DE112020001835T5

DE112020001835T5 - Mehrkanal-Kapazitäts-Abtastmessschaltung

Info

Publication number: DE112020001835T5
Application number: DE112020001835.0T
Authority: DE
Inventors: Bernd Farsch; Attila Konfar; Christian Urig; Christoph Wendt; Laurent Lamesch
Original assignee: IEE International Electronics and Engineering SA
Current assignee: IEE International Electronics and Engineering SA
Priority date: 2019-04-10
Filing date: 2020-04-07
Publication date: 2022-01-13
Also published as: CN113711064A; CN113711064B; US20220155355A1; WO2020207989A1

Abstract

Eine Kapazitäts-Messschaltung (12) zum Bestimmen von komplexen elektrischen Strömen in einer kapazitiven Mehrkanal-Abtastvorrichtung (10) umfasst eine erste Abtastschaltung (18) zum selektiven Verbinden einer von mehreren Abtastelektroden mit einem gemeinsamen Abtastknoten (14) und zum Verbinden einer entsprechenden Schutzelektrode der Abtastelektrode mit einem gemeinsamen Schutzknoten (16), und mindestens eine zweite Abtastschaltung (26). Eine Messsignalspannungsquelle (42) stellt auf fernsteuerbare Weise eine Messwechselspannung für den gemeinsamen Schutzknoten (16) bereit. Eine Diagnosesignalspannungsquelle (46) stellt auf fernsteuerbare Weise eine Diagnosewechselspannung für den gemeinsamen Schutzknoten (16) bereit. Eine Strommessschaltung (52) ist mit einem Signaleingangsanschluss (56) mit dem gemeinsamen Abtastknoten (14) und mit einem Referenzeingangsanschluss (58) mit dem Ausgangsanschluss (44) der Messsignalspannungsquelle (42) verbunden.

