基于MEMS和有限状态机的法珀腔光谱芯片装置及方法与流程

本发明涉及mems光谱传感器，尤其涉及一种基于mems和有限状态机的法珀腔光谱芯片装置及方法。

背景技术：

1、近年来，近红外光谱分析技术发展十分迅速，已在化工，制药，军工，食品等多个领域都获得了应用。近红外光谱技术属于分子光谱技术，可以在分子水平上表明物质成分和性质信息，不论对经济还是社会影响来说，都取得了非常高的效益，极具发展潜力。伴随着便携式近红外光谱技术的发展，市场主流的大型近红外光谱仪设备都朝着体积小巧，价格低廉的便携式方向发展，其中mems(微机电系统micro-electro-mechanical system)技术扮演了重要角色。

2、目前最常见的微型化近红外光谱仪是基于fabry-perot(法珀腔)干涉可调滤波芯片的，mems法珀腔芯片的光学原理是基于法布里-珀罗干涉原理，通过半导体集成电路工艺制成的分光芯片，以不同电压驱动芯片，获得不同窄带光谱。

3、目前一般的法珀腔光谱芯片封装后输出为模拟量，需要配合大量外围电路和控制器才能获取到可读数据，集成度较低；同时，在一些需要快速通过光谱分析获取判定结果的简单检测场景，此类芯片还需要配合上位机系统或者云平台才能发挥其功能。

技术实现思路

1、本发明的目的就在于为了解决上述问题而提供一种基于mems和有限状态机的法珀腔光谱芯片装置及方法，本发明通过将现有法珀腔光谱芯片通过mems封装技术进行进一步集成封装，将现有的模拟输出信息转化为数字化信息输出，同时通过设计硬件化的有限状态机，为高频率、低时延的简单检测场景提供解决方案，同时提供硬件配置接口，以使得芯片装置在进一步系统级应用过程中以不同的模式工作。

2、本发明通过以下技术方案来实现上述目的：

3、一种基于mems和有限状态机的法珀腔光谱芯片装置，包括法珀腔光谱芯片，所述法珀腔光谱芯片与高精度a/d转换器连接，所述高精度a/d转换器与alu运算逻辑单元连接，所述高精度a/d转换器用于将模拟电信号转换为数字化的信息输入alu运算逻辑单元，所述alu运算逻辑单元用于进行原始传感数据转换运算和状态机运算，所述alu运算逻辑单元与寄存器连接，所述寄存器用于存储有限状态机配置信息及在数据输出过程中提供数据缓存功能。

4、进一步方案为，所述法珀腔光谱芯片与高精度a/d转换器、alu运算逻辑单元和寄存器进行封装，用于传感器装置的数字化，并内置了硬件有限状态机。

5、进一步方案为，封装之后的模块还包括接口引脚，接口引脚为vdd、vdd_io、gnd、cs、scl、sda；其中vdd为电源输入接口引脚，vdd_io为数据输入输出电源接口引脚，gnd为接地引脚，cs为芯片装置模式配置引脚，scl为串行数据时钟接口，sda为串行数据输入输出接口。

6、本发明另一方面还提供了一种基于mems和有限状态机的法珀腔光谱芯片装置的运行方法，包括以下步骤：

7、步骤1，对完成整体封装的芯片装置通过cs接口引脚切换工作模式为状态机配置模式；

8、步骤2，通过sda接口引脚传输有限状态机配置命令，包括状态序号、运算函数、运算符、基准值和跳转状态；

9、步骤3，完成状态机配置后，通过cs接口引脚将芯片装置切换为有限状态机启用模式进行工作，此模式下sda接口根据状态机模型输出检测结果状态；

10、步骤4，光谱传感器芯片装置在有限状态机模式下，还可以切换至级联输出模式、普通输出模式，为物联网系统应用提供便捷的集成方式。

11、进一步方案为，所述步骤1中，状态机配置模式为整个芯片装置在电路中完成集成安装，同时提供驱动电压到vdd和vdd_io接口；并通过对cs接口引脚写入配置命令来使此芯片装置工作于状态机配置模式下。

12、进一步方案为，所述步骤2中，有限状态机配置命令协议包括状态序号(当前状态)、运算函数、运算符(＝、≧、≦、≠、<、>、与、或、非)、基准值(可支持整数、浮点数)和跳转状态(下一状态，包含运算后为“是”和“否”的两种目的状态序号)，本芯片装置提供16条状态命令存储，用户在配置过程中需要配置恰当的结束状态，以免陷入状态逻辑死循环。

