CN105759979A - 用于爆炸地点的光学小键盘 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种用于危险区域中的光学小键盘，该光学小键盘可以确保击键的安全可靠检测。本发明的目的是能够通过至少8mm厚的玻璃窗检测击键，8mm厚的玻璃窗是对于位于危险爆炸性区域中的电子设备所要求的(根据ATEX规定94/9/EC和类似的要求)。可以通过一种系统来满足该目的，该系统中按照伪随机顺序使至少6个LED发光，由伪随机频率调制，并且随机改变每一个LED的发光之间的间隔以避免在并置的小键盘之间的干扰和来自如日光和人造光这样的其他光源的光。

Description

用于爆炸地点的光学小键盘
技术领域
本专利申请公开了一种光学小键盘(opticalkeypad)，其包括至少一个透明面板，透明面板包括由封闭区域包围的多个孔，所述光学小键盘包括发出调制光的多个发光二极管(LED)并且包括相对于所述孔设置的至少一个接收光电二极管，从发射LED穿过透明面板透射(transmit)所述光，并且通过从采用相对于透明面板中的一个孔的击键(keystroke)的工具或指尖处散射来反射所述光，穿过透明面板透射回反射的调制光，并且回到接收光电二极管以用于解调。
背景技术
2013年4月10日提交的优先权为2012年4月18日的题为“Keypadassemblyandmethodtoaccessacar”的WO2013/156353A1涉及一种对于轿车的无按键访问系统，该系统基于对通过挡风玻璃的可见光的简单检测。WO2013/156353A1公开了一种发射光的振幅调制和接收信号的振幅解调。
US4,254,333公开了一种用于实现手动控制的输出信号的光电子电路元件，该光电子电路元件包括至少一个辐射发出元件、辐射传播单元和至少一个辐射敏感元件，所述辐射传播单元是固体，该固体对于所讨论的辐射是透明的并且具有分界面，所述分界面暴露于来自辐射传播单元的辐射，辐射敏感元件的状态中的可识别变化受到由致动体(例如手指)与所述分界面的接触引起的在分界面处的辐射的全内反射的条件的变化影响。
发明内容
发明目的
待审专利申请的目的是实现一种可靠且安全的小键盘。另一目的是实现一种用于在危险环境中的现场安装设备的小键盘。另一目的是避免来自并置的小键盘的串扰或干扰。另一目的是避免由于光滑和闪光表面及由于日光和人造光的失真。
发明的说明
所述目的由如权利要求1的前序中公开的小键盘来实现，并且在从每一个LED发出的调制光由以下参数的至少一个组合来控制的情况下进行进一步的修改：
a：从LED发射的光的调制频率，
b：使LED发光的顺序，
c：在单独的LED的发光之间的时间间隔
其中，至少一个参数是随机变化的，以及
其中，通过流过接收器光电二极管的电流的同步检测来执行反射光的检测，该检测将随机接收的信号与从LED发射的随机编码的信号进行比较。
从而可以实现一种高度可靠的小键盘，其中达到三个不同参数可以被随机调制。调制还可以是伪随机的。其效果是即使每秒执行调制光脉冲的几个检测，重复调制光的相同组合也要花费数周。其效果在于即使多个小键盘彼此极为接近地操作，在它们之间也几乎不可能存在任何干扰。在小键盘发射相同的调制之前，小键盘可能可以在几年内并排地操作。另外，另一个效果在于来自外部的光的任何扰动几乎不可能具有相同的调制。因此实现了高度可靠的小键盘。
在本发明的优选实施例中，在该专利申请中所公开的检测系统可以基于一个红外接收器光电二极管和至少六个发射器LED来获得三个小键盘。本发明可以使用三个伪随机加扰(scrambling)方法结合发射光的调制与接收光的同步检测，以获得对于来自周围的非预期光的抵抗力，并避免在并置的光学小键盘之间的串扰。
