CN104246438B - 用于传感器信号的能量有效测量的方法及系统 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种用于测量传感器信号的方法，其具有以下步骤：a)接收具有多个经取样传感器信号的信号包；b)从所述经取样传感器信号确定信号电平；c)确定所述包内的信号变化；d)将所述所确定信号变化与预定噪声阈值进行比较，且如果所述变化低于所述噪声阈值，那么使用所述信号包来进行进一步处理，且如果所述变化高于所述噪声阈值，那么对所述信号电平求和并重复步骤a)到c)，且确定是否己达到预定重复数目，且如果是，那么对所述经求和信号电平求平均值。
Description
相关申请案的交叉参考
本申请案主张2012年4月19日申请的第61/635,508号美国临时申请案的权益，所述临时申请案的全文并入本文中。
技术领域
本发明涉及传感器信号(特定来说经受噪声的传感器信号且特定来说电容性传感器信号)的能量有效测量。
背景技术
人类装置接口包含基于电容性触摸感测及/或电容性接近检测的触摸感测及手势检测系统。在许多系统中，这些电容性传感器及相关联检测电路需要一直接通电源且相应电力消耗通常最低程度地保持在可充电电池的普通放电电流的范围内。其它传感器技术面临类似问题。
在任何基于传感器的技术中，传感器信号通常经受环境影响，特定来说噪声信号完全地叠加于传感器信号上。噪声源包含(举例来说)连续噪声源、脉冲噪声源、宽带及窄带噪声源、频率调制、振幅调制及相位调制噪声源、可变及/或固定频率噪声源。举例来说，通过滤波提取实际传感器信号可变得有问题的。如果在移动装置中实施传感器那么此可变得甚至更困难且可需要可使得电力消耗低效的额外电力。因此，存在对基于传感器的系统(特定来说，移动系统)中的有效数据获取的需要。
发明内容
根据一实施例，一种用于测量传感器信号的方法，其可包括：a)接收包括多个经取样传感器信号的信号包；b)从所述经取样传感器信号确定信号电平；c)确定所述包内的信号变化；d)将所述所确定信号变化与预定噪声阈值进行比较，且如果所述变化低于所述噪声阈值，那么使用所述信号包来进行进一步处理且如果所述变化高于所述噪声阈值，那么对所述信号电平求和并重复步骤a)到c)且确定是否已达到预定重复数目且如果是那么对所述经求和信号电平求平均值。
根据另一实施例，如果在步骤a)到c)的所述重复期间在步骤c)中确定当前信号包的所述信号变化低于所述预定噪声阈值，那么摒弃所述经求和信号电平且使用所述当前信号包的所述信号电平。根据另一实施例，所述重复数目可为在1到256之间的预定数目。根据另一实施例，信号包可包括与所发射信号同步的对所接收信号发射的取样。根据另一实施例，信号包可包括载波的最大及最小峰值的取样值。根据另一实施例，所述方法可进一步包括通过在后续测量之间插入延迟来使所述重复测量延迟。根据另一实施例，所述延迟可随每一重复而变化。根据另一实施例，所述延迟可随每一重复而增加。根据另一实施例，所述延迟可随每一重复而减小。根据另一实施例，在所述信号包的所述重复期间所有延迟的总延迟可等于两个后续信号包之间的时间。根据另一实施例，所述方法可进一步包括验证所述测量。根据另一实施例，验证所述测量可需要最小量的重复接收有效信号包的集合。根据另一实施例，可将所述最小量的已经求平均值的信号包的的集合设定为在1到256之间。根据另一实施例，将所述信号电平与阈值电平进行比较以确定所述传感器的状态。根据另一实施例，所述方法可进一步包括验证传感器状态是否改变的所述确定。根据另一实施例，验证传感器状态改变的所述确定可在所述传感器的当前状态为“接通”时需要具有低于所述阈值电平的经处理信号电平的最小测量集合或可在所述传感器的所述当前状态为“关断”时需要具有高于所述阈值电平的经处理信号电平的最小测量集合。根据另一实施例，所述方法可进一步包括使验证测量的重复延迟。根据另一实施例，所述方法可进一步包括使后续验证测量之间的所述延迟变化。根据另一实施例，所述方法可进一步包括确定所述信号电平是否过载或失真且重复所述测量高达预定次数以获得未失真信号电平且限制电流消耗。