13、进一步方案为，所述步骤3中，芯片装置处于有限状态机启用模式，其在集成化系统中运行，由系统为其供电，同时读取其产生的数据信息；在此模式下，输出为状态机最终状态，可以便捷的对当前光谱检测场景提供检测测试结果。

14、进一步方案为，所述步骤4中，其中级联输出模式可以在此芯片装置后再接其他外部传感器芯片，输出状态为布尔逻辑(true/false)；普通输出模式输出为原始光谱数据，需要外部辅助主控装置(auxiliary host)将数据进行读取和处理应用。

15、本发明的有益效果在于：

16、本发明的一种基于mems和有限状态机的法珀腔光谱芯片装置及方法，通过使用mems封装技术对法珀腔光谱芯片进行进一步的集成封装，通过加入有限状态机方法和配置协议，为高频率、低时延的简单检测场景提供解决方案；此外，灵活的多工作模式可以使此芯片装置应用于更广泛的物联网近红外光谱检测场景，提升核心模块的集成度和整体系统的效率。

技术特征：

1.一种基于mems和有限状态机的法珀腔光谱芯片装置，其特征在于，包括法珀腔光谱芯片，所述法珀腔光谱芯片与高精度a/d转换器连接，所述高精度a/d转换器与alu运算逻辑单元连接，所述高精度a/d转换器用于将模拟电信号转换为数字化的信息输入alu运算逻辑单元，所述alu运算逻辑单元用于进行原始传感数据转换运算和状态机运算，所述alu运算逻辑单元与寄存器连接，所述寄存器用于存储有限状态机配置信息及在数据输出过程中提供数据缓存功能。

2.如权利要求1所述的一种基于mems和有限状态机的法珀腔光谱芯片装置，其特征在于，所述法珀腔光谱芯片与高精度a/d转换器、alu运算逻辑单元和寄存器进行封装，用于传感器装置的数字化，并内置了硬件有限状态机。

3.如权利要求1所述的一种基于mems和有限状态机的法珀腔光谱芯片装置，其特征在于，封装之后的模块还包括接口引脚，接口引脚为vdd、vdd_io、gnd、cs、scl、sda；其中vdd为电源输入接口引脚，vdd_io为数据输入输出电源接口引脚，gnd为接地引脚，cs为芯片装置模式配置引脚，scl为串行数据时钟接口，sda为串行数据输入输出接口。

4.如权利要求1-3任一项所述的一种基于mems和有限状态机的法珀腔光谱芯片装置的运行方法，其特征在于，包括以下步骤：

5.如权利要求1所述的一种基于mems和有限状态机的法珀腔光谱芯片装置的运行方法，其特征在于，所述步骤1中，状态机配置模式为整个芯片装置在电路中完成集成安装，同时提供驱动电压到vdd和vdd_io接口；并通过对cs接口引脚写入配置命令来使此芯片装置工作于状态机配置模式下。

6.如权利要求1所述的一种基于mems和有限状态机的法珀腔光谱芯片装置的运行方法，其特征在于，所述步骤2中，有限状态机配置命令协议包括状态序号(当前状态)、运算函数、运算符、基准值和跳转状态。

7.如权利要求1所述的一种基于mems和有限状态机的法珀腔光谱芯片装置及的运行方法，其特征在于，所述步骤3中，芯片装置处于有限状态机启用模式，其在集成化系统中运行，由系统为其供电，同时读取其产生的数据信息；在此模式下，输出为状态机最终状态。

8.如权利要求1所述的一种基于mems和有限状态机的法珀腔光谱芯片装置的运行方法，其特征在于，所述步骤4中，其中级联输出模式可以在此芯片装置后再接其他外部传感器芯片，输出状态为布尔逻辑；普通输出模式输出为原始光谱数据。

技术总结本发明公开了一种基于MEMS和有限状态机的法珀腔光谱芯片装置及方法，通过使用MEMS封装技术对法珀腔光谱芯片进行进一步的集成封装，通过加入有限状态机方法和配置协议，为高频率、低时延的简单检测场景提供解决方案；此外，灵活的多工作模式可以使此芯片装置应用于更广泛的物联网近红外光谱检测场景，提升核心模块的集成度和整体系统的效率。技术研发人员：何涛,夏维高,罗弘亮,蔡利受保护的技术使用者：四川启睿克科技有限公司技术研发日：技术公布日：2024/1/15