CN114746833A - 传感器系统的基线计算 - Google Patents

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拉胡尔·高德
马修·比尔德沃斯
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李君颂
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Abstract

一种方法可以包括：接收输入信号；基于输入信号生成基线信号；通过从输入信号中减去基线信号来生成校正后的输入信号；当校正后的输入信号超过电平变化阈值时，确定输入信号的阈值电平变化；以及响应于阈值电平变化，将基线信号更新为电平变化阈值。

Description

传感器系统的基线计算
相关申请
本公开要求于2020年5月8日提交的美国非临时专利申请序列号16/870401的优先权，其要求于2019年11月19日提交的美国临时专利申请序列号62/937528的优先权，其全文通过引用并入本文。本公开还涉及2019年2月4日提交的美国专利申请序列号16/267079和2019年5月24日提交的美国专利申请序列号16/422543，两者全文均通过引用并入本文。
技术领域
本公开一般涉及具有用户界面的电子设备(例如，移动设备、游戏控制器、仪表板等)，更具体地，涉及一种集成触觉系统，以用于移动设备中的机械按钮更换的系统，用于电容传感器的触觉反馈，和/或其他合适的应用。
背景技术
许多传统移动设备(例如，移动电话、个人数字助理、视频游戏控制器等)包括机械按钮，以允许移动设备的用户和移动设备本身之间的交互。然而，此类机械按钮容易老化、磨损和撕裂，这可能会缩短移动设备的使用寿命，和/或如果发生故障，可能需要大量维修。此外，机械按钮的存在可能导致难以制造防水的移动设备。因此，移动设备制造商正越来越多地寻求为移动设备配备虚拟按钮，该按钮充当允许移动设备的用户和移动设备本身之间的交互的人机界面。类似地，移动设备制造商正越来越多地寻求为移动设备配备其他虚拟界面区域(例如，虚拟滑动条、除触摸屏以外的移动设备主体的界面区域等)。理想情况下，为了获得最佳用户体验，此类虚拟界面区域在用户看来应该是机械按钮或其他机械界面，而不是虚拟按钮或虚拟界面区域。
目前，线性谐振致动器(LRA)和其他振动致动器(例如，旋转致动器、振动电机等)越来越多地被用于移动设备中，以响应与此类设备的人机界面的用户交互，产生振动反馈。通常，传感器(传统上是力或压力传感器)检测与设备的用户交互(例如，手指按压设备的虚拟按钮)，并且作为响应，线性谐振致动器可以振动以向用户提供反馈。例如，线性谐振致动器可以响应于与人机界面的用户交互而振动，以向用户模仿机械按钮点击的感觉。
然而，该行业需要传感器来检测与人机界面的用户交互，其中，此类传感器提供可接受的传感器灵敏度、功耗和尺寸水平。例如，虚拟按钮的实施方式中的一个挑战是，在与虚拟按钮的实际用户交互和异常传感器输入(例如由力传感器漂移(例如由于老化和温度)和/或设备弯曲引起的输入)之间进行准确区分。
发明内容
根据本公开的教导，可以减少或消除与在移动设备中使用虚拟按钮相关联的缺点和问题。
根据本公开的实施例，一种方法可以包括：接收输入信号；基于输入信号生成基线信号；通过从输入信号中减去基线信号来生成校正后的输入信号；当校正后的输入信号超过电平变化阈值时，确定输入信号的阈值电平变化；以及响应于阈值电平变化，将基线信号更新为电平变化阈值。
根据本公开的这些和其他实施例，一种方法可以包括：接收输入信号；基于输入信号生成基线信号；以及通过确定输入信号和基线信号之间的差值，基于温度变化来生成校正后的输入信号；响应于差值为正且大小大于标称跟踪率，通过向基线信号添加标称跟踪率来更新基线信号；以及响应于差值为负且大小大于标称跟踪率，通过从基线信号中减去标称跟踪率来更新基线信号。
根据本公开的这些和其他实施例，一种系统可以包括：用于接收输入信号的输入端、用于基于输入信号生成基线信号的输出端，以及基线计算引擎，其被配置为通过从输入信号中减去基线信号来生成校正后的输入信号，当校正后的输入信号超过电平变化阈值时，确定输入信号的阈值电平变化，以及响应于阈值电平变化，将基线信号更新为电平变化阈值。
根据本公开的这些和其他实施例，一种系统可以包括用于接收输入信号的输入端、用于基于输入信号生成基线信号的输出端，以及基线计算引擎，其被配置为通过确定输入信号和基线信号之间的差值，基于温度变化来生成校正后的输入信号，响应于差值为正且大小大于标称跟踪率，通过向基线信号添加标称跟踪率来更新基线信号，以及响应于差值为负且大小大于标称跟踪率，通过从基线信号中减去标称跟踪率来更新基线信号。
本公开的技术优势对于本领域的普通技术人员来说，可以从本文包括的附图、说明书和权利要求书中显而易见。实施例的目的和优点将至少通过权利要求书中特别指出的元件、特征和组合来实现和完成。
应当理解，前述一般性描述和以下详细描述均为示例和解释性描述，并不限制本公开中所述的权利要求。
附图说明
通过结合附图参考以下描述，可以获得对本实施例及其优点的更完整理解，其中类似的参考号表示类似的特征，其中：
图1示出了根据本公开的实施例的示例性移动设备的选定组件的框图；
图2示出了根据本公开的实施例的示例性集成触觉系统的选定组件的框图；
图3A示出了根据本公开的实施例的与感应线圈相隔一定距离的机械构件；
图3B示出了根据本公开的实施例的可由谐振相位感测系统实现的感应感测系统的选定组件；
图4示出了根据本公开的实施例的用于执行谐振相位感测的示例性系统的选定组件的示意图；
图5示出了根据本公开的实施例的传感器系统的示例操作的示例波形，其中，从传感器输入信号中减去基线信号以提供校正后的传感器输入信号；
