CN113711064A - 多通道电容感测测量电路 - Google Patents
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Abstract
一种用于确定多通道电容式感测装置(10)中的复电流的电容测量电路(12)，电容测量电路(12)包括：第一感测电路(18)，第一感测电路(18)用于将多个感测电极中的一个选择性地连接到公共感测节点(14)并用于将感测电极的对应的保护电极连接至公共保护节点(16)；以及至少一个第二感测电路(26)。测量信号电压源(42)以远程可控方式向公共保护节点(16)提供交流测量电压。诊断信号电压源(46)以远程可控方式向公共保护节点(16)提供交流诊断电压。电流测量电路(52)通过信号输入端口(56)连接到公共节点(14)并且通过参考输入端口(58)连接到测量信号电压源(42)的输出端口(44)。
Description
技术领域
本发明涉及：多通道电容感测测量电路，用于确定多通道电容式传感器装置中的复电流，该多通道电容式传感器装置具有多个在加载模式下操作的保护-感测电容式传感器；具有这种测量电路的多通道电容式传感器装置；以及操作这种电容式多通道感测装置，用于诊断与对应的保护电极配对的感测电极的方法。
背景技术
电容式传感器和采用电容式传感器的电容式测量和/或检测装置具有广泛范围的应用，并且尤其用于检测天线电极附近的导电主体或主体部分的存在和/或位置。如本文所用，术语“电容式传感器”表示响应于所感测的事物(人、人的身体的一部分、宠物、物体等)对电场的影响而生成信号的传感器。电容式传感器通常包括至少一个天线电极，当传感器操作时，该天线电极被施加振荡电信号并且因此将电场发射到靠近天线电极的空间区域中。传感器包括至少一个感测电极——其可以与发射天线电极相同或不同——在该感测电极处检测物体或生物对电场的影响。
在机动车辆传感器应用领域中，已知在车辆座位乘员感测系统中采用电容式传感器以向自动驾驶员辅助系统(ADAS)提供输入，例如用于安全带提醒(SBR)系统或辅助约束系统(ARS)的启动控制。感测的信号可作为ADAS进行决定的基础，例如决定是否将安全气囊系统展开到特定车辆座位。
已经提出了多种电容式乘员感测系统，例如用于控制一个或多个安全气囊的展开，安全气囊是诸如例如驾驶员安全气囊、乘客安全气囊和/或侧面安全气囊。Jinno等人的US 6,161,070涉及一种乘客检测系统，该系统包括安装在汽车中的乘客座位的表面上的单个天线电极。振荡器向天线电极施加振荡电压信号，从而在天线电极周围产生微小电场。Jinno提出基于流向天线电极的电流的幅度和相位来检测座位上是否存在乘客。
在机动车辆应用中使用电容式传感器的另一个例子是所谓的脱手检测(HoD)系统，其中一个或多个传感器提供关于驾驶员是否把手放在车辆的方向盘上的信息。该信息可以传输到ADAS，诸如自适应巡航控制(ACC)，ADAS可以基于提供的传感器信号警示驾驶员并提醒他或她再次控制方向盘。特别是，该HoD系统可用于支持满足维也纳公约的要求，即驾驶员必须始终保持对车辆的控制。HoD系统也可用于停车辅助系统或被配置为高速评估驾驶员活动的ADAS。
在一些(所谓的“加载模式”)电容式传感器中，至少一个天线电极同时用作感测电极。在这种情况下，测量电路响应于施加到至少一个天线电极的振荡电压来确定流入至少一个天线电极的电流。电压与电流的关系产生至少一个天线电极与地电位之间的复阻抗。在电容式传感器的替代版本(“耦合模式”电容式传感器)中，发射天线电极(单个或多个)和感测电极(单个或多个)彼此独立。在这种情况下，当至少一个发射天线电极被操作时，测量电路确定感测电极中感应的电流或电压。
不同的电容式感测机制例如在J.R.Smith等人的题为“Electric Field Sensingfor Graphical Interfaces”(发表在IEEE Computer Graphics and Applications上，18(3)：54-60，1998)的文献中得到了解释，其全部内容以引用方式并入本文，对允许以引用方式并入的司法管辖区有效。
该论文描述了电场感测的概念，用于进行非接触式三维位置测量，并且更具体地说，用于感测人手的位置，以便向计算机提供三维位置输入。在电容式感测的一般概念中，作者在他称之为“加载模式”、“分流模式”和“发射模式”的不同机制之间进行了区分，这些模式对应于各种可能的电流路径。在“加载模式”中，将振荡电压信号施加到发射电极，这建立对地的振荡电场。待感测的物体会修改发射电极和地之间的电容。在也称为“耦合模式”的“分流模式”中，将振荡电压信号施加到发射电极，建立对接收电极的电场，并测量在接收电极处感应的位移电流。测得的位移电流取决于被感测的主体。在“发射模式”中，发射电极与用户的身体接触，然后通过直接电连接或电容耦合成为相对于接收器的发射器。
