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Die Erfindung betrifft ein optoelektronisches Bedienelement gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1 sowie ein Feldgerät der Prozessautomatisierungstechnik gemäß Anspruch 12. Des Weiteren betrifft die Erfindung ein Verfahren zur Detektion einer Betätigung eines optoelektronischen Bedienelements gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 14.
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Ein optoelektronisches Bedienelement kann als Ersatz für mechanisch betätigte Tasten, Schalter, Hebel und andere Bedienelemente eingesetzt werden und ermöglicht den Bau von hermetisch gekapselten Geräten, die sich durch Berühren einer Bedienplatte von außen bedienen lassen. Dies ist insbesondere für Feldgeräte der Prozessautomatisierungstechnik von erheblicher Bedeutung, denn auf diese Weise ist es möglich, den Anforderungen von verschiedenen Vorschriften zum Explosionsschutz zu genügen.
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Es ist Aufgabe der Erfindung, ein optoelektronisches Bedienelement zur Verfügung zu stellen, das auch bei Störeinflüssen eine zuverlässige Detektion ermöglicht.
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Gelöst wird diese Aufgabe durch die in den Ansprüchen 1, 12 und 14 angegebenen Merkmale.
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Vorteilhafte Weiterentwicklungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben.
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Ein erfindungsgemäßes optoelektronisches Bedienelement umfasst eine Bedienplatte, deren Außenseite als Berührfläche zur Betätigung durch einen Benutzer ausgebildet ist, eine Sendeeinheit, die an der Innenseite der Bedienplatte angeordnet und dazu ausgelegt ist, ein optisches Signal in Richtung zur Bedienplatte abzustrahlen, eine Empfangseinheit, die an der Innenseite der Bedienplatte innerhalb eines Strahlungsbereichs des von der Sendeeinheit abgestrahlten und an einem Finger des Benutzers oder an einem anderen Streukörper diffus gestreuten optischen Signals angeordnet ist und die dazu ausgelegt ist, ein optisches Empfangssignal zu detektieren, sowie eine Auswerteeinheit zur Signalauswertung. Das optische Signal zur Erfassung einer Berührung der Bedienplatte durch den Benutzer wird entsprechend einer Taktperiode periodisch abgestrahlt, wobei eine Taktperiode jeweils mindestens ein Referenzintervall sowie mindestens ein Messintervall umfasst. Während des mindestens einen Referenzintervalls ist die Sendeeinheit inaktiv und die Empfangseinheit aktiv, wobei die Empfangseinheit dazu ausgelegt ist, während des mindestens einen Referenzintervalls ein Referenzsignal zu detektieren. Während des mindestens einen Messintervalls sind sowohl die Sendeeinheit als auch die Empfangseinheit aktiv, wobei die Empfangseinheit dazu ausgelegt ist, während des mindestens einen Messintervalls ein Messsignal zu detektieren. Die Auswerteinheit ist dazu ausgelegt, anhand des Messsignals und des Referenzsignals zu ermitteln, ob der Benutzer die Bedienplatte berührt oder nicht.
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Entsprechend den Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung wird die Berührfläche im getakteten Betrieb optisch abgetastet. Dabei umfasst eine Taktperiode mindestens ein Referenzintervall und mindestens ein Messintervall. Während eines Referenzintervalls ist die Sendeeinheit ausgeschaltet, die Empfangseinheit detektiert daher nur die Hintergrundstrahlung. Während des mindestens einen Referenzintervalls wird ein Referenzsignal detektiert, das der Auswerteeinheit zur Verfügung gestellt wird.
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Während des mindestens einen Messintervalls sind sowohl die Sendeeinheit als auch die Empfangseinheit eingeschaltet. Während des mindestens einen Messintervalls wird ein Messsignal detektiert, das davon abhängt, ob der Benutzer die Berührfläche des Bedienelements berührt oder nicht. Dieses Messsignal wird der Auswerteeinheit zur Verfügung gestellt. Anhand des Messsignals und des Referenzsignals kann die Auswerteeinheit ermitteln, ob der Benutzer die Berührfläche berührt oder nicht. Die Berücksichtigung des Referenzsignals ermöglicht der Auswerteeinheit auch dann eine zuverlässige Detektion, wenn Störeinflüsse vorliegen. Derartige Störeinflüsse sind beispielsweise Verschmutzung, Vereisung oder Beschlagen der Berührfläche, nachlassende Sendeleistung der Sendeeinheit oder der Einfall von Fremdlicht.
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Entsprechend einer bevorzugten Ausführungsform wird die Auswertung des Referenzsignals und des Messsignals mit Hilfe von Schwellwerten durchgeführt. Diese Schwellwerte können jeweils so nachgeführt und an die aktuelle Detektionssituation angepasst werden, dass die Signale in der momentanen Detektionssituation so gut wie möglich ausgewertet werden können.
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Nachfolgend ist die Erfindung anhand von in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispielen näher erläutert.
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Es zeigen:
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1 eine schematische Darstellung eines optoelektronischen Bedienelements;
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2 ein Feldgerät mit einer optoelektronischen Tastatur;
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3 das Funktionsprinzip eines optoelektronischen Bedienelements, zusammen mit möglichen Störeinflüssen;
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4 ein erfindungsgemäßes Abtastschema für ein optoelektronisches Bedienelement;
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5 ein Sendesignal, dem entsprechend einer Modulationsfrequenz eine Amplitudenmodulation aufgeprägt wurde;
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6 ein Sendesignal, dem eine Amplitudenmodulation entsprechend einer vorgegebenen Modulationsfolge aufgeprägt wurde; und
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7A–7C die Auswirkung von verschiedenen Störeinflüssen auf das detektierte Empfangssignal.