图6示出了根据本公开的实施例的传感器系统的示例操作的示例波形，其中，从传感器输入信号中减去基线信号，以在存在持续时间长的有意人为交互的情况下提供校正后的传感器输入信号；
图7示出了根据本公开的实施例的传感器系统的示例操作的示例波形，其中，从传感器输入信号中减去基线信号，以在存在多个输入信号阈值的情况下提供校正后的传感器输入信号；
图8示出了根据本公开的实施例的传感器系统的示例操作的示例波形，其中，从传感器输入信号中减去基线信号以提供校正后的传感器输入信号，其中，基线信号在检测到的有意人为交互期间被冻结；
图9示出了根据本公开的实施例的示例性基线计算引擎的选定组件的框图；
图10示出了根据本公开的实施例的描绘图9中所示的基线计算引擎的示例操作的示例波形；
图11A和图11B(在本文中可以统称为“图11”)示出了根据本公开的实施例的基于温度的基线跟踪示例方法的流程图；以及
图12示出了根据本公开的实施例的使用基于温度的基线跟踪的示例性基线计算引擎的选定组件的框图。
具体实施方式
图1示出了根据本公开的实施例的示例性移动设备102的选定组件的框图。如图1所示，移动设备102可以包括外壳101、控制器103、存储器104、力传感器105、麦克风106、线性谐振致动器107、无线电发射机/接收机108、扬声器110、集成触觉系统112和谐振相位感测系统113。
外壳101可以包括用于容纳移动设备102的各种组件的任何合适的外罩(housing)、壳体(casing)或其他外壳(enclosure)。外壳101可以由塑料、金属和/或任何其他合适的材料制成。此外，外壳101可以进行调整(例如，调整尺寸和形状)，使得移动设备102易于在移动设备102的用户的人身上携带。因此，移动设备102可以包括但不限于智能手机、平板电脑计算设备、手持计算设备、个人数字助理、笔记本电脑、视频游戏控制器，或者可以在移动设备102的用户的人身上容易携带的任何其他设备。
控制器103可以容纳在外壳101内，并且可以包括被配置为解释和/或执行程序指令和/或处理数据的任何系统、设备或装置，并且可以包括但不限于微处理器、微控制器、数字信号处理器(DSP)、专用集成电路(ASIC)，或被配置为解释和/或执行程序指令和/或处理数据的任何其他数字或模拟电路。在一些实施例中，控制器103解释和/或执行程序指令和/或处理存储在存储器104和/或控制器103可访问的其他计算机可读介质中的数据。
存储器104可以容纳在外壳101内，可以通信地耦合到控制器103，并且可以包括被配置为将程序指令和/或数据保留一段时间的任何系统、设备或装置(例如，计算机可读介质)。存储器104可以包括随机存取存储器(RAM)、电可擦除可编程只读存储器(EEPROM)、个人计算机存储卡国际协会(PCMCIA)卡、闪存、磁存储器、光磁存储器，或在移动设备102断电后保留数据的易失性或非易失性存储器的任何合适选择和/或阵列。
麦克风106可以至少部分地容纳在外壳101内，可以通信地耦合到控制器103，并且可以包括被配置为将麦克风106处传入的声音转换为可由控制器103处理的电信号的任何系统、设备或装置，其中，使用隔膜或薄膜将此类声音转换为电信号，隔膜或薄膜具有基于隔膜或薄膜处接收到的声音振动而变化的电容。麦克风106可以包括静电麦克风、电容式麦克风、驻极体麦克风、微机电系统(MEM)麦克风或任何其他合适的电容式麦克风。
无线电发射机/接收机108可以容纳在外壳101内，可以通信地耦合到控制器103，并且可以包括被配置为以下的任何系统、设备或装置：借助天线生成和发送射频信号以及接收射频信号，并将这些接收到的信号携带的信息转换为控制器103可用的形式。无线电发射机/接收机108可被配置为发送和/或接收各种类型的射频信号，包括但不限于蜂窝通信(例如，2G、3G、4G、LTE等)、短距离无线通信(例如，蓝牙)、商业无线电信号、电视信号、卫星无线电信号(例如，GPS)、无线保真等。
扬声器110可以至少部分地容纳在外壳101内，或者可以位于外壳101外部，可以通信地耦合到控制器103，并且可以包括被配置为响应于电音频信号输入而产生声音的任何系统、设备或装置。在一些实施例中，扬声器可以包括动态扬声器，其使用通过柔性悬架机械地耦合到刚性框架的轻量级隔膜，该柔性悬架约束音圈通过圆柱形磁隙而轴向移动。当向音圈施加电信号时，音圈中的电流会产生磁场，使其成为可变电磁铁。线圈和驾驶员的磁系统相互作用，产生机械力，其使线圈(以及附接的锥体)来回移动，从而在来自放大器的应用电信号的控制下再现声音。
力传感器105可以容纳在外壳101内，并且可以包括用于感测力、压力或触摸(例如，与人类手指的交互)并响应于这种力、压力或触摸产生电信号或电子信号的任何合适的系统、设备或装置。在一些实施例中，这种电信号或电子信号可以是施加到力传感器的力、压力或触摸的大小的函数。在这些和其他实施例中，这种电子信号或电信号可以包括与被给予触觉反馈的输入信号相关联的通用输入/输出信号(GPIO)。力传感器105可以包括但不限于电容式位移传感器、电感式力传感器(例如，电阻-电感-电容式传感器)、应变计、压电式力传感器、力感测电阻器、压电式力传感器、薄膜力传感器或基于量子隧道复合材料的力传感器。为了本公开的澄清和阐述，本文使用的术语“力”不仅可以指力，还可以指表明力或类似于力的物理量，例如但不限于压力和触摸。
线性谐振致动器107可以容纳在外壳101内，并可以包括用于在单轴上产生振荡机械力的任何合适的系统、设备或装置。例如，在一些实施例中，线性谐振致动器107可以依赖交流电压来驱动压在连接到弹簧的移动质量上的音圈。当音圈以弹簧的谐振频率被驱动时，线性谐振致动器107可以以可感知的力振动。因此，线性谐振致动器107可用于特定频率范围内的触觉应用。虽然为了清楚和说明的目的，本公开描述了关于线性谐振致动器107的使用，但可以理解，任何其他一种或多种类型的振动致动器(例如，偏心旋转质量致动器)可用于代替线性谐振致动器107或作为线性谐振致动器107的补充。此外，还应理解，被布置成在多个轴上产生振荡机械力的致动器可用于代替线性谐振致动器107或作为线性谐振致动器107的补充。如本公开的其他地方所述，基于从集成触觉系统112接收的信号，线性谐振致动器107可以向移动设备102的用户提供触觉反馈，以用于机械按钮更换和电容式传感器反馈中的至少一种。
