-
Die Erfindung betrifft ein Sensorsystem mit mehreren kapazitiven Sensorelementen zur Auslösung einer Schaltfunktion durch eine Fingerberührung, und mit einer Vorrichtung zur Erfassung der Kapazitätswerte der kapazitiven Sensorelemente, wobei die Vorrichtung durch einen Mikrocontroller gesteuert wird.
-
Sensorsysteme mit kapazitiven Sensorelementen zur Auslösung von Schaltfunktionen haben in vielen Geräten mechanische Schaltelemente ersetzt. Solche Sensorsysteme werden insbesondere auch in Geräten verwendet, die durch einen elektrischen Energiespeicher (Batterie, Akkumulator) mit elektrischer Energie versorgt werden. Solche Geräte weisen oftmals keine die Stromversorgung abtrennenden Ein- und Ausschalter auf, sondern können bei Nichtbenutzung in einen Ruhezustand versetzt werden, um den Energiespeicher zu schonen.
-
Dabei muss das Sensorsystem aber selbst zumindest so weit in Betrieb gehalten werden, dass ein Wiedereinschalten des Geräts über ein Sensorelement möglich ist. Bei Sensorsystemen, die einen Mikrocontroller aufweisen, wird dieser daher in einen besonders stromsparenden Betriebszustand gebracht (Bereitschaftsbetrieb, der beispielsweise auch als sleep-mode oder standby bezeichnet wird).
-
Der Begriff „Bereitschaftsbetrieb“ beschreibt im Allgemeinen den Zustand eines technischen Gerätes, in dem die eigentliche Nutzfunktion temporär deaktiviert ist. Um aus dem Bereitschaftsbetrieb heraus die Funktionsfähig des Sensorsystems wiederherzustellen, ist eine Aktivierung erforderlich, die bei Mikrocontrollern analog zu dem Begriff „sleep-mode“ auch als Aufwecken bezeichnet wird, und das durch ein dem Mikrocontroller zugeführtes elektrisches Signal ausgelöst werden kann.
-
Hierbei ergeben sich zwei Probleme. Zum einen erfordert das Aufwecken eines Prozessors hierzu speziell vorgesehene Bauelemente, die einen Kostenaufwand und einen Platzbedarf erfordern. Zum anderen muss für zeitkritische Anwendungen sichergestellt sein, dass das Sensorsystem nach dem Aufwecken ausreichend schnell seine Nutzfunktion aufnimmt.
-
Aus der deutschen Patentschrift
DE 10 2008 063 782 B4 ein sensorbasierter Schalter mit einer Positionserfassungssensorik zur Erfassung der Position eines Betätigungselements bekannt. Die Positionserfassungssensorik wird nur dann von einer Aktivierungsschaltung über einen steuerbaren Schalter aktiv geschaltet, wenn die Aktivierungsschaltung eine Bewegung des Betätigungselements erkennt. Da die Aktivierungsschaltung mit einem sehr geringen Tastgrad von etwa 0,1 % eingeschaltet wird, ist ihr Energiebedarf verhältnismäßig gering. Die Positionserfassungssensorik kann dabei speziell durch einen Mikrocontroller eingeschaltet werden, der zuvor durch die Aktivierungsschaltung aus einem stromsparenden Betrieb geweckt wurde.
-
Die deutsche Patentschrift
DE 10 2012 017 780 B4 offenbart eine stromsparende Mikrocontrollereinheit, die sowohl einen Standby-Mikrocontroller, der für einen niedrigen Stromverbrauch optimiert ist, als auch einen Hauptmikrocontroller, der für eine hohe Leistung optimiert ist, aufweist. Eine Stromversorgung ist mit dem Hauptmikrocontroller und dem Standby-Mikrocontroller gekoppelt. Die Stromversorgung liefert Strom an den Standby-Mikrocontroller und/oder den Hauptmikrocontroller über separate Stromversorgungspfade, und zwar je nachdem, wie dies das System benötigt. Die separaten Stromversorgungspfade erlauben es, dass der Hauptmikrocontroller und der Standby-Mikrocontroller unabhängig voneinander betrieben werden können. Während eines stromsparenden Standby-Betriebsmodus kann der Strom zu dem Hauptmikrocontroller abgeschaltet sein, während Strom zu dem Standby-Mikrocontroller geliefert wird, wodurch der Leckstrom eliminiert wird, der mit der großen Anzahl an Transistoren in dem Hauptmikrocontroller assoziiert ist, während die Funktionen des Standby-Mikrocontrollers immer noch aufrecht erhalten werden.