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1 zeigt das Funktionsprinzip eines optoelektronischen Bedienelements. Das optoelektronische Bedienelement bzw. die optoelektronische Taste ermöglicht die Bedienung von Geräten durch Berühren einer vorzugsweise aus Glas oder Kunststoff bestehenden Bedienplatte 100. Die Bedienplatte 100 kann von der Innenseite her optisch abgetastet werden. Zur optischen Abtastung der Bedienplatte 100 sind an der Innenseite der Bedienplatte 100 eine Sendeeinheit 101 und eine Empfangseinheit 102 vorgesehen. Die Sendeeinheit 101 emittiert ein Lichtsignal 103. Die Strahlungsrichtung der Sendeeinheit 101 ist im Wesentlichen senkrecht zur Bedienplatte 100 oder weicht nur geringfügig von dieser Senkrechten ab. Die Strahlung ist dabei um diese Strahlungsrichtung eng gebündelt.
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Vorzugsweise strahlt die Sendeeinheit 101 Licht im infraroten Spektralbereich ab. Licht im infraroten Spektralbereich eignet sich sehr gut zur optischen Abtastung der Bedienplatte 100 und ist für den Benutzer unsichtbar. Bei dieser Ausführungsform ist die Sendeeinheit 101 als Infrarot-Sendediode ausgebildet, und die Bedienplatte 100 ist für Licht im infraroten Spektralbereich transparent. Die Empfangseinheit 102 ist bei dieser Ausführungsform als Infrarot-Empfangsdiode oder als optisches IC ausgebildet.
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Sowohl die Sendeeinheit 101 als auch die Empfangseinheit 102 sind auf einer Leiterplatte 104 angeordnet. Zwischen der Sendeeinheit 101 und der Empfangseinheit 102 ist ein lichtundurchlässiges Trennelement 105 angeordnet. Das Trennelement 105 verhindert, dass das von der Sendeeinheit 101 emittierte Licht auf direktem Weg zur Empfangseinheit 102 gelangen kann. Zur Abschirmung der Sendeeinheit 101 und der Empfangseinheit 102 können weitere Trennelemente 106, 107 vorgesehen sein. Wenn eine Mehrzahl von optischen Tasten nebeneinander und/oder übereinander in Form eines Bedienfeldes angeordnet ist, kann mit Hilfe der Trennelemente 106, 107 verhindert werden, dass sich die Sende- und Empfangseinheiten von benachbarten optischen Tasten gegenseitig stören.
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Wenn der Benutzer die Bedienplatte 100 oberhalb der Sendeeinheit 101 mit dem Finger 108 berührt, wird das von der Sendeeinheit 101 abgestrahlte Lichtsignal 103 am Finger 108 diffus gestreut. Der Finger 108 wirkt als Streukörper. Wenn die Bedienplatte 100 berührt wird, gelangt ein Teil des emittierten Lichtsignals 103 zur Empfangseinheit 102. Die Empfangseinheit 102 detektiert die Intensität des einfallenden Lichts. Wenn der Benutzer die Bedienplatte 100 mit dem Finger 108 berührt, detektiert die Empfangseinheit 102 einen Anstieg der Intensität.
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Dabei ist die Empfangseinheit 102 so orientiert, dass Licht, welches an der Innenseite und/oder an der Außenseite der Bedienplatte 100 reflektiert wird, nicht zur Empfangseinheit 102 gelangt. Nur bei diffuser Reflektion am Finger des Benutzers gelangt von der Sendeeinheit 101 emittiertes Licht zur Empfangseinheit 102. Dieser diffus reflektierte Lichtanteil ist in 1 durch den Pfeil 109 dargestellt. Daher verursacht das Berühren der Bedienplatte 100 durch den Benutzer einen Anstieg der detektierten Signalintensität. Anhand der detektierten Signalintensität kann unterschieden werden, ob der Benutzer die Bedienplatte 100 berührt oder nicht.
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Die Empfangseinheit 102 ist einerseits innerhalb des Strahlungsbereichs des von der Sendeeinheit 101 abgestrahlten und am Finger diffus gestreuten Lichts angeordnet. Andererseits ist die Empfangseinheit 108 außerhalb des an der Außenseite und/oder an der Innenseite der Bedienplatte 100 reflektierten Lichts angeordnet.
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Das Lichtsignal 103 wird vorzugsweise im gepulsten Betrieb ausgesendet. Wenn das Puls-Pausen-Verhältnis kleiner als 1:1, oder sogar kleiner als 1:10 gewählt wird, wird die Stromversorgung des jeweiligen Geräts in wesentlich geringerem Maß belastet als bei Dauerbetrieb. Darüber hinaus wird die Lebensdauer der Infrarot-Sendediode deutlich verlängert. Durch den gepulsten Betrieb wird das alterungsbedingte Absinken der Intensität der Sendeleistung der Sendeeinheit 101 weit in die Zukunft verschoben.