Description

Technisches Gebiet
Die Erfindung betrifft eine Mehrkanal-Kapazitäts-Abtastmessschaltung zum Bestimmen von komplexen elektrischen Strömen in einer kapazitiven Mehrkanal-Sensorvorrichtung mit mehreren kapazitiven Schutz-AbtastSensoren, die im Lademodus betrieben werden sollen, eine kapazitive Mehrkanal-Sensorvorrichtung mit einer solchen Messschaltung und ein Verfahren zum Betreiben einer solchen kapazitiven Mehrkanal-Abtastvorrichtung zur Diagnose von Abtastelektroden, die mit entsprechenden Schutzelektroden gepaart sind.
Hintergrund der Erfindung
Kapazitive Sensoren und kapazitive Mess- und/oder Erkennungsvorrichtungen, bei denen kapazitive Sensoren eingesetzt werden, haben einen weiten Anwendungsbereich und werden unter anderem für die Erkennung des Vorhandenseins und/oder der Position eines leitfähigen Körpers oder Körperabschnitts in der Nähe einer Antennenelektrode verwendet. Wie er hier verwendet wird, bezeichnet der Begriff „kapazitiver Sensor“ einen Sensor, der ein Signal erzeugt, das auf den Einfluss des Abgetasteten (einer Person, eines Körperteils einer Person, eines Haustiers, eines Gegenstands usw.) auf ein elektrisches Feld reagiert. Ein kapazitiver Sensor umfasst im Allgemeinen mindestens eine Antennenelektrode, an die ein oszillierendes elektrisches Signal angelegt wird und die daraufhin ein elektrisches Feld in einen Raumbereich nahe der Antennenelektrode ausgibt, während der Sensor in Betrieb ist. Der Sensor umfasst mindestens eine Abtastelektrode, die zu Emissionsantennenelektroden identisch oder dazu verschieden sein kann, an der der Einfluss eines Gegenstands oder eines Lebewesens auf das elektrische Feld erkannt wird.
Auf dem Gebiet der Sensoranwendung in Kraftfahrzeugen ist es bekannt, kapazitive Sensoren zum Bereitstellen einer Eingabe in automatische Fahrerassistenzsysteme (Automatic Driver Assistance Systems - ADAS), zum Beispiel für den Zweck eines Sitzgurterinnerungssystems (Seat Belt Reminder - SBR) oder einer Aktivierungssteuerung für ein zusätzliches Rückhaltesystem (Auxiliary Restraint System - ARS), einzusetzen. Abgetastete Signale können als Grundlage für Entscheidungen durch ein ADAS dienen, zum Beispiel für eine Entscheidung, ein Airbagsystem an einem speziellen Fahrzeugsitz einzusetzen oder nicht.
Es wurde eine reiche Vielfalt von kapazitiven Insassenabtastsystemen vorgeschlagen, z. B. zur Steuerung des Entfaltens von einem oder mehreren Airbags, wie z. B. eines Fahrerairbags, eines Beifahrerairbags und/oder eines Seitenairbags. Die US 6,161,070 von Jinno et al. betrifft ein Beifahrererkennungssystem, das eine einzelne Antennenelektrode aufweist, die auf einer Oberfläche eines Beifahrersitzes in einem Kraftfahrzeug montiert ist. Ein Oszillator legt an die Antennenelektrode ein oszillierendes Spannungssignal an, wodurch ein winziges elektrisches Feld um die Antennenelektrode erzeugt wird. Jinno schlägt das Erkennen der Anwesenheit oder Abwesenheit eines Beifahrers auf dem Sitz basierend auf der Amplitude und der Phase des zur Antennenelektrode fließenden Stroms vor.
Ein weiteres Beispiel für die Verwendung von kapazitiven Sensoren in einer Kraftfahrzeuganwendung ist das sogenannte Hands Off Detection System (HoD-System, zur Erkennung, dass keine Handberührung vorliegt), bei dem einer oder mehrere Sensoren Informationen darüber bereitstellen, ob ein Fahrer seine Hände auf einem Lenkrad eines Fahrzeugs platziert hat oder nicht. Diese Informationen können an ein ADAS, wie eine automatische Distanzregelung (Adaptive Cruise Control, ACC), übertragen werden, das, basierend auf dem bereitgestellten Sensorsignal, den Fahrer warnen und ihn daran erinnern kann, wieder die Kontrolle über das Lenkrad zu übernehmen. Insbesondere können solche HoD-Systeme als Unterstützung verwendet werden, um eine Anforderung der Wiener Konvention zu erfüllen, dass der Fahrer jederzeit die Kontrolle über sein Fahrzeug behalten muss. HoD-Systeme können auch in einem Parkassistenzsystem oder einem ADAS eingesetzt werden, das dafür ausgelegt ist, eine Fahreraktivität bei hoher Geschwindigkeit auszuwerten.
In einigen kapazitiven (sogenannten „Lademodus-“) Sensoren dient die mindestens eine Antennenelektrode gleichzeitig als Abtastelektrode. In diesem Fall bestimmt eine Messschaltung einen in die mindestens eine Antennenelektrode fließenden Strom in Abhängigkeit von einer an diese angelegten oszillierenden Spannung. Die Beziehung zwischen Spannung und Strom ergibt die komplexe Impedanz zwischen der mindestens einen Antennenelektrode und dem Erdpotential. In einer Variante von kapazitiven Sensoren (kapazitive „Kopplungsmodus-“Sensoren) sind die Sendeantennenelektrode(n) und die Abtastelektrode(n) voneinander getrennt. In diesem Fall bestimmt die Messschaltung einen Strom oder eine Spannung, der/die in der Abtastelektrode induziert wird, wenn mindestens eine Sendeantennenelektrode betrieben wird.
Verschiedene kapazitive Abtastmechanismen werden zum Beispiel in dem technischen Dokument mit dem Titel „Electric Field Sensing for Graphical Interfaces“ von J. R. Smith et al., veröffentlicht in IEEE Computer Graphics and Applications, 18(3): 54-60, 1998 erläutert, das hier durch Bezugnahme in seiner Gesamtheit mit Wirkung für die Rechtsprechungen, die eine Aufnahme durch Bezugnahme erlauben, aufgenommen sein soll.
Das Dokument beschreibt das Konzept des Abfühlens eines elektrischen Felds, wie es verwendet wird, um berührungslose dreidimensionale Positionsmessungen vorzunehmen, und insbesondere um die Position einer menschlichen Hand zum Zwecke der Eingabe von dreidimensionalen Positionen in einen Computer abzutasten. Innerhalb des allgemeinen Konzepts des kapazitiven Abtastens unterscheidet der Autor zwischen distinkten Mechanismen, die er als „Lademodus“, „Parallelmodus“ und „Sendemodus“ bezeichnet, die verschiedenen möglichen Wegen für den elektrischen Strom entsprechen. Im „Lademodus“ wird ein oszillierendes Spannungssignal an eine Sendeelektrode angelegt, die ein oszillierendes elektrisches Feld gegen Erde aufbaut. Der abzutastende Gegenstand modifiziert die Kapazität zwischen der Sendeelektrode und Erde. Im „Parallelmodus“, der alternativ auch als „Kopplungsmodus“ bezeichnet wird, wird ein oszillierendes Spannungssignal an die Sendeelektrode angelegt, wobei ein elektrisches Feld an einer Empfangselektrode aufgebaut wird, und der an der Empfangselektrode induzierte Verschiebungsstrom wird gemessen. Der gemessene Verschiebungsstrom hängt von dem abgetasteten Körper ab. Im „Sendemodus“ wird die Sendeelektrode mit dem Körper des Benutzers in Kontakt gebracht, der dann ein Sender relativ zu einem Empfänger wird, und zwar entweder durch direkte elektrische Verbindung oder über eine kapazitive Kopplung.
Die kapazitive Kopplungsstärke kann zum Beispiel bestimmt werden, indem ein Wechselspannungssignal an eine Antennenelektrode angelegt und der von dieser Antennenelektrode entweder gegen Erde (im Lademodus) oder in eine zweite Antennenelektrode (im Kopplungsmodus) fließende Strom gemessen wird. Dieser Strom kann durch einen Transimpedanzverstärker (Transimpedance Amplifier - TIA) gemessen werden, der mit der Abtastelektrode verbunden ist und den in die Abtastelektrode fließenden Strom in eine Spannung proportional zu diesem Strom umwandelt.
Einige kapazitive Sensoren sind als kapazitive Abtastsensoren ausschließlich zum Abtasten mit einer einzelnen Abtastelektrode ausgeführt. Auch werden recht häufig kapazitive Sensoren verwendet, die eine Abtastelektrode und eine sogenannte „Schutzelektrode“ umfassen, die proximal angeordnet und voneinander galvanisch isoliert sind. Diese Technik des „Schutzes“ ist auf dem Fachgebiet allgemein bekannt und wird häufig zum bewussten Maskieren und somit Formen eines Empfindlichkeitszustands eines kapazitiven Sensors verwendet. Hierfür wird die Schutzelektrode auf dem gleichen elektrischen Wechselstrompotential gehalten wie die Abtastelektrode. Infolgedessen ist ein Raum zwischen der Abtastelektrode und der Schutzelektrode frei von einem elektrischen Feld, und der kapazitive Schutz-Abtast-Sensor ist in einer Richtung zwischen der Abtastelektrode und der Schutzelektrode unempfindlich.
Zum Beispiel beschreibt das Patentdokument US 8,354,936 B2 einen kapazitiven Beifahrerdetektor für ein Fahrzeug. Der kapazitive Beifahrerdetektor umfasst eine Hauptelektrode, eine Nebenelektrode und eine Schutzelektrode. Die Hauptelektrode und die Nebenelektrode sind voneinander getrennt und in einem Sitz eines Fahrzeugs angeordnet. Die Schutzelektrode ist zwischen der Hauptelektrode und einer Karosserie des Fahrzeugs angeordnet und von der Hauptelektrode getrennt. Eine empfindliche charakteristische Messeinheit ist dafür ausgelegt, ein Wechselspannungssignal selektiv oder komplett an die Hauptelektrode, die Nebenelektrode und die Schutzelektrode anzulegen und einen Strom, der in der Hauptelektrode, der Nebenelektrode bzw. der Schutzelektrode erzeugt wird, in eine Spannung umzuwandeln. Der kapazitive Beifahrerdetektor umfasst ferner einen Controller, der einen Strom, der durch die Schutzelektrode fließt, als Referenzstrom definiert, wenn eine Spannung der Hauptelektrode und eine Spannung der Schutzelektrode das gleiche Potential haben. Der Controller definiert eine Stromfließrichtung des durch die Schutzelektrode fließenden Stroms als negative Richtung, wenn die Spannung der Hauptelektrode höher als die Spannung der Schutzelektrode ist. Der Controller definiert die Stromfließrichtung des durch die Schutzelektrode fließenden Stroms als positive Richtung, wenn die Spannung der Hauptelektrode niedriger als die Spannung der Schutzelektrode ist. Der Controller korrigiert die Spannung der Hauptelektrode basierend auf dem durch die Schutzelektrode fließenden Strom derart, dass eine korrigierte Spannung der Hauptelektrode als Beifahrerbestimmungsdaten eingestellt wird. Auch wenn eine Potentialdifferenz zwischen der Hauptelektrode und der Schutzelektrode erzeugt wird, erkennt der Controller die Kapazität des Beifahrers korrekt.
Kapazitive Abtastsysteme, die bei der Steuerung von Airbagsystemen oder anderen sicherheitsbezogenen Anwendungen verwendet werden, können als sicherheitsrelevante Systemkomponenten betrachtet werden. Es kann somit notwendig sein, die gute Funktionsfähigkeit der verschiedenen Komponenten des Sensors (Abtastelektrode und/oder Schutzelektrode) zu überwachen, um eine falsche Ablesung durch das kapazitive Belegungs- oder Näherungserkennungssystem auszuschließen.
Insbesondere bei HoD-Systemen (Systemen zur Erkennung, dass keine Handberührung vorliegt) wird oft eine Schutzelektrode eingesetzt, um eine oder mehrere Abtastelektroden von Innenteilen eines Fahrzeuglenkrads abzuschirmen. Jegliche Beschädigung einer elektrischen Verbindung der Schutzelektrode zu einer Signalverarbeitungsschaltung eines kapazitiven Sensorsystems kann die Zuverlässigkeit von Messergebnissen des kapazitiven Sensors gefährden.
Es ist im Stand der Technik vorgeschlagen worden, kapazitive Messschaltungen mit Diagnosemitteln zu versehen, um eine Unterbrechung des kapazitiven Sensors, insbesondere eine Unterbrechung einer Schutzelektrode, zu erkennen.
Zum Beispiel beschreibt die internationale Anmeldung WO 2017/129552 A1 eine Kapazitätsmessschaltung zum Bestimmen eines Abtaststroms eines kapazitiven Sensors mit einer Abtastelektrode und einer Schutzelektrode. Die Kapazitätsmessschaltung umfasst eine periodische Signalspannungsquelle, eine Abtaststrommessschaltung, die zum Bestimmen des Abtaststroms mit Bezug auf eine Referenzspannung konfiguriert ist, und mindestens ein fernsteuerbares Schaltelement. Die Konfiguration ist derart, dass im ersten Schaltzustand das mindestens eine Schaltelement die Abtaststrommessschaltung mit der periodischen Messspannung verbindet, um eine erste Referenzspannung bereitzustellen, und im zweiten Schaltzustand das mindestens eine Schaltelement die Abtaststrommessschaltung elektrisch mit einer zweiten Referenzspannung verbindet, die von der ersten Referenzspannung verschieden ist. Durch bewusste Änderung der Referenzspannung, die verwendet wird, um den Abtaststrom zu bestimmen, indem die Abtaststrommessschaltung mit der zweiten Referenzspannung verbunden wird, die von der ersten Bezugsspannung verschieden ist, kann ein Signal von der Abtaststrommessschaltung erzeugt werden, das eine elektrische Unterbrechung anzeigen kann, wobei die Unterbrechung jede Unterbrechung von elektrischen Verbindungen zwischen den jeweiligen Abtast- und Schutz-Verkabelungs- und Verbindungselementen einschließen kann.
Aufgabe der Erfindung
Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine Kapazitäts-Abtastmessschaltung einer kapazitiven Abtastvorrichtung zur Verfügung zu stellen, die die Diagnose der Unversehrtheit von kapazitiven Abtast-Schutz-Sensoren der kapazitiven Abtastvorrichtung erleichtert und möglichst wenig zusätzlichen Hardwareaufwand erfordert. Die Kapazitäts-Abtastmessschaltung soll insbesondere zur Verwendung in Kraftfahrzeuganwendungen und insbesondere für kapazitive Mehrkanal-Abtastvorrichtungen geeignet sein.
Allgemeine Beschreibung der Erfindung
Gemäß einem Aspekt der vorliegenden Erfindung wird die Aufgabe durch eine Kapazitäts-Messschaltung zum Bestimmen von komplexen elektrischen Strömen in einer kapazitiven Mehrkanal-Abtastvorrichtung, die mehrere elektrisch leitende Abtastelektroden aufweist, gelöst. Jede Abtastelektrode ist mit mindestens einer entsprechenden elektrisch leitenden Schutzelektrode gepaart. Es sei angemerkt, dass die mindestens eine entsprechende elektrisch leitende Schutzelektrode eine dedizierte Schutzelektrode für die Abtastelektrode oder eine gemeinsame Schutzelektrode für mehrere Abtastelektroden sein kann.
Die Kapazitäts-Messschaltung umfasst eine erste Abtastschaltung, mindestens eine zweite Abtastschaltung, eine Messsignalspannungsquelle, eine Diagnosesignalspannungsquelle und eine Strommessschaltung.
Die erste Abtastschaltung dient zum selektiven elektrischen Verbinden einer der Abtastelektroden mit einem gemeinsamen Abtastknoten und zum elektrischen Verbinden der entsprechenden Schutzelektrode der Abtastelektrode mit einem gemeinsamen Schutzknoten.
Die mindestens zweite Abtastschaltung dient zum selektiven elektrischen Verbinden einer weiteren der Abtastelektroden mit dem gemeinsamen Abtastknoten und zum elektrischen Verbinden der entsprechenden Schutzelektrode der Abtastelektrode mit dem gemeinsamen Schutzknoten.
Die Messsignalspannungsquelle ist dafür ausgelegt, auf fernsteuerbare Weise an einem Ausgangsanschluss eine Messwechselspannung für den gemeinsamen Schutzknoten bereitzustellen.
Die Diagnosesignalspannungsquelle ist dafür ausgelegt, auf fernsteuerbare Weise an einem Ausgangsanschluss eine Diagnosewechselspannung für den gemeinsamen Schutzknoten bereitzustellen.
Die Strommessschaltung weist mindestens einen Messstrom-Spannungs-Wandler auf, der mit seinem Signaleingangsanschluss mit dem gemeinsamen Abtastknoten und mit seinem Referenzeingangsanschluss mit dem Ausgangsanschluss der Signalspannungsquelle verbunden ist.
Der Begriff „dafür ausgelegt sein“, wie er in dieser Anmeldung verwendet wird, versteht sich insbesondere als speziell programmiert, ausgelegt, eingerichtet oder angeordnet.
Es sei hier ferner angemerkt, dass die Begriffe „erste(r/s)“, „zweite(r/s)“ usw. in dieser Anmeldung nur zu Unterscheidungszwecken verwendet werden und in keiner Weise eine Reihenfolge oder eine Priorität anzeigen oder vorwegnehmen sollen.
Zu Diagnosezwecken kann es die vorgeschlagene Kapazitäts-Messschaltung ermöglichen, jede Abtastelektrode selektiv mit einem Eingangsanschluss des mindestens einen Messstrom-Spannungs-Wandlers zu verbinden, während nicht betroffene Abtastelektroden auf dem elektrischen Potential des gemeinsamen Schutzknotens gehalten werden können, um einen systematischen Messfehler gering zu halten. Eine Diagnose kann durch Messen eines komplexen elektrischen Diagnosestroms durch die verbundene Abtastelektrode und die mindestens eine entsprechende Schutzelektrode ausgeführt werden. Die Kapazitäts-Messschaltung gemäß der Erfindung kann die Diagnose der Unversehrtheit von kapazitiven Sensoren einer kapazitiven Mehrkanal-Abtastvorrichtung mit geringem zusätzlichem Hardwareaufwand, insbesondere bezüglich einer Anzahl von Schaltelementen, erleichtern.
Hardwarefehler, wie eine Unterbrechung einer elektrischen Verbindung in einer kapazitiven Mehrkanal-Abtastvorrichtung mit mehreren kapazitiven Sensoren, können nahezu ohne Beeinträchtigung einer funktionellen Verfügbarkeit der kapazitiven Mehrkanal-Abtastvorrichtung zuverlässig erkannt werden.
Jedes Paar von einer Abtastelektrode und mindestens einer entsprechenden elektrisch leitenden Schutzelektrode der kapazitiven Mehrkanal-Abtastvorrichtung kann einen kapazitiven Sensor bilden, der vorzugsweise im Lademodus betrieben werden soll. Wie bereits vorstehend angegeben, kann die mindestens eine entsprechende elektrisch leitende Schutzelektrode eine dedizierte Schutzelektrode für die Abtastelektrode oder eine gemeinsame Schutzelektrode für mehrere oder alle Abtastelektroden sein.
Vorzugsweise ist die mindestens eine Schutzelektrode für eine optimale Abschirmung nahe an der jeweiligen Abtastelektrode angeordnet und galvanisch von dieser getrennt.
Vorzugsweise sind die bereitgestellte Messwechselspannung und die bereitgestellte Diagnosewechselspannung als periodische Spannungskurven zur einfachen Signalerzeugung und -verarbeitung ausgebildet.
In bevorzugten Ausführungsformen weist die Kapazitäts-Messschaltung ferner eine fernsteuerbare Schalteinheit auf, die mehrere funktionsfähig gekoppelte Schaltelemente umfasst. Mindestens eines der Schaltelemente ist, in Reihe geschaltet, in jeder der Abtastschaltungen zum selektiven elektrischen Verbinden der Abtastelektroden mit dem gemeinsamen Abtastknoten eingebaut. Auf diese Weise kann eine wirtschaftliche und zuverlässige Lösung zum selektiven Verbinden der Abtastelektroden mit dem gemeinsamen Abtastknoten bereitgestellt werden.
Vorzugsweise ist die fernsteuerbare Schalteinheit dafür ausgelegt, für jede Abtastelektrode der mehreren elektrisch leitenden Abtastelektroden auf eine Weise, die unter den mehreren elektrisch leitenden Abtastelektroden koordiniert ist, zwischen einem Messschaltzustand und einem Diagnoseschaltzustand der jeweiligen Abtastelektrode periodisch zu schalten.
Auf diese Weise kann eine automatische und aufeinanderfolgende Ausführung von Messphasen und Diagnosephasen ermöglicht werden.
In bevorzugten Ausführungsformen der Kapazitäts-Messschaltung hat mindestens einer von dem Ausgangsanschluss der Messsignalspannungsquelle und dem Ausgangsanschluss der Diagnosesignalspannungsquelle einen fernsteuerbaren Signalausgangspegel. Auf diese Weise kann ein Signalausgangspegel der Messsignalspannungsquelle und/oder ein Signalausgangspegel der Diagnosesignalspannungsquelle auf einen beabsichtigten Ausgangspegel eingestellt werden, der zum weiteren Einsparen von Schaltelementen geeignet ist.
In bevorzugten Ausführungsformen der Kapazitäts-Messschaltung ist eine bekannte komplexe Impedanz oder ein fernsteuerbares Schaltelement zwischen dem Ausgangsanschluss der Diagnosesignalspannungsquelle und dem gemeinsamen Schutzknoten zum Fernsteuern einer Bereitstellung der Diagnosespannung für den gemeinsamen Schutzknoten verbunden. Auf diese Weise kann ein gut definierter Diagnosestrom in eine gepaarte Abtastelektrode und entsprechende Schutzelektrode, die diagnostiziert werden sollen, eingespeist werden.
Vorzugsweise umfasst der mindestens eine Messstrom-Spannungs-Wandler einen Transimpedanzverstärker (TIA). Der TIA ist dafür ausgelegt, einen Strom, der seinem Signaleingangsanschluss bereitgestellt wird, in eine Ausgangsspannung umzuwandeln, die proportional zum bereitgestellten Strom ist. Die Umwandlung wird mit Bezug auf eine Referenzspannung ausgeführt, die einem Referenzeingangsanschluss des TIA bereitgestellt wird. Auf diese Weise kann eine einfache weitere Signalverarbeitung vereinfacht werden.
Es ist ersichtlich, dass die elektrisch leitenden Schutzelektroden, mit denen die Abtastelektroden gepaart sind, dedizierte Schutzelektroden für die Abtastelektroden, d. h. eine separate Schutzelektrode für jede Abtastelektrode, oder eine gemeinsame Schutzelektrode für mehrere Abtastelektroden sein können. In letzterem Fall ist die elektrisch leitende Schutzelektrode von mehreren Abtastelektroden durch eine gemeinsame elektrisch leitende Schutzelektrode gebildet.
In bevorzugten Ausführungsformen der Kapazitäts-Messschaltung umfasst jede der Abtastschaltungen ein fernsteuerbares Schaltelement, das dafür ausgelegt ist, die jeweilige Abtastelektrode und, bei individuellen dedizierten Schutzelektroden für jede Abtastelektrode, die entsprechende Schutzelektrode selektiv elektrisch zu verbinden oder zu trennen. Ein systematischer Messfehler während einer Kapazitätsmessung einer Abtastelektrode, die mit dem gemeinsamen Abtastknoten selektiv elektrisch verbunden ist, kann gering gehalten werden, indem eine geringe Impedanz hergestellt wird, die von dem fernsteuerbaren Schaltelement gebildet ist, parallel zu jeder von denjenigen Abtastelektroden, die mit einer entsprechenden Schutzelektrode oder einer gemeinsamen Schutzelektrode gepaart und nicht mit dem gemeinsamen Abtastknoten selektiv elektrisch verbunden sind.
Die fernsteuerbaren Schaltelemente können einen Teil der fernsteuerbaren Schalteinheit bilden.
Gemäß einem weiteren Aspekt der Erfindung ist eine kapazitive Mehrkanal-Abtastvorrichtung bereitgestellt, die eine Kapazitäts-Messschaltung wie hier offenbart, mehrere elektrisch leitende Abtastelektroden, eine Signalverarbeitungsschaltung und eine elektronische Steuereinheit aufweist.
Jede Abtastelektrode der mehreren elektrisch leitenden Abtastelektroden ist mit mindestens einer entsprechenden elektrisch leitenden Schutzelektrode gepaart. Die mindestens eine entsprechende elektrisch leitende Schutzelektrode kann eine dedizierte Schutzelektrode für die Abtastelektrode oder eine gemeinsame Schutzelektrode für mehrere Abtastelektroden sein. Jede von den Abtastelektroden und deren mindestens einen entsprechenden Schutzelektrode sind mit einer der Abtastschaltungen der Kapazitäts-Messschaltung zum selektiven elektrischen Verbinden der Abtastelektrode mit dem gemeinsamen Abtastknoten und zum elektrischen Verbinden der mindestens einen entsprechenden Schutzelektrode mit dem gemeinsamen Schutzknoten verbunden.
Die Signalverarbeitungsschaltung ist dafür ausgelegt, Ausgangssignale von der Strommessschaltung zu empfangen und weiterzuverarbeiten. Die elektronische Steuereinheit ist mindestens zum automatischen Steuern des Messspannungspegels der Messsignalspannungsquelle, des Diagnosespannungspegels der Diagnosesignalspannungsquelle und der selektiven elektrischen Verbindungen der Abtastschaltungen ausgelegt.
Die im Zusammenhang mit der hier offenbarten Kapazitäts-Messschaltung beschriebenen Vorteile gelten vollumfänglich für die kapazitive Mehrkanal-Abtastvorrichtung.
Vorzugsweise ist die elektronische Steuereinheit von einem Mikrokontroller gebildet, der eine digitale Datenspeichereinheit, eine Prozessoreinheit mit Datenzugriff auf die digitale Datenspeichereinheit und möglicherweise eine Steuerschnittstelle aufweist. Derartige ausgerüstete Mikrokontroller sind heutzutage in vielen Varianten zu wirtschaftlichen Preisen im Handel erhältlich. Auf diese Weise kann ein automatisierter Betrieb der kapazitiven Mehrkanal-Abtastvorrichtung unter Verwendung der hier offenbarten Kapazitäts-Messschaltung ermöglicht werden.
Normalerweise kann der Mikrokontroller eine Mikrokontrollersystemuhr zur genauen Zeitsteuerung während des automatischen Betriebs der kapazitiven Mehrkanal-Abtastvorrichtung aufweisen.
Vorzugsweise ist die Steuerschnittstelle als eine CAN-Schnittstelle (CAN - Controller Area Network) ausgelegt, die den Vorteil hat, dass sie mit bestehenden Kraftfahrzeugstandards kompatibel ist.
Der Begriff „Kraftfahrzeug“, wie er in dieser Patentanmeldung verwendet wird, versteht sich insbesondere als zur Verwendung in Fahrzeugen geeignet, einschließlich Personenwagen, LKWs, Sattelzüge und Busse. Der Begriff „Fahrzeug“, wie er in dieser Anmeldung verwendet wird, soll insbesondere so verstanden werden, dass er Personenkraftwagen, LKWs, Zugeinheiten und Busse umfasst.
In bevorzugten Ausführungsformen der Kapazitäts-Messschaltung bildet die fernsteuerbare Schalteinheit Teil der elektronischen Steuereinheit. Auf diese Weise können kurze elektrische Schaltwege erreicht werden, die für elektromagnetische Störungen weniger anfällig sind.
Vorzugsweise ist die Signalverarbeitungsschaltung oder die elektronische Steuereinheit dafür ausgelegt, ein Ausgangssignal zu erzeugen, das einen Hardwarefehler anzeigt, falls sich die Größe eines bestimmten Diagnosestroms, der durch eine der Abtastelektroden und die entsprechende Schutzelektrode fließt, von einem vorbestimmten Nennwert außerhalb vordefinierter Toleranzgrenzen unterscheidet. Auf diese Weise kann eine schnelle und zuverlässige Erkennung von Hardwarefehlern für weitere Maßnahmen zum Beispiel an höherrangige elektronische Steuereinheiten berichtet werden.
Gemäß noch einem weiteren Aspekt der Erfindung wird ein Verfahren zum Betreiben der hier offenbarten kapazitiven Mehrkanal-Abtastvorrichtung zur Diagnose von Abtastelektroden, die mit entsprechenden Schutzelektroden oder einer gemeinsamen Schutzelektrode gepaart sind, bereitgestellt.
Das Verfahren umfasst mindestens die folgenden Schritte:

- elektrisches Trennen des Ausgangsanschlusses der Messsignalspannungsquelle von dem gemeinsamen Schutzknoten,
- Steuern der Messsignalspannungsquelle, um einen Messspannungspegel auf null einzustellen,
- Steuern der Diagnosesignalspannungsquelle, um einen Diagnosespannungspegel auf einen vorbestimmten Nennwert einzustellen,
- Bereitstellen der Diagnosesignalspannung für den gemeinsamen Schutzknoten,
- Auswählen einer von der gepaarten Abtastelektrode und der entsprechenden Schutzelektrode, die diagnostiziert werden sollen,
- elektrisches Verbinden der ausgewählten Abtastelektrode mit dem gemeinsamen Abtastknoten und Trennen aller anderen Abtastelektroden von dem gemeinsamen Abtastknoten,
- Messen, durch den Strom-Spannungs-Wandler, eines elektrischen Stromwertes durch die Abtastelektrode und die entsprechende Schutzelektrode oder die gemeinsame Schutzelektrode, die diagnostiziert werden sollen,
- Vergleichen des gemessenen elektrischen Stromwertes mit mindestens einem vorbestimmten Nennwert, und
- Erzeugen eines Ausgangssignals, das einen Hardwarefehler anzeigt, falls sich der gemessene elektrische Stromwert von dem vorbestimmten Schwellenwert außerhalb vordefinierter Toleranzgrenzen unterscheidet.