本发明涉及一种小键盘，适合用于易爆炸环境(AtmospheresExplosibles，ATEX)或危险区域中，包括至少6个红外发光二极管(LED)和一个红外光电检测器二极管，以实现对至少三个按键之中的一个击键的可靠、安全且有保证的检测。
位于ATEX/爆炸性区域中的现场安装的电子设备必须符合用于在EEC中使用的设备的ATEX指令94/9/EC，及相应的在美国和加拿大使用时的UL/CSA认证。对于显示器，需要最小8mm厚度的窗口以获得用于在危险区域中使用的认证。
在本发明进一步的优选实施例中，可以关于光偏振将从LED发射的光滤光(filter)为一个偏振状态，并且将入射在光电二极管上的光滤光为相对于发射光的正交(perpendicular)偏振状态，以便避免来自光滑且平坦表面的反射干扰对来自引起击键的工具或指尖的漫反射的检测。从而实现了只有从工具或指尖反射的光具有偏振的变化，并且接收器光电二极管仅接收具有正交取向的光。从而实现了避免来自其他发光LED或者来自外部光源或者来自日光的任何交叉耦合。由于使用玻璃面板，在玻璃的表面之间可以发生多个反射，因而光可以干扰击键的测量，但只有具有偏振的变化的光才可以穿过偏振滤光器并且在接收LED处被检测到。
在本发明进一步的优选实施例中，可以仅相对于与LED的发射波长相匹配的红外波长范围来滤光入射在光电检测器上的光，以便减小入射在接收器光电二极管上的日光和人造光的量。通过简单的光学滤光，可以从红外光谱中选择波长，但由于LED默认地受限于在相对窄的光谱中发出光，可以选择仅发出红外光的LED。以此方式，可以以高度有效的方式实现红外光谱。从而可以在极大程度上避免来自射中小键盘的日光以及人造光的影响。在本发明的可替换的实施例中，还应当可以在如前公开的小键盘中从紫外光谱选择光。
在本发明进一步的优选实施例中，击键检测可以基于自适应增益调整功能和/或自适应检测阈值来考虑变化的光学组件的性能，并考虑由于在玻璃表面上存在的灰尘和/或湿气而引起的来自透明面板表面的可变反射。由于增益和/或检测阈值调整是自动的，从而可以实现简单地避免来自外部参数的变化的影响，以及来自发射LED或者接收光电二极管中的变化的影响。以此方式，还可以避免由于实际需要而必须以任何方式来调整小键盘。因为小键盘执行自动增益和/或检测阈值调整，将最大程度地消除来自光(诸如改变其级别或其色温的日光或人造光)的变化的影响，因而其由于增益和阈值调整而对于检测信号不具有任何影响。将系统设计为在没有从发射LED反射光的时间期间在接收光电二极管测量噪声级别，并且借助这个测量，从所测量的级别中减去无反射光的相关噪声级别。从而消除了大部分的噪声影响。
在本发明进一步的优选实施例中，可以通过调整从发射LED发射的光量和/或在接收光电二极管的模拟同步检测的积分时间来执行自适应增益调整。在本发明进一步的优选实施例中，可以在非可见光谱中选择光，并且用滤光器覆盖透明面板以避免日光打扰接收LED。从而可以使用可见光谱之外的相对小的光谱。以此方式，可以使用红外以及紫外光。从而可以避免可见光谱的任何光对小键盘检测造成影响。
待审专利申请进一步公开了一种用于操作小键盘的方法，如前公开的按照以下步骤顺序：
a：准备一列光脉冲，
b：准备该列光脉冲的随机调制，
c：选择一个或多个以下参数以用于随机调制，
-从发射LED发射的光的调制频率，
-使发射LED发光的顺序，以及
-在单独的发射LED的发光之间的时间间隔，
d：由一个或多个单独的LED执行随机调制的光的发出，
e：使光接收的光电二极管接收反射光，
f：对所接收的光信号执行信号调节、放大和同步检测，