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In 2 ist ein Feldgerät für die Prozessautomatisierungstechnik gezeigt, welches mit einer optoelektronisch abgetasteten Bedienplatte 200 ausgestattet ist. Die gezeigte Bedienplatte 200 umfasst beispielsweise einen Ziffernblock 201 mit zehn Zifferntasten sowie weitere Eingabetasten 202–204. Außerdem umfasst das gezeigte Feldgerät ein Display 205. Die Zifferntasten des Ziffernblocks 201 sowie die weiteren Eingabetasten 202–204 sind als Berührflächen auf der Bedienplatte 200 realisiert und arbeiten nach dem in 1 gezeigten Funktionsprinzip. Mit Hilfe der Zifferntasten des Ziffernblocks 201 sowie der weiteren Eingabetasten 202–204 ist es möglich, das Feldgerät vor Ort zu parametrieren bzw. die Parametrierung des Feldgeräts zu verändern. Die Bedienplatte 200 sowie das Display 205 können so in die Vorderseite des Feldgeräts integriert werden, dass ein gasdicht abgeschlossenes Gehäuse entsteht.
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Feldgeräte, deren Gehäuse hermetisch abgeschlossen ist, eignen sich insbesondere für einen Einsatz in explosionsgefährdeten Umgebungen. Beim Einsatz von Feldgeräten in einer explosionsgefährdeten Umgebung, beispielsweise in einer Gasatmosphäre, kann bereits ein kleiner Funke im Inneren des Gehäuses eine Explosion verursachen. Entsprechend einem ersten Schutzkonzept wird im explosionsgefährdeten Bereich ein Feldgerät mit gasdicht abgeschlossenem Gehäuse eingesetzt, so dass das explosive Gas nicht in den Innenraum des Feldgeräts gelangen kann. Dabei ist es für bestimmte Explosionsschutz-Klassen erforderlich, dass die Bedienplatte eine gewisse Dicke aufweist. Um die Explosionsschutz-Bestimmungen zu erfüllen, kann die glasartige Bedienplatte 5 mm dick, insbesondere aber auch dicker sein.
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In 3 ist die Funktionsweise eines optoelektronischen Bedienelements schematisch dargestellt, wobei auch mögliche Störeinflüsse auf das System gezeigt sind. Das optoelektronische Bedienelement wird von einer Ansteuer- und Auswerteeinheit 300 gesteuert, die ein Sendesignal 301 erzeugt und der Sendeeinheit 302 zur Verfügung stellt. Die Sendeeinheit 302 emittiert ein optisches Signal 303. Wenn der Benutzer die Bedienplatte berührt, wird das optische Signal 303 am Finger 304 diffus reflektiert. Das diffus reflektierte Licht 305 trägt zu der von der Empfangseinheit 306 detektierten Lichtintensität bei, und deshalb wird eine relativ hohe Lichtintensität gemessen. Wenn der Benutzer die Bedienplatte nicht berührt, entsteht kein bzw. nur wenig diffus reflektiertes Licht 305, und die Empfangseinheit 306 detektiert eine deutlich geringere Intensität. Anhand der von der Empfangseinheit 306 detektierten Intensität kann erkannt werden, ob der Benutzer das Bedienelement gerade berührt oder nicht. Die Empfangseinheit 306 ist dazu ausgelegt, die Intensität des einfallenden Lichts zur ermitteln und in Abhängigkeit von der detektierten Intensität ein Empfangssignal 307 zu erzeugen. Das Empfangssignal 307 wird der Ansteuer- und Auswerteeinheit 300 zugeführt, welche das Empfangssignal 307 auswertet. Hierzu kann die Ansteuer- und Auswerteeinheit 300 beispielsweise das Empfangssignal mit einem oder mehreren Schwellwerten vergleichen. Auf diese Weise erzeugt die Ansteuer- und Auswerteeinheit 300 ein Ergebnissignal 308, das anzeigt, ob die optische Taste gerade betätigt wird oder nicht. Vorzugsweise ist das Ergebnissignal 308 als Binärsignal ausgebildet, dessen einer Pegel der Nichtbetätigung zugeordnet ist und dessen anderer Pegel bei Betätigung auftritt.
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Durch Auswerten der Intensität des einfallenden Signals kann die Ansteuer- und Auswerteeinheit 300 in der Regel gut erkennen, ob das optoelektronische Bedienelement gerade betätigt wird oder nicht. Allerdings gibt es eine Reihe von Störeinflüssen, die die Detektion erschweren können. Als erster derartiger Störeinfluss 309 sind Veränderungen der Eigenschaften der Außenseite der Bedienplatte zu nennen, die insbesondere durch Verschmutzung, durch Vereisen oder durch Beschlagen der Außenseite der Bedienplatte verursacht werden. Durch die Anlagerung von Schmutz, Eis oder Dampf an der Außenseite der Bedienplatte kommt es zu einer zusätzlichen diffusen Reflektion von Licht an der Außenseite. Wenn die Außenseite der Bedienplatte verschmutzt, vereist oder beschlagen ist, verringert sich der Signalhub beim Berühren der Bedienplatte.
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Als zweiter Störeinfluss 310 ist eine alterungsbedingte Abnahme der Sendeleistung der Sendeeinheit 302 zu nennen. Insbesondere bei Infrarot-Sendedioden nimmt die Sendeleistung mit zunehmender Betriebsdauer kontinuierlich ab. Daher wird auch die Intensität des reflektierten Signals 305 durch diese Abnahme der Sendeleistung beeinträchtigt. Allerdings kann die alterungsbedingte Abnahme der Sendeleistung beim gepulsten Betrieb deutlich verlangsamt werden.
