具有气体传感器和低功率模式的便携式传感器设备的制作方法
【专利摘要】一种移动设备，包括控制显示器(11)和其他用户接口电路的CPU(20)。进一步地，其包括气体传感器(30)以及将气体传感器(30)和其他传感器连接到CPU(20)的传感器集线器(26)。为了省电，可以使该设备进入低功率工作模式，此时CPU(20)为空闲或关闭的，并且气体传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，传感器集线器(26)仍然监视来自气体传感器(30)的信号变化，如果检测到这样的变化则唤醒该设备。
【专利说明】具有气体传感器和低功率模式的便携式传感器设备
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种具有气体传感器的便携式电子设备，特别是移动电话或者平板电脑。本发明也涉及一种用于操作这样的设备的方法。
【背景技术】
[0002]将气体传感器并入到诸如移动电话或平板电脑之类的便携式传感器设备中已经是众所周知的。例如，已经将湿度传感器并入到一些智能电话设备中。
[0003]为了降低功耗，该类型的设备通常具有低功率和高功率工作模式。在低功率工作模式下，气体传感器不工作。
【发明内容】
[0004]本发明要解决的问题是提供一种呈现更好的传感器性能的上述类型的设备。
[0005]独立权利要求的技术方案解决了该问题。
[0006]相应地，本发明涉及一种便携式电子设备，其具有中央处理单元CPU(即微控制器或微处理器)和由该CPU操控的用户接口(诸如图形显示)。除了 CPU之外，该设备还包括气体传感器和传感器集线器。传感器集线器被设置并构造为操控该气体传感器，例如通过向该气体传感器发送执行测量和/或读出由该气体传感器生成的信号值的命令。
[0007]该设备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通常被关闭或处于非工作的空闲状态。在高功率模式下，CPU工作。
[0008]不仅该设备(具体是CPU)具有高功率和低功率工作模式，而且气体传感器也具有低功率和高功率工作模式。在两种工作模式下，气体传感器都能够执行测量。然而，与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确的测量结果。高功率和低功率工作模式的不同之处在于例如单位时间内进行测量的数目和/或加热脉冲的持续时间。
[0009]传感器集线器被设置并构造为响应于来自气体传感器的信号变化而将该设备从低功率工作模式转换到高功率工作模式。
[0010]换言之，当来自气体传感器的信号以某种方式变化时，传感器集线器能够唤醒该设备。
[0011]通常，传感器集线器包括微控制器，即可编程处理单元，该可编程处理单元被设置为顺序处理存储在存储器设备中的程序代码。
[0012]进一步地，传感器集线器可以包括用于存储来自气体传感器的信号的低通滤波值的存储位置、以及被设置为将该低通滤波值与来自所述气体传感器的当前信号相比较的比较器。这使得在可以忽略对于许多类型的气体传感器而言典型的慢信号漂移的同时，能够检测来自气体传感器的信号的突变。该低通滤波值可以是例如来自气体传感器的信号的移动平均(滚动平均)。[0013]气体传感器连同处理电路可以被集成在气体感测设备的半导体基板上。传感器集线器的微控制器被设置为从处理电路读取当前信号。在这样的设计下，该处理电路可以掌管对原始信号的部分或全部处理，由此减少微控制器的运算负载。
[0014]根据本发明的用于操作该设备的方法包括响应于来自气体传感器的信号变化而将该设备从其低功率工作模式转换到其高功率工作模式的步骤。
[0015]当该设备被从其低功率工作模式转换到其高功率工作模式时，CPU可以处理来自气体传感器的信号。由于CPU相比传感器集线器更强大，所以这样的处理可以提供关于信号变化的原因的更详细的信息。