可以例如通过向天线电极施加交流电压信号并通过测量从该天线电极流向地(在加载模式下)或流入第二天线电极(在耦合模式下)的电流来确定电容耦合强度。该电流可以由跨阻放大器(TIA)测量，该放大器连接到感测电极并且将流入感测电极的电流转换成与该电流成比例的电压。
一些电容式传感器被设计为具有单个感测电极的仅感测的电容式传感器。此外，经常使用电容式传感器，其包括感测电极和所谓的“保护电极”，他们靠近布置并且彼此相互电绝缘。这种“保护”技术在本领域中是众所周知的，并且经常用于有意掩蔽并因此塑造电容式传感器的灵敏度范围。为此，保护电极保持与感测电极相同的AC电位。结果，感测电极和保护电极之间的空间没有电场，并且保护-感测电容式传感器在感测电极和保护电极之间的方向上不敏感。
例如，专利文献US 8,354,936 B2描述了用于车辆的电容式乘客检测器。电容式乘客检测器包括主电极、子电极和保护电极。主电极和子电极彼此分开，并设置在车辆的座位中。保护电极设置在主电极与车辆的主体之间，并与主电极分开。灵敏特性测量单元被配置为分别选择性地或全部地向主电极、子电极和保护电极施加交流电压信号，并将主电极、子电极和保护电极中生成的电流转换为电压。电容式乘客检测器还包括控制器，当主电极的电压和保护电极的电压具有相同的电位时，控制器将流经保护电极的电流定义为参考电流。当主电极的电压高于保护电极的电压时，控制器将流经保护电极的电流的电流流动方向定义为负方向。当主电极的电压低于保护电极的电压时，控制器将流经保护电极的电流的电流流动方向定义为正方向。控制器基于流经保护电极的电流来校正主电极的电压，使得主电极的校正电压被设置为乘客确定数据。即使当主电极和保护电极之间生成电位差时，控制器也正确地检测乘客的电容。
在安全气囊系统或其他安全相关应用的控制中使用的电容式感测系统可以被视为安全相关的系统组件。因此可能有必要监控传感器的不同组件(感测电极和/或保护电极)的良好运行，以排除电容式占用或接近检测系统的错误读数。
具体地，在脱手检测(HoD)系统中，通常采用保护电极来将一个或多个感测电极与车辆方向盘的内部部分屏蔽。保护电极到电容式传感器系统的信号处理电路的电连接的任何损坏都会危及电容式传感器的测量结果的可靠性。
在现有技术中已经提出为电容式测量电路提供诊断装置，用于检测电容式传感器中断，特别是保护电极中断。
例如，国际申请WO 2017/129552 A1描述了一种用于确定具有感测电极和保护电极的电容式传感器的感测电流的电容测量电路。电容测量电路包括周期信号电压源、被配置为参考参考电压确定感测电流的感测电流测量电路和至少一个远程可控开关构件。该配置使得在第一开关状态下，至少一个开关构件将感测电流测量电路电连接到周期性测量电压以提供第一参考电压，并且在第二开关状态下，至少一个开关构件将感测电流测量电路电连接到不同于第一参考电压的第二参考电压。通过将感测电流测量电路连接到不同于第一参考电压的第二参考电压，从而有意地改变用于确定感测电流的参考电压，可以由感测电流测量电路生成信号，该信号可以指示电中断，其中该中断可以包括相应感测和保护布线和连接构件之间的电连接的任何中断。
发明内容
本发明的目的
因此，本发明的一个目的是提供一种电容式感测装置的电容感测测量电路，其有助于诊断电容式感测装置的电容感测-保护传感器的完整性并且需要尽可能少的额外硬件努力。电容感测测量电路应特别适用于汽车应用，并且将尤其适用于多通道电容式传感装置。
本发明的一般描述
在本发明的一个方面，该目的通过一种电容测量电路实现，该电容测量电路用于确定包括多个导电感测电极的多通道电容式感测装置中的复电流。每一个感测电极与至少一个对应的导电保护电极配对。应当注意，至少一个对应的导电保护电极可以是用于感测电极的专用保护电极或用于若干感测电极的公共保护电极。
电容测量电路包括第一感测电路、至少一个第二感测电路、测量信号电压源、诊断信号电压源和电流测量电路。
第一感测电路用于将感测电极中的一个选择性地电连接到公共感测节点并且用于将感测电极的对应的保护电极电连接到公共保护节点。
至少一个第二感测电路用于将感测电极中的另一个选择性地电连接到公共感测节点并且用于将感测电极的对应的保护电极电连接到公共保护节点。
测量信号电压源被配置为以远程可控方式向公共保护节点提供输出端口处的交流测量电压。
诊断信号电压源被配置为以远程可控方式向公共保护节点提供输出端口处的交流诊断电压。
电流测量电路包括至少一个测量电流-电压转换器，测量电流-电压转换器以其信号输入端口连接到公共感测节点并且以其参考输入端口连接到信号电压源的输出端口。
在本申请中使用的短语“被配置为”应特别理解为被特定地编程、安置、提供或布置。
还应注意，术语“第一”、“第二”等在本申请中仅用于区分目的，并不意图以任何方式指示或预期顺序或优先级。
