CN104215264B - 具有集成温度传感器的便携式电子设备 - Google Patents

Abstract

本发明涉及具有集成温度传感器的便携式电子设备。提供一种便携式电子设备，该便携式电子设备具有一个或多个用于测量环境温度的集成温度传感器(12)，用于减小传感器输出(Ts)与环境温度(Ta)之间差异的补偿器(25、26)，该补偿器(25、26)根据环境和/或操纵状况在多个补偿模式之间进行转换，该补偿模式根据一个或多个其它集成传感器和/或外部传感器的测量结果来选择。

Description

具有集成温度传感器的便携式电子设备

技术领域

本发明涉及一种包括集成温度传感器的便携式电子设备以及利用这种设备测量温度的方法。

背景技术

例如，根据共有的被公开的美国专利申请2011/0307208A1中可以知晓：传感器以某种变化来响应于突变，该变化不仅由变化自身确定，还由它们自身的响应函数确定。该2011/0307208A1的申请描述了对传感器这种行为的动态补偿，以便在比通过仅等待直到传感器达到新的稳定状态可能花的时间更短的时间内生成测量的结果。

对于温度传感器，补偿由该设备的内部热源引起的偏差也很重要。利用由源生成的热的测量结果，根据设备的实际状态对设备热源、热流动以及热容量进行建模，从而能够补偿这种偏差。

尽管有了这种补偿，由于在环境或设备的操纵(handling)中的变化，还可能会引起由集成到便携式设备中的温度传感器所进行的温度测量的进一步的误差。

因此，本发明的目的被视为进一步改进对这种误差的补偿并且提高便携式电子设备中温度传感器的精确度。

发明内容

根据本发明的一个方面，提供一种便携式电子设备，该便携式电子设备具有一个或多个用于测量环境温度的集成温度传感器、用于减小温度传感器输出与实际环境温度之间的差异的补偿器，其中补偿器根据由其它集成传感器测量得到的在环境和/或设备的操纵中的变化来改变其模式。

补偿器可以包括热补偿器，该热补偿器用于根据传感器与在使用时生成热的内部活动部件之间的热流模型来施加校正。补偿器可以包括动态补偿器，该动态补偿器用于根据在温度变化过程中传感器的响应模型来施加校正，以便在温度变化过程中使读出加速。

环境和/或操纵中的变化通常是由操作设备时所处的外部或环境状况中的相应变化引起的。例如，这种变化可以包括：间歇性地将该设备存放入口袋、或者将该设备暴露到阳光、风或者其它外部热源或者冷却机构所引起的变化。另选地或者附加地，该变化可能通过用户持有该装置的方式而引起。

该变化通过至少一个集成到设备的另外的传感器来检测。例如，这样的传感器可以包括：用于检测日照(sun light exposure)的亮度传感器、RGB(红绿蓝)传感器或者IR(红外线)传感器；或者用于检测风的存在和/或风的强度的麦克风。用于检测操纵的传感器可以包括触敏表面或者屏幕、或者方向传感器或运动传感器。但是，环境状况的变化(例如常见的风力和风向、云的覆盖度等等)原则上还可以通过处于设备外部并且与该设备通信的传感器进行检测。

所检测到的这些变化最好在模型中进行处理，以在不同的情形(scenario)之间进行选择。这些不同的情形优选被反映在用于补偿器中的不同模式或模型中。

便携式电子设备可以优选是移动电话、手持式电脑、电子阅读器、平板电脑、游戏控制器、定位装置、照相机或摄像机、数字音乐播放器、腕表、密钥卡(key fob)、头戴式耳机、相框以及计算机外围设置。

上述方面还可以应用到例如湿度传感器或气体传感器的其它环境传感器，其中这些传感器利用补偿器来减少传感器响应函数或快速环境变化(室内/室外)的影响。在从属权利要求中以及在下面的说明书中列出了其它的有利实施例。类似地，所描述的实施例属于该装置、方法、以及任意计算机程序元件。协同效应可以由这些实施例的不同组合而产生，尽管可能不会详细地描述这些组合。

进一步地，本发明关于方法的所有实施例可以按照所描述的步骤的顺序实施。尽管如此，这并不是这些步骤的唯一重要顺序，而在技术上可行的这些方法步骤的所有不同顺序都将包含在权利要求的范围内并且通过方法权利要求公开。