集成触觉系统112可以容纳在外壳101内，可以通信地耦合到力传感器105和线性谐振致动器107，并且可以包括被配置为以下的任何系统、设备或装置：从力传感器105接收指示施加到移动设备102上的力(例如，人类手指施加到移动设备102的虚拟按钮上的力)的信号，并响应于施加到移动设备102上的力而生成用于驱动线性谐振致动器107的电子信号。图2描绘了根据本公开的实施例的示例性集成触觉系统的细节。
谐振相位感测系统113可以容纳在外壳101内，可以通信地耦合到力传感器105和线性谐振致动器107，并且可以包括被配置为以下的任何系统、设备或装置：检测机械构件(例如，下面的图3A和图3B中描绘的机械构件305)的位移，该位移指示(例如，由移动设备102的用户)与移动设备102的人机界面的物理交互(例如，由人类手指施加到移动设备102的虚拟界面的力)。如下文更详细地描述，谐振相位感测系统113可以通过对电阻-电感-电容式传感器执行谐振相位感测来检测此类机械构件的位移，其中电阻-电感-电容式传感器的阻抗(例如，电感、电容和/或电阻)响应于机械构件的位移而变化。因此，机械构件的位移可以导致集成到谐振相位感测系统113的电阻-电感-电容式传感器的阻抗发生变化。谐振相位感测系统113还可以向集成触觉系统112生成电子信号，集成触觉系统112可以通过以下来响应该电子信号：驱动线性谐振致动器107来响应于关于与机械构件相关联的人机界面的物理交互。下面更详细地描述了根据本公开的实施例的示例性谐振相位感测系统113的细节。
虽然特定示例组件在上面图1中被描述为集成到移动设备102(例如，控制器103、存储器104、力传感器105、麦克风106、无线电发射机/接收机108、一个或多个扬声器110)，但根据本公开的移动设备102可以包括一个或多个上面未具体列举的组件。例如，虽然图1描绘了某些用户界面组件，但移动设备102可以包括除图1中描绘的那些组件之外的一个或多个其他用户界面组件(包括但不限于键盘、触摸屏和显示器)，从而允许用户与移动设备102及其相关联的组件交互和/或以其他方式操作移动设备102及其相关联的组件。
图2示出了根据本公开的实施例的示例性集成触觉系统112A的选定组件的框图。在一些实施例中，集成触觉系统112A可用于实现图1的集成触觉系统112。如图2所示，集成触觉系统112A可以包括数字信号处理器(DSP)202、存储器204和放大器206。
DSP 202可以包括被配置为解释和/或执行程序指令和/或处理数据的任何系统、设备或装置。在一些实施例中，DSP 202可以解释和/或执行程序指令和/或处理存储在存储器204和/或DSP 202可访问的其他计算机可读介质中的数据。
存储器204可以通信地耦合到DSP 202，并且可以包括被配置为将程序指令和/或数据保留一段时间的任何系统、设备或装置(例如，计算机可读介质)。存储器204可以包括随机存取存储器(RAM)、电可擦除可编程只读存储器(EEPROM)、个人计算机存储卡国际协会(PCMCIA)卡、闪存、磁存储器、光磁存储器，或在移动设备102断电后保留数据的易失性或非易失性存储器的任何合适选择和/或阵列。
放大器206可以电耦合到DSP 202，并且可以包括被配置为以下的任何合适的电子系统、设备或装置：增加输入信号VIN(例如，时变电压或电流)的功率以产生输出信号VOUT。例如，放大器206可以使用来自电源(未明确示出)的电功率来增加信号的振幅。放大器206可以包括任何合适的放大器类别，包括但不限于D类放大器。
在操作中，存储器204可以存储一个或多个触觉回放波形。在一些实施例中，一个或多个触觉回放波形中的每个可将触觉响应a(t)定义为线性谐振致动器(例如，线性谐振致动器107)的期望加速度，作为时间的函数。DSP 202可以被配置为从谐振相位感测系统113接收指示施加到力传感器105的力的力信号VSENSE。响应于接收到指示感测到的力的力信号VSENSE，或者独立于这种接收，DSP 202可以从存储器204检索触觉回放波形，并处理这种触觉回放波形以确定处理后的触觉回放信号VIN。在放大器206为D类放大器的实施例中，处理后的触觉回放信号VIN可以包括脉宽调制信号。响应于接收到指示感测到的力的力信号VSENSE，DSP 202可以使处理后的触觉回放信号VIN输出到放大器206，且放大器206可以放大处理后的触觉回放信号VIN以生成用于驱动线性谐振致动器107的触觉输出信号VOUT。
在一些实施例中，集成触觉系统112A可以形成在单个集成电路上，因此能够比现有的触觉反馈控制方法实现更低的延迟。通过提供集成触觉系统112A作为单个单片集成电路的一部分，可以减少或消除集成触觉系统112A的各种界面和系统组件之间的延迟。
图3A示出了根据本公开的实施例的机械构件305，该机械构件体现为与感应线圈302间隔距离d的金属板。机械构件305可以包括其全部或部分可位移的任何合适的系统、设备或装置，其中，这种位移影响机械构件305或与机械构件305进行电气通信(例如，通过互感)的另一电气组件的电气特性(例如，电感、电容等)。
图3B示出了根据本公开的实施例的可以由力传感器105和/或谐振相位感测系统113实现的感应感测系统300的选定组件。如图3所示，感应感测系统300可以包括机械构件305(被建模为可变电阻304和可变电感306)，并且可以包括物理上接近机械构件305的感应线圈302，使得感应线圈302与机械构件305具有由可变耦合系数k定义的互感。如图3所示，感应线圈302可以被建模为可变电感308和可变电阻310。