出于诊断目的，所提出的电容测量电路可以允许将每一个感测电极选择性地连接到至少一个测量电流-电压转换器的输入端口，而未涉及的感测电极可以保持在公共保护节点的电位以保持低的系统测量误差。可以通过测量通过连接的感测电极和至少一个对应的保护电极的复电气诊断电流来进行诊断。根据本发明的电容测量电路可以以很少的额外硬件努力(特别是在开关构件的数量方面)促进多通道电容式感测装置的电容式传感器的完整性的诊断。可以可靠地检测硬件故障，诸如具有多个电容式传感器的多通道电容式感测装置中的电连接的中断，而实质上不影响多通道电容式感测装置的功能可用性。
多通道电容式感测装置的感测电极和至少一个对应的导电保护电极的每一个对可以形成优选地在加载模式下操作的电容式传感器。如已经在上文阐述的，至少一个对应的导电保护电极可以是用于感测电极的专用保护电极或用于若干或所有感测电极的公共保护电极。
优选地，所述至少一个保护电极与相应的感测电极紧密布置并且与相应的感测电极电隔离以实现最佳屏蔽。
优选地，为了简单的信号生成和处理，所提供的交流测量电压和所提供的交流诊断电压形成为周期性电压曲线。
在优选实施例中，电容测量电路还包括远程可控开关单元，远程可控开关单元包括多个可操作地耦合的开关构件。开关构件中的至少一个安装、串联连接在感测电路中的每一个中，用于将感测电极选择性地电连接到公共感测节点。以此方式，可以提供一种用于将感测电极选择性地连接到公共感测节点的经济且可靠的解决方案。
优选地，远程可控开关单元被配置为针对多个导电感测电极中的每一个感测电极并且以在多个导电感测电极之间协调的方式，在相应的感测电极的测量开关状态和诊断开关状态之间周期性地切换。以此方式，使得能够实现测量阶段和诊断阶段的自动和连续执行。
在优选实施例中，测量信号电压源的输出端口和诊断信号电压源的输出端口中的至少一个具有远程可控信号输出电平。以此方式，可以将测量信号电压源的信号输出电平和/或诊断信号电压源的信号输出电平设置为适合于进一步节省开关构件的意图的输出电平。
在电容测量电路的优选实施例中，已知复阻抗或远程可控开关构件连接在诊断信号电压源的输出端口和公共保护节点之间，用于远程控制至公共保护节点的诊断电压的提供。以此方式，可将明确定义的诊断电流注入到待诊断的配对的感测电极和对应的保护电极中。
优选地，至少一个测量电流-电压转换器包括跨阻放大器(TIA)。TIA被配置为将提供给其信号输入端口的电流转换为与提供的电流成比例的输出电压。参考提供给TIA的参考输入端口的参考电压来执行转换。以此方式，可以促进简单的进一步信号处理。
应当理解，与感测电极配对的导电保护电极可以是用于感测电极的专用保护电极，即，用于每一个感测电极的一个独立的保护电极，或者用于若干感测电极的公共保护电极。在后一种情况下，多个感测电极的导电保护电极由公共导电保护电极形成。
在电容测量电路的优选实施例中，感测电路中的每一个包括远程可控开关构件，远程可控开关构件被配置为选择性地电连接或断开相应的感测电极和，在用于每一个感测电极的单独专用保护电极的情况下，对应的保护电极。可以通过建立由远程可控开关构件形成的低阻抗而将选择性地电连接到公共感测节点的感测电极的电容测量期间的系统测量误差保持为低，该低阻抗与与对应的保护电极或公共保护电极配对并且没有选择性地电连接到公共感测电极的那些感测电极中的每一个并联。
远程可控开关构件可以形成远程可控开关单元的一部分。
在本发明的另一方面中，提供了一种多通道电容式感测装置，其包括本文公开的电容测量电路、多个导电感测电极、信号处理电路和电子控制单元。
多个导电感测电极中的每一个感测电极与至少一个对应的导电保护电极配对。至少一个对应的导电保护电极可以是用于感测电极的专用保护电极或用于若干感测电极的公共保护电极。每一个感测电极及其至少一个对应的保护电极连接到电容测量电路的感测电路之一，用于将感测电极选择性地电连接到公共感测节点并且用于将至少一个对应的保护电极电连接到公共保护节点。
信号处理电路被配置用于接收和进一步处理来自电流测量电路的输出信号。电子控制单元至少被配置为自动控制测量信号电压源的测量电压电平、诊断信号电压源的诊断电压电平以及感测电路的选择性电连接。
结合本文公开的电容测量电路描述的益处完全适用于多通道电容式感测装置。
优选地，电子控制单元由微控制器形成，微控制器包括数字数据存储单元、处理器单元，并且可能包括控制接口，处理器单元能够对数字数据存储单元进行数据访问。如今，这种配备的微控制器可以以多种形式并以经济的价格商业上得到。以此方式，使得能够实现采用本文公开的电容测量电路的多通道电容式感测装置的自动化操作。
通常，微控制器可以包括微控制器系统时钟，用于在多通道电容感测装置的自动操作期间精确定时。
优选地，控制接口被设计为CAN(控制器局域网)接口，其具有与现有汽车标准兼容的优点。
