CN103383453A - 材料识别的邻近感测 - Google Patents

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Abstract

材料-识别邻近传感器(230)被设置成包括天线(220)，其被设置成发射射频信号(例如，
Figure DSA00000914261400011
)。电容传感器(230)设置成检测电容传感器的电容变化并接收射频信号。电量传感器(240)设置成检测已接收的射频信号的变化。

Description

材料识别的邻近感测
要求的优先权
本专利申请要求于2012年5月3日提交的名称为“PROXIMITY SENSINGWITHDISCERNMENT OF MATERIALS”的美国临时申请NO.61/641,972(代理人案号TI-72334PS)的优先权，其中该申请在比通过引用并入。
背景技术
当代邻近感测技术用于确定一个物体是否(以及在什么距离)进入自动电子系统邻近传感器的范围内。例如，电容电极能识别邻近物体存在并响应激活自动电子系统的功能。然而，传统的传感器往往难以确定邻近物体的性质和/或物体包含的材料。因此，对于进入邻近传感器范围内的某些物体，常发生假正的邻近检测。
发明内容
上述问题大部分通过材料识别邻近感测来解决，材料识别邻近感测包括天线，其被设置成发射射频信号。电容性传感器被设置成检测电容性传感器的电容变化并接收射频信号。电量传感器被设置成检测接收的射频信号的变化。
附图说明
图1示出根据本发明各实施例的示例性计算装置；
图2示出根据本发明各实施例的材料-识别邻近感测系统的示意图；
图3是图示根据本发明实施例的材料-识别邻近感测传感器发射的波瓣的示意图；以及
图4是图示根据本发明各实施例的材料-识别邻近感测的流程图。
具体实施方式
下面的讨论涉及本发明的各种实施例。尽管这些实施例的一个或多个可以是优选的，但公开的实施例不应被解释为，或以其他方式用于，限制本发明的范围，包括权利要求书的范围。此外，本领域技术人员可以理解的是，以下描述具有广泛应用，并且对任何实施例的描述仅表示示例性实施例，而不是旨在表示本发明的范围，包括权利要求书，限于该实施例。
某些术语用于以下说明书和权利要求书中，用于指代特定系统组件。正如本领域技术人员所理解的那样，可以使用各种名称指代组件。因此，不必在此区别名称不同而功能相同的组件。在下面的描述和权利要求书中，术语“包含/包括”和“含有”以开放性的方式使用，因而应当理解为“包括，但不限于”。同样，术语“耦合至”或“与...耦合”(以及类似术语)旨在描述间接或直接的电(包括电磁)连接。因此，如果第一装置耦合至第二装置，那么该连接可以通过直接电(包括电磁)连接实现，或经由其他装置和连接件进行间接电连接来实现。
图1根据本发明的实施例示出了计算装置100。例如，计算装置100是移动通信装置129或包含在移动通信装置129中，移动通信装置129如移动电话、个人数字助理(例如，
Figure BSA00000914261700021
设备)、个人计算机、机动车电子、投影(和/或媒体-播放)单元或任何其他类型的电子系统。
在一些实施例中，计算装置100包括巨型单元/兆单元或片上系统(SoC)，其包括例如CPU112(中央处理单元)的控制逻辑、存储装置114(如，随机存取存储器(RAM))和测试器110。CPU112可以是诸如CICS型(复杂指令集计算机)CPU、RISC型CPU(精简指令集计算机)或数字信号处理器(DSP)。存储装置114(其可以是存储器，如开-处理器缓存、关-处理器缓存、RAM闪存或磁盘存储)存储一个或更多个软件应用13(如，嵌入式应用)，其在由CPU112运行时，执行与计算装置100关联的任何合适功能。CPU112可包括(或耦合至)邻近确定单元134，其包括放置在公共(或分离)基底上的各种组件，如下面所公开的。
测试器110是一个诊断系统并包含逻辑(至少部分包含在硬件中)，其支持执行软件应用130的计算装置100的监控、测试和调试。例如，测试器110可用于仿真一个或更多个有缺陷的或不可用的计算装置100的组件，以允许确认实际存在于计算装置100上的组件如何在各种情况下运行(如，组件如何与软件应用130交互)。这样，可以在类似于后期生产运行的环境下调试软件应用130。