Die im Zusammenhang mit der hier offenbarten Kapazitäts-Messschaltung und der hier offenbarten Mehrkanal-Kapazitäts-Abtastvorrichtung beschriebenen Vorteile gelten vollumfänglich für das vorgeschlagene Betriebsverfahren.
Vorzugsweise werden die Schritte vom Auswählen bis zum Erzeugen eines Ausgangssignals nach dem Wechsel für jeden Zyklus dieser Schritte für eine nächste gepaarte Abtastelektrode und entsprechende Schutzelektrode der mehreren Abtastelektroden, die mit mindestens einer entsprechenden Schutzelektrode oder gemeinsamen Schutzelektrode, die diagnostiziert werden soll, ausgeführt und wiederholt, bis alle gepaarten Abtastelektroden und entsprechenden Schutzelektroden diagnostiziert worden sind.
Auf diese Weise können Hardwarefehler, wie unterbrochene elektrische Verbindungen, zuverlässig erkannt und berichtet werden. Die Unversehrtheit von kapazitiven Sensoren der kapazitiven Mehrkanal-Abtastvorrichtung kann wirksam überwacht werden, und eine zuverlässige Leistung der kapazitiven Mehrkanal-Abtastvorrichtung innerhalb vordefinierter Spezifikationen kann gewährleistet werden.
Vorzugsweise werden die Schritte vom Auswählen bis zum Erzeugen eines Ausgangssignals periodisch wiederholt. Eine Periode kann derart ausgewählt sein, dass eine funktionelle Verfügbarkeit der kapazitiven Mehrkanal-Abtastvorrichtung quasi nicht beeinträchtigt ist.
Gemäß einem weiteren Aspekt der Erfindung wird ein Softwaremodul zur Steuerung einer automatischen Ausführung von Schritten einer möglichen Ausführungsform des hier offenbarten Verfahrens bereitgestellt.
Die auszuführenden Verfahrensschritte sind in einen Programmcode des Softwaremoduls umgewandelt, wobei der Programmcode in einer digitalen Speichereinheit der kapazitiven Mehrkanal-Abtastvorrichtung implementierbar und von einer Prozessoreinheit der kapazitiven Mehrkanal-Abtastvorrichtung ausführbar ist. Vorzugsweise kann die digitale Speichereinheit und/oder Prozessoreinheit eine digitale Speichereinheit und/oder eine Verarbeitungseinheit der elektronischen Steuereinheit der kapazitiven Mehrkanal-Abtastvorrichtung sein. Die Prozessoreinheit kann, alternativ oder ergänzend, eine andere Prozessoreinheit sein, die insbesondere so zugeordnet ist, dass sie mindestens einige der Verfahrensschritte ausführt.
Das Softwaremodul kann eine robuste und zuverlässige Ausführung des Verfahrens ermöglichen und eine schnelle Modifikation von Verfahrensschritten gestatten.
Diese und andere Aspekte der Erfindung werden anhand der im Folgenden beschriebenen Ausführungsformen offensichtlich und durch diese erklärt.
Es soll herausgestrichen werden, dass die Merkmale und Maße, die in der vorstehenden Beschreibung individuell detailliert angegeben sind, miteinander auf jede technisch bedeutende Weise kombiniert werden können und weitere Ausführungsformen der Erfindung zeigen. Die Beschreibung kennzeichnet und spezifiziert die Erfindung insbesondere in Verbindung mit den Figuren.
Figurenliste
Weitere Einzelheiten und Vorteile der vorliegenden Erfindung ergeben sich aus der folgenden ausführlichen Beschreibung von nicht einschränkenden Ausführungsformen anhand der beigefügten Zeichnungen, wobei:

1 einen elektrischen äquivalenten Schaltplan einer möglichen Ausführungsform einer kapazitiven Mehrkanal-Abtastvorrichtung unter Verwendung einer Kapazitäts-Messschaltung gemäß der Erfindung veranschaulicht, und
2 ein Ablaufdiagramm eines Verfahrens zum Betreiben des Betriebs der kapazitiven Mehrkanal-Abtastvorrichtung gemäß 1 zur Diagnose der Abtastelektroden, die mit entsprechenden Schutzelektroden gepaart sind, ist.

