电子转换器、 包括这种转换器的时计以及双向通信方法 本发明涉及一种用于将声信号转换成伪数字信号、尤其用于控制处理器的电子转换器，还涉及一种含有这种转换器的时计。本发明还涉及一种在发射器和接收器之间借助声波的双向通信方法。
一种处理个人数据的系统可以从Biometrics Inc的美国专利No.5848027中了解到。这种系统例如允许监测运动员、例如赛跑运动员的成绩。它允许记录下每圈时间的日期和时间，甚至是运动员到达的最终时间。系统还允许存储某些生理参数的数值，如心节律或心电图(ECG)，它们可以反应出运动员在他的运动活动中作出的努力。所有这些信息都将借助声连接发射到个人计算机上，信息将在这里进行处理、分析并最终显示在该计算机的屏幕上。
本专利申请的附图1显示了上述生物计量系统的优选实施例。此系统包括一个能够存储数据并随后发射数据的便携式物体，如一个时计1，例如一个数字显示手表，这些数据可以以声波“嘟嘟”的形式，发射到个人计算机2上，产生一个声压4，声压4将由麦克风6拾取。时计可以是任意类型的数字装置，数字装置由一个微处理器控制，包括一个能够为数据传输产生声音“嘟嘟”的压电元件。个人计算机2安装有声卡8，声卡8通过一个电缆10与麦克风6相连。这样计算机就能够拾取由时计1发射地声音“嘟嘟”产生的声压4。上述计算机2还可以安装有显示屏2。
如本申请的图2所示，时计1包括一个内部微处理器14，它提供上述时计1的时间基准。微处理器14还可以控制一个与一个内部随机存取存储器协同工作的存储程序16。而且，压电元件18能够在输出端产生预先选定的音调。因此，压电元件18用于产生与由大多数安装有闹钟的数字手表中的声音发生设备产生的声音相类似的声音“嘟嘟”。
上述生物计量系统有利地允许将个人数据存储在手表中，然后将这些数据通过声波发射到计算机上，在那里进行处理和分析。但这个系统不是双向的。因此不能从计算机向手表传输数据，这在很大程度上限制了生物计量系统的可能应用。
另外，Seikosha、Tokyo(JP)的瑞士专利No.641625也是公知的，它公开了一种驱动压电振荡器的电路。
本专利申请的附图3和附图4分别通过电路图和电压随时间演变的图表显示了压电振荡器的常规驱动电路的构造和操作模式。
如图3所示的电路包括一个线圈L1，它连接到晶体管TR1的输出端，该输出端交替为“ON”和“OFF”。一个压电振荡器P1与线圈L1并联连接。该电路在连接输入端“a”接收一个方波脉冲控制信号，此信号与图4中曲线A所示的相对应，其横坐标代表时间“t”，纵坐标代表电压“v”。将这个信号从输入端“a”通过电阻器R加上到晶体管TR1的基极上。在控制信号脉冲保持晶体管TR1为“ON”时，电流从直流电压源+E流过线圈L1，而压电振荡器L1的接头“b”则连接到电路的地线，与图4中曲线B所示的相对应(其横坐标代表时间“t”，纵坐标代表电压“v”)。
要注意的是，只要晶体管TR1为“ON”，就没有电流流经压电振荡器P1。后者实际上就像一个电容器一样。电容器提供的电流“i”与乘积C*dE/dt相等，其中C是电容器的电容值，E是加在它两端的电压。在这种情况下，由于E是一个直流电压，所以它对时间的导数为零，流经压电振荡器P1的电流也是零。还要注意的是，线圈L1两端的电压“v”是由等式v=-L*di/dt=E确定的，其中L是该线圈L1的电感值，“i”是流经线圈的电流。因此，乘积L*di/dt是一个常量，这表示只要晶体管TR1保持为“ON”，线圈L1中流动的电流就会线性增长。
