一种基于频率调制和频分多路复用的传感器阵列数据采集系统的制作方法

本发明涉及通过传感器阵列进行分布式数据采集的系统，特别是一种基于频率调制和频分多路复用的传感器阵列数据采集系统，属于信息科学技术领域。

背景技术：

随着物联网时代的来临，分布式传感器得到了广泛的应用。特别是传感器阵列数据采集在国民健康和医疗领域有着很多应用，如睡眠监测，胎儿监测，脑电监测，心电监测，全身体温监测，都是需要将传感器分布在身体的各个部位；另外在5g和毫米波雷达领域，由于高频信号收发采用的相控阵系统中也有64或128天线阵列的场景，需要对多个天线或传感单元阵列进行连线。然而目前主要还是采用并联的方式进行连接，即n个传感器需要n的倍数根走线连接，这样的拓扑结构使整个系统的走线非常杂乱无序，大大影响着系统的可靠性和健壮性。因而，传统的传感器并联的连接方式在传感器数目大大增加的今天，已经不再适用。

技术实现要素：

本发明的目的是：

针对上述现有技术的技术短板，提供一种基于频率调制和频分多路复用的传感器阵列数据采集系统，其具有不随传感器数目增加走线复杂度的连接方式，通过在传感器处插入频率调制电路、并且在数据处理模块加入解调器的方式，实现串联的连接方法，将能大大减少走线的复杂性，并最终提供更为可靠的传感器阵列数据采集。

本发明的目的可通过以下的技术方案来实现：

一种基于频率调制和频分多路复用的传感器阵列数据采集系统，包括了由不少于两个传感器组成的传感器阵列、频率调制电路、带有解调器和模数转换器的系统级集成电路芯片，所述各传感器在单侧管脚上互相连接并最终连接到带有解调器和模数转换器的系统级集成电路芯片的电线接地端，各传感器的另一侧管脚通过各自的频率调制电路后互相连接并最终连接到带有解调器和模数转换器的系统级集成电路芯片的模数转换器的端口上。

所述传感器为压力传感器。

所述传感器具体可以为压电式压力传感器、压阻式压力传感器、加速度计式压力传感器、电容式压力传感器、气压式压力传感器、电化学传感器、温度传感器和/或光学传感器。

所述传感器阵列为行、列、矩阵和/或多链排布。

所述频率调制电路包括了压控振荡器。

所述频率调制电路还包括放大器，放大器可以省略。

所述带有解调器和模数转换器的系统级集成电路芯片包含数据处理、存储和传输模块。

本发明可应用于2个以上任意多个传感器的阵列系统；若系统级集成电路芯片有多个模数转换器，每个模数转换器都可以采用本发明的系统(即每个模数转换器上接一套本系统)。另外，对本领域普通技术人员来说，可以根据上述说明加以改进或变换，而所有这些改进和变换都应属于本发明所附权利要求的保护范围。

本发明的有益效果在于：

本发明的基于频率调制和频分多路复用的传感器阵列数据采集系统，降低了走线复杂性、元器件成本，提高了系统稳定性：

1.大大降低数据采集系统的走线数目和复杂度，提高稳定性：

传统数据采集系统的走线数目随着传感器数目的增长呈现线性增加，本发明能保证大量传感器阵列的走线数目跟单个传感器的走线数目类似，降低布线难度，提高系统稳定性。

2.降低模拟数字转换接口的需求数目，降低成本：

作为传感器阵列数据采集必需的模拟数字转换接口，成本高昂；且即使同时有多个模拟数字转换接口，它们也很难同时读数，需要切换。本发明实现大规模传感器阵列依然仅需一个模拟数字转换接口的解决方案，大大降低系统成本：

