(19)【発行国】日本国特許庁(JP)
(12)【公報種別】公表特許公報(A)
(11)【公表番号】2019522204
(43)【公表日】20190808
(54)【発明の名称】センサをスマートデバイスに接続する総合システム
(51)【国際特許分類】
   G01D 5/00 20060101AFI20190712BHJP
【FI】
   !G01D5/00
【審査請求】未請求
【予備審査請求】未請求
【全頁数】20
(21)【出願番号】2019501778
(86)(22)【出願日】20170323
(85)【翻訳文提出日】20181119
(86)【国際出願番号】IL2017050365
(87)【国際公開番号】WO2017163249
(87)【国際公開日】20170928
(31)【優先権主張番号】244746
(32)【優先日】20160324
(33)【優先権主張国】IL
(81)【指定国】 AP(BW,GH,GM,KE,LR,LS,MW,MZ,NA,RW,SD,SL,ST,SZ,TZ,UG,ZM,ZW),EA(AM,AZ,BY,KG,KZ,RU,TJ,TM),EP(AL,AT,BE,BG,CH,CY,CZ,DE,DK,EE,ES,FI,FR,GB,GR,HR,HU,IE,IS,IT,LT,LU,LV,MC,MK,MT,NL,NO,PL,PT,RO,RS,SE,SI,SK,SM,TR),OA(BF,BJ,CF,CG,CI,CM,GA,GN,GQ,GW,KM,ML,MR,NE,SN,TD,TG),AE,AG,AL,AM,AO,AT,AU,AZ,BA,BB,BG,BH,BN,BR,BW,BY,BZ,CA,CH,CL,CN,CO,CR,CU,CZ,DE,DJ,DK,DM,DO,DZ,EC,EE,EG,ES,FI,GB,GD,GE,GH,GM,GT,HN,HR,HU,ID,IL,IN,IR,IS,JP,KE,KG,KH,KN,KP,KR,KW,KZ,LA,LC,LK,LR,LS,LU,LY,MA,MD,ME,MG,MK,MN,MW,MX,MY,MZ,NA,NG,NI,NO,NZ,OM,PA,PE,PG,PH,PL,PT,QA,RO,RS,RU,RW,SA,SC,SD,SE,SG,SK,SL,SM,ST,SV,SY,TH,TJ,TM,TN,TR,TT,TZ
(71)【出願人】
【識別番号】518336282
【氏名又は名称】プルセンモア リミテッド
【住所又は居所】イスラエル国 8496500 オメル、タマル ストリート 44
(74)【代理人】
【識別番号】110000855
【氏名又は名称】特許業務法人浅村特許事務所
(72)【発明者】
【氏名】ゾンネンスケイン、ラザール
【住所又は居所】イスラエル国 8496500 オメル、タマル ストリート 44
【テーマコード(参考)】
2F077
【Fターム(参考)】
2F077AA31
2F077AA43
2F077EE09
2F077QQ15
2F077TT33
(57)【要約】
様々なセンサをスマートデバイスに接続することを可能にし、適切なソフトウェアアプリケーションまたはアプリケーションプロセッサの助けを借りて、センサ取得情報をスマートデバイス上に表示することを可能にするシステムが開示される。本発明のシステムの2つの基本的な実施形態、すなわち、既存のポートの1つを介してスマートデバイスに接続される外部ユニットと、場合によっては、デバイスの既存のコンポーネントのいくつかを利用する内部ユニットとが記載される。
【特許請求の範囲】
【請求項1】
スマートデバイスと、前記スマートデバイス上のソフトウェアアプリケーションと、構成可能なアナログフロントエンド(AFE)とを備える、スマートデバイスにセンサを接続するためのシステムであって、
前記構成可能AFEのコンポーネントが、いくつかの異なるタイプの外部センサからの信号をデジタル化するように構成可能であるシステム。
【請求項2】
前記構成可能AFEは、多くのコンポーネントの集合を含み、前記スマートデバイス上の前記アプリケーションが、適切なコンポーネントを選択し、前記選択されたコンポーネント間の接続を構成するようにプログラムされて特定のセンサに適したAFE回路を形成し、前記特定のセンサが前記構成可能AFEに接続されると、前記アプリケーションの実行が開始される、請求項1に記載のシステム。
【請求項3】
前記構成可能AFEの前記コンポーネントのうちの1つ以上がASICとして実装される、請求項2に記載のシステム。
【請求項4】
前記構成可能AFEが、前記スマートデバイスの既存のポートの1つを介して、または前記外部センサアプリケーション専用の新しいポートに接続される外部コンポーネントである、請求項1に記載のシステム。
【請求項5】
前記構成可能AFEが、前記スマートデバイスの内部コンポーネントであり、前記センサは、前記スマートデバイス上の標準ポートのいずれかを介して、またはセンサ専用の新しいポートを介して、前記AFEに接続される、請求項1に記載のシステム。
【請求項6】
電圧、電流、デューティサイクル、および同期のうちの少なくとも1つの範囲を記述する専用ポートおよび汎用プロトコルが提供され、様々なタイプの外部センサが前記プロトコルを満たすように適合される、請求項5に記載のシステム。
【請求項7】
前記構成可能AFEが、以下のバスプロトコル:パラレル、シリアル周辺インターフェース(SPI)、ユニバーサルシリアルバス、および集積回路(I2C)のうちの1つを介してプログラムされる、請求項1に記載のシステム。