在晶体管TR1在波形A中每个脉冲的下降沿进入“OFF”状态时，线圈中积聚的所有能量都传送到压电振荡器的两端，以比电源电压高得多的电压向后者反向充电。由图4中的波形B可以看出，此振荡电压具先有第一个大振幅的正脉冲，跟着是第二个衰减很快的负脉冲。衰减很快是因为这个事实：连接到晶体管TR1集电极的连接点“b”处的电压在负脉冲期间不能超过构成此集电极的P-N二极管的闭锁电压，闭锁电压的值通常为0.6伏左右。这样，使压电振荡器P1工作的有效电能只是由持续时间的初始脉冲提供的，所以很难得到上述振荡器P1的高激励。这就是为什么会遇到不能得到足够高的声压电平的缺陷的原因。
本专利申请的附图5和附图6显示了由Seikosha提供的对上述问题的解决方法。图5是表示一个构成Seikosha发明的一个实施例的压电振荡器的电子驱动电路的示意图。图6是在图5电路中的两处的电压随时间变化的图表。
如图5所示的电路包括一个线圈L2和一个二极管D，二极管D串连在晶体管TR2的输出端上。压电振荡器P2并联在这个串联连接上。
在晶体管TR2在方波控制信号(如图6曲线A所示)每个脉冲的下降沿进入“OFF”状态时，线圈L2上感应电压，并通过在导电方向上保持极化的二极管D加到压电振荡器P2的两端(如图6曲线B所示)。然后，由于在线圈L2中的反向电压脉冲开始时二极管D在不导电的方向上被极化并阻碍了电流的返回，所以振荡器P2两端的电压在最大值保持闭锁。通过比较图4和图6中的电压电平B可以看出，提供给压电振荡器P2的能量要比现有技术中提供给压电振荡器P1的能量要多得多。
因此，Seikosha发明允许在声压电平上有很大提高。但是，本发明不建议使用压电振荡器来接收和数字化声波波列。
本发明的目的是，通过提供一种将声信号转换成用于以声波传感器的方式操作压电振荡器的驱动电路的伪数字信号、并将这些声波波列转换成数字脉冲的电子转换器，克服上述问题和缺陷以及其他方面。
依据第一个方面，本发明涉及一种声音发生器电路的使用，该电路包括一个作为声波接收器的压电振荡器。
依据本发明的一个互补特征，声音发生器电路包括切换装置，用来在接收到控制信号时切换开和关，还包括一个电路分支，其中线圈和二极管串联安装，电阻和压电振荡器并联连接在所述电路分支上。
这些特征的结果是，能够把一个电路当作声波接收器使用，该电路本来只是设计用来驱动压电振荡器的，压电振荡器在安装有闹钟设备的电子手表中用作声音发生器。不用改动振荡器驱动电路就可以实现此目标，这意味着在制造成本方面可以做出巨大的节约，并能提供一个可靠的、紧凑的电路。
依据第二个方面，本发明涉及一种将声信号转换成伪数字信号的电子转换器，所述电子转换器包括一个声音发生器电路，它带有压电振荡器和提供基准电压的装置，其特征在于，它还包括比较装置，用于在压电振荡器拾取声波时比较基准电压和压电振荡器产生的电压，在所述振荡器产生的电压超出所述基准电压时，所述比较装置产生伪数字信号。
这些特征的结果是：不仅能够产生声音，而且能够拾取声音并转换成可以用来控制一个微处理器的逻辑电压。因此使设想在两个远距离物体之间、例如两个手表或一个手表和一个计算机之间只采用压电振荡器驱动电路加上比较电路以声波交换所有类型的数据成为可能。这样就得到了一种借助声波的双向通信系统，它比目前已知的例如借助红外线或射频的无线通信系统要简单、紧凑的多。
本发明还涉及一种含有上述转换器电路的时计。
