CN101189794B - 位移检测设备及包含位移检测设备的便携式设备 - Google Patents

Abstract

一种数字高通滤波器(12)具有输入端(IN)、输出端(OUT)和减法器级(20)，其具有第一输入端子、第二输入端子和输出端子。减法器级(20)的第一输入端子被连接到数字高通滤波器(12)的输入端(IN)并且输出端子被连接到所述数字高通滤波器(12)的输出端(OUT)。递归电路分支(21)被连接在所述数字高通滤波器(12)的输出端(OUT)和所述减法器级(20)的第二输入端子之间。在递归电路分支(21)内级联累加级(23)，其由积分电路和除法器级(24)构成。数字高通滤波器(12)的截止频率(ft)是依照除法器级(24)的除法因子(den)可变的。

Description

位移检测设备及包含位移检测设备的便携式设备

技术领域

本发明涉及一种数字高通滤波器，特别是用在用于检测便携式设备位移的位移检测设备中，将显式地参考以下描述，而这不意味着失去通用性。

背景技术

如所知道的那样，近几年，随着便携式设备(诸如膝上型计算机、PDA-个人数据助手，数字音频播放器、移动电话、数字照相机等)的增加使用，简化所述设备的使用以及特别是它们用户接口的使用的需要增加了。在这方面，特别感兴趣的是已经证明利用由用户所进行的简单移动来激活便携式设备中给定功能或程序的可能性。例如考虑通过简单地使移动电话倾斜或在将要滚动列表或电话簿的方向上使之移动来在移动电话的选项列表或电话簿内导航，或者考虑通过简单地修改PDA的倾斜角来使图像在PDA上的显示相适应的可能性。

从而在一些便携式设备中，已经建议引入位移检测设备，其能够在检测到由用户所给予的移动之后激活功能或程序。

已知类型的位移检测设备通常包括加速度传感器，用于检测沿着一个或多个检测方向作用于相应便携式设备的加速度，并且产生相应的电信号。被连接到加速度传感器的适当处理电路处理这样产生的加速度信号，并且特别把它们与预置的加速度阈值相比较。特别地是，超过某一加速度阈值表明便携式设备已经在相应方向上产生位移。

然而由于重力加速度的原因，在不存在由用户对便携式设备施加加速度的情况下，加速度传感器也有非零输出。此外，因为沿着检测方向的重力加速度的分量每次是不同的，所以依照便携式设备的静止位置由唯一重力加速度所产生的加速度信号具有不同的值。从而，在存在对便携式设备施加加速度的情况下，加速度信号超过加速度阈值取决于所述便携式设备的初始位置(并且特别是取决于其方向)。这导致依照由用户所选便携式设备的初始静止位置、例如在用右手用户和用左手用户之间改变的位置以及在依照各个用户偏好的任何情况下操作的不一致。

为了解决以上问题，在于2004年12月1日以本申请人名义提交的意大利专利申请号TO2004A000847中，提出了使用高通滤波器，所述高通滤波器布置在加速度传感器和相应的处理电路之间。高通滤波器消除了与重力加速度的有关的加速度信号的连续分量，以便独立于便携式设备的初始位置来进行位移检测。

如所知道的那样，数字高通滤波器通常用FIR(Finite ImpulseResponse有限脉冲响应)或IIR(Infinite Impulse Response无限脉冲响应)结构构成。然而为了在不改变用于表示所要检测位移的频率分量的情况下(频率分量在缓慢移动的情况下可能是低频分量或者在快速移动的情况下是高频分量)有效地减少加速度信号的连续分量，高通滤波器必须具有例如长于100ms的长时间常数和高阶。由于FIR或IIR过滤器设想重复同一个电路结构多次，所述次数等于过滤器的阶数，并且存储再次等于所述过滤器阶数的常数数目，所以这些特性导致电路相当复杂从而严重地使用资源。特别地是在经由ASIC(专用集成电路)的硬件实现情况下，硅面积占用和存储器占用可能过多地超出了确定的过滤器阶数(主要是在便携式应用的情况下)。作为替代在经由例如存储于微控制器或DSP(数字信号处理器)中固件的软件实现情况下，只是为了过滤器能够执行就必须选择非常昂贵的组件并且使用所有或大部分系统资源。