附图说明

通过参照附图，具体实施方式涉及本发明的示例，其中：

图1A是便携式电子设备的透视图；

图1B是图1A设备的外壳的部分示意图；

图2是便携式电子设备的各个部件的框图；

图3是示出了本发明示例的框图；

图4A和4B示出了环境变化对温度测量的影响；

图5描述了根据风的状况在两种补偿模式之间进行的转换的示例；

图6描述了用于补偿由将设备存放到用户口袋所引起的失真的补偿模式的示例；

具体实施方式

图1A的设备是便携式电子设备，例如移动电话。移动电话的外壳10包括具有屏幕101的前侧面、以及用于让用户与电话交互的类似按钮102的元件。在前侧面还示出了用于扬声器的开口103。另外的开口104、105位于外壳10底侧壁上。众所周知，类似麦克风和扬声器的部件安装于这些开口的后面。该电话包括一个或多个摄像头106、以及在内部的附加传感器(未示出)、诸如众所周知的位置传感器或GPS、以及加速度传感器和方向传感器。

另一个开口107位于底侧壁。如图1B所示，开口107穿过外壳的内部链接到管状导管11。温度传感器12和湿度传感器13都沿着导管11安装，以使得两个传感器的感应区域都通过开口107暴露在环境空气中。合适的传感器可以以商业方式获得，例如，Sensirion^TM公司的商标名为SHTC1和STS21(仅仅作为温度传感器)的传感器。导管11的实际尺寸和形状取决于可以获得的体积，并且温度传感器12和湿度传感器13的性质可以变化，但是考虑到便携式移动设备物理限制，开口的面积通常在小于10平方毫米的范围内，并且在本示例中实际上大约小于3.1平方毫米。

温度传感器还可以在导管中与湿度传感器分离开，或者与电话的外壳齐平，或者不连接到外部。

图2示出了便携式设备的最重要部件的框图。特别地，该装置包括集成为CMOS衬底211的一部分的温度传感器21，该CMOS衬底211具有控制传感器的基本功能和基本读出的CMOS电路。该CMOS电路可以包括：例如驱动器，用于切换传感器及其发热器开启或关闭；以及A/D转换器和放大器；以及I2C总线控制器，用于在I2C总线22上交换数据。I2C总线通过传感器集线器(sensor hub)23与传感器连接。另外的湿度传感器24也可以链接到I2C总线22上。传感器集线器23提供控制和操纵单元，用于根据分别发送到片上CMOS电路的或从片上CMOS电路提取的信号来实现温度传感器21的更复杂的控制功能和读出功能。传感器集线器23还控制其它辅助传感器，例如GPS、磁力计、加速度计等等。

进一步的控制功能和读出功能还可以由便携式设备的中央处理单元(CPU)25来执行，该中央处理单元(CPU)25进而具有对存储器26的读/写访问权，该存储器26可以包括现有技术中已知的静态存储器或易失性存储器、或它们两者。存储器26通常存储该设备的操作系统并且还可以用于存储特定于便携式设备的传感器操作的应用程序。传感器集线器执行的这些功能、以及由CPU25存储并执行的传感器特定程序和程序库将形成能够将传感器的测量结果转换为能够显示或者另外地传送给便携式设备的用户的结果。

如在例如上文引用的2011/0307208A1的申请中所描述的那样，执行动态补偿所需要的部件以及可执行代码可以驻留在存储器26中并且由CPU25执行。

存储器26以及进行执行的CPU25还可以用于存储和运行用于热补偿器的可执行代码，该可执行代码被应用到传感器信号以校正直接测量得到的温度，从而补偿便携式设备内部或外部的传感器的周围环境的影响。

这种补偿器通常包括模型的表示(representation)，该表示考虑到设备内部的元件以及设备外壳的热源、热容量和热传导、以及其它因素。根据这个模型以及与元件的当前状态相关的测量结果，在显示之前对所测量的温度值进行校正。

在本示例中，CPU25以及存储器26还包括并且执行一种系统，以确定温度的变化是否受到环境或移动设备的操纵中的变化的影响。下面，将详细描述这种系统的功能，同时在下面参照附图3到5。

