CN117013998A - 漂移抑制方法、接近传感器及无线设备 - Google Patents

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Abstract

一种包括电容式接近传感器的便携式设备可以抑制叠加到电容式接近信号上的漂移以及对应的方法。处理器通过以下方法生成基线值：当斜率在规定限制内时对从接近信号的斜率导出的一系列值进行积分，或当斜率在规定限制外时对固定值进行积分。

Description

漂移抑制方法、接近传感器及无线设备
技术领域
本发明涉及一种滤波器，该滤波器被布置为抑制来自表示感兴趣的量的信号的缓慢漂移。本发明的实施例涉及上述漂移抑制滤波器的数字实现，并且涉及接近检测器，该接近检测器使用上述滤波器来区分合法信号（例如人的接近）与由温度变化或任何其它原因生成的漂移。然而，这些并不是本发明的唯一应用。
背景技术
在几个测量和感测应用中，相关信息由表示感兴趣的量的电气值（即，电压或电流）承载，电气值上叠加可能恒定或缓慢漂移的寄生值。由于杂散基线的存在限制了测量的灵敏度和精度，因此设计了几种算法和滤波器以将其从感兴趣的信号中消除。
电容式接近检测器用在许多现代便携式设备（包括移动电话和平板电脑）中用于确定所述设备是否靠近用户的身体部分。该信息在几个方面是重要的：它用于检测电话是否正在被用户主动操纵，以及用户是否正在查看显示器，在这种情况下可以调整显示的信息，和/或所述设备从低功率状态切换到活动状态。重要的是，该信息用于调整无线电发射器的功率水平以符合身体剂量限制。电容式接近检测也用于触敏显示器和面板中。
电容式接近检测严重依赖于漂移抑制。通常，从设备上的电极看，接近用户的身体的电容比电极本身的背景电容小很多倍。如果背景值及其波动没有被消除的话，这个背景值及其波动将完全掩盖接近信号。
假设必须测量的信号变化得比基线中的漂移快得多，则基线中的漂移可以通过简单的高通滤波器来抑制。在一些情况下，通过计算用于表示漂移的信号的运行平均值并将其从原始信号中减去来获得相同的结果。稍后将讨论的图 1 示出了该漂移抑制过程的数字实现，该漂移抑制过程在电容式接近检测器中使用，前提是单元 60 实现简单的运行平均。
然而，在许多真实情况下，这种简单的方法是不够的。漂移抑制器倾向于降低期望的信号以及漂移，特别是当感兴趣的信号逐渐变化时，诸如在便携式设备中，用户非常缓慢地接近接近传感器时将是这种情况。
文献 US 10,136,399 B1、US 10,423,278 B2、US 10,298,280 B2 和 US 2021/0083664 A1 公开了在便携式设备（诸如便携式电话）中提供接近感知的电容检测器，以及用于处理计及背景和漂移的信号的各种电路和算法。
发明内容
本发明提出了一种从接近信号中去除漂移的方法，该方法适用于配备有电容式接近传感器的便携式设备，但可以有效地应用于其他用途。电容式传感器以及如此配备的便携式设备也是本发明的一部分。
相对于其他已知解决方案，本发明的接近传感器表现出显著更好的抗漂移性，并且因此对温度变化不太敏感。即使接近很慢，它也保持其检测接近的效率。
根据本发明，这些目的通过所附权利要求的对象来实现。
附图说明
本发明的示例性实施例在说明书中公开并由附图图示，其中：
图 1 示意性地图示了具有数字漂移抑制滤波器的电容式接近传感器；
图2利用流程图图示了根据本发明一个方面的抑制漂移的方法；
图3是本发明中使用的一些信号的曲线。
具体实施方式
图1示意性地示出了具有漂移抑制处理器的电容式接近传感器。为了简明起见，本描述将参考便携式电话或平板电脑中的电容式接近检测器，但本发明的滤波器和方法可以应用于不同的领域。