另外在常规类型的数字过滤器中，不易改变截止频率，可能作为替代在所描述的用于检测便携式设备位移的申请中是极其有用的。实际上，为了检测用户的缓慢移动，优选选择足够低的截止频率，使得相应加速度信号的低频分量具有足以被检测的幅度。作为替代，优选如果用户移动较快那么选择较高的截止频率，以便截止低频分量并且在任何情况下准确地检测与用户所进行移动有关的信号分量。

发明内容

从而本发明的目的是提供一种数字高通滤波器，其能够克服上面所提及的问题和缺点并且特别是具有长时间常数，易于被配置，并且同时使得减少了资源的使用。

依照本发明，提供了一种用于便携式装置的位移检测设备，包括：加速度传感器，用于产生对应于第一检测轴的第一加速度信号；和位移检测电路，被连接到所述加速度传感器并且产生第一位移检测信号，所述位移检测电路具有第一高通滤波装置，其被配置为减少所述第一加速度信号的连续分量；其中所述第一高通滤波装置包括数字高通滤波器，所述数字高通滤波器具有：输入端；输出端；减法器级，具有第一输入端子和第二输入端子和输出端子，所述第一输入端子被连接到所述数字高通滤波器的所述输入端并且所述输出端子被连接到所述数字高通滤波器的所述输出端；和耦合在所述数字高通滤波器的所述输出端和所述减法器级的所述第二输入端子之间的递归电路分支，所述递归电路分支包括彼此级联的累加级和除法器级。该位移检测设备的特征在于所述位移检测电路进一步包括被耦合到所述数字高通滤波器的截止频率修改装置，用于调节所述数字高通滤波器的截止频率；所述截止频率修改装置改变所述除法器级的除法因子。

依照本发明，此外提供了一种包含上述位移检测设备的便携式设备，所述便携式设备在包括膝上型计算机、PDA、音频播放器、移动电话、照相机和摄像机的组中选择。

附图说明

为了更好地理解本发明，现在纯粹地通过非限制性例子并且参考附图来描述其优选实施例，其中：

图1依照本发明一个实施例示出了用于并入位移检测设备的便携式设备的框图；

图2示出了图1的位移检测设备的处理电路的电路框图；

图3示出了在图2的处理电路中数字高通滤波器的可能的电路实施例；

图4示出了在存在方形波输入信号的情况下数字高通滤波器的时间响应；

图5示出了图3的数字高通滤波器的积分器块的可能的电路实施例；

图6示出了图3的数字高通滤波器的积分器块的候选电路实施例；

图7a-7b和8a-8b示出了对于可变除法因子的两个不同值来说数字高通滤波器的幅度和相位响应的图；和

图9依照本发明进一步实施例示出了用于并入位移检测设备的便携式设备的框图；

具体实施方式

图1是装备有位移检测设备2和微处理器3的便携式设备1的示意图，所述微处理器3被连接到所述位移检测设备2并且被配置为控制所述便携式设备1的一般操作。位移检测设备2包括线型的加速计4和被连接到所述加速计4的处理电路5。特别地是，处理电路5用ASIC来制造并且在优选为硅的半导体材料的单芯片6内与加速计4一起集成。

加速计4具有已知的类型，特别是由使用半导体技术制作的MEMS(Micro-Electro-Mechanical System微电机系统)器件构成，具有三个检测轴x、y和z，并且产生三个加速度信号A_x、A_y、A_z(也参见图2)，每个加速度信号与沿着各自的检测轴所检测的加速度相关。例如，可以如B.Vigna等人的“3-axis Digital Output Accelerometerfor Future Automotive Applications”中所述来制作加速计4，AMAA2004。

简单地说，处理电路5在输入端接收加速度信号A_x、A_y、A_z，执行适当的处理操作，并且在输出端提供对应于便携式设备与参考位置的位移的逻辑信号。微处理器3接收所述逻辑信号并且据此重构便携式设备1的位移方向，以便激活所述便携式设备1中的相应功能或程序。

