CN102385005A - 电容感测 - Google Patents

Abstract

本发明公开了涉及电容感测的实施例。本发明提供一种微控制器，其包括：模数转换器，用于基于模拟输入信号提供数字值；极限检查器，用于确定所述数字值是否在预定范围并且当确定所述数字值超出所述预定范围时生成输出信号；至少第一输入，连接到或者能够连接到所述模数转换器；至少一个开关，被配置为使所述第一输入交替地耦合到用于对电容充电的第一电位和用于对所述电容放电的第二电位；以及实体，能够基于所述电容的交替充电和放电来确定所述电容的改变。

Description

电容感测

技术领域

本发明涉及电容感测的领域。

背景技术

在许多应用中，有必要感测电容例如以确定电容改变或者确定电容值。例如，现今许多应用提供有触摸感测功能，其中操作的控制、开始或结束基于用户对触敏元件的触摸。随后通过确定电容改变来确定元件的触摸。

考虑到这一点，需要电容感测方法和设备以及更灵活的电容感测。此外，需要可以由微控制器设备容易集成和执行的电容感测概念。

发明内容

在一个方面中，实施例包括一种微控制器，其具有用于基于模拟输入信号提供数字值的模数转换器。提供极限检查器以确定数字值是否在预定范围内并且当确定数字值超出预定范围时生成输出信号。至少第一输入连接到或者可连接到模数转换器。至少一个开关被提供和配置为使第一输入交替地耦合到用于对电容充电的第一电位和用于对电容放电的第二电位。此外，提供能够基于电容的交替充电和放电而确定电容改变的实体。

在另一方面中，一种用于检测电容改变的方法包括将来自与电容连接的第一输入的信号馈送到模数转换器并且基于模数转换器的数字输出信号重复地生成切换信号。提供基于切换信号的对电容充电和对电容放电之间的切换并且检测基于充电和放电之间的切换的电容改变。

在另一方面中，一种用于感测电容的方法包括对上和下阈值极限的值进行编程并且当模数转换器的输出达到编程值之一时生成切换信号。提供对耦合到模数转换器的输入的电容充电和对该电容放电之间的切换，使得该切换基于该切换信号。基于充电和放电之间的切换来感测电容。

在另一方面中，一种设备包括用于提供振荡的振荡器电路，该振荡用于确定电容改变。振荡器电路包括：用于基于模拟输入信号提供数字值的电路；用于确定数字值是否在编程范围内并且当确定该数字值超出预定范围时生成输出信号的极限检查器；以及耦合到模数转换器的输入的至少第一输入。该振荡器电路进一步包括至少一个开关，其被配置为使电容的电极经由至少一个阻抗交替地连接到第一电位和第二电位以交替地对电容充电和放电，该至少一个开关基于极限检查器的输出信号进行控制。

附图说明

图1示出了根据实施例的框图；

图2示出了根据另一实施例的框图；

图3a和3b示出了根据实施例的时序图；

图4示出了结果分析块的示例性实施例的框图；

图5示出了根据另一实施例的框图；

图6a、6b和6c示出了阻抗配置的示例性实施例；

图7示出了示例性流程图；以及

图8示出了示例性流程图。

具体实施方式

以下的详细描述解释了本发明的示例性实施例。该描述不要被视为限制性意义，而是仅出于说明本发明的实施例的一般原理的目的，而保护范围仅由所附权利要求限定。

在附图中示出的并且下面描述的示例性实施例中，附图中示出的或者这里描述的功能块、设备、部件或者其他物理或功能单元之间的任何直接连接或耦合也可以由间接连接或耦合实现。功能块可以以硬件、固件、软件或者它们的组合实现。

此外，要理解，除非另外具体说明，否则这里描述的各种示例性实施例的特征可以彼此组合。

在各种图中，相同的或相似的实体、模块、设备等可以分配相同的附图标记。

图1示出了包括模数转换器102和极限检查器104的设备100的实施例。在一个实施例中，设备100是诸如通用微控制器或专用微控制器的微控制器。模数转换器102的输出连接到极限检查器104的输入。模数转换器102的输入连接到信号输入106。输入106构成在操作中耦合到电容114的电极的输入，电容114诸如用于检测人类手指对元件的触摸的触觉检测中感测的触敏元件的电容。例如，在一个实施例中，电容114可以是触摸板的电容。输入106可以是引脚诸如设备的公共输入引脚或输入端口或者设备100的电路系统中的电路节点。

