CN110646026A - 用于电容传感器元件的模拟信号调节与诊断 - Google Patents

用于电容传感器元件的模拟信号调节与诊断 Download PDF

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Abstract

一种系统包括多个电容传感器、多路复用器、可编程增益放大器、振荡器、开关和控制器。这些传感器耦合到该多路复用器，该多路复用器耦合到该开关，并且该开关耦合到该放大器和该振荡器。该控制器可以控制该多路复用器来选择这些传感器中的每一者。该控制器可以控制该开关来激活该放大器或该振荡器。该控制器可以测量该放大器输出的电压或该振荡器输出的频率。该系统可以被包括在诸如乘员座椅等乘员支撑件中。

Description

用于电容传感器元件的模拟信号调节与诊断
背景技术
本披露内容涉及与乘员支撑件一起使用的传感器系统。更具体地，本披露内容涉及电容传感器系统。
发明内容
根据本披露内容，一种校准并提供多个电容传感器的诊断输出的系统包括多个电容传感器、多路复用器、可编程增益放大器(PGA)、振荡器、开关和控制器。该多路复用器包括多个传感器输入、通道选择输入和输出。每个传感器输入耦合到该多个电容传感器中的电容传感器。该PGA包括传感器输入、增益输入和输出。该振荡器包括输入和输出。该输出的频率取决于耦合到该输入的电容。该开关包括诊断选择输入、耦合到该多路复用器的输出的传感器输入、耦合到该PGA的传感器输入的第一输出、以及耦合到该振荡器的输入的第二输出。该控制器包括耦合到该PGA的输出的模拟/数字输入、耦合到该PGA的增益输入的增益控制输出、耦合到该振荡器的输入的频率输入、耦合到该多路复用器的通道选择输入的通道选择输出、以及耦合到该开关的诊断选择输入的诊断选择输出。
在说明性实施例中，该多个电容传感器包括压电传感器。在说明性实施例中，该多个电容传感器耦合到车辆座椅。
在说明性实施例中，该控制器被配置为：向该多路复用器输出通道选择信号，以选择该多个电容传感器中的第一电容传感器；向该开关输出第一诊断选择信号以激活该第一输出；响应于该第一诊断选择信号的输出和该通道选择信号的输出而利用该模拟/数字输入读取电压值；向该开关输出第二诊断选择信号以激活该第二输出；以及响应于该第二诊断选择信号的输出和该通道选择信号的输出而利用该频率输入读取频率值。
在说明性实施例中，该控制器可以进一步被配置为将该频率值和与该第一电容传感器相关联的预定参考频率进行比较。该控制器可以进一步被配置为响应于该频率值与该预定参考频率的比较而确定该第一电容传感器的状态。该控制器可以进一步被配置为响应于该第一诊断选择信号的输出和该通道选择信号的输出而向该PGA输出增益控制信号。该增益控制信号与该第一电容传感器相关联。
在说明性实施例中，该控制器可以进一步被配置为：向该多路复用器输出第二通道选择信号，以选择该多个电容传感器中的第二电容传感器；响应于该第一诊断选择信号的输出和该第二通道选择信号的输出而利用该模拟/数字输入读取第二电压值；以及响应于该第二诊断选择信号的输出和该第二通道选择信号的输出而利用该频率输入读取第二频率值。该控制器可以进一步被配置为响应于该第一诊断选择信号的输出和该第二通道选择信号的输出而向该PGA输出第二增益控制信号。该第二增益控制信号与该第二电容传感器相关联。
在说明性实施例中，电压数据指示由该第一电容传感器感测的生物医学数据。
在考虑例示了执行如当前认识到的本披露内容的最佳模式的说明性实施例后，本领域的技术人员将清楚本披露内容的另外特征。
附图说明
详细描述具体地参考附图，在附图中：
图1是根据本披露内容的耦合到乘员支撑件的传感器系统的透视和示意图，表明传感器系统包括被配置为测量位于乘员支撑件上的乘员的生理数据的多个传感器和耦合到传感器的控制系统；
图2是耦合到乘员支撑件的传感器系统的后透视图，示出了容纳在乘员支撑件的靠背中的控制系统；
图3是图1和图2的传感器系统的示意图；并且
