CN112526612B - 具有非线性滤波器的接近传感器和方法 - Google Patents

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Abstract

具有非线性滤波器的接近传感器和方法一种用于便携式连接装置的传感器，包括滤波器30，所述滤波器30被布置成减少采样的输入信号上的噪声分量，其中所述滤波器被布置成：仅考虑在相同方向上系统地变化的输入测量，当预定时间窗口中的所有输入样本高于或低于当前输出值时更新输出值，以及当时间窗口中的输入样本低于和高于当前输出值时重复当前输出值。

Description

具有非线性滤波器的接近传感器和方法
技术领域
本发明涉及用于处理接近传感器(proximity sensor)的输出的处理器，并且涉及与处理器组合的智能接近传感器，该智能接近传感器被布置成输出区分接近人体和接近非生命物体的信号。本发明特别地但不唯一涉及连接的便携式装置，该便携式装置配备有这种智能接近传感器并且被布置成适配从无线电接口发射的RF以便将比吸收率(SAR)维持在给定限制内。
背景技术
在包括移动电话和平板的许多现代便携式装置中使用电容性(capacitive)接近检测器来确定装置是否靠近用户的身体部分。该信息在以下若干方面是重要的：它用于检测电话是否正在被用户主动操纵，以及用户是否正在看显示器，在这种情况下，可以适配所显示的信息，和/或装置从低功率状态切换到活动状态。重要的是，该信息用于适配无线电传送器的功率水平以符合法定SAR限制。电容性接近检测还用于触敏显示器和面板中。
已知的电容性感测系统测量电极的电容(capacity)，并且当接近人体(例如手、头或膝盖)而放置装置时检测到电容的增加。传感器的电容变化相对适度，并且通常相当于当附近没有导电体时由传感器所见的“背景”电容的百分之几(someper cent)。已知的电容性检测系统可以包括用于减去漂移和噪声贡献的数字处理器，并且传递实时净用户的电容的数字值和/或基于可编程阈值指示接近状态的数字二进制标志。
发明内容
因此，本发明的目的是提供克服上述限制的电容性接近检测器中的非生命物体的鉴别方法。根据本发明实施例的便携式连接装置，包括被布置成确定用户是否接近所述便携式连接装置的传感器，所述传感器包括接收一系列数字输入值并且生成一系列数字输出值的降噪滤波器，其中所述滤波器被布置成处理具有预定长度时间的窗口中的输入值并且被布置成：基于所述窗口中的输入样本来计算上限和下限、以及所述窗口中的所述输入样本的中心值,所述中心值被包括在所述上限和所述下限之间，在当前输入值高于所述上限时，将输出值移向所述上限，或在所述当前输入值低于所述下限时，将所述输出值移向所述下限，或者在所有其它情况下，将所述输出值移向所述中心值。优选地，所述中心值被计算为等于最小值和最大值的平均值，或者其中所述中心值被计算为等于所述窗口中的所述输入样本的中值。将所述输出值移向所述中心值的操作包括先前输出值和所述中心值的线性组合，其中所述先前输出值被给予权重b，并且所述中心值被给予权重(1-b)，b是0和1之间的数。将所述输出值移向所述上限或所述下限值的操作包括先前输出值和对应界限的线性组合，其中所述先前输出值被给予权重a，并且所述中心值被给予权重(1-a)，a是0和1之间的数。便携式连接装置可以包括线性低通滤波器，也可以包括基线校正单元和鉴别器。所述传感器是电容性接近传感器，所述电容性接近传感器被布置成基于由感测电极所见的电容来确定用户是否接近所述便携式连接装置。所述感测电极还是无线电波的发射器。
附图说明
在借助于通过示例给出并由附图示出的实施例的描述的情况下，将更好地理解本发明，其中：
图1示意性地示出便携式连接装置中的电容性接近传感器；
图2的流程图描述非线性滤波方法；
图3绘出由滑动(running)平均滤波器和由非线性滤波器处理的噪声信号；
图4绘出与滤波器窗口大小相关的标准差。
具体实施方式
图1示意性地示出了在诸如便携式电话、膝上型计算机或平板之类的连接的便携式装置中的电容性接近检测器，但是应当理解，本发明的滤波器和方法可以应用于各种领域。
该检测器对电极20的电容Cx是敏感的，该电容Cx在接近用户的手、脸或身体时将略微增加。由于身体接近而引起的变化被电极20本身的电容遮蔽(overshadow)，所述电极20本身的电容进而不是稳定的。电容信号优选地由模拟处理器23放大和处理，所述电容信号也可以减去可编程偏移，并且由A/D转换器25转换成原始数字值。样本R(n)可以被编码为16位整数，或者以任何其他合适的格式被编码。
原始样本R(n)在非理想的情况下还包含被滤波器30衰减的不想要的干扰和噪声。下面将更详细描述的滤波器30提供一系列样本U(n)，其对于连续阶段(successivestages)中的处理是有用的。
单元60是基线估计器，其考虑到漂移而生成近似基线的瞬时值的一系列样本A(n)。然后，这在差单元40中从U(n)样本中减去，并且提供漂移校正后的样本D(n)。然后，鉴别器单元50生成指示用户的手、脸或身体的接近的二进制值“PROX”。然而，本发明不限于二进制输出，并且还涵盖生成多位接近值的检测器。
如果电容性接近传感器是用于SAR控制的连接的便携式装置的一部分，则传感器电极20将优选地靠近RF传送器的传送天线放置，以准确地确定与无线电源的距离。传感器电极20可以由印刷电路板上或柔性电路板上的导体实现，并且可以在背面上和在侧面处具有保护电极，以抑制在装置的背面处或侧面上对身体和物体的检测。
在相同的应用中，电容性电极20也可充当RF天线或其一部分。图1示出了本发明的这个特征。电极20通过去耦电容器Cd连接到无线电传送器和接收器单元90，并且具有电感器Ld或另一RF屏蔽元件，以屏蔽射频信号。另外，无线电单元90可以连接到与感测电极20分离且独立的天线，在这种情况下，该感测电极20可以在没有去耦电感器Ld的情况下直接连接到模拟接口23。
