CN110226152A - 利用电容式传感器提高机械旋转及位置检测的灵敏度和鲁棒性 - Google Patents

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Abstract

在所描述的示例中，用户接口控制装置(100)包括：第一结构(110)，其具有第一侧(113)，在第一侧(113)上沿第一方向(108)间隔开的导电电容器板结构(116)；可移动的第二结构(120)，其具有辅助导电结构(122)；以及接口电路(130)，用于向导电电容器板结构(116)提供激励信号并从其接收感测信号，以对导电电容器板结构(116)中的各个导电电容器板结构执行互电容测试以及自电容测试，以确定第二结构(120)或用户的手指相对于第一结构(110)沿第一方向(108)的位置。

Description

利用电容式传感器提高机械旋转及位置检测的灵敏度和鲁 棒性
背景技术
用户接口/界面(UI)和人机接口(HMI)允许用户或操作员控制机器。电容式触摸接口正变得越来越流行，包括电容式触摸显示器，其提供用户输入能力以及向操作员显示数据、图形或其他信息。HMI技术的电容位置检测提供使用寿命长、实施成本低以及作为密封的流体和气体控制元件的易用性，这在具有爆炸和化学过程的操作领域是有益的。电容感测可用于检测控制致动器的位置以及用于检测用户触摸事件。例如，用于HMI的旋转和/或线性控制元件的电容位置感测可以与用户触摸检测相结合。电容感测系统可能遭受导电结构或用户手指引入到HMI控制装置敏感区域中的微弱响应。
发明内容
在所描述的示例中，用户接口控制装置包括：第一结构，其具有第一侧，在第一侧上沿第一方向间隔开的导电电容器板结构；可移动的第二结构，其具有辅助导电结构；以及接口电路，用于向导电电容器板结构提供激励信号并从其接收感测信号，以对导电电容器板结构中的各个导电电容器板结构执行互电容测试和自电容测试，以确定第二结构或用户手指相对于第一结构沿第一方向的位置。
附图说明
图1是旋转机械控制装置的俯视图，该旋转机械控制装置包括固定的第一结构和可旋转的第二结构，用于具有电容和光学旋转位置以及用户触摸检测的用户接口。
图2是图1的控制装置的固定的第一结构的俯视图，其示意性地说明了光学旋转位置检测电路。
图3是图1的控制装置的固定的第一结构的俯视图，其示意性地说明了电容式旋转位置和用户触摸检测和接口电路。
图4-图8是沿图1的控制装置的线4-4截取的局部剖面侧视图，其示出了用于位置和/或用户触摸检测的互电容和自电容测量期间的示例电场线。
图9是在没有接近的辅助导电结构的情况下的图4的装置中的互电容测量电路配置示例的示意图。
图10是在存在辅助导电结构的情况下的图5的装置中互电容测量电路配置示例的示意图。
图11是导电电容器板结构和两个示例可移动辅助导电结构的局部俯视平面图，该两个示例可移动辅助导电结构具有的角圆周长度大致覆盖两个相邻电容器板结构的径向外部部分。
图12是导电电容器板结构和两个示例可移动辅助导电结构的局部俯视平面图，该两个示例可移动辅助导电结构具有的角圆周长度大致覆盖三个相邻电容器板结构的径向外部部分。
图13是导电电容器板结构和两个示例可移动辅助导电结构的局部俯视平面图，该两个示例可移动辅助导电结构大致覆盖三个相邻电容器板结构的圆周和径向范围。
图14是线性机械控制装置的俯视平面图，该线性机械控制装置包括固定的第一结构和可平移第二结构，用于具有电容位置和用户触摸检测的用户接口。
图15是沿图14的控制装置的线15-15截取的局部剖面侧视图。
图16是导电电容器板互连的示例感测配置的示意图。
图17是图1的装置中的示例位置和用户触摸检测序列的表。
图18是具有导电电容器板互连的示例电容感测接口配置的局部示意图，该导电电容器板互连用于使用图1的装置中的减少数量的通用I/O连接进行位置和用户触摸检测。
图19是具有导电电容器板互连的示例电容感测接口配置的局部示意图，该导电电容器板互连用于使用图14和图15的线性装置中的有限数量的通用I/O连接进行位置和用户触摸检测。
具体实施方式
在附图中，相同的附图标记贯穿全文指代相同的装置，且各种特征不必按比例绘制。在该说明书中，术语“耦合”包括间接或直接的电的或机械连接或其组合。例如，如果第一设备耦合到第二设备或与第二设备耦合，那么该连接可以通过直接的电连接进行，或通过经由一个或更多个中介/介入设备和连接的间接的电连接进行。
图1示出了用于用户接口的旋转机械控制装置100。在一个示例中，装置100是用户接口控制旋钮，其可以由用户机械地旋转。控制装置100可以用于任何形式的用户接口或HMI，例如工业控制面板、汽车仪表板控件等。图1的示例提供了旋转控制装置100。其他可能的示例包括线性用户接口控制机制，诸如下文结合图14和图15所说明和所描述的滑块控件。图1是控制旋钮用户接口控制装置100的俯视图，其可以用于各种应用(诸如用于车辆音频系统的音量旋钮)，并且在某些实施方式中可以包括电容式触摸感应开/关按钮。装置100包括导电结构和位于固定或静止部分上的光学设备对102。旋转部分包括反射器结构104和106。旋转结构相对于静止部分的轴115沿圆周方向108是可移动的。在一个示例中，光学设备对102是位于固定或静止部分上的LED 111和112，以及位于旋转结构上的一个或更多个导电结构。控制装置100包括电连接114(诸如PCB迹线)，以与源和传感器光学设备111和112介接。
