具有氣體傳感器和低功率模式的便攜式傳感器設備的制作方法
【專利摘要】一種移動設備，包括控制顯示器(11)和其他用戶接口電路的CPU(20)。進一步地，其包括氣體傳感器(30)以及將氣體傳感器(30)和其他傳感器連接到CPU(20)的傳感器集線器(26)。為了省電，可以使該設備進入低功率工作模式，此時CPU(20)為空閑或關(guān)閉的，并且氣體傳感器自身也具有低功率和高功率工作模式。然而，即使在低功率工作模式下，傳感器集線器(26)仍然監(jiān)視來自氣體傳感器(30)的信號變化，如果檢測到這樣的變化則喚醒該設備。
【專利說明】具有氣體傳感器和低功率模式的便攜式傳感器設備
【技術(shù)領域】
[0001]本發(fā)明涉及一種具有氣體傳感器的便攜式電子設備，特別是移動電話或者平板電腦。本發(fā)明也涉及一種用于操作這樣的設備的方法。
【背景技術(shù)】
[0002]將氣體傳感器并入到諸如移動電話或平板電腦之類的便攜式傳感器設備中已經(jīng)是眾所周知的。例如，已經(jīng)將濕度傳感器并入到一些智能電話設備中。
[0003]為了降低功耗，該類型的設備通常具有低功率和高功率工作模式。在低功率工作模式下，氣體傳感器不工作。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]本發(fā)明要解決的問題是提供一種呈現(xiàn)更好的傳感器性能的上述類型的設備。
[0005]獨立權(quán)利要求的技術(shù)方案解決了該問題。
[0006]相應地，本發(fā)明涉及一種便攜式電子設備，其具有中央處理單元CPU(即微控制器或微處理器)和由該CPU操控的用戶接口(諸如圖形顯示)。除了 CPU之外，該設備還包括氣體傳感器和傳感器集線器。傳感器集線器被設置并構(gòu)造為操控該氣體傳感器，例如通過向該氣體傳感器發(fā)送執(zhí)行測量和/或讀出由該氣體傳感器生成的信號值的命令。
[0007]該設備具有低功率和高功率工作模式，其中在所述低功率工作模式下，CPU具有比所述高功率工作模式下更低的功耗。在低功率工作模式下，CPU通常被關(guān)閉或處于非工作的空閑狀態(tài)。在高功率模式下，CPU工作。
[0008]不僅該設備(具體是CPU)具有高功率和低功率工作模式，而且氣體傳感器也具有低功率和高功率工作模式。在兩種工作模式下，氣體傳感器都能夠執(zhí)行測量。然而，與低功率工作模式下相比，其在高功率工作模式下通常消耗更多的功率并生成更精確的測量結(jié)果。高功率和低功率工作模式的不同之處在于例如單位時間內(nèi)進行測量的數(shù)目和/或加熱脈沖的持續(xù)時間。
[0009]傳感器集線器被設置并構(gòu)造為響應于來自氣體傳感器的信號變化而將該設備從低功率工作模式轉(zhuǎn)換到高功率工作模式。
[0010]換言之，當來自氣體傳感器的信號以某種方式變化時，傳感器集線器能夠喚醒該設備。
[0011]通常，傳感器集線器包括微控制器，即可編程處理單元，該可編程處理單元被設置為順序處理存儲在存儲器設備中的程序代碼。
[0012]進一步地，傳感器集線器可以包括用于存儲來自氣體傳感器的信號的低通濾波值的存儲位置、以及被設置為將該低通濾波值與來自所述氣體傳感器的當前信號相比較的比較器。這使得在可以忽略對于許多類型的氣體傳感器而言典型的慢信號漂移的同時，能夠檢測來自氣體傳感器的信號的突變。該低通濾波值可以是例如來自氣體傳感器的信號的移動平均(滾動平均)。[0013]氣體傳感器連同處理電路可以被集成在氣體感測設備的半導體基板上。傳感器集線器的微控制器被設置為從處理電路讀取當前信號。在這樣的設計下，該處理電路可以掌管對原始信號的部分或全部處理，由此減少微控制器的運算負載。