本发明最后涉及一种借助于发射器装置和接收器装置之间的声波的双向通信方法，这两个装置中的每一个都包括一个微处理器和一个电子转换器，所述转换器包括一个声音发生器电路，该电路带有压电振荡器和提供基准电压的装置，该方法的特征在于：
-声音发生器电路包括切换装置，用来在接收到一个脉冲控制信号时切换开和关；
-电子转换器还包括比较装置，比较装置在压电振荡器拾取声波时比较基准电压和压电振荡器产生的电压，这些比较装置在所述振荡器产生的电压超出基准电压时产生由逻辑脉冲序列形成的伪数字信号；
-只要发射器和接收器空闲，接收器的微处理器就等待声音信号；
-一旦发射器发送出了一系列连续声波“嘟嘟”中的第一个，接收器的微处理器就会命令时间计数器启动，开始对比较装置产生的逻辑脉冲的数目进行计数，所以所述微处理器能够计算出在一给定时间间隔内接收到的脉冲数目，并通过读计数器来判定逻辑电平是“0”还是“1”。
依据本发明的互补特征，该方法的特征在于：每个“0”或“1”逻辑电平对应于一个长的“嘟嘟”声或一个短的“嘟嘟”声，两个连续的声波“嘟嘟”由发射器不发射的无声期间隔。
通过阅读以下对依据本发明的电子转换器的实施例的详细说明，本发明的其他特征和优点变得更加清楚，这个例子是通过非限制性的说明结合附图给出的，其中：
-图1已经被引用过，它显示了一种能够存储个人数据、然后将这些数据经由声音链路发射给计算机的时计；
-图2已经被引用过，它是图1中所示时计的框图示意图，包括一个数据处理程序以及存储和发射所述数据的装置；
-图3和图4已经被引用过，它们分别通过电路图和电压作为时间函数的图表显示了压电振荡器的驱动电路的第一个实施例的构造和操作模式；
-图5已经被引用过，它显示了压电振荡器的驱动电路的第二个实施例的示意图；
-图6已经被引用过，它是图5电路的两个位置处的电压电平作为时间函数的示意图；
-图7显示了依据本发明用于将声信号转换成伪数字信号的电路的电路图；
-图8显示了图7电路中两个位置处的电压电平随时间变化的示意图；
-图9显示了在该电路用作声波接收器时图7电路中两个位置处的电压电平随时间的变化；
-图10显示了依据本发明的两个转换器电路的电路图，将它们并排放置是为了确定由这两个转换器构成的声音系统的频率转换功能；
-图11是图10中系统的频率转换功能的一个图形示意图；
-图12是两个借助声波互相交换数据的电子手表的原理图；
-图13A和13B分别显示了由发射手表发射的声音信号的包络线，以及加到所述手表的切换晶体管上的方波脉冲控制电压；
-图14显示了接收手表中的压电振荡器连接点和模数转换器输出端的电压电平；
-图15是FSK调制编码原理的示意图。
本发明从一般的发明构思开始发展，该构思在于使用压电振荡器作为声波接收器，它通常在含有闹钟设备的电子手表中用作声音发生器。本发明还在于将所述压电振荡器连接到电子比较器的两端，电子比较器在其输出端产生一个表示由振荡器拾取的入射声信号的伪数字信号，并允许例如控制微处理器的各项功能。
图7显示了依据本发明的电子转换器，它由通用标号20指定为一个整体。由图7可以清楚地看出，上述电子转换器20是由一个压电振荡器P3的驱动电路22和一个比较电路24的组合构成的，其各自的操作原理将在下文中介绍。
压电振荡器P3的驱动电路22包括一个电路分支，其中线圈L3和二极管D3串联安装，电阻R′和压电振荡器P3并联连接在电路分支中。