该示例中的装置包括电容感测电路，其通过感测与固定部分上的导电结构相关联的电容来检测旋转结构与固定结构的相对位置。此外，在该示例中，旋转结构的顶面可以被用户的手指触摸，并且电容感测电路可以检测用户触摸事件以及用户手指在旋转结构的顶面上的位置。在某些示例中，装置100还包括光学位置感测特征和相关电路，以补充电容位置感测功能。所描述的示例单独地或者与具有作为场换能器的导电结构的互电容测量和自电容测量相结合地提供改进的电容感测结构，以便于增强检测用户触摸事件和/或控制装置位置的灵敏度。
示例控制装置100包括固定的第一结构110，其具有面向图1中的页面向外的第一(例如，顶部或上部)侧113。第一结构110包括沿第一侧113上的圆周第一方向108彼此间隔开的16个导电电容器板结构116。导电电容器板结构116沿第一方向108彼此隔开第一距离117(标记为D1)。第一结构110包括整数N＝16对102的LED 111、112。在其他示例中，可以使用多于或少于16个导电电容器板结构116和LED对102。在一个示例中，各个LED对102包括光源LED 111和光学传感器LED 112。该示例中的LED 111具有第一波长，并且传感器LED 112具有不同的波长。控制装置100包括电连接118以与导电电容器板结构116介接。
控制装置100包括第二结构120，第二结构120沿第一方向108相对于第一结构110可移动。第二结构120包括位于第二结构120的第二侧123上的辅助导电结构122(例如，底侧，面向图1中的页面向内)。当辅助导电结构122位于给定的电容器板结构116附近时，辅助导电结构122与第二结构120一起沿第一方向108移动，以选择性地修改与导电电容器板结构116中的给定的一个相关联的电容。该示例中的第二结构120还包括透明窗口或孔124，其允许来自光源111的光穿过第二结构120。
控制装置100包括接口电路130，其向导电电容器板结构116提供激励信号并从导电电容器板结构116接收感测信号以测量装置100的电容。接口电路130对导电电容器板结构116的组执行互电容测试，并对导电电容器板结构116中各个导电电容器板结构执行自电容测试。接口电路130向主机系统131提供位置信号POSITION。在互电容测试和自电容测试之一或两者期间，根据来自导电电容器板结构116的信号，位置信号表示第二结构120或用户的手指相对于第一结构110的位置沿第一方向108的位置。在一个示例中，除了来自电容器板结构116的信号之外，接口电路130还至少部分地根据来自光学传感器112的信号确定位置信号POSITION。
在一个示例中，接口电路130设置在第一用户接口结构110的PCB上。图1中的接口电路130包括处理器，诸如具有通信接口或输出133的微控制器单元(MCU)132，其向主机电路131提供位置信号POSITION。在一个示例中，主机电路131是处理器或用户接口控制器，用于根据包括旋转式旋钮控制装置100的一个或更多个控制元件来操作系统。处理器132可以是任何合适的数字逻辑电路、可编程或预编程的诸如ASIC、微处理器、微控制器、DSP、FPGA等，其操作以执行存储在内部或外部电子存储器(未示出)中的程序指令，以实施本文描述的特征和功能以及实施用户接口控制装置100的其他相关任务。在某些示例中，存储器构成非暂时性计算机可读存储介质，其存储计算机可执行指令，该计算机可执行指令当由处理器132执行时，执行本文详述的各种特征和功能。
所说明的接口电路130还包括光学(例如，LED)感测接口电路134和电容式感测接口电路136。处理器132经由通信接口连接135与LED感测接口电路134交换数据和信令。感测接口电路134连接到电连接114以与源和传感器光学设备111和112介接。电容式感测接口电路136连接到电连接118以与导电电容器板结构116介接。处理器132经由通信接口连接137与电容式感测接口电路136交换数据和信令。在一个示例中，处理器132执行程序指令以实施互电容和自电容测试功能或组件150。
图2示出了固定的第一结构110的俯视图，其中第二结构120被移除。第二结构120的反射器结构104、106和辅助导电结构122以虚线形式示出，以供在图2中参考。图2示意性地说明了LED 111和112与LED感测接口电路134的互连的示例。接口电路134包括电路202，用于光学设备偏置、信号多路复用和切换以及处理器132和LED 111、112之间介接的通用输入/输出(GPIO)。在一个示例中，电路134包括偏置LED电路202，以选择性地对LED 111和/或112中的所选择的LED进行正向或反向偏置。例如，电路134正向偏置源LED 111中的一个、一些或全部并且反向偏置传感器LED 112。正向偏置使得(一个或更多个)所选择的源LED 111发出或发射相关联的第一波长λ1的光。反向偏置允许(一个或更多个)所选择的传感器LED112感测相关联的第二波长λ2或更小波长的光。