[0016]必须注意的是，本发明既可以被视为方法也可以被视为设备。具体地，其任何特征均可作为方法或设备而被要求保护，并且明显的是，在该两种权利要求的任何一种中所表述的任何特征也可以在另一种权利要求中表述。
[0017]其他优选的实施方式被列入从属权利要求以及下面的描述中。
【专利附图】
【附图说明】
[0018]根据下列详细描述，可以更好地理解本发明，而且除上述目的以外的目的也将变得明晰。这样的描述参考了附图，其中:
[0019]图1为具有气体传感器的便携式电子传感器设备的透视图；
[0020]图2为该设备的硬件组件的框图；
[0021]图3更详细地示出了气体传感器；
[0022]图4为传感器集线器的实施方式的框图；
[0023]图5为该设备的软件组件的框图；
[0024]图6为由传感器集线器在低功率模式下执行的步骤的流程图。
【具体实施方式】
[0025]设备硬件:
[0026]图1所示的传感器设备为诸如移动电话的便携式电子设备I。移动电话的外壳10包括正面，正面具有显示器11和如按钮9的输入元件以使用户与电话进行交互。正面上还示出了用于扬声器的开口 12。更多的开口 13、14位于外壳10的下侧壁处。公知的是将如麦克风和扬声器之类的组件安装在这样的开口之后。例如也被布置在外壳10的下侧壁上的另一开口 15可通往如下面更详细描述的气体传感器。
[0027]图2示出了具有该设备最重要的组件的框图。具体地，如本领域的技术人员所已知的，该设备包括CPU20和非易失性及易失性存储器21。图2还示出了显示器11和更多输入和输出设备的组22,这些输入和输出设备例如为按钮9、扬声器以及麦克风。
[0028]CPU20被设置为执行存储在存储器21中的软件，以及通过例如在显示器11上显示信息而操控该设备的诸如显示器11的用户接口。
[0029]进一步地，该设备包括网络接口 23，网络接口 23能够与外部网络24 (诸如因特网)建立无线数据通信。该网络连接到更多的设备。这些更多的设备中的至少一个服务器设备25可以被配置为通过网络接口 23与设备I进行通信。
[0030]设备I进一步包括传感器集线器26，CPU20通过传感器集线器26能够与一系列的传感器S1、S2、和S3等进行通信。这些传感器可以包括例如加速度计、一个或多个温度传感器以及更多的传感器。具体地，传感器之一为气体传感器30。在优选实施方式中，另一传感器是湿度传感器31，诸如在US6690569中所描述的。
[0031]气体传感器:
[0032]图3示出了气体传感器30的实施方式。所示传感器例如是基本上如在W095 /19563中所描述类型的传感器，其中具体地由金属氧化物制成的感测层35a、35b、35c和35d被布置在在半导体基板37中的开口之上延伸的薄膜36上。
[0033]在图3所示的实施方式中，存在4个感测层35a、35b、35c和35d分开布置在薄膜36上，每个感测层形成自身的气体传感器。不同的感测层35a、35b、35c和35d可以例如在其组成方面不同以测量不同的气体性质，由此提供用于识别单独的分析物的更丰富的数据集。
[0034]如上面所提及的，感测层优选为金属氧化物(MOX)层，诸如SnO层。MOX还可以是例如氧化钨、氧化镓、氧化铟或氧化锌，或者是这些材料(包括SnO)中任何材料的混合物。
[0035]图3所示的传感器的感测层需要升高的工作用温度，其通常至少为100°C，对于SnO层则通常至少为300°C。因此，设置了加热器38a用于将每个感测层加热至其工作温度。
[0036]如本领域的技术人员所已知的，感测层35a、35b、35c和35d的电导取决于包围其的气体的组成。因此，设置了叉指电极38b用于测量感测层35a、35b、35c和35d的电阻率。
[0037]如图3所示，气体传感器30进一步包括集成在半导体基板37上的处理电路39。该处理电路可以包括例如用于处理来自电极38b的原始模拟信号的滤波器和放大器，用于转换经处理的模拟信号的A / D转换器，以及用于处理数字化信号的数字电路。数字电路可以包括例如用于使原始信号线性化的线性化器，以及用于访问处理后的信号并用于接收操作命令和操作参数的接口。