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Als dritter Störeinfluss 311 ist Fremdlicht zu nennen, das zusätzlich auf der Empfangseinheit 306 auftrifft und sich als zusätzlicher Signalanteil im detektierten Empfangssignal 307 störend bemerkbar macht. Fremdlicht im Infrarotbereich kann unter anderem durch Sonneneinstrahlung, Glühlampen, Halogenlampen etc. verursacht werden. Darüber hinaus entstehen auch beim Betrieb von Gasentladungslampen, Neonröhren, Energiesparlampen, etc. Spektralanteile in Infrarotbereich. Insbesondere bei Verwendung von Vorschaltgeräten können periodisch wiederkehrende Lichtpulse auftreten.
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Im Folgenden wird ein Verfahren zum Auslesen und Auswerten der von der Empfangseinheit gelieferten Empfangssignale vorgestellt, das auch bei Vorhandensein von Störeinflüssen eine robuste und zuverlässige Detektion einer Tastenberührung ermöglicht. Dabei wird das Sendesignal im gepulsten Betrieb emittiert, um den Energieverbrauch der Detektionsvorrichtung so gering wie möglich zu halten und darüber hinaus die Sendeleistung der Sendediode möglichst lang konstant zu halten.
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In 4 ist das erfindungsgemäße Schema zum Abtasten des optischen Bedienelements dargestellt. In dem Diagramm von 4 sind eine erste Taktperiode 400, eine zweite Taktperiode 401 sowie der Anfang einer dritten Taktperiode 402 zu erkennen. Die Taktperioden können beispielsweise eine Länge von ca. 10 ms bis 1 s aufweisen.
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Im oberen Teil von 4 ist die Aktivität der Sendeeinheit als Funktion der Zeit dargestellt. Die Kurve 403 gibt an, wann die Sendeeinheit ein optisches Signal emittiert. Es ist zu sehen, dass die Sendeeinheit nur während der relativ kurzen Sendeintervalle 404 und 405 ein Sendesignal abstrahlt. Dabei können die Sendeintervalle beispielsweise eine Dauer zwischen ca. 5 μs und 100 μs aufweisen. Die Sendeintervalle erstrecken sich nur über einen sehr kleinen Bruchteil der jeweiligen Taktperiode. Zur besseren Darstellbarkeit sind die Sendeintervalle 404, 405 in 4 jedoch nicht maßstabsgetreu eingezeichnet.
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Unterhalb der Aktivität der Sendeeinheit ist die Aktivität der Empfangseinheit während der Taktperioden 400, 401, 402 als Funktion der Zeit aufgetragen. Die Kurve 406 gibt an, wann die Empfangseinheit aktiv geschaltet ist und wann nicht. In der ersten Taktperiode 400 ist die Empfangseinheit während eines ersten Referenzintervalls 407, während eines Messintervalls 408 und während eines zweiten Referenzintervalls 409 aktiv.
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Während des ersten Referenzintervalls 407 ist die Sendeeinheit ausgeschaltet, und daher detektiert die Empfangseinheit lediglich die Hintergrundstrahlung, um auf diese Weise einen Referenzsignalpegel zu ermitteln. Während des darauf folgenden Messintervalls 408 sind sowohl die Sendeeinheit als auch die Empfangseinheit aktiv. Innerhalb dieses Messintervalls 408 wird ermittelt, wie hoch die Intensität des zur Empfangseinheit hin reflektierten Signals ist. Während des zweiten Referenzintervalls 409 ist die Sendeeinheit ausgeschaltet, während die Empfangseinheit aktiv ist. Insofern wird während des zweiten Referenzintervalls 409 erneut die Hintergrundstrahlung detektiert.
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Das erste Referenzintervall 407 kann beispielsweise 100 μs lang sein. Das eigentliche Messintervall 408 ist zwischen ca. 20 μs und 100 μs lang. Das zweite Referenzintervall 409 kann beispielsweise ebenfalls 100 μs lang sein. Da die Sendeeinheit im Allgemeinen ein gewisses Einschwingverhalten beim Einschalten aufweist, ist es sinnvoll, wenn das Sendeintervall 404 etwas länger ist als das Messintervall 408. Auf diese Weise kann erreicht werden, dass die Sendeeinheit während des eigentlichen Messintervalls 408 bereits ihre volle Sendeleistung abstrahlt.
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Auch während der zweiten Taktperiode 401 ist die Empfangseinheit während eines ersten Referenzintervalls 410, eines Messintervalls 411 und eines zweiten Referenzintervalls 412 aktiv. Während des ersten Referenzintervalls 410 ist nur die Empfangseinheit aktiv, um einen Referenzsignalpegel zu detektieren. Während des eigentlichen Messintervalls 411 sind sowohl die Sendeeinheit als auch die Empfangseinheit aktiv. Während des zweiten Referenzintervalls 412 ist nur die Empfangseinheit aktiv.
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Im unteren Teil von 4 ist das von der Empfangseinheit detektierte Empfangssignal 413 als Funktion der Zeit aufgetragen. Dabei wird angenommen, dass der Benutzer während der ersten Taktperiode 400 die Bedienplatte berührt, wohingegen der Benutzer während der zweiten Taktperiode 401 die Bedienplatte nicht berührt. Während des ersten Referenzintervalls 407 zeichnet die Empfangseinheit einen Referenzsignalpegel 414 auf, der durch das Hintergrundlicht, beispielsweise den Infrarot-Hintergrund, bestimmt ist. Während des darauf folgenden Messintervalls 408 strahlt die Sendeeinheit ein Sendesignal ab. Da der Benutzer die Bedienplatte berührt, wird das Sendesignal am Finger des Benutzers diffus reflektiert und gelangt zur Empfangseinheit. Daher ist der Messsignalpegel 415, der während des Messintervalls 408 detektiert wird, relativ hoch. Während des darauf folgenden zweiten Referenzintervalls 409 ist die Sendeeinheit nicht aktiv, und nur die Empfangseinheit ist aktiv. Daher detektiert die Empfangseinheit während des zweiten Referenzintervalls 409 wieder den relativ niedrigen Referenzsignalpegel 414.