波长λ1和λ2可以相同或不同。在所说明的示例中，第一波长λ1小于或等于第二波长λ2。在一个示例中，源LED 111是白光LED并且传感器LED 112是红光LED。电连接114允许电路202选择性地控制LED 111和112中的每个的阳极和阴极电压以及信号条件。在某些实施方式中，处理器132包括一个或更多个模数转换器(ADC或A/D，未示出)，并且电路202包括开关电路和电压源和信号发生器，以选择性地提供各个源LED 111的正向和反向偏置，以及所选择的传感器LED 112与被配置为ADC输入的GPIO端子的互连。这允许处理器132获得表示传感器LED电压的数字值，以在源LED 111被正向偏置时确定给定的传感器LED 112是否正从相关联的源LED 111接收阈值量的光。这进而允许处理器132确定每个给定的光学设备对102是否接近(一个或更多个)可移动反射器结构104、106，并因此确定第二结构120的位置在光学设备对102的角度间隔分辨率θLED(例如，在所说明的示例中为22.5度)之内。
在其他示例中，LED接口电路202包括多路复用器(未示出)以允许共享有限数量的ADC输入，并且光学设备对102可以被单独地或成组地致动和测量。电路134可以包括ADC电路(具有或不具有输入多路复用)，并且ADC电路将转换值提供给处理器132。在一些示例中，处理器132包括GPIO端子，其可以动态地配置为数字输出、数字输入、模拟输出、模拟输入和/或ADC输入。在某些示例中，电路202将各个LED端子选择性地连接到高电压电平、低电压电平和DC输入，或者提供高阻抗。在某些示例中，处理器132在多相操作中控制LED感测接口电路134以选择性地正向偏置源LED 111中的一个或更多个并且反向偏置传感器LED 112中的所选择的一个，以获得传感器读数并确定一个或更多个反射器结构104、106相对于第一结构110的旋转位置。
图3示出了第一结构110的俯视图，并且示意性地说明了电容式旋转位置和用户触摸事件检测感测接口电路136。如在下文描述的图4-图8中所示，在一个示例中，第一结构110包括形成在第一结构110的顶侧113上方的透明覆盖物，图3中未示出。电路136包括电容器激励和感测电路302，其经由互连118选择性地向电容器板结构116提供激励电压或电流信号。电路302还允许(例如，内部ADC电路的)ADC输入(或处理器132的GPIO/ADC输入)与一个或更多个板结构116的连接，以感测电容器电压和/或电流信号，以确定电容变化。电路302还允许一个或更多个板结构116连接到受控电压以设置各个结构116的电压值。电路302还(例如，通过向所选择的结构116提供高阻抗(例如，HI-Z)连接)允许一个或更多个板结构116的浮动。
在一个示例中，电路136提供表示由板结构116形成的电容器的电压和/或电流的信号或转换值，处理器132可以从信号或转换值中检测由第二结构120(图1)的导电结构122和/或用户的手指接近给定的一个或一组板结构116引起的阈值量的电容变化。由此，处理器132可以确定在第二结构120的顶部表面上的导电结构122和/或用户的手指相对于固定的第一结构110的旋转位置。
在其他示例中，辅助导电结构122至少部分地在一个或更多个导电PCB迹线或以固定方式连接到参考电压(例如，GND)或GPIO的其他铜区域上方或附近延伸，辅助导电结构122可以将铜切换到GND或电源电平或其他电压电平，或高阻抗状态，以增强导电结构122生成的响应。示例设计有助于区分结构122的存在与用户的手指触摸滚轮电极区域中的结构120的顶部表面的响应，因为该触摸事件和相应的电容响应将不受该GND-VCC输入切换的影响。
在图1-图3的示例控制装置100中，接口电路130对导电电容器板结构116的各个组执行一系列互电容测试，并对导电电容器板结构116中各个给定导电电容器板结构执行一次或更多次自电容测试。对于这些测试，接口电路130向给定的导电电容器板结构116提供激励信号，并从该结构116或从相邻的导电电容器板结构116接收感测信号。接口电路130处理接收的信号并根据(例如，响应于或基于)对应的感测信号来确定(例如，计算)互电容和自电容(例如，表示测量的电容的值)。接口电路130根据与各个导电电容器板结构116相关联的互电容和一个或更多个自电容来处理测量的电容以识别第一用户接口结构110和用户的手指的相对位置和/或第一用户接口结构110和第二用户接口结构120的相对位置。
还参考图4-图10，图4和图5示出了沿图1中的线4-4截取的局部截面侧视图，以说明了在控制装置100中的互电容测量或测试期间的示例电场线。图6-图8示出了沿图1中的线4-4截取的局部截面侧视图，以说明了在控制装置100中的位置和/或用户触摸检测的自电容测量期间的示例电场线。图6和图7示出了在相邻电极接地的情况下进行的测试，以及图8示出了在相邻电极浮动(例如，HIZ或高阻抗状态)情况下的测试。图9示出了在不存在接近的辅助导电结构122的情况下的图4的装置中的互电容测量电路配置示例。图10示出了在存在辅助导电结构122的情况下的图5的装置中的互电容测量电路配置示例。