[0038]传感器集线器:
[0039]图4为传感器集线器26的电路框图。在该实施方式中，传感器集线器26由单个微控制器构成，该微控制器具有可编程微控制器核心50、存储器51、用于将传感器集线器26连接到CPU20的第一接口 52、以及用于将传感器集线器26连接到传感器30、31等的诸如12C接口的第二接口 53。
[0040]核心50被设置为运行存储在存储器51中的程序代码54。
[0041]若不是由单个微控制器构成，传感器集线器26也可以由分立元件组成，这些分立元件例如为微控制器连同外部存储器和接口电路。
[0042]传感器集线器26的微控制器被配置为与CPU20相互独立地运行，也就是即使当CPU20被关闭时其也可以工作。通常，其具有比CPU20低得多的处理功率，但是其针对低功率操作被优化，并且可以更频繁甚至不间断地运行而不引起过多的功率损失。
[0043]设备软件:
[0044]图5示出了该设备的软件栈的对于此处上下文而言最相关的组件。如可以看到的，软件栈包括被设置为提供低层功能的内核40。该内核包括例如被设置为与该设备中的各个硬件组件进行交互的相应的设备驱动程序。
[0045]传感器集线器26的微控制器运行其自身的内核软件41，内核软件41通常被装入存储器51中。传感器集线器的内核软件与主内核40的集线器驱动程序42进行交互。用于驱动气体传感器30的驱动程序43实现在集线器内核软件41中。可是必须注意的是，驱动程序43也可以至少部分地实现在主内核40中。
[0046]库层44位于内核40之上。其包括多个库，其中每个库提供了至少在某种程度上通常是独立于机器的功能(这与内核软件正相反，内核软件通常适合于其运行所在的设备的硬件)。如本领域的技术人员所已知的，操作系统的运行时通常实现在这些库的至少一个中。
[0047]每个库通常包括一个或多个代码文件，代码文件包括可以动态或静态地链接至其他库或应用的代码。通常，库被实现为动态链接库(DLLs)。
[0048]库层44中的一个库为气体传感器控制和处理(GSCP)库45。其目的是控制气体传感器30的操作并且处理其信号。
[0049]位于库层44之上的是应用框架46，其通常也被实现为库的集合。与库层44中的大多数库形成对比的是，应用框架46的库提供对最顶端的软件层一一应用48 —一可用的公共接口 47 (应用编程接口，API)。
[0050]应用框架的一部分是传感器管理器49，传感器管理器49定义了 API的与设备I的传感器相关的部分，并且其与库层44或内核40中的与传感器相关的库和驱动程序进行交互。
[0051]应用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统供应商提供)。其与API中开放的库相链接以执行特定的任务。
[0052]例如，一个这样的应用可以是被期望用来检测某种气体或用来分析与气体传感器30相接触的气体的组成的应用。这样的应用会使用传感器管理器49的API以与气体传感器30进行交互。
[0053]功率管理:
[0054]设备I具有低功率和高功率模式。在低功率模式下，CPU20被关闭或者处于空闲模式，此时其功耗是零或者与正常的高功率工作模式相比至少是降低的。在该模式下，CPU20通常不能处理任何数据，或者其最多以相比正常操作慢得多的速率处理数据。在高功率模式下，CPU20正常运行，其通常不间断地处理数据并运行程序，并且操控显示器11，例如按照当前工作的应用程序发出的命令。
[0055]传感器集线器26在设备I的低功率以及高功率模式下运行。由传感器集线器26的微控制器在低功率和高功率模式下执行的步骤可以不同，或者其可以相同。
[0056]图6示出了由与气体传感器相关的微控制器至少在低功率模式下执行的步骤。
[0057]如可以看到的，微控制器重复地执行循环59。在下文中，假设标引i代表循环59的当前迭代的标引。