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Das Empfangssignal 413 wird durch eine Auswerteeinheit ausgewertet. Hierzu werden sowohl der detektierte Referenzsignalpegel 414 als auch der detektierte Messsignalpegel 415 mit einem oder mehreren Schwellwerten verglichen. Bei dem in 4 gezeigten Beispiel sind auf Seiten der Auswerteeinheit zwei Schwellwerte festgelegt, ein unterer Schwellwert S1 sowie ein oberer Schwellwert S2. Beide Schwellwerte sind in 4 eingezeichnet. Die Auswerteeinheit vergleicht den Messsignalpegel 415 mit dem oberen Schwellwert S2. Wenn der Benutzer die Bedienplatte berührt, sollte der Messsignalpegel 415 oberhalb des oberen Schwellwerts S2 liegen. Zusätzlich vergleicht die Auswerteeinheit den Referenzsignalpegel 414 mit dem unteren Schwellwert S1. Der Referenzsignalpegel 414, der die Intensität des Signalhintergrunds angibt, sollte unterhalb des unteren Schwellwerts S1 liegen. Durch diese Überprüfung des Referenzsignalpegels 414 kann ausgeschlossen werden, dass der hohe Messsignalpegel 415 auf den Einfluss von Fremdlicht zurückzuführen ist. Die Auswerteeinheit erkennt also dann eine Berührung der Berührfläche, wenn der Referenzsignalpegel 414 unterhalb des unteren Schwellwerts S1 und der Messsignalpegel 415 oberhalb des oberen Schwellwerts S2 liegt.
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Während der zweiten Taktperiode 401 berührt der Benutzer die Berührfläche nicht. In diesem Fall ergibt sich für das Empfangssignal 413 folgendes: Während des ersten Referenzintervalls 410 detektiert die Empfangseinheit den Referenzsignalpegel 414, der durch das Hintergrundlicht hervorgerufen wird. Während des Messintervalls 411 wird ein Messsignalpegel 416 detektiert. Da der Benutzer die Berührfläche nicht berührt, wird das von der Sendeeinheit emittierte Licht nicht in Richtung Empfangseinheit reflektiert. Daher ist der Messsignalpegel 416 während des Messintervalls 411 allenfalls geringfügig höher als der Referenzsignalpegel 414. Während des darauffolgenden Referenzintervalls 412 ist die Sendeeinheit ausgeschaltet, und insofern detektiert die Empfangseinheit den Referenzsignalpegel 414.
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Bei der Auswertung des in der Taktperiode 401 detektierten Empfangssignals vergleicht die Auswerteeinheit den Referenzsignalpegel 414 mit dem unteren Schwellwert S1 und den Messsignalpegel 416 mit dem oberen Schwellwert S2. In der zweiten Taktperiode 401 bleibt der Messsignalpegel 416 unterhalb des oberen Schwellwerts S2. Auf Seiten der Auswerteeinheit wird gefolgert, dass der Benutzer die Bedienplatte während der Taktperiode 401 nicht berührt. Durch Vergleichen des Referenzsignalpegels und des Messsignalpegels mit den Schwellwerten S1 und S2 kann die Auswerteeinheit ermitteln, ob der Benutzer die Berührfläche berührt oder nicht. Dabei ist es insbesondere auch möglich, die beiden Schwellwerte S1 und S2 dynamisch an sich ändernde Umgebungsbedingungen anzupassen. Auf diese Weise kann eine robuste Detektion realisiert werden, die eine zuverlässige Unterscheidung zwischen einer Tastenberührung und einem Störeinfluss ermöglicht.
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Bei dem in 4 dargestellten Auswerteschema sind pro Taktperiode zwei separate Referenzintervalle vorgesehen, um das Hintergrundlicht möglichst genau zu erfassen und dadurch den Hub des Messsignals während des Messintervalls besser ermitteln zu können. Das erste Referenzintervall ist vor dem Messintervall angeordnet, und das zweite Referenzintervall ist nach dem Messintervall angeordnet. Alternativ dazu wäre es jedoch auch möglich, nur ein Referenzintervall pro Taktperiode vorzusehen. Zum Ermitteln des Referenzsignalpegels ist es ausreichend, ein einziges Referenzintervall pro Taktperiode vorzusehen. Dieses Referenzintervall könnte wahlweise vor oder nach dem eigentlichen Messintervall angeordnet sein.
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Mit Hilfe des in 4 gezeigten Auswerteschemas kann die Auswerteeinheit in der Regel gut unterscheiden, ob die Bedienplatte von einem Benutzer berührt wird, oder ob ein hoher Signalpegel beispielsweise durch Fremdlicht verursacht wird. Eine fehlerhafte Detektion kann lediglich dann auftreten, wenn das Fremdlicht in Form eines kurzen Pulses auftritt, der zufälligerweise genau während des Messintervalls stattfindet. Derart kurze Lichtpulse insbesondere auch im infraroten Spektralbereich können beispielsweise durch Vorschaltgeräte von Leuchtstoffröhren hervorgerufen werden.