检测器对电极20的电容Cx敏感，该电容在用户的手、脸或身体接近时会轻微增加。如已经讨论过的，由于身体接近导致的变化被电极的自身电容所掩盖，而电极的自身电容又不稳定。电容信号优选由模拟处理器 23 放大和处理，模拟处理器 23 还可以减去可编程偏移量，并由 A/D 转换器 25 转换为原始数字值。样本 R(k) 可被编码为 16 位整数，或以任何其他合适的格式编码。
图 1 中表示的设备还具有，尽管这不是必要的，屏蔽电极 21，位于感测电极 20下方。屏蔽电极可以连接到屏蔽控制单元 24，该屏蔽控制单元 24生成与感测电极的电位相同或紧密跟随所述电位的电压。以这种方式，在对测量的电容没有显著贡献的情况下，屏蔽电极21保护感测电极20免受下方导体的影响，该导体是潜在的干扰源。
在非理想世界中，原始样本 R(k) 还包含被滤波器 30 衰减的不需要的干扰和噪声。滤波器 30 可以是尺寸考虑了预期信号的带宽的数字低通滤波器或任何其他合适的滤波器。滤波器30提供一系列样本U(k)用于在连续阶段中处理。
尽管滤波器30为了简化附图而被表示为简单的块，但它实际上可以包括用于降低噪声的几个处理器单元。它可根据需要包括FIR低通滤波器、IIR低通滤波器和非线性算法。已经发现，对于控制便携式电话的功能目的最重要的信号部分例如落在几赫兹的频谱内。
块62表示漂移抑制单元，漂移抑制单元用于估计和抑制叠加到电容变化上的漂移，无论是热性质的还是其他的。单元60是基线估计器，基线估计器生成接近基线的瞬时值的数字信号A(k)，该瞬时值被认为是漂移的效果。从接近信号 U(k) 中以数字方式减去所述基线，则结果是经漂移抑制的信号 D(k)。区分器50然后生成指示用户的手、脸或身体的接近的标志信号'PROX'。然而，本发明不限于二进制输出。在变体中，决策单元50可以是多级区分器，其根据接近的程度而生成几个标志或任何其他有用变量。检测器的输出不需要在输出终端中实现：所述标志可被编码为存储在接近传感器的寄存器中的值，该寄存器可通过通信总线（诸如 I2C 或 SPI）访问。
构成接近传感器的各种块在图中分开并且不同地表示，但实际上应该被解释为功能单元。在实际实现中，它们可以部分或全部用软件实现，并且可以共享代码和数据资源。
电容式接近传感器可以是手机、膝上型电脑、平板电脑或其他连接的便携式设备的一部分。在这种情况下，电容式电极20也可以用作RF天线，是电话的金属机壳的一部分，或者只是PCB上的铜区域。
现在将参照图 2 解释基线信号 A(k) 的生成。
本发明的方法的重要方面是估计有用信号Un的变化。该变化由量Δvar表示，量Δvar优选地在每个新的有用样本U(k)处被计算(步骤305)。估计 U(k) 的变化的一种可能方式是样本与前一个样本之间的差，Δ01=U(k)-U(k-1)，或在合适窗口中差U(k)-U(k-1) 的运行平均Δvar，例如最后N个接收到的 U(k) 样本：Δvar=(U(k)-U(k-N-1))/N 其中 N 可以取任何合适的值，例如N＝8。在步骤305，本发明的方法接收有用信号U(k)的新值并计算或接收对应Δvar的新值。
步骤308检查接近标志是否被升高，即有指示表明附近有导电体。如果该测试的结果是肯定的，则该方法测试（步骤130）变化Δvar是否在预定的接受区域内。在该示例中，将Δvar与在大多数情况下将为正的上阈值T1进行比较（步骤312），并且与可能为负的下阈值T2进行比较（步骤322）。
如果未声明PROX标志，则该方法从测试 308开始遵循右分支，该右分支与左分支完全对称。将变化Δvar与在大多数情况下将为正的上阈值T3进行比较（314），以及与可能为负的下阈值T4进行比较（324）。在数值上，T3 可以与 T1 不同，并且T4 可以与 T2 不同，或者它们可能相等。有利地，这种对称的处理避免了没有检测到强烈的负变化（例如，当用户突然远离传感器时）。
如果Δvar既不高于上阈值也不低于下阈值，则无论是否声明接近标志，基线的值都增加(步骤330)从接近信号导出的值。优选地，增量将是与接近信号的斜率或导数相关的值，使得连续增量通过积分返回原始形状。在可能的变体中，基线信号A(k)增加平均斜率信号Δvar。替代地，基线信号增加瞬时斜率Δ01=U(k)-U(k-1)。然而，其他表达方式也是可能的。