【請求項8】
前記システムの前記構成可能AFEが、一方向センサからの信号を受信する、双方向センサから信号を受信し、双方向センサに信号を送信する、または一方向センサと双方向センサの両方から信号を受信し、双方向センサに信号を送る、請求項1に記載のシステム。
【請求項9】
前記一方向センサが、オーディオセンサ、熱センサ、温度センサ、電気化学センサ、および光センサを含む群から選択される、請求項8に記載のシステム。
【請求項10】
前記双方向センサが、超音波センサである、請求項8に記載のシステム。
【請求項11】
前記構成可能AFEが、十分に高い既知の固定周波数であるために前記センサからの入力信号が前記周波数の半分未満となるサンプリングレートを有するADCを含む、請求項1に記載のシステム。
【請求項12】
前記構成可能AFEが、前記AFEに接続された特定のセンサからの信号の周波数の少なくとも2倍に調整することができるサンプリングレートを有するADCを含む、請求項1に記載のシステム。
【請求項13】
前記構成可能AFEのハードウェアコンポーネントの機能の少なくとも一部が、前記スマートデバイス上のアプリケーションプロセッサ内のソフトウェアによって実装される、請求項1に記載のシステム。
【請求項14】
構成可能な内部アナログフロントエンド(AFE)と、ソフトウェアアプリケーションと、有用なデータを送信および/または受信する少なくとも2つの異なるタイプのセンサの出力を前記AFEに接続することができる少なくとも1つのポートと、を備えるスマートデバイスであって、前記ソフトウェアアプリケーションが、前記構成可能AFEの構成を制御して、前記少なくとも2つのセンサのそれぞれに適したAFE回路を形成する、スマートデバイス。
【請求項15】
アプリケーションプロセッサと、ソフトウェアアプリケーションと、センサからデータを読み取るために前記センサに接続することができる少なくとも1つのポートと、を備えるスマートデバイスであって、前記センサが前記ポートに接続されると、前記ソフトウェアアプリケーションが前記センサのタイプを特定し、前記データが、前記アプリケーションプロセッサおよび前記ソフトウェアアプリケーションの一体化部分である構成可能AFEによって処理され、前記スマートデバイスの画面に表示される、スマートデバイス。
【請求項16】
前記ソフトウェアアプリケーションが、センサのタイプを特定し、前記センサに適したAFE回路を形成するように前記構成可能AFEを構成する、請求項15に記載のスマートデバイス。
【請求項17】
前記構成可能AFEの前記ハードウェアコンポーネントの少なくともいくつかが、単一のASIC内の前記スマートデバイスのアプリケーションプロセッサと統合される、請求項15に記載のスマートデバイス。
【請求項18】
前記構成可能AFEのハードウェアコンポーネントの機能の少なくとも一部が、前記アプリケーションプロセッサ内のソフトウェアによって実装される、請求項15に記載のスマートデバイス。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
本発明は、スマートモバイル通信装置の分野に関する。特に、本発明は、様々なタイプの外部センサを携帯型スマート通信装置に接続するためのシステムに関する。
【背景技術】
【0002】
センサは、物理的世界からのイベントを、さらなる処理に適した電気信号に変換するデバイスであり、この処理は最終的にユーザに有用な情報を提供することによって終了する。センサからの電気信号の調節および処理は、センサによって提供される情報を得るための極めて重要な部分である。というのも、これらの信号は非常に小さく、電子機器、自動車、携帯電話などの干渉源が多い現代の環境のせいで破損しやすいからである。多くの様々なセンサのアナログまたはデジタル出力は、たとえば、−500V〜+500V、−10Amps〜+10Amps、0.1Hz〜数Ghzの広い周波数範囲などの様々な範囲で電圧または電流駆動することができる。センサの出力電子機器の複雑さに関しては、一方では、フィルタを備えた増幅器を含むセンサが存在する。他方では、フルシグナルコンディショニングフロントエンド、中間アナログ信号処理、ADC、おそらくマイクロコントローラユニット(MCU)時にはさらに多くの機能を備えたセンサが存在する。
【0003】
スマートモバイル通信デバイスは、本質的には小型コンピュータであり、ほとんどの時間、インターネットに接続され、消費者によって携帯される。たとえば、Apple(登録商標) IOS(登録商標)、Microsoft(登録商標) Windows(登録商標)、またはGoogle(登録商標) Android(登録商標)オペレーティングシステムを搭載したIPOD(登録商標)、MP4、タブレットなどの市販のスマートフォンおよびモバイルデバイスや、WI−FI(登録商標)、LTE、4G、5G、またはそれより新たな世代のワイヤレス通信機能を備えたデバイスが挙げられる。簡潔化のため、既存のスマートモバイル通信装置および今後開発される類似の装置を、以降、「スマートデバイス」と称する。
【0004】
