FI68335B

FI68335B - ADVANCED CAPACITY MANAGEMENT

Info

Publication number: FI68335B
Application number: FI833131A
Authority: FI
Inventors: Urpo Sten; Matti Kaehkipuro; Osmo Ivanto
Original assignee: Kone Oy
Priority date: 1983-09-01
Filing date: 1983-09-01
Publication date: 1985-04-30
Also published as: FI68335C; FI833131A0

Description

6833568335

MENETELMÄ KAPASITIIVISEKSI MITTAAMISEKSI - FÖRFARANDE FÖR KAPACITIV MÄTNINGMETHOD OF CAPACITIVE MEASUREMENT - FÖRFARANDE FÖR KAPACITIV MÄTNING

Tämän keksinnön kohteena on menetelmä kapasitiiviseksi mittaamiseksi, jossa menetelmässä tunnustellaan tietyn kohteen, kuten kosketuspinnan lepokapasitanssia ja sen vaihteluja.The present invention relates to a method for capacitive measurement, in which the rest capacitance of a certain object, such as the contact surface, and its variations are sensed.

Kapasitiivisen mittauksen tekniikka on ennestään tunnettu, ja ehkä näkyvin tähän tekniikkaan perustuva tuote on ns. hipaisukytkin. Kapasitiivisessä mittauksessa käytetään vielä paljon erilliskomponentteja, joista yleensä muodostetaan ainakin oskillaattori ja mittauselin.The technique of capacitive measurement is already known, and perhaps the most visible product based on this technology is the so-called the trigger switch. Many separate components are still used in capacitive measurement, which usually form at least an oscillator and a measuring element.

Nykyisen tekniikan heikkoutena on siten kohtalaisen monimutkaiset kytkennät. Toisena epäkohtana mainittakoon vaikeudet säätää mittauslaitteelle sopiva herkkyys. Jos herkkyys on suuri, voi laite toimia ilman herätettä aiheuttaen näin "väärän hälytyksen". Jos taas herkkyys on liian pieni, niin laite ei toimi pienellä herätteellä, esim. kosketusna-pin tapauksessa kun käyttäjällä on käsineet kädessä.The weakness of current technology is thus the moderately complex connections. Another drawback is the difficulty in adjusting the appropriate sensitivity for the measuring device. If the sensitivity is high, the device may operate without an excitation, causing a "false alarm". If, on the other hand, the sensitivity is too low, then the device will not operate with a small stimulus, e.g. in the case of a touch pin when the user has gloves on.

Tämän keksinnön tarkoituksena on poistaa edellämainitut epäkohdat. Tämän aikaansaamiseksi on keksinnön mukaiselle menetelmälle pääasiassa tunnusomaista se, että mittaus perustuu tietokoneen käyttöön siten, että mitattavan kohteen tila päätellään tarkkailemalla tietokoneen lähettämän pulssin tietyn tason muodostusviivettä pulssin palattua mittauskohteen kautta takaisin tietokoneelle, joka viive on kohteen kapasitanssin funktio. Tietokoneella, esim ns. yhden sirun mikrotietokoneella, voidaan helposti toteuttaa ohjelmallinen ajanottorutiini, joka laskee aikavälin, joka kuluu pulssin lähettämisestä sen palaamiseen, jolloin paluukriteerinä on esim. pulssin nousevan reunan tietty ratkaisutaso. Lisäksi tietokonepohjaista järjestelmää voidaan helposti monipuolistaa ohjelmoimalla tietokonetta ottamaan huomioon esim. kosteusvaihtelujen vaikutus mittauskohteen lepokapasitanssiin, jolloin mittauslaitteen 68335 2 herkkyys pysyy aina oikeassa arvossaan. Seuraavassa kun puhutaan tietokoneesta tarkoitetaan lähinnä mikrotietokonetta. On tietenkin selvää, että muunkinlainen tietokone teknisesti soveltuu keksinnön toteuttamiseen.The object of the present invention is to eliminate the above-mentioned drawbacks. To achieve this, the method according to the invention is mainly characterized in that the measurement is based on computer use so that the state of the object to be measured is inferred by observing a certain level of pulse transmission delay transmitted by the computer after the pulse returns via the measurement object to the computer. With a computer, e.g. with a single-chip microcomputer, a programmatic timing routine can be easily implemented that calculates the time interval from the transmission of the pulse to its return, whereby the return criterion is e.g. a certain solution level of the rising edge of the pulse. In addition, the computer-based system can be easily diversified by programming the computer to take into account, for example, the effect of humidity fluctuations on the resting capacitance of the measuring object, whereby the sensitivity of the measuring device 68335 2 always remains at its correct value. In the following, when we talk about a computer, we mainly mean a microcomputer. It is, of course, clear that any other type of computer is technically suitable for carrying out the invention.