因为已经在本专利申请的技术背景部分中详细分析了驱动电路22的操作模式，所以这里只简单回顾其主要特点。驱动电路22在输入端“a”接收方波脉冲控制信号“v”(如图8曲线A所示)。这个空制信号通过电阻R加到晶体管TR3的基极。当晶体管TR3由控制脉冲切换到“ON”’时，由直流电压源+E提供的电流流过线圈L3，压电振荡器P3的连接端“b”连接到驱动电路22的地线。当晶体管TR3在每个控制脉冲的下降沿进入“OFF”状态时，线圈L3里积聚的所有能量都传送到压电振荡器的两端，以比电源电压+E高得多的电压“v”(如图8曲线B所示)向后者充电。当振荡器P3依次开始放电时，二极管D3阻碍了电流的返回。供应到所述振荡器的能量因而非常巨大。要注意的是，在两个连续脉冲控制信号之间，压电振荡器P3可能通过电阻R′部分放电。这样，当不再有控制信号加到晶体管TR3时，后者就会处于“OFF”状态，振荡器P3两端的电压会逐渐回到它的空闲数值+E。
现在来检验比较电路24的操作。这包括在图7所示的例子中，由模拟-数字比较器COMP构成的装置。比较器COMP的一个输入端连接一个提供基准电压的装置。通过非限制性的例子，比较器COMP的第一个输入连接在直流电压源+E的连接点“c”上，所述比较器COMP的另一个输入连接在驱动电路22的输出点“b”上，也就是压电振荡器P3和晶体管TR3之间的连接点上。如上面指出的一样，没有任何控制信号加在晶体管TR3基极的情况下，振荡器P3处于空闲状态，两端的电压与电源电压+E相等(如图9曲线B所示)。在这些情况中，依据本发明的第一个方面，压电振荡器P3不再用作声音发生器，但是可以用作声波接收器。在入射声音信号的影响下，振荡器P3两端的电压将开始向空闲电压+E的任一方振动，如图9的曲线B所示。可以理解，在压电振荡器P3中由入射声波产生的能量能够在线圈L3中散失，这样能量在所述振荡器P3的两端就不再有了，这将导致与比较器COMP相连的连接点“b”处的低电压电平，并达到较高的噪声敏感性。但是，与线圈L3串联安装的二极管D3具有高阻抗的优点，这一点相当于开路，因此可以防止振荡器P3放电。比较器COMP于是将所述振荡器P3产生的电压与基准电压相比较，其中基准电压是驱动电路22的电源电压+E。每次在压电振荡器P3产生的电压超出电压+E时，比较器COMP就会在输出端“d”产生一个脉冲信号(如图9曲线D所示)。因此，作为本发明的结果，通过使用压电振荡器的常规驱动电路，并通过将模拟-数字转换器简单地连接到所述电路的两端，使声信号转换成伪数字信号成为可能。然后用伪数字信号来控制微处理器MP，这一点将在下文中详细介绍。要注意的是，如图9曲线D所示，比较器COMP具有一个在其正电源电压+E和负电源电压之间变化的输出电位，负电源电压也就是依据本发明的转换器电路20的地。
图10显示了相距距离“d”放置的两个相同的转换器电路20。这些转换器电路20中的一个用作声音发生器(也可以说成是工作在大功率扬声器模式HP下)，而另一个转换器电路20则用作声音接收器(也可以说成是工作在麦克风模式MIC下)。方波脉冲控制信号Vcc应用到转换器电路HP中晶体管TR3的基极上。转换器电路MIC一定要是完全无源的。电路MIC中的晶体管TR3一定要处于“OFF”状态，也就是说，一定没有电压加在其基极上。可以很容易地理解，通过改变加在电路HP的晶体管TR3上的控制信号Vcc的频率“f”，电路产生的声音频率也会变化。同时，电路MIC中的压电振荡器P3对HP电路产生的声信号的响应可以通过电压表V来测量。这样就得到了(参见图11)依据本发明的两个转换器电路对给定距离“d”和控制电压Vcc的频率-传输特性，其中一个电路发射声音信号(转换器电路HP)，另一个电路接收这个声音信号(转换器电路MIC)。应该注意的是，这样得到的测量不仅考虑电路MIC的传输特性(可以在响应频率的测量期间得到)，还考虑电路HP以及由元件二极管D3、晶体管TR3和线圈L3构成的放大器的传输特性。还应该注意的是，传输特性很大程度上依赖于电路MIC和HP中使用的压电振荡器的特性。