スマートデバイスは絶えず開発されており、それらを有用なものにするための新しい方法も絶えずユーザに提示されている。これらのスマートデバイスへの有用な追加の1つは、外部センサをデバイスに接続し、スマートデバイスまたはセンサにダウンロードまたはインストールされたソフトウェアアプリケーションを使用して、スマートデバイスの画面上にセンサの出力を表示する方法である。しかしながら、それぞれに異なるセンサの読取り範囲は非常に大きいので、センサをスマートデバイスに直接接続して読み取りまたは有用な情報を提供することは困難である。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【0005】
本発明の目的は、外部センサとスマートデバイスとの間のギャップを埋める簡易な設定を提供することである。
【0006】
本発明のさらなる目的および利点は、説明が進むにつれて明らかとなる。
【課題を解決するための手段】
【0007】
第1の側面では、本発明は、センサをスマートデバイスに接続するシステムである。本システムは、スマートデバイス、スマートデバイス上のソフトウェアアプリケーション、および構成可能アナログフロントエンド(AFE)を備える。構成可能AFEのコンポーネントは、いくつかの異なるタイプの外部センサからの信号をデジタル化するように構成することができる。
【0008】
本発明のシステムの実施形態では、構成可能AFEは、多くのコンポーネントの集合を含み、特定のセンサを構成可能AFEに接続することにより、適切なコンポーネントを選択し、コンポーネント間を接続して該センサに適したAFE回路を形成するようにプログラムされたアプリケーションをスマートデバイス上で実行させる。
【0009】
本発明のシステムの実施形態では、構成可能AFEのコンポーネントのうちの1つ以上がASICとして実装される。
【0010】
本発明のシステムの実施形態では、構成可能AFEは、スマートデバイスの既存のポートの1つを介して、または外部センサアプリケーション専用の新しいポートに接続される外部コンポーネントである。
【0011】
本発明のシステムの実施形態では、構成可能AFEはスマートデバイスの内部コンポーネントであり、センサは、スマートデバイス上の標準ポートのいずれかを介して、またはセンサ専用の新しいポートを介してAFEに接続される。
【0012】
本発明のシステムの実施形態では、専用ポートと、電圧、電流、デューティサイクル、および同期の少なくとも1つの範囲を記述する汎用プロトコルとが提供され、様々なタイプの外部センサがこのプロトコルを満たすように適合される。
【0013】
本発明のシステムの実施形態では、構成可能AFEは、以下のバスプロトコル:パラレル、シリアル周辺インターフェース(SPI)、ユニバーサルシリアルバス、および集積回路(I2C)のうちの1つを介してプログラムされる。
【0014】
本発明のシステムの実施形態では、システムの構成可能AFEは、一方向センサからの信号を受信する、または双方向センサから信号を受信し、双方向センサに信号を送信する、または一方向センサと双方向センサの両方から信号を受信し、双方向センサに信号を送信するように構成される。
【0015】
本発明のシステムの実施形態では、一方向センサは、オーディオセンサ、熱センサ、温度センサ、電気化学センサ、および光センサを含む群から選択される。
【0016】
本発明のシステムの実施形態では、双方向センサは超音波センサである。
【0017】
本発明のシステムの実施形態では、構成可能AFEは、十分に高い既知の固定周波数であるためにセンサからの入力信号がこの周波数の半分未満となるサンプリングレートを有するADCを備える。
【0018】
本発明のシステムの実施形態では、構成可能AFEは、AFEに接続された特定のセンサからの信号の周波数の少なくとも2倍に調整することができるサンプリングレートを有するADCを備える。
【0019】
本発明のシステムの実施形態では、構成可能AFEのハードウェアコンポーネントの機能の少なくとも一部は、スマートデバイス上のアプリケーションプロセッサ内のソフトウェアによって実装される。
【0020】
第2の側面では、本発明は、構成可能内部アナログフロントエンド(AFE)と、ソフトウェアアプリケーションと、有用なデータを送信および/または受信する少なくとも2つの異なるタイプのセンサの出力をAFEに接続することができる少なくとも1つのポートと、を備えるスマートデバイスである。ソフトウェアアプリケーションは、構成可能AFEの構成を制御して、少なくとも2つのセンサのそれぞれに適したAFE回路を形成する。
【0021】
本発明のスマートフォンの実施形態では、アプリケーションプロセッサと、ソフトウェアアプリケーションと、センサを接続してセンサデータを読み取ることができる少なくとも1つのポートとが設けられ、センサがポートに接続されると、ソフトウェアアプリケーションがセンサのタイプを特定し、データが、アプリケーションプロセッサに一体化された部分である構成可能AFEとソフトウェアアプリケーションによって処理され、スマートデバイスの画面に表示される。
【0022】
本発明のスマートフォンの実施形態では、ソフトウェアアプリケーションがセンサのタイプを特定し、センサに適したAFE回路を形成するように構成可能AFEを構成する。
【0023】
本発明のスマートフォンの実施形態では、構成可能AFEのハードウェアコンポーネントの少なくともいくつかは、単一のASIC内のスマートデバイスのアプリケーションプロセッサと統合される。
【0024】
本発明のスマートフォンの実施形態では、構成可能AFEのハードウェアコンポーネントの機能の少なくともいくつかは、アプリケーションプロセッサ内のソフトウェアによって実装される。