在详细的图2中，处理电路5对于每个加速度信号A_x、A_y、A_z来说包括阈值比较器10、数字高通滤波器12(以下将详细描述)、启用级13和调整级14，所述数字高通滤波器12在输入端从加速计4接收各自的加速度信号A_x、A_y、A_z。处理电路5进一步包括用于存储加速度阈值A_th的第一寄存器15，所述加速度阈值A_th可以由用户在外面设置。

阈值比较器10具有被连接到第一寄存器15的第一输入端、被连接到数字高通滤波器12的输出端的第二输入端以及被连接到启用级13的输出端。优选用逻辑门制成的启用级13具有被连接到阈值比较器10的输出端的第一输入端，用于接收逻辑型的使能信号EN_x、EN_y、EN_z的第二输入端以及被连接到便携式设备1的微处理器3的输出端(参见图1)。另外，调整级14被连接到数字高通滤波器12，用于根据用户的选择来改变其截止频率f_t。

位移检测设备2的操作如下。

由加速计4所产生的加速度信号A_x、A_y、A_z在各自的数字高通滤波器12中过滤并且被提供给各自的阈值比较器10，所述阈值比较器10用于首先计算它们的幅度，继而把它们与加速度阈值A_th相比较，在输出端产生逻辑信号(由X′、Y′、Z′指定)。如果各自的加速度信号A_x、A_y、A_z的幅度大于加速度阈值A_th(该情况对应于加速度的检测大于沿着各自检测轴X、Y、Z所设置的阈值)，那么逻辑信号X′、Y′、Z′例如具有高值。当使能信号EN_x、EN_y、EN_z假定预置的逻辑值时，例如高，启用级13对应于从各自的阈值比较器10所接收的逻辑信号X′、Y′、Z′在输出端提供各自的位移检测信号X、Y、Z。否则，启用级13在输出端提供预置的逻辑信号，例如低，因此禁止沿着各自的轴X、Y、Z的位移检测。当知道哪个方向是便携式设备1的位移方向时，所述功能对禁止一个或多个检测轴从而简化微处理器3的处理是有用的。在任何情况下，位移检测信号X、Y、Z被发送到微处理器3，所述微处理器3处理它们(依照这里并未描述的原本已知的方式)来确定便携式设备1的位移方向。

特别地是，数字高通滤波器12消除了(或在任何情况下降低了)在输入端所接收的各自加速度信号A_x、A_y、A_z的连续分量，其与重力加速度相关，以便位移检测与便携式设备1的初始位置无关。此外，调整级14能够改变数字高通滤波器12的截止频率f_t，以便使处理电路5的操作适应于所想要获得的应用/功能类型。例如，如果希望检测到用户的缓慢移动，那么优选选择足够低的截止频率f_t以便相应加速度信号的低频分量具有足以被检测的幅度。作为替代，如果用户的移动更快，那么优选选择较高的截止频率f_t。

依照本发明一方面，图3，数字高通滤波器12具有递归结构并且具有被连接到加速计4并且用于接收各自加速度信号A_x、A_y、A_z的输入端IN和被连接到各自阈值比较器10的输出端OUT。数字高通滤波器12包括减法器级20和递归分支21。减法器级20具有被连接到输入端IN的正输入端子、被连接到递归分支21的负输入端子以及被连接到数字高通滤波器12的输出端OUT的输出端子。递归分支21把输出端OUT连接到减法器级20的负输入端子，并且包括彼此级联的积分器级23和除法器级24。特别地是，积分器级23在输入端被连接到数字高通滤波器12的输出端OUT，并且除法器级24具有被连接到减法器级20的负输入端子的输出端。