导电电容器板结构116沿第一方向108(例如，对于图4-图8中的装置100的所说明的部分在X方向上)彼此间隔开第一距离117(在图中标记为D1)。第一结构110包括印刷电路板(PCB)401，其包括具有导电电容器板结构116的第一侧113，以及与第一侧113相对的第二侧404。此外，第一结构110包括透明覆盖结构125。PCB 401包括在第二侧404上的另外的导电结构406(例如，接地平面)。另外的导电结构406沿着第二方向(例如，图4-图8中的Z方向)与导电电容器板结构116间隔开第二距离402(标记为D2)。如图5所示，辅助导电结构122沿着第二方向与导电电容器板结构116间隔开第三距离403(标记为D3)。在该示例中，第一和第二方向彼此垂直，但不是所有可能实施方式的要求。在所说明的示例中，第二距离402 D2大于第一距离117 D1，并且第一距离117 D1大于第三距离403 D3。该配置增强了系统对辅助导电结构122和导电电容器板结构116的相对定位的灵敏度。相对尺寸D1、D2和D3还改进了检测用户的手指(未示出)接触第二结构120的顶部表面408的触摸事件的灵敏度。在一个实施方式中使距离D3尽可能短，并且使相邻结构116之间的间隙距离D1至少等于到GND的距离D2，除非在TX/RX电极116和GND之间提供驱动屏蔽(未示出)。
在某些实施方式中，处理器132针对每个给定的导电电容器板结构116执行互电容测量以及单个自电容测量。在其他实施方式中，除了关于每个导电电容器板结构116的多个自电容测量之外，处理器132还执行互电容测量。在一个示例中，处理器132周期性地执行测量序列，以便除了监测检测到的用户触摸事件之外，还关于第二结构120相对于第一结构110的位置来连续地监测控制装置100。在一个示例中，在每个序列中，处理器132实施多个互电容测量(例如，关于示例16个给定结构116中的每个)以及两组多个自电容测量(例如，关于示例16个给定结构116中的每个)，并获得多组测量的电容。在所说明的示例中，处理器132比较每个测量组的测量的电容值，并基于最大(例如，最高)测量的电容和最大测量的对应位置来确定可旋转的第二结构120的位置。另外，在一个示例中，处理器132基于测量的电容值来区分所识别的第二结构位置和用户触摸事件。
图4、图5、图9和图10说明了关于给定的导电电容器板结构116的示例互电容测试。在互电容测试期间，接口电路130向给定的导电电容器板结构116(例如，发射或TX电极)提供激励信号，并从一个或更多个相邻导电电容器板结构116(例如，接收或RX电极)接收感测信号。图4和图5示出了该测试配置和相应的电场线(图中的箭头)，用于测试左侧的给定结构116和右侧的相邻结构116的互电容。应当了解的是，给定结构116可以具有与左侧类似连接的邻居(图4-图8中未示出)。图4示出了可旋转的辅助导电结构122不靠近给定的或相邻结构116的情况。图5示出了可旋转的辅助导电结构122至少部分地覆盖给定的导电电容器板结构116和相邻结构116的情况。
图9示出了当辅助导电结构122不接近给定的和相邻电极结构116时，图4中的情况的示意性电路表示900。图9中的图900说明了第一电容901(标记为CTX-GND)，其表示给定的(例如，TX)导电电容器板结构116与接地平面导电结构406之间的电容。图900还示出了第二电容902(标记为CTX-RX)，其表示给定的结构116和相邻结构116之间的电容；以及第三电容903(标记为CRX-GND)，其表示相邻(例如，RX)导电电容器板结构116和接地平面结构406之间的电容。在这种辅助结构122不存在的情况下，因此电场ETX-RX(其主要负责RX电极处的感测信号)主要由TX和RX电极116之间的间隙限定。
图10示出了在存在辅助导电结构122的图5中的情况下的示意性电路表示1000。在这种情况下，电容901、902和903存在于电路中。此外，该电路包括电容1001(标记为CTX-AUX)，其表示给定的(例如，TX)导电电容器板结构116与接近的辅助导电结构122之间的电容；以及电容1002(标记为CAUX-RX)，其表示辅助导电结构122和相邻(例如，RX)导电电容器板结构116之间的电容。在这种存在辅助导电结构122的情况下，其减小了电场ETX-RX，但添加了ETX-RX分量，其包括串联电场(E-field)ETX-AUX EAUX-RX，其现在全部共同负责在RX电极116处感测到的信号。由于较大的电容CTX-RX，RX电极116处的感测信号将显著高于图4和图9中的感测信号，并且处理器132可以检测辅助导电结构122的存在。
TX和RX电极的电极配置受处理器132执行的程序指令的控制，并且电极的配置可以从TX改变为RX，反之亦然。另外，电极116不仅是TX/RX对的组合，而且TX/RX可以围绕滚轮结构来回移动/交换(commute)，并且TX电极同时可以是用于两个相邻电极116的TX，被配置为RX电极，一个在顺时针方向，另一个在逆时针方向。以这种方式，处理器132在某些示例中执行差分测量，因为辅助结构122可以被设计为覆盖两个相邻电极116的区域。
在一个示例中，MCU处理器132实施互电容和自电容测试组件150，并且电容器传感器接口电路136将给定结构116(例如，TX)连接到处理器132的模拟输出通用I/O(GPIO)，以便向给定的导电电容器板结构116提供发射(TX)信号。处理器132和接口电路136将相邻结构116(例如，RX电极)连接到处理器132的不同GPIO的模数转换器(ADC)功能，以便测量来自相邻导电电容器板结构116的接收信号。可以将任何合适的AC、DC或斜坡激励(例如，TX)信号施加到作为TX电极操作的给定导电电容器板结构116。在一个示例中，通过操作用作模拟输出信号源的连接的GPIO，处理器132将一系列激励信号施加到TX电极116。在一个示例中，激励信号模式包括第一信号，该第一信号从接地电平或其他预定电平斜升以将电容充电到恒定的预定DC电平。