Beschreibung von bevorzugten Ausführungsformen
1 veranschaulicht schematisch einen elektrischen äquivalenten Schaltplan einer möglichen Ausführungsform einer kapazitiven Mehrkanal-Abtastvorrichtung 10 unter Verwendung einer Kapazitäts-Messschaltung 12 gemäß der Erfindung. Die Kapazitäts-Messschaltung 12 dient zum Bestimmen von komplexen elektrischen Strömen in der kapazitiven Mehrkanal-Abtastvorrichtung 10, die mehrere elektrisch leitende Abtastelektroden und mehrere elektrisch leitende Schutzelektroden oder eine gemeinsame Schutzelektrode aufweist. Jede Abtastelektrode kann mit mindestens einer entsprechenden elektrisch leitenden Schutzelektrode gepaart sein, um einen kapazitiven Sensor zu bilden, der im Lademodus betrieben werden soll. Jede Abtastelektrode und ihre entsprechende Schutzelektrode sind nah beieinander angeordnet und galvanisch voneinander getrennt. Es ist ersichtlich, dass die elektrisch leitenden Schutzelektroden, mit denen die Abtastelektroden gepaart sind, dedizierte Schutzelektroden für die Abtastelektroden, d. h. eine separate Schutzelektrode für jede Abtastelektrode, oder eine gemeinsame Schutzelektrode für mehrere Abtastelektroden sein können. In letzterem Fall ist die elektrisch leitende Schutzelektrode von mehreren Abtastelektroden durch eine gemeinsame elektrisch leitende Schutzelektrode gebildet.
Die Kapazitäts-Messschaltung 12 umfasst eine erste Abtastschaltung 18 zum selektiven elektrischen Verbinden einer der Abtastelektroden mit einem gemeinsamen Abtastknoten 14 und zum elektrischen Verbinden einer Schutzelektrode entsprechend der Abtastelektrode mit einem gemeinsamen Schutzknoten 16. Somit ist eine Abtast-Schutz-Impedanz 20, die im Wesentlichen von kapazitiver Natur ist, elektrisch zwischen dem gemeinsamen Abtastknoten 14 und dem gemeinsamen Schutzknoten 16 verbunden. Die erste Abtastschaltung 18 weist einen Kondensator 22 zum EMV-Schutz auf, der elektrisch zwischen der Abtastelektrode und der entsprechenden Schutzelektrode verbunden ist.
Die Kapazitäts-Messschaltung 12 umfasst eine zweite Abtastschaltung 26 zum selektiven elektrischen Verbinden einer anderen der Abtastelektroden mit dem gemeinsamen Abtastknoten 14 und zum elektrischen Verbinden einer Schutzelektrode entsprechend der Abtastelektrode mit dem gemeinsamen Schutzknoten 16. Somit ist eine Abtast-Schutz-Impedanz 28, die im Wesentlichen von kapazitiver Natur ist, elektrisch zwischen dem gemeinsamen Abtastknoten 14 und dem gemeinsamen Schutzknoten 16 verbunden. Die zweite Abtastschaltung 26 weist einen Kondensator 30 zum EMV-Schutz auf, der elektrisch zwischen der Abtastelektrode und der entsprechenden Schutzelektrode verbunden ist.
Wie durch gestrichelte Linien in 1 angedeutet ist, weist die Kapazitäts-Messschaltung 12 weitere Abtastschaltungen, die identisch zu der ersten Abtastschaltung 18 und der zweiten Abtastschaltung 26 ausgeführt sind, zum selektiv elektrischen Verbinden der übrigen Abtastelektroden der mehreren Abtastelektroden, und zum elektrischen Verbinden der übrigen der entsprechenden Schutzelektroden der mehreren Schutzelektroden auf. Zum Beispiel kann die Kapazitäts-Messschaltung 12 zwischen zwei und fünfzig Abtastschaltungen enthalten.
Die Kapazitäts-Messschaltung 12 weist ferner eine Messsignalspannungsquelle 42 auf, die dafür ausgelegt ist, eine Wechselmessspannung an einem Ausgangsanschluss 44 anzulegen. Die Messspannung kann eine Sinusform aufweisen. Die Messsignalspannungsquelle 42 hat einen fernsteuerbaren Signalausgangspegel. Der gemeinsame Schutzknoten 16 ist selektiv elektrisch mit dem Ausgangsanschluss 44 der Messsignalspannungsquelle 42 zum Empfangen der Messspannung über ein fernsteuerbares Schaltelement 40 verbindbar. Wie später genauer besprochen wird, kann das Schaltelement 40 für gewöhnliche Messzwecke in einen geschlossenen Zustand gesteuert werden und für Diagnosezwecke in einen offenen Zustand gesteuert werden.
Außerdem umfasst die Kapazitäts-Messschaltung 12 eine Diagnosesignalspannungsquelle 46, die dafür ausgelegt ist, eine Diagnosewechselmessspannung an einem Ausgangsanschluss 50 anzulegen. Die Diagnosespannung kann eine Sinusform aufweisen. Die Diagnosesignalspannungsquelle 46 hat einen fernsteuerbaren Signalausgangspegel. Der gemeinsame Schutzknoten 16 ist zum Empfangen der Diagnosespannung elektrisch mit dem Ausgangsanschluss 50 der Diagnosesignalspannungsquelle 46 über ein elektrisches Element 48 verbunden, das entweder als bekannte Impedanz oder als fernsteuerbares Schaltelement ausgeführt sein kann.
Die Kapazitäts-Messschaltung 12 weist eine Strommessschaltung 52 auf, die einen Messstrom-Spannungs-Wandler 54 umfasst. Der Messstrom-Spannungs-Wandler 54 umfasst einen Transimpedanzverstärker (TIA), der mit seinem Signaleingangsanschluss 56 mit dem gemeinsamen Abtastknoten 14 und mit seinem Referenzeingangsanschluss 58 mit dem Ausgangsanschluss 44 der Messsignalspannungsquelle 42 verbunden ist. Die Funktion des TIA besteht darin, einen komplexen elektrischen Strom, der an seinem Signaleingangsanschluss 56 bereitgestellt wird, in eine Ausgangsspannung umzuwandeln, die proportional zu dem bestimmten komplexen elektrischen Strom ist. Der TIA ist dafür ausgelegt, den an seinem Signaleingangsanschluss 56 bereitgestellten komplexen elektrischen Strom in Bezug auf eine Referenzspannung umzuwandeln, die an seinem Referenzeingangsanschluss 58 bereitgestellt ist, nämlich die Messspannung.
Somit ist der Messstrom-Spannungs-Wandler 54 dafür ausgelegt, mit Bezug auf die Messspannung durch eine der Abtastelektroden einen Messstrom zu bestimmen, der eine Position eines Gegenstands relativ zu einem kapazitiven Sensor anzeigt, der aus der jeweiligen Abtastelektrode und ihrer entsprechenden Schutzelektrode aufgebaut ist. Ein Gegenstand, der sich der jeweiligen Abtastelektrode nähert, ist in dem äquivalenten Schaltplan aus 1 durch eine unbekannte Impedanz 24, 32 angezeigt, die mit einem Erdpotential 74 verbunden ist, wobei es sich zum Beispiel um ein Fahrzeug-Erdpotential handeln kann. Falls sich der geerdete Gegenstand der jeweiligen Abtastelektrode nähert, ändert sich die unbekannte Impedanz 24, 32 dahingehend, dass sich zumindest sein kapazitiver Abschnitt und der Messstrom, der zwischen der jeweiligen Abtastelektrode und dem Erdpotential fließt, erhöhen, und dadurch erhöht sich eine Amplitude des TIA-Ausgangsspannungssignals, was üblicherweise eine größere Nähe des Gegenstands zur jeweiligen Abtastelektrode anzeigt.
Ferner weist die Kapazitäts-Messschaltung 12 eine Schalteinheit 34 auf, die durch eine Fernsteuereinheit 72 fernsteuerbar ist. Die fernsteuerbare Schalteinheit 34 umfasst mehrere funktionsfähig gekoppelte Schaltelemente 36, 36', die eine erste Gruppe bilden. Eines der Schaltelemente 36, 36' der ersten Gruppe ist, in Reihe geschaltet, in jeder der Abtastschaltungen 18, 26 zum selektiven elektrischen Verbinden der Abtastelektroden mit dem gemeinsamen Abtastknoten 14 eingebaut. Die Schaltelemente 36, 36' sind dahingehend funktionsfähig gekoppelt, dass, falls ein Schaltelement 36 gesteuert wird, um seine Schaltposition von offen zu geschlossen zu ändern, die anderen Schaltelemente 36' gesteuert werden, um ihre Schaltposition von geschlossen zu offen zu ändern, bzw. gesteuert werden, um in der offenen Schaltposition zu bleiben. Auf diese Weise ist zu einem bestimmten Zeitpunkt nur eine Abtastelektrode der mehreren Abtastelektroden elektrisch mit dem gemeinsamen Abtastknoten 14 verbunden.
Die fernsteuerbare Schalteinheit 34 umfasst weitere mehrere funktionsfähig gekoppelte Schaltelemente 38, die eine zweite Gruppe bilden. Eines der Schaltelemente 38, 38' der zweiten Gruppe ist in jeder der Abtastschaltungen 18, 26 zum selektiven elektrischen Verbinden oder Trennen der jeweiligen Abtastelektroden und ihrer entsprechenden Schutzelektrode eingebaut. Die Schaltelemente 38, 38' der zweiten Gruppe sind dahingehend funktionsfähig gekoppelt, dass, falls ein Schaltelement 38 gesteuert wird, um seine Schaltposition von geschlossen zu offen zu ändern, die anderen Schaltelemente 38' gesteuert werden, um ihre Schaltposition von offen zu geschlossen zu ändern, bzw. gesteuert werden, um in der geschlossenen Schaltposition zu bleiben. Die Schaltelemente 38, 38' der zweiten Gruppe stellen eine geringe Querimpedanz zwischen einer Abtastelektrode, die nicht zur Messung verwendet wird, und dem gemeinsamen Schutzknoten 16 bereit zum Reduzieren eines systematischen Messfehlers auf Grund einer von null verschiedenen Kapazität der Verdrahtung und/oder Schaltelemente 36, 36' der ersten Gruppe, die durch Transistoren, wie MOSFETs, gebildet sein kann, in einer geschlossenen Position.
Die fernsteuerbare Schalteinheit 34 ist dafür ausgelegt, so gesteuert zu werden, dass sie für jede Abtastelektrode der mehreren elektrisch leitenden Abtastelektroden auf eine Weise, die unter den mehreren elektrisch leitenden Abtastelektroden koordiniert ist, zwischen einem Messschaltzustand und einem Diagnoseschaltzustand der jeweiligen Abtastelektrode periodisch schaltet.
Die kapazitive Mehrkanal-Abtastvorrichtung 10 weist ferner eine Signalverarbeitungsschaltung 60 auf, die zum Empfangen und Weiterverarbeiten von Ausgangssignalen aus der Strommessschaltung 52 und genauer aus dem Strom-Spannungs-Wandler 54 ausgelegt ist. Die Signalverarbeitungsschaltung 60 kann einen Synchrongleichrichter und ein Tiefpassfilter umfassen und ist zwischen einem Ausgangsanschluss 59 des Strom-Spannungs-Wandlers 54 und einer elektronischen Steuereinheit 62 eingefügt, die auch Teil der kapazitiven Mehrkanal-Abtastvorrichtung 10 bildet.
Die elektronische Steuereinheit 62 ist dafür ausgelegt, den Messspannungspegel der Messsignalspannungsquelle 42, den Diagnosespannungspegel der Diagnosesignalspannungsquelle 46 und die fernsteuerbare Schalteinheit 34, d. h. die selektiven elektrischen Verbindungen der Abtastschaltungen 18, 26, automatisch zu steuern.
Die elektronische Steuereinheit 62 ist von einem Mikrokontroller gebildet, und die Fernsteuereinheit 72 zum Fernsteuern der Schalteinheit 34, der Messsignalspannungsquelle 42 und der Diagnosesignalspannungsquelle 46 bildet Teil des Mikrokontrollers. Der Mikrokontroller weist eine digitale Datenspeichereinheit 66, eine Prozessoreinheit 64 mit Datenzugriff auf die digitale Datenspeichereinheit 66 und eine Steuerschnittstelle 68, die als CAN-Schnittstelle ausgelegt ist, auf.
Es sei angemerkt, dass bei den meisten der Elemente der Kapazitäts-Messschaltung 12 Wechselstrom-Kopplungskondensatoren oder -impedanzen zum Begrenzen von elektrischen Strömen während eines möglichen Sensorkurzschlusses zu irgendwelchen externen Knoten oder im Fall eines elektrostatischen Entladungsereignisses (ESD - Electrostatic Discharge) in Reihe eingefügt werden können.
In einem Ladungsmesszustand in Bezug auf einen kapazitiven Sensor, der aus einer der Abtastelektroden und ihrer entsprechenden Elektrode aufgebaut ist, die mit einer der Abtastschaltungen 18, 26 verbunden sind, ist die Schalteinheit 34 dafür ausgelegt, die jeweilige Abtastelektrode mit dem Signaleingangsanschluss 56 des Messstrom-Spannungs-Wandlers 54 zu verbinden, indem das Schaltelement 36 der ersten Gruppe innerhalb der jeweiligen Abtastschaltung 18 in einen geschlossenen Schaltzustand gesteuert wird. Gleichzeitig werden alle anderen Schaltelemente 36' der ersten Gruppe innerhalb der anderen Abtastschaltungen 26 in einen offenen Schaltzustand gesteuert.
Das Schaltelement 38 der zweiten Gruppe innerhalb der jeweiligen Abtastschaltung 18 wird in einen offenen Schaltzustand gesteuert, und alle anderen Schaltelemente 38' der zweiten Gruppe innerhalb der anderen Abtastschaltungen 26 werden in einen geschlossenen Schaltzustand gesteuert. Ferner wird das fernsteuerbare Schaltelement 40 zwischen dem Ausgangsanschluss 44 der Messsignalspannungsquelle 42 und dem gemeinsamen Schutzknoten 16 in einen geschlossenen Zustand gesteuert, so dass die Messsignalspannungsquelle 42 dem gemeinsamen Schutzknoten 16 die Messspannung bereitstellen kann.
Auch wird, falls das elektrische Element 48, das zwischen dem gemeinsamen Schutzknoten 16 und dem Ausgangsanschluss 50 der Diagnosesignalspannungsquelle 46 verbunden ist, ein Schaltelement ist, das Schaltelement in einen offenen Schaltzustand gesteuert. Falls das elektrische Element eine bekannte Impedanz ist, wird der Signalausgangspegel der Diagnosesignalspannungsquelle 46 auf einen Null-Pegel gesteuert.
Der Messstrom-Spannungs-Wandler 54 misst den unbekannten Strom, der durch die unbekannte Impedanz 24 fließt. Die Spannung an dem Ausgangsanschluss 59 des Messstrom-Spannungs-Wandlers 54 wird von der Signalverarbeitungsschaltung 60 weiterverarbeitet, deren Ausgangssignal die unbekannte Impedanz 24 anzeigt und gemessen, berichtet und ausgewertet werden kann.
In einem Diagnosezustand in Bezug auf einen kapazitiven Sensor, der aus einer der Abtastelektroden und ihrer entsprechenden Elektrode aufgebaut ist, die mit einer der Abtastschaltungen 18 verbunden sind, ist die Schalteinheit 34 dafür ausgelegt, die jeweilige Abtastelektrode mit dem Signaleingangsanschluss 56 des Messstrom-Spannungs-Wandlers 54 elektrisch zu verbinden, indem das Schaltelement 36 der ersten Gruppe innerhalb der jeweiligen Abtastschaltung 18 in einen geschlossenen Schaltzustand gesteuert wird. Gleichzeitig werden alle anderen Schaltelemente 36' der ersten Gruppe innerhalb der anderen Abtastschaltungen 26 in einen offenen Schaltzustand gesteuert.
Das Schaltelement 38 der zweiten Gruppe innerhalb der jeweiligen Abtastschaltung 18 wird in einen offenen Schaltzustand gesteuert. Ferner wird das fernsteuerbare Schaltelement 40 zwischen dem Ausgangsanschluss 44 der Messsignalspannungsquelle 42 und dem gemeinsamen Schutzknoten 16 in einen offenen Zustand gesteuert, und der Messspannungspegel der Messsignalspannungsquelle 42 wird auf einen Null-Pegel gesteuert.
Auch wird, falls das elektrische Element 48, das zwischen dem gemeinsamen Schutzknoten 16 und dem Ausgangsanschluss 50 der Diagnosesignalspannungsquelle 46 verbunden ist, ein Schaltelement ist, das Schaltelement in einen geschlossenen Schaltzustand gesteuert, und der Signalausgangspegel der Diagnosesignalspannungsquelle 46 wird auf einen nominalen, von null verschiedenen Pegel gesteuert. Falls das elektrische Element eine bekannte Impedanz ist, wird der Signalausgangspegel der Diagnosesignalspannungsquelle 46 einfach auf einen Null-Pegel gesteuert.
In dem Diagnosezustand misst der Messstrom-Spannungs-Wandler 54 einen komplexen elektrischen Strom, der von der Diagnosesignalspannungsquelle durch den gemeinsamen Schutzknoten 16 in die erste Abtastschaltung 18, durch die Abtast-Schutz-Impedanz 20, das Schaltelement 36 der ersten Gruppe und den gemeinsamen Abtastknoten 14 und in den Signaleingangsanschluss 56 des Messstrom-Spannungs-Wandlers 54 fließt. Die Spannung an dem Ausgangsanschluss 59 des Messstrom-Spannungs-Wandlers 54 wird von der Signalverarbeitungsschaltung 60 weiterverarbeitet, deren Ausgangssignal die Abtast-Schutz-Impedanz 20 anzeigt und gemessen, berichtet und ausgewertet werden kann.
Da der Spannungspegel der Diagnosesignalspannungsquelle 46 an sich bekannt ist und die Impedanz des elektrischen Elements 48 an sich bekannt ist, falls es als Impedanz ausgeführt ist, kann die Abtast-Schutz-Impedanz 20 berechnet werden. Da der Referenzeingangsanschluss 58 des Messstrom-Spannungs-Wandlers 54 durch den Ausgangsanschluss 44 der Messsignalspannungsquelle 42 mit Wechselstromerdpotential 74 verbunden ist, liegt der gemeinsame Abtastknoten 14 auch auf Wechselstromerdpotential 74, da der Messstrom-Spannungs-Wandler 54 Spannungen an seinem Signaleingangsanschluss 56 und seinem Referenzeingangsanschluss 58 auf nahezu dem gleichen Spannungspegel hält.
Die Mehrkanal-Kapazitäts-Abtastvorrichtung 10, die mit der elektronischen Steuereinheit 62 ausgestattet ist, ist dafür ausgelegt, ein Ausgangssignal zu erzeugen, das einen Hardwarefehler, wie eine Sensorelektrodenunterbrechung, anzeigt, falls sich die Größe eines bestimmten Diagnosestroms, der durch die jeweilige Abtastelektrode und ihre entsprechende Schutzelektrode fließt, von einem vorbestimmten Schwellenwert außerhalb vordefinierter Toleranzgrenzen unterscheidet.
Nachstehend wird eine Ausführungsform eines Verfahrens zum Betreiben der kapazitiven Mehrkanal-Abtastvorrichtung 10 gemäß 1 zur Diagnose von Abtastelektroden, die mit entsprechenden Schutzelektroden gepaart sind, beschrieben. Ein Ablaufdiagramm des Verfahrens ist in 2 angegeben. Als Vorbereitung zum Betreiben der kapazitiven Mehrkanal-Abtastvorrichtung 10 versteht sich, dass sich alle betroffenen Einheiten und Vorrichtungen in einem betriebsbereiten Zustand befinden und im Allgemeinen wie in 1 veranschaulicht konfiguriert sind.
Um in der Lage zu sein, das Verfahren automatisch und in gesteuerter Weise auszuführen, umfasst die elektronische Steuereinheit 62 ein Softwaremodul 70 (1). Die auszuführenden Verfahrensschritte sind in einen Programmcode des Softwaremoduls 70 umgewandelt. Der Programmcode ist in der digitalen Datenspeichereinheit 66 der elektronischen Steuereinheit 62 implementiert und von der Prozessoreinheit 64 der elektronischen Steuereinheit 62 ausführbar.
Alle vorbestimmten/vordefinierten Werte, Schwellenwerte und Toleranzgrenzen, die hier erwähnt werden, können in der digitalen Datenspeichereinheit 66 der elektronischen Steuereinheit 62 vorliegen und ohne weiteres von der Prozessoreinheit 64 der elektronischen Steuereinheit 62 abgerufen werden.
Nun bezugnehmend auf 2 wird in einem ersten Schritt 80 des Verfahrens der Ausgangsanschluss 44 der Messsignalspannungsquelle 42 von dem gemeinsamen Knoten 16 durch Steuern des fernsteuerbaren Schaltelements 40 in einen offenen Schaltzustand elektrisch getrennt. Durch Betreiben der elektronischen Steuereinheit 62 wird die Messsignalspannungsquelle 42 so gesteuert, dass sie den Messspannungspegel in einem weiteren Schritt 82 auf null stellt. Im nächsten Schritt 84 wird durch Betreiben der elektronischen Steuereinheit 62 die Diagnosesignalspannungsquelle 46 so gesteuert, dass sie den Diagnosespannungspegel auf einen vorbestimmten Nennwert stellt. Dann wird in einem weiteren Schritt 86 die Diagnosesignalspannung dem gemeinsamen Schutzknoten 16 bereitgestellt, zum Beispiel durch Steuern des Schaltelements in einen geschlossenen Schaltzustand, falls das elektrische Element 48 als Schaltelement ausgelegt ist.
Im nächsten Schritt 88 wird eine der gepaarten Abtastelektrode und entsprechenden Schutzelektrode, die diagnostiziert werden soll, ausgewählt. Die ausgewählte Abtastelektrode wird mit dem gemeinsamen Abtastknoten 14 elektrisch verbunden, und alle anderen Abtastelektroden werden in einem nächsten Schritt 90 von dem gemeinsamen Abtastknoten 14 getrennt, indem die Schaltelemente 36, 36' der ersten Gruppe gesteuert werden. In einem weiteren Schritt 92 wird ein elektrischer Stromwert durch die Abtastelektrode und die entsprechende Schutzelektrode, die diagnostiziert werden sollen, von dem Strom-Spannungs-Wandler 54 gemessen und von der Signalverarbeitungsschaltung 60 weiterverarbeitet. Durch Betreiben der elektronischen Steuereinheit 62 wird der gemessene und verarbeitete elektrische Stromwert im nächsten Verfahrensschritt 94 mit dem vorbestimmten Schwellenwert verglichen. Falls sich eine Größe des gemessenen elektrischen Stromwerts von dem vorbestimmten Nennwert außerhalb vordefinierter Toleranzgrenzen unterscheidet, wird in einem weiteren Schritt 96 von der elektronischen Steuereinheit 62 ein Ausgangssignal erzeugt, das einen Hardwarefehler innerhalb der diagnostizierten Abtastschaltung 18, 26 anzeigt, d. h. innerhalb der elektrischen Verbindungen und Verdrahtung der ausgewählten Abtastelektrode und der entsprechenden Schutzelektrode. Das Ausgangssignal kann dann aufgezeichnet und/oder für weitere Maßnahmen einer höherrangigen Steuereinheit berichtet werden.
In einem weiteren Schritt 98 des Verfahrens wird eine nächste gepaarte Abtastelektrode und entsprechende Schutzelektrode der mehreren Abtastelektroden, die mit einer entsprechenden Schutzelektrode gepaart sind, die diagnostiziert werden soll, ausgewählt. Der vorstehend erwähnte Zyklus von Schritten wird zur Diagnose der Unversehrtheit einer nächsten ausgewählten gepaarten Abtastelektrode und entsprechenden Schutzelektrode ausgeführt, bis alle gepaarten Abtastelektroden und entsprechenden Schutzelektroden diagnostiziert worden sind.
Während die Erfindung im Einzelnen in den Zeichnungen und der vorstehenden Beschreibung veranschaulicht und beschrieben wurde, sind eine solche Veranschaulichung und Beschreibung als veranschaulichend oder beispielhaft, und nicht als einschränkend anzusehen; die Erfindung ist nicht auf die offenbarten Ausführungsformen beschränkt.
Andere Varianten der offenbarten Ausführungsformen können von den Fachleuten bei der Ausführung der beanspruchten Erfindung, durch Studium der Zeichnungen, der Offenbarung und der beigefügten Ansprüche verstanden und ausgeführt werden. In den Ansprüchen schließt das Wort „umfassend“ andere Elemente oder Schritte nicht aus, und die unbestimmten Artikel „ein“, „eine“ oder „einer“ schließen keine Mehrheit aus, was eine Menge von mindestens zwei ausdrücken soll. Die bloße Tatsache, dass bestimmte Maßnahmen in sich voneinander unterscheidenden Unteransprüchen aufgeführt sind, weist nicht darauf hin, dass eine Kombination dieser Maßnahmen nicht vorteilhaft genutzt werden kann. Keines der Bezugszeichen in den Ansprüchen soll als den Schutzbereich einschränkend ausgelegt werden.
Bezugszeichenliste