CPU112包括存储从存储装置114频繁存取的信息的内存和逻辑。计算装置100经常由用户使用UI(用户界面)116进行控制，其在软件应用130运行期间提供至用户的输出并接收来自用户的输入。输出使用显示器118、指示灯、扬声器、振动、图像投影仪132和类似装置提供。输入通过音频和/或视频输入(如使用语音或图像识别)和机械装置来接收，机械装置如键盘、开关、邻近探测器和类似的机械装置。CPU112和测试器110与I/O(输入//输出)端口128耦合，该端口128提供接口(其被配置用来从外围设备和/或计算装置131接收输入(和/或提供输出至外围设备和/或计算装置131)，包括有形介质(如闪存)和/或有线或无线介质。这些和其他输入与输出装置由外部装置使用无线或有线连接选择性地与计算装置100耦合。
如本文所公开的，通过评估包含在邻近物体中的材料的特性，邻近材料-识别感测技术允许自主电子系统更准确的确定邻近物体的物质。包含在邻近物体中的材料特性的识别用于减少(和/或消除)与假正的(false positive)邻近检测相关的问题。
图2是根据本公开的实施例图示邻近材料-识别感测系统的示意图。系统200是自主电子系统示例，其设置成用于完成邻近材料-识别感测。系统200包括处理器210、低通滤波器212、公共匹配网络214、天线220、电容式邻近传感器230、滤波器232和模数转换器(ADC)240。
处理器210是诸如CPU112的处理器，其一般设置成用于响应于如人的手指的邻近对象的材料特性的接近而控制系统200的功能。处理器210产生和/或控制适于驱动天线220的单或双端射频信号。该射频信号是重复波函数，它可以是正弦波、方波或其他适于驱动天线220的波形。例如，方波信号可经过低通滤波器212进行滤波来通过基频(如以13.56兆赫的频率)。公共匹配网络214设置用于平衡至天线220的馈线阻抗和天线220本身的特性阻抗。
在示出的实施例中，天线220设置成线圈，其中当为天线提供能量时，天线具有延伸通过电容式邻近传感器230表面的一部分的电芯。例如，天线220构成的线圈可设置为一系列导电迹线(conductive traces)，其围绕电容传感器的内部部分逐渐缠绕或循环(一次或更多次)。当导电迹线设置成直线形式，每个段(或段的分组)较短(或较长，这取决于遍历段的方向)，使得段逐步向内“盘旋”至电容式邻近传感器230(或从电容式邻近传感器230向外“盘旋”，这取决于遍历段的方向)。(在可替代的实施例中，导电迹线也可设置成使用弯曲路线以形成围绕电容式邻近传感器230缠绕的曲线盘旋)。
导电迹线具有长度“l1”和宽度“w1”，长度“l1”比电容式邻近传感器230的长度“l2”更长，宽度“w1”比电容式邻近传感器230的宽度“w2”更宽。导电迹线的每个段都与该导电迹线的邻近段分开(如用电介质分开)距离“d1”，并具有宽“d2”。由此，导电迹线被设置成响应于施加的(例如，时间不变的)与导电迹线相对端耦合的(例如，从处理器210耦合)射频信号相互感应并形成电场。导电迹线不必与电容式邻近传感器230位于同一平面中，不必围绕电容传感器，甚至具有各种形状，但要设置成与电容式邻近传感器230电力上相互作用。
导电迹线的总长度(以及“匝”数、相邻段之间的间隙、每个段的宽度和长度)可根据与天线220耦合的射频信号(例如音调和/或载波)的波长的分数进行选择。范围“r”辐射电场的方向性还受形状、比例、路线宽度、路线间距离、导电迹线内部总周长和导电迹线外部总周长的影响。
电场使用场线
Figure BSA00000914261700041
表示，而场线的产生与电容传感器模式有关，场线
Figure BSA00000914261700043
的产生与射频/材料识别模式有关。场线
Figure BSA00000914261700044
示出了耦合在物体(将被检测的)与电容式邻近传感器230的相关部分之间的电场，以及
Figure BSA00000914261700045
示出了耦合在天线220构成的线圈与电容式邻近传感器230的相关部分之间的电场。电场和磁场的上主波瓣和下主波瓣可用于检测具有范围“r”的物体(将被检测的)。电场还与磁分量相关。导电与不导电物体都可能影响天线线圈的场的强度，其与场线相关。因此，在材料识别模式中，当
Figure BSA00000914261700049
场受到影响，
Figure BSA000009142617000410
场也因此受到影响，例如，这将导致电容式邻近传感器230的(由于
Figure BSA000009142617000411