图4是示出可以由图1至图3的传感器系统执行的用于传感器采样和诊断的方法的简化流程图。
具体实施方式
根据本披露内容的传感器系统14被适配成与乘员支撑件10一起使用，诸如例如图1和图2所示的座椅。乘员支撑件10可以被包括在车辆中，或者乘员支撑件10可以是被配置为支撑乘员的任何乘员支撑件10。
如图1和图2所示，乘员支撑件10包括可以被配置为测量乘员生理信息和周围环境信息的多个传感器12。传感器12可以并入或以其他方式附接到乘员支撑件10的一个或更多个舒适层中，或者以其他方式并入乘员支撑件10中。传感器系统14接收来自传感器12的信号。传感器系统14可以基于来自传感器12的信号而确定指示乘员的生理特性的乘员健康数据和/或指示乘员的状态的乘员状态数据。传感器系统14还可以基于来自传感器12的信号确定传感器状态数据。
每个传感器12被实施为电容传感器，诸如压电传感器、电极、或具有特定电容的另一电传感器。传感器12可以用于例如通过使用一个或更多个压电传感器12测量心率或呼吸率来测量生物医学数据。说明性地，传感器12彼此间隔开并且位于乘员支撑件10的底部覆盖件和靠背覆盖件中。另外地，乘员支撑件10可以包括不同数量和/或安排的传感器12。
传感器系统14被配置为从传感器12接收信号，包括测量乘员生理信息和周围环境信息以及接收传感器诊断信息。如图3所示，控制系统包括多路复用器16、开关18、可编程增益放大器(PGA)20、振荡器22和控制器24。控制器24可以实施为任何微控制器、微处理器、片上系统(SoC)、电子控制单元(ECU)、数字信号处理器、或能够执行本文描述的操作的其他控制电路。如图所示，控制器24包括模拟/数字输入26、增益控制输出28、定时器输入30、诊断选择输出32和通道选择输出34。控制器24的输入和输出中的每一者可以实施为一个或更多个专用引脚、信号、通用I/O(GPIO)引脚、总线、电路迹线、或控制器24与传感器系统14的其他部件之间的其他连接。
控制器24的通道选择输出34连接到多路复用器16的输入选择。多路复用器16可以实施为具有多个输入和单个输出的模拟多路复用器。多路复用器16的每个输入连接到传感器12。多路复用器16的输出连接到开关18的输入。因此，通道选择输出34可以用于选择特定的传感器12。说明性地，如图3所示，选择传感器12a，并且因此传感器12a经由多路复用器16连接到开关18。另外，尽管示出为包括单个多路复用器，但是应该理解，在一些实施例中，传感器系统14可以包括可以组合使用以选择特定传感器12的多个多路复用器16。
开关18可以实施为晶体管、继电器、或任何其他可电操作的开关。开关18具有连接到多路复用器16的单个输入和分别连接到PGA 20和振荡器22的两个输出。控制器24的诊断选择输出32连接到开关18的输入选择。说明性地，如图3所示，选择PGA 20，并且因此由多路复用器16选择的传感器12连接到PGA 20。类似地，当选择振荡器22时，由多路复用器16选择的传感器12连接到振荡器22。
PGA 20可以实施为任何可编程增益放大器。PGA 20被配置为电压模式放大器。PGA20的输入连接到开关18，并且PGA 20的输出连接到电压测量装置(说明性地，控制器24的A/D输入26)。PGA 20还包括连接到控制器24的增益控制输出28的增益控制输入。如下所述，控制器24可以基于所选择的传感器12而设置PGA 20的增益。
振荡器22可以实施为具有取决于输入电容的输出频率的任何振荡器电路。振荡器22的输入连接到开关18。因此，振荡器22的输出频率取决于由多路复用器16选择并经由开关18连接的传感器12的电容。振荡器22的输出连接到时间/频率测量装置(说明性地，控制器24的定时器输入30)。
在使用中，控制器24可以执行如图4所示的方法100，以用于测量传感器12的传感器数据和诊断数据。例如，方法100可以实施为存储在计算机可读介质上的各种指令，这些指令可以由控制器24执行以使控制器24执行方法100。计算机可读介质可以实施为能够由控制器24读取的任何类型的介质，包括但不限于，存储器、数据存储装置、固件装置、微代码、其他存储器或数据存储装置。