根据另一实施例，一种用于测量传感器信号的方法，其可包括：a)接收包括多个经取样传感器信号的信号包，其中所述信号包包括与所发射信号同步的对所接收信号的取样；b)从所述经取样传感器信号确定信号电平；c)确定所述包内的信号变化；d)将所述所确定信号变化与预定噪声阈值进行比较，且如果所述变化低于所述噪声阈值，那么使用所述信号包来进行进一步处理且如果所述变化高于所述噪声阈值，那么对所述信号电平求和并重复步骤a)到c)，且确定是否已达到预定重复数目且如果是那么对所述经求和信号电平求平均值，其中如果在步骤a)到c)的所述重复期间在步骤c)中确定当前信号包的所述信号变化低于所述预定噪声阈值，那么摒弃所述经求和信号电平且使用所述当前信号包的所述信号电平。
根据上述方法的另一实施例，所述方法可进一步包括通过在后续测量之间插入延迟来使所述重复测量延迟。根据上述方法的另一实施例，所述方法可进一步包括验证所述测量，其中验证所述测量需要最小量的接收有效信号包。根据另一实施例，验证传感器状态改变的确定可在所述传感器的当前状态为“接通”时需要具有低于所述阈值电平的经处理信号电平的最小测量集合或可在所述传感器的所述当前状态为“关断”时需要具有高于所述阈值电平的经处理信号电平的最小测量集合。根据上述方法的另一实施例，所述方法可进一步包括确定所述信号电平是否过载或失真且重复所述测量高达预定次数以获得未失真信号电平。
附图说明
图1展示未受扰信号及具有叠加噪声的信号的测量包的样本值。
图2展示当存在强干扰时对包的重复测量。
图3展示常规传感器处理方法的流程图。
图4展示根据实施例的经改进方法的流程图。
图5展示频域及时域中的干扰频率抑制的原理。
图6展示根据实施例的经改进方法的另一流程图。
图7展示具有经集成验证测量的流程图。
图8展示用于处理过载的流程图。
图9展示用于检测三维手势的示范性传感器系统。
具体实施方式
根据各种实施例，可使得特定来说在接收传感器信号的系统中用于同步经取样测量值的平均值形成过程为自适应性的。此系统可为(举例来说)触摸感测系统或(特定来说)使用接近检测且未必需要物理触摸的手势检测系统。举例来说，使用被馈送低频率信号(举例来说，100kHz AC或方波信号)的电极板可产生低频率电场。可使用其它电极板来检测由进入电场的物体引起的扰动。可预处理所接收信号且可将信号组装于包中以用于进一步处理。
根据各种实施例，一般来说，测量包含低数目个所要信号周期的包且对其求平均值，其中针对每一所要信号周期，优选地将取样时刻设定为与发射器信号同步以获取被测量的正半波的最大值及负半波的最小值。根据各种实施例，所测量的包受干扰越多，就测量越多的包并求平均值。此外，可通过分别评估正半波及负半波的样本值的散布来执行对包的干扰的评估。可在评估中使用相应较大偏差或方差或标准偏差以获得噪声的指示符。
如果包中的样本值失真或过载，那么将摒弃且再次测量包。根据各种实施例，如果摒弃多个包，那么此将为强噪声或干扰的指示符且将限制经测量包的数目以限制电力消耗。
如果仅存在小扰动或很少噪声，那么单个包对于有意义的测量结果来说已经足够且电流消耗将是最小的。随着噪声/干扰增加，电流消耗将增加，其中需要测量多个包且对其求平均值。此将产生根据各种实施例的能量有效测量方法。