在操作中，当电流I流过感应线圈302时，该电流可以诱导磁场，该磁场反过来可在机械构件305内诱导涡流。当向机械构件305施加和/或从机械构件305上移除力时，该力改变了机械构件305和感应线圈302之间的距离d，耦合系数k、可变电阻304和/或可变电感306也可以响应于距离的变化而改变。各种电参数中的这些变化可反过来改变感应线圈302的有效阻抗ZL。
图4示出了根据本公开的实施例的用于执行谐振相位感测的示例系统400的选定组件的示意图。在一些实施例中，系统400可用于实现图1的谐振相位感测系统113。如图4所示，系统400可以包括电阻-电感-电容式传感器402和处理集成电路(IC)412。在一些实施例中，电阻-电感-电容式传感器402可以实现力传感器105的全部或部分，而处理集成电路(IC)412可以实现谐振相位感测系统113的全部或部分。
如图4所示，电阻-电感-电容式传感器402可以包括机械构件305、感应线圈302、电阻404和电容406，其中，机械构件305和感应线圈302具有可变耦合系数k。虽然图4所示为彼此平行布置，但应理解，感应线圈302、电阻404和电容406可以以允许电阻-电感-电容式传感器402充当谐振回路的任何其他适当方式布置。例如，在一些实施例中，感应线圈302、电阻404和电容406可以彼此串联布置。在一些实施例中，电阻404可以不使用独立电阻来实现，而是可以通过感应线圈302的寄生电阻、电容406的寄生电阻和/或任何其他合适的寄生电阻来实现。
处理IC 412可以通信地耦合到电阻-电感-电容式传感器402，并且可以包括被配置为以下的任何合适的系统、设备或装置：实现测量电路，以测量与电阻-电感-电容式传感器402相关联的相位信息，并基于相位信息，确定机械构件305相对于电阻-电感-电容式传感器402的位移。因此，处理IC 412可以被配置为基于相位信息来确定关于与机械构件305相关联的人机界面的物理交互(例如，虚拟按钮的按压或释放)的发生。
如图4所示，处理IC 412可以包括移相器410、电压-电流转换器408、前置放大器440、中频混频器442、组合器444、可编程增益放大器(PGA)414、压控振荡器(VCO)416、移相器418、振幅和相位计算块431、DSP 432、低通滤波器434、组合器450和基线计算引擎452。处理IC 412还可以包括相干入射/正交检测器，该相干入射/正交检测器由包括混频器420、低通滤波器424和模数转换器(ADC)428的入射通道和包括混频器422、低通滤波器426和ADC430的正交通道实现，使得处理IC 412被配置为使用相干入射/正交检测器来测量相位信息。
移相器410可以包括被配置为以下的任何系统、设备或装置：检测由处理IC 412产生的振荡信号(如下文更详细地解释)，并将该振荡信号移相(例如，45度)，以便在系统400的正常工作频率下，由前置放大器440产生的传感器信号φ的入射分量约等于传感器信号φ的正交分量，以便由通过处理IC 412实现的相位检测器来提供共模噪声抑制，如下文更详细地描述。
电压-电流转换器408可以从移相器410接收移相振荡信号(该信号可以是电压信号)，将电压信号转换为相应的电流信号，并以驱动频率用移相振荡信号驱动电阻-电感-电容式传感器402上的电流信号，以产生传感器信号φ，其可以由处理IC 412处理，如下文更详细地描述。在一些实施例中，可以基于电阻-电感-电容式传感器402的谐振频率来选择移相振荡信号的驱动频率(例如，可以大约等于电阻-电感-电容式传感器402的谐振频率)。
前置放大器440可以接收传感器信号φ，并使用混频器442，将用于混频的传感器信号φ调节为中频Δf，该中频Δf由组合器444与VCO 416产生的振荡频率组合，如下文更详细地描述，其中，中频Δf显著小于振荡频率。在一些实施例中，前置放大器440、混频器442和组合器444可以不存在，在这种情况下，PGA414可以直接从电阻-电感-电容式传感器402接收传感器信号φ。然而，当存在时，前置放大器440、混频器442和组合器444可以允许将传感器信号φ混频到较低的中频Δf，该中频Δf可以允许较低的带宽和更高效的ADC和/或可以允许最小化处理IC 412的相位检测器的入射和正交路径中的相位和/或增益失配。
在操作中，PGA 414可以进一步放大传感器信号φ，以调节传感器信号φ，以供相干入射/正交检测器处理。VCO 416可以生成振荡信号，以用作电压-电流转换器408驱动的信号的基础，以及生成由混频器420和422用于提取放大传感器信号φ的入射和正交分量的振荡信号。如图4所示，入射通道的混频器420可以使用由VCO 416生成的未移相版本的振荡信号，而正交通道的混频器422可以使用由移相器418移相的90度移相版本的振荡信号。如上所述，可以基于电阻-电感-电容式传感器402的谐振频率来选择由VCO 416生成的振荡信号的振荡频率(例如，可以大约等于电阻-电感-电容式传感器402的谐振频率)。
在入射通道中，混频器420可以提取放大传感器信号φ的入射分量，低通滤波器424可以滤除与放大传感器信号φ混合的振荡信号，以产生直流(DC)入射分量，以及ADC428可以将这种DC入射分量转换为等效入射分量数字信号，以供振幅和相位计算块431处理。类似地，在正交通道中，混频器422可以提取放大传感器信号φ的正交分量，低通滤波器426可以滤除与放大传感器信号φ混合的移相振荡信号，以产生直流(DC)正交分量，以及ADC 430可以将这种DC正交分量转换为等效正交分量数字信号，以供振幅和相位计算块431处理。
