CN104121932A - 具有集成的温度传感器的便携式电子装置 - Google Patents

Abstract

本公开涉及具有集成的温度传感器的便携式电子装置。提供了一种便携式电子装置，其具有：一个或多个集成的温度传感器(12)，用于测量周围温度；动态补偿器，用于响应于周围温度(Ta)的变化来缩小传感器输出(Ts)之间的差值，其中，动态补偿器(25,26)根据预定义条件在针对周围温度变为更低温度的至少一种动态补偿模式与针对周围温度变为更高温度的至少一种不同的动态补偿模式之间切换。

Description

具有集成的温度传感器的便携式电子装置

技术领域

本发明涉及一种包括集成的温度传感器的便携式电子装置、以及使用这样的装置测量温度的方法。

背景技术

例如从共有的公布的美国专利申请No.2011/0307208A1已知，传感器以如下这样的变化来对突然变化做出响应，该变化不仅由变化本身确定而且还由传感器自身的响应函数确定。这对于集成到便携式电子装置中的传感器尤其成问题。根据用户的动作和位移，例如，步入到气候受控制的房屋里或离开该房屋到屋外，可以使例如集成到移动通信装置中的温度传感器暴露于周围温度的几乎瞬时的阶跃变化，对于此传感器的输出做出反应通常有延迟。

在时间不敏感的应用中，在进行实际传感器读取并且将其显示给用户之前，可以等待，直到传感器再次与周围状况处于平衡为止。

然而，为了更快速地对用户尝试的测量请求做出反应，可以动态地补偿传感器。如例如在‘208申请中所描述的，经动态补偿的传感器提供比传感器输出更快速地适应实际周围状况的响应。一般来讲，经动态补偿的信号是传感器的被设计为减小被测量传感器输出与实际周围状况之间的差值的模型的输出。

当然，动态补偿器的目的是提供尽可能接近传感器的实际响应的模型响应。因此，改进便携式电子装置中的传感器(特别地，温度传感器)的动态补偿被看作是本发明的一个目的。

发明内容

根据本发明的一方面，提供一种便携式电子装置，该便携式电子装置具有：一个或多个集成的温度传感器，用于测量周围温度；动态补偿器，用于基于传感器的响应函数，响应于周围温度的变化来减小直接基于传感器输出的温度读数与实际周围温度之间的差值，其中，动态补偿器根据温度变化而在具有不同响应函数的至少两种动态补偿模式之间变化。

在优选实施例中，所述基于不同响应函数的至少两种动态补偿模式以如下方式来反映变化，即具有集成的温度传感器的装置在该装置内存在内部热源的情况下建立与周围温度的平衡。在本发明的优选变型中，装置包括热补偿系统，该热补偿系统补偿通过集成的温度传感器测量的温度与周围温度之间的偏差。发现，热补偿系统所产生的补偿信号可以提供用于在不同动态补偿模式之间进行选择的条件。

特别地，被测量信号与经热补偿的信号之间的差值是增大还是缩小(预定义量)可以用于选择所述至少两种动态补偿模式之一。可替代地，被测量信号与经热补偿的信号之间的差值的符号的变化可以用于选择所述至少两种动态补偿模式之一。

便携式电子装置可以是移动电话、手持计算机、电子阅读器、平板计算机、游戏控制器、指向装置、照相机或摄像机、数字音乐播放器、手表、遥控钥匙、头戴式耳机、数字相框以及计算机外设。

在从属权利要求中以及在以下的说明书中列出其它的有利的实施例。描述的实施例类似地与装置、方法和任何计算机程序元件有关。尽管可能没有被详细描述，但是从实施例的不同的组合可出现协同效果。

此外，应当注意，本发明的与方法有关的所有实施例可按所描述的步骤的次序被实施。然而，这不一定是仅有的必要的步骤次序，技术可行的方法步骤的所有不同的次序应包含于权利要求的范围中，并且由方法权利要求公开。