优选地，滤波器30实现现在将参考图2描述的非线性噪声抑制算法。进入点305在由ADC 25生成的所有原始样本R(k)上执行。滤波器单元可包括硬连线的逻辑块、经编程逻辑或其任何组合。
滤波器30被布置成：只考虑在相同方向上系统地进行的原始测量R(k)，当在预定时间窗口中的所有输入样本R(k)高于或低于当前输出值U(k-1)时更新输出值U(k)。另一方面，如果在相同时间窗口中的输入值R(k)低于和高于U(k-1)，则不改变输出值。
在通过图2的流程图所表示的可能的实现中，滤波器_30计算并且维持从R(k)的一个或多个近期值中导出的上限变量Lt(k)和下限变量Lb(k)。Lt(k)和Lb(k)被确定为在它们之间至少以良好的统计近似来包围N个先前样本的窗口中的R(k)值的值(步骤320)。
在可能的实施例中，Lt(k)和Lb(k)是在N个先前样本的窗口中的R(k)的最小值和最大值，
其中N是宽松地确定滤波窗口的宽度的可选取的参数。在典型的实现中，N可以包括在4和20之间。N＝8的仿真在噪声降低和对小距离变化的灵敏度两个方面已经提供了令人满意的结果。N可以是在滤波器中硬连线的预定值、可由主机系统设置的可编程量、或动态值。
在以一些精度换取简单和速度的另一个可能的变型中，Lt(k)和Lb(k)由输入值加上或减去预定值σ导出，该预定值σ是考虑叠加到输入信号的噪声水平而选择的。如果σ足够大，则至少在良好的统计近似的情况下，输入的先前值R(k)被包括在Lt(k)和Lb(k)之间，至少被包括在当前样本的邻域(neighbourhood)中。
滤波器30还计算包含滤波窗口中原始输入样本R(k)的中心值的变量C(k)。中心值C(k)被包括在Lb(k)和Lt(k)之间并且可采用许多方式计算，包括例如Lb(k)和Lt(k)的平均值、滤波窗口中输入样本R(k)的滑动平均值、或者滤波窗口中输入样本R(k)的滑动中值。
在图2的流程图中，变量Lt(k)、Lb(k)以及C(k)在接收到每个新样本R(k)时被更新。然而，在优化的实施例中，这些变量可以仅在需要时被更新。
在步骤350和370中，将Lt(k)和Lb(k)的值与滤波器的输出U(k-1)的最后确定进行比较，并且如果发现U(k-1)低于下限Lb(k)或者大于上限Lt(k)，则将输出的值U(k)移向下限(步骤362)或者上限(步骤364)。
输出可以向适当的上限或下限移动确定的分数量a，如在图2的简图中(框350和框370)那样：输出值U(k)是先前输出值U(k-1)和适当界限的线性组合，其中先前值被给予权重a，并且界限被给予权重(1-a)，a是0和1之间的数。权重a的值可以是预定的，或者可以是基于例如噪声水平或输入值的方差来动态地确定的。
在特别的实施例中，对应于选择a＝0，输出值U(k)被设置为等于适当的界限Lt(k)或Lb(k)。
如果步骤350和370都不满足，则将输出移向中心值C(k)(步骤368)。然后，当产生R(k)的新连续值时，该循环重复(步骤305)。有知识的读者(informed reader)将理解，U的初始值不是由这些递归步骤确定的，而是可在初始化滤波器时采用许多方式来生成，例如通过将U(0)设置为等于R(0)或随机值或简单地设置为零来生成。
输出可以向中心值移动确定的分数量b，如在图2的简图中那样：输出值U(k)是先前输出值U(k-1)和中心值C(k)的线性组合，其中先前的值被给予权重b并且中心值被给予权重(1-b)，b是0和1之间的数。权重b的值可以是预定的，或者可以是基于例如输入值的方差来动态地确定的，并且一般不同于当将输出移向上限或者移向下限时应用的权重a。
图3表示本发明的非线性滤波器的仿真。线145是具有大量叠加的白噪声的仿真信号(矩形脉冲)的绘图。线149绘出在利用线性滤波器：具有窗口长度N＝8的滑动平均滤波器处理之后的同一信号。最后，线147示出本发明的也具有窗口长度N＝8的滤波器的输出。将理解，线性滤波器和本发明的滤波器两者都使信号从噪声中突出，但是信号147的变化性明显低于线性滤波器149的变化性。
这可以回想线性滤波器的输出的标准差仅随着窗口长度(或通带宽度)的平方根而减小而被解释。本发明的滤波器被布置成大大降低由于统计波动而引起的输出变化的可能性。本发明的滤波器的特性在于，与线性滤波器的输出相比，小的瞬时变化可对输出产生极小的影响或没有影响。
本发明的滤波器的优点在于，它以简单的算法提供对噪声波动的大大降低。当滤波器被应用于图1的接近检测器时，它相对简单地找到鉴别器50的阈值，其在错误信号最小的情况下提供可靠的接近触发。这利用简单的平均将是更难的。为了实现相同的结果，线性平均滤波器应该增加N和延长窗口的扩展。然而，这种措施将增加计算负担，并且降低带宽，因此降低对快速瞬变(transient)的灵敏度。
在图1的接近检测器的框架中，本发明的非线性滤波处理器可以完全代替低通滤波器块30，或者与线性数字滤波器组合、在线性数字滤波器之前或之后使用。它可以按照所表示的那样被插入在基线校正单元40、60之前，或者也可以插入在基线校正单元40、60之后。
图4绘出噪声降低对比样本数量，假设输入R由恒定值与叠加噪声组成。噪声被绘出为输出信号的标准差。本领域技术人员(addressee)将理解，在本发明的非线性滤波器430中，σ比在平均滤波器410中减小得更快。
在附图中使用的参考标号
20 电极
23 模拟处理器
25A/D转换器
30 滤波器
40 差
50 鉴别器
60 基线估计器
90 接收器
147U(x)
145R(x)
149线性LPF的输出
220经滤波的输出U(x)
240基线校正后的信号D(x)
305新的R(x)值
320计算最大值、最小值和中心值
350针对min(k)测试滤波器输出
362 设置成最小值
364 设置成最大值
368 移动输出
370针对max(k)测试滤波器输出
410 滑动平均滤波器的方差
430 本发明滤波器的方差