设备100进一步包括具有第一开关元件110a和第二开关元件110b的开关110。在一个实施例中开关元件110a和110b是诸如MOS晶体管或双极型晶体管的开关晶体管或者包括开关晶体管的电路或者任何其他开关元件。第一开关元件110a被提供为使输入106经由节点118与第一电位112a连接或者使输入106与第一电位112a断开。第二开关元件110b被提供为使输入106经由节点118与第二电位112b连接或者使输入106与第二电位112b断开。在一个实施例中，第一或第二电位112a和112b中的一个可以是诸如VDD的正供电电压的电位，而第一或第二电位112a和112b中的一个可以是地或者可以是负供电电压的电位。

输入106与第一和第二电位112a和112b的连接提供了电容114经由至少一个阻抗（图1中未示出）的充电或放电。电容被充电还是放电取决于第一和第二电位112a和112b中的哪一个耦合到电容114。对于被提供用于对电容114充电和放电的至少一个阻抗，在图6a至6c中示出了若干示例性配置。在图6a中示出的一个实施例中，至少一个阻抗可以包括第一阻抗600a和第二阻抗600b。第一阻抗600a连接在第一开关元件110a和第一电位112a之间，而第二阻抗600b连接在第二开关元件110b和第二电位112b之间。在一个实施例中，第一阻抗可以是上拉电阻器而第二阻抗可以是下拉电阻器，其与设备100的输入端口或输入引脚相关联。在一个实施例中，如图6b中所示，第一阻抗600a和第二阻抗600b可以布置在节点118与各自的第一和第二开关元件110a和110b之间。此外，经由其对电容充电的至少一个阻抗可以是连接在电容114和输入106之间的单个阻抗。图6c示出了这样的实现方案。同样地，该单个阻抗也可以连接在输入106和节点108之间。

在实施例中，第一和第二开关元件110a和110b的开关被提供为交替进行。例如第一开关元件110a在第二开关元件110b打开时闭合，反之亦然。交替开关提供了电容114的第一电极114a与第一电位112a和第二电位112b的交替耦合。这引起了电容114的重复充电和放电并且建立了在电容114处出现的电压的振荡。换言之，用于充电和放电的阻抗与电容114形成了RC网络并且由模数转换器102连续地扫描该RC网络的电压。

假设电容114的第二电极114b将保持在固定电位，例如如图1中所示保持在地电位，电容114的电极之间的电压由输入106处的电位减去固定电位值表示。在电位之一是地即0V的情况中，输入106处的电位直接表示电容114的电极之间的电压。

如下面将更详细描述的，通过交替的充电和放电所建立的连续振荡的参数取决于电容114的值并且因此可以用于确定电容114的值或者判定电容114的值是否例如因用户触摸而改变。这样的参数包括振荡的频率或周期。

由于输入106连接到模数转换器102的输入，因此模数转换器102输出的数字值表示电容114的电极之间的电压。

极限检查器104被配置为确定表示模数转换器102的输入信号的数字值是否在被编程到极限检查器104中的预定范围内并且输出被提供给开关110的控制输入116的切换信号。在实施例中极限检查器104可以包括形成例如状态机等的硬连线电路或电路元件或者其中使用可以例如在处理器上运行的软件程序来执行极限检查器功能的软件实现方案。范围的编程可以在设备100的操作之前、在设备100的操作开始时或者在设备100的操作期间。极限检查器104可以是微控制器的可通用极限检查器，其还可以例如用于在诸如控制和感测微控制器的输入通道的其他操作中确定超出范围的值。在示例性实施例中极限检查器104可以被实现为与CPU（中央处理单元）分离的块并且因此可以使CPU卸载这样的任务。

在实施例中，极限检查器104的下阈值（下限）被选择为使得与数模转换器102的瞬时输入信号对应的数字值在电容被完全放电之前达到下阈值。反之亦然，上阈值（上限）可以被选择为使得与数模转换器102的瞬时输入信号对应的数字值在电容被充电到最大可能电压之前达到上阈值。