积分器级23执行累加功能，它对在输入端所接收的采样执行求和(依照具体的电路配置)可能是加权的。除法器级24按照具有大于1值的除法因子den来执行除法。

详细地，当数字高通滤波器12的输入端IN在给定值α是恒定的时(例如，由于唯一重力加速度所导致的恒定加速度信号的缘故)，递归分支21并且特别是积分器级23的累加功能导致积分器级23的输出改变，特别是增加，直到它假定α值*den。当出现此情况时，减法器级20的负端子等于与输入信号值匹配的α，并且数字高通滤波器12的输出OUT转为零。

当输入端I N迅速改变(例如，由于便携式设备1移动所发起的加速度信号的缘故)时，数字高通滤波器12的输出端OUT大体上符合输入端IN以至于递归分支21不够快以符合输入端IN的变化。依照这种方式，与由用户向便携式设备1所发布移动相关的信息被大体上不变地带到数字高通滤波器12的输出端OUT。接下来，当输入端I N再次到达稳定或缓慢的可变值时，递归分支21利用与其时间常数相关的时间把数字高通滤波器12的输出端OUT带回到零。

作为替代具有低频率的输入信号(例如由于便携式设备1的用户所进行的缓慢移动)而或多或少地衰减，依照它们是更接近还是不那么接近数字高通滤波器12的截止频率f_t。

特别地是，数字高通滤波器12的截止频率f_t源于递归分支21取消数字高通滤波器12的输出端OUT的速度，即源于积分器级23追随输入端IN变化的速度。所述速度是积分器级23的采样周期和除法因子den的函数。给定相同的采样周期，除法因子den越高，数字高通滤波器12到达稳定状态(输出端OUT为零)越长；即其时间常数越大。从而可以由调整级14依照简单且快速的方式通过简单地改变除法器级24的除法因子den来修改数字高通滤波器12的截止频率f_t。

图4图示了在输入端IN存在方形波信号(用虚线表示)的情况下在数字高通滤波器12的输出端OUT的信号波形(用实线表示)，用于模拟由用户对便携式设备1所施加的正和负位移。纵坐标给出标准化的数值，同时横坐标给出了相对于采样频率所标准化的、产生的采样数。应当注意，当在输入端IN的信号是稳定的时，数字高通滤波器12的输出端OUT遵循输入端IN的脉冲改变，并且在与其时间常数相关的时间内变为零。

现在描述积分器级23的两个可能的实施例。

详细地说，依照在图5中所示出的第一实施例，积分器级23包括加法器块26和延迟块28。加法器块26具有被连接到数字高通滤波器12的输出端OUT的第一正输入端子、被连接到延迟块28的输出端的第二正输入端子以及被连接到除法器级24的输出端子。延迟块28具有被连接到加法器块26的输出端子的输入端和被连接到所述加法器块26的第二正输入端的输出端。

利用简单的数学步骤，发现由H(z)所指定的、数字高通滤波器12传递函数的Z-变换如下：

$H\left(z\right)=\frac{1-z^{-1}}{(1+\frac{1}{\mathrm{den}})-z^{-1}}$

其对于z＝1来说值为零并且对于z＝1/(1+1/den)具有极值。

依照在图6中所示出的本发明的第二实施例，积分器级23具有不同的电路配置。特别地是，延迟块28在输入端被连接到加法器块26的输出端子并且在输出端被连接到除法器级24。作为替代，加法器块26具有被连接到数字高通滤波器12的输出端OUT的第一正输入端子，被连接到除法器级24的第二正输入端子以及被连接到延迟块28的输入端的输出端子。

同理，在这种情况下还可以利用简单的数学步骤获得数字高通滤波器12传递函数的Z-变换：

$H\left(z\right)=\frac{1-z^{-1}}{1+(\frac{1}{\mathrm{den}}-1)\·z^{-1}}$

其对于z＝1来说值为零并且对于z＝1/(1-den)来说具有极值。

特别地是，应当注意积分器级23的两个实施例怎样共享包括递归的累加结构的共同特征。

至于第二实施例，图7a和7b分别示出了对于等于32的除法因子den的第一值来说相对于数字高通滤波器12的频率的幅度和相位响应。同样，图8a和8b分别示出了对于等于256的除法因子den的第二值来说数字高通滤波器12的幅度和相位响应。特别地是，随着除法因子den增加，数字高通滤波器12的截止频率f_t移向较低频率。