附图说明

参照附图对本发明的示例进行详细描述，其中：

图1A是便携式电子装置的透视图；

图1B是图1A的装置的外壳的一部分内的示意图；

图2是关于根据本发明的示例的便携式装置的组件的框图；

图3示出在温度传感器处确定温度的热流的概要；

图4是两个不同的动态补偿器系统响应于周围温度的阶跃变化的性能的仿真；以及

图5是例示根据本发明的示例的经动态补偿的温度测量的要素的框图。

具体实施方式

图1A的装置是诸如移动电话的便携式电子装置。移动电话的外壳10包含正面，该正面具有屏幕101和诸如按钮102的元件以使得用户与电话交互作用。在正面还示出用于扬声器的开口103。其它的开口104、105位于外壳10的下侧壁。在这些开口后面安装诸如麦克风和扬声器的组件是公知的。电话以公知的方式包括一个或两个照相机106、诸如位置传感器或GPS的内部附加传感器(未示出)以及加速度和取向传感器。

另一开口107位于下侧壁上。如图1B所示，开口107与穿过外壳的内部的管状导管11链接。温度传感器12和湿度传感器13两者沿着导管11被安装，使得该两个传感器的灵敏区域通过开口107暴露于环境空气。适当的传感器是例如可在商业上按照商标名称SHTC1或STS21(作为仅温度传感器)从Sensirion^TM AG得到的。导管11的实际尺寸和形状依赖于可用的体积，并且温度传感器12和湿度传感器13的性质可改变，但是给定便携式移动装置的物理约束，开口的面积典型地处于小于10平方毫米的范围内，并且，在本例子中，实际大致小于3.1平方毫米。

温度传感器还可以被安装在与湿度传感器分开的或者与电话的外壳齐平的导管中。

图2示出便携式装置的最重要的组件的框图。特别地，该装置包括集成作为CMOS基板211的一部分的温度传感器21，该CMOS基板211具有用以控制传感器的基本读出和基本功能的CMOS电路。例如，CMOS电路可包含用于接通或关断传感器及其加热器的驱动器以及A/D转换器和放大器和用于在I2C总线22上交换数据的I2C总线控制器。I2C总线连接传感器与传感器集线器23。另一湿度传感器24也与I2C总线22链接。传感器集线器23提供控制和处理单元，该控制和处理单元用于基于分别送向或取自芯片上CMOS电路的信号的温度传感器21的更复杂的控制和读出功能。传感器集线器23还控制诸如GPS、磁力计和加速计等的其它的辅助传感器。

也可通过便携式装置的中央处理单元(CPU)25执行其它的控制和读出功能，该CPU25继而可以对存储器26进行读取/写入访问，该存储器26可包含在本领域中已知的静态或易失性存储器或者两者。存储器26典型地存储装置的操作系统，并且也可用于存储专用于便携式装置的传感器的操作的应用程序。被存储并由CPU25执行的传感器专用程序和程序库以及传感器集线器所执行的功能形成温度处理单元，该温度处理单元能够将传感器的测量变换成可被显示或者以其它方式传送到便携式装置的用户的结果。

执行例如在以上引用的‘208申请中描述的动态补偿所需的组件和可执行代码可以驻留在存储器26中并且被CPU25执行。

存储器26和CPU25也可被用于存储和运行用于热补偿器的可执行代码，该热补偿器被应用于传感器信号以校正被直接测量的温度，以补偿移动装置内部或外部的周围环境对传感器的影响。

这种补偿器典型地包括考虑了装置内的元件的热源、热容量和热传导、其外壳和其它因素的模型的表示。基于该模型和与元件的当前状态有关的测量，所测量的温度值在被显示之前被校正。

在本示例中，CPU25和存储器26还包括并且执行如下这样的系统，该系统检测温度变化是表示周围温度向上变化还是表示周围温度向下变化，并且根据这样的确定的结果来选择用于动态补偿的向上或向下变化模型。下面在参照下面的图3至图5的同时更详细地描述这样的系统的功能。