假设最大充电电压是电位112a和112b的值中的较高的值φ1和第二电极114b的电位的值φ2之间的差，即Vmax=φ1-φ2，在一个实施例中极限检查器104的阈值的设定可以是使得上阈值在Vmax的60%和95%之间而下值在Vmax的5%和40%之间。在其他实施例中，该值可以包括其他阈值极限，诸如例如对于上阈值在Vmax的70%和90%之间而对于下限在Vmax的10%和30%之间。

例如，当电容114的第二电极114b处于地电位时，预定范围的阈值被编程，使得上阈值低于第一和第二电位112a和112b中的较高者而下阈值高于两个电位112a和112b中的较低者。

在实施例中，下阈值和上阈值是可编程的以允许对于不同的应用感测不同值的电容。此外，在一些实施例中，可编程阈值可以例如允许长期地或短期地调节感测以补偿例如由环境改变等引起的漂移。因此，在一些实施例中，阈值的设定可以根据电容值、预期器具或者其他原因而时不时地改变或者连续地更新。此外，该编程允许在一些实施例中以复用的模式使用相同的模数转换器102和极限检查器104，其中模数转换器102通过复用器连接到与其他电容连接的其他输入。由于可以容易通过编程新值来改变阈值，因此在复用模式中每个输入可以具有其各个阈值设定。要注意，当模数转换器102被复用到其他输入时，模数转换器102在复用模式中还可以用于诸如感测和控制的其他任务。

当数字值达到预定范围的上阈值或下阈值之一时，向控制输入116提供切换信号。更详细地，当达到预定范围的上阈值时，将信号施加到开关，其使与较高电位连接的开关元件闭合并且使与较低电位连接的开关元件打开以便允许对电容114的放电。此外，当模数转换器102输出的数字值达到下阈值时，将信号施加到控制输入116，其使与较低电位连接的开关元件打开并且使与较高电位连接的开关元件闭合以便允许对电容114的充电。

为了区分达到上阈值还是下阈值，极限检查器104可以被配置为根据达到上限还是下限来提供不同的信号。例如，极限检查器104可以针对达到上阈值而输出逻辑高值并且针对达到下阈值而输出逻辑低值。

由电容114的重复充电和放电提供的振荡提供了电容114的值的指示并且可以例如用于确定是否发生电容值的明显改变。

为了确定电容或者电容改变，确定振荡的频率或时间周期的值或者这些值的改变。

在一个实施例中，可以基于极限检查器104提供的切换信号来确定频率或时间周期或者其改变。然而，要注意，在其他实施例中也可以使用其他实现方案。

在图7中示出了用于检测电容改变的示例性流程图。其开始于700，其中将信号从与电容连接的第一输入馈送到模数转换器102。随后在702处，基于模数转换器102的数字输出信号重复地生成切换信号。在704处，基于切换信号在对电容充电和对电容放电之间执行切换。随后在706处，基于充电和放电之间的切换来检测电容改变。

如上面所述，可以基于连续切换信号的时间周期或频率来检测电容改变。此外，切换信号的重复生成可以包括基于模数转换器102的输入处的信号重复地生成数字值并且确定该数字值是否在预定范围内。生成切换信号基于确定数字值是否在预定范围内。该预定范围可以是如上面概述的可编程范围，使得可以执行范围的数字编程。此外，在一个实施例中可以执行复用针对模数转换器102的多个输入，如下面将进一步更详细描述的。

在图8中示出了用于通过编程阈值极限来感测电容的示例性流程图。在800处，对上和下阈值极限的值编程。编程可以在电容感测操作之前，在电容感测操作开始时或者在电容感测操作期间发生。在802处，当模数转换器102的输出达到编程值之一时生成切换信号。在804处，基于切换信号，执行对耦合到模数转换器102的输入的电容充电和对该电容放电之间的切换。在806处基于充电和放电之间的切换来感测电容。