另一优点在于以下事实：不需要区别连续干扰源与脉冲干扰源，此导致较简单规范。在脉冲干扰源的情况中，如果在没有干扰的情况下在时间周期内测量包，那么可立即使用所得测量而不需要测量其它包且对其求平均值。由于具有干扰的时间周期可能不利地影响测量，因此重复测量事实上将是有害的。
图1展示未受扰信号(在顶部)及具有叠加噪声的信号(在底部)的测量包的样本值。在所展示实例中，在包内测量四个信号周期。如图1中所展示，在相应最大值或最小值处取得每一取样点。在此实例中，相应四个连续最大值及最小值是相同的，如顶部曲线中所展示。当如底部曲线中所展示添加噪声时，最大值及最小值取样点在分别标记的变化范围内变化。
图2展示当存在强干扰时对包的重复测量。顶部曲线展示干扰或噪声，而图2中的底部曲线描绘信号包。通过包测量的快速重复，发现其中不存在或存在极少干扰/噪声的时间周期。在此实例中，直到已获得有效结果时已测量五个包。前四个包包含强干扰信号，但如图2中所展示，第五信号不受干扰。
图3展示用于传感器处理的流程图，其中根据常规方法将所测量信号与阈值进行比较以确定实际传感器状态。步骤310表示其中获得包含同步取样点的信号包的信号获取。在随后步骤320中，处理信号电平。在步骤330中，检查信号电平是否超过预定阈值。如果是，那么在步骤340中确定传感器的当前状态。如果状态为“关断”，那么在步骤360中例程将状态切换到“接通”且否则跳过此步骤。类似地，如果步骤330为否定的，那么在步骤350中检查当前传感器状态，且如果其为“接通”那么在步骤370中将状态改变成“关断”且否则跳过步骤370。例程以步骤380继续，在步骤380中激活睡眠模式。可在步骤390中将睡眠模式去激活且例程返回到步骤310以接收下一信号包。
根据图3，经改进方法的目的是获得快速响应时间且使用极少电力。此外，经改进方法应能够处置如上文所论述的多种不同干扰源。通常，滤波器可经设计以具有长时间常数以产生良好滤波结果。然而，长时间常数将导致长响应时间及需要大量电力。因此，根据各种实施例，提出一种适应于相应干扰源以减小相应情形中的电力需求的自适应性解决方案。
常规系统使用同步解调，其中与所发射信号同步地对所接收信号进行取样。特定来说，在如上文所提及且在图9中所展示的使用电场的传感器系统中，使用发射器电极Tx930，由信号产生器950将(举例来说)100kHz载波信号馈送到发射器电极Tx 930。信号产生器950可为(举例来说)产生方波信号的微控制器端口。此外，信号产生器可为产生正弦信号的振荡器。还可通过对例如所提及方波信号的其它信号的相应滤波来获得正弦信号。因此，通过评估装置960的取样可与所发射信号同步，举例来说，以测量相应电场信号的最大值及最小值。为此目的，评估装置960也从信号产生器950接收所产生发射信号。在纯数字电路中，可通过软件或通过相应控制寄存器来执行同步。可实施多个接收电极且接着由评估装置960进一步评估从这些传感器接收的信号。举例来说，如图9中所展示，可提供与放大器905耦合的第一接收电极Rx1 900。所有电极可为(举例来说)通过分别蚀刻铜平面而形成于印刷电路板上的简单电极板。可提供其它电极Rx2及Rx3(910及920)以及相关联放大器915及925。所述电极不限于如图9中所展示的特定形状。根据相应系统，电极的其它形状及数目可适用。最后，可提供环绕发射器电极930的屏蔽电极940，屏蔽电极940优选地可通过反相器955被馈送经反相发射信号。本申请案不限于图9中所展示的系统，而是也可与任何其它传感器系统一起使用。