3.无需任何外部控制步骤，操作方便。

某些串联的传感器阵列需要复杂的控制步骤，本发明直接采集所有传感器数据，且通过调制解调直接读取所有传感器数据，节省软硬件资源，操作方便。

附图说明

图1为本发明的结构示意图之一。

图2为本发明的结构示意图之二，包括了压控振荡器8和放大器9。

图中标号和字符为：

1、传感器(s)；2、传感器阵列；3、频率调制电路；4、系统级集成电路芯片(soc)；5、电线接地端(gnd)；6、解调器(demod)；7、模数转换器(adc)；8、压控振荡器(vco)；9、放大器(amp)。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步说明。

如图1所示，本发明的基于频率调制和频分多路复用的传感器阵列数据采集系统，包括了由不少于两个传感器1组成的传感器阵列2、频率调制电路3、带有解调器6和模数转换器7的系统级集成电路芯片4。传感器阵列2为行、列、矩阵和/或多链排布。

各传感器1在单侧管脚上互相连接并最终连接到带有解调器和模数转换器的系统级集成电路芯片4的电线接地端5，各传感器1的另一侧管脚通过各自的频率调制电路3后互相连接并最终连接到带有解调器和模数转换器的系统级集成电路芯片4的模数转换器7的端口上。系统级集成电路芯片4可以包含数据处理、存储和传输模块，通过频率调制电路3，本系统既能读取某个传感器的数据，又能快速扫描全阵列的数据，并且对数据进行采集、存储或传输。

所述传感器1主要为压力传感器，具体可以为压电式压力传感器、压阻式压力传感器、加速度计式压力传感器、电容式压力传感器、气压式压力传感器、电化学传感器、温度传感器和/或光学传感器。

如图2所示，所述频率调制电路3包括了压控振荡器8，还包括放大器9，放大器9可以省略。

本发明的基于频率调制和频分多路复用的传感器阵列数据采集系统，通过各个传感器1的频率调制电路3，控制某个或某些传感器1的数据在频域的频率范围。如果共有n个传感器1，每一个传感器1都将经过其对应压控振荡器8的调制。系统级集成电路芯片4中的解调器6将能通过解调，得到位于对应压控振荡器8频率的数据，对应于某传感器1。这样可以方便的读取某一个传感器1的数据，或者扫描传感器阵列2中所有传感器1的读数，步骤简单，数据准确。这样在不影响性能的情况下，实现走线最简化，提高系统的稳定性。

本发明可应用于2个以上任意多个传感器的阵列系统；若系统级集成电路芯片有多个模数转换器，每个模数转换器都可以采用本发明的系统(即每个模数转换器上接一套本系统)。整套系统无需额外软硬件控制开销，实现单个传感器、多个传感器或者所有传感器的数据采集、存储和传输。

实施例1

如图2所示，所述传感器阵列由4个传感器1组成，传感器1均采用压电传感器。所有传感器1的一侧管脚相互连接并最终连接至系统级集成电路芯片4上。系统级集成电路芯片4包括解调器6和模数转换器7。传感器1的另一个管脚连接在对应的频率调制电路3上，频率调制电路3包括了压控振荡器8和放大器9，依次连接到下一个传感器1的频率调制电路3的一端，最终连接到系统级集成电路芯片4上。

工作时，模数转换器的读数是各个传感器1和其对应的压控振荡器8的调制结果。模数转换器7的读数(inputadc)为：

inputadc＝s1*e^i*2π*fvco1+s2*e^i*2π*fvco2+s3*e^i*2π*fvco3+s4*e^i*2π*fvco4

其中，s为传感器，e为自然指数，i为虚数单位，fvco为压控振荡器的中心频率。

对这个总的频分多路复用信号，通过解调器6，可以得到对应于某个传感器1的特征频率的数值，即为此传感器1的读数(sn)：

sn＝demod(inputadc,fvcon)

其中，demod为解调器，inputadc为模数转换器7的读数，fvco为压控振荡器的中心频率。

虽然在这里通过某个或某些特殊配置描述和阐明本发明，然而其目的并不在于限制所述细节，因为可能在专利要求范围内有各种修改和结构变更，并不偏离发明精神。

本发明涉及部分均与现有技术相同或可采用现有技术加以实现。