本专利申请中使用的术语“汽车”应特别理解为适用于车辆，包括客车、卡车、半挂卡车和公共汽车。本申请中使用的术语“车辆”应特别理解为包括客车、卡车、半挂卡车和公共汽车。
在电容测量电路的优选实施例中，远程可控开关单元形成电子控制单元的一部分。以此方式，可以实现短的电气开关路径，其不易受到电磁干扰的影响。
优选地，信号处理电路或电子控制单元被配置为，如果确定的流经感测电极之一和对应的保护电极的诊断电流的幅度与预定标称值的不同超出了预定义容限，则生成指示硬件故障的输出信号。以此方式，可以将硬件故障的快速和可靠的检测报告给例如更高级别的电子控制单元，以便采取进一步行动。
在本发明的再一方面，提供了一种操作本文公开的多通道电容式感测装置以诊断与感测电极的方法，感测电极与对应的保护电极或公共保护电极配对。
所述方法至少包括以下步骤：
-将测量信号电压源的输出端口与公共保护节点电断开；
-控制测量信号电压源将测量电压电平设置为零；
-控制诊断信号电压源将诊断电压电平设置为预定标称值；
-向公共保护节点提供诊断信号电压；
-选择待诊断的配对的感测电极和对应的保护电极或公共保护电极之一；
-将选定的感测电极电连接到公共感测节点并将所有其他感测电极从公共感测节点断开；
-通过电流-电压转换器测量通过待诊断的感测电极和对应的保护电极或公共保护电极的电流值；
-将测得的电流值与至少一个预定标称值进行比较；以及
-如果测得的电流值与预定阈值的不同超出了预定义容限，则生成指示硬件故障的输出信号。
结合本文公开的电容测量电路和本文公开的多通道电容感测装置描述的益处完全适用于所提出的操作方法。
优选地，执行从选择到生成输出信号的步骤，并且针对这些步骤至的每一个循环，在交换到多个感测电极中的与至少一个对应的保护电极或公共保护电极配对的待诊断的下一个配对感测电极和对应的保护电极之后，重复从选择到生成输出信号的步骤，直到所有配对的感测电极和对应的保护电极或公共保护电极都已被诊断。
以此方式，可以可靠地检测和报告硬件故障，诸如损坏的电连接。可以有效地监控多通道电容式感测装置的电容式传感器的完整性，并可以确保多通道电容式感测装置在预定义规格内的可靠性能。
优选地，以周期性方式重复从选择到生成输出信号的步骤。可以选择周期使得多通道电容式感测装置的功能可用性实质上不受影响。
在本发明的另一方面，提供了一种用于控制本文公开的方法的可能实施例的步骤的自动执行的软件模块。
将待进行的方法步骤转换成软件模块的程序代码，其中，程序代码能够在多通道电容式感测装置的数字存储单元中实施或由多通道电容式感测装置的处理器单元执行。优选地，数字存储单元和/或处理器单元可以是多通道电容式感测装置的电子控制单元的数字存储单元和/或处理单元。替代地或补充地，处理器单元可以是另外的处理器单元，其被特别分配用于执行至少一些方法步骤。
软件模块使得能够实现方法的鲁棒和可靠的执行并且可以允许方法步骤的快速修改。
参考下文描述的实施例，本发明的这些和其他方面将是显而易见的并得到阐明。
应当指出，在前面的描述中单独详述的特征和措施可以以任何技术上有意义的方式彼此组合并且示出本发明的进一步实施例。说明书特别结合附图来表征和详细说明本发明。
附图说明
根据参考附图的非限制性实施例的以下详细描述，本发明的进一步细节和优点将是显而易见的，其中：
图1示出了根据本发明的采用电容测量电路的多通道电容式感测装置的可能实施例的等效电路图；以及
图2是操作根据图1的多通道电容式感测装置以诊断与对应的保护电极配对的感测电极的操作方法的流程图。
具体实施方式
图1示意性地示出了根据本发明的采用电容测量电路12的多通道电容式感测装置10的可能实施例的等效电路图。电容测量电路12用于确定多通道电容式感测装置10中的复电流，多通道电容式感测装置10包括多个导电感测电极和多个导电保护电极或公共保护电极。每一个感测电极可与至少一个对应的导电保护电极配对以构成在加载模式下操作的电容式传感器。每一个感测电极和其对应的保护电极彼此靠近布置，并且彼此相互电隔离。应当理解，感测电极配对所用的导电保护电极可以是用于感测电极的专用保护电极，即用于每一个感测电极的一个独立的保护电极，或者用于若干感测电极的公共保护电极。在后一种情况下，多个感测电极中的导电保护电极由公共导电保护电极形成。
电容测量电路12包括第一感测电路18，第一感测电路18用于将感测电极之一选择性地电连接到公共感测节点14并且用于将对应于感测电极的保护电极电连接到公共保护节点16。因此，基本上为电容性质的感测-保护阻抗20电连接在公共检测节点14和公共保护节点16之间。第一感测电路18包括用于EMC保护的电容器22，电容器22电连接在感测电极和对应的保护电极之间。