振幅和相位计算块431可以包括被配置为以下的任何系统、设备或装置：接收包括入射分量数字信号和正交分量数字信号的相位信息并基于以上来提取振幅和相位信息。
DSP 432可以包括被配置为解释和/或执行程序指令和/或处理数据的任何系统、设备或装置。具体而言，DSP 432可以接收由振幅和相位计算块431生成的相位信息和振幅信息，并基于此来确定机械构件305相对于电阻-电感-电容式传感器402的位移，其可以基于相位信息来指示关于与机械构件305相关联的人机界面的物理交互(例如，虚拟按钮的按压或释放或与虚拟界面的其他交互)的发生。DSP 432还可以生成指示位移的输出信号。在一些实施例中，此类输出信号可以包括响应于位移而控制线性谐振致动器107的机械振动的控制信号。
由振幅和相位计算块431生成的相位信息可以由组合器450从参考相位φref中减去，以生成可由低通滤波器434接收的误差信号。低通滤波器434可以对误差信号进行低通滤波，并且这种滤波后的误差信号可以应用于VCO 416，以修改VCO 416产生的振荡信号的频率，从而将传感器信号φ驱动到参考相位φref。因此，传感器信号φ可以包括响应于与系统400相关联的虚拟按钮的“按压”(或与虚拟界面的其他交互)的瞬态衰减信号，以及响应于虚拟按钮的后续“释放”(或与虚拟界面的其他交互)的另一瞬态衰减信号。因此，与VCO416连接的低通滤波器434可以实现反馈控制回路，该反馈控制回路可以通过修改VCO 416的驱动频率来跟踪系统400的操作参数的变化。
基线计算引擎452可以包括被配置为以下的任何系统、设备或装置：如下文更详细地描述，计算适当的基线传感器输入，以将传感器信号φ作为与力传感器105/机械构件305的用户交互进行处理，以便区分用户交互和异常力传感器105/机械构件305传感器信号φ变化，例如由力传感器105、机械构件305、谐振相位感测系统113等的物理参数的漂移(例如，老化、温度等)引起的变化。虽然图4描述了在一些实施例中，基线计算引擎452位于DSP432外部，但在一些实施例中，基线计算引擎452的功能可以全部或部分由DSP 432实现。
虽然前述内容设想使用闭环反馈来感测位移，但图4所示的各种实施例可以被修改为实现用于感测位移的开环系统。在这种开环系统中，处理IC可以不包括从振幅和相位计算块431到VCO 416或可变移相器418的反馈路径，因此还可以缺少反馈低通滤波器434。因此，仍然可以通过将相位变化与参考相位值进行比较来进行相位测量，但是可以不修改由VCO 416驱动的振荡频率，或者由可变移相器418移相的相位可以不被移相。
虽然前述内容设想使用相干入射/正交检测器作为相位检测器来确定与电阻-电感-电容式传感器402相关联的相位信息，但谐振相位感测系统113可以以任何合适的方式执行相位检测和/或以其他方式确定与电阻-电感-电容式传感器402相关联的相位信息，包括但不限于，仅使用入射路径或正交路径中的一个来确定相位信息。
在一些实施例中，本文公开的入射/正交检测器可以包括一个或多个频率转换级，其将传感器信号直接转换为直流信号或转换为中频信号，然后转换为直流信号。任何这样的频率转换级可以在模数转换器级之后以数字方式实现，或者在模数转换器级之前以模拟方式实现。
此外，虽然前述内容设想测量由机械构件305的位移引起的电阻-电感-电容式传感器402中的电阻和电感的变化，但其他实施例可以基于以下原理进行操作：基于机械构件305的位移的阻抗的任何变化可用于感测位移。例如，在一些实施例中，机械构件305的位移可以导致电阻-电感-电容式传感器402的电容发生变化，例如如果机械构件305包括实现电容器406的电容板之一的金属板。
虽然DSP 432可以能够处理相位信息，以便以二进制方式确定关于与机械构件305相关联的人机界面的物理交互是否已经发生和/或停止发生，但是在一些实施例中，DSP432可以将机械构件305的位移的持续时间量化为一个以上的检测阈值，例如用于检测不同类型的物理交互(例如，短按压虚拟按钮与长按压虚拟按钮)。在这些和其他实施例中，DSP432可以将位移的大小量化为一个以上的检测阈值，例如用于检测不同类型的物理交互(例如，轻按压虚拟按钮与快速用力按压虚拟按钮)。
虽然图4及其描述描绘了谐振相位感测系统的特定实施例，但可以使用与本公开一致的用于力感测的其他架构，包括但不限于2019年2月4日提交的美国专利申请序列号16/267079中描述的各种谐振相位感测系统架构。因此，虽然本文讨论了基线计算引擎452关于与谐振相位感测系统相关的操作，但基线计算引擎452可与任何其他合适的力感测系统一起使用。
因此，使用上述系统和方法，提供了一种电阻-电感-电容式传感器，其中，电感组件的一部分以底盘或外壳(例如，外壳101)的区域的金属板的形式暴露给用户。因此，金属板或外壳的位移可能与测量的相位或振幅的变化有关。由于人为交互导致的有意位移在系统输出时的转换速率可能比由于非有意人为交互的输入(例如金属板或感应传感器中的老化或温度漂移)而导致的位移或其他系统变化更快。
感兴趣的信号上的简单高通滤波器可用于取消不指示有意人为交互的不希望的输入。然而，这种方法可能不足以感测可能需要感测的更复杂的人为交互。此外，当需要多级检测时，这种高通滤波器解决方案可能不太有用。
在检测系统中建立可变基线值可能有助于隔离感兴趣的实际信号。如果基线被设计为仅跟踪感兴趣范围以下的缓慢移动输入(例如，基本上是传感器输入信号的低通滤波版本)，则从传感器输入信号中减去基线信号可能会产生感兴趣的实际信号(例如，基本上导致高通滤波版本的输入)。图5说明了使用这种方法的系统(例如，系统400)的示例操作，其中，从传感器输入信号(例如，传感器信号φ)中减去代表传感器输入漂移的基线信号，以提供校正后的传感器输入信号。