通过检验图11可以看出，由两个电路HP和MIC形成的系统响应在加到电路HP的晶体管TR3的控制信号Vcc的频率f为2.4kHZ左右时是最优的。在此频率上，电路MIC的压电振荡器P3在连接点“b”产生的电压约为30mV。另一方面，要注意的是：对1mV的电压，系统HP/MIC的传输带宽大约为△f=1kHz。这些结果是从不同的参数的如下数值得到的：
-两个电路HP和MIC之间的距离“d”接近于零；
-控制电压Vcc=3V；
-压电振荡器P3的电容约为10nF；以及
-线圈L3的电感约为50mH。
图12显示了两个电子手表26和28，每个手表都安装有一个依据本发明的转换器电路20，这两个手表26和28中的任何一个都能够拾取由另一个手表发出的声波“嘟嘟”产生的声压30。不用说，这只是用图解方法给出的两个手表的例子，它可以是由微处理器控制的任意一种类型的数字装置，含有一个能够产生和拾取声音的压电元件。
让我们假设，例如，手表26作为一个声音发生器工作，并产生(参见图13A)一列声波，包括长“嘟嘟”32以及后面跟着的两个短“嘟嘟”34和36。为了产生这种声波波列，必须将图13B所示的方波脉冲控制信号加到发射器手表26中的晶体管TR3的基极上。
例如可以将脉冲控制信号的频率选择为与等于2kHz，也就是，一个接近最佳频率的数值，最佳频率是由两个发射器和接收器手表26和28的传输特性决定的。通过发射器手表26的微处理器MP，将脉冲控制信号加到发射器手表26中晶体管TR3的基极上。发射器手表26包括由一个石英振荡器(图中未示出)提供的时基，石英振荡器一般在32kHz的频率下振荡。为了得到想要的2kHz的频率，可以使用分频链，它将石英振荡器的振荡频率除以16。也可以将发射器手表26的微处理器MP编程为使得每次在所述微处理器MP计数到由石英振荡器提供的16个脉冲时则命令将加在所述发射器手表26中晶体管TR3的基极上的控制信号的极性反转。
接收器手表28中转换器电路20的响应如图14所示。可以看出，在发射器手表26产生的声波波列的影响下，接收器手表28的压电振荡器P3的连接点“b”的电压开始向电源电压+E的任一方振荡(如图14曲线B所示)。上文中已经阐明，每次压电振荡器P3产生的电压超出空闲电压+E时，接收器手表28的比较器COMP就会在输出端“d”产生一个脉冲信号(如图14曲线D所示)。发射器手表26产生的声波就这样被转换成了伪数字信号，伪数字信号能够控制接收器手表28的微处理器MP，这一点将在下文中介绍。要注意的是，接收器手表28中比较器COMP产生的脉冲信号，与加到发射器手表26中晶体管TR3上的脉冲控制信号具有类似的形状，除了由标号38表示的寄生峰值之外，在所述接收器手表28的压电振荡器P3拾取的环境噪声的影响下，寄生峰值可以出现在两个连续声波“嘟嘟”之间。
只要发射器手表26/接收器手表28系统是空闲的，接收器手表28的微处理器MP就保持为备用状态。一旦发射器手表26发出第一个“嘟嘟”声音，接收器手表28的微处理器MP就会命令时间计数器开始。它同时对由比较器COMP产生的逻辑脉冲计数，并通过读计数器判定出是逻辑电平“0”还是“1”。