通过以上描述，数字高通滤波器的优点是清楚的。

然而应当强调数字高通滤波器的结构是极其简单的，可容易配置的并且要求最小的资源使用。特别地是，改变除法器级24的除法因子den以便改变截止频率f_t是足够的。另外，如果除法因子den的值被选为2的幂，那么除法器级24的操作减小为数码字的简单移位，从而进一步简化了数字高通滤波器12的操作。

此外，整个位移检测设备可以被集成到单芯片中，就区域占用而言具有明显优点。

最后，显然在不脱离如所附权利要求限定的本发明范围的情况下可以对这里所描述和图示的实施方式进行修改和改变。

特别地是，在图9的实施例中，完全经由软件来获得处理电路5。在这种情况下，位移检测设备2包括微处理器电路30(例如，微控制器或DSP)，其上存储有用于提供处理电路5的固件。特别地是，可以利用具有三个简单的块的软件来制作处理电路5的数字高通滤波器12，即加法器块、减法器块和除法器块。在这种情况下，位移检测设备2还可以被有益地集成在单芯片6内。

微处理器电路30可以安装有适当的逻辑电路，被设计成用于推导出便携式设备1的位移方向并且直接向所述便携式设备1的主微处理器3发送所述信息以便进一步简化所述便携式设备1的管理软件。

另外，可以翻转在递归分支21内积分器级23和除法器级24之间级联的阶数。在这种情况下，除法器级24的输入端被连接到数字高通滤波器12的输出端OUT，并且积分器块23具有被连接到减法器块20的负输入端子的输出端。

另外，对本领域技术人员来说，显然可以用具有特有递归累加结构的其它电路配置来制作积分器级23。

此外，除用于简化人机接口之外，位移检测设备可以用于从备用状态重新激活便携式设备(所谓的唤醒功能)。在这种情况下，检测大于预置阈值的加速度造成重新激活便携式设备的功能，所述功能先前被去活以便节能。最后，还可以在用于控制并补偿振动的系统中使用位移检测设备，例如在家用电器内。在这种情况下，实际上不必知道设备所受到的连续加速度，而只需知道相对于静止位置的位移即可。

Claims (15)

1.一种用于便携式设备(1)的位移检测设备(2)，包括：

加速度传感器(4)，用于产生对应于第一检测轴(x)的第一加速度信号(A_x)；和

位移检测电路(5)，被连接到所述加速度传感器(4)并且产生第一位移检测信号(X)，所述位移检测电路(5)具有第一高通滤波装置，其被配置为减少所述第一加速度信号(A_x)的连续分量；

其中所述第一高通滤波装置包括数字高通滤波器(12)，所述数字高通滤波器(12)具有：

输入端(IN)；

输出端(OUT)；

减法器级(20)，具有第一输入端子和第二输入端子和输出端子，所述第一输入端子被连接到所述数字高通滤波器(12)的所述输入端(IN)并且所述输出端子被连接到所述数字高通滤波器(12)的所述输出端(OUT)；和

耦合在所述数字高通滤波器(12)的所述输出端(OUT)和所述减法器级(20)的所述第二输入端子之间的递归电路分支(21)，所述递归电路分支(21)包括彼此级联的累加级和除法器级(24)，

其特征在于所述位移检测电路(5)进一步包括被耦合到所述数字高通滤波器(12)的截止频率修改装置(14)，用于调节所述数字高通滤波器(12)的截止频率；所述截止频率修改装置(14)改变所述除法器级(24)的除法因子(den)。

2.如权利要求1所述的位移检测设备，其中所述除法器级(24)按照具有大于值1的所述除法因子(den)来执行除法。

3.如权利要求2所述的位移检测设备，其中所述除法因子(den)是2的幂。

4.如先前权利要求中任何一个所述的位移检测设备，其中所述累加级包括积分电路(23)。

5.如权利要求4所述的位移检测设备，其中所述积分电路(23)具有递归的累加结构，所述递归的累加结构具有自己的输入端子和自己的输出端子，并且包括被连接到所述自己的输入端子的至少一个加法器块(26)和被连接到所述加法器块(26)和所述自己的输出端子的至少一个延迟块(28)。