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Um zu verhindern, dass die Auswerteinheit eine Betätigung des Bedienelements meldet, obwohl lediglich zufälligerweise ein Fremdlichtimpuls während des Messintervalls aufgetreten ist, kann das von der Sendeeinheit während des Messintervalls abgestrahlte Licht mit einer zusätzlichen charakteristischen Amplitudenmodulation moduliert werden, welche dann auf Seiten der Empfangseinheit wieder erkannt wird. Ein zufällig während des Messintervalls auftretender Lichtpuls, der beispielsweise durch ein Vorschaltgerät erzeugt wird, weist diese charakteristische Modulation nicht auf und kann daher keine fehlerhafte Detektion auslösen.
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Anhand von 5 und 6 soll im folgenden diskutiert werden, auf welche Weise dem Sendesignal eine charakteristische Modulation aufmoduliert werden kann, welche eine Unterscheidung zwischen dem am Finger diffus reflektierten Signal und Fremdlicht ermöglicht. Im oberen Teil von 5 ist ein Sendesignal 500 zu sehen, das von der Sendeeinheit während des Messintervalls 501 abgestrahlt wird. Wie im oberen Teil von 5 zu erkennen ist, wird das von der Sendeeinheit während des Sendeintervalls 501 abgestrahlte Sendesignal entsprechend einer charakteristischen Modulationsfrequenz amplitudenmoduliert, so dass während des Sendeintervalls 501 ein amplitudenmoduliertes Signal 502 abgestrahlt wird. Wenn der Benutzer die Bedienplatte der optischen Taste mit dem Finger berührt, wird das von der Sendeeinheit abgestrahlte Sendesignal 500 am Finger des Benutzers diffus gestreut und gelangt so zur Empfangseinheit. Das von der Empfangseinheit detektierte Empfangssignal 503 ist im unteren Teil von 5 dargestellt. Während des Messintervalls 504 weist das Empfangssignal 503 genau dieselbe Amplitudenmodulation 505 auf, die dem Sendesignal 500 aufgeprägt wurde.
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Das Empfangssignal 503 wird von der Auswerteeinheit unter Verwendung der beiden Schwellwerte S1 und S2 analysiert und ausgewertet. Insbesondere wird durch die Auswerteeinheit überprüft, ob das Empfangssignal 503 innerhalb des Messintervalls 504 die charakteristische Amplitudenmodulation 505 aufweist, die dem Sendesignal 500 aufgeprägt wurden. Nur wenn diese charakteristische Modulation vorhanden ist, wird eine Berührung der Bedienplatte detektiert. Wenn dagegen die charakteristische Modulation im Empfangssignal 503 während des Messintervalls 504 nicht zu erkennen ist, dann kann es sich allenfalls um Fremdlicht handeln. Auf diese Weise kann die Berührung durch den Finger des Benutzers zuverlässig von Fremdlichtanteilen unterschieden werden. Durch das Aufprägen einer charakteristischen Modulationsfrequenz kann die Berührung durch den Benutzer insbesondere auch von kurzen Fremdlichtpulsen zuverlässig unterschieden werden.
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In 6 ist eine weitere Ausführungsform dargestellt, bei der das von der Sendeeinheit abgestrahlte Sendesignal 600 während des Sendeintervalls 601 entsprechend einer charakteristischen unregelmäßigen Modulationsfolge amplitudenmoduliert wird. Auf diese Weise wird dem Sendesignal 600 während des Sendeintervalls 601 eine charakteristische Amplitudenmodulation 602 aufgeprägt, die durch die charakteristische Modulationsfolge festgelegt ist. Im Unterschied zu 5 wird in 6 also keine regelmäßige Modulationsfrequenz, sondern vielmehr eine vorher festgelegte unregelmäßige Modulationsfolge zur Amplitudenmodulation des Sendesignals 600 eingesetzt.
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Im unteren Teil von 6 ist das Empfangssignal 603 als Funktion der Zeit dargestellt. Es ist zu erkennen, dass das Empfangssignal 603 innerhalb des Messintervalls 604 eine Amplitudenmodulation 605 aufweist, die genau der Amplitudenmodulation 602 des Sendesignals 600 entspricht. Mit Hilfe dieser charakteristischen Folge, die dem Sendesignal 600 aufmoduliert wurde, kann das am Finger reflektierte Sendesignal von anderen Fremdlichtanteilen unterschieden werden.
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Die in den 5 und 6 gezeigte Amplitudenmodulation des Sendesignals kann in dem in 4 gezeigten Signalschema verwendet werden, bei dem pro Taktperiode mindestens ein Referenzintervall zur Bestimmung eines Referenzsignalpegels vorgesehen ist. Alternativ dazu kann die in den 5 und 6 gezeigte Amplitudenmodulation des Sendesignals aber auch in einem Signalschema verwendet werden, bei dem kein gesondertes Referenzintervall zur Bestimmung des Referenzsignalpegels vorgesehen ist. Die aufgeprägte Amplitudenmodulation ermöglicht nämlich bereits eine Unterscheidung zwischen dem reflektierten Sendesignal und sonstigen Fremdlichtanteilen. Auf diese Weise kann auch bei Anwesenheit von Fremdlicht der Messsignalpegel korrekt bestimmt werden, ohne dass hierfür ein Referenzintervall vorgesehen sein muss.