记录越多信号周期，滤波效应就越好。此方法必须使用许多同步取样周期以滤除接近于载波频率的频率以能够与多种干扰源一起操作。此意味着，如(举例来说)在手势检测系统中使用接近检测的电场测量系统中常见，如果使用(举例来说)100kHz的典型载波频率，那么反应时间可容易地变得大于1秒。然而，特定来说在由此类传感器(例如接通/关断开关)实施基本操作元件的情况下，这对于用户是不可接受的。
根据各种实施例，确定实际存在的噪声/干扰的电平且执行用于平均值形成的滤波器长度的调适以最小化干扰/噪声源的影响。为此目的，将通常具有少数信号周期(举例来说，2到256个周期)的信号包用于求平均值。同步地解调这些包。如果在所述少数周期内取样值的变化不大于预定噪声源，那么假定传感器系统不受噪声/干扰源影响且从如图1中所展示的少数信号周期的平均值形成信号电平。如果取样值的变化大于系统噪声，那么假定系统受噪声/干扰源影响且确定N-1个其它信号包。
图4展示根据各种实施例的经改进方法的相关联流程图。步骤400到445展示对传入信号包的处理。对所有信号电平求和(Sum)且在获取N-1个其它信号包之后，将总和除以总信号包数目N。通常，N可在2到256次重复的范围中。通过这些额外方法步骤，滤波器长度经扩大且平均信号电平的变化经减小。如果测量受连续干扰者影响，那么将接收总共N个信号包。在步骤420中，根据通过步骤405到415获得的所计算信号变化确定是否存在噪声源。如果存在噪声源，那么例程分支到步骤425，在步骤425中对信号求和。在步骤435中，检查重复的数目且在步骤400中将其递增。如果已执行足够重复，那么例程分支到步骤445，在步骤445中通过将所计算总和除以重复的数目来确定信号电平。例程接着在步骤430及440中继续，在步骤430及440中复位总和及重复变量。在步骤450中，检查所计算信号电平。随后步骤455到480对应于图3的步骤340到390。这些步骤455到480也可由等效确定步骤代替。如这些步骤中所展示的传感器状态的改变仅为一个可能的实施例。存在用来设定确定所评估信号的功能的相应旗标或寄存器值的许多等效例程。
在脉冲干扰者的情况中，如果在所有数据获取期间脉冲干扰者是作用的，那么可接收最大值N个信号包。如果噪声脉冲较短，那么接收n(n≤N)个信号包直到如(举例来说)图2中借助第五包所展示信号包不受干扰影响为止。摒弃对先前所接收信号电平的求和且仅单个信号包将用于进一步阈值电平比较。借助抵消条件，可减小电流消耗及系统反应时间。
此外，可实施针对干扰频率的干扰频率抑制，其中到载波频率的频率距离fa可与如图5中所展示的两个信号包的获取之间的间隔频率fp相同或为其倍数。图5中的顶部图表展示载波及两个干扰源的频率。如图5的底部部分中所展示，以fa＝|Fcarrier-finterferer|的频率在Fcarrier及finterferer的经取样求和信号上形成包络调制。由于信号值在获取之后必须经处理，因此总是产生在每一重复中同等长的时间距离Tp。Tp的典型值在100μs与1ms之间，此对应于1kHz到10kHz的间隔频率。如果干扰信号到所要频率具有一频率距离以使得fa接近于频率fp或为其倍数，那么由于取样总在包络的相同相位位置处发生因此通过接受多个信号包将不导致滤波效应。然而，如果两个信号包之间的时间变化，那么信号获取时间的相位位置将关于包络的相位位置改变。图6中展示相应流程图。类似步骤用相同参考符号标示。通常，两个信号包之间的时间变化可通过在步骤610中插入延迟Tv来实现，延迟Tv随每一重复增加以进一步改变每一单个重复中的相位位置。或者，延迟可随机变化。优选地，在N-1个信号包的重复期间所有延迟的总延迟Tg等于时间Tp以使得信号包经延迟以在时间周期内均等分布。