g：通过将检测到的信号与自适应调整的阈值级别进行比较来评估对于单独的LED是否存在反射，以及
h：基于评估和图8中的真值表判定是否已执行击键。
从而实现了非常可靠的小键盘。这个小键盘非常可靠地抑制来自不想要的光的影响，例如日光或人造光。而且，可以实现不同小键盘彼此不影响。
如权利要求1-7之一公开的小键盘的使用满足了用于在EEC中使用的设备的ATEX指令94/9/EC，并且满足在美国和加拿大使用的对应的UL/CSA认证。从而实现了在所有室外和室内安装中都非常可靠的小键盘。另外，在例如机械、医疗或化学生产区域之类的危险的室内环境中，由于小键盘的表面是相对厚的玻璃板，因此这个小键盘将高度有效，该小键盘由于自适应增益和阈值功能而不受大多数化学物质的影响，也不受灰尘和/或湿气的影响。
本发明可以是但不限于一种符合ATEX要求的、虽然有至少8mm厚的玻璃窗但可以借助光学检测以获得击键的小键盘，参见图1。LED穿过孔发射调制的光，其可以是印刷电路板(PCB)但不限于PCB，其穿过滤光器发射光，其穿过玻璃窗发射光。在手指非常靠近玻璃表面或者在玻璃表面上击键的情况下，来自手指的光将反射并穿过玻璃窗传送，进一步穿过滤光器并且穿过孔到达接收光电二极管。
加扰方法基于至少一个以下参数的伪随机变化：
-光的调制频率，
-使LED发光的顺序，以及
-在单独的LED的发光之间的时间间隔。
部署集成的自适应增益功能以确保击键的最佳检测与由于老化和温度变化引起的光学组件的光学性能的变化无关，而且考虑了由于玻璃窗表面上的灰尘和湿气引起的缓慢变化背景反射。
通过以下两种手段在模拟信号处理内执行增益变化：
a.通过减小LED的占空比(D)，以及
b.通过用于同步检测的模拟积分器内的积分时间的变化。
对于位于危险区域的现场安装设备，法规要求玻璃窗具有最小8mm厚度，例如，在显示器从外部可见的情况下。典型地要求小键盘配置与调整现场安装的显示器。显示器与小键盘的功能同处于8mm厚窗下对于用户界面和机械设计是有吸引力的解决方案。
在小键盘需要采用小键盘敲击的可靠且安全的检测时，与8mm厚玻璃窗相结合的基于电感式或电容式感测的小键盘的实现是非常有挑战性的。
而且，为了避免非预期的击键的检测，需要对于玻璃表面外的灰尘和湿气的高抗扰度。
待审专利申请不限于任何特定使用，因为本发明可以用于每一个键盘；甚至用于可以包括如所公开的光学检测系统的计算机系统的键盘。多个发射LED和多个传感器二极管可以用于大键盘中。
通过所述技术，可以实现位于危险区域中的现场安装设备中的可靠且安全的小键盘敲击检测。而且，该技术涉及一种通过三维加扰方法确保可靠小键盘敲击检测以避免并置的小键盘之间的串扰或来自其的干扰。而且，本发明可以结合由接收光电二极管接收的光的同步检测技术来使用光的频率调制，以便消除来自日光和人造光的失真。
“日光”的定义：由太阳生成的穿过大气并且在建筑外部或内部接收的光被定义为“日光”。
“人造光”的定义：从人造光源生成的光被定义为“人造光”。
附图说明
图1公开了敲击检测的基本原理。
图2公开了三个按钮相对于LED和光电检测器的物理位置的布局。
图3公开了模拟同步检测系统的设计，其中，将由接收光电二极管(11)检测从LED反射的光，并且同步检测的信号将出现在21处以用于如图4公开的进一步处理。
图4公开了模拟同步检测系统的设计，其中，由基于微处理器的检测系统(23)实施并控制自适应增益和阈值级别功能。
图5公开了驱动发射LED(26)的信号与同步检测内的对应信号之间的时序(timing)。
图6公开了在通过减少执行积分的时间(即，积分器开关打开的时间)来部署积分器内的减小的增益的情况下的信号之间的时序。
图7公开了小键盘研究的完整定时安排。