[0014]根據(jù)本發(fā)明的用于操作該設備的方法包括響應于來自氣體傳感器的信號變化而將該設備從其低功率工作模式轉(zhuǎn)換到其高功率工作模式的步驟。
[0015]當該設備被從其低功率工作模式轉(zhuǎn)換到其高功率工作模式時，CPU可以處理來自氣體傳感器的信號。由于CPU相比傳感器集線器更強大，所以這樣的處理可以提供關(guān)于信號變化的原因的更詳細的信息。
[0016]必須注意的是，本發(fā)明既可以被視為方法也可以被視為設備。具體地，其任何特征均可作為方法或設備而被要求保護，并且明顯的是，在該兩種權(quán)利要求的任何一種中所表述的任何特征也可以在另一種權(quán)利要求中表述。
[0017]其他優(yōu)選的實施方式被列入從屬權(quán)利要求以及下面的描述中。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0018]根據(jù)下列詳細描述，可以更好地理解本發(fā)明，而且除上述目的以外的目的也將變得明晰。這樣的描述參考了附圖，其中:
[0019]圖1為具有氣體傳感器的便攜式電子傳感器設備的透視圖；
[0020]圖2為該設備的硬件組件的框圖；
[0021]圖3更詳細地示出了氣體傳感器；
[0022]圖4為傳感器集線器的實施方式的框圖；
[0023]圖5為該設備的軟件組件的框圖；
[0024]圖6為由傳感器集線器在低功率模式下執(zhí)行的步驟的流程圖。
【具體實施方式】
[0025]設備硬件:
[0026]圖1所示的傳感器設備為諸如移動電話的便攜式電子設備I。移動電話的外殼10包括正面，正面具有顯示器11和如按鈕9的輸入元件以使用戶與電話進行交互。正面上還示出了用于揚聲器的開口 12。更多的開口 13、14位于外殼10的下側(cè)壁處。公知的是將如麥克風和揚聲器之類的組件安裝在這樣的開口之后。例如也被布置在外殼10的下側(cè)壁上的另一開口 15可通往如下面更詳細描述的氣體傳感器。
[0027]圖2示出了具有該設備最重要的組件的框圖。具體地，如本領域的技術(shù)人員所已知的，該設備包括CPU20和非易失性及易失性存儲器21。圖2還示出了顯示器11和更多輸入和輸出設備的組22,這些輸入和輸出設備例如為按鈕9、揚聲器以及麥克風。
[0028]CPU20被設置為執(zhí)行存儲在存儲器21中的軟件，以及通過例如在顯示器11上顯示信息而操控該設備的諸如顯示器11的用戶接口。
[0029]進一步地，該設備包括網(wǎng)絡接口 23，網(wǎng)絡接口 23能夠與外部網(wǎng)絡24 (諸如因特網(wǎng))建立無線數(shù)據(jù)通信。該網(wǎng)絡連接到更多的設備。這些更多的設備中的至少一個服務器設備25可以被配置為通過網(wǎng)絡接口 23與設備I進行通信。
[0030]設備I進一步包括傳感器集線器26，CPU20通過傳感器集線器26能夠與一系列的傳感器S1、S2、和S3等進行通信。這些傳感器可以包括例如加速度計、一個或多個溫度傳感器以及更多的傳感器。具體地，傳感器之一為氣體傳感器30。在優(yōu)選實施方式中，另一傳感器是濕度傳感器31，諸如在US6690569中所描述的。
[0031]氣體傳感器:
[0032]圖3示出了氣體傳感器30的實施方式。所示傳感器例如是基本上如在W095 /19563中所描述類型的傳感器，其中具體地由金屬氧化物制成的感測層35a、35b、35c和35d被布置在在半導體基板37中的開口之上延伸的薄膜36上。