[0058]在执行循环的第一步骤60中，微控制器获得来自气体传感器30的当前信号值Si。该当前信号值可以例如直接从对传感器层35a、35b、35c和35d之一所测量的电导得到，或者其可以是这些层的电导的平均。
[0059]在步骤61中，通过计算当前测量值Si与该值的前一移动平均IV1 (定义见下)的差的绝对值以及通过将该差与阈值t相比较来计算所测量信号的变化，即下面的布尔表达式被评估:
[0060]Is1-HiHbt (I)[0061]这样的比较是由诸如由核心50的硬件实现的比较器执行的。
[0062]如果在步骤61中发现该变化超过阈值t，若该设备处于其低功率模式下，则执行步骤62以唤醒CPU20。
[0063]在接下来的步骤63中,移动平均的新值Hii被计算，例如按下式计算:
[0064]Iiii = IV1X (N-1) / N+Sj / N (2)
[0065]其中，Hii为在迭代i中计算的移动平均，IV1为前一迭代的移动平均，N为远大于I的整数，例如至少为10。式(2)描述了累积的移动平均。也可以使用用于计算移动平均或用于以其他方式低通滤波所测量的信号的其他方法，诸如简单移动平均或者加权移动平均。通常的求平均时间应当大于气体传感器的响应时间，但是其应当比气体传感器出现渐变漂移的时间小得多。通常，求平均时间(即对移动平均的至少90%有贡献的时间跨度)应当至少为I分钟，但其应当小于12小时，具体地在I到10小时之间。这考虑到了在空间中有害气体的浓度通常需要一些时间来形成，并且好的求平均可以在例如当该设备处于休眠时(例如在一个夜晚的期间)执行。
[0066]移动平均Hii被存储在核心50或存储器51的合适的存储位置55中。
[0067]循环59在步骤64中结束，此时其被中断某一时间间隔，例如I秒或几秒，以降低传感器集线器36的功耗。
[0068]注意:
[0069]在上述实施方式中，由传感器集线器36的微控制器计算传感器信号的变化(例如式(I)和(2)所表达的)。另选地，这样的移动平均可以例如由感测设备30的处理电路39计算，在该情况下，传感器集线器36可以具有更简单的设计。
[0070]一旦CPU20在气体传感器30的传感器信号变化后被唤醒，则其通过传感器集线器36读取当前的传感器信号，并且对其进行更彻底的处理(可选的是通过执行进一步的测量)以对信号变化的原因获得更好的理解。
[0071]优选地，不仅设备I (具体是CPU20)具有高功率和低功率工作模式，而且气体传感器30也具有低功率和高功率工作模式。在两种工作模式下，气体传感器30都能够执行测量。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确的测量结果。高功率和低功率工作模式的不同之处在于例如单位时间内进行测量的数目和/或加热脉冲的持续时间。当设备I处于低功率模式时，气体传感器30也处于低功率工作模式。一旦CPU20被唤醒，则其至少在初始分析阶段期间将气体传感器30设为高功率工作模式，以获得更精确的结果。
[0072]根据该处理的结果，CPU20可以例如发出警报，具体地是声音的或可视的警报，以及/或者通过网络接口 23发出消息。如果发现该变化是由一些有害物质(诸如CO或废气)的浓度上升引起的，则这是特别有用的。
[0073]总之，在一个实施方式中，移动设备包括操控显示器11和其他用户接口电路的CPU20。进一步地，其包括气体传感器30以及将气体传感器30和其他传感器连接到CPU20的传感器集线器26。为了节省功率，可以使该设备进入低功率工作模式，此时CPU20为空闲或关闭的。然而，即使在该低功率工作模式下，传感器集线器26仍然监视来自气体传感器30的信号变化，并且如果检测到这样的变化则唤醒该设备。
[0074]尽管示出并描述了本发明目前的优选实施方式，但可以清楚地理解本发明并不被限制于此，而是可以按落入权利要求的范围中的其他方式被不同地具体实现及实践。
【权利要求】
1.一种便携式电子设备，具体是移动电话或平板电脑，其中所述便携式传感器设备包括:
CPU (20)， 由所述CPU(20)操控的用户接口(11)， 气体传感器(30), 附加于所述CPU (20)的传感器集线器(26)，其中所述传感器集线器(26)被设置为操控所述气体传感器(30)， 其中所述设备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:所述传感器集线器(26)被设置为响应于来自所述气体传感器(30)的信号变化将所述设备从所述低功率工作模式转换到所述高功率工作模式，并且其中所述气体传感器(30)具有低功率工作模式和高功率工作模式，其中所述气体传感器(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确的测量结果，并且其中当所述设备处于所述低功率工作模式时所述气体传感器处于所述低功率工作模式，但是在将所述设备从所述低功率工作模式转换到所述高功率工作模式后所述气体传感器(30)被设为所述高功率工作模式。
2.如权利要求1所述的设备，其中所述传感器集线器(26)包括微控制器核心(50)。
3.如上述权利要求的任一项所述的设备，其中所述传感器集线器(26)包括: 用于存储来自所述气体传感器(30)的信号的低通滤波值的存储位置(55)，以及 被设置为将所述低通滤波值Oni)与来自所述气体传感器(30)的当前信号(Si)相比较的比较器(50)。
4.如权利要求3所述的设备，其中所述传感器集线器(26)被配置为如果所述滤波值Oni)与所述当前信号(Si)之间的差超出了给定阈值(t)，则将所述设备从所述低功率工作模式转换到所述高功率工作模式。
5.如上述权利要求3或4的任一项所述的设备，其中所述传感器集线器(26)被设置为计算来自所述气体传感器(30)的信号的移动平均值Oni)。
6.如权利要求5所述的设备，其中所述移动平均跨越I分钟到12小时之间的时间，具体是在I小时到10小时之间。
7.如权利要求2以及权利要求3到6的任一项所述的设备，包括具有半导体基板(37)的气体感测设备，其中所述气体传感器集成在所述半导体基板(37)上，其中所述气体感测设备进一步包括集成在所述半导体基板(37)上的处理电路(39)，其中所述微控制器被设置为从所述处理电路(39)读取所述当前信号。
8.如上述权利要求的任一项所述的设备，其中在所述低功率模式下，所述CPU(20)被关闭。
9.如上述权利要求的任一项所述的设备，其中所述气体传感器(30)的低功率工作模式和高功率工作模式的不同之处在于单位时间内进行测量的数目和/或加热脉冲的持续时间。
10.如上述权利要求的任一项所述的设备，其中所述气体传感器(30)包括金属氧化物感测层(35a、35b、35c、35d)。
11.一种用于操作上述权利要求的任一项所述的设备的方法，包括响应于来自所述气体传感器(30)的信号变化将所述设备从所述低功率工作模式转换到所述高功率工作模式的步骤，并且其中所述气体传感器(30)具有低功率工作模式和高功率工作模式，其中所述气体传感器(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确的测量结果，并且其中当所述设备处于所述低功率工作模式时所述气体传感器处于所述低功率工作模式，但是在将所述设备从所述低功率工作模式转换到所述高功率工作模式后所述气体传感器(30)被设为所述高功率工作模式。
12.如权利要求11所述的方法，其中在所述设备被从所述低功率工作模式转换到所述高功率工作模式后，所述CPU(20)处理来自气体传感器的信号以分析所述变化的原因。
13.如权利要求12所述的方法，进一步包括如果该变化的原因是由于有害物质浓度的上升，则由 所述设备发出警报的步骤，所述警报具体为声音的或可视的警报。
【文档编号】G06F1/32GK103970529SQ201410063042
【公开日】2014年8月6日 申请日期:2014年1月29日 优先权日:2013年1月31日
【发明者】R·斯科米德林, M·格拉夫 申请人:盛思锐股份公司