根据各种实施例的另一特征是如图7的流程图中所展示的对其频率接近于载波频率的干扰者的抑制。再次，相同参考符号指代图4及6的相同步骤。上文所描述的用于干扰者辨识及滤波器延长的方法对于其频率接近于载波频率的干扰者将不是有效的。此情形的原因是：此类干扰者在信号包的少数信号周期内仅产生所测量信号的小变化。因此，不引入重复测量且将不从载波信号滤波干扰者。出于此原因，在每一预期传感器状态改变处重复m次测量序列(验证测量)且还将集成用于相位位置改变的可变延迟元件。验证测量的典型值m为1到16。针对验证测量，使用N-1次重复的最大滤波器长度。另外，将确定其是否为验证测量。为此目的，根据图7的流程图展示插入于步骤420与430之间的额外步骤710。在此步骤710中，检查验证是否大于0。如果不需要验证，那么例程继续步骤430，否则分支到步骤425。在步骤455与465之间以及步骤460与470之间相对于验证变量插入相同检查。如果验证变量小于预定义数目m个验证，那么例程在两种情况中分支到步骤750，在步骤750中将验证变量递增。在随后步骤760中，将验证变量添加到延迟变量且例程开始以步骤405继续。最后，在步骤480与步骤405之间，在步骤740中将验证变量复位到0。
摒弃且将如此长地再次测量包含具有过载的测量值的信号包直到如图8的流程图中所展示达到最大数目K次过载重复为止。分别在步骤810及820中执行信号获取及电平处理。在步骤830中确定信号过载。如果无过载发生，那么如先前所描述例程以步骤420继续。如果过载发生，那么例程分支到步骤840。如果在K次重复内如由步骤840所确定获取不到不过载的信号包，那么终止对其它信号包的获取且在相应测量循环中将不发生进一步评估且例程分支到步骤475。否则，在步骤850中将过载重复变量递增且例程返回到其在步骤810中的开始。
过载的信号包将篡改平均值形成且将导致错误结果。将在过载的情况中的重复限制到数目K(通常1到4)以最小化在严重干扰模式中的总电流消耗。
此外，可通过确定是否在最后x次测量处由于干扰无法获得结果而在严重干扰环境中限制电流消耗。如果此情形是真的，那么可存在冗长干扰者且可大幅减小重复测量的数目N-1直到可获得有效测量为止。
根据各种其它实施例，代替两个信号包之间的连续增加延迟Tv，可使用交替恒定延迟或可交替关断延迟以反转所要信号在两个信号包之间的相位位置。
任选地，可增加滤波器长度以使得代替对多个信号包求平均值，求平均值在一包中的多个信号周期上发生。所挑选滤波器长度取决于信号变化。
代替使用固定数目来进行对N-1个信号包的进一步获取，可使用允许可变数目N个信号包的函数(f(信号变化)。
对于预期状态改变的验证测量，可预定成功验证子集合u(u＜m)以宣布验证为有效。
根据各种实施例的传感器系统借助所提出数字信号滤波器动态地适应于相应干扰环境且允许未受扰模式中的最小滤波器长度及因此小电流/电力消耗。在受扰模式中，系统通过上文所提及的滤波器设计相对于许多不同类型的干扰是稳健的。
Claims (24)
1.一种用于测量传感器信号的方法，其包括：
a)接收包括多个经取样传感器信号的信号包；
b)从所述经取样传感器信号确定信号电平；
c)确定所述信号包内的信号变化；
d)将经确定的信号变化与预定噪声阈值进行比较，且如果所述信号变化低于所述预定噪声阈值，那么使用所述信号包来进行进一步处理，且如果所述信号变化高于所述预定噪声阈值，那么对所述信号电平求和并重复步骤a)到c)，且确定是否已达到预定重复数目，且如果是，那么对经求和信号电平求平均值。