然而，如图6所示，当需要检测持续时间长的有意人为交互(例如，长时间按压按钮)时，图5所示方法的缺点可能会显现出来。至少两个原因可以解释这些缺点。首先，在由基线滤波器带宽和测量差量定义的时间段内，传感器输入信号的校正测量可能趋向于零，这意味着可能无法准确识别超过该时间段的时间的有意传感器位移。这在图6中可以看出，其中，在持续时间长的有意人为交互过程中，校正后的传感器输入信号下降到输入阈值电平(被标记为“按压阈值”)以下。第二，由于基线信号应用的显著校正，由于校正后的传感器输入信号从未超过输入阈值电平，在持续时间长的有意人为交互之后的有意人为交互可能无法被检测。
如图7所示，当需要在多个输入阈值电平检测有意人为交互时，图5所示方法的进一步缺点可能会显现出来。例如，在图7所示的方法中，每当校正后的输入信号超过多个阈值中定义的阈值时，可以断言(assert)一个标志。然而，当用户在特定水平上保持有意的交互时，当校正后的输入信号趋向于零时，所有先前断言的标志可能会开始相继取消断言。
图8说明了使用另一个的系统(例如，系统400)的示例操作，其中，从传感器输入信号(例如，传感器信号φ)中减去代表传感器输入漂移的基线信号，以提供校正后的传感器输入信号，并且在检测到的有意人为交互期间，基线信号被冻结。图8所示的方法可以克服图5所示方法的缺点，但也会引入其自身的缺点，因为在有意人为交互期间发生的任何缓慢移动变化都可能无法跟踪。例如，如图8所示，由于原始输入信号的持续漂移，校正后的输入信号可能会触发图8中所示的被标记为“阈值2”的阈值。
为了克服这些缺点，基线计算引擎452可以控制基线信号的行为，使得一旦传感器输入信号已经超过感兴趣的阈值，基线信号就向传感器输入信号“对齐(snap)”。一旦超过该阈值，调整后的基线信号可被视为未来基线信号调整的新起点。这种方法可以防止校正后的输入信号由于缓慢移动效应的基线跟踪而超出当前超过的感兴趣阈值的范围。此外，这种方法可以允许在特定阈值范围内跟踪缓慢移动效应。
图9示出了根据本公开的实施例的示例性基线计算引擎452的选定组件的框图。如图9所示，基线计算引擎452可以包括基线计算器块902和阈值选择块904。基线计算器块902可以包括例如任何类型的滤波器块，其示例可以包括低通滤波器或其他类型的可编程速率跟踪电路，其具有响应于外部命令而重置其电平的能力。下面更详细地描述基线计算器块902的示例操作。阈值选择块904可以实现多个输入信号电平阈值和状态信息，这些输入信号电平阈值和状态信息可用于指示由于有意人为交互而超过了哪些阈值，以及发信号通知基线计算器块902以按定义量瞬时调整其输出的能力。
图10示出了根据本公开的实施例的描述图9所示的基线计算引擎452的示例操作的示例波形。如图10所示，最初，人-系统界面的传感器(例如，力传感器105；机械构件305)可能处于静止状态。随后，用户可以与传感器交互，使得基线计算引擎452记录阈值量的位移。一旦输入信号减去基线信号超过转换到下一阈值电平所需的阈值量，阈值选择块904可以断言指示转换到下一阈值电平的标志(如“电平解码”波形所示)，并且基线计算器块902可以将基线信号增加相同的阈值量。此时，用户可以在人-系统界面上保持稳定的力，但是在基线计算器块902的带宽内可能存在输入漂移，因此基线信号跟踪输入信号的漂移。在经过一段时间后，用户可以在人-系统界面上施加与超过两个附加阈值电平的力的增加相对应的附加力(这可以导致转换到这两个阈值电平)，阈值选择块904用于生成指示通过两个阈值电平的转换的标志(如电平解码波形所示)，并且基线计算器块902用于将基线信号向上调整另外两个阈值电平。此时，用户可以再次保持对人-系统界面的恒力，并且输入漂移可能再次出现在基线计算器的带宽内，因此基线信号跟踪输入信号的漂移。在一段时间之后，用户可以释放施加到人-系统界面上的力，导致基线计算引擎452记录的三个阈值电平降低(如电平解码波形所示)。此时，即使由于累积输入漂移，输入信号可能不再与其初始电平匹配，由电平解码波形表示的校正后的输出也可能指示模拟用户意图的“归零”条件。
对于如上所示的多电平对齐基线，可以理解，每个单独的阈值电平可以代表不同的按钮检测事件(例如，轻按压、中等按压、用力按压)。可替换地，实现多电平对齐基线的系统可用于将用于单个人为交互检测事件的对齐事件量化为二进制事件，其中二进制检测事件发生在最高电平，任何干预电平用于在每个用户可接受的漂移窗口内对齐基线。
在这些和其他实施例中，基线计算引擎452可被配置为向外部处理模块传达由基线计算引擎452生成的对齐基线所取消的信号的范围。在这样的系统中，外部处理模块可以保持外部基线，其中外部基线的增减量可以与内部对齐基线的增减量相同，但当输入从一个电平转换到另一个电平时除外。对于这种转换，内部对齐基线可能会递增或递减阈值量，但外部基线不会改变。这种方法可以允许在不因对齐过程而降低信噪比的情况下处理信号。
应当理解，上述方法可以在如上所示和描述的基线计算引擎452中实现。基线计算引擎452可以作为传感器系统(例如，谐振相位感测系统113或系统400)的组成部分提供，或者可以作为诸如中央处理单元或应用处理器(例如，控制器103)等的集中控制器的一部分提供。还应理解，基线计算引擎452可被配备有适当的存储器存储模块(例如，存储器104)，以用于存储在上述方法中使用的数据。
除了或代替上述基线跟踪方法，在一些实施例中，基线计算引擎可被配置为基于温度变化改变基线信号，包括仅为负的相位变化的对齐。例如，图11示出了根据本公开的实施例的基于温度的基线跟踪的示例方法1100的流程图。图12示出了根据本公开的实施例的使用基于温度的基线跟踪的示例性基线计算引擎452A的选定组件的框图。
根据一些实施例，方法1100可以从步骤1102开始。如上所述，本公开的教导可以在系统400和/或处理IC 412的各种配置中实现。因此，方法1100的优选初始化点和包括方法1100的步骤的顺序可取决于所选择的实施方式。