电容测量电路12包括第二感测电路26，第二感测电路26用于将感测电极中的另一个选择性地电连接到公共感测节点14并且用于将对应于感测电极的保护电极电连接到公共保护节点16。从而，基本上为电容性质的感测-保护阻抗28电连接在公共感测节点14和公共保护节点16之间。第二感测电路26包括用于EMC保护的电容器30，电容器30电连接在感测电极和对应的保护电极之间。
如图1中的虚线所示，电容测量电路12包括另外的感测电路，另外的感测电路与第一感测电路18和第二感测电路26相同地设计，用于选择性地电连接多个感测电极中的感测电极的其余感测电极，以及用于电连接多个保护电极中的对应的保护电极的其余保护电极。例如，电容测量电路12可以包括介于两个和五十个之间的感测电路。
电容测量电路12还包括测量信号电压源42，测量信号电压源42被配置用于在输出端口44处提供交流测量电压。测量电压可以具有正弦形状。测量信号电压源42具有远程可控信号输出电平。公共保护节点16可选择性地电连接至测量信号电压源42的输出端口44，以经远程可控开关构件40接收测量电压。如稍后将更详细讨论的，开关构件40可被控制进入闭合状态用于常规测量目的，并且可以被控制进入断开状态用于诊断目的。
此外，电容测量电路12包括诊断信号电压源46，诊断信号电压源46被配置用于在输出端口50处提供交流诊断电压。诊断电压可以具有正弦形状。诊断信号电压源46具有远程可控信号输出电平。公共保护节点16电连接到诊断信号电压源46的输出端口50，用于经电构件48接收诊断电压，电构件48可以设计为已知阻抗或远程可控开关构件。
电容测量电路12包括电流测量电路52，电流测量电路52包括测量电流-电压转换器54。测量电流-电压转换器54包括跨阻放大器(TIA)，跨阻放大器(TIA)以其信号输入端口56连接的公共感测节点14，且以其参考输入端口58连接到测量信号电压源42的输出端口44。TIA 的功能是将在其信号输入端口56处提供的复电流转换为与确定的复电流成比例的输出电压。TIA被配置为参考提供给其参考输入端口58的参考电压，即测量电压，来转换在其信号输入端口56处提供的复电流。
因此，测量电流-电压转换器54被配置为参考测量电压来确定通过感测电极之一的测量电流，该测量电流指示物体相对于电容式传感器的位置，该电容式传感器由相应的感测电极及其对应的保护电极构成。接近相应的感测电极的物体在图1的等效电路图中由未知阻抗24、32表示，阻抗24、32连接到AC地电位74，AC地电位74例如可以是车辆地电位。如果接地物体接近相应的感测电极，则未知阻抗24、32发生变化，因为至少其电容部分增大，并且在相应的感测电极和地电位之间流动的测量电流以及由此导致的TIA输出电压信号的幅度增大，通常表示物体更接近相应的感测电极。
此外，电容测量电路12包括可由远程控制单元72远程控制的开关单元34。远程可控开关单元34包括形成第一组的多个可操作地耦合的开关构件36、36'。第一组的开关构件36、36'中的一个安装、串联连接在感测电路18、26中的每一个中，用于将感测电极选择性地电连接到公共感测节点14。开关构件36、36'可操作地耦合，因为如果一个开关构件36被控制以将其开关位置从断开改变为闭合，则其他开关构件36'被控制以将他们的开关位置从闭合改变为断开或分别被控制以保持在断开开关位置。以此方式，在特定时间，多个感测电极中只有一个感测电极电连接到公共感测节点14。
远程可控开关单元34包括形成第二组的另外多个可操作地耦合的开关构件38。第二组的开关构件38、38'之一安装在感测电路18、26中的每一个中，用于选择性地电连接或断开相应的感测电极与其对应的保护电极。第二组的开关构件38、38'可操作地耦合，因为如果一个开关构件38被控制以将其开关位置从闭合改变为断开，则其他开关构件38'分别被控制以将他们的开关位置从断开改变为闭合或被控制以保持在闭合的开关位置。第二组的开关构件38、38'在不用于测量的感测电极和公共保护节点16之间提供低分流阻抗，用于减小由于布线和/或处于闭合位置的第一组的开关构件36、36'的非零电容引起的系统测量误差，该开关构件可以由诸如MOSFET的晶体管形成。
远程可控开关单元34被配置为被控制以针对多个导电感测电极中的每一个感测电极并且以在多个导电感测电极之间协调的方式在相应的感测电极的测量开关状态和诊断开关状态之间周期性地切换。
多通道电容式感测装置10还包括信号处理电路60，信号处理电路60被配置用于接收并进一步处理来自电流测量电路52的输出信号，并且更具体地，来自电流-电压转换器54的输出信号。信号处理电路60可以包括同步整流器和低通滤波器，并且插入在电流-电压转换器54的输出端口59和电子控制单元62之间，电子控制单元62也形成多通道电容式感测装置10的一部分。
电子控制单元62被配置为自动控制测量信号电压源42的测量电压电平、诊断信号电压源46的诊断电压电平、以及远程可控开关单元34，即感测电路18、26的选择性电连接。