Claims (8)

1.一种便携式连接装置，包括被布置成确定用户是否接近所述便携式连接装置的传感器，所述传感器包括接收一系列数字输入值并且生成一系列数字输出值的降噪滤波器，其中所述滤波器被布置成处理具有预定长度时间的窗口中的输入值并且被布置成：
-基于所述窗口中的输入样本来计算上限和下限、以及所述窗口中的所述输入样本的中心值,所述中心值被包括在所述上限和所述下限之间，
-在当前输入值高于所述上限时，将输出值移向所述上限，或
-在所述当前输入值低于所述下限时，将所述输出值移向所述下限，或者
-在所有其它情况下，将所述输出值移向所述中心值。
2.根据权利要求1所述的便携式连接装置，其中所述中心值被计算为等于最小值和最大值的平均值，或者其中所述中心值被计算为等于所述窗口中的所述输入样本的中值。
3.根据权利要求1所述的便携式连接装置，其中将所述输出值移向所述中心值的操作包括先前输出值和所述中心值的线性组合，其中所述先前输出值被给予权重b，并且所述中心值被给予权重(1-b)，b是0和1之间的数。
4.根据权利要求1-3中的任一项所述的便携式连接装置，其中将所述输出值移向所述上限或所述下限值的操作包括先前输出值和对应界限的线性组合，其中所述先前输出值被给予权重a，并且所述中心值被给予权重(1-a)，a是0和1之间的数。
5.根据权利要求1-3中的任一项所述的便携式连接装置，包括线性低通滤波器。
6.根据权利要求1所述的便携式连接装置，包括基线校正单元和鉴别器。
7.根据权利要求1所述的便携式连接装置，所述传感器是电容性接近传感器，所述电容性接近传感器被布置成基于由感测电极所见的电容来确定用户是否接近所述便携式连接装置。
8.根据权利要求7所述的便携式连接装置，其中所述感测电极还是无线电波的发射器。
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