除了上述的特定传感器以外，CPU也与一个或更多个传感器(例如为照相机271或麦克风272，也被示为图1的照相机106和麦克风104)连接。如例子中所示，诸如位置、加速度和取向传感器的其它传感器273可由传感器集线器23控制。传感器271、272分别通过使用它们自身的接口单元274、275与CPU通信，它们典型地与温度传感器21完全独立地操作。

装置还包括公知的输入/输出单元281(诸如触摸灵敏显示器、虚拟或物理键盘和姿势跟踪装置等)。所示的便携式装置具有包括在本领域中公知的天线、驱动器电路以及编码和解码单元的电信电路282。通过使用这种电信电路，装置可与所示的远程位置29以及公共语音和数据网络连接。

图3、图4和图5的示图例示用于增强动态补偿的系统的元件。尽管在本示例中以可执行代码的形式实现，但是该系统的功能元件可被以软件、固件或硬件的其他已知形式实现。还应指出，这些元件中的一些或全部及它们各自的实现还可以被实现为被相应地编程的专用微处理器。

如图3中所示，便携式电子装置典型地包括一个或多个热源Qi，该一个或多个热源Qi根据它们的负载产生热流。在存在这样的热流的情况下，所述装置及其部件(诸如温度传感器)实现通常所称的稳态条件或动态平衡，导致被测量温度Ts不等于实际周围温度Ta。

集成的温度传感器处的热流和与周围温度Ta的偏离可以使用便携式装置内的热传感器和/或负载传感器来测量。通过使用输入和热传递模型，热补偿系统可以产生集成的温度传感器的稳态温度Ts的校正，以便显示周围温度Ta的更正确的近似，所述热传递模型使用例如表征源Qi与集成的温度传感器之间的热流k1、集成的温度传感器与环境之间的热流k2、以及热源Qi与环境之间的热流k3的耦合常数来对所述装置内的以及通过所述装置的外壳的热流和热导率进行建模。

热补偿系统可以例如用可以在数学上用微分方程组描述的动态热模型实现。在一个实施例中，该模型可以包括一个或多个热源(优选地为最相关的热源)，在另一实施例中，附加地包括一个或多个热导率(优选地为最相关的热导率)，并且在另一实施例中，附加地包括一个或多个热容量(优选地为最相关的热容量)，而且它包括温度传感器，并且它可以包括一个或多个可选的可以用于移动装置中的温度传感器。

然后可以通过使用以下方程[1]作为补偿器来从这些输入估计周围温度Ta：

[1]

x(k+1)＝Ax(k)+Bu(k)

y(k)＝Cx(k)+Du(k)

其中，u(k)表示时间步长(time step)k时的输入，y(k)表示输出Ta，x(k)表示补偿器的内部状态矢量。A是n×n矩阵，B是n×m矩阵，C是1×n矩阵，D是1×m矩阵，其中，n是取决于模型的复杂度的状态的数量，m是输入的数量。典型的输入可以是例如显示器的强度、电池充电水平的时间导数、中央处理单元负荷或其他功率管理信息。便携式电子装置的热点处的附加温度传感器可以改进补偿结果。

因此，在一个实施例中，便携式电子装置被建模为具有热源(并且可选地具有热容量和/或热导率)的热系统。从该模型导出根据方程[1]的状态空间描述的时间离散热补偿器，其可以容易地通过使用以下软件代码在便携式电子装置的微处理器上实现：

在不停止时

{

u＝Read_Input()；//读取输入

y＝C*x+D*u；//计算输出

x＝A*x+B*u；//状态更新

Ta＝y；//周围温度＝y

}

可以在显示器21上显示经补偿的温度Ta，然而，在本发明中，从传感器读数直接确定的被测量温度Ts与被估计的周围温度Ta之间的差值用作用于选择用于温度传感器的两种不同的动态补偿模式的条件。