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Im Folgenden soll diskutiert werden, wie die verschiedenen Störeinflüsse, die auf das optische Bedienelement einwirken, bei der Auswertung berücksichtigt werden können. Eine Möglichkeit ist, die zur Auswertung verwendeten Schwellwerte S1 und S2 so nachzuführen, dass trotz verschiedener Störeinflüsse eine zuverlässige Detektion von Berührungen der optischen Taste ermöglicht wird. Eine weitere Möglichkeit ist, die optische Taste beim Auftreten von starken Störeinflüssen zu verriegeln, zumindest für eine bestimmte Zeitspanne.
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Zunächst soll anhand von 7A diskutiert werden, wie sich eine Verschmutzung, eine Vereisung oder ein Beschlagen der Berührfläche auf das Empfangssignal auswirkt. Dies soll anhand des in 7A gezeigten Empfangssignals 700 gezeigt werden. Dabei wird angenommen, dass der Benutzer während einer ersten Taktperiode 701 die Bedienplatte berührt und während einer zweiten Taktperiode 702 die Bedienplatte nicht berührt. Die erste Taktperiode 701 umfasst ein Referenzintervall 703 sowie ein Messintervall 704, und die zweite Taktperiode 702 umfasst ein Referenzintervall 705 und ein Messintervall 706.
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Während des Messintervalls 704, während dem die Bedienplatte berührt wird, wird infolge von Verschmutzung, Vereisung oder Beschlagen die diffuse Reflektion am Finger des Benutzers verringert, andererseits kommt es zu zusätzlicher diffuser Reflektion an der verschmutzten Oberfläche der Bedienplatte. Der Messsignalpegel 707 bleibt daher in etwa gleich oder verringert sich etwas, wie dies durch die Pfeile 709 dargestellt ist. Anders sieht die Situation während des Messintervalls 706 aus, während dem die Bedienplatte nicht berührt wird. Während des Messintervalls 706 kommt es durch die Verschmutzung, Vereisung oder das Beschlagen zu einem Anstieg der diffusen Reflektion an der Oberseite der Bedienplatte. Während des Messintervalls 706 ergibt sich daher ein Anstieg des detektierten Signalpegels 709, wie dies durch die Pfeile 710 veranschaulicht ist. Der während der Referenzintervalle 703, 705 erfasste Referenzsignalpegel bleibt in etwa konstant, oder der Referenzsignalpegel sinkt infolge der Verschmutzung, Vereisung oder Beschlagen etwas ab, weil weniger Hintergrundstrahlung durch die verschmutzte Oberseite hindurch dringt.
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Anhand von 7A ist zu erkennen, dass infolge der Verschmutzung, der Vereisung oder dem Beschlagen der Berührfläche der Intensitätshub, also der Intensitätsunterschied zwischen Berühren und Nichtberühren der optischen Taste, verkleinert wird. Dies kann dazu führen, dass während eines Messintervalls 706 der untere Schwellwert S1 überschritten wird, obwohl der Benutzer die optische Taste nicht berührt. Dies kann auch dazu führen, dass trotz Berührens der optischen Taste die während des Messintervalls 703 gemessene Signalintensität 707 unterhalb des oberen Schwellwerts S2 bleibt.
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Um dennoch auch bei zunehmender Verschmutzung, Vereisung oder Beschlagen eine zuverlässige Detektion zu ermöglichen, können die beiden Schwellwerte S1, S2 kontinuierlich nachgeführt werden. Hierzu wird bei zunehmender Verschmutzung, Vereisung oder Beschlagen der untere Schwellwert S1 kontinuierlich erhöht. Zusätzlich kann der obere Schwellwert S2 kontinuierlich abgesenkt werden. Die Anpassung der Schwellwerte kann vorzugsweise in Abhängigkeit von den detektierten Signalpegeln durchgeführt werden. Das Anheben von S1 und das Absenken von S2 kann zumindest so lange fortgesetzt werden, solange noch ein ausreichender Intensitätshub und somit eine ausreichende Zuverlässigkeit bei der Detektion gegeben ist.
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Alternativ oder zusätzlich zu der kontinuierlichen Anpassung von S1 und S2 kann die optische Taste verriegelt werden, wenn der untere Schwellwert S1 überschritten, der obere Schwellwert S2 aber nicht erreicht wird. In diesem Fall bleibt die Tastatur so lange gesperrt, bis der detektierte Messsignalpegel wieder für eine vorgegebene Zeitspanne (beispielsweise 5 sec) unterhalb des unteren Schwellwerts S1 liegt, wenn also die Berührfläche gereinigt, enteist bzw. von Feuchtigkeit befreit wurde. Erst wenn der detektierte Messsignalpegel wieder während einer längeren Zeitspanne unterhalb von S1 liegt, wird die Taste wieder entriegelt.
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Als weiterer Störeinfluss soll im Folgenden anhand von 7B die alterungsbedingte Abnahme der Sendeleistung der Sendediode diskutiert werden. Hierzu ist ein Empfangssignal 711 während einer ersten Taktperiode 712 und einer zweiten Taktperiode 713 gezeigt, wobei in der ersten Taktperiode 712 die Bedienplatte berührt wird, und wobei in der zweiten Taktperiode 713 die Bedienplatte nicht berührt wird. Die erste Taktperiode 712 umfasst ein Referenzintervall 714 sowie ein Messintervall 715, und die zweite Taktperiode 713 umfasst ein Referenzintervall 716 und ein Messintervall 717. Es ist zu erkennen, dass die Abnahme der Sendeleistung ganz allgemein zu einer Verringerung der Signalpegel führt. Dementsprechend sinkt der Messsignalpegel 718, der innerhalb des Messintervalls 715 detektiert wird. Dies wird durch die Pfeile 719 veranschaulicht. Dementsprechend sinkt auch der Messsignalpegel 720, der während des Messintervalls 717 detektiert wird. Dies ist durch die Pfeile 721 veranschaulicht.