一旦电容被设置为已知的起始状态，处理器132就将TX GPIO切换到支持传输现有电荷以通过TX-RX电容在RX电极116上施加或产生电荷的功能。在一个充电周期/循环之后，处理器切换到传输模式，该传输模式将所产生的RX电极116的电荷传输到MCU 132或测量(例如，RX)GPIO的内部参考或采样电容器，或者传输到电容器传感器接口电路136的参考电容。在一个示例中，电荷传输电路将所产生的RX电极电荷传输到参考电容器。处理器测量内部时钟周期的数量，以将内部电容充电到已知值。因为内部电容值是已知的，所以处理器132根据(例如，响应于或基于)要达到参考电容上的特定阈值电压所需的充电周期的数量来确定测量的电容(例如，互电容或自电容)。在该示例中，处理器132有效地测量电荷传输以确定测量的电容。在其他示例中，处理器132使用固定的充电时间并测量所得到的电极电压以确定测量的电容。在其他示例中，处理器132使用单个充电或放电斜率来执行电容测量。在一个示例中，处理器132使用电压阈值并测量时间。在一些示例中，处理器132在固定的选通时间(gate time)期间实施多个充电和放电周期(例如，振荡)，并测量充电放电/振荡周期的数量以确定电容。在这些示例中，处理器132将激励信号提供给给定的导电电容器板结构116，并从相邻的导电电容器板结构116接收感测信号，以对导电电容器板结构116的各个组执行互电容测试。此外，在某些示例中，处理器132使用两个邻近的相邻导电电容器板结构116来对给定的导电电容器板结构116执行电容测试以用于互电容测量。
图6和图7说明了控制装置100中的两个不同示例自电容测量中的第一个。图6示出了第一自电容测量配置和相关联的场线，其中给定的导电电容器板结构116被连接以从处理器132的对应GPIO接收激励信号。给定结构116操作为TX电极和RX电极二者，用于自电容测量。在图6的示例中，处理器132使用连接的GPIO将相邻结构116接地(例如，与接地平面结构406相同的电位)。图7示出了在存在辅助导电结构122的情况下的第一自电容测量配置和对应的电场线，其改变了与给定的导电电容器板结构116相关联的场线和对应的测量的自电容。在一个示例中，通过将激励信号提供给给定导电电容器板结构116、在将激励信号提供给给定的导电电容器板结构116的同时将相邻导电电容器板结构116的电压设置为第一电压值(例如，如图6和图7中的接地)，处理器132为各个导电电容器板结构116执行第一自电容测试。处理器132接收来自给定导电电容器板结构116的感测信号，并根据对应的感测信号确定与给定导电电容器板结构116相关联的第一自电容。
图8示出了控制装置100中的第二自电容测量。在该示例中，通过将激励信号提供给给定的导电电容器板结构116并且在将激励信号提供给给定的导电电容器板结构116的同时将相邻的导电电容器板结构116的电压设置为第二电压值或允许相邻的导电电容器板结构116浮动，处理器132对各个导电电容器板结构116执行第二自电容测试。处理器132接收来自给定导电电容器板结构116的感测信号，并根据对应的感测信号确定与给定导电电容器板结构116相关联的第二自电容。在该示例中，处理器132根据与各个导电电容器板结构116相关联的互电容以及第一和第二自电容来处理所测量的电容以识别第一用户接口结构110和用户的手指或第二用户接口结构120的相对位置。
在一个示例中，处理器132可以基于(例如，根据、响应于或基于)在每个测量周期中获得的测量电容值，在沿方向140的给定位置上清楚地识别辅助导电结构122的存在或不存在和/或用户手指的存在或不存在。在一个示例中，处理器132在每个测量周期中对16个给定电极(例如，电容器板结构)116中的每个执行互电容测量以及第一和第二自电容测量，并计算16组三个电容测量。
在另一个示例中，处理器132针对每个给定电极116关于第一和第二相邻电极执行电容测量，并计算16组五个电容测量(例如，互电容测量、相对于第一相邻电极的第一自电容测量、相对于第二相邻电极的第一自电容测量、相对于第二相邻电极的第二自电容测量以及相对于第二相邻电极的第二自电容测量)。在一个示例中，处理器132根据各个给定电极116的第一和第二测量的自电容值之间的差异来区分，在下文中称为自电容差值。在图4-图8中所说明的所描述示例中，对于辅助导电结构122和用户的手指接近给定电极116的情况，相对于给定电极116的自电容差值最大。该条件对应于与相应的相邻电极116相关联的最高电场强度。较低的自电容差值对应于存在辅助导电结构122的情况，并且在给定电极116处或附近不存在用户手指。当用户的手指存在时，发生还要更低的自电容差值，并且不存在辅助导电结构122，并且最低的自电容差值对应于没有用户的手指存在且不存在辅助导电结构122的情况。在一个示例中，处理器132比较测量的电容值以确定第一和第二自电容值的相对电平以区分这四个条件，并选择性地识别控制装置100中的可移动辅助导电结构122的位置和/或用户手指的存在和位置。另外，在某些示例中，处理器132基于多个辅助导电结构116的存在(例如，如图11-图13所示)来区分潜在定位的标识。