[0033]在圖3所示的實施方式中，存在4個感測層35a、35b、35c和35d分開布置在薄膜36上，每個感測層形成自身的氣體傳感器。不同的感測層35a、35b、35c和35d可以例如在其組成方面不同以測量不同的氣體性質(zhì)，由此提供用于識別單獨的分析物的更豐富的數(shù)據(jù)集。
[0034]如上面所提及的，感測層優(yōu)選為金屬氧化物(MOX)層，諸如SnO層。MOX還可以是例如氧化鎢、氧化鎵、氧化銦或氧化鋅，或者是這些材料(包括SnO)中任何材料的混合物。
[0035]圖3所示的傳感器的感測層需要升高的工作用溫度，其通常至少為100°C，對于SnO層則通常至少為300°C。因此，設置了加熱器38a用于將每個感測層加熱至其工作溫度。
[0036]如本領域的技術(shù)人員所已知的，感測層35a、35b、35c和35d的電導取決于包圍其的氣體的組成。因此，設置了叉指電極38b用于測量感測層35a、35b、35c和35d的電阻率。
[0037]如圖3所示，氣體傳感器30進一步包括集成在半導體基板37上的處理電路39。該處理電路可以包括例如用于處理來自電極38b的原始模擬信號的濾波器和放大器，用于轉(zhuǎn)換經(jīng)處理的模擬信號的A / D轉(zhuǎn)換器，以及用于處理數(shù)字化信號的數(shù)字電路。數(shù)字電路可以包括例如用于使原始信號線性化的線性化器，以及用于訪問處理后的信號并用于接收操作命令和操作參數(shù)的接口。
[0038]傳感器集線器:
[0039]圖4為傳感器集線器26的電路框圖。在該實施方式中，傳感器集線器26由單個微控制器構(gòu)成，該微控制器具有可編程微控制器核心50、存儲器51、用于將傳感器集線器26連接到CPU20的第一接口 52、以及用于將傳感器集線器26連接到傳感器30、31等的諸如12C接口的第二接口 53。
[0040]核心50被設置為運行存儲在存儲器51中的程序代碼54。
[0041]若不是由單個微控制器構(gòu)成，傳感器集線器26也可以由分立元件組成，這些分立元件例如為微控制器連同外部存儲器和接口電路。
[0042]傳感器集線器26的微控制器被配置為與CPU20相互獨立地運行，也就是即使當CPU20被關(guān)閉時其也可以工作。通常，其具有比CPU20低得多的處理功率，但是其針對低功率操作被優(yōu)化，并且可以更頻繁甚至不間斷地運行而不引起過多的功率損失。
[0043]設備軟件:
[0044]圖5示出了該設備的軟件棧的對于此處上下文而言最相關(guān)的組件。如可以看到的，軟件棧包括被設置為提供低層功能的內(nèi)核40。該內(nèi)核包括例如被設置為與該設備中的各個硬件組件進行交互的相應的設備驅(qū)動程序。
[0045]傳感器集線器26的微控制器運行其自身的內(nèi)核軟件41，內(nèi)核軟件41通常被裝入存儲器51中。傳感器集線器的內(nèi)核軟件與主內(nèi)核40的集線器驅(qū)動程序42進行交互。用于驅(qū)動氣體傳感器30的驅(qū)動程序43實現(xiàn)在集線器內(nèi)核軟件41中?？墒潜仨氉⒁獾氖?，驅(qū)動程序43也可以至少部分地實現(xiàn)在主內(nèi)核40中。
[0046]庫層44位于內(nèi)核40之上。其包括多個庫，其中每個庫提供了至少在某種程度上通常是獨立于機器的功能(這與內(nèi)核軟件正相反，內(nèi)核軟件通常適合于其運行所在的設備的硬件)。如本領域的技術(shù)人員所已知的，操作系統(tǒng)的運行時通常實現(xiàn)在這些庫的至少一個中。