除了上面描述的特定传感器之外，CPU还可以连接到一个或多个传感器，例如、摄像头271或麦克风272(还被示作图1的摄像头106和麦克风104)。其它传感器273(例如位置传感器、加速度传感器以及方向传感器)可以通过示例中所示的传感器集线器23来控制。传感器271、272分别利用它们自身的接口单元274、275与CPU通信，接口单元274、275通常完全独立于温度传感器21地工作。

该设备还包括众所周知的输入/输出单元281，例如触敏显示器、虚拟键盘或物理键盘以及手势跟踪设备等等。所示出的便携式设备具有包含天线的电信电路282，该电信电路282包括天线、驱动电路以及编码单元和解码单元，这些在现有技术中都是众所周知的。利用这种电信电路，设备可以连接到公共的声音和日期网络以及远程位置29，如图所示。

图3、4和5的图表示出了用于通过对附加环境参数的测量来提高动态补偿或热补偿的系统元件。虽然在本发明示例中采用可执行代码的方式实现，但系统的功能元件也可以采用其它已知的软件、固件或硬件的方式来实施。需要进一步注意到，这些元件中的部分或全部以及它们各自的实施也可以由被相应地编程的专用微处理器实现。

图3的框图示出了已经在图2中涉及到的多个传感器。这些传感器可以是例如触敏显示器、一个或多个麦克风、亮度传感器或IR传感器等等。此外，当试图体现(interpret)环境变化时，温度传感器31自身可以至少提供与其它测量一起使用的支持测量。

在接下来的三个示例中，将更详细地描述可能的测量结果以及它们的体现，以便改变应用到集成温度传感器31的测量结果的补偿。但是，这些示例旨在仅仅表示潜在改变传感器31的温度读数的变化或环境状况的许多其它测量结果。需要进一步注意到，为了清楚起见，这些示例被认为是相互独立的，尽管可以理解的是，每个所描述的示例可以并且很可能将会与其它的示例结合出现，或者与这里没有详细描述的变化结合出现。

从暴露在强烈阳光下的移动设备的示例开始，外壳、特别是其玻璃屏幕被发现经常非常类似于温室地起作用。主要取决于入射辐射的强度，这种影响提高了温度传感器周围的温度。对例如落入到设备的屏幕上的阳光的测量可以利用光传感器371(例如IR传感器、光电二极管、环境光传感器或RGB传感器，它们在许多现代移动设备上是标准的)来测量。这些传感器通常用于自动调节亮度或屏幕，以检测手的姿势。

阳光对温度传感器的精确影响取决于许多因素，这些因素包括例如设备的设计以及用于构建它的材料、屏幕的光学性质以及其他。尽管有这些复杂因素，但是，仍有可能通过实验确定该影响或者利用设备的热容量以及热流动模型来对它们进行仿真。此外，这些实验或仿真可以在光传感器读数与例如落入到屏幕上的阳光的量之间产生相关性，如果需要的话。

在图4A中，示出了暴露到阳光可能对集成温度传感器产生的影响的示意性表示。温度Ts如实线所示。忽略集成传感器上的内部热源的影响，示出的温度等于环境温度Ta。在t0时刻，设备的显示器暴露在太阳下。结果，设备的内部温度上升，并且Ts开始偏离于环境温度。当太阳的热通过散热到环境中达到平衡时，温度的上升逐渐变缓并且在稳定状态到达平稳。

该上升过程以及在平稳时的温度Ts可能与由IR传感器测量的值相关。在图4A中，两条另外的温度曲线如虚线所示，分别描述了对显示器的太阳辐射强度较高从而IR传感器读数较高的情况，以及对显示器的太阳辐射强度较低从而IR传感器读数较低的情况。

在一些情况下，在太阳辐射与其它辐射源(例如灯光之间)没有模糊的情况下，则可能不足以区分IR传感器的测量结果。为了达到该目的，可以使用用于区分电话的室内或室外位置的来自其它集成传感器和/或外部传感器(例如GPS)的测量结果、用于建立太阳位置的时间测量结果等等。