例如在引用的‘208申请中描述了像这样的动态补偿系统，导致系统方程[2]，它们的数学结构与以上方程[1]相同：

[2]

x(k+1)＝Ax(k)+Bu(k)

y(k)＝Cx(k)+Du(k)

其中，矩阵A、B、C和D的阶次表示补偿滤波器的阶次，并且矩阵系数的性质取决于传感器响应的底层模型，它们的值被选择为最接近地反映被建模的系统。

在诸如方程[2]的方程组上构建的补偿器的精确值是关于所选模型及其复杂度的问题。在选择合适的模型之后，这些值可以通过将装置例如放置在限定的温度环境下并且实现温度的阶跃变化(stepchange)的实验来确定。

然而，发现，当根据温度的绝对值和通过内部源产生的热量，与相同幅值的向下阶跃相比温度进行了显著的向上阶跃时，传感器对阶跃变化的响应可能不同。可以高效地将确定这样的行为的热传递处理归入两个或更多个不同响应函数中，由此归入A、B、C和D的矩阵元素的两组或更多组值中：

[2.1]

x(k+1)＝A1x(k)+B1u(k)

y(k)＝C1x(k)+D1u(k)

x(k+1)＝A2x(k)+B2u(k)

y(k)＝C2x(k)+D2u(k)

在图4中基于以下方程示出了这样的动态补偿器的连续时间仿真：

[2.2]

dx/dt＝-1/3x+1/3u,

y＝x

dx/dt＝-1/4.2x+1/4.2u,

y＝x

其中，相应的经Laplace变换的补偿器为：

[2.3]

y(s)/u(s)＝(3s+1)/(s+1)

y(s)/u(s)＝(4.2s+1)/(s+1)

其中，每一方程组[2.1]、[2.2]、[2.3]中的第二个表示用于周围温度Ta中的向上阶跃的补偿模式2。

如图4中所示，与用于向下阶跃或恒温情况的模式1相比，补偿模式2可以对于周围温度Ta的向上阶跃显著地加快补偿。在该图中，传感器读数Ts用具有最小梯度的曲线表示，随后的曲线表示用与应用于向下阶跃的补偿器模式1相同的补偿器模式1动态补偿的温度，最接近周围温度的实际阶跃函数的曲线是作为使用模式2的补偿的结果而产生的曲线。

动态补偿根据其在分别由索引1与2指定的模式之间切换的条件可被以不同方式选择。在存在如上所述的热补偿系统时，该条件可以基于通过传感器测量的温度信号与经补偿的温度信号之间的差值ΔT的函数。这样的函数的示例可以是ΔT的阈值，当越过该阈值时改变补偿模式。当ΔT的阈值被设置为零时，经补偿的值越过传感器温度可触发模式之间的改变。

作为阈值的替代，可以使用ΔT的时间梯度，从而监视ΔT的改变速率以导出针对模式之间的改变的条件。

如以上方程中所表示的，还可以具有用于温度向上阶跃的具有与模式2不同的一组值的多于一种的模式(例如模式3)。在这样的系统中，可以根据稳态条件期间ΔT的绝对值来进行用于向上阶跃的不同模式之间的选择。换句话讲，不同模式表示如下这样的场景，在该场景中，热补偿改变，因此与周围温度相比，内部热源在确定传感器的稳态方面起到更大的或更小的作用。还可以对于温度变为更低温度应用多于一种的模式，其中，可以再次根据例如热补偿的绝对值来进行这样的模式的选择。

在不存在热补偿系统或者独立于这样的系统的情况下，可以使用其他条件，诸如经动态补偿的温度与由传感器测量的温度之间的差值或温度变化的(初始)梯度的绝对值或任何其他量度。