图11-图13说明了可以使用的不同示例导电电容器板结构形状和辅助导电结构形状。另外，可以在不同的实施方式中使用不同数量的辅助和电容结构。图11示出了包括两个可移动辅助导电结构122的示例，其具有大致覆盖两个相邻电容器板结构116的径向外部部分的角圆周长度。在该示例中，辅助导电结构122位于轴115的径向相对侧，但不是严格要求所有可能的实施方式。图12示出了16个导电电容器板结构116和两个示例可移动辅助导电结构122的另一个非限制性示例。在该示例中，辅助结构122具有大致覆盖三个相邻电容器板结构116的径向外部部分的角圆周长度。图13示出了具有16个导电电容器板结构116和两个示例可移动辅助导电结构122的又一个示例，其大致覆盖三个相邻电容器板结构116的圆周和径向范围。在一个示例中，辅助导电结构122的径向范围覆盖导电电容器板结构116的显著径向间隔，并且甚至可以径向完全覆盖它们，如图13所示。更大的覆盖区域由于更高的响应而导致电容-机械旋转检测的更高鲁棒性。
图14和图15说明了另一种可能的实施方式100，其中第一方向108是线性的。在这种情况下，17个结构116彼此线性间隔开(标记为P1、P2、P3、P4、P5、P6、P7、P8、P9、P10、P11、P12、P13、P14、P15、P16和复制的P1)。图14示出俯视图，并且图15示出了侧视图。线性机械控制装置100包括固定的第一结构110和用于用户接口或HMI的线性可平移的第二用户接口结构120。控制装置100以与上文描述的旋转装置100大致类似的方式操作，其中第二结构120相对于固定的第一结构110沿线性第一方向108(在图14和图15中沿X方向)可平移。与上文描述的装置100类似，图14和图15的控制装置100可以包括电容的和光学的线性位置检测特征，其中在所说明的示例中省略了LED和反射器。图15中的第一结构110还包括透明保护覆盖物125，其底侧在导电电容器结构116的顶部表面上方延伸。第一侧113上的导电电容器板结构116形成整数电容器。第二结构120包括底部或第二侧123，其具有的导电结构122面向第一结构110的导电电容器板结构116。依据第二结构120的位置，当导电结构122接近给定结构116定位时，导电结构122选择性地修改电容器板结构116中给定的一个电容器板结构的电容。
参见图16-图19，在一个示例中，处理器132使用矩阵测试技术来在控制装置100中执行互电容和自电容测试或测量。图16示出了包括导电电容器板互连的示例感测配置1600。在该示例中，CAPx.y使用整数“x”个多路复用器(每个多路复用器具有“y”个输入)来指定接口电路136中或MCU处理器132的内部多路复用器中的多路复用器互连。某些示例中的各个多路复用器与对应的通用I/O(GPIO)相关联。
图18和图19分别说明了旋转和线性控制装置示例100的详细示例，其中“x”的范围为0-3，“y”的范围为0-3。图17示出了表1700，其说明了在控制装置100的一个示例中使用的示例位置和用户触摸检测真值表，包括在表1700的第一栏中指定的16个电容器测试CT1-1、CT1-2、CT1-3、CT1-4、CT1-5、CT1-6、CT1-7、CT1-8、CT1-9、CT1-10、CT1-11、CT1-12、CT1-13、CT1-14、CT1-15和CT1-16。该表的第二列示出了该特定测试的互连。例如，为了检测位置CT1-1(P1)处的触摸事件，在该示例中预期在连接CAP1.3、连接CAP0.0和连接CAP2.0处的电容响应。在一个示例中，在辅助导电结构122和/或用户的手指存在的情况下，预期在连接CAP0.0处的该条件的最大响应，并且来自相邻连接CAP1.3和CAP2.0的信令表现出较低但明显的响应。对于该特定测试，与CAP0.0相关联的导电电容器板结构116是中心或给定(例如，TX)电极，并且与其相邻电极CAP1.3和CAP2.0一起被测试。在操作中，处理器132顺序地执行针对每个互电容测试的16个测试以及第一和第二自电容测试。图18示出了配置1800并且包括用于旋转实施方式的对应电连接118，其中导电电容器板结构116以顺时针方式顺序地标记为P1-P16。在图17的表1700中的第一测试CT1-1中，例如，与CAP0.0相关联的导电电容器板结构116在图18和图19中被标记为P1。当该板结构116是被测试的给定结构时，标记为P1的结构116是中心或给定(例如，TX)电极，并且与其逆时针的邻居P16(CAP1.3)及其顺时针的邻居P2(CAP2.0)一起被测试。图19说明了对应的线性配置互连示例1900。为了便于针对给定电极和相邻电极的测试互连和操作，线性示例100包括在线性配置的相对端处的复制的P1电极116。
在所描述的实施例中修改是可能的，并且在权利要求的范围内，其他实施例也是可能的。

Claims (20)

1.一种用于用户接口的控制装置，其包括：
第一结构，其包括在所述第一结构的第一侧上沿第一方向彼此间隔开的多个导电电容器板结构；