-
Sowohl eine Aktivierungsschaltung als auch ein Standby-Mikrocontroller verursachen durch die enthaltenen Bauteile einen Kostenaufwand und einen Bauraumbedarf.
-
Ein besonderes Problem bei einem kapazitiven Sensorsystem besteht darin, dass der Zustand von kapazitiven Sensorelementen nach einem Standby-Betrieb durch Umwelteinflüsse verändert sein kann. Nach dem Aufwecken eines Mikrocontrollers ist daher ein Initialisierungsvorgang üblich, der eine gewisse Zeit in Anspruch nimmt. Daher bewirkt dieser oftmals, dass die erste Berührung eines kapazitiven Sensorelements nach einem Bereitschaftsbetrieb nicht erfasst wird und das Sensorsystem erst auf eine zweite Berührung des Sensorelements reagiert. Für den Benutzer ist dieses unkomfortabel und weckt zudem Zweifel an der Funktionszuverlässigkeit des Sensorsystems.
-
Es stellte sich daher die Aufgabe, ein Sensorsystem zu schaffen, welches die vorgenannten nachteiligen Eigenschaften nicht aufweist.
-
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die kennzeichnenden Merkmale des Anspruchs 1 gelöst.
-
Das hier vorgeschlagene Sensorsystem ermöglicht eine ausreichend schnelle Reaktion aus einem Stromsparmodus heraus, der eine sichere Erkennung bereits einer ersten Berührung eines Sensorelements ermöglicht.
-
Das erfindungsgemäße Sensorsystem sieht die Verwendung eines Mikrocontrollers vor, der einen langsam getakteten Stromsparmodus mit geringerer Leistungsaufnahme aufweist. Langsame Taktung bedeutet hierbei, dass der Mikrocontroller mit einer gegenüber dem Normalbetrieb deutlich, um zwischen ein bis vier Größenordnungen reduzierten Taktfrequenz betrieben wird. Hierdurch sind die Schaltgeschwindigkeiten des Mikrocontrollers entsprechend gering, wodurch dieser einerseits eine stark reduzierten Verarbeitungsgeschwindigkeit und Rechenleistung, andererseits aber auch einen sehr geringen Stromverbrauch aufweist.
-
Vorteilhaft ist dabei, dass der Mikrocontroller in, wenn auch einem sehr langsamen, Betrieb bleibt, und daher ohne einen Initialisierungsvorgang und damit recht schnell in den schnell getakteten Normalbetriebszustand übergehen kann.
-
Allerdings ist die Erfassungsgenauigkeit im Stromsparmodus durch die geringere Verarbeitungsgeschwindigkeit des Mikrocontrollers geringer, so dass die Berührungserkennung weniger zuverlässig ist und ein erfasstes Ereignis nur als ein Indiz einer erfolgten Fingerberührung gelten kann.
-
Daher ist im Fall einer potentiell erkannten Fingerberührung vorgesehen, dass der Mikrocontroller in den Normalbetriebsmodus übergeht, um eine zweite Erfassung der Fingerberührung mit einer höheren Genauigkeit durchzuführen. Der Übergang vom Stromsparmodus zum Normalbetriebsmodus erfordert keine Initialisierung des Mikrocontrollers und ist daher ausreichend schnell, dass die Berührungsbestätigung noch innerhalb einer geforderten Reaktionszeit erfolgt.
