一种高精度低功耗全集成的便携式电子鼻制造技术

本发明专利技术公开了一种高精度低功耗全集成的便携式电子鼻，包括：传感器阵列，用于实现目标气体的检测；接口电路，用于根据当前工作模式，控制所述传感器阵列进行目标气体的检测，并对相关传感器信号进行采集与处理；气味识别单元包括：多层感知机，所述多层感知机采用复用的流水线结构，对所述接口电路处理后的传感器信号进行分类识别。本发明专利技术提供的便携式电子鼻，解决了MOS气体传感器选择性差的问题，能对气味识别所需数据进行扩展，可以很好地应用于高精度、低功耗领域，并且可以在一张芯片上实现，相较传统气味识别系统，增加了便携性，且对多层感知机气味分类的硬件实现进行了创新，使其在数据吞吐率和芯片面积上达到了一个很好的平衡。平衡。平衡。

【技术实现步骤摘要】
一种高精度低功耗全集成的便携式电子鼻


[0001]本专利技术涉及半导体集成电路领域，尤其涉及一种高精度低功耗全集成的便携式电子鼻。

技术介绍

[0002]随着人工智能和传感技术的飞速发展，利用便携式设备仿生嗅觉的需求日益广泛，例如气体质量监测、疾病诊断、有害气体监控和室内气氛检测等方面，因此人们迫切需要一种高精度低功耗便携式电子鼻来实现嗅觉的仿生。
[0003]早期的电子鼻采用分立板级器件搭建气体检测电路和在PC端气味识别相结合的方式，例如文献《Discrimination of Aromas in Beer with Electronic Nose》。利用分立板级器件搭建的气体检测电路存在功耗大、便携性差的问题，倘若还需要搭配PC才能实现气味分类，整套装置需要的体积则会更加庞大。后来出现了采用ASIC芯片搭建气体检测电路，在采集到气味识别数据后借助ASIC中的蓝牙模块无线传输到PC端进行识别的方式,例如文献《An Energy
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Efficient Multimode Multichannel Gas
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【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种高精度低功耗全集成的便携式电子鼻，其特征在于，包括：传感器阵列、接口电路以及气味识别单元；其中：所述传感器阵列，用于实现目标气体的检测；所述接口电路，用于根据当前工作模式，控制所述传感器阵列进行目标气体的检测，并对相关传感器信号进行采集与处理；所述气味识别单元包括：多层感知机，所述多层感知机采用复用的流水线结构，对所述接口电路处理后的传感器信号进行分类识别。2.根据权利要求1所述的一种高精度低功耗全集成的便携式电子鼻，其特征在于，所述传感器阵列包括：MEMS气体传感器阵列，内部包含多个不同气敏材质的MEMS MOS气体传感器，用于实现目标气体的检测；其中，MEMS MOS气体传感器包括：气体敏感材料和加热电阻；气体敏感材料与目标气体反应后通过电阻值反应目标气体浓度，加热电阻为气体敏感材料与目标气体反应提供所需温度。3.根据权利要求1所述的一种高精度低功耗全集成的便携式电子鼻，其特征在于，所述接口电路包括：电阻分压电路、低通滤波器、增量式sigma
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delta ADC模拟电路部分、电源管理模块、EEPROM、微热板加热器与数字控制电路；其中，所述电源管理模块，用于为接口电路中各部分以及气味识别单元提供所需电压；所述电阻分压电路、低通滤波器、增量式sigma
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delta ADC模拟电路部分与数字控制电路依次连接，由所述电阻分压电路将传感器信号中电阻的变化转化为电压的变化，经低通滤波器滤波后，通过增量式sigma
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delta ADC模拟电路部分进行模数转换，输出相应传感器气敏电阻上电压信息至所述数字控制电路；所述EEPROM与所述数字控制电路连接，在上电后，数字控制电路从EEPROM内部读取相关配置信息；所述微热板加热器一端与传感器阵列中的加热电阻连接，另一端与数字控制电路连接，在所述数字控制电路的控制下输出加热电压至相关的加热电阻；所述数字控制电路，具有与外部设备通信的接口，根据外部设备的指令选择当前工作模式，控制接口电路的各部分协同完成相关传感器信号的采集与处理。4.根据权利要求3所述的一种高精度低功耗全集成的便携式电子鼻，其特征在于，所述数字控制电路包括：数字滤波器、ADC校准模块、ADC控制模块、EEPROM控制模块、PWM加热器控制模块、I2C通信模块和系统控制模块；其中：所述数字滤波器，用于对增量式sigma
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delta ADC模拟电路部分输出信号进行数字滤波；所述数字滤波器与增量式sigma
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delta ADC模拟电路部分构成完整的增量式sigma
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delta ADC；所述ADC校准模块，用于根据当前设定的模式，对数字滤波器的输出进行校准，或不进行校准；其中，校准时结合来自所述EEPROM的配置信息对数字滤波器的输出进行校准；所述ADC控制模块，用于根据系统控制模块传输的当前工作模式，对传感器阵列的采样通道进行切换，并为增量式sigma
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delta ADC提供复位信号，以及将ADC校准模块的输出进行打包后传输至所述系统控制模块；所述EEPROM控制模块与所述EEPROM连接，用于在上电后，从所述EEPROM中读取配置信
息并传输至所述系统控制模块；所述PWM加热器控制模块与所述微热板加热器连接，用于根据所述系统控制模块的控制信号输出加热电压与相应的PWM波形信号至所述微热板加热器；所述I2C通信模块，用于实现外部设备与所述系统控制模块的通信；所述系统控制模块，分别与ADC控制模块、ADC校准模块、EEPORM控制模块、PWM加热器控制模块、气味识别单元和I2C通信模块连接；所述系统控制模块与ADC控制模块连接，告知ADC控制模块工作模式，使ADC控制模块完成通道模式选择，并从中接收相应工作模式需要的打包好的数据；与ADC校准模块连接，将相关的配置信息以及是否校准的信息传输给ADC校准模块；与EEPROM控制模块连接，通过EEPROM控制模块写入初始的配置信息至所述EEPROM，并进行上电自读取；与PWM加热器控制模块连接，控制所述PWM加热器控制模块输出加热电压与相应的PWM波形信号；与气味识别单元模块连接，以传输处理后的传感器信号以及是否需要进行气味分类识别的信号；与I2C通信模块连接，与外部设备的通信连接。5.根据权利要求4所述的一种高精度低功耗全集成的便携式电子鼻，其特征在于，所述数字滤波器对增量式sigma
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delta ADC输出信号进行数字滤波包括：将sigma
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delta ADC输出的高频信号滤除，保留有效信号，并利用降采样技术将过采样的频率降低到奈奎斯特频率；其中：使用级联加法器作为数字滤波器的结构，当调制器的输出为高电平时第一级加法器进行加1操作，当调制器的输出为低电平时，第一级加法器保持不变；数字滤波器对输入信号的量化结果表示为：其中，M表示当前的总时钟周期数目，V
REF
为参考电压，V
o
为量化后的电压，d代表量化器输出，l是一个中间变量；对上式进行变换，量化结果表示为：其中，D
OUT
表示数字滤波器的输出。6.根据权利要求4所述的一种高精度低功耗全集成的便携式电子鼻，其特征在于，所述配置信息包括：时钟校准值、偏移校准值和增益校准值；...

【专利技术属性】
技术研发人员：许磊，任旭东，孙东博，王昱东，
申请(专利权)人：中国科学技术大学，
类型：发明
国别省市：