10: kapazitive Mehrkanal-Abtastvorrichtung
12: Kapazitäts-Messschaltung
14: gemeinsamer Abtastknoten
16: gemeinsamer Schutzknoten
18: erste Abtastschaltung
20: Abtast-Schutz-Impedanz
22: EMV-Kondensator
24: unbekannte Impedanz
26: zweite Abtastschaltung
28: Abtast-Schutz-Impedanz
30: EMV-Kondensator
32: unbekannte Impedanz
34: fernsteuerbare Schalteinheit
36: Schaltelement der ersten Gruppe
38: Schaltelement der zweiten Gruppe
40: Schaltelement (Schutzknoten)
42: Messsignalspannungsquelle
44: Ausgangsanschluss
46: Diagnosesignalspannungsquelle
48: elektrisches Element
50: Ausgangsanschluss
52: Strommessschaltung
54: Strom-Spannungs-Wandler
56: Signaleingangsanschluss
58: Referenzeingangsanschluss
59: Ausgangsanschluss
60: Signalverarbeitungsschaltung
62: elektronische Steuereinheit
64: Prozessoreinheit
66: digitale Datenspeichereinheit
68: Steuerschnittstelle
70: Softwaremodul
72: Fernsteuereinheit
74: Wechselstromerdpotential Verfahrensschritte
80: Trennen der Messsignalspannungsquelle von dem gemeinsamen Schutzknoten
82: Einstellen des Messspannungspegels auf null
84: Einstellen des Diagnosespannungspegels auf einen Nennwert
86: Bereitstellen einer Diagnosesignalspannung für einen gemeinsamen Schutzknoten
88: Auswählen einer gepaarten Abtastelektrode und entsprechenden Schutzelektrode
90: Verbinden der Abtastelektrode mit dem gemeinsamen Abtastknoten, Trennen aller anderen
92: Messen von elektrischem Strom durch die Abtastelektrode
94: Vergleichen des gemessenen/verarbeiteten Stromwertes mit einem vorbestimmten Nennwert
96: Erzeugen eines Ausgangssignals, das einen Hardwarefehler anzeigt
98: Auswählen einer nächsten gepaarten Abtastelektrode und entsprechenden Schutzelektrode