图8公开了用于击键检测的真值表。
具体实施方式
在下文中将逐一说明附图，在附图中看到的不同部分和位置在不同附图中将以相同的数字来编号。特定附图中所示的所有部分和位置不一定结合该特定附图一起论述。
图1公开了光学小键盘的普通功能，LED4发射光穿过孔7、穿过滤光器6、穿过玻璃窗9，入射在指尖10上的光由于手指的粗糙表面而将散射，一些光将穿过玻璃窗、穿过滤光器6、穿过孔7反射回来，并且当光射中接收光电二极管5时，它将引起电流流入接收光电二极管5。在手指位于玻璃窗前面时，入射在接收光电二极管上的反射光量相较于没有手指的情形将增大。
图2公开了小键盘的可能布局。这个小键盘指示了三个底端1、2、3，作为三个按键的有效区。还指示了六个发射LED6和接收光电二极管5。六个LED生成光，并且该光可以在接收光电二极管5处被检测到。通过将手指按压到一个底端1、2、3，改变了在小键盘表面的内侧反射的光，并且在接收光电二极管5检测到反射的光中的改变。
图3公开了同步解调的基本实现。通过施加一串例如100注入电流脉冲来连续使发射LED发光，该脉冲的重复频率由为特定发射LED而选取的频率来确定。通过入射在接收光电二极管5上的反射光信号，跨阻抗(transimpedance)放大器12将接收光电二极管5电流转换为在放大器12的输出处的电压。放大器输出通过开关16、17馈送到两个积分器，与馈送到发射LED的电流脉冲同步地接通所述开关。在来自接收器的信号由于反射光而处于其最大值的时段中，开关16将信号馈入积分器18，在来自接收器的信号为最小的时段(即，没有光入射到接收光电二极管的时段)中，开关17将信号馈入积分器19。两个积分器信号20相减得到信号21，该信号21与反射的发射LED光量成比例。在这一串发射LED注入电流之后，相减的积分器信号由例如微控制器的分析系统进行研究。在已经分析了来自一个发射LED的信号之后，两个积分器18和19由信号13复位。在复位后，积分器准备好分析来自另一个发射LED的反射。
结合加扰技术使用同步检测原理消除了其他光源的影响，不论它们与照亮周围区域有关，还是来自并置的小键盘。
加扰技术基于调制/脉冲串(burst)频率的伪随机变化、使6个单独的LED发光的顺序、以及在6个单独的LED的每一个的脉冲串之间的时间间隔。
图4公开了自适应同步检测系统，其中，分析系统23可以由微控制器或由现场可编程门阵列(FPGA)来实现，分析系统23可以基于研究的信号21来执行自适应增益调整。自适应增益调整的功能是补偿由于老化和温度而引起的光学组件的性能的变化。而且，增益调整对由于例如玻璃表面上的灰尘和湿气而引起的从LED4到光电检测器5的光路中的变化进行补偿。
通过三种手段来调整总增益：LED脉冲串电流的占空比、跨阻抗放大器的增益和积分器的增益。
通过调整LED(4)的占空比D可以调整每个脉冲的光学功率，从而调整光电检测器上的反射光学入射光的量，以便获得光电检测器的适当级别来实现适合的信噪比。
通过调整跨阻抗放大器的增益，可以调整用于同步检测的信号。
通过调整控制积分期间的信号14、15的占空比，可以调整积分器的增益。
图5公开了同步检测方案中的信号的时序。26是LED4之一中的电流，12是跨阻抗放大器输出的信号，14是开关16的控制信号，15是开关17的控制信号。积分器18仅在信号处于高电平(开关16馈送信号)时进行积分，积分器19仅在信号处于低电平(开关17馈送信号)时进行积分。
图6公开了在通过减小两个开关18和19的接通时间来减小积分器增益时的同步检测方案的信号的时序。