在图4B中示出了通过集成温度传感器测量的温度变化的另一个示例。这个示例描述了当设备被暴露在强风中时由于风寒导致的冷却过程。风速以及由此的风寒指数可以与例如由一个或多个集成到设备的麦克风所测量的背景噪声相关。如图4A中的示例，图4B中示出的设备，在经过与环境温度处于平衡(无风寒)的一段时间之后，在t0时刻暴露在风中。实线示出了由风引起的传感器温度Ts的下降。下降的形状以及设备达到新的热平衡的稳定状态取决于风寒的强度，因此能够例与如通过麦克风噪声或其它测量结果相关。

温度变化还可能由用户操纵设备的方式的改变引起。如前述示例中描述的，可以被认为是非常难于为由操纵导致的温度变化提供非常准确的评估或模型。但是在所有论述的示例中，温度测量结果的一些失真可能已经通过采用简单化假设而去除了。在操纵该设备的情况下，当在垂直或水平位置、即通过一只手或通过两只手持有设备时，通过操纵而吸入的热中的失真可能已经是显而易见的。这种位置的变化可以通过例如构建在现代移动电话中的方向传感器来确定。

设备的手覆盖的较好模型、以及因此假定转移到设备以及从设备转移出的热的模型可以例如通过利用用于握紧感测的已知的方法来获取，例如描述在如下文献中的方法：M.Goei等人的“Grip Sense：Using Built In Sensors to Detect Hand Posture andPressure”，2012年10月7-10日在美国马萨诸塞州的剑桥的UIST'12，第542-554页。这些方法使用触屏幕以及其它电容传感器或压力传感器。

一旦由环境参数和/或操纵的变化引起的温度改变通过实验被建模或建立时，它的表示例如可采用查询表的形式存储在便携式设备中。在图3中，这些表示被示出为模式1...n。在温度传感器31的操作过程中，根据由其它集成传感器371、372、373等中的任意一个或其组合所测量的值来选择模式。再次利用单一原因(single cause)的示例，由IR传感器371测量的特定值可被用于选择表示某一温度上升的模型，如图4A所示。

如图3所示，应用所选择的模式，以利用集成温度传感器31的输出Ts作为输入，生成校正温度Ta。应用了补偿的准确方法可在从偏差类型校正到更复杂的对温度传感器动态响应的补偿之间变化。

在偏差校正的示例中，由图4中所示的一条曲线的平坦端表示的稳态平稳值被从由温度传感器测量的值Ts中减去(或者根据情况被添加)。在一种变形中，温度测量结果可通过将相应模型的值(如图4中的一条曲线所表示的)减去或增加到在环境变化后的任意给定时刻的实际测量结果。

所选择的模式还可以改变已经应用于设备中的其它温度测量校正的补偿值。

例如，集成到便携式电子设备的部件通常生成取决于其负载的热流动。存在这种热流动时，设备及其构件(例如温度传感器)达到通常所称的稳态状况或动态平衡，导致所测量的温度Ts与环境温度Ta不同。

在集成温度传感器中的热流动以及与环境温度Ta的偏差可以利用便携式设备内的热传感器和或负载传感器进行测量。利用输入和热转移模型来表征源与集成温度传感器之间、集成温度传感器与环境之间、以及热源与环境之间的热流动，该输入和热转移模型利用例如耦合常数对模拟设备内以及通过其外壳的热流动和热导率进行建模，热补偿系统可以生成集成温度传感器的稳态温度Ts的校正结果，以显示环境温度Ta的更正确的近似结果。

热补偿系统可以例如通过动态热模型来实现，该动态热模型可以通过微分方程系统来数学地描述。在一个实施例中，该模型包括一个或多个热源，并且优选包括最相关的热源，并且在另一个实施例中，该模型还包括一个或多个热导率，并且优选包括最相关的热导率，并且在另一个实施例中，该模型还包括一个或多个热电容，并且优选包括最相关的热电容，以及该模型包含温度传感器，并且该模型可以包含在移动设备中可以应用的一个或多个可选的温度传感器。

于是，利用下面的方程[1]作为补偿器，根据这些输入可以估计环境温度Ta：

[1]

x(k+1)＝Ax(k)+Bu(k)

y(k)＝Cx(k)+Du(k)

