三种情况。
[0023]
术语“包括”、“包含”、“含有”、“具有”或其它类似语义的描述，应被解释为非排它性的包括。例如：包括某技术特征要素(如原料、组分、成分、载体、剂型、材料、尺寸、零件、部件、机构、装置、步骤、工序、方法、反应条件、加工条件、参数、算法、信号、数据、产品或制品
等)，应被解释为不仅包括明确列出的某技术特征要素，还可以包括未明确列出的本领域公知的其它技术特征要素。
[0024]
下面对本发明所提供的一种可编程pwm微热板控温系统进行详细描述。本发明实施例中未作详细描述的内容属于本领域专业技术人员公知的现有技术。本发明实施例中未注明具体条件者，按照本领域常规条件或制造商建议的条件进行。本发明实施例中所用仪器未注明生产厂商者，均为可以通过市售购买获得的常规产品。
[0025]
如图1所示，一种可编程pwm微热板控温系统，主要包括：数字控制模块，以及与其连接的控温电路模块、读取电路模块与iic接口模块；其中：
[0026]
所述数字控制模块通过iic接口模块与外部设备进行通信，接收外部设备输入的加热电压以及与pwm波形相关的信息，输出选择的加热电压以及产生的pwm波形信号；所述数字控制模块还根据所述读取电路模块传输的方波信号的计数值计算方波周期供所述外部设备通过iic接口模块读取，以及根据所述控温电路传输的judge(比较结果)信号的指定状态的计数值与阈值的比较结果供所述外部设备通过iic接口模块读取，并接收所述外部设备根据所述方波周期和/或judge信号的指定状态的计数值与阈值的比较结果，动态调节加热电压和/或与pwm波形相关的信息；
[0027]
所述控温电路模块，接收数字控制模块选择的加热电压与pwm波形信号，所述pwm波形信号用于控制控温电路模块的工作模式；工作于比较模式下，通过比较与其连接的参考电阻与微热板上加热电阻的电阻值，获得judge信号；基于judge信号与pwm波形信号确定当前是否进入加热模式，若是，则根据所述选择的加热电路为相应气体传感器的微热板上加热电阻加热，并通过pwm波形信号调节加热时间；
[0028]
所述读取电路模块，在所述数字控制模块输出的计数时间内，将与其连接的指定气体传感器的微热板上测温电阻的电阻变换转换为电流变换，再转换为相应的方波信号进行计数，并将方波信号的计数值传输至所述数字控制模块。其主要包括：电阻-频率转换模块与电阻-频率转换控制模块，具体在后文进行介绍。
[0029]
此外，系统还包括：电源管理模块、上电复位模块与时钟模块；其中：
[0030]
所述电源管理模块根据所述译码器选择的电压对其内部的低压差线性稳压器输出电压进行调节，为系统各模块提供工作所需的电压。
[0031]
所述上电复位模块与所述数字控制模块连接，用于实现系统工作前的初始化；
[0032]
所述时钟模块与所述数字控制模块连接，用于提供系统时钟信号。
[0033]
为了便于理解，下面针对系统的各个部分做详细的介绍。
[0034]
一、iic接口模块。
[0035]
所述iic接口模块与数字控制模块连接，用于实现系统与外部设备(例如，如图1所示的主机)的通信，具体的，用于接收外部设备写入选择的加热电压以及相关的配置信息，还用于将数字控制模块中的相关寄存器存储的数值读取到外部设备中。
[0036]
二、电源管理模块。
[0037]
本发明实施例中，所述电源管理模块分别与系统其余模块以及外部的气体传感器阵列连接，所述气体传感器阵列中每一气体传感器包括气体敏感材料、检测电极和微热板，所述微热板为气敏材料与气体反应提供所需温度，电源管理模块包含多个ldo(低压差线性稳压器)和bandgap(带隙基准)，用于为与其连接的模块及气体传感器阵列提供给所需电
压。
[0038]
三、上电复位模块。
[0039]
如图1所示，上电复位模块与所述数字控制模块连接，用于实现系统工作前的初始化。
[0040]
四、时钟模块。
[0041]
如图1所示，时钟模块与所述数字控制模块连接，用于提供稳定的系统时钟信号。
[0042]
五、数字控制模块。
[0043]