电子控制单元62由微控制器形成，并且用于远程控制开关单元34、测量信号电压源42和诊断信号电压源46的远程控制单元72形成微控制器的一部分。微控制器包括数字数据存储单元66、具有对数字数据存储单元66的数据访问的处理器单元64和设计为CAN接口的控制接口68。
值得注意的是，可以与电容测量电路12的大多数构件串联地插入用于在与任何外部节点的潜在传感器短路期间或在ESD(静电放电)事件的情况下限制电流的AC耦合电容器或阻抗。
在关于由与感测电路18、26之一连接的感测电极之一及其对应电极构成的电容式传感器的加载测量状态下，开关单元34被配置为通过控制相应的感测电路18内的第一组的开关构件36进入闭合开关状态而将相应的感测电极电连接到测量电流-电压转换器54的信号输入端口56。同时，其他感测电路26内的第一组的所有其他开关构件36'被控制为断开开关状态。
相应的感测电路18内的第二组的开关构件38被控制为断开开关状态，并且其他感测电路26内的第二组的所有其他开关构件38'被控制为闭合开关状态。进一步地，测量信号电压源42的输出端口44与公共保护节点16之间的远程可控开关构件40被控制为闭合状态，使得测量信号电压源42可以向公共保护节点16提供测量电压。
此外，如果连接在公共保护节点16和诊断信号电压源46的输出端口50之间的电构件48是开关构件，则开关构件被控制为断开开关状态。如果电构件是已知阻抗，则诊断信号电压源46的信号输出电平被控制为零电平。
测量电流-电压转换器54测量流经未知阻抗24的未知电流。测量电流-电压转换器54的输出端口59处的电压由信号处理电路60进一步处理，信号处理电路60的输出信号指示未知阻抗24并且可以被测量、记录和评估。
在关于由与感测电路18之一连接的感测电极之一及其对应的电极构成的电容式传感器的诊断状态下，开关单元34被配置为通过控制相应的感测电路18内的第一组的开关构件36为闭合开关状态而将相应的感测电极电连接到测量电流-电压转换器54的信号输入端口56。同时，其他感测电路26内的第一组的所有其他开关构件36'被控制为断开开关状态。
相应的感测电路18内的第二组的开关构件38被控制为断开开关状态。此外，测量信号电压源42的输出端口44与公共保护节点16之间的远程可控开关构件40被控制为断开状态，并且测量信号电压源42的测量电压电平被控制为零电平。
另外，如果连接在公共保护节点16和诊断信号电压源46的输出端口50之间的电构件48是开关构件，则开关构件被控制为闭合开关状态，并且诊断信号电压源46的信号输出电平被控制为标称非零电平。如果电构件是已知阻抗，则诊断信号电压源46的信号输出电平刚好被控制为标称非零电平。
在诊断状态下，测量电流-电压转换器54正在测量从诊断信号电压源经公共保护节点16流入第一感测电路18，经感测-保护阻抗20、第一组的开关构件36和公共感测节点14，并进入测量电流-电压转换器54的信号输入端口56的复电流。测量电流-电压转换器54的输出端口59处的电压由信号处理电路60进一步处理，信号处理电路60的输出信号表示感测-保护阻抗20并且可以被测量、记录和评估。
由于诊断信号电压源46的电压电平是先验已知的，并且电构件48的阻抗是先验已知的，所以如果将其设计为阻抗，则可以是计算感测-保护阻抗20。由于测量电流-电压转换器54的参考输入端口58通过测量信号电压源42的输出端口44连接到AC地电位74，所以公共感测节点14也处于AC地电位74，因为测量电流-电压转换器54将其信号输入端口56和其参考输入端口58处的电压维持在实质上相同的电压电平。
配备有电子控制单元62，多通道电容感测装置10被配置为，如果确定的流经相应的感测电极及其对应的保护电极的诊断电流的幅度与预定阈值的不同超出了预定义容限，则生成指示硬件故障的输出信号，硬件故障诸如是传感器电极中断。
在下文中，将描述操作根据图1的多通道电容式感测装置10以诊断与对应的保护电极配对的感测电极的方法的实施例。在图2中提供了该方法的流程图。在准备操作多通道电容式感测装置10时，应当理解，所有涉及的单元和装置都处于操作状态并且总体上配置为如图1所示。
为了能够自动且以受控方式执行该方法，电子控制单元62包括软件模块70(图1)。待进行的方法步骤被转换为软件模块70的程序代码。程序代码在电子控制单元62的数字数据存储单元66中实现并且可由电子控制单元62的处理器单元64执行。
本文提及的所有预定/预定义值、阈值和容限可以驻留在电子控制单元62的数字数据存储单元66中并且可以容易地被电子控制单元62的处理器单元64检索。
现在参考图2，在该方法的第一步骤80中，通过将远程可控开关构件40控制为断开开关状态，测量信号电压源42的输出端口44从公共保护节点16电断开。通过操作电子控制单元62，测量信号电压源42被控制以在另一个步骤82中将测量电压电平设置为零。在下一步骤84中，通过操作电子控制单元62，诊断信号电压源46被控制为将诊断电压电平设置为预定标称值。然后，在另一步骤86中，如果电构件48被设计为开关构件，则例如通过控制开关构件为闭合开关状态，将诊断信号电压提供给公共保护节点16。