2.根据权利要求1所述的方法，其中如果在步骤a)到c)的重复期间在步骤c)中确定当前信号包的所述信号变化低于所述预定噪声阈值，那么摒弃所述经求和信号电平且使用所述当前信号包的所述信号电平。
3.根据权利要求1所述的方法，其中所述预定重复数目在1到256之间。
4.根据权利要求1所述的方法，其中信号包包括与所发射信号同步的对所接收信号的取样。
5.根据权利要求4所述的方法，其中信号包包括载波频率的最大值区域及最小值区域中的取样值。
6.根据权利要求1所述的方法，其进一步包括通过在后续测量之间插入延迟来使重复测量延迟。
7.根据权利要求6所述的方法，其中所述延迟随每一重复而变化。
8.根据权利要求6所述的方法，其中所述延迟随每一重复而增加。
9.根据权利要求6所述的方法，其中所述延迟随每一重复而减小。
10.根据权利要求7所述的方法，其中在所述信号包的重复期间所有延迟的总延迟等于两个后续信号包之间的时间。
11.根据权利要求1所述的方法，其进一步包括验证所述测量。
12.根据权利要求11所述的方法，其进一步包括使验证测量的重复延迟。
13.根据权利要求12所述的方法，其进一步包括使后续验证测量之间的所述延迟变化。
14.根据权利要求11所述的方法，其中验证所述测量需要最小量的重复接收有效信号包的集合。
15.根据权利要求14所述的方法，其中可将所述最小量的已经求平均值的信号包的集合设定在1到256之间。
16.根据权利要求11所述的方法，其中将所述信号电平与阈值电平进行比较以确定所述传感器的状态。
17.根据权利要求16所述的方法，其进一步包括验证传感器状态是否改变。
18.根据权利要求17所述的方法，其中验证传感器状态是否改变在所述传感器的当前状态处于第一状态中时需要具有低于所述阈值电平的经处理信号电平的最小测量集合或在所述传感器的所述当前状态处于第二状态中时需要具有高于所述阈值电平的经处理信号电平的最小测量集合。
19.根据权利要求1所述的方法，其进一步包括确定所述信号电平是否过载或失真且重复所述测量高达预定次数以获得未失真信号电平。
20.一种用于测量传感器信号的方法，其包括：
a)接收包括多个经取样传感器信号的信号包，其中所述信号包包括与所发射信号同步的对所接收信号的取样；
b)从所述经取样传感器信号确定信号电平；
c)确定所述信号包内的信号变化；
d)将经确定的信号变化与预定噪声阈值进行比较，且如果所述信号变化低于所述预定噪声阈值，那么使用所述信号包来进行进一步处理，且如果所述信号变化高于所述预定噪声阈值，那么对所述信号电平求和并重复步骤a)到c)，且确定是否已达到预定重复数目，且如果是，那么对经求和信号电平求平均值，其中如果在步骤a)到c)的重复期间在步骤c)中确定当前信号包的所述信号变化低于所述预定噪声阈值，那么摒弃所述经求和信号电平且使用所述当前信号包的所述信号电平。
21.根据权利要求20所述的方法，其进一步包括通过在后续测量之间插入延迟来使重复测量延迟。
22.根据权利要求21所述的方法，其进一步包括验证所述测量，其中验证所述测量需要最小量的重复接收有效信号包。
23.根据权利要求22所述的方法，验证传感器状态是否改变在所述传感器的当前状态处于第一状态中时需要具有低于所述阈值电平的经处理信号电平的最小测量集合或在所述传感器的所述当前状态处于第二状态中时需要具有高于所述阈值电平的经处理信号电平的最小测量集合。
24.根据权利要求23所述的方法，其进一步包括确定所述信号电平是否过载或失真且重复所述测量高达预定次数以获得未失真信号电平。
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