本发明实施例中，数字控制模块为核心器件，它能够实现结合iic接口模块实现加热电压的可编程性以及pwm波形信号的可编程性，同时，为了配合实现可编程性，数字控制模块内部设置了多个数据寄存器，用于存储相关的数据信息；此外，数字控制模块还设有自检模块，可以根据当前情况进行自检，以确定当前加热电压和/或pwm波形信号是否合适。主要如下：
[0044]
1、数据寄存器。
[0045]
本发明实施例中，数据寄存器主要包括：
[0046]
第一数据寄存器，与所述控温电路模块输出的judge端口连接，用于接收所述控温电路模块发送的比较结果(judge)信号。
[0047]
第二数据寄存器，与所述数字控制模块内部用于实现电压选择的译码器连接，用于存储通过iic接口模块接收的外部设备输入的加热电压。
[0048]
第三数据寄存器，与所述读取电路模块连接，用于存储方波信号的计数值，根据计数值可以得知相应的方波信号的周期，该方波信号的周期值与测温电阻的阻值为正比。
[0049]
第四数据寄存器，与所述iic接口模块双向连接，用于存储通过iic接口模块接收的外部设备输入的配置信息，以及存储外部设备通过iic接口模块读取的内部数据值；其中，配置信息包括：pwm波形信号、计数时间、用于计算方波周期的计数时间内系统时钟脉冲计数值，以及对指定气体传感器进行测温的信号；所述pwm波形信号包括：时钟分频周期，以及在分频后的时钟信号下pwm波形分别为高和低时所占有的分频时钟周期数；所述内部数据值包括：方波信号的周期，以及judge信号的指定状态的计数值与阈值的比较结果，如果judge信号的指定状态的计数值超过阈值，则表示出错，计数值与阈值的比较结果为错误信号。
[0050]
2、加热电压的可编程性。
[0051]
本发明实施例中，所述数字控制模块内部设有译码器，与所述iic接口模块共同实现了加热电压的可编程性；其中，所述译码器通过iic接口模块接收外部设备输入的加热电压，并通过译成独热码输出来进行电压的选择，电源管理模块根据选择的加热电压对ldo的输出电压进行调节产生v
heater
(即，选择的加热电压)，并输出到控温电路模块。
[0052]
3、实现pwm波形信号的可编程性。
[0053]
本发明实施例中，所述数字控制模块中设有pwm波形产生模块，上电复位后(通过前述的上电复位模块实现)，通过iic接口模块接收每一控温电路单元(控温电路单元为控温电路模块的单元结构，具体在后文进行介绍)时钟分频周期，以及在分频后的时钟信号下pwm波形分别为高和低时所占有的分频时钟周期数，产生相应的pwm波形信号，并传输至所述控温电路模块以及第一数据寄存器。
[0054]
如图3所示，其自上而下分别是，原始时钟，分频后时钟，以及根据分频后的时钟信号下pwm波形分别为高和低时所占有的分频时钟周期数绘出的pwm波形。在实际使用中，可根据需求动态编程pwm波形。在保证温度波动幅度小的前提下，尽可能提高pwm波形占空比去降低功耗。pwm波形为高，控温电路测量(即工作于比较模式)。采用如上可编程pwm波形实现方式可有效节省寄存器的使用，从而减少芯片面积。
[0055]
4、自检模块。
[0056]
所述自检模块输入端连接读取电路模块，输出端连接iic接口模块，接收来自所述控温电路模块的比较结果信号(judge信号)，记录judge信号的历史工作状态，所述judge信号的历史工作状态表示加热电阻上分压与参考电阻上分压的比较结果；在每个pwm信号的下降沿如果加热电阻(rmhp)上分压小于参考电阻(rref)上分压即加热温度小于目标温度，此时judge信号为低电平，则计数值加1，如果加热电阻(rmhp)上分压大于参考电阻上分压(rref)即加热温度大于目标温度，则计数值清0。将该计数值与阈值进行比较，如果计数值大于阈值(阈值大小可根据实际情况或者经验设定)，表明出现错误，如果计数值小于阈值，表示正常工作。将比较结果存入第四数据存储寄存器，供外部设备通过iic接口模块读取。
[0057]
外部设备通过iic接口模块读取到错误信号后，会分析产生错误信号的原因，从而对加热电压和/或与pwm波形相关的信息做动态调整。
[0058]
六、控温电路模块。
[0059]
本发明实施例中，所述控温电路模块包括：布设为阵列形式的若干控温电路单元，每一控温电路单元均分别连接参考电阻r
ref
与微热板上加热电阻r
mhp
。
[0060]