第二结构，其沿所述第一方向相对于所述第一结构可移动，所述第二结构包括第二侧和辅助导电结构，所述第二侧面向所述第一结构的所述第一侧；所述辅助导电结构位于所述第二结构的所述第二侧上，以沿所述第一方向移动，以当所述辅助导电结构接近所述电容器板结构中的给定的一个定位时，选择性地修改与所述导电电容器板结构中的所述给定的一个相关联的电容；以及
接口电路，用于向所述导电电容器板结构提供激励信号，并从所述导电电容器板结构接收感测信号，以对所述导电电容器板结构的组执行互电容测试，并对所述导电电容器板结构中的各个导电电容器板结构执行自电容测试，以在所述互电容测试和所述自电容测试之一期间，根据来自所述导电电容器板结构的信号来提供位置信号，所述位置信号表示所述第二结构或用户的手指相对于所述第一结构的位置沿所述第一方向的位置。
2.根据权利要求1所述的控制装置，其中：
所述导电电容器板结构沿所述第一方向彼此间隔开第一距离；
所述第一结构还包括：
与所述第一侧相对的第二侧；以及
在所述第二侧上的另外的导电结构，所述另外的导电结构沿第二方向与所述导电电容器板结构间隔开第二距离；以及
所述辅助导电结构沿所述第二方向与所述导电电容器板结构间隔开第三距离。
3.根据权利要求2所述的控制装置，其中：
所述第二距离大于所述第一距离；以及
所述第一距离大于所述第三距离。
4.根据权利要求3所述的控制装置，其中，所述接口电路被配置为向所述导电电容器板结构中的所述给定的一个提供所述激励信号，并且从相邻的导电电容器板结构接收所述感测信号，以对所述导电电容器板结构的所述组执行所述互电容测试。
5.根据权利要求4所述的控制装置，其中，所述接口电路被配置为向所述导电电容器板结构中的所述给定的一个提供所述激励信号，从所述导电电容器板结构中的所述给定的一个接收所述感测信号，并控制所述相邻的导电电容器板结构的电压，以对所述导电电容器板结构中的所述给定的一个执行所述自电容测试。
6.根据权利要求5所述的控制装置，其中：
所述接口电路被配置为向所述导电电容器板结构中的所述给定的一个提供所述激励信号，从所述导电电容器板结构中的所述给定的一个接收所述感测信号，并将所述相邻的导电电容器板结构的所述电压设置为第一电压值，以对所述导电电容器板结构中的所述给定的一个执行第一自电容测试；以及
所述接口电路被配置为向所述导电电容器板结构中的所述给定的一个提供所述激励信号，从所述导电电容器板结构中的所述给定的一个接收所述感测信号，并允许所述相邻的导电电容器板结构浮动，以对所述导电电容器板结构中的所述给定的一个执行第二自电容测试。
7.根据权利要求5所述的控制装置，其中：
所述接口电路被配置为向所述导电电容器板结构中的所述给定的一个提供所述激励信号，从所述导电电容器板结构中的所述给定的一个接收所述感测信号，并将所述相邻的导电电容器板结构的所述电压设置为第一电压值，以对所述导电电容器板结构中的所述给定的一个执行第一自电容测试；以及
所述接口电路被配置为向所述导电电容器板结构中的所述给定的一个提供所述激励信号，从所述导电电容器板结构中的所述给定的一个接收所述感测信号，并将所述相邻的导电电容器板结构的所述电压设置为第二电压值，以对所述导电电容器板结构中的所述给定的一个执行第二自电容测试。
8.根据权利要求1所述的控制装置，其中，所述接口电路被配置为向所述导电电容器板结构中的所述给定的一个提供所述激励信号，从所述导电电容器板结构中的所述给定的一个接收所述感测信号，并控制相邻的导电电容器板结构的电压，以对所述导电电容器板结构中的所述给定的一个执行所述自电容测试。
9.根据权利要求8所述的控制装置，其中：
所述接口电路被配置为向所述导电电容器板结构中的所述给定的一个提供所述激励信号，从所述导电电容器板结构中的所述给定的一个接收所述感测信号，并将所述相邻的导电电容器板结构的所述电压设置为第一电压值，以对所述导电电容器板结构中的所述给定的一个执行第一自电容测试；以及
所述接口电路被配置为向所述导电电容器板结构中的所述给定的一个提供所述激励信号，从所述导电电容器板结构中的所述给定的一个接收所述感测信号，并允许所述相邻的导电电容器板结构浮动，以对所述导电电容器板结构中的所述给定的一个执行第二自电容测试。
10.根据权利要求8所述的控制装置，其中：
所述接口电路被配置为向所述导电电容器板结构中的所述给定的一个提供所述激励信号，从所述导电电容器板结构中的所述给定的一个接收所述感测信号，并将所述相邻的导电电容器板结构的所述电压设置为第一电压值，以对所述导电电容器板结构中的所述给定的一个执行第一自电容测试；以及
所述接口电路被配置为向所述导电电容器板结构中的所述给定的一个提供所述激励信号，从所述导电电容器板结构中的所述给定的一个接收所述感测信号，并将所述相邻的导电电容器板结构的所述电压设置为第二电压值，以对所述导电电容器板结构中的所述给定的一个执行第二自电容测试。
11.根据权利要求1所述的控制装置，其中，所述接口电路被配置为向所述导电电容器板结构中的所述给定的一个提供所述激励信号，并且从相邻的导电电容器板结构接收所述感测信号，以对所述导电电容器板结构的所述组执行所述互电容测试。
12.根据权利要求1所述的控制装置，其中，所述第一方向相对于轴是圆周的。
13.根据权利要求1所述的控制装置，其中，所述第一方向是线性的。
14.根据权利要求1所述的控制装置，还包括：