图2示出了其中切换信号直接提供用于确定振荡频率或者振荡频率改变的信息的示例性实施例。在图2中，切换信号被提供给定时器块202，定时器块202包括用于提供与两个连续的切换信号之间的时间周期对应的计数结果的计数器204。计数结果被提供给用于分析和计算由定时器202提供的结果的结果分析块206。要注意，定时器块典型地包括在诸如微控制器的半导体设备中并且因此不需要用于实现该示例性实施例的额外的硬件部件。

图3a示出了示出施加到模数转换器102的电位相对时间的示例性示图。在图3a中将在达到上阈值时由极限检查器104提供的切换信号指示为SW-U并且在图3a中将在达到下阈值时由极限检查器104提供的切换信号指示为SW-L。图3b示出了相对时间的对应内部定时器信号。由自发地捕获振荡的周期时间的定时器测量频率。振荡频率取决于电容114的值、被提供用于对电容充电的阻抗的值以及上和下阈值。在一个实施例中，通过监控计数器结果（例如通过将计数器结果与先前的计数器结果比较）来检测频率的改变。在触摸感测应用中，这可以指示用户已触摸触敏电容器，这导致电容的充电/放电时间的增加。在其他实施例中，可以基于阻抗值和编程阈值直接计算电容值。

在一些实施例中，仅切换信号的子集可以用于确定电容值。例如当电容114的充电时间和放电时间因充电阻抗和放电阻抗的差异而不同时，仅切换信号SW-U或者仅切换信号SW-L可以用于确定电容值或者电容值改变。

图4示出了结果分析块206的示例性实施例。根据图4的实施例，结果分析块206包括被实现为积累器的第一低通滤波元件302。第一低通滤波器元件302的输出连接到第二低通滤波器元件304。第一和第二低通滤波器元件302可以例如包括sinc（辛克）滤波器结构或者任何其他已知类型的低通滤波器。第一低通滤波器元件302的输出进一步连接到加法器节点306的第一输入。偏移值M 310被提供给加法器节点306的第二输入并且被添加到第一低通滤波器元件302的输出。加法器节点的输出连接到比较器308的第一输入以向比较器提供通过偏移值校正的第一滤波器元件302的输出结果。第二滤波器元件的输出连接到比较器308的第二输入。

图4中示出的结果分析块206通过对由定时器202提供给结果分析块206的结果进行滤波和处理来提供增加的鲁棒性和/或增加的灵敏度。在第一滤波器元件302中，定时器的结果通过由数目N个积累样本确定的第一时间常数进行平均。该平均避免了由于诸如短假信号（glitch）的一次效应引起的错误检测并且进一步增加灵敏度。第二低通滤波器元件304具有时间常数T并且可以用于将系统调节到特定值。例如，在触摸感测中，系统可以被调节到闲置值，其是在触敏元件未被触摸时的第一滤波器元件302的输出。比较器308将从第一低通滤波器元件302输出的积累值与第二低通滤波器元件304的低通滤波结果比较并且输出电容是否改变以及改变到什么程度的判定。作为上面的结果，仅检测到比可编程时间常数快的改变。在示例性实施例中滤波器元件的可编程时间常数允许对电容检测的时间灵敏度进行编程。换言之，在触摸感测应用中，触摸板或者其他触敏元件的最小触摸时间是可编程的。如上面提到的，当使模数转换器102的输入复用到其他输入时，触摸时间灵敏度的这种编程允许例如针对每个输入对各个触摸时间进行编程。

结果分析块206可以以硬件、软件或者它们的组合实现。结果分析块206可以集成到其他电路元件中或者可以是分离的单元。

图5示出了其中模数转换器102通过复用器400复用到其他输入的实施例。除了输入106外，图5仅示出了一个另外的输入406，其中对应的开关410和电容414连接到输入406。然而，要理解，任何数目的输入可以连接到模数转换器102的输入并且通过复用器400与模数转换器102的输入复用。此外，与复用器400对应，提供另外的复用器402以使极限检查器104输出的切换信号复用到各自的开关，例如开关110或410。

进一步要提到，模数转换器102可以连接到未连接到电容的输入，例如以便感测或控制这些输入上的信号。

复用可以以自发的方式提供。例如，可以使用自动扫描功能，其中扫描与每个输入对应的复用通道以确定哪些通道需要数模转换器102的连续扫描。这提供了模数转换的自动开始而不需要来自CPU（中央处理单元）的指令并且因此进一步卸载CPU。在一个实施例中可以以预定的时间间隔有规律地提供自动扫描功能。在一些实施例中可能有可能使自动扫描在灵活的基础上例如在请求时触发等。