【0025】
本発明の上記およびその他の特徴および利点は、添付の図面を参照しながら、本発明の実施形態の以下の例示的かつ非限定的な説明によりさらに理解されるであろう。
【図面の簡単な説明】
【0026】
【図1】スマートフォンの基本的な物理的コンポーネントを示すブロック図である。
【図2】本発明のシステムを象徴的に示す図である。
【図3】アナログフロントエンドで一般的に見られる主な構成要素を象徴的に示す図である。
【図4】デジタルラジオ受信機によって発せられたオーディオ信号を調節するために使用できるアナログフロントエンドの一例を示す概略図である。
【図5】熱センサと共に使用されるAFEの一実施形態の主なコンポーネントを示す概略図である。
【図6】送信/受信超音波トランスデューサと共に使用されるAFEの一実施形態の主なコンポーネントを示す概略図である。
【図7】電気化学センサで使用されるAFEの一実施形態の主なコンポーネントを示す概略図である。
【図8】周辺光を測定する光検出器と共に使用されるAFEを示す概略図である。
【図9】スマートデバイスのコンポーネントと共に単一の基板上に作成されるプログラム可能AFEを示す概略図である。
【発明を実施するための形態】
【0027】
本発明は、多種多様なセンサをスマートデバイスに接続することを可能にし、適切なソフトウェアアプリケーションまたはアプリケーションプロセッサの助けを借りて、センサが取得した情報をスマートデバイス上に表示することができるシステムである。本発明のシステムの2つの基本的な実施形態、すなわち、既存のポートの1つを介してスマートデバイスに接続される外部ユニットと、場合によっては、デバイスの既存のコンポーネントのいくつかを利用する内部ユニットとについて説明する。
【0028】
本発明を例示するため、スマートフォンを代表的なスマートデバイスとして選択した。しかしながら、本発明のシステムは、スマートフォンに関して本明細書に記載されるのと同じように、現在利用可能であるか、または将来開発されるかにかかわらず、任意のスマートデバイスを外部センサに結合するように、必要に応じて適応させることができることを理解されたい。
【0029】
図1は、スマートフォンの基本的な物理的コンポーネントを示すブロック図である。この図は非常に単純化されており、基本的に電話機能のみを示しているが、本発明を理解するには十分である。
【0030】
無線部10は送信回路を備え、該送信回路は、電力増幅器回路12および帯域フィルタスイッチ14を介して信号をアンテナ16に送り、アンテナ16はその信号を他のユーザのスマートフォンにブロードキャストする。無線部10は、アンテナ16によって収集されて帯域フィルタスイッチ14によってフィルタリングされた信号を受信する受信回路をさらに備える。
【0031】
アナログベースバンド部18は、アナログ信号をデジタル信号におよびデジタル信号をアナログ信号に変換し処理するための回路と、バッテリからの電力をスマートフォン内の他の回路に分配する配電回路を含む電力管理回路と、外部ソースからの電力を使用してスマートフォンのバッテリを充電する充電回路20に基づく回路と、を備える。アナログベースバンド部18は、マイクロフォン22からスピーカ24またはヘッドセット26へのアナログおよびデジタルオーディオ信号を操作し処理するオーディオコーデック部をさらに備える。
【0032】
デジタルベースバンド部28は、デバイスおよびメモリ回路の様々な機能を制御するためのマイクロコントローラユニット(MCU)30と、Wi−Fi、カメラ、およびUSBなどのデバイスおよびサービスを接続するためのインターフェースを含む周辺部32を備える 。
【0033】
本発明を実施するためには、センサ/入力アナログ信号と、センサ信号をスマートデバイスが扱うことができる信号に変換するために使用されるアナログ/デジタル変換器(ADC)との間のインターフェースとして機能するアナログフロントエンド(AFE)を設けなければならない。
【0034】
図2は、本発明のシステムを象徴的に示す。同図は、外部センサ34からの出力信号を受信する構成可能アナログフロントエンド(AFE)36を示す。ADCの機能は、周辺部32を介してスマートフォンに入力することができる最適条件または合意されたプロトコルの下で確実にデジタル化された後、MCU30およびスマートフォン上のソフトウェアアプリケーションによって処理されるように、デバイスへのその他の入力と同様、センサからの信号を、処理、格納、および表示されるように適合させることである。ここで、外部センサ機能を扱うMCUは、アプリケーションプロセッサ30と呼ばれる。
【0035】
本発明の基本的な考え方は、スマートデバイスと構成可能AFEとで構成されるシステムを提供することであり、AFEは、いくつかの異なるタイプのセンサ(または少なくともいくつかの異なるタイプのセンサのリスト)に対してAFEを形成するのに必要となる可能性がある多くのコンポーネント(増幅器、ミキサ、フィルタ、アナログ−デジタルコンバータ(ADC)など)の集合から成る。構成可能AFEにセンサを接続することにより、適切なコンポーネントを選択し、それらのコンポーネント間を接続してそのセンサに適したAFE回路を形成するようにプログラムされたスマートデバイス上のアプリケーションの実行が開始される。構成可能AFEには、特定のタイプのセンサのいずれかが接続されているときはいつでも、AFEを再構成する必要なく、それらのタイプのセンサの接続を可能にするデフォルト設定を提供することができる。