如图4所示，为控温电路模块主要结构；如图5所示，为单个控温电路单元的主要结构。
[0061]
每一控温电路单元还与所述数字控制模块双向连接，如图5所示，控温电路单元具有两个pwm波形信号的输入端，接收来自数字控制模块的pwm波形信号，还具有一个电压输入端，接收来自数字控制模块选择的加热电压，其输出端向数字控制模块输出judge信号。主要原理如下：
[0062]
控温电路单元有两种工作模式，分别是加热模式和比较模式；当pwm波形信号为高电平时为比较模式。
[0063]
在比较模式期间，nmos管打开，两个相同的恒流源同时向加热电阻和参考电阻提供恒定电流。利用比较器将对应气体传感器的微热板上加热电阻上电压与参考电阻上电压进行比较，产生judge信号；将judge信号与pwm波形信号进行“或”(or)运算后作用在pmos的栅极上。
[0064]
如果加热电阻上电压大于参考电阻上电压，则表明加热温度超过目标温度，judge信号与pwm波形信号进行或运算得到作用在pmos栅极上的信号为高电平信号，不进行加热。
[0065]
如果加热电阻上电压小于参考电阻上电压，则表明加热温度小于目标温度，judge信号与pwm波形信号进行或运算，包括两种情况：第一种情况为，当前时刻pwm波形信号为高电平，则或运算获得的作用在pmos栅极上的信号为高电平，不进行加热；第一种情况为，当前时刻pwm波形信号为低电平，则或运算获得的作用在pmos栅极上的信号为低电平，pmos导通，选择的加热电压施加到加热电阻进行加热。
[0066]
在加热期间，受到pwm波形信号的调制，pwm波形信号为低电平，继续加热，pwm波形
信号为高电平，停止加热。
[0067]
具体的，下面结合图5所示电路对上述原理进行介绍。如图5所示，与两个相同恒流源相接的均是nmos，与v
heater
相接的为pmos。比较模式下，两个nmos管均导通，pmos管关闭。两个nmos管导通，从而可以让两个相同的恒流源同时向加热电阻和参考电阻提供恒定电流。利用比较器将加热电阻上电压与参考电阻上电压进行比较。如果加热电阻r
mhp
上电压大于参考电阻r
ref
上电压，则表明加热温度已经超过了目标温度，此时触发器d端输入信号为“1”，在pwm波形的下降沿，触发器d端信号同步到q端。触发器q端信号即为judge信号。judge信号与此时的pwm信号再进行或运算，输出即为作用到pmos栅极上的信号。作用在pmos栅极上的信号控制此时pmos是否打开，即此时是否加热。作用在pmos栅极上的信号为低电平，则pmos打开加热，若作用在pmos栅极上的为高电平，则pmos关闭停止加热；通过上述说明可知，作用在pmos栅极上的信号不仅与judge信号有关，还与此时pwm信号的高低有关。上述过程中，若judge信号为1，则与pwm或运算必然为1，不加热。若rmhp上电压小于rref上电压，即加热温度小于目标温度，此时judge信号为0，受pwm信号调节，若pwm信号为高，则或运算后为1，此时不加热，若pwm信号为低，则或运算后为0，此时加热。
[0068]
本领域技术人员可以理解，加热电阻的阻值与加热温度正相关，参考电阻的阻值恒定为加热到目标温度时加热电阻的阻值，因为两个电流源均为恒流源，对加热电阻和参考电阻上电压的比较即是对它们本身电阻的比较。而两者电阻的比较大小结果，即反应加热温度与目标温度的关系。
[0069]
七、读取电路模块。
[0070]
本发明实施例中，所述读取电路模块包括：电阻-频率转换模块与电阻-频率转换控制模块。
[0071]
1、电阻-频率转换模块。
[0072]
所述电阻-频率转换模块，用于在计数时间内，根据外部设备通过iic接口模块写入的对指定气体传感器进行测温的信号，读取与其连接的指定气体传感器的微热板上测温电阻rt的电阻值，并转换为相应的方波信号。此处的计数时间来自外部设备通过iic接口写入，主要设定对测温电阻转换的方波信号进行计数的时间。
[0073]
如图6所示，所述电阻-频率转换模块包括：运算放大器、mos功率管、电流镜电路(pmos电流镜与nmos电流镜)、积分电容c1、迟滞比较器与整形电路。
[0074]