如果Δvar高于上阈值或低于下阈值，则基线以固定量增加，而与 U(k) 和Δvar的值无关。根据被超过的阈值的符号和标志状态，这发生在单元 316、326、318、328 之一中。所完成的操作总是相同的，但所述固定量的值D1、D2、……、D4可能不同。
重要的是时常将基线 A(k) 的值重置为接近信号 U(k) 的值。已发现每当基线的值超过接近信号的值时，执行此操作是有利的（单元335和338）。
图3示出了本发明的处理器和方法中的重要信号的概念模拟。每条曲线都是按比例的，但是对于所有曲线，纵轴的单位并不相同。这些曲线可能已调整尺寸并竖直移动任意量以在图中适配。但是，水平轴（示出时间或样本索引）是共用的，并且曲线之间的时间关系得到尊重。在真实情况下，时间轴可以覆盖几秒的跨度。
曲线130是来自滤波器单元30的接近信号U(k)。它表现出陡峭上升的台阶，指示导电体接近该传感器，然后是一些时间后的下降台阶，示出导电体已经被移开。这种接近模式被叠加到缓慢变化的基线上，因为它可能是由于热漂移引起的。曲线140 是在具有8个样本的窗口上取得的对应平均斜率Δvar。在该曲线中，上升和下降台阶由正峰值和负峰值标记。
阈值 T2 和 T1 由虚线 144 标记。在间隔148、149内，基线信号 A(k) 增加固定值并具有线性斜率，除非当它受到介入的重置测试的限制时（图 2 中的 335、338）。在其他地方，基线增加平均斜率Δvar（如曲线 150 中所看到的）或增加瞬时斜率Δ01（如曲线 155中所看到的），并紧密跟随接近信号 U(k) 的变化。
从接近信号中减去基线提供了经漂移抑制的信号。曲线160是当基线增加平均斜率 Δvar时这种抑制的结果。当基线增加瞬时斜率Δ01时，曲线165相同。由于数值算法的有限分辨率，前者保留了一些噪声，而后者非常接近方信号，噪声最小。
请注意，这种跟踪方法可以通过以下方式来改进：对信号使用去抖动器和/或限制器，以避免在 Δvar瞬时穿过大约0值时（例如在快速轻敲期间）出现非常大的Δ01值。
在便携式无线设备中，本文公开的传感器和方法可以有利地用于检测所述设备何时靠近例如用户的头部。在这种情况下，所述设备可被配置为采取特定的动作，例如：关闭显示器、禁止触觉输入、调整无线电传输功率。
参考符号
20 感测电极
21 主动屏蔽
23 模拟前端/后端放大器
24屏蔽控制器
25 A/D转换器
30滤波器
40加法器
50 区分器
60基线提取器
62漂移抑制单元
139 接近信号
140 变化
144阈值线
148 不跟踪间隔
149 不跟踪间隔
150 基线信号
155 基线信号
160经Δvar漂移校正的信号
165经Δ01漂移校正的信号
220 接近信号
230 基线信号
240 经漂移校正的信号
305 新值
308 接近标志测试
312 上阈值
314 上阈值
316 固定增量
318 固定增量
322 下阈值
324 下阈值
326 固定增量
328 固定增量
330跟踪
335测试
338 重置。

Claims (16)

1.一种抑制叠加到接近信号上的漂移的方法，所述接近信号由电容式传感器生成，所述方法包括：
• 接收所述接近信号的一系列样本，
• 从接收到的样本重复计算所述接近信号的平均斜率
• 将所述平均斜率与阈值进行比较，
• 通过在所述平均斜率低于所述阈值时加上从所述接近信号导出的值或在所述平均斜率高于所述阈值时加上固定值来更新基线值，
• 通过从所述接近信号中减去所述基线值来获得经漂移校正的接近信号。
2.根据权利要求1所述的方法，其中，在将所述平均斜率与阈值进行比较时，将所述平均斜率与上阈值和下阈值进行比较，并且在更新所述基线值时，当所述平均斜率在上阈值和下阈值之间时加上的值从所述接近信号导出，当所述平均斜率低于下阈值时所述加上的值是第一固定值，并且当所述平均斜率高于上阈值时所述加上的值是第二固定值。