Keksinnön eräälle edulliselle sovellutusmuodolle on tunnusomaista se, että tietokone tunnustelee mittauskohdetta jatkuvasti lähettämällä pulssijonon lähtönavaksi määritellystä navasta ja vastaanottaa viivästetyn paluusignaalin tulo-navaksi määritetyllä navalla. Tämä on yksinkertaisin tapa toteuttaa pulssikiertoa, ja sen etuna on se, että mikä tahansa mikrotietokone pystyy toimimaan tällä tavalla.A preferred embodiment of the invention is characterized in that the computer continuously senses the measurement object by transmitting a pulse train from the terminal defined as the output terminal and receiving the delayed return signal at the terminal defined as the input terminal. This is the simplest way to implement a pulse cycle, and has the advantage that any microcomputer can operate in this way.

Lisäksi voidaan dupleksoinnin tai multipleksoinnin avulla samalla napaparilla ohjata useampia mittalaitteita.In addition, duplexing or multiplexing can be used to control several measuring devices on the same pair of poles.

Keksinnön eräälle toiselle edulliselle sovellutusmuodolle on tunnusomaista se, että tietokone tunnustelee mittauskohdetta jatkuvasti lähettämällä ja vastaanottamalla pulssijonon saman navan avulla. Monissa mikroprosessoreissa on mahdollisuus ohjelmoida kommunikointiväylän navat sekä otto-että antonavoiksi. Kun näin tehdään esim. tässä tapauksessa, säästetään tietokoneen kapasiteettia, koska yksi napa pystyy palvelemaan yhtä mittauslaitetta, esim. painonappia. Yllämainitun multipleksoinnin avulla kapasiteetti kasvaa entisestään.Another preferred embodiment of the invention is characterized in that the computer continuously senses the measurement object by transmitting and receiving a pulse train by means of the same terminal. Many microprocessors have the ability to program the communication bus terminals as both input and output terminals. When this is done, for example, in this case, the capacity of the computer is saved, because one pole can serve one measuring device, e.g. a push button. With the above-mentioned multiplexing, the capacity is further increased.

Keksinnön eräälle toiselle edulliselle sovellutusmuodolle on tunnusomaista se, että saman tietokoneen valvoessa useampia mittauskohteita syötetään kaikkiin mitattaviin kohteisiin yhteinen mittauspulssijono. Tämä on vielä yksi tapa säästää mikrotietokoneen kapasiteettia, joka myös on tarvittaessa nopea. Syöttämällä kaikki mittauselimet samasta navasta, säästetään antonapoja ja vältytään kaksisuuntaisesta liikennöinnistä, joka vie aikaa.Another preferred embodiment of the invention is characterized in that when the same computer monitors several measurement objects, a common measurement pulse train is applied to all the objects to be measured. This is another way to save microcomputer capacity, which is also fast when needed. By feeding all measuring elements from the same pole, the output terminals are saved and two-way communication, which takes time, is avoided.

68335 368335 3

Keksinnön eräälle edulliselle sovellutusmuodolle on myös tunnusomaista se, että mitattava kohde muodostuu painonapin kuten hissipainikkeen yläpinnasta, jonka kapasitanssi muuttuu sitä koskettaessa.A preferred embodiment of the invention is also characterized in that the object to be measured consists of the upper surface of a push button, such as an elevator button, the capacitance of which changes when touched.

Keksintöä selostetaan seuraavassa tarkemmin esimerkin avulla viittaamalla oheiseen piirustukseen, jossaThe invention will now be described in more detail by way of example with reference to the accompanying drawing, in which

Kuv. 1 esittää keksinnön mukaista menetelmää toteuttavaa kytkentää,Fig. 1 shows a circuit implementing the method according to the invention,

Kuv. 2 esittää mittauslaitteen sähköistä toimintaa.Fig. 2 shows the electrical operation of the measuring device.

Mikrotietokone 1 kuviossa 1 on ns. yhden sirun mikrotietokone, jollaisia on yleisesti saatavissa. Eräs mikrotietokoneen antonapa on merkitty viitenumerolla 2 ja eräs sen suuri- impedanssisistä tulonavoista numerolla 3. Mittaus-pinta 4 on tietyn lepokapasitanssin omaava elin, joka voidaan käyttää esim. hipaisukytkimessä kosketusherkkänä pintana. Vastus R tarvitaan navasta 2 tulevan aktivointipuls-sin viivästämiseksi, R ja mittauspinnan 4 lepokapasitanssi muodostavat perusaikavakion, joka on vastuksen ja kapasitanssin tulo <RC- kytkentä).The microcomputer 1 in Figure 1 is a so-called a single-chip microcomputer of the kind commonly available. One of the output terminals of the microcomputer is denoted by reference numeral 2 and one of its high-impedance input terminals by numeral 3. The measuring surface 4 is a member having a certain rest capacitance, which can be used, for example, in a touch switch as a touch-sensitive surface. The resistor R is needed to delay the activation pulse coming from the terminal 2, R and the resting capacitance of the measuring surface 4 form a basic time constant, which is the product of the resistance and the capacitance (RC connection).