【0036】
本発明の構成可能AFEは、ASICで実装することのできる1つ以上のコンポーネントとして、または1つ以上の増幅器、もしくは様々なセンサ、様々なアナログ−デジタルコンバータ(ADC)、電気回路などの要件に合わせて回路を変更することができるように各段でプログラム可能であるプログラム可能増幅器を含むいくつかの個々のコンポーネントとして設計することができる。さらに、AFEは、マルチプレクサの有無にかかわらず、AFEだけでなく他のサービスも提供するシングルチャネルAFEまたはマルチチャネル(2〜Nチャネル)AFEとすることができる。構成可能AFEは、一方向、すなわちセンサからの信号のみを受信するように、または双方向に、すなわちセンサから信号を受信し、センサに信号を送信するように設計することができる。
【0037】
本発明の構成可能AFEは、たとえば、パラレルまたはシリアル周辺インターフェース(SPI)バス(同期シリアル通信インターフェース)、ユニバーサルシリアルバスまたはIC(相互集積回路)−マルチマスタ、マルチスレーブ、シングルエンド、シリアルコンピュータバス−などの様々なバスプロトコルを介してプログラムすることができる。しかし、他の合意されたプロトコルも使用できる。
【0038】
本発明の実施形態では、構成可能AFEのハードウェアコンポーネントの機能のいくつか、たとえば、フィルタリングまたは増幅を、アプリケーションプロセッサに関連するソフトウェアによって実行することができる。
【0039】
本発明のシステムを実行する方法は2つある。最初の方法は、センサを、既存のポートの1つ(オーディオ、USB、Bluetooth(登録商標)またはワイヤレスポートなど)を介してスマートフォンに接続される外部AFEコンポーネントに、または外部センサアプリケーション専用の新しいポートに接続することである。本発明のシステムを実行する第2の方法は、AFEをスマートフォンの内部コンポーネントとして設け、センサがスマートフォンの標準ポート(たとえば、オーディオ、USB、MIPI、Bluetooth(登録商標)、またはワイヤレスポート)またはセンサ専用の新しいポートのいずれかを介してAFEに接続できるようにすることである。
【0040】
AFEが内部コンポーネントである本発明のシステムの実施形態は、AFEがスマートフォンの集積回路(IC)の一部であるので、外部AFEを有する実施形態を超える大きな利点を有する。この場合、専用ポートが提供されていれば、電圧、電流、デューティサイクル、および同期の範囲を記述する適切な汎用プロトコルが提供され、外部センサはこのプロトコルを満たすように適合される。既知のプロトコルの場合、アプリケーションソフトウェアは既知のパラメータを処理すればよいため、統合時間が短縮される。自明なことに、スマートフォン内の他のICコンポーネントに対するリスクを低減するため、このICを他のコンポーネントから隔離することができる。または、このICが他のコンポーネントに悪影響を及ぼし得ないという十分な信頼水準がある場合、他のコンポーネントと組み合わせて製品コストを削減することができる。
【0041】
アナログフロントエンドに共通して見られ、したがって、本発明の構成可能AFE36の実施形態にも見られる主要な構成要素を図3に示す。特定のセンサに対するAFE36の実装は、極めて用途に依存し、センサからの入力信号とADCとの間の最適なマッチングを提供するように組み合わされた図3に示す様々な構成要素例から成る。しかし、合意されたAFEコンポーネントが、たとえばインターフェース方法を記述したプロトコルでスマートフォンに実装されている場合、このAFEを使用してスマートフォンと直接インターフェースすることができるかなりの数のセンサが存在する可能性がある、または追加の構成要素を上述したように追加して、特定のセンサをスマートフォン内の既存のAFEに適合させることができる。
【0042】
さらに、本発明は、2つのタイプのセンサを収容することができる。第1のタイプは、一方向センサ、すなわち特定のパラメータを測定し、その測定値をAFEを介してディスプレイに送るセンサである。第2のタイプのセンサは、2つの方法で動作することができ、すなわち、AFEを介して結果を送信するが、命令または動作を受け取ることもできる。第1のタイプの例は、熱測定センサ、スピーカ、およびマイクロフォンである。第2のタイプの例は、エネルギーを送信するがエネルギーを収集することもできる超音波プローブである。2つ目のタイプは、2つ以上の動作を実行するため、デュアルセンサと定義することもできる。
【0043】
図3を参照すると、励起信号38がセンサ34によって受信される。センサ34のアナログ出力は隔離段42を通過し、この隔離段は、センサ/信号が取得システムの他の部分から隔離され、それらの間に直接的な電気的接続がないことを保証するために必要とされることがある。隔離段は通常、簡単なトランスで構成されているが、信号の帯域幅が比較的小さい場合はアクティブアイソレーション増幅器を使用して実装することもできる。隔離段42の後、信号は1つ以上の増幅段44に進む。増幅段44に続いて、信号は、信号の周波数が局部発振器48によって生成された正弦波信号を乗算することによって上下にシフトされるミキサ段46に送られる。フィルタ50は、典型的には、乗算プロセスから生じる不要な周波数成分を除去するために使用される。
