一种集成霍尔效应探测器的无线物联网芯片及方法
【技术领域】
[0001] 本发明设及物联网（IOT)领域，特别设及在无线物联网巧片设备中集成了霍尔效 应探测器（化11EffectSensor)的技术。
【背景技术】
[0002] 霍尔效应化allEffect)是指置于磁场中的电流载体，其中的载流子受到洛伦兹 力（Lorentz化rce)的影响，会产生一个与电流和磁场方向都垂直的电压，该电压的大小与 电流大小和磁场强度的乘积成正比。霍尔效应探测器（化11EffectSensor)就是指利用 霍尔效应的原理，用来检测磁场的大小和方向。虽然霍尔效应探测器是一种磁场探测器，W 它为核屯、元件却可W检测温度、压力、位置、流量等等，应用范围十分广泛。
[0003]霍尔效应探测器主要由两部分组成：霍尔元件11和电压检测电路12,如图1所 示。霍尔元件11是可W放置于待检测磁场中的导电薄片，电压检测电路12将霍尔元件11 产生的电压放大并检测出来，进而推知磁场的大小和方向。
[0004]传统的物联网巧片14使用霍尔效应探测器16的方法，是在PCB板15 (印制电路 板）上集成霍尔效应探测器16和物联网的控制逻辑模块13,主要有两种方式；一种是霍尔 元件11和电压检测电路12全部都在物联网巧片14外部，霍尔效应探测器16与物联网巧 片14的控制逻辑模块13是两个相互独立的元件，两者之间W模拟的或者数字的信号线相 连接，如图2所示；另外一种是物联网巧片14的内部集成了电压检测电路12,对霍尔元件 11的电压输出进行检测，如图3所示。
[0005]该两种方式的缺点显而易见；系统成本中包含了霍尔效应探测器，无法降到最低； 霍尔效应探测器需要额外占用PCB板空间，物联网设备的体积不会太小；物联网巧片需要 额外的管脚与霍尔效应探测器相接，影响物联网巧片其他功能的扩展；霍尔效应探测器分 立于物联网控制巧片之外，不便于后者对其的控制，系统功耗无法做到最优。
【发明内容】
[0006] 为了克服传统的物联网巧片使用霍尔效应探测器所产生的各种弊端，本发明针对 其根本原因，提供一种集成霍尔效应探测器的无线物联网巧片及方法，将霍尔效应探测器 的霍尔元件和电压检测器集成在物联网巧片内部，并有效克服巧片内部热噪声及失配电压 的影响。本发明还提供一种失配电压消除装置。
[0007] 为了达到上述目的，本发明的一个技术方案是提供一种集成霍尔效应探测器的无 线物联网巧片，在同一个物联网巧片的内部，集成有电路连接的W下部件：
[000引霍尔元件，输出与所在磁场对应的电压；
[0009] 电压放大器，连接霍尔元件的输出端，将霍尔元件输出的电压进行放大；
[0010] 模数转换器，连接电压放大器的输出端，将放大后的电压信号采样量化转为电压 的数字信号；
[0011] 控制逻辑模块，连接模数转换器的输出端，根据对电压的数字信号采集的结果，来 输出对应于霍尔元件所在磁场与所检测物理量关系的指令。
[0012] 优选地，所述物联网巧片的内部还集成有接收器、发送器、开关；
[0013] 所述控制逻辑模块分别与接收器、发送器电路连接，所述开关通过切换将接收器 或发送器中的一个，与物联网巧片外部的天线电路连接，来无线发送指令或接收外部的信 息。
[0014] 优选地，所述物联网巧片与天线分别布置于PCB板上。
[0015] 优选地，所述物联网巧片设置有失配电压消除装置，其中包含；电压反转电路、减 法器；
[0016] 所述电压反转电路的输入端与霍尔元件的输出端连接，将霍尔元件的输出电压反 转；
[0017] 所述霍尔元件及电压反转电路的输出端，分别通过电压放大器连接数模转换器的 输入端，来向其发送霍尔元件的输出电压Vhal讯反转后的输出电压-Vhall;
[001引所述模数转换器的输出端连接减法器的输入端，向该减法器分别输出根据输出电 压Vmt和反转后的输出电压-V 采样输出的结果DDuti和DDut2,由所述减法器输出对采样 输出结果的减法计算结果;
[0019] 所述失配电压消除装置将所述减法计算结果与一恒定变量的运算结 果，作为消除失配电压后霍尔元件的输出电压。