[0047]每個庫通常包括一個或多個代碼文件，代碼文件包括可以動態(tài)或靜態(tài)地鏈接至其他庫或應用的代碼。通常，庫被實現(xiàn)為動態(tài)鏈接庫(DLLs)。
[0048]庫層44中的一個庫為氣體傳感器控制和處理(GSCP)庫45。其目的是控制氣體傳感器30的操作并且處理其信號。
[0049]位于庫層44之上的是應用框架46，其通常也被實現(xiàn)為庫的集合。與庫層44中的大多數(shù)庫形成對比的是，應用框架46的庫提供對最頂端的軟件層一一應用48 —一可用的公共接口 47 (應用編程接口，API)。
[0050]應用框架的一部分是傳感器管理器49，傳感器管理器49定義了 API的與設備I的傳感器相關(guān)的部分，并且其與庫層44或內(nèi)核40中的與傳感器相關(guān)的庫和驅(qū)動程序進行交互。
[0051]應用48通常由第三方提供(即，既不是由硬件制造商提供也不是由操作系統(tǒng)供應商提供)。其與API中開放的庫相鏈接以執(zhí)行特定的任務。
[0052]例如，一個這樣的應用可以是被期望用來檢測某種氣體或用來分析與氣體傳感器30相接觸的氣體的組成的應用。這樣的應用會使用傳感器管理器49的API以與氣體傳感器30進行交互。
[0053]功率管理:
[0054]設備I具有低功率和高功率模式。在低功率模式下，CPU20被關(guān)閉或者處于空閑模式，此時其功耗是零或者與正常的高功率工作模式相比至少是降低的。在該模式下，CPU20通常不能處理任何數(shù)據(jù)，或者其最多以相比正常操作慢得多的速率處理數(shù)據(jù)。在高功率模式下，CPU20正常運行，其通常不間斷地處理數(shù)據(jù)并運行程序，并且操控顯示器11，例如按照當前工作的應用程序發(fā)出的命令。
[0055]傳感器集線器26在設備I的低功率以及高功率模式下運行。由傳感器集線器26的微控制器在低功率和高功率模式下執(zhí)行的步驟可以不同，或者其可以相同。
[0056]圖6示出了由與氣體傳感器相關(guān)的微控制器至少在低功率模式下執(zhí)行的步驟。
[0057]如可以看到的，微控制器重復地執(zhí)行循環(huán)59。在下文中，假設標引i代表循環(huán)59的當前迭代的標引。
[0058]在執(zhí)行循環(huán)的第一步驟60中，微控制器獲得來自氣體傳感器30的當前信號值Si。該當前信號值可以例如直接從對傳感器層35a、35b、35c和35d之一所測量的電導得到，或者其可以是這些層的電導的平均。
[0059]在步驟61中，通過計算當前測量值Si與該值的前一移動平均IV1 (定義見下)的差的絕對值以及通過將該差與閾值t相比較來計算所測量信號的變化，即下面的布爾表達式被評估:
[0060]Is1-HiHbt (I)[0061]這樣的比較是由諸如由核心50的硬件實現(xiàn)的比較器執(zhí)行的。
[0062]如果在步驟61中發(fā)現(xiàn)該變化超過閾值t，若該設備處于其低功率模式下，則執(zhí)行步驟62以喚醒CPU20。
[0063]在接下來的步驟63中,移動平均的新值Hii被計算，例如按下式計算:
[0064]Iiii = IV1X (N-1) / N+Sj / N (2)
[0065]其中，Hii為在迭代i中計算的移動平均，IV1為前一迭代的移動平均，N為遠大于I的整數(shù)，例如至少為10。式(2)描述了累積的移動平均。也可以使用用于計算移動平均或用于以其他方式低通濾波所測量的信號的其他方法，諸如簡單移動平均或者加權(quán)移動平均。通常的求平均時間應當大于氣體傳感器的響應時間，但是其應當比氣體傳感器出現(xiàn)漸變漂移的時間小得多。通常，求平均時間(即對移動平均的至少90%有貢獻的時間跨度)應當至少為I分鐘，但其應當小于12小時，具體地在I到10小時之間。這考慮到了在空間中有害氣體的濃度通常需要一些時間來形成，并且好的求平均可以在例如當該設備處于休眠時(例如在一個夜晚的期間)執(zhí)行。