【0044】
AFE36の実施形態は、異なる特性を有するいくつかの増幅器およびミキサと、戦略的位置で信号から不要な周波数成分を除去する複数のフィルタと、を備えることができる。いくつかの実施形態では不要である隔離段に加えて、AFEは出力ドライバ52を備えることができる。図3に示す例では、AFE36のコンポーネントによって最適化されたセンサ34によって受信された元の信号38は、ADC56を介してスマートフォンのアプリケーションプロセッサ30に送られる。本発明では、ADC56は、AFE36の一体化コンポーネントである。
【0045】
ADCに関して、本発明の構成可能AFEを設計する際に考慮できる2つの選択肢がある。選択肢は、特定の周波数の所与の信号に対して、情報を維持するためにADCが少なくともその周波数の2倍でサンプリングする必要があることを示すナイキストサンプリング定理に関連している。したがって、2つの選択肢は以下の通りである。センサからの入力信号がこの周波数の半分未満となるように十分に高い既知の固定周波数のサンプリングレートを有するADCを提供する。AFEに接続された特定のセンサからの信号の周波数の少なくとも2倍に調整できるサンプリングレートをADCに提供する。
【0046】
本発明の一実施形態(以下の例6でさらに説明する)では、AFEのハードウェアコンポーネントを単一のASIC内のアプリケーションプロセッサと統合することができ、ASICはアナログセンサ信号を受信するポートに接続される。センサがポートに接続されると、アプリケーションプロセッサ内のソフトウェアがセンサのタイプを特定し、それに応じてAFEを構成する。
【0047】
本発明の目的は、通常のユーザおよび専門分野の専門家の両方が、彼らの関心を引く現象を測定するため、任意のタイプのセンサをスマートデバイスに接続するのを可能にすることである。
【0048】
利点の中でも特に、本発明のシステムを使用することで、ユーザは、通常は高額な専用感知機器を購入することなく、ハウジング、追加の回路、およびディスプレイ画面を備えていない感知要素自体を購入するだけでよいため、かなりのコストを節約することができる。センサからのアナログ出力が、適切に構成されたAFEを介してスマートデバイスの周辺部に入ると、スマートデバイスにインストールされたソフトウェアが、デジタル信号を処理し解釈することができ、スマートデバイスの回路が、音声メッセージ、インターネット、電子メール、およびSMSなどのスマートデバイスユーザが一般的に利用できる方法のいずれかによって、結果を画面に表示する、それらの信号をメモリに保存する、またはそれらの信号を遠隔位置に送信することができる。
【0049】
以下、本発明の構成可能AFE上の利用可能なコンポーネントの一部のみを組み立てることによって、特定のセンサ用に作成することができるAFEのいくつかの例を説明する。
【0050】
1.オーディオセンサ
図4は、本発明で使用可能なアナログフロントエンドの一例を概略的に示す。この場合、AFEの入力に存在する信号38はオーディオ信号38であり、センサ34は無線受信機である。望ましくない妨害信号を伴う入力信号は、増幅段44によってバッファされ、後段のミキサ段46のために最適レベルになる。ミキサ段46は、局部発振器48からの入力を使用して、入力信号の2つのコピーを作成し、一方は周波数が下にシフト(および反転)され、他方は周波数が上にシフトされる。次に、フィルタ段50が不要な成分をすべて除去する。最後に、出力ドライバ(増幅段)52が、信号の振幅を最適レベルにして、ADC56を駆動する。最後に、デジタル化された信号66は、スマートデバイス内のアプリケーションプロセッサ30(図1を参照)に送られる。図4に示すAFEは典型的には、1.2〜3.3Vの電圧を有する入力信号を用いて動作する。
【0051】
2.熱センサ
温度センサは、環境温度、人体温度、および水温の測定などの多くの用途で使用されるように適合される。温度センサは、スマートフォンのオーディオまたはUSB入力に接続された簡易なAFEを利用することができる。AFEは読取り値を増幅しデジタル化し、これらの結果はスマートフォンのアプリケーションで読み取られて、画面に表示されるか、または他のアドレスに送信される。
【0052】
このアプリケーションは、非常に簡易で基本的なAFEを必要とし、基本構成要素を図5に概略的に示す。計測増幅器60は、サーミスタまたはサーモパイル(図示せず)などのセンサからの出力信号58を増幅し、増幅された信号をいくつかの段で実装されるフィルタ62に送信して、不要な周波数を除去し、信号対雑音比を改善する。可変利得増幅器64は、フィルタリングされた信号をADC56用に増幅する。最後に、デジタル化された信号66は、スマートデバイス内のアプリケーションプロセッサ30(図1を参照)に送られる。
【0053】
3.超音波信号
超音波トランスデューサは、比較的広い範囲の励起電圧および周波数(またはトランスデューサ素子を励起する時間遅延差)を有する。この場合、設計者が(スマートフォン内の)アプリケーションを内部で設定できるプログラマブルAFEが、電圧振幅と電流の範囲と周波数範囲に必要な設定を提供し、低雑音増幅器が受信したエコー(数ヘルツ〜30Mhz)を増幅することで、時間ゲート回路を統合してそれぞれに異なる信号を制御し、アナログ−デジタル変換器が受信したエコーからビットストリームを生成することができる。