6.如权利要求5所述的位移检测设备，其中所述加法器块(26)具有第一正输入端和第二正输入端以及输出端，所述加法器块(26)的所述第一正输入端被连接到所述积分电路(23)的所述输入端子，并且所述加法器块(26)的所述输出端被连接到所述积分电路(23)的所述输出端子；所述延迟块(28)具有被连接到所述积分电路(23)的所述输出端子的输入端以及被连接到所述加法器块(26)的所述第二正输入端的输出端。

7.如权利要求5所述的位移检测设备，其中所述加法器块(26)具有第一正输入端和第二正输入端以及输出端，所述加法器块(26)的所述第一正输入端被连接到所述积分电路(23)的所述输入端子，所述加法器块(26)的所述第二正输入端被连接到所述积分电路(23)的所述输出端子；所述延迟块(28)具有被连接到所述加法器块(26)的所述输出端的输入端以及被连接到所述积分电路(23)的所述输出端子的输出端。

8.如权利要求1所述的位移检测设备，其中所述数字高通滤波器(12)经由使用专用集成电路ASIC的硬件来实现。

9.如权利要求1所述的位移检测设备，其中所述数字高通滤波器(12)经由使用存储于微处理器电路(30)中固件的软件来实现。

10.如权利要求1所述的位移检测设备(2)，其中所述位移检测电路(5)包括第一比较器级(10)，用于接收所述第一加速度信号(A_x)和第一加速度阈值(A_th)并且产生所述第一位移检测信号(X)；所述数字高通滤波器(12)布置在所述加速度传感器(4)和所述第一比较器级(10)之间。

11.如权利要求10所述的位移检测设备，其中所述加速度传感器(4)是具有三个检测轴(x，y，z)的线性加速计，用于进一步产生第二加速度信号(A_y)和第三加速度信号(A_z)，所述第一、第二和第三加速度信号(A_x，A_y，A_z)与沿着各自检测轴(x，y，z)的加速度分量相关；并且其中所述位移检测电路(5)进一步包括：第二比较器级和第三比较器级，分别用于把所述第二加速度信号(A_y)和所述第三加速度信号(A_z)与所述第一加速度阈值(A_th)相比较并且用于产生第二位移检测信号(Y′)和第三位移检测信号(Z′)；以及第二和第三滤波装置，第二滤波装置布置在所述加速度传感器(4)和所述第二比较器级之间，第三滤波装置布置在所述加速度传感器(4)和所述第三比较器级之间，并且该第二和第三滤波装置分别被配置为减少所述第二和第三加速度信号(A_y，A_z)的连续分量；所述第二和第三滤波装置每一个都包括与所述第一高通滤波装置中包括的所述数字高通滤波器(12)相同的数字高通滤波器。

12.如权利要求1所述的位移检测设备，其中所述位移检测电路(5)被实现为ASIC并且在单芯片(6)内与所述加速度传感器(4)集成；所述加速度传感器(4)被实现为微机电系统MEMS。

13.如权利要求1所述的位移检测设备，进一步包括被连接到所述加速度传感器(4)的微处理器电路(30)并且其中所述位移检测电路(5)用存储于所述微处理器电路(30)中的固件来实现，并且所述微处理器电路(30)和所述加速度传感器(4)被集成到单芯片(6)中；所述加速度传感器(4)被实现为MEMS。

14.一种便携式设备(1)，其特征在于包括如先前权利要求中任何一个所述的位移检测设备(2)，所述便携式设备(1)在包括膝上型计算机、PDA、音频播放器、移动电话、照相机和摄像机的组中选择。

15.如权利要求14所述的便携式设备，进一步包括位于所述位移检测设备(2)外部、并且连接到所述位移检测设备(2)的输出端的微处理器(3)，用于确定所述便携式设备(1)的位移方向。

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