场的变化)相关联部分的幅度的变化。
因此，将天线220设置成线圈，当为线圈提供能量时，线圈产生具有上波瓣和下波瓣的电场，主上波瓣和主下波瓣限定延伸穿过电容式邻近传感器230的部分表面的轴(如下关于图3所讨论的)。当使用不与电容式邻近传感器230的部分表面平行的投影轴，以正交投影观察时，路线看起来似乎围绕着电容式邻近传感器230。
为了便于商业化，设置用于发射射频信号的天线可以使用需要认证的FCC阈值以下的发射输出功率(例如，包括与天线220耦合的射频信号的频率的频带)来驱动。
例如，电容式邻近传感器230是铜填充垫，其具有由电容式邻近传感器230的长度“l2”和宽度“w2”的乘积(乘法运算)确定的面积/区域。(例如，矩形电容式邻近传感器230的纵横比可以变化，其面积可以大于或小于人手指的面积。)电容式邻近传感器230的铜填充垫形成在诸如印刷电路板(PCB)的固定基板上或形成在诸如柔性PCB的柔性基底上。如上所述，在实施例中，线圈天线被设置成围绕电容式邻近传感器230的周界。
电容式邻近传感器230设置成通过检测电容传感器的电容的变化来识别邻近物体的存在。电容式邻近传感器230也可作为传感器，用于通过感测天线220产生的电场干扰(和干扰程度)，来识别邻近物体的材料。因此，电容式邻近传感器230用于进行两种不同类型的测量。在一个实施例中，测量是时间复用的，其中测量类型是交替的。
系统200使用电容式邻近垫连同诸如ADC(模-数转换器)的电量传感器来测量施加的电场频率的水平，其从周围的线圈天线220耦合至电容式邻近传感器230。电量传感器的一个功能是量化(单位时间内的电阻、电容等)检测到的与电容式邻近垫相关的电属性。当各种物体移入天线的场内时，它们影响并干扰天线220和公共匹配网络214(可以匹配到天线220)的调谐与效率。场中的导电物体影响由天线220输出的磁场(以及随之而来的电场)特性远大于不导电物体的影响。被改变的电场特性中的一个特性显现为用于产生与电容式邻近垫耦合的电场和磁场的射频信号幅度的变化。
射频信号幅度的变化可通过由ADC240执行的测量检测到。ADC240将测量结果转成处理器210的软件和/或固件使用的数据。可选择地，滤波器232用于滤波接收到的射频信号以防止和/或减少ADC240采样的射频信号的混淆。
在一个实施例中，低速ADC240用于最小化功耗、复杂性和布局面积。使用低速ADC240，有意使用欠采样(under-sampling)和混叠以允许检测ADC240输入的信号能量并提供增加的噪声抗扰。
没有外部滤波(例如为了维持低成本)，已接收射频信号的幅度仍然可以被ADC240测量，而不论欠采样(甚至考虑关于射频信号频率的大差异的采样率和奈奎斯特率)引起的混淆程度如何。电容式邻近传感器230由ADC240欠采样，从而使用宽频带输入进行有效的操作。
例如，由欠采样的ADC240输入确定的总能量，例如，由电容式邻近传感器230在累积采样的选定时间段内(如十分之一秒)的采样量(如被电场影响)的和来确定。(在替代的实施例中，软件包络检测器可设置用于确定总能量。)因此，无干扰电场、在电场中不导电物体的存在和噪声内容的存在基本上不影响ADC240输入的能量基线水平。
当欠采样电容式邻近传感器230时，被采样信号的幅度(即便没有滤波器232的干涉存在)，基本上不会被ADC240错误地测量。ADC240能够基本正确地测量与电容式邻近传感器230耦合的能量，因为邻近导电物体(在电场范围内)的存在既能降低在ADC240的输入的能量(在选定时间段内通过累积采样确定的信号幅度)，也可保护系统200免受外部噪声源影响。因此，ADC240欠采样为系统提供增加的噪声抗扰性，同时也允许使用相对简单的(例如，低成本的)宽带ADC240来测量电容式邻近传感器230。
在其他实施例中，更复杂的ADC、比较器、采样和保持电路或其他常见的外围设备或其他各种类型电压传感器可用于检测与电容式邻近传感器230耦合的射频信号幅度的变化。已检测的与电容式邻近传感器230耦合的射频信号的幅度的变化可使用电量传感器通过在选定的时间段内累积采样来检测。
在一个实施例中，RFID(射频识别)信号发生器设置成耦合RFID信号至天线220，使得天线用于发射RFID射频信号。使用天线220发射RFID射频信号允许系统200设计更为紧凑，因为它消除了使用天线专门单独用于发射RFID信号的需要。