在接下来的步骤88中，选择待诊断的配对的感测电极和对应的保护电极之一。选定的感测电极电连接到公共感测节点14，并且在下一步骤90中，通过控制第一组的开关构件36、36'，所有其他感测电极从公共感测节点14断开。在另一步骤92中，通过待诊断的感测电极和对应的保护电极的电流值由电流-电压转换器54测量并由信号处理电路60进一步处理。通过操作电子控制单元62，在下一方法步骤94中将测量并处理的电流值与预定阈值进行比较。如果测得的电流值的幅度与预定标称值的不同超出了预定义容限，则在另一步骤96中由电子控制单元62生成输出信号，其指示诊断的感测电路18、26内(即在选定的感测电极和对应的保护电极的电连接和布线内)的硬件故障。输出信号然后可以被记录和/或报告给更高级别的控制单元以用于进一步动作。
在该方法的另一步骤98中，选择待诊断的与对应的保护电极配对的多个感测电极中的下一配对感测电极和对应的保护电极。执行上述步骤循环以诊断下一选定的下一配对的感测电极和对应的保护电极的完整性，直到所有配对的感测电极和对应的保护电极都已被诊断。
虽然已经在附图和前述描述中详细说明和描述了本发明，但是这样的说明和描述被认为是说明性的或示例性的而不是限制性的；本发明不限于所公开的实施例。
本领域技术人员在实践要求保护的发明时，通过研究附图、公开内容和所附权利要求，可以理解和实现所公开的实施例的其他变化。在权利要求中，词语“包括”不排除其他要素或步骤，并且不定冠词“一”或“一个”不排除复数，复数意在表达至少两个的数量。在相互不同的从属权利要求中记载某些措施的纯粹事实并不表示不能有利地使用这些措施的组合。权利要求中的任何参考符号不应被解释为限制范围。
参考符号列表
10 多通道电容式感测装置
12 电容测量电路
14 公共感测节点
16 公共保护节点
18 第一感测电路
20 感测-保护阻抗
22 EMC电容器
24 未知阻抗
26 第二感测电路
28 感测-保护阻抗
30 EMC电容器
32 未知阻抗
34 远程可控开关单元
36 第一组的开关构件
38 第二组的开关构件
40 开关构件(保护节点)
42 测量信号电压源
44 输出端口
46 诊断信号电压源
48 电构件
50 输出端口
52 电流测量电路
54 电流-电压转换器
56 信号输入端口
58 参考输入端口
59 输出端口
60 信号处理电路
62 电子控制单元
64 处理器单元
66 数字数据存储单元
68 控制接口
70 软件模块
72 远程控制单元
74 AC地电位
方法步骤
80 从公共保护节点断开测量信号电压源
82 将测量电压电平设置为零
84 将诊断电压电平设置为标称值
86 向公共保护节点提供诊断信号电压
88 选择配对的感测电极和对应的保护电极
90 将感测电极连接到公共感测节点， 断开所有其他
92 测量通过感测电极的电流
94 将测得的/处理的电流值与预定标称值进行比较
96 生成指示硬件故障的输出信号
98 选择下一配对的感测电极和对应的保护电极。
Claims (15)
1.一种电容测量电路(12)，用于确定多通道电容式感测装置(10)中的复电流，所述多通道电容式感测装置(10)包括多个导电感测电极，每一个感测电极与至少一个对应的导电保护电极配对，所述电容测量电路(12)包括：
-第一感测电路(18)，用于将所述感测电极中的一个选择性地电连接到公共感测节点(14)并且用于将所述感测电极的对应的保护电极电连接到公共保护节点(16)；
-至少一个第二感测电路(26)，用于将所述感测电极中的另一个选择性地电连接到所述公共感测节点(14)并且用于将所述感测电极的对应的保护电极电连接到所述公共保护节点(16)；
-测量信号电压源(42)，其被配置为以远程可控方式向所述公共保护节点(16)提供输出端口(44)处的交流测量电压；
-诊断信号电压源(46)，其被配置为以远程可控方式向所述公共保护节点(16)提供输出端口(50)处的交流诊断电压；以及
-电流测量电路(52)，包括至少一个测量电流-电压转换器(54)，所述测量电流-电压转换器(54)以其信号输入端口(56)连接到所述公共感测节点(14)并且以其参考输入端口(58)连接到所述测量信号电压源(42)的所述输出端口(44)。
2.如权利要求1所述的电容测量电路(12)，还包括远程可控开关单元(34)，所述远程可控开关单元(34)包括多个可操作地耦合的开关构件(36)，所述多个可操作地耦合的开关构件(36)中的至少一个安装、串联连接在感测电路(18、26)中的每一个中，用于将所述感测电极选择性地电连接到所述公共感测节点(14)。