其中，u(k)表示在时间段(time step)k内的输入Ts，y(k)表示输出Ta，并且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矩阵以及D是1×m矩阵，这里，n是状态的数量，它取决于模型的复杂度，以及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(battery charge level)的时间导数、中央处理单元负载、或其它能量管理信息。此外，在便携式电子设备的热点的温度传感器可以改进补偿结果。

因此，在一个实施例中，便携式电子设备被建模成具有热源的热系统，并且热系统可选地具有热电容和/或热导率。根据这个模型，推导出根据方程[1]的状态空间描述的时间离散热补偿器，这通过利用下面的软件代码可以容易地在便携式电子设备的微处理器上实现：

补偿的温度Ta可以显示在显示器21上，但是，在本发明中由方程[1]表示的补偿器具有多个模式。该模式通过补偿器的内部状态矢量x(k)和/或矩阵A、B、C以及D的不同值来表示。

根据由其它传感器所指示的设备的环境变化来选择模式。

类似地，环境变化可用于选择多个不同动态补偿的其中一个。动态补偿系统(例如在所引用的2011/0307208A1申请中已经描述的)使得系统方程[2]在数学结构上与上述方程[1]的数学结构恒等：

[2]

x(k+1)＝Ax(k)+Bu(k)

y(k)＝Cx(k)+Du(k)

这里，矩阵A、B、C以及D的阶数等于补偿滤波器的级数，并且矩阵系统的属性取决于传感器响应的潜在的模型，它们的值被选择以反映最接近模型系统。

建立在诸如方程[2]的方程系统中的补偿器的精确值与所选择的模型及其复杂度有关。在选择合适的模型后，可以通过如下实验来确定该值：例如将设备放置在定义的温度环境中并且对温度实施阶跃变化。

利用如图4B所示的两个不同风速的上述示例，合适的动态补偿可以被选择由A、B、C以及D的矩阵元素的两组或多组值来表示，即：

[2.1]

x(k+1)＝Alx(k)+Blu(k)

y(k)＝Clx(k)+Dlu(k)

x(k+1)＝A2x(k)+B2u(k)

y(k)＝C2x(k)+D2u(k)

根据下式，在图5中示出了对这种动态补偿器的连续时间模拟，

[2.2]

dx/dt＝-1/3x+1/3u

y＝x

dx/dt＝-1/4.2x+1/4.2u

y＝x

相应的拉普拉斯变换补偿器为：

[2.3]

y(s)/u(s)＝(3s+1)/(s+1)

y(s)/u(s)＝(4.2s+1)/(s+1)

其中，每组方程[2.1]、[2.2]、[2.3]中的第二个表示在低于模式1的风速下应用的加快动态补偿模式2。这种选择是基于观察到加快模式2对风速的变化更敏感，因此会在由模型估计的温度值Ta中导致更大的误差。

在更通常的情况下，模式选择和模式表示可以变得非常复杂。例如，有可能利用多个传感器输入不同的传感器371、372、373等的变量，并且处理这些输入以推导出允许选择特定补偿模式1...n其中的一个的选择标准。这种涉及多变量的处理可以利用标准例程和基础函数(例如，基线校正、多项式拟合、最大-最小确定、导数或积分计算、诸如FFT或DFT的频谱分析、滤波、矩阵计算等)来执行。这些例程可以还包括更复杂的统计分析工具的变形(例如，主成分分析，线性判别分析等等)、或者基于工具的神经网络(例如自组织映射、反向传播、模式识别例程等)。

由于例程的准确属性并不被认为是本示例的特定方面，因此，它足以被认为是从例如中可应用的已知的这种例程库。作为这种分析的结果，移动设备可能处于的许多不同环境或者操纵移动设备的多种不同方式可以通过多个内部和外部传感器和其它信息以及所选择的最可能的补偿模式来注册。

类似地，如果对温度测量结果同时存在多个环境的影响，那么需要考虑这种影响的综合效果，这导致了比与上述示例中描述的模式更加复杂的校正模式。例如，可以假设响应于线性增加的阳光入射和风，因而用于对这两者的存在进行补偿的校正模式将会是图4A和4B分别示出的实曲线的线性组合。