方法100在框102中开始，其中控制器24向开关18输出诊断选择信号32以使开关18停用诊断模式。当诊断模式被停用时，开关18耦合到PGA 20的输出被激活，并且开关18耦合到振荡器22的输出被停用。因此，在停用模式下，PGA 20经由开关18连接到多路复用器16。诊断选择信号32可以实施为使得开关18停用诊断模式的任何适当的一个或多个数字信号和/或一个或多个模拟信号。
在框104中，控制器24向多路复用器16输出通道选择信号34，以使多路复用器16选择下一传感器12。例如，再次参考图2，通道选择信号34可以使多路复用器选择传感器12a，并且如下文进一步描述，控制器24可以迭代地选择剩余的传感器12b、12c、12d。因此，所选择的传感器12经由多路复用器16和开关18连接到PGA 20。通道选择信号34可以实施为使得多路复用器16选择特定传感器12的任何适当的一个或多个数字信号和/或一个或多个模拟信号。
在框106中，控制器24基于所选择的传感器12而向PGA 20输出增益控制信号28。PGA 20根据增益控制信号28来放大经由多路复用器16和开关18从传感器12接收的信号。PGA 20说明性地作为电压模式放大器操作。因此，同一PGA 20可以作为多个传感器12的模拟信号调节级操作。因此，传感器系统14可以通过消除与多个信号调节级相关联的容差并消除多个信号调节级所需的校准来降低系统复杂性。传感器系统14还可以减少电子印刷电路板上所需的板空间，或者以其他方式降低与多个信号调节级相关联的成本。
在框108中，控制器24读取从PGA 20输出的电压。例如，控制器24可以利用A/D输入26读取电压值。电压值指示由所选择的传感器12产生的传感器数据，其可包括生理数据或生物医学数据。例如，传感器数据可以指示乘员支撑件10的乘员的心率或呼吸率。控制器24可以基于从传感器12接收的信号而确定乘员健康数据和/或乘员状态数据。另外地或替代性地，传感器数据可以提供到其他电子控制单元、计算机、智能装置、云计算系统或其他数据系统以进行处理。
在框110中，控制器24确定是否剩余额外的传感器12以供采样。例如，控制器24可以迭代遍历耦合到乘员支撑件10的所有传感器12并且对每个传感器12输出的电压进行采样。如果剩余一个或多个额外的传感器12，则方法100循环回到框104以选择下一传感器12并读取相关联的电压输出。如果不再剩余传感器12以供采样，则方法100前进到框112。
在框112中，控制器24向开关18输出诊断选择信号32，以使开关18激活诊断模式。当诊断模式被激活时，耦合到PGA 20的开关18的输出被停用，并且耦合到振荡器22的开关18的输出被激活。因此，在停用模式下，振荡器22经由开关18连接到多路复用器16。诊断选择信号32可以实施为使得开关18激活诊断模式的任何适当的一个或多个数字信号和/或一个或多个模拟信号。
在框114中，控制器24向多路复用器16输出通道选择信号34，以使多路复用器16选择下一传感器12。例如，再次参考图2，通道选择信号34可以使多路复用器选择传感器12a，并且如下文进一步描述，控制器24可以迭代地选择剩余的传感器12b、12c、12d。因此，所选择的传感器12经由多路复用器16和开关18连接到振荡器22。通道选择信号34可以实施为使得多路复用器16选择特定传感器12的任何适当的一个或多个数字信号和/或一个或多个模拟信号。
在框116中，控制器24读取从振荡器22输出的频率。例如，控制器24可以利用定时器输入30读取频率。如上所述，振荡器22输出的频率取决于所选择的传感器12的电容。