图5A和5B中示出了概括用于具有内部热源的便携式装置中温度测量的动态补偿的系统的一些元件的框图。在图5A的一般变型中，在鉴别器中使用通过传感器测量的温度Ts或表示直接传感器测量的任何其他信号，该鉴别器继而被用来确定温度是否明显地向上阶跃以至于足以从正常补偿模式1切换到用于明显地阶跃到更高温度的补偿模式2。每种补偿模式是基于集成的温度传感器的不同响应函数的。在两种情况下，结果都是使被测量温度的读取加速的经动态补偿的温度T，否则被测量温度的读取将因传感器响应而延迟。

在图5B的更特定的变型中，确定模式的步骤需要热补偿系统的输出作为附加输入，该热补偿系统被设计为从在稳态条件和/或瞬时条件下的测量去除因便携式装置中内部热源的存在而引入的误差。然后，可以从如上所述的直接测量值与经补偿的值之间的ΔT导出在模式1与模式2之间切换的条件。

尽管示出并描述了本发明的当前优选实施例，但是要理解，本发明不限于此，而是可在以下权利要求书的范围内被以各种其它方式体现和实施。

Claims (11)

1.一种便携式电子装置，包括：一个或多个集成的温度传感器(12)；动态补偿器(25,26)，用于响应于周围温度(Ta)的变化，减小基于传感器输出(Ts)的温度读数与周围温度(Ta)之间的差值，其中，动态补偿器(25,26)适于根据预定义条件在针对周围温度变为更低温度的至少一种动态补偿模式(模式1)与针对周围温度变为更高温度的至少一种不同的动态补偿模式(模式2)之间切换。

2.根据权利要求1所述的装置，其中，动态补偿模式基于不同补偿滤波器和/或不同传感器响应函数。

3.根据权利要求1或2所述的装置，其中，所述预定义条件包括传感器输出(Ts)与传感器输出的经补偿的值(Thc)之间的比较结果。

4.根据前面的权利要求中的任何一个所述的装置，还包括热补偿器(25,26)，所述热补偿器(25,26)用于补偿通过传感器测量的温度(Ts)的误差，并且其中，所述预定义条件基于传感器输出的经热补偿的值(Thc)与传感器输出(Ts)之间的比较。

5.根据权利要求4所述的装置，其中，所述预定义条件是传感器输出的经热补偿的值(Thc)与传感器输出(Ts)之间的差值的阈值。

6.根据前面的权利要求中的任何一个所述的装置，还包括针对周围温度变为更高温度的两种或更多种动态补偿模式、和/或针对周围温度变为更低温度的两种或更多种动态补偿模式。

7.根据权利要求6所述的装置，其中，基于在稳态条件下传感器输出的经热补偿的值(Thc)与传感器输出(Ts)之间的差值来选择分别针对周围温度变为更高温度或变为更低温度的两种或更多种动态补偿模式之一。

8.根据前面的权利要求中的任何一个所述的便携式电子装置，所述便携式电子装置选自包括以下的组：

移动电话，

手持计算机，

电子阅读器，

平板计算机，

游戏控制器，

指向装置，

照相机或摄像机，

数字音乐播放器，

手表，

遥控钥匙，

头戴式耳机，

相框，

以及计算机外设。

9.一种用于动态地补偿集成到便携式电子装置中的温度传感器(12)的方法，包括以下步骤：使用一个或多个集成的温度传感器(12)来测量温度，并且通过基于预定义条件在针对周围温度变为更低温度的至少一种动态补偿模式与针对周围温度变为更高温度的至少一种不同的动态补偿模式之间切换来动态地补偿温度测量。

10.根据权利要求9所述的方法，还包括使用传感器输出(Ts)与传感器输出的经补偿的值(Thc)之间的比较结果作为所述预定义条件的步骤。

11.根据权利要求10所述的方法，其中，所述预定义条件包括传感器输出的经热补偿的值(Thc)与传感器输出(Ts)之间的比较结果。