整数N个光源，其位于所述第一结构的所述第一侧，以选择性地将光引导离开所述第一侧，N大于1；
整数N个光学传感器，其位于所述第一结构的所述第一侧，以选择性地感测指向所述第一结构的所述第一侧的光，各个光学传感器接近对应的一个光源定位，形成N个光学设备对的所述光源和光学传感器沿所述第一方向彼此间隔开；以及
反射器，其位于所述第二结构的所述第二侧上，以沿着所述第一方向移动，以在所述反射器接近所述光学设备对中的给定的一个定位时，选择性地将来自所述光源中的一个的光反射到所述光学设备对中的所述给定的一个的对应光学传感器；
其中，所述接口电路被配置为根据来自所述光学传感器的信号和来自所述电容器板结构的信号提供所述位置信号。
15.一种用于用户接口的控制装置，其包括：
第一结构，其包括：第一侧；多个导电电容器板结构，其在所述第一侧上沿第一方向彼此间隔开第一距离；第二侧，其与所述第一侧相对；以及另外的导电结构，其在所述第一结构的所述第二侧上，所述另外的导电结构沿第二方向与所述导电电容器板结构间隔开第二距离；
第二结构，其沿所述第一方向相对于所述第一结构可移动，所述第二结构包括第二侧和辅助导电结构，所述第二侧面向所述第一结构的所述第一侧；所述辅助导电结构位于所述第二结构的所述第二侧上，以沿所述第一方向移动，以当所述辅助导电结构接近所述电容器板结构中的给定的一个定位时，选择性地修改与所述导电电容器板结构中的所述给定的一个相关联的电容，所述辅助导电结构沿所述第二方向与所述导电电容器板结构间隔开第三距离；以及
接口电路，用于向所述导电电容器板结构提供激励信号，并从所述导电电容器板结构接收感测信号，以在电容测试期间，根据来自所述导电电容器板结构的信号提供位置信号，所述位置信号表示所述第二结构或用户的手指相对于所述第一结构的位置沿所述第一方向的位置。
其中，所述第二距离大于所述第一距离，并且所述第一距离大于所述第三距离。
16.根据权利要求15所述的控制装置，其中，所述第一方向相对于轴是圆周的。
17.根据权利要求15所述的控制装置，其中，所述第一方向是线性的。
18.根据权利要求15所述的控制装置，还包括：
整数N个光源，其位于所述第一结构的所述第一侧，以选择性地将光引导离开所述第一侧，N大于1；
整数N个光学传感器，其位于所述第一结构的所述第一侧，以选择性地感测指向所述第一结构的所述第一侧的光，各个光学传感器接近对应的一个光源定位，形成N个光学设备对的所述光源和光学传感器沿所述第一方向彼此间隔开；以及
反射器，其位于所述第二结构的所述第二侧上，以沿所述第一方向移动，以当所述反射器接近所述光学设备对中的给定的一个定位时，选择性地将来自所述光源中的一个的光反射到所述光学设备对中的所述给定的一个的对应光学传感器；
其中，接口电路被配置为根据来自所述光学传感器的信号和来自所述电容器板结构的信号提供所述位置信号。
19.一种检测固定的第一用户接口结构和相对于所述第一结构沿第一方向可移动的用户的手指或第二用户接口结构的相对位置的方法，所述第一结构具有沿所述第一方向彼此间隔开的多个导电电容器板结构，所述方法包括：
对所述导电电容器板结构的组执行互电容测试，包括向所述导电电容器板结构中的给定的一个提供激励信号，从相邻的导电电容器板结构接收感测信号，以及根据对应的感测信号确定与所述导电电容器板结构中的所述给定的一个相关联的互电容；
对所述导电电容器板结构中的各个导电电容器板结构执行至少一次自电容测试，包括向所述导电电容器板结构中的所述给定的一个提供所述激励信号，在向所述导电电容器板结构中的所述给定的一个提供所述激励信号的同时控制所述相邻的导电电容器板结构的电压，从所述导电电容器板结构中的所述给定的一个接收所述感测信号，并根据所述对应的感测信号确定与所述导电电容器板结构中的所述给定的一个相关联的自电容；以及
根据与各个导电电容器板结构相关联的所述互电容和自电容，处理测量的电容以识别所述第一用户接口结构和所述用户的手指或所述第二用户接口结构的相对位置。
20.根据权利要求19所述的方法，还包括：
对所述导电电容器板结构中的所述各个导电电容器板结构执行第一自电容测试，包括向所述导电电容器板结构中的所述给定的一个提供所述激励信号，在向所述导电电容器板结构中的所述给定的一个提供所述激励信号的同时将所述相邻的导电电容器板结构的所述电压设置为第一电压值，从所述导电电容器板结构中的所述给定的一个接收所述感测信号，并根据所述对应的感应信号确定与所述导电电容器板结构中的所述给定的一个相关联的第一自电容；
对所述导电电容器板结构中所述各个导电电容器板结构执行第二自电容测试，包括向所述导电电容器板结构中的所述给定的一个提供所述激励信号，在向所述导电电容器板结构中的所述给定的一个提供所述激励信号的同时将所述相邻的导电电容器板结构的所述电压设置为第二电压值或允许所述相邻的导电电容器板结构浮动，从所述导电电容器板结构中的所述给定的一个接收所述感测信号，并根据所述对应的感测信号确定与所述导电电容器板结构中的所述给定的一个相关联的第二自电容；以及
根据所述互电容和与所述各个导电电容器板结构相关联的第一和第二自电容，处理测量的电容以识别所述第一用户接口结构和所述用户的手指或所述第二用户接口结构的相对位置。
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