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

US 6161070 [0004]
US 8354936 B2 [0011]
WO 2017/129552 A1 [0015]

Zitierte Nicht-Patentliteratur

J. R. Smith et al., veröffentlicht in IEEE Computer Graphics and Applications, 18(3): 54-60, 1998 [0007]

Claims

Kapazitäts-Messschaltung (12) zum Bestimmen von komplexen elektrischen Strömen in einer kapazitiven Mehrkanal-Abtastvorrichtung (10), die mehrere elektrisch leitende Abtastelektroden aufweist, wobei jede Abtastelektrode mit mindestens einer entsprechenden elektrisch leitenden Schutzelektrode gepaart ist, wobei die Kapazitäts-Messschaltung (12) umfasst: - eine erste Abtastschaltung (18) zum selektiven elektrischen Verbinden einer der Abtastelektroden mit einem gemeinsamen Abtastknoten (14) und zum elektrischen Verbinden der entsprechenden Schutzelektrode der Abtastelektrode mit einem gemeinsamen Schutzknoten (16), - mindestens eine zweite Abtastschaltung (26) zum selektiven elektrischen Verbinden einer weiteren der Abtastelektroden mit dem gemeinsamen Abtastknoten (14) und zum elektrischen Verbinden der entsprechenden Schutzelektrode der Abtastelektrode mit dem gemeinsamen Schutzknoten (16), - eine Messsignalspannungsquelle (42), die dafür ausgelegt ist, auf fernsteuerbare Weise an einem Ausgangsanschluss (44) eine Messwechselspannung für den gemeinsamen Schutzknoten (16) bereitzustellen, - eine Diagnosesignalspannungsquelle (46), die dafür ausgelegt ist, auf fernsteuerbare Weise an einem Ausgangsanschluss (50) eine Diagnosewechselspannung für den gemeinsamen Schutzknoten (16) bereitzustellen, und - eine Strommessschaltung (52), die mindestens einen Messstrom-Spannungs-Wandler (54) aufweist, der mit seinem Signaleingangsanschluss (56) mit dem gemeinsamen Abtastknoten (14) und mit seinem Referenzeingangsanschluss (58) mit dem Ausgangsanschluss (44) der Messsignalspannungsquelle (42) verbunden ist.
Kapazitäts-Messschaltung (12) nach Anspruch 1, ferner aufweisend eine fernsteuerbare Schalteinheit (34), umfassend mehrere funktionsfähig gekoppelte Schaltelemente (36), von denen mindestens eines, in Reihe geschaltet, in jeder der Abtastschaltungen (18, 26) zum selektiven elektrischen Verbinden der Abtastelektroden mit dem gemeinsamen Abtastknoten (14) installiert ist.
Kapazitäts-Messschaltung (12) nach Anspruch 2, wobei die fernsteuerbare Schalteinheit (34) dafür ausgelegt ist, für jede Abtastelektrode der mehreren elektrisch leitenden Abtastelektroden auf eine Weise, die unter den mehreren elektrisch leitenden Abtastelektroden koordiniert ist, zwischen einem Messschaltzustand und einem Diagnoseschaltzustand der jeweiligen Abtastelektrode periodisch zu schalten.
Kapazitäts-Messschaltung (12) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei mindestens einer von dem Ausgangsanschluss (44) der Messsignalspannungsquelle (42) und dem Ausgangsanschluss (50) der Diagnosesignalspannungsquelle (46) einen fernsteuerbaren Signalausgangspegel hat.
Kapazitäts-Messschaltung (12) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei eine bekannte komplexe Impedanz oder ein fernsteuerbares Schaltelement (48) zwischen dem Ausgangsanschluss (50) der Diagnosesignalspannungsquelle (46) und dem gemeinsamen Schutzknoten (16) zum Fernsteuern einer Bereitstellung der Diagnosespannung für den gemeinsamen Schutzknoten (16) angeschlossen ist.
Kapazitäts-Messschaltung (12) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der mindestens eine Messstrom-Spannungswandler (54) einen Transimpedanzverstärker umfasst.
Kapazitäts-Messschaltung (12) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die elektrisch leitende Schutzelektrode von mehreren von Abtastelektroden von einer gemeinsamen elektrisch leitenden Schutzelektrode gebildet ist.
Kapazitäts-Messschaltung (12) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei jede der Abtastschaltungen (18, 26) ein fernsteuerbares Schaltelement (38) umfasst, das dafür ausgelegt ist, die jeweilige Abtastelektrode selektiv elektrisch zu verbinden oder zu trennen.
Kapazitive Mehrkanal-Abtastvorrichtung (10), aufweisend - eine Kapazitäts-Messschaltung (12) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, - mehrere elektrisch leitende Abtastelektroden, wobei jede Abtastelektrode mit mindestens einer entsprechenden elektrisch leitenden Schutzelektrode gepaart ist, wobei jede der Abtastelektroden und ihre mindestens eine entsprechende Schutzelektrode mit einer der Abtastschaltungen (18, 26) der Kapazitäts-Messschaltung (12) zum selektiven elektrischen Verbinden der Abtastelektrode mit dem gemeinsamen Abtastknoten (14) und zum elektrischen Verbinden der mindestens einen entsprechenden Schutzelektrode mit dem gemeinsamen Schutzknoten (16) verbunden ist, - eine Signalverarbeitungsschaltung (60), die dafür ausgelegt ist, Ausgangssignale von der Strommessschaltung (12) zu empfangen und weiterzuverarbeiten, und - eine elektronische Steuereinheit (62), die mindestens zum automatischen Steuern des Messspannungspegels der Messsignalspannungsquelle (42), des Diagnosespannungspegels der Diagnosesignalspannungsquelle (46) und der selektiven elektrischen Verbindungen (36, 38) der Abtastschaltungen (18, 26) ausgelegt ist.
Kapazitive Mehrkanal-Abtastvorrichtung (10) nach Anspruch 9, wobei die elektronische Steuereinheit (62) von einem Mikrokontroller gebildet ist, der eine digitale Datenspeichereinheit (66) und eine Prozessoreinheit (64) mit Datenzugriff auf die digitale Datenspeichereinheit (66) aufweist.
Kapazitive Mehrkanal-Abtastvorrichtung (10) nach Anspruch 9 oder 10, wobei die fernsteuerbare Schalteinheit (34) Teil der elektronischen Steuereinheit (62) bildet.
Kapazitive Mehrkanal-Abtastvorrichtung (10) nach einem der Ansprüche 9 bis 11, wobei die Signalverarbeitungsschaltung (60) oder die elektronische Steuereinheit (62) dafür ausgelegt ist, ein Ausgangssignal zu erzeugen, das einen Hardwarefehler anzeigt, falls sich die Größe eines bestimmten Diagnosestroms, der durch eine der Abtastelektroden und die entsprechende Schutzelektrode fließt, von einem vorbestimmten Nennwert außerhalb vordefinierter Toleranzgrenzen unterscheidet.
Verfahren zum Betreiben der kapazitiven Mehrkanal-Abtastvorrichtung (10) nach einem der Ansprüche 9 bis 12 zur Diagnose von Abtastelektroden, die mit entsprechenden Schutzelektroden oder einer gemeinsamen Schutzelektrode gepaart sind, wobei das Verfahren mindestens die folgenden Schritte umfasst: - elektrisches Trennen (80) des Ausgangsanschlusses (44) der Messsignalspannungsquelle (42) von dem gemeinsamen Schutzknoten (16), - Steuern (82) der Messsignalspannungsquelle (42), um einen Messspannungspegel auf null einzustellen, - Steuern (84) der Diagnosesignalspannungsquelle (46), um einen Diagnosespannungspegel auf einen vorbestimmten Nennwert einzustellen, - Bereitstellen (86) der Diagnosesignalspannung für den gemeinsamen Schutzknoten (16), - Auswählen (88) einer von der gepaarten Abtastelektrode und der entsprechenden Schutzelektrode oder gemeinsamen Schutzelektrode, die diagnostiziert werden sollen, - elektrisches Verbinden (90) der ausgewählten Abtastelektrode mit dem gemeinsamen Abtastknoten (14) und Trennen aller anderen Abtastelektroden von dem gemeinsamen Abtastknoten (14), - Messen (92), durch den Strom-Spannungs-Wandler (54), eines elektrischen Stromwertes durch die Abtastelektrode und die entsprechende Schutzelektrode, die diagnostiziert werden sollen, - Vergleichen (94) des gemessenen elektrischen Stromwertes mit mindestens einem vorbestimmten Nennwert, und - Erzeugen (96) eines Ausgangssignals, das einen Hardwarefehler anzeigt, falls sich eine Größe des gemessenen elektrischen Stromwertes von dem vorbestimmten Nennwert außerhalb vordefinierter Toleranzgrenzen unterscheidet.
Verfahren nach Anspruch 12, wobei die Schritte vom Auswählen (88) bis zum Erzeugen (96) eines Ausgangssignals nach dem Wechsel, für jeden Zyklus dieser Schritte (88) bis (96), zu einer nächsten Abtastelektrode der mehreren Abtastelektroden, die mit mindestens einer entsprechenden Schutzelektrode oder einer gemeinsamen Schutzelektrode, die diagnostiziert werden soll, gepaart ist, ausgeführt und wiederholt werden, bis alle gepaarten Abtastelektroden und entsprechenden Schutzelektroden oder die gemeinsame Schutzelektrode diagnostiziert worden sind.
Softwaremodul (70) zum Steuern einer automatischen Ausführung von Schritten des Verfahrens nach Anspruch 12 oder 13, wobei auszuführende Verfahrensschritte in einen Programmcode des Softwaremoduls (70) umgewandelt sind, wobei der Programmcode in eine digitale Datenspeichereinheit (66) der kapazitiven Mehrkanal-Abtastvorrichtung (10) oder einer separaten elektronischen Steuereinheit implementierbar und von einer Prozessoreinheit (64) der kapazitiven Mehrkanal-Abtastvorrichtung (10) oder einer separaten elektronischen Steuereinheit ausführbar ist.