-
Zur Erreichung einer hohen Erfassungsgenauigkeit ist erfindungsgemäß zudem vorgesehen, dass das Sensorsystem, welches mehrere Sensorelemente, beispielsweise in Form eines Sensorarrays aufweist, nach dem Erfassen einer potentiellen Fingerberührung und nach erfolgtem Übergang des Mikrocontrollers in den Normalbetriebsmodus, eine Selbstkalibrierung durch eine statistische Auswertung der aktuellen Kapazitätswerte mehrerer oder aller Sensorelemente durchführt. Hierzu werden als Vergleichswerte Sensordaten verwendet, die vor der zuletzt erfolgten Einleitung des Stromsparmodus gespeichert wurden.
-
Vorteilhaft dabei ist es, wenn bei der statistischen Auswertung die Kapazitätswerte von Sensoren, die keinem oder nur geringem Berührungseinfluss ausgesetzt waren, stärker gewichtet werden.
-
Vorteilhaft ist auch, wenn die Sensorelemente des Sensorarrays alle identisch ausgeführt sind oder zumindest ein identisches Temperaturverhalten aufweisen.
-
Im Folgenden soll die Erfindung anhand der Zeichnung dargestellt und näher erläutert werden. Es zeigen
- 1 einen Ablaufplan,
- 2 die schematische Darstellung eines kapazitiven Sensorfelds, und
- 3 eine Detaillierung des Verfahrensschritts „Selbstkalibrierung“.
-
Das erfindungsgemäße Sensorsystem sieht speziell einen Mikrocontroller vor, der mindestens einen schneller getakteten Normalbetriebsmodus und einen langsamen getakteten Stromsparmodus mit geringerer Leistungsaufnahme aufweist. Ein solcher Mikrocontroller ermöglicht einen sehr stromsparenden Betrieb, wenn gerade keine Betätigung eines Sensorelements erfolgt, kann aber sehr schnell aus dem Stromsparmodus in den Normalbetriebsmodus überführt werden, da keine Reinitialisierung aus einem Schlafmodus (sleep-mode) erfolgen muss.
-
Die vorgesehene Ausgestaltung einer Sensoranordnung ist in der 2 dargestellt. Der Sensor besteht hier beispielhaft aus einem ganzen Feld von Einzelsensoren, welches eine ortsauflösende Erfassung von Betätigungen ermöglicht. Das in der 2 dargestellte Sensorfeld SF (Sensorarray) besteht speziell aus in m Zeilen und n Spalten matrixartig angeordneten Sensorelementen mit Kapazitätswerten C11 bis Cmn .
-
Die ortsauflösende Erfassung von Berührungen des Sensorfelds SF erfolgt durch Bestimmung der Kapazitätswerte aller Sensorelemente S. Daher sollten die Sensorelemente S vor einer Berührung jeweils in einem bekannten Zustand sein, also etwa alle eine definierte und möglichst gleichgroße Ladung aufweisen. Dieses kann bei der Inbetriebnahme des Sensorsystems durch einen Initialisierungsvorgang erreicht werden.
-
Problematisch ist, dass der Initialisierungsvorgang eine gewisse Zeit in Anspruch nimmt und daher nicht geeignet ist, bei einer Berührungserkennung nach dem Umschalten in den Normalbetriebsmodus eines Mikrocontrollers ausgeführt zu werden, jedenfalls nicht ohne den eingangs erwähnten Nachteil in Kauf zu nehmen, dass dann eine erste Berührung eines Sensorelements nach dem Umschalten nicht erfasst wird.
-
Es ist auch nicht ausreichend, eine Initialisierung der Sensorelemente S vor dem Übergang des Mikrocontrollers in den Stromsparmodus vorzunehmen. Dauert der Stromsparmodus nämlich für eine längere Zeit an, so verändert sich der Ladungszustand der Sensorelemente S des Sensorfelds SF durch Umwelteinflüsse auf nicht vorhersagbare Weise, so dass der Zustand der Sensorelemente S nach einem Umschalten des Mikrocontrollers in den Normalbetriebsmodus nicht ausreichend gut definiert ist.