另选地，利用设备的数学模型及其部件，有可能对设备的环境或操纵的两个或多个同时变化的影响进行建模。还有可能执行涉及环境或操纵的两个或多个同时变化的实验，以测量通过集成传感器测量的温度的相应变化。通常，一些基础模式将会被准确地确定，而其它的模式可以通过插入和/或组合从基础模式推导出来。

在另一个示例中，假设移动设备被存放到靠近用户身体的口袋中。在这种情况下，因为存在人体的热，环境温度的温度测量是失真的，如图6中上部曲线61所示。补偿这种变化的模型可以通过在口袋内部和外部的不同环境温度下执行多次测量来得到。为了方便建立模型，可以假设针对与人体以及与环境的相互作用(interface)，通过织物的热传递系数系数相同。

激活口袋模式(在时刻t0)，在口袋模式的一段持续时间内(即至时间t1)，补偿器使得温度减小到符合该模型。在口袋模式结束后，再一次减小补偿，使得其符合所建模的设备响应。补偿信号如图6中的曲线62所示。

作为这种补偿的结果，被补偿的温度曲线63保持更接近实际环境温度Ta并且相比如果利用正常补偿模式的情况，可以在较短的时间内得到环境温度的准确读数。

根据例如接近度传感器(proximity sensor)(基于电容或IR的)、光传感器或亮度传感器的读数，以及通过测试显示器是否被关闭，通过模式选择器可以选择口袋模式。

虽然这里示出和描述了本发明的优选实施例，但需要理解的是，本发明并不限定于此，而可以另外地被多样地体现被实践在下面的权利要求的范围内。

Claims (8)

1.一种便携式电子设备，包括一个或多个用于测量环境温度的集成温度传感器(12)、用于减小传感器输出(Ts)与所述环境温度(Ta)之间差异的补偿器(25、26)，

其中所述补偿器(25、26)被配置为根据环境和/或操纵状况在多个补偿模式之间进行切换，所述多个补偿模式根据一个或多个其它集成传感器和/或外部传感器的测量结果来选择，

其中所述补偿器是用于补偿流入温度传感器(12)和从所述温度传感器(12)流出的内部热的热补偿器、和/或用于补偿所述集成温度传感器(12)的响应函数的动态补偿器。

2.根据权利要求1所述的便携式电子设备，其中所述环境和/或操纵状况包括在用户口袋内以及口袋外的设备位置的变化。

3.根据前述任意一项权利要求所述的便携式电子设备，其中补偿模式是基于不同补偿滤波器和/或不同传感器响应函数的。

4.根据权利要求1-2任一项所述的便携式电子设备，其中所述环境和/或操纵状况包括阳光入射、风、以及握紧模式。

5.根据权利要求1-2任一项所述的便携式电子设备，其中所述其它集成传感器和/或外部传感器包括光传感器、电阻传感器、电容传感器、压力传感器、麦克风、位置传感器、加速度传感器，以及方向传感器、或者时间及位置传感器。

6.根据权利要求1-2任一项所述的便携式电子设备，所述便携式电子设备从包含以下设备的组中进行选择：

移动电话、手持式电脑、电子阅读器、平板电脑、游戏控制器、定位设备、照相机或摄像机、数字音乐播放器、腕表、密钥卡、头戴式耳机、相框、以及计算机外围设置。

7.一种用于补偿由集成到便携式电子设备的一个或多个集成温度传感器(12)进行的温度测量的方法，所述方法包括以下步骤：

利用所述一个或多个集成温度传感器(12)测量温度，

利用一个或多个其它集成传感器和/或外部传感器进行测量和根据这些测量探测设备的环境和/或操纵状态，

使用这些测量从多个补偿模式中选择补偿模式，以及

通过根据探测的环境和/或操纵状况在所述多个补偿模式之间进行切换，从而补偿温度测量结果，

其中补偿包括热补偿和/或动态补偿，热补偿用于根据温度传感器与在使用时产生热的内部活动部件之间的热流模型来应用校正，动态补偿用于在温度变化的过程中根据温度传感器的响应模型来应用校正以在温度变化过程中加速读出。

8.根据权利要求7所述的方法，其中所述补偿模式包括用于在设备存放在用户口袋内的时间段内补偿测量结果的模式。