在确定不止一个通道具有连续扫描的需要的情况下，可以使用仲裁技术来确定这些通道的扫描。

在上面描述中，这里充分详细地示出和描述了使得本领域的技术人员能够实践这里公开的教导的实施例。可以利用和从中导出其他实施例，使得在不偏离本公开的范围的情况下可以进行结构和逻辑的替换和改变。

因此，该详细描述不要被视为限制性意义，并且各种实施例的范围仅由所附权利要求以及这样的权利要求有权享有的等效物的全范围限定。

仅为了便利，发明主题内容的这样的实施例在这里仅仅出于方便起见可以单独地和/或共同地被称为术语“发明”，而非旨在主动地使本申请的范围限于任何单个发明或者发明概念，如果实际上公开了不止一个的话。因而，尽管这里说明和描述了具体实施例，但是应当认识到，计划用于实现相同目的的任何布置可以替换所示出的具体实施例。本公开旨在涵盖各种实施例的任何和所有调节或变化。在阅读上面描述之后，上面实施例的组合以及这里未具体描述的其他实施例对于本领域的技术人员将是显而易见的。

要进一步注意到，描述和权利要求中使用的特定术语可以在非常广泛的意义上解释。例如，这里使用的术语“电路”或“电路系统”将在如下意义上解释：不仅包括硬件而且包括软件、固件或者它们的任何组合。此外，术语“耦合”或“连接”可以在如下广泛意义上解释：不仅涵盖直接耦合而且涵盖间接耦合。

还要注意，与特定实体组合描述的实施例除了这些实体中的实现方案之外还包括所述描述的实体的一个或多个子实体或分部中的一个或多个实现方案。

形成本公开的一部分的附图作为说明而非限制示出了其中可以实践本主题内容的具体实施例。

在前面的详细描述中，出于组织（streamlining）本公开的目的，可以看到各种特征被一起分组在单个实施例中。这种公开方法不要被解释为反映要求保护的实施例需要比每个权利要求中明确记载的更多的特征的意图。相反，如所附权利要求所反映的，发明主题内容在于少于单个公开实施例的所有特征。因而所附权利要求由此被并入详细描述，其中每个权利要求可以自身作为单独的实施例。尽管每个权利要求可以自身作为单独的实施例，但是要注意，尽管在权利要求中从属权利要求可以引用与一个或多个其他权利要求的特定组合，但是其他实施例也可以包括该从属权利要求与每个其他从属权利要求的主题内容的组合。这里提出了这样的组合，除非声明特定组合不是预期的。

还要注意，说明书中或权利要求中公开的方法可以由具有用于执行这些方法的每个各自步骤的装置的设备来实现。

Claims (25)

1.一种微控制器，包括：

模数转换器，用于基于模拟输入信号提供数字值；

极限检查器，用于确定所述数字值是否在预定范围并且当确定所述数字值超出所述预定范围时生成输出信号；

至少第一输入，连接到或者能够连接到所述模数转换器；

至少一个开关，被配置为使所述第一输入交替地耦合到用于对电容充电的第一电位和用于对所述电容放电的第二电位；以及

实体，能够基于所述电容的交替充电和放电来确定所述电容的改变。

2.根据权利要求1所述的微控制器，其中所述微控制器被配置为经由至少一个阻抗对所述电容充电和放电。

3.根据权利要求2所述的微控制器，其中所述至少一个阻抗包括为第一输入提供的下拉电阻器和为所述第一输入提供的上拉电阻器。

4.根据权利要求1所述的微控制器，进一步包括：复用器，用于使多个输入复用到所述模数转换器的输入。

5.根据权利要求4所述的微控制器，其中所述多个输入中的每个包括下拉电阻器和上拉电阻器。

6.根据权利要求1所述的微控制器，其中所述实体被配置为基于确定充电和放电的时间周期或频率来确定所述电容的改变。

7.根据权利要求6所述的微控制器，其中所述实体被配置为基于确定极限检查器的输出信号的时间周期或频率来确定所述电容的改变。

8.根据权利要求7所述的微控制器，其中所述实体被配置为基于如下操作来确定所述电容的改变：

确定所述极限检查器的连续输出信号的时间周期或频率的值；

对所确定的值进行平均以获得第一平均值；以及

将所述第一平均值与第二值比较。

9.根据权利要求8所述的微控制器，其中所述第一平均值表示在第一时间周期上进行平均的值而所述第二值表示至少在比所述第一时间周期长的第二时间周期上进行平均的时间周期或频率的值。