同样，电容式邻近传感器230设置用于接收RFID射频信号。通过消除使用接收天线单独专门用于接收RFID射频信号的需要，使用被设置用于接收RFID射频信号的电容式邻近传感器230允许系统200设计更为紧凑。
类似地，ADC240被设置用于采样由电容传感器接收的RFID射频信号，并设置为输出以及发送采样至处理器210从而为系统200提供RFID功能。使用ADC240采样RFID射频信号，通过共享使用ADC用于例如读取RFID射频信号、读取接收到的射频信号和测量电容式邻近传感器230的电容，允许系统200设计更为紧凑。例如，接收到的射频信号和接收到的RFID射频信号的读数和电容传感器的电容在传送至处理器210时可以是时间复用的。
所选择的用于读取接收到的射频信号、接收的RFID射频信号和电容传感器的电容的时间段可根据选择的读取功能而变化。例如，用于读取RFID射频信号的时间段可根据RFID协议选择。同样，用于测量电容式邻近传感器230的电容的时间段可根据适于确定与电容式邻近传感器230的实现有关的RC(电阻-电容)时间常数的时间间隔来选择。
同样，用于读取接收的射频信号的时间段可以根据适用确定电场内邻近物体的移动的时间间隔来选择。对于人的手指在磁场和电场的波瓣范围“r”内的移动，所选的用于积累采样的时间间隔可以为了确定手指移动通过电场的波瓣的速率而被选择。
图3是根据本公开的实施例示出材料-识别邻近感测传感器发射的波瓣的示意图。如图2所示，天线220设置为被提供能量时响应于与天线220耦合的射频信号而产生电场的线圈。在图3中，电场300图示为产生的具有上波瓣320和下波瓣330的电场的主“波瓣”，上波瓣320和下波瓣330限定延伸穿过(柔性的)电容传感器310的部分表面的轴。出于简明的目的，上波瓣320和下波瓣330以几何形状说明。在各种实施例中，电场的形状根据天线220和电容传感器310的各种形状和设置而不同。
图4是根据本公开的实施例示出材料-识别邻近感测的流程图。这里示出的程序流是示例性的，因此，程序流内的各种操作执行的顺序不必与所示的程序流的顺序相同。程序流开始于节点402并继续至操作410。
在操作410中，检测电容传感器的电容的变化。电容的变化使用任何合适的方法来检测，包括例如测量与电容传感器相关的RC-时间常数。如上所述，电容量的变化可检测物体的邻近，但是基本上无法辨别组成物体的材料。程序流继续至操作412。
在操作412中，确定是否检测到电容的变化。如果电容未发生变化，则程序流继续至操作410。如果电容发生变化，则程序流继续至操作420。
在操作420中，由基本上围绕电容传感器设置的天线发射射频信号。当发射的射频信号在电容传感器中产生电压时，天线基本上围绕电容传感器设置。程序流继续至操作430。
在操作430中，电容传感器接收发射的射频信号。进行接收的射频信号的幅度的基线测量(如当没有物体邻近电容传感器时)。基线测量可使用如上所述的ADC通过欠采样(如低于奈奎斯特速率)接收的射频信号以在所选时间段内检测接收到的射频信号的能量水平来完成。欠采样还增加系统相对量的噪声抗扰力，用于执行材料-识别邻近感测。噪声通常产生于系统外部，但是也可能由系统产生噪声。程序流继续至操作440。
在操作440中，检测接收的射频信号的变化。通过测量接收的射频信号的幅度(如使用欠采样ADC)检测接收的射频信号的变化。程序流继续至操作450。
在操作450中，监控检测到的接收的射频信号中的变化。通过比较测量的幅度与基线测量来确定检测到的变化的程度，从而监控检测到的接收的射频信号中的变化。也可通过测量接收的射频信号的幅度并比较测量的幅度与预定阈值来确定检测到的变化的程度，从而检测接收的射频信号中的变化。也可通过测量所接收的射频信号的幅度并比较测量的幅度与一个或更多个阈值的列表的比较来检测接收的射频信号中的变化，所述比较是与预定阈值的比较，这些阈值的每一个对应一种材料类型的物体(如人的手指)，用于进行有效邻近检测。程序流继续至操作460。
操作460中，确定有效邻近检测是否发生。所测量的接收到的射频信号的幅度与预定义阈值的比较提供了构成邻近物体的材料的指示(如，导致检测到电容的变化)。测量的幅度与邻近物体的导电性成正比。因此，组成邻近物体的材料的特性识别增加了有效检测的可能性。如果有效邻近检测未发生，则程序流继续至操作430。如果有效邻近检测已经发生，则程序流继续至操作470。