Kuvio 2 esittää tapaa, jolla informaatio mittauspinnan 4 kapasitanssin muutoksesta muodostetaan. Antonavasta 2 syötetään pulsseja P^ mittauspinnalle 4. Lepokapasitanssin ja vastuksen R aiheuttama perusaikavakio viivästää signaalia niin, että se napaan 3 tullessaan on käyrän P3 muotoinen. Aikavälimittauksen ratkaisutaso on potentiaalissa Um# jonka perusteella mikrotietokone päättää onko signaali looginen yksi tai nolla. Jos kosketuspintaa 4 ei häiritse mikään mitattava kapasitanssi, tarvitsee laite ajan t^ loogisen ykkösen saamiseksi tulonavassa 3. Kun mittauspintaan 4 kosketaan, eli mitattava lisäkapasitanssi on olemassa, suure- 68335 4 nee aikavakio niin, että viivästetty pulssi on nyt käyrän P muotoinen. Tällöin signaalin läpimenoaika pitenee arvoon m jolloin muodostunut aikaero dt =t2-tl on mitattavissa mikrotietokoneen 1 ohjelmalla ja herätteen olemassaolo todettavissa.Figure 2 shows the way in which information about the change in the capacitance of the measuring surface 4 is generated. From the terminal 2, pulses P 1 are applied to the measuring surface 4. The basic time constant caused by the rest capacitance and the resistor R delays the signal so that when it enters the terminal 3 it is in the shape of a curve P3. The solution level of the time interval measurement is at the potential Um # on the basis of which the microcomputer decides whether the signal is a logical one or zero. If the contact surface 4 is not disturbed by any measured capacitance, the device needs time to obtain a logical one at the input terminal 3. When the measuring surface 4 is touched, i.e. an additional measurable capacitance exists, the time constant 68335 4 increases so that the delayed pulse is now P-shaped. In this case, the signal throughput time increases to m, whereby the time difference dt = t2-tl formed can be measured with the program of the microcomputer 1 and the existence of an excitation can be detected.

Koska sekä ratkaisutason Um:n suuruus että mittauspinnan 4 lepokapasitanssi ovat kosteuden ja lämpötilan mukaan vaih-televiä, niin tarvitaan automaattinen herkkyyden säätö.Since both the magnitude of the solution level Um and the resting capacitance of the measuring surface 4 vary according to humidity and temperature, automatic sensitivity adjustment is required.

Tämä voidaankin tehdä mikrotietokoneen 1 ohjelmistossa siten, että ohjelma ei huomioi ajan t^ hidasta vaihtelua, vaan havaitsee ainoastaan käyttötavalle ominaisen muutosnopeuden.This can be done in the software of the microcomputer 1 in such a way that the program does not take into account the slow variation of time t ^, but only detects the rate of change specific to the mode of operation.

Keksintö mahdollistaa myös muiden tehtävien antamisen mikrotietokoneelle mittausfunktion lisäksi. Näin voidaan samalla mikrotietokoneella tehdä useampia kapasitiivisia mittauksia ja siirtää mittasignaalia esim. sarjaliikennemuo-dossa.The invention also makes it possible to assign other tasks to the microcomputer in addition to the measurement function. In this way, several capacitive measurements can be made with the same microcomputer and the measurement signal can be transmitted, e.g. in serial communication mode.

Alan ammattimiehelle on selvää, että keksinnön eri sovellu-tusmuodot eivät rajoitu ainoastaan yllä esitettyyn esimerkkiin, vaan voivat vaihdella jäljempänä esitettävien patenttivaatimusten puitteissa. Niinpä esimerkiksi keksintö on erittäin käyttökelpoinen hississä, jossa jo muutenkin on valmiina mikroprosessori eri käyttötarpeita varten.It will be clear to a person skilled in the art that the various embodiments of the invention are not limited only to the example given above, but may vary within the scope of the claims set out below. Thus, for example, the invention is very useful in an elevator which already has a microprocessor ready for different applications.

Claims

68335 PATENT CLAIM ET

A method for capacitive measurement, the method sensing the resting capacitance of a certain object, such as the contact surface (4) and its variations, characterized in that the measurement is based on computer (1) so that the state of the object (4) is inferred by observing the pulse transmitted by computer (1) (Ρ £) the generation delay (t ^ tj) of a certain level (Ujjj) after the return of the pulse via the measuring object (4) back to the computer (1), which delay is a function of the capacitance of the object (4).

Method according to claim 1, characterized in that the computer (1) continuously senses the measuring object (4) by transmitting a pulse train (Pg) from the terminal (2) defined as the output terminal and receiving a delayed return signal (P ^ fP ^ at the terminal (3) defined as the input terminal .

Method according to Claim 1, characterized in that the computer (1) continuously senses the measuring object (4) by transmitting and receiving a pulse train by means of the same terminal.

Method according to Claim 1, characterized in that, when the same computer (1) monitors a plurality of measuring objects (4), a common measuring pulse train (Pj) is applied to all the objects to be measured.

Method according to one of Claims 1 to 4, characterized in that the object (4) to be measured is formed by the upper surface of a pushbutton, such as an elevator button, the capacitance of which changes when touched.