在框118中，控制器24将从振荡器22输出的频率与所选择的传感器12的预期频率进行比较。每个传感器12具有正常电容或以其他方式排除的电容。传感器12的断裂导线、损坏的感测元件或其他非标称状况可能导致传感器12的电容改变。因此，从振荡器22输出的频率与预期频率不同可以指示特定传感器12的状态(例如，特定传感器12可能被损坏或不可操作)。因此，类似于减少信号调节级的数量，传感器系统14可以使用公用部件为多个传感器12提供诊断特征。因此，传感器系统14可以降低传感器12诊断的复杂性和/或成本。
在框120中，控制器24确定是否剩余额外的传感器12以供诊断。例如，控制器24可以迭代遍历耦合到乘员支撑件10的所有传感器12并确定每个单独传感器12的状态。如果剩余一个或多个额外的传感器12，则方法100循环回到框114以选择下一传感器12并读取相关联的频率。如果不再剩余传感器12以供诊断，则方法100前进到框122。
在框122中，控制器24确定是否已经经过固定的时间间隔。例如，时间间隔可以是一毫秒(ms)或另一预定的时间间隔。在一些实施例中，如上结合框102至110所述的读取所有传感器12的电压可以在例如大约几微秒(μs)的短时间量内完成。在一些实施例中，可以花费每个时间间隔的剩余时间来执行如上结合框114至120所述的诊断。如果尚未经过固定时间间隔，则方法100循环回到框122以继续等待经过固定时间间隔。如果已经经过固定时间间隔，则方法100循环回到框102以继续对传感器12进行采样并执行诊断。
在另一示例中，控制器24可以执行用于测量传感器12的传感器数据和诊断数据的方法。例如，该方法可以尽可能快地读取所有传感器数据，并且然后使用任务内的剩余时间来对每个传感器执行诊断。在另一示例中，该方法可以读取传感器值、切换到诊断模式、读取频率、并且然后选择下一传感器并执行相同的一组动作。然而，可以使用任何合适的动作组合。
以下编号的条款包括预期和非限制性的实施例：
条款1.一种校准并提供多个电容传感器的诊断输出的系统，该系统包括
多个电容传感器；
多路复用器，该多路复用器包括多个传感器输入、通道选择输入和输出，其中每个传感器输入耦合到该多个电容传感器中的电容传感器。
条款2.如条款1、任何其他条款或条款的组合所述的系统，进一步包括：可编程增益放大器(PGA)，该可编程增益放大器包括传感器输入、增益输入和输出。
条款3.如条款2、任何其他条款或条款的组合所述的系统，进一步包括：振荡器，该振荡器包括输入和输出，其中该输出的频率取决于耦合到该输入的电容。
条款4.如条款3、任何其他条款或条款的组合所述的系统，进一步包括：开关，该开关包括诊断选择输入、耦合到该多路复用器的输出的传感器输入、耦合到该PGA的传感器输入的第一输出、以及耦合到该振荡器的输入的第二输出。
条款5.如条款4、任何其他条款或条款的组合所述的系统，进一步包括：控制器，该控制器包括耦合到该PGA的输出的模拟/数字输入、耦合到该PGA的增益输入的增益控制输出、耦合到该振荡器的输入的频率输入、耦合到该多路复用器的通道选择输入的通道选择输出、以及耦合到该开关的诊断选择输入的诊断选择输出。
条款6.如权利要求5、任何其他条款或条款的组合所述的系统，其中，该多个电容传感器包括压电传感器。
条款7.如权利要求6、任何其他条款或条款的组合所述的系统，其中，该多个电容传感器耦合到车辆座椅。
条款8.如权利要求5、任何其他条款或条款的组合所述的系统，其中，该控制器被配置为：
向该多路复用器输出通道选择信号，以选择该多个电容传感器中的第一电容传感器；
向该开关输出第一诊断选择信号以激活该第一输出；
响应于该第一诊断选择信号的输出和该通道选择信号的输出而利用该模拟/数字输入读取电压值；
向该开关输出第二诊断选择信号以激活该第二输出；以及
响应于该第二诊断选择信号的输出和该通道选择信号的输出而利用该频率输入读取频率值。
条款9.如权利要求8、任何其他条款或条款的组合所述的系统，其中，该控制器进一步被配置为将该频率值和与该第一电容传感器相关联的预定参考频率进行比较。
条款10.如权利要求9、任何其他条款或条款的组合所述的系统，其中，该控制器进一步被配置为响应于该频率值与该预定参考频率的比较而确定该第一电容传感器的状态。
