(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。
2019522204.tif 000002
【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Ｉ２Ｃ（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ＣＯ２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】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【手続補正書】
【提出日】平成29年8月31日(2017.8.31)
【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】
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