-
Ein Sensorsystem mit einem Sensorfeld SF kapazitiver Sensorelemente S wird daher nach einem Verfahren betrieben, welches in der 1 anhand eines Flussdiagramms dargestellt wird, welches den Ablauf der Berührungserkennung und die Umschaltung des Mikrocontrollers zwischen dem Stromsparmodus und dem Normalbetriebsmodus verdeutlicht.
-
Der in der 1 dargestellte Ablaufplan geht von einem Mikrocontroller aus, der sich im Stromsparmodus befindet und daher mit einer langsamen Taktung betrieben wird. Im Stromsparmodus kann bereits die Berührung eines Sensorelements, allerdings mit einer vergleichsweise geringen Zuverlässigkeit, erfasst werden. Wird eine potentielle Berührung erkannt, so geht der Mikrocontroller in den schnell getakteten Normalbetriebsmodus über.
-
Mit dem Übergang des Mikrocontrollers in den Normalbetriebsmodus wird eine Zeitvariable T initialisiert. Nach einem Übergang des Mikrocontrollers vom Stromsparmodus in den Normalbetriebsmodus führt das Sensorsystem eine Selbstkalibrierung aus.
-
Der Verfahrensschritt Selbstkalibrierung ist in der 3 weiter ausgeführt. Die Selbstkalibrierung sieht vor, für alle Sensorelemente S die aktuellen Sensordaten zu erfassen und diese mit den abgespeicherten Sensordaten zu vergleichen. Durch eine einfache Statistik, welche etwa Mittelwerte, Kleinstwerte oder Medianwerte verwenden kann, werden Korrekturwerte bestimmt, die zu den aktuellen Sensordaten addiert werden.
-
Dabei können Sensorelemente S verschiedener Bereiche des Sensorfelds SF jeweils zusammengefasst werden oder auch unterschiedlich gewichtet werden.
-
Nach der Selbstkalibrierung können Berührungen mit hoher Zuverlässigkeit erfasst werden.
-
In einer Ablaufschleife prüft der Mikrocontroller nun wiederholt, ob eine Berührung des Sensorelements erkannt wurde. Ist dieses der Fall, so wird die durch das Sensorelement ausgewählte Funktion ausgeführt. Falls nicht wird die Zeitvariable T um ein Inkrement t erhöht. Die Ablaufschleife zur Erkennung einer Berührungserfassung wird dann solange ausgeführt, bis entweder eine Berührung erfasst wird oder die Zeitvariable T einen vorgegebenen Schwellenwert Tmax überschreitet. Ist der Schwellenwert Tmax überschritten, schaltet der Mikrocontroller in den Stromsparmodus zurück.
-
Ein wesentlicher Verfahrensschritt besteht darin, dass der Mikrocontroller vor dem Übergang in den Stromsparmodus die Daten aller Sensorelemente S abspeichert, also auf einen nichtflüchtigen oder im Stromsparmodus in Betrieb gehaltenen Speicher oder Datenträger schreibt.
-
Diese Daten werden beim nächsten Übergang des Mikrocontrollers vom Stromsparmodus in den Normalbetriebsmodus als Vergleichsdatensatz zu den aktuellen Sensordaten herangezogen.
-
Vorteilhaft ist, dass eine derartige Selbstkalibrierung der Sensorelemente wesentlich schneller ausführbar ist, als eine vollständige Initialisierung des Sensorfelds SF. Bei einer vollständigen Initialisierung wäre eine Funktionsaktivierung aus der Stromsparmodus bei der ersten Betätigung nicht möglich, so dass der Sensor ein weiteres Mal betätigt werden müsste. Insbesondere würde bei einer Neuinitialisierung eine anliegende Berührung nicht erkannt, da die erfassten Sensordaten als Startwerte angesehen werden.
-
Bezugszeichenliste
-
- C11 bis Cmn
- Kapazitätswerte
- S
- kapazitive Sensorelemente
- SF
- Sensorfeld
- T
- Zeitvariable
- t
- Inkrement
- Tmax
- Schwellenwert
-
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
-
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
-
Zitierte Patentliteratur
-
- DE 102008063782 B4 [0006]
- DE 102012017780 B4 [0007]