条款11.如权利要求8、任何其他条款或条款的组合所述的系统，其中，该控制器进一步被配置为响应于该第一诊断选择信号的输出和该通道选择信号的输出而向该PGA输出增益控制信号，其中该增益控制信号与该第一电容传感器相关联。
条款12.如权利要求8、任何其他条款或条款的组合所述的系统，其中，该控制器进一步被配置为：
向该多路复用器输出第二通道选择信号，以选择该多个电容传感器中的第二电容传感器；
响应于该第一诊断选择信号的输出和该第二通道选择信号的输出而利用该模拟/数字输入读取第二电压值；以及
响应于该第二诊断选择信号的输出和该第二通道选择信号的输出而利用该频率输入读取第二频率值。
条款13.如权利要求12、任何其他条款或条款的组合所述的系统，其中，该控制器进一步被配置为响应于该第一诊断选择信号的输出和该第二通道选择信号的输出而向该PGA输出第二增益控制信号，其中该第二增益控制信号与该第二电容传感器相关联。
条款14.如权利要求8、任何其他条款或条款的组合所述的系统，其中，电压数据指示由该第一电容传感器感测的生物医学数据。

Claims (10)

1.一种校准并提供多个电容传感器的诊断输出的系统，该系统包括：
多个电容传感器；
多路复用器，该多路复用器包括多个传感器输入、通道选择输入和输出，其中每个传感器输入耦合到该多个电容传感器的电容传感器；
可编程增益放大器(PGA)，该可编程增益放大器包括传感器输入、增益输入、和输出；
振荡器，该振荡器包括输入和输出，其中该输出的频率取决于耦合到该输入的电容；
开关，该开关包括诊断选择输入、耦合到该多路复用器的输出的传感器输入、耦合到该PGA的传感器输入的第一输出、以及耦合到该振荡器的输入的第二输出；以及
控制器，该控制器包括耦合到该PGA的输出的模拟/数字输入、耦合到该PGA的增益输入的增益控制输出、耦合到该振荡器的输入的频率输入、耦合到该多路复用器的通道选择输入的通道选择输出、以及耦合到该开关的诊断选择输入的诊断选择输出。
2.如权利要求1所述的系统，其中，该多个电容传感器包括压电传感器。
3.如权利要求2所述的系统，其中，该多个电容传感器耦合到车辆座椅。
4.如权利要求1所述的系统，其中，该控制器被配置为：
向该多路复用器输出通道选择信号，以选择该多个电容传感器中的第一电容传感器；
向该开关输出第一诊断选择信号以激活该第一输出；
响应于该第一诊断选择信号的输出和该通道选择信号的输出而利用该模拟/数字输入读取电压值；
向该开关输出第二诊断选择信号以激活该第二输出；以及
响应于该第二诊断选择信号的输出和该通道选择信号的输出而利用该频率输入读取频率值。
5.如权利要求4所述的系统，其中，该控制器进一步被配置为将该频率值和与该第一电容传感器相关联的预定参考频率进行比较。
6.如权利要求5所述的系统，其中，该控制器进一步被配置为响应于该频率值与该预定参考频率的比较而确定该第一电容传感器的状态。
7.如权利要求4所述的系统，其中，该控制器进一步被配置为响应于该第一诊断选择信号的输出和该通道选择信号的输出而向该PGA输出增益控制信号，其中该增益控制信号与该第一电容传感器相关联。
8.如权利要求4所述的系统，其中，该控制器进一步被配置为：
向该多路复用器输出第二通道选择信号，以选择该多个电容传感器中的第二电容传感器；
响应于该第一诊断选择信号的输出和该第二通道选择信号的输出而利用该模拟/数字输入读取第二电压值；以及
响应于该第二诊断选择信号的输出和该第二通道选择信号的输出而利用该频率输入读取第二频率值。
9.如权利要求8所述的系统，其中，该控制器进一步被配置为响应于该第一诊断选择信号的输出和该第二通道选择信号的输出而向该PGA输出第二增益控制信号，其中该第二增益控制信号与该第二电容传感器相关联。
10.如权利要求4所述的系统，其中，电压数据指示由该第一电容传感器感测的生物医学数据。
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