【0054】
図6は、超音波トランスデューサの受信回路に適したAFEの主要なコンポーネントの概略図である。AFEは、低雑音増幅器70、可変利得増幅器72、アンチエイリアスフィルタ74、およびADC56を備える。送信/受信トランスデューサの各要素からの信号58は、トランスデューサに送られる高電圧送信信号から低雑音増幅器を保護する送信/受信スイッチ68を通過する。低雑音増幅器70は、受信機の雑音性能を最適化する初期固定利得を提供する。次に、増幅された受信信号は可変利得増幅器72に送られ、可変利得増幅器72は超音波信号の減衰を補償して後続のADCのダイナミックレンジ要件を低減する。アンチエイリアスフィルタ74は、通常の最大撮像周波数を超える高周波雑音を除去し、ADC56によって受信バンドにマッピングされないようにする。トランスデューサ素子からの増幅されデジタル化された画像データ信号66は、たとえばスマートデバイスのアプリケーションプロセッサに送られ、スマートデバイスにロードされた超音波ソフトウェアによって遅延および合計されて、集束受信ビーム形成信号を生成する。得られたデジタル信号は、2D画像を生成するために使用される。
【0055】
4.電気化学センサ
図7は、たとえばCO濃度を測定するための3リード電気化学センサ76と共に使用されるAFEの主要コンポーネントを概略的に示す。この実施形態では、AFE36は、ユーザによって設定可能な特定の状態にセンサを維持するために、基準電圧78および制御増幅器80からなるバイアス回路を含む。センサ76からの出力は、トランスインピーダンス増幅器82によってADC56に供給される電圧に変換される電流である。ADCからの出力66は、スマートデバイスのアプリケーションプロセッサ30に転送され、スマートデバイス上の専用ソフトウェアによって濃度値に変換される。
【0056】
5.光信号
周辺光は、どこでも強度が同様で方向性を持たない周囲の環境光である。光の強度が等しくても、明るさは大きく変わる可能性がある。「ルクス」は、表面上の点を照らす可視光の量である。周辺光センサは、人間の目が知覚するものを可能な限り正確に感知するように設計された光検出器である。
【0057】
この用途のAFEは極めて単純であり、図8に概略的に示す。この場合、光検出器84の出力は増幅器86によって増幅され、増幅器の出力はADC56に直接供給される。ADC56からの出力66はスマートデバイスのアプリケーションプロセッサに転送され、スマートデバイス上の専用ソフトウェアによってルクス値に変換される。
【0058】
6.スマートデバイスと統合されるAFE
AFEが内部コンポーネントである本発明のシステムの拡張された実施形態は、システムオンチップ(SoC)に類似した高度に統合されたアナログフロントエンド(AFE)であり、送信機、受信機、高電圧信号の送信中の位置を変更するスイッチ、さらにはフィールドプログラマブルゲートアレイ(FPGA)またはマイクロコントローラを含む。この実施形態では、AFEのハードウェアコンポーネントを単一のASIC内のアプリケーションプロセッサと統合することができる。このような内部コンポーネントまたはSoCは、多くの電磁気および音響センサ間のギャップを埋めることができ、既存のポートまたは特殊専用ポートを介してスマートフォンに簡単に接続することができる。
【0059】
図9は、スマートデバイスのコンポーネントと共に単一の基板110上に作成されるプログラム可能AFE100を概略的に示す。図9に示す特定の実施形態では、センサは赤外線温度計であり、物体または患者の温度を接触させずに測定するために広く使用されている。赤外線温度計はサーモパイルセンサを使用して温度を測定する。サーモパイルセンサ88は、対象物の温度を測定する一連の熱電対に接続された赤外線吸収器を有する。センサ88の周囲温度は、サーミスタを使用して測定され、サーモパイルの読取り値を補償して最終的な物体温度に至る。
【0060】
通常、数μV程度のサーモパイルの出力はプログラマブル利得増幅器(PGA)90aによって増幅される。相関二重サンプリングを使用すると、不所望のオフセットや低周波雑音を低減しながら、出力を増幅することができる。高周波雑音を低減するために、無限インパルス応答(IIR)フィルタ(図示せず)を使用することができる。また、サーミスタの出力は、PGA90bによって増幅され、周囲温度を測定することができるサーミスタの抵抗を測定する。
【0061】
PGA90aおよびPGA90bからの出力は、マルチプレクサ92を介してADC56に送られ、その後、ADCの出力66はスマートデバイスのアプリケーションプロセッサ30に送られ、そこで物体温度がサーモパイルおよびサーミスタからの読取り値から計算される。
【0062】
基板110上に示される残りの要素はすべて、スマートデバイスの電子回路であり、バッテリ94から他のコンポーネントに電気エネルギーを分配する充電回路20と、リアルタイムクロック回路96と、アプリケーションプロセッサ30と、ユーザが電話機能を実行する、またはPGAをプログラムするために使用する実際または仮想の入力キーとの間でインターフェースをとる機械的またはタッチ検知回路98と、スマートデバイスのLCDディスプレイに情報を送信するために使用されるLCDドライバ回路102と、スマートデバイスのスピーカ、ヘッドホン、またはマイクロフォンに接続されるオーディオ入出力回路106と、を含む。
【0063】