图7公开了整个小键盘分析的时序。对于每一个时间T1，将执行完整分析，其包括6个伪随机延迟30-35并且按照伪随机顺序执行6个LED的发光36-41。另外，伪随机地改变每一个LED的调制频率。信号26、14和15与图5中所示的信号相同。
图8公开了击键检测的真值表。表中的“+”指示已检测到来自LED的反射。与图8中所给出的反射组合不同的所有其他反射组合都是错误情况，不会将它们检测为击键。为了避免缺陷(flaw)或噪声引起的检测击键被接受为击键，必须从至少两个连续扫描(N＝x及N＝x+1)获得真值表(图8)中的两个相同结果。

Claims (8)

1.一种包括至少一个透明面板(9)的光学小键盘(1A)，所述至少一个透明面板(9)包括由封闭区域(8)包围的多个孔(7)，所述光学小键盘(1A)包括发出调制光的多个光发射二极管(LED)(4)并且包括相对于孔(7)放置的至少一个光电检测器二极管(5)，穿过透明面板(9)透射来自LED(4)的光，并且通过从使用相对于透明面板(9)中的孔(7)之一的击键的工具或指尖(10)处散射来反射所述光，穿过透明面板(9)透射回反射的光，并且回到光电检测器二极管(5)以用于解调，特征在于由以下参数的至少一个组合来控制从每个LED(4)发出的调制光：
-a：从发射LED(4)发出的光的调制频率，
-b：使发射LED(4)发光的顺序，
-c：在单独的发射LED(4)的发光之间的时间间隔，
其中，至少一个参数是随机变化的，以及
其中，通过对流过检测光电二极管(5)的电流的同步检测来执行对反射的光的检测，该检测将随机接收的信号与从发射LED(4)发射的随机编码的信号进行比较。
2.根据权利要求1所述的光学小键盘，其特征在于关于光偏振将在发射LED(4)中生成的光滤光为一个偏振状态，并且将入射在接收光电二极管(5)上的光滤光为相对于发射光的正交偏振状态，以便避免来自光滑且平坦表面的反射干扰对来自使用击键的工具或指尖(10)的漫反射的检测。
3.根据权利要求2所述的光学小键盘，其特征在于关于与发射LED(4)的发射波长相匹配的波长范围来滤光入射在光电检测器上的光，以便减小入射在接收光电二极管(5)上的日光和人造光的量。
4.根据权利要求3所述的光学小键盘，其特征在于小键盘被配置为执行敲击检测功能的自适应增益和/或检测阈值调整，以考虑光学组件的变化性能，并且考虑由于在玻璃表面上存在的灰尘和/或湿气而引起的来自透明面板(9)表面的可变反射。
5.根据权利要求4所述的光学小键盘，其特征在于通过调整从发射LED(4)发出的光量和/或模拟同步检测中的积分时间来执行自适应增益调整。
6.根据权利要求5所述的光学小键盘，其特征在于在红外光谱中选择光，并且使用对于红外范围中的光是透明的滤光器来覆盖透明面板(9)，以便减小来自日光或人造光的影响。
7.一种操作根据权利要求1-6之一所述的光学小键盘的方法，其特征在于以下步骤顺序：
a：准备一列调制光脉冲，
b：准备该列光脉冲的随机调制，
c：选择一个或多个以下参数用于随机调制，
-从发射LED发出的光的调制频率，
-使发射LED发光的顺序，以及
-在单独的LED的发光之间的时间间隔，
d：由一个或多个单独的LED执行随机调制光的发射，
e：使光接收器光电二极管接收反射的光，
f：对所接收的光信号执行信号调节、放大和同步检测，
g：通过将检测到的信号与自适应调整的阈值级别进行比较来评估对于单独的LED是否存在反射，以及
h：基于评估和真值表判定是否已执行击键。
8.使用根据权利要求1-7之一所述的小键盘，以满足用于在EEC中使用的设备的ATEX指令94/9/EC以及在美国和加拿大使用时的对应UL/CSA认证。
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