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Während der Referenzintervalle 714, 715 bleibt der detektierte Referenzsignalpegel unverändert, weil während der Referenzintervalle nur die Hintergrundstrahlung detektiert wird und die Sendeeinheit ausgeschaltet ist.
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Um die Schwellwerte S1 und S2 an die alterungsbedingte Verringerung der Sendeleistung der Sendediode anzupassen, muss insbesondere der obere Schwellwert S2 kontinuierlich abgesenkt werden. Diese Absenkung des oberen Schwellwerts S2 wird vorzugsweise in Abhängigkeit vom detektierten Messsignalpegel 718 vorgenommen. Der obere Schwellwert S2 kann solange abgesenkt werden, solange noch eine zuverlässige Detektion möglich ist. Optional kann zusätzlich auch der untere Schwellwert S1 mit abgesenkt werden. Allerdings wird die alterungsbedingte Abnahme der Sendeleistung bei gepulstem Betrieb der Sendediode so stark verzögert, dass diese alterungsbedingte Leistungsabnahme zumindest bei gepulstem Betrieb im Vergleich zu den anderen Störeinflüssen etwas in den Hintergrund tritt.
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Als weiterer Störeinfluss soll im Folgenden anhand von 7C der Einfluss von Fremdlicht auf das detektierte Empfangssignal diskutiert werden. Hierzu sind sowohl das ohne Fremdlichteinfluss detektierte Signal 722 sowie das unter Fremdlichteinfluss detektierte Signal 723 für zwei aufeinanderfolgende Taktperioden 724, 725 aufgetragen. Während der ersten Taktperiode 724 berührt der Benutzer die optische Taste, während der darauffolgenden zweiten Taktperiode 725 berührt der Benutzer die optische Taste nicht. Die erste Taktperiode 724 umfasst ein Referenzintervall 726 sowie ein Messintervall 727, und die zweite Taktperiode 725 umfasst ein Referenzintervall 728 und ein Messintervall 729.
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Wenn nun Fremdlicht durch die Bedienplatte hindurch zur Empfangseinheit gelangt, dann werden sämtliche von der Empfangseinheit detektierten Signalpegel angehoben, wie dies in 7C durch die Pfeile 730 dargestellt ist. Bei dem Fremdlicht kann es sich beispielsweise um die Infrarotanteile der Sonneneinstrahlung, von Glühlampen oder von Halogenlampen handeln. Infolge des Fremdlichteinflusses wird das ohne Fremdlichteinfluss detektierte Signal 722 zu dem unter Fremdlichteinfluss detektierten Signal 723 hin verschoben. Während des Messintervalls 727, während dem die Bedienplatte berührt wird, wird ein erhöhter Messsignalpegel gemessen. Während des Messintervalls 728, während dem die Bedienplatte nicht berührt wird, wird ebenfalls ein erhöhter Messsignalpegel detektiert. Auch während der Referenzintervalle 726, 728 wird ein erhöhter Referenzsignalpegel detektiert.
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Im Unterschied zu dem in 7A gezeigten Störeinfluss durch Verschmutzung, Vereisung und Beschlagen ist bei Fremdlicht auch der Referenzsignalpegel erhöht. Durch Verfolgen der während der Referenzintervalle 726, 728 erfassten Referenzsignalpegel ist es daher möglich, zwischen der in 7A gezeigten Verschmutzung, Vereisung oder Beschlagen und dem in 7C gezeigten Fremdlichteinfluss zu unterscheiden.
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Infolge des Fremdlichteinflusses überschreitet das detektierte Empfangssignal 723 sowohl während der Messintervalle 727, 729 als auch während der Referenzintervalle 726, 728 den unteren Schwellwert S1. Bei sehr starkem Fremdlichteinfall kann zusätzlich auch der obere Schwellwert S2 überschritten werden.
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Diesen Effekten kann zumindest teilweise dadurch entgegengewirkt werden, dass der untere Grenzwert S1 erhöht wird, um dem erhöhten Fremdlichtanteil Rechnung zu tragen. Die Erhöhung von S1 kann solange fortgesetzt werden, solange noch ein hinreichend großer Signalhub und eine zuverlässige Detektion möglich ist. Optional kann zusätzlich auch der obere Schwellwert S2 erhöht werden.
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Zusätzlich oder alternativ zum Anheben der Schwellwerte kann die optische Taste bei zu hohem Fremdlichteinfall auch verriegelt werden, bis die Betriebsbedingungen wieder einen fehlerfreien Betrieb ermöglichen. Eine Verriegelung kann beispielsweise dann veranlasst werden, wenn der Referenzsignalpegel permanent den unteren Schwellwert S1 überschreitet. In diesem Fall ist klar, dass ein externer Störeinfluss vorliegt. In diesem Fall wird die optische Taste so lange verriegelt, bis der untere Schwellwert S1 wieder für eine vorgegebene Zeitspanne, beispielsweise 5 s, unterschritten wird. Die optische Taste wird also erst dann wieder entriegelt, wenn der störende Fremdlichteinfluss identifiziert und beseitigt ist.