[0066]移動平均Hii被存儲在核心50或存儲器51的合適的存儲位置55中。
[0067]循環(huán)59在步驟64中結(jié)束，此時其被中斷某一時間間隔，例如I秒或幾秒，以降低傳感器集線器36的功耗。
[0068]注意:
[0069]在上述實施方式中，由傳感器集線器36的微控制器計算傳感器信號的變化(例如式(I)和(2)所表達的)。另選地，這樣的移動平均可以例如由感測設備30的處理電路39計算，在該情況下，傳感器集線器36可以具有更簡單的設計。
[0070]一旦CPU20在氣體傳感器30的傳感器信號變化后被喚醒，則其通過傳感器集線器36讀取當前的傳感器信號，并且對其進行更徹底的處理(可選的是通過執(zhí)行進一步的測量)以對信號變化的原因獲得更好的理解。
[0071]優(yōu)選地，不僅設備I (具體是CPU20)具有高功率和低功率工作模式，而且氣體傳感器30也具有低功率和高功率工作模式。在兩種工作模式下，氣體傳感器30都能夠執(zhí)行測量。然而，相比在低功率工作模式下，其在高功率工作模式下消耗更多的功率并生成更精確的測量結(jié)果。高功率和低功率工作模式的不同之處在于例如單位時間內(nèi)進行測量的數(shù)目和/或加熱脈沖的持續(xù)時間。當設備I處于低功率模式時，氣體傳感器30也處于低功率工作模式。一旦CPU20被喚醒，則其至少在初始分析階段期間將氣體傳感器30設為高功率工作模式，以獲得更精確的結(jié)果。
[0072]根據(jù)該處理的結(jié)果，CPU20可以例如發(fā)出警報，具體地是聲音的或可視的警報，以及/或者通過網(wǎng)絡接口 23發(fā)出消息。如果發(fā)現(xiàn)該變化是由一些有害物質(zhì)(諸如CO或廢氣)的濃度上升引起的，則這是特別有用的。
[0073]總之，在一個實施方式中，移動設備包括操控顯示器11和其他用戶接口電路的CPU20。進一步地，其包括氣體傳感器30以及將氣體傳感器30和其他傳感器連接到CPU20的傳感器集線器26。為了節(jié)省功率，可以使該設備進入低功率工作模式，此時CPU20為空閑或關(guān)閉的。然而，即使在該低功率工作模式下，傳感器集線器26仍然監(jiān)視來自氣體傳感器30的信號變化，并且如果檢測到這樣的變化則喚醒該設備。
[0074]盡管示出并描述了本發(fā)明目前的優(yōu)選實施方式，但可以清楚地理解本發(fā)明并不被限制于此，而是可以按落入權(quán)利要求的范圍中的其他方式被不同地具體實現(xiàn)及實踐。
【權(quán)利要求】
1.一種便攜式電子設備，具體是移動電話或平板電腦，其中所述便攜式傳感器設備包括:
CPU (20)， 由所述CPU(20)操控的用戶接口(11)， 氣體傳感器(30), 附加于所述CPU (20)的傳感器集線器(26)，其中所述傳感器集線器(26)被設置為操控所述氣體傳感器(30)， 其中所述設備具有低功率工作模式和高功率工作模式，其中所述CPU (20)在所述低功率工作模式下相比在所述高功率工作模式下具有更低的功耗， 其特征在于:所述傳感器集線器(26)被設置為響應于來自所述氣體傳感器(30)的信號變化將所述設備從所述低功率工作模式轉(zhuǎn)換到所述高功率工作模式，并且其中所述氣體傳感器(30)具有低功率工作模式和高功率工作模式，其中所述氣體傳感器(30)在所述高功率工作模式下相比在所述低功率工作模式下消耗更多的功率并生成更精確的測量結(jié)果，并且其中當所述設備處于所述低功率工作模式時所述氣體傳感器處于所述低功率工作模式，但是在將所述設備從所述低功率工作模式轉(zhuǎn)換到所述高功率工作模式后所述氣體傳感器(30)被設為所述高功率工作模式。