在操作470中，输出有效的检测信号。响应于有效检测的确定而输出有效的检测信号。输出的有效检测信号被处理系统用于响应于邻近物体的有效检测(例如检测到人手指按下)而执行一个动作。执行的动作可以是系统可执行的任意动作，如接受安全码、选择电梯控制、从机器上分配选择的产品，等等。程序流继续至节点490并结束。
如上所述各种实施例仅以示例的方式提供，且不应被解释为限制所附权利要求。本领域技术人员将容易认识到可以不按照示出和描述的示例性实施例和应用，并且在不脱离以下权利要求的真正精神和范围的情况下，作出各种更改和变化。

Claims (20)

1.一种材料-识别邻近感测装置，包括
天线，其被设置用于发射射频信号；
电容传感器，其被设置用于检测所述电容传感器的电容的变化，并设置用于接收所述射频信号；以及
电量传感器，其被设置用于检测接收的射频信号的变化。
2.根据权利要求1所述装置，还包括匹配网络，其被设置用于平衡天线的传输特性和低通滤波用来驱动所述天线的信号。
3.根据权利要求1所述装置，其中所述电量传感器包括模数转换器，所述模数转换器被设置用于量化检测到的所述接收的射频信号的变化。
4.根据权利要求1所述装置，其中所述电量传感器包括模数转换器，所述模数转换器被设置成以少于或等于发射的射频信号的载波频率的至少两倍的采样率来量化检测到的所述接收的射频信号的变化。
5.根据权利要求4所述装置，其中所述模数转换器被设置用于量化检测到的所述电容传感器的电容的变化。
6.根据权利要求5所述装置，其中所述模数转换器被设置用于输出所述接收的射频信号的时间复用读数和所述电容传感器的所述电容。
7.根据权利要求1所述装置，其中所述电容传感器是设置为具有表面的导电材料。
8.根据权利要求7所述装置，其中所述电容传感器的表面是平的。
9.根据权利要求7所述装置，其中所述天线被设置成线圈，当为所述线圈提供能量时，所述线圈具有延伸穿过所述电容传感器的部分表面的电芯。
10.根据权利要求7所述装置，其中当使用不平行于所述电容传感器的部分表面的投影轴来进行二维投影观察时，所述天线被设置成围绕所述电容传感器的内侧部分的位于基底上的一系列导电迹线。
11.根据权利要求7所述装置，其中所述天线被设置成线圈，当为所述线圈提供能量时，所述线圈产生具有上波瓣和下波瓣的电场和磁场，所述上波瓣和下波瓣限定延伸穿过所述电容传感器的部分表面的轴。
12.根据权利要求11所述装置，天线被设置成使用需要认证的FCC阈值以下的发射输出功率来发射射频信号。
13.根据权利要求12所述装置，包括射频识别即RFID信号发生器，其被设置成将RFID信号与所述天线耦合，其中所述天线被设置成发射RFID射频信号，其中所述电容传感器被设置成接收所述RFID射频信号，并且其中所述模数转换器被设置成输出所述接收的射频信号、所述接收的RIFD射频信号的时间复用读数和所述电容传感器的所述电容。
14.一种材料-识别邻近感测系统，包括：
天线，其被设置用于发射射频信号；
电容传感器，被设置用于检测电容传感器的电容的变化并设置用于接收所述射频信号；
电量传感器，其被设置用于检测所接收的射频信号的改变；和
处理器，其被设置用于监控检测到的所述接收的射频信号的变化并响应于所述检测到的接收的射频信号的变化来确定是否发生有效的邻近检测。
15.根据权利要求14所述系统，其中所述处理器被设置成监控检测的所述电容传感器的电容的变化，并响应于所述检测的电容传感器的电容的变化和所述检测的接收的射频信号的变化来确定是否发生有效的邻近检测。
16.根据权利要求14所述系统，其中所述确定是否发生有效的邻近检测是响应于所述检测的变化与预定阈值的比较而进行的。
17.一种材料-识别邻近感测的方法，包括：
使用天线发射射频信号；
检测电容传感器的电容的变化；
使用所述电容传感器接收所述射频信号；
检测接收的射频信号的变化；
监控检测到的接收的射频信号的变化；和
响应于所述检测到的接收的射频信号的改变来确定是否发生有效的邻近检测。
18.根据权利要求17所述方法，包括：
监控检测到的电容传感器的电容的变化；以及
响应于检测到的电容传感器的电容的变化和检测到的接收的射频信号的变化来确定是否发生有效的邻近检测。
19.根据权利要求18所述方法，其中确定是否发生有效的邻近检测是响应于检测到的变化与预定阈值的比较而进行的。
20.根据权利要求17所述方法，包括使用模数转换器以少于或等于发射的射频信号的载波频率的至少两倍的采样率来量化所述检测到的接收的射频信号的变化。
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