举例来说，让我们假设长“嘟嘟”声的持续时间为100ms，而短“嘟嘟”声的持续时间为20ms。由于来自发射器手表26中晶体管TR3的脉冲控制信号的频率为2kHz，所以接收器手表28中比较器COMP会响应长“嘟嘟”声产生200个脉冲，响应短“嘟嘟”声产生40个脉冲。还是举例来说，让我们假设长“嘟嘟”对应逻辑“1”，而短“嘟嘟”对应逻辑“0”。要注意的是，在接收器手表28中比较器COMP的输出端，在每次从“0”到“1”或从“1”到“0”的转换中出现的寄生信号，必须要在微处理器MP的输入端进行滤波，例如通过数字滤波的方法。这样，在前20毫秒之后，接收器手表28的微处理器MP已经记录下40个脉冲。这样就定义了一个所谓的“无声”期，它的持续时间可例如以是10ms。无声期允许连续发送到微处理器MP的逻辑电平“0”和“1”明显分开，并对应着发射器手表26不发出任何“嘟嘟”声的时间段。接收器手表28的微处理器MP就不再记录任何脉冲，或只是由接收器手表28中压电振荡器P3拾取的周围噪音引起的一些随机数目的脉冲。因此，如果在发送了四十个脉冲的前20毫秒之后，跟随着一个10ms的无声期，接收器手表28的微处理器MP就将推出它为逻辑“0”。反之，如果在前20ms中微处理器MP接收到了四十个附加脉冲，就会推出它不是逻辑“0”，并将继续为以后形成逻辑“1”所需的脉冲保持备用。要注意的是，在向微处理器MP传送脉冲时可以接受一定量的容限。例如，在100ms中传送200个脉冲加或减10个脉冲、跟着10ms的无声对应于逻辑“1”。
在上述例子中，长“嘟嘟”的持续时间为100ms，短“嘟嘟”的为20ms，间隔两个连续“嘟嘟”的无声期的持续时间为10ms。一个简单的统计分析允许推导出：发射器手表26和接收器手表28之间的数据流率为大约10比特/秒。当然，可以理解，对于不同“嘟嘟”声的持续时间，可以得到比10比特/秒要大得多的数据流传输率。
从前文中可以看出，作为本发明的结果，可以将第一个物体产生的“嘟嘟”声转换成能够控制与第一个物体相距一段距离的第二个物体的微处理器的逻辑电平“0”和“1”。这种数据传输可以发生在例如两个电子手表之间或甚至在一个手表和一个计算机之间。这种系统的应用例子涉及到手表的时间设定。手表的佩戴者将自身与所述手表制造商的因特网站点相连，并激活此站点提供的时间设定函数。然后安装有声卡的计算机会发射一连续的“嘟嘟”声，它们对应于手表上安装的微处理器所能理解的许多逻辑电平“0”和“1”，使得后者能够指挥手表的时间设定。反之，也可以设想从手表向计算机传输数据。这可以是在手表内存中保存的代码，它允许自由参与在手表制造商因特网站点上组织的有奖幸运绘图。也可以在两个手表之间交换任何类型的个人或其他数据。
最后，将再次通过举例来描述将声信号转换成能够控制微处理器的功能的伪数字数据的第二种模式。它涉及到移频键控(“FSK”)编码，如图15所示。在这种情况下，声音脉冲的持续时间是固定的，例如等于100ms，变化的是加在发射器手表26中晶体管TR3的基极上的控制信号的频率。例如，1.5kHz的频率对应着逻辑“0”，而2.5kHz的频率对应着逻辑“1”。接收器手表28的微处理器MP会计数出每100ms接收到的脉冲数目，并推出它是逻辑“0”还是逻辑“1”。移频键控编码的优点之一是两个连续的数据位不用无声期分开。
不用说，本发明不局限于上述实施例，在不超出本发明范围的情况下，对本发明可以设想多种改动和变化。