2.如權(quán)利要求1所述的設備，其中所述傳感器集線器(26)包括微控制器核心(50)。
3.如上述權(quán)利要求的任一項所述的設備，其中所述傳感器集線器(26)包括: 用于存儲來自所述氣體傳感器(30)的信號的低通濾波值的存儲位置(55)，以及 被設置為將所述低通濾波值Oni)與來自所述氣體傳感器(30)的當前信號(Si)相比較的比較器(50)。
4.如權(quán)利要求3所述的設備，其中所述傳感器集線器(26)被配置為如果所述濾波值Oni)與所述當前信號(Si)之間的差超出了給定閾值(t)，則將所述設備從所述低功率工作模式轉(zhuǎn)換到所述高功率工作模式。
5.如上述權(quán)利要求3或4的任一項所述的設備，其中所述傳感器集線器(26)被設置為計算來自所述氣體傳感器(30)的信號的移動平均值Oni)。
6.如權(quán)利要求5所述的設備，其中所述移動平均跨越I分鐘到12小時之間的時間，具體是在I小時到10小時之間。
7.如權(quán)利要求2以及權(quán)利要求3到6的任一項所述的設備，包括具有半導體基板(37)的氣體感測設備，其中所述氣體傳感器集成在所述半導體基板(37)上，其中所述氣體感測設備進一步包括集成在所述半導體基板(37)上的處理電路(39)，其中所述微控制器被設置為從所述處理電路(39)讀取所述當前信號。
8.如上述權(quán)利要求的任一項所述的設備，其中在所述低功率模式下，所述CPU(20)被關(guān)閉。
9.如上述權(quán)利要求的任一項所述的設備，其中所述氣體傳感器(30)的低功率工作模式和高功率工作模式的不同之處在于單位時間內(nèi)進行測量的數(shù)目和/或加熱脈沖的持續(xù)時間。
10.如上述權(quán)利要求的任一項所述的設備，其中所述氣體傳感器(30)包括金屬氧化物感測層(35a、35b、35c、35d)。
11.一種用于操作上述權(quán)利要求的任一項所述的設備的方法，包括響應于來自所述氣體傳感器(30)的信號變化將所述設備從所述低功率工作模式轉(zhuǎn)換到所述高功率工作模式的步驟，并且其中所述氣體傳感器(30)具有低功率工作模式和高功率工作模式，其中所述氣體傳感器(30)在所述高功率工作模式下相比在所述低功率工作模式下消耗更多的功率并生成更精確的測量結(jié)果，并且其中當所述設備處于所述低功率工作模式時所述氣體傳感器處于所述低功率工作模式，但是在將所述設備從所述低功率工作模式轉(zhuǎn)換到所述高功率工作模式后所述氣體傳感器(30)被設為所述高功率工作模式。
12.如權(quán)利要求11所述的方法，其中在所述設備被從所述低功率工作模式轉(zhuǎn)換到所述高功率工作模式后，所述CPU(20)處理來自氣體傳感器的信號以分析所述變化的原因。
13.如權(quán)利要求12所述的方法，進一步包括如果該變化的原因是由于有害物質(zhì)濃度的上升，則由 所述設備發(fā)出警報的步驟，所述警報具體為聲音的或可視的警報。
【文檔編號】G06F1/32GK103970529SQ201410063042
【公開日】2014年8月6日 申請日期:2014年1月29日 優(yōu)先權(quán)日:2013年1月31日
【發(fā)明者】R·斯科米德林, M·格拉夫 申請人:盛思銳股份公司