3.如权利要求2所述的电容测量电路(12)，其中，所述远程可控开关单元(34)被配置为针对所述多个导电感测电极中的每一个感测电极并且以在所述多个导电感测电极之间协调的方式，在相应的感测电极的测量开关状态和诊断开关状态之间周期性地切换。
4.如前述权利要求中任一项所述的电容测量电路(12)，其中，所述测量信号电压源(42)的所述输出端口(44)和所述诊断信号电压源(46)的所述输出端口(50)中的至少一个具有远程可控信号输出电平。
5.如前述权利要求中任一项所述的电容测量电路(12)，其中，已知复阻抗或远程可控开关构件(48)连接在所述诊断信号电压源(46)的所述输出端口(50)和所述公共保护节点(16)之间，用于远程控制至所述公共保护节点(16)的诊断电压的提供。
6.如前述权利要求中任一项所述的电容测量电路(12)，其中，所述至少一个测量电流-电压转换器(54)包括跨阻放大器。
7.如前述权利要求中任一项所述的电容测量电路(12)，其中，多个感测电极的所述导电保护电极由公共导电保护电极形成。
8.如前述权利要求中任一项所述的电容测量电路(12)，其中，所述感测电路(18、26)中的每一个包括远程可控开关构件(38)，所述远程可控开关构件(38)被配置为选择性地电连接或断开相应的感测电极。
9.一种多通道电容式感测装置(10)，包括：
-如前述权利要求中任一项所述的电容测量电路(12)；
-多个导电感测电极，每一个感测电极与至少一个对应的导电保护电极配对，其中，所述感测电极中的每一个及其至少一个对应的保护电极连接到所述电容测量电路(12)的感测电路(18，26)之一，以将所述感测电极选择性地电连接到所述公共感测节点(14)并且将所述至少一个对应的保护电极电连接到所述公共保护节点(16)；
-信号处理电路(60)，其被配置为接收和进一步处理来自所述电流测量电路(12)的输出信号；以及
-电子控制单元(62)，其至少被配置为自动控制所述测量信号电压源(42)的测量电压电平、所述诊断信号电压源(46)的诊断电压电平和所述感测电路(18、26)的选择性电连接(36、38)。
10.如权利要求9所述的多通道电容式感测装置(10)，其中，所述电子控制单元(62)由微控制器形成，所述微控制器包括数字数据存储单元(66)和处理器单元(64)，所述处理器单元(64)能够对所述数字数据存储单元(66)进行数据访问。
11.如权利要求9或10所述的多通道电容式感测装置(10)，其中，所述远程可控开关单元(34)形成所述电子控制单元(62)的一部分。
12.如权利要求9至11中任一项所述的多通道电容式感测装置(10)，其中，所述信号处理电路(60)或所述电子控制单元(62)被配置为：如果确定的流经所述感测电极之一和对应的保护电极的诊断电流的幅度与预定标称值的不同超出了预定义容限，则生成指示硬件故障的输出信号。
13.一种操作如权利要求9至12中任一项所述的多通道电容式感测装置(10)以诊断感测电极的方法，所述感测电极与对应的保护电极或公共保护电极配对，所述方法至少包括以下步骤：
-将测量信号电压源(42)的所述输出端口(44)与所述公共保护节点(16)电断开(80)；
-控制(82)所述测量信号电压源(42)将测量电压电平设置为零；
-控制(84)所述诊断信号电压源(46)将诊断电压电平设置为预定标称值；
-向所述公共保护节点(16)提供(86)所述诊断信号电压；
-选择(88)待诊断的配对的感测电极和对应的保护电极或公共保护电极之一；
-将选定的感测电极电连接(90)到所述公共感测节点(14)并将所有其他感测电极从所述公共感测节点(14)断开；
-通过所述电流-电压转换器(54)测量(92)通过待诊断的感测电极和对应的保护电极的电流值；
-将测得的电流值与至少一个预定标称值进行比较(94)；以及
-如果测得的电流值的幅度与预定标称值的不同超出了预定义容限，则生成(96)指示硬件故障的输出信号。
14.如权利要求12所述的方法，其中，执行从选择(88)到生成(96)输出信号的步骤，并且针对这些步骤(88)至(96)的每一个循环，在交换到多个感测电极中的与至少一个对应的保护电极或公共保护电极配对的待诊断的下一个感测电极之后，重复从选择(88)到生成(96)输出信号的步骤，直到所有配对的感测电极和对应的保护电极或公共保护电极都已被诊断。
15.一种用于控制如权利要求12或13所述的方法的步骤的自动执行的软件模块(70)，其中，将待进行的方法步骤转换成所述软件模块(70)的程序代码，其中，所述程序代码能够在所述多通道电容式感测装置(10)或独立的电子控制单元的数字数据存储单元(66)中实施，并且能够由所述多通道电容式感测装置(10)或独立的电子控制单元的处理器单元(64)执行。
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