10.根据权利要求1所述的微控制器，其中所述微控制器包括能够连接到所述模数转换器的多个输入，所述多个输入包括用于触觉检测的第一输入和用于提供控制或感测功能的至少一个另外的输入。

11.一种用于检测电容的改变的方法，包括：

将来自与所述电容连接的第一输入的信号馈送到模数转换器；

基于所述模数转换器的数字输出信号重复地生成切换信号；

基于所述切换信号在对所述电容充电和对所述电容放电之间切换；以及

基于充电和放电之间的切换来检测所述电容的改变。

12.根据权利要求11所述的方法，其中所述切换包括交替地使第一阻抗在第一电位和所述第一输入之间切换以及使第二阻抗在所述第一输入和第二电位之间切换。

13.根据权利要求12所述的方法，其中所述切换包括交替地使上拉电阻器在所述第一电位和所述第一输入之间切换以及使下拉电阻器在所述第二电位和所述第一输入之间切换。

14.根据权利要求11所述的方法，其中基于连续切换信号的时间周期或频率来检测所述电容的改变。

15.根据权利要求11所述的方法，其中重复地生成切换信号包括：

基于所述模数转换器的输入处的信号重复地生成数字值；

确定所述数字值是否在预定范围内；以及

基于确定所述数字值在所述预定范围内来生成所述切换信号。

16.根据权利要求15所述的方法，其中所述预定范围是可编程范围。

17.根据权利要求11所述的方法，进一步包括使多个输入复用到所述模数转换器。

18.一种用于感测电容的方法，包括：

对上阈值极限和下阈值极限的值编程；

当模数转换器的输出达到编程值之一时生成切换信号；

在对耦合到所述模数转换器的输入的电容充电和对所述电容放电之间切换，所述切换基于所述切换信号；

基于充电和放电之间的切换来感测所述电容。

19.根据权利要求18所述的方法，其中基于连续切换信号的时间周期的改变或者连续切换信号的频率的改变来感测所述电容。

20.根据权利要求19所述的方法，其中基于如下操作来感测所述电容：

确定连续切换信号的时间周期或频率的值；

对所确定的值进行平均以获得第一平均值；以及

将所述第一平均值与第二值比较。

21.根据权利要求20所述的方法，其中所述第一平均值表示在第一时间周期上进行平均的值而所述第二值表示在比所述第一时间周期长的第二时间周期上进行平均的值。

22.根据权利要求18所述的方法，其中所述上阈值和下阈值是被编程到多用途极限检查器中的阈值，所述多用途极限检查器连接到所述模数转换器的输出。

23.根据权利要求18所述的方法，进一步包括使多个输入端口复用到所述模数转换器的输入。

24.根据权利要求18所述的方法，其中在对电容充电和对电容放电之间切换包括：

交替地使微控制器的上拉电阻器在耦合到所述电容的第一输入和第一电位之间切换以及使所述微控制器的下拉电阻器在所述第一输入和第二电位之间切换。

25.一种设备，包括：

振荡器电路，用于提供用于确定电容的值或改变的振荡，所述振荡器电路包括：

       电路，用于基于模拟输入信号提供数字值；

       极限检查器，用于确定所述数字值是否在编程范围内并且当确定所述数字值超出预定范围时生成输出信号；

       至少第一输入，耦合到所述模数转换器的输入；

       至少一个开关，被配置为使所述电容的电极经由至少一个阻抗交替地连接到第一电位和第二电位以交替地对所述电容充电和放电，所述至少一个开关基于所述极限检查器的所述输出信号进行控制。

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