3.根据权利要求1所述的方法，其中，从所述接近信号导出的值是所述接近信号的瞬时斜率或所述接近信号的平均斜率。
4.根据权利要求2所述的方法，包括以下步骤：将所述基线值与所述接近信号进行比较并且如果所述基线值超过所述接近信号则将所述基线值设置为等于所述接近信号。
5.根据权利要求2所述的方法，包括以下步骤：将经漂移抑制的接近信号与接近阈值进行比较以生成逻辑接近标志，其中所述上阈值和/或所述下阈值和/或所述第一固定值和/或所述第二固定值的值在所述接近标志被升高时被改变，并且在所述接近标志被降低时被设置回先前的值。
6.根据权利要求2所述的方法，其中，所述第一固定值和/或所述第二固定值是正的、零或负的。
7.一种用于便携式设备的电容式接近传感器，包括感测电极和读出电路，所述读出电路被配置为读取所述感测电极的自电容并提供由一系列电容值组成的接近信号，所述电容式接近传感器包括漂移抑制单元，所述漂移抑制单元被配置为：
• 从所述电容值重复计算所述接近信号的平均斜率，
• 将所述平均斜率与阈值进行比较，
• 通过在所述平均斜率低于所述阈值时加上从所述接近信号导出的值或在所述平均斜率高于所述阈值时加上固定值来更新基线值，
• 通过从所述接近信号中减去所述基线值来获得经漂移抑制的接近信号。
8.根据权利要求7所述的接近传感器，其中，在将所述平均斜率与阈值进行比较时，将所述平均斜率与上阈值和下阈值进行比较，并且在更新所述基线值时，当所述平均斜率在上阈值和下阈值之间时加上的值从所述接近信号导出，当所述平均斜率低于下阈值时所述加上的值是第一固定值，并且当所述平均斜率高于上阈值时所述加上的值是第二固定值。
9.根据权利要求7至8中任一项所述的接近传感器，其中，从所述接近信号导出的值是所述接近信号的瞬时斜率或所述接近信号的平均斜率。
10.根据权利要求8所述的接近传感器，所述处理器被配置用于将所述基线值与所述接近信号进行比较并且如果所述基线值超过所述接近信号则将所述基线值设置为等于所述接近信号。
11.根据权利要求8所述的接近传感器，所述处理器被配置用于将经漂移抑制的接近信号与接近阈值进行比较以生成逻辑接近标志，其中所述上阈值和/或所述下阈值和/或所述第一固定值和/或所述第二固定值的值在所述接近标志被升高时被改变，并且在所述接近标志被降低时被设置回先前的值。
12.根据权利要求8所述的接近传感器，其中，所述第一固定值和/或所述第二固定值是正的、零或负的。
13.一种包括接近传感器的便携式无线设备，所述接近传感器具有感测电极和读出电路，所述读出电路被配置为读取所述感测电极的自电容并提供由一系列电容值组成的接近信号，所述电容式接近传感器包括电子处理器，所述电子处理器被配置为：
• 从所述电容值重复计算所述接近信号的平均斜率
• 将所述平均斜率与阈值进行比较，
• 通过在所述平均斜率低于所述阈值时加上从所述接近信号导出的值或在所述平均斜率高于所述阈值时加上固定值来更新基线值，
• 通过从所述接近信号中减去所述基线值来获得经漂移抑制的接近信号。
14.根据权利要求13所述的便携式无线设备，所述处理器被配置用于将所述经漂移抑制的接近信号与接近阈值进行比较以生成逻辑接近标志，其中所述便携式无线设备被配置为在声明所述逻辑接近标志时采取特定动作。
15.根据权利要求14所述的便携式无线设备，其中所述动作是以下各项之一：降低无线数据接口的传输功率、关闭或降低显示器的亮度、禁止触觉输入。
16.根据权利要求13所述的便携式无线设备，其中，所述上阈值和/或所述下阈值和/或所述第一固定值和/或所述第二固定值的值在所述接近标志被升高时被改变，并且在所述接近标志被降低时被设置回先前的值。
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