在步骤1102处，在处理IC 412通电时，基线计算引擎452A可以将第一个接收到的传感器输入信号(例如，传感器信号φ)设置为基线信号BASELINE。在步骤1104处，基线计算引擎452A可以在温度速率块1202处接收温度信息TEMP(例如，来自合适的温度传感器，图中未明确示出)，温度速率块1202可以计算感测温度TEMP的变化率ΔTEMP。在步骤1106处，基线计算引擎452A的基线计算器1208可以基于预先确定的温度-相位斜率关系来计算基线信号的温度变化，并且这种变化可以被应用为基于温度变化更新基线信号BASELINE的校正。
在步骤1108处，基线计算引擎452A可以确定瞬时传感器输入信号(例如，传感器信号φ)与经温度校正的基线信号之间的差值Δφ。在步骤1110处，基线计算引擎452A可以确定差值是否大于标称跟踪率，其中，标称跟踪率可以表示在没有温度变化的情况下的系统相位漂移率。如果差值为正且大于标称跟踪率，则方法1100可继续至步骤1112。如果差值为负且大小大于标称跟踪率，则方法1100可继续至步骤1114。否则，方法1100可继续至步骤1116。
在步骤1112处，响应于差值为正且大于标称跟踪率，基线计算引擎452A可以添加经温度校正的基线信号和标称跟踪率以生成更新的基线信号。在完成步骤1112之后，方法1100可继续至步骤1116。
在步骤1114处，响应于差值为负且大小大于标称跟踪率，基线计算引擎452A可以从经温度校正的基线信号中减去标称跟踪率，以生成更新的基线信号。
在步骤1116处，基线计算引擎452A可以确定瞬时传感器输入信号(例如，传感器信号φ)和基线信号(例如，可在上述步骤1112或步骤1114中更新)之间的差值。在步骤1118处，基线计算引擎452A可以将该差值与预先确定的人为交互阈值进行比较。如果差值为正且大于预先确定的人为交互阈值，则方法1100可继续至步骤1120。否则，方法1100可继续至步骤1122。
在步骤1120处，响应于差值为正且大于预先确定的人为交互阈值，基线计算引擎452A可以生成指示已超过人为交互阈值的信号，其可以指示与力传感器105/机械构件305的实际人为交互。在完成步骤1120之后，方法1100可再次继续至步骤1106。
在步骤1122处，基线计算引擎452可以使用对齐控制块1206将差值与预先确定的负对齐阈值进行比较。如果差值为负且大小大于预先确定的负对齐阈值，则方法1100可继续至步骤1124。否则，方法1100可再次继续至步骤1106。
在步骤1124处，响应于差值为负且大小大于预先确定的负对齐阈值，基线计算引擎452A可以使用对齐控制块1206将基线信号对齐到移动平均滤波器1204的输出MAVG，移动平均滤波器1204可以计算传感器信号φ的移动平均值。在完成步骤1124之后，方法1100可再次继续至步骤1106。
虽然图11公开了关于方法1100要采取的特定数量的步骤，但方法1100可以使用比图11所示步骤更多或更少的步骤来执行。此外，虽然图11公开了关于方法1100要采取的步骤的特定顺序，但包括方法1100的步骤可以以任何合适的顺序完成。
方法1100可以使用系统400、处理IC 412和/或可操作为实现方法1100的任何其他系统全部或部分实现。在某些实施例中，方法1100可以部分或完全在计算机可读介质中包含的软件和/或固件中实现。
如本文所用，当两个或更多个元件被称为彼此“耦合”时，该术语表示这两个或更多个元件处于电子通信或机械通信中(如适用)，无论是间接连接还是直接连接，有或没有中间元件。
本公开涵盖本领域普通技术人员将理解的对本文示例实施例的所有更改、替换、变化、改变和修改。类似地，在适当的情况下，所附权利要求涵盖本领域普通技术人员将理解的对本文示例实施例的所有更改、替换、变化、改变和修改。此外，在所附权利要求中，对装置或系统或装置或系统的组件的引用(其被适应、安排、能够、配置、启用、可操作或运转正常以执行特定功能)，包括该装置、系统或组件，无论其或该特定功能是否被激活、开启或解锁，只要该装置、系统或组件是如此适应、安排、能够、配置、启用、可操作或运转正常。因此，在不脱离本公开的范围的情况下，可以对本文描述的系统、装置和方法进行修改、添加或省略。例如，系统和装置的组件可以是集成的或分离的。此外，本文公开的系统和装置的操作可以由更多、更少或其他组件执行，并且所描述的方法可以包括更多、更少或其他步骤。此外，可以按照任何合适的顺序执行步骤。如本申请中所用，“每个”是指集合的每个成员或集合子集的每个成员。
虽然示例性实施例在附图中示出并在下文中描述，但本公开的原理可以使用任何数量的技术来实现，无论当前已知与否。本公开不应以任何方式限于附图中所示和上文所述的示例性实施方式和技术。
除非另有特别说明，否则附图中描绘的物品不一定按比例绘制。
本文所述的所有示例和条件语言旨在用于教学目的，以帮助读者理解本公开以及发明人为推进本领域所贡献的概念，并被解释为不限于这些具体列举的示例和条件。虽然已经详细描述了本公开的实施例，但是应当理解，在不脱离本公开的精神和范围的情况下，可以对本公开进行各种改变、替换和变更。
虽然上面列举了具体的优点，但各种实施例可以包括一些、没有或全部列举的优点。此外，在回顾前述附图和描述之后，其他技术优势对于本领域的普通技术人员来说可能变得显而易见。
为了帮助专利局和就本申请发布的任何专利的任何读者解释本申请所附的权利要求，申请人希望注意，他们不打算任何附加权利要求或权利要求元素来引用35U.S.C.§112(f)，除非在特定权利要求中明确使用了词语“……的方法”或“……的步骤”。

Claims (30)

1.一种方法，包括：
接收输入信号；
基于所述输入信号来生成基线信号；
通过从所述输入信号中减去所述基线信号来生成校正后的输入信号；
当所述校正后的输入信号超过电平变化阈值时，确定所述输入信号的阈值电平变化；以及