[0020] 一个具体示例中，所述恒定变量是电压VcB的二分之一的数值，其与减法计算结果 "D"uti-Dwt2"的乘积作为消除失配电压后霍尔元件的输出电压；该电压AU是模数转换器的 最低有效位的电压。
[0021] 本发明的另一个技术方案是提供一种失配电压消除装置，适用于所述集成霍尔效 应探测器的无线物联网巧片；
[0022] 所述失配电压消除装置包含；电压反转电路、减法器；
[0023] 所述电压反转电路的输入端与霍尔元件的输出端连接，将霍尔元件的输出电压反 转；
[0024] 所述霍尔元件及电压反转电路的输出端，分别通过电压放大器连接数模转换器的 输入端，来向其发送霍尔元件的输出电压Vhal讯反转后的输出电压-V
[0025] 所述模数转换器的输出端连接减法器的输入端，向该减法器分别输出根据输出电 压Vmt和反转后的输出电压-VHAL康样输出的结果D 和D由所述减法器输出对采样 输出结果的减法计算结果;
[0026] 所述失配电压消除装置将所述减法计算结果与一恒定变量的运算结 果，作为消除失配电压后霍尔元件的输出电压。
[0027] 一个具体示例中，所述恒定变量是电压Vcc的二分之一的数值，其与减法计算结果 "DDuti-DDut2"的乘积作为消除失配电压后霍尔元件的输出电压；该电压是模数转换器的 最低有效位的电压。
[002引本发明的又一个技术方案是提供一种在无线物联网巧片内部集成霍尔效应探测 器的方法；在同一个物联网巧片的内部，使霍尔元件、电压放大器、模数转换器、控制逻辑模 块依次电路连接；
[0029] 霍尔元件输出与所在磁场对应的电压，经过电压放大器将霍尔元件输出的电压放 大后，由模数转换器采样量化转为电压的数字信号；所述控制逻辑模块根据对电压的数字 信号采集的结果，输出对应于霍尔元件所在磁场与所检测物理量关系的指令。
[0030] 优选地，在霍尔元件的电压输出端，连接一个电压反转电路，对霍尔元件的输出电 压VHAJi行反转得到-Vhall;
[0031] 所述模数转换器根据输出电压Vhal許日反转后的输出电压-Vhal^分别采样输出的结 果Dautl和DDut2;
[0032] 计算下式，得到消除失配电压后的霍尔元件的输出电压：
[0033]
[0034] 其中，模数转换器的最低有效位的电压为心e。
[0035] 优选地，通过增大模数转换器的采样电容，并对模数转换器进行多次采样取平均 值的操作来消除巧片内部热噪声。
[0036] 与现有技术相比，本发明的优点在于：
[0037] 霍尔效应探测器及物联网巧片无需单独封装，将霍尔元件和电压检测电路集成到 物联网巧片中能够有效降低成本，减少功耗，并且两者在PCB板上布置所需的空间小，使物 联网设备的体积减小，还不影响物联网巧片的管脚设置及功能扩展。本发明通过加大采样 电容，和通过多次采样取平均值的方法来消除巧片内部热噪声的影响。本发明利用霍尔元 件的反转的输出电压进行计算，消除了巧片内部的失配电压，使得测量结果更为准确。
【附图说明】
[003引图1是现有霍尔效应探测器的结构示意图；
[0039] 图2是现有霍尔效应探测器与物联网巧片的一种连接方式示意图；
[0040] 图3是现有霍尔效应探测器与物联网巧片的另一种连接方式示意图；
[0041] 图4是本发明的集成霍尔效应探测器的无线物联网巧片的结构示意图；
[0042] 图5是本发明中失配电压消除装置的结构原理图。
【具体实施方式】
[0043] 如图4所示，本发明在物联网巧片8的内部集成霍尔效应探测器所包含的霍尔元 件1和电压检测器。即，在物联网巧片8的内部，依次电路连接有；霍尔元件1、电压检测器 中的电压放大器2、ADC3 (模数转换器）、控制逻辑模块4。所述控制逻辑模块4分别与RX 5(接收器）及TX6(发送器）信号连接，RX5、TX6通过切换用的开关7,与物联网巧片8 外部的天线9连接。该物联网巧片8与天线分别布置于PCB板10上。
[0044] 其中，霍尔元件1的输出电压通过电压放大器2进行放大后，由ADC3采样量化转 为数字信号，控制逻辑模块4通过采集到的电压大小，得知霍尔元件1所处环境的磁场强度 和大小，并且根据所检测物理量（如温度、位置、压力、流量等）与磁