本発明の実施形態を例示として説明してきたが、本発明は、特許請求の範囲を超えることなく、多くの変形、修正、および適応を伴って実施することができることが理解されよう。
【図1】
【図2】
【図3】
【図4】
【図5】
【図6】
【図7】
【図8】
【図9】
【手続補正書】
【提出日】20170831
【手続補正1】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項1】
スマートデバイスと、該スマートデバイスに接続可能であり、別個に構成可能なアナログフロントエンド(AFE)とを備える、スマートデバイスにセンサを接続するためのシステムであって、
前記構成可能AFEのコンポーネントが、いくつかの異なるタイプの外部センサからの信号をデジタル化するように構成可能であるシステム。
【請求項2】
前記構成可能AFEは、多くのコンポーネントの集合を含み、前記スマートデバイス上の前記アプリケーションが、適切なコンポーネントを選択し、前記選択されたコンポーネント間の接続を構成するようにプログラムされて特定のセンサに適したAFE回路を形成し、前記特定のセンサが前記構成可能AFEに接続されると、前記アプリケーションの実行が開始される、請求項1に記載のシステム。
【請求項3】
前記構成可能AFEの前記コンポーネントのうちの1つ以上がASICとして実装される、請求項2に記載のシステム。
【請求項4】
前記構成可能AFEが、前記スマートデバイスの既存のポートの1つを介して、または前記外部センサアプリケーション専用の新しいポートに接続される外部コンポーネントである、請求項1に記載のシステム。
【請求項5】
前記構成可能AFEが、前記スマートデバイスの内部コンポーネントであり、前記センサは、前記スマートデバイス上の標準ポートのいずれかを介して、またはセンサ専用の新しいポートを介して、前記AFEに接続される、請求項1に記載のシステム。
【請求項6】
電圧、電流、デューティサイクル、および同期のうちの少なくとも1つの範囲を記述する専用ポートおよび汎用プロトコルが提供され、様々なタイプの外部センサが前記プロトコルを満たすように適合される、請求項5に記載のシステム。
【請求項7】
前記構成可能AFEが、以下のバスプロトコル:パラレル、シリアル周辺インターフェース(SPI)、ユニバーサルシリアルバス、および集積回路(I2C)のうちの1つを介してプログラムされる、請求項1に記載のシステム。
【請求項8】
前記システムの前記構成可能AFEが、一方向センサからの信号を受信する、双方向センサから信号を受信し、双方向センサに信号を送信する、または一方向センサと双方向センサの両方から信号を受信し、双方向センサに信号を送る、請求項1に記載のシステム。
【請求項9】
前記一方向センサが、オーディオセンサ、熱センサ、温度センサ、電気化学センサ、および光センサを含む群から選択される、請求項8に記載のシステム。
【請求項10】
前記双方向センサが、超音波センサである、請求項8に記載のシステム。
【請求項11】
前記構成可能AFEが、十分に高い既知の固定周波数であるために前記センサからの入力信号が前記周波数の半分未満となるサンプリングレートを有するADCを含む、請求項1に記載のシステム。
【請求項12】
前記構成可能AFEが、前記AFEに接続された特定のセンサからの信号の周波数の少なくとも2倍に調整することができるサンプリングレートを有するADCを含む、請求項1に記載のシステム。
【請求項13】
前記構成可能AFEのハードウェアコンポーネントの機能の少なくとも一部が、前記スマートデバイス上のアプリケーションプロセッサ内のソフトウェアによって実装される、請求項1に記載のシステム。
【請求項14】
1つ以上のアナログの外部センサに接続可能であり、構成可能な内部アナログフロントエンド(AFE)と、ソフトウェアアプリケーションと、有用なデータを送信および/または受信する少なくとも2つの異なるタイプのセンサの出力を前記AFEに接続することができる少なくとも1つのポートと、を備えるスマートデバイスであって、前記ソフトウェアアプリケーションが、前記構成可能AFEの構成を制御して、前記少なくとも2つのセンサのそれぞれに適したAFE回路を形成する、スマートデバイス。
【請求項15】
アプリケーションプロセッサと、ソフトウェアアプリケーションと、外部センサからデータを読み取るために前記センサに接続することができる少なくとも1つのポートと、を備えるスマートデバイスであって、前記センサが前記ポートに接続されると、前記ソフトウェアアプリケーションが前記センサのタイプを特定し、前記データが、前記アプリケーションプロセッサの一体化部分である構成可能AFEによって処理され、前記スマートデバイスの画面に表示される、スマートデバイス。
【請求項16】
前記ソフトウェアアプリケーションが、センサのタイプを特定し、前記センサに適したAFE回路を形成するように前記構成可能AFEを構成する、請求項15に記載のスマートデバイス。
【請求項17】
前記構成可能AFEの前記ハードウェアコンポーネントの少なくともいくつかが、単一のASIC内の前記スマートデバイスのアプリケーションプロセッサと統合される、請求項15に記載のスマートデバイス。
【請求項18】
前記構成可能AFEのハードウェアコンポーネントの機能の少なくとも一部が、前記アプリケーションプロセッサ内のソフトウェアによって実装される、請求項15に記載のスマートデバイス。
【国際調査報告】