响应于所述阈值电平变化，将所述基线信号更新为所述电平变化阈值。
2.根据权利要求1所述的方法，还包括响应于所述阈值电平变化而输出所述阈值电平变化的指示。
3.根据权利要求1所述的方法，其中，确定所述阈值电平变化包括确定所述校正后的输入信号超过的多个电平变化阈值的数量。
4.根据权利要求3所述的方法，还包括：
如果校正后的输入电平超过用于递增所述输入信号的阈值电平的阈值，则确定阈值电平增加；以及
如果所述校正后的输入电平低于用于递减所述输入信号的阈值电平的阈值，则确定阈值电平降低；
5.根据权利要求1所述的方法，其中，在所述输入信号上生成所述基线信号包括对所述输入信号进行低通滤波。
6.根据权利要求1所述的方法，其中，所述输入信号由力传感器生成。
7.根据权利要求6所述的方法，其中，所述力传感器被配置为感测和与虚拟按钮的人为交互相关联的力。
8.根据权利要求6所述的方法，其中，所述力传感器包括电容式位移传感器、电感式力传感器、电阻-电感-电容式传感器、应变计、压电式力传感器、力感测电阻器、压电式力传感器、薄膜力传感器或基于量子隧道复合材料的力传感器中的一个。
9.一种方法，包括：
接收输入信号；
基于所述输入信号生成基线信号；以及
通过以下方式基于温度变化而生成校正后的输入信号：
确定所述输入信号和所述基线信号之间的差值；
响应于所述差值为正且大小大于标称跟踪率，通过将所述标称跟踪率添加到所述基线信号来更新所述基线信号；以及
响应于所述差值为负且大小大于所述标称跟踪率，通过从所述基线信号中减去所述标称跟踪率来更新所述基线信号。
10.根据权利要求9所述的方法，还包括：
确定所述输入信号和所述基线信号之间的第二差值；以及
响应于所述第二差值大于预先确定的阈值，生成已超过所述预先确定的阈值的指示。
11.根据权利要求10所述的方法，其中，确定所述第二差值发生在基于所述标称跟踪率更新所述基线信号之后。
12.根据权利要求9所述的方法，还包括：
确定所述输入信号和所述基线信号之间的第二差值；以及
响应于所述第二差值为负且大小大于预先确定的负对齐阈值，将所述基线信号更新为所述输入信号的移动平均值。
13.根据权利要求9所述的方法，其中，所述输入信号由力传感器生成。
14.根据权利要求13所述的方法，其中，所述力传感器被配置为感测和与虚拟按钮的人为交互相关联的力。
15.根据权利要求13所述的方法，其中，所述力传感器包括电容式位移传感器、电感式力传感器、电阻-电感-电容式传感器、应变计、压电式力传感器、力感测电阻器、压电式力传感器、薄膜力传感器或基于量子隧道复合材料的力传感器中的一个。
16.一种系统，包括：
用于接收输入信号的输入端；
用于基于所述输入信号来生成基线信号的输出端；以及
基线计算引擎，其被配置为：
通过从所述输入信号中减去所述基线信号来生成校正后的输入信号；
当所述校正后的输入信号超过电平变化阈值时，确定所述输入信号的阈值电平变化；以及
响应于所述阈值电平变化，将所述基线信号更新为所述电平变化阈值。
17.根据权利要求16所述的系统，还包括第二输出端，其用于响应于所述阈值电平变化而输出所述阈值电平变化的指示。
18.根据权利要求16所述的系统，其中，确定所述阈值电平变化包括确定所述校正后的输入信号超过的多个电平变化阈值的数量。
19.根据权利要求18所述的系统，所述基线计算引擎被进一步配置为：
如果校正后的输入电平超过用于递增所述输入信号的阈值电平的阈值，则确定阈值电平增加；以及
如果所述校正后的输入电平低于用于递减所述输入信号的阈值电平的阈值，则确定阈值电平降低；
20.根据权利要求16所述的系统，其中，在所述输入信号上生成所述基线信号包括对所述输入信号进行低通滤波。
21.根据权利要求16所述的系统，其中，所述输入信号由力传感器生成。
22.根据权利要求21所述的系统，其中，所述力传感器被配置为感测和与虚拟按钮的人为交互相关联的力。
23.根据权利要求21所述的系统，其中，所述力传感器包括电容式位移传感器、电感式力传感器、电阻-电感-电容式传感器、应变计、压电式力传感器、力感测电阻器、压电式力传感器、薄膜力传感器或基于量子隧道复合材料的力传感器中的一个。
24.一种系统，包括：
用于接收输入信号的输入端；
用于基于所述输入信号来生成基线信号的输出端；以及
基线计算引擎，其被配置为通过以下方式基于温度变化而生成校正后的输入信号：
确定所述输入信号和所述基线信号之间的差值；
响应于所述差值为正且大小大于标称跟踪率，通过将所述标称跟踪率添加到所述基线信号来更新所述基线信号；以及
响应于所述差值为负且大小大于所述标称跟踪率，通过从所述基线信号中减去所述标称跟踪率来更新所述基线信号。
25.根据权利要求24所述的系统，所述基线计算引擎被进一步配置为：
确定所述输入信号和所述基线信号之间的第二差值；以及
响应于所述第二差值大于预先确定的阈值，生成已超过所述预先确定的阈值的指示。
26.根据权利要求25所述的系统，其中，确定所述第二差值发生在基于所述标称跟踪率更新所述基线信号之后。
27.根据权利要求24所述的系统，所述基线计算引擎被进一步配置为：
确定所述输入信号和所述基线信号之间的第二差值；以及
响应于所述第二差值为负且大小大于预先确定的负对齐阈值，将所述基线信号更新为所述输入信号的移动平均值。
28.根据权利要求24所述的系统，其中，所述输入信号由力传感器生成。
29.根据权利要求28所述的系统，其中，所述力传感器被配置为感测和与虚拟按钮的人为交互相关联的力。
30.根据权利要求28所述的系统，其中，所述力传感器包括电容式位移传感器、电感式力传感器、电阻-电感-电容式传感器、应变计、压电式力传感器、力感测电阻器、压电式力传感器、薄膜力传感器或基于量子隧道复合材料的力传感器中的一个。
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