所述运算放大器与mos功率管构成电压-电流转换电路，所述运算放大器的一端为参考电压，另一端接测温电阻，通过mos功率管输出相应的电流值。参考电压v
ref
是恒定的，运用运算放大器负反馈电路进行电压钳位，使得加在测温电阻上的电压是恒定的，可以将测温电阻值的变化转化为电流的变化。
[0075]
所述电流值经所述电流镜电路按照设定比例(例如，10：1)减小，可以减少核心电路功耗和面积，提高动态范围。
[0076]
之后，经积分电容c1充放电形成一个具有特定频率的三角波，再由所述迟滞比较器转换为方波信号经过整形电路输出。其中，电阻-频率转换电路输出的方波信号周期与测温电阻阻值成正比。
[0077]
2、电阻-频率转换控制模块。
[0078]
所述电阻-频率转换控制模块，用于将来自数字控制模块的计数时间传输至所述
电阻-频率转换模块，以及对所述方波信号进行计数，可以将电阻频率转换模块输出的模拟信号转变为数字信号。
[0079]
电阻-频率转换控制模块获得的计数值将存储在数字控制模块的第三数据寄存器中，由所述数字控制模块根据计数值计算出方波信号周期t
rtf
，并存储在第四数据寄存器中。
[0080]
所述方波信号周期的计算方式为：
[0081][0082]
其中，t
rtf
为方波信号的周期，t
ref
为系统时钟的周期，n
ref
为计数时间内的系统时钟脉冲计数值，n
rtf
为在计数时间对方波信号的计数值。
[0083]
因为方波信号周期t
rtf
与测温电阻阻值成正比，因此，在得到方波信号周期后即可计算测温电阻阻值。
[0084]
测温电阻的阻值正比于t
rtf
：
[0085]rt
∝
t
rtf
[0086]
此外，由于加热电阻加热，使得周围环境温度升高，测温电阻测量此时环境中的温度，也可以认为是加热温度，在外部设备读出方波周期并转换为测温电阻阻值后，可以根据其和目标温度对应的参考电阻做比对，去动态调节与pwm波形相关的信息和/或加热电压。
[0087]
本发明实施例上述方案与现有技术相比，本发明的技术方案具有以下有益效果：
[0088]
1)本发明提出的可编程pwm微热板控温系统是自洽的，不需要借助任何外部实验仪器即可工作。本发明上述系统可以是片上系统，集成在一张芯片上，芯片可以基于smic180nm标准cmos工艺制造，芯片面积小于2mm2，将其与气体传感器集成，满足人们对便携性的要求。
[0089]
2)本发明通过iic接口电路可以灵活配置加热电压的占空比和周期，并且外部设备可通过iic接口实时读出微热板测温电阻转化的方波周期，通过外部设备处理为电阻值后，比较测温电阻和目标温度对应的参考电阻进而选择加热电压和动态调节加热电压的波形可以极大程度降低功耗和减小加热温度的波动幅度。
[0090]
3)本发明提出的微热板控温系统为加热电阻提供可编程的加热电压并且其可以外接不同的参考电阻，能够满足最佳气敏响应温度不同的各类气体传感器微热板的控温。此外，同一气体传感器在不同温度下对同一浓度气体的响应曲线不同，该系统为气味识别的特征扩展也提供了途径。
[0091]
4)本发明提出的微热板控温系统可用于所有微热板式气体传感器，并不局限于mems mos气体传感器。且因为不需要借助外部仪器，所以该控温系统可与其他系统连接直接使用，具有很强的通用性。
[0092]
5)该系统可以支持气体传感器阵列中传感器个体对加热温度、加热波形和加热电压的特异化选择。随着生产生活对气味识别需求的日益迫切，气体传感器阵列化越来越被重视，从而对阵列化气体传感器微热板的精准个性化控温也提出了更高的要求。
[0093]
所属领域的技术人员可以清楚地了解到，为描述的方便和简洁，仅以上述各功能模块的划分进行举例说明，实际应用中，可以根据需要而将上述功能分配由不同的功能模块完成，即将系统的内部结构划分成不同的功能模块，以完成以上描述的全部或者部分功
能。
[0094]
以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明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发明披露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求书的保护范围为准。