KR100769014B1 - 디지털 신호 처리 필터링을 갖춘 습기 센서 및 습기 검출 방법 - Google Patents

Abstract

투명 물질(20)의 표면상에 있는 습기를 검출하기 위한 습기 센서(moisture sensor)가 제공된다. 습기 센서(10)는 투명 물질상의 습기(22)에 의해 영향을 받는 에미터(emitter) 신호를 만드는 하나 이상의 에미터(40)와, 에미터 신호를 수신하는 하나 이상의 검출기(44)를 포함한다. 검출기는 EMI 및 주위의 빛으로부터의 잡음을 포함하는 원하지 않는 신호 성분 중 일부를 제거하도록 복조-전 이득 및 필터링 회로(predemodulation gain and filtering circuit)(60)에서 필터 처리되고, 증폭된 검출기 출력 신호를 만든다. 디지털 신호 처리 필터링(Digital Signal Processing filtering)은 복조-전 이득 회로에 의해 생성된 많은 양의 잡음이 존재할 때 습기 이벤트(event)로 인한 작은 신호 변화를 구별하도록 습기 신호가 dc 신호로 복조된 이후에 사용된다. DSP 필터링은 선입선출 시프트 레지스터(First In First Out shift register), 합산 소자, 및 분할 소자를 사용하여 마이크로컴퓨터에 의해 구현되는 저역 통과 필터 단(72) 및 대역통과 필터 단(74)을 포함한다.

습기 센서, 에미터, 검출기, 복조-전 회로, 디지털 신호 처리 필터, 마이크로컴퓨터, 습기 제거 제어기

Description

디지털 신호 처리 필터링을 갖춘 습기 센서 및 습기 검출 방법{MOISTURE SENSOR WITH DIGITAL SIGNAL PROCESSING FILTERING}

본 발명은 일반적으로 투명 물질의 표면상의 습기를 검출하기 위한 광 습기 센서(optical moisture sensor)에 관한 것으로, 보다 구체적으로는 원하지 않는 신호 성분의 영향을 감소시키기 위한 습기 센서 디지털 신호 처리 필터링(filtering)에 관한 것이다.

유리나 플렉시글라스(Plexiglass)와 같은 투명 물질에 습기가 누적되면, 그 물질을 통한 사람의 시야를 방해할 수 있다. 자동차에는 앞유리를 통해 시야를 개선시키도록 적어도 운전자의 시야 범위내에서, 일반적으로 더 넓은 영역에 걸쳐 앞유리의 외부 표면으로부터 습기를 닦아내기 위한 모터-구동형 앞유리 와이퍼(windshield wiper)가 갖추어져 왔다.

오늘날 대부분의 차량에서, 앞유리 와이퍼 시스템은, 무한하게 다양한 것은 아니지만, 운전자가 상황에 따라 속도의 범위를 다양하게 선택하도록 허용하는 다중-위치 또는 가변 속도 스위치를 포함한다. 와이퍼 제어는 수동으로 동작되어, 전형적으로 지연 특성을 포함하고, 그에 의해 와이퍼는 선택된 시간 지연 간격으로 간헐적으로 동작하게 된다.

최근에는 창문 표면에 습기가 생길 때 와이퍼 모터를 자동으로 작동시키도록 차량 창문 중 하나에 설치된 습기 센서를 포함하는 와이퍼 제어 시스템이 개발되었다. 습기 센서를 포함하는 와이퍼 제어 시스템은 대부분 전형적으로 앞유리에 장착되지만, 이 시스템은 뒤쪽 창문이나 습기가 제거되도록 의도되는 다른 유리 표면에 장착될 수 있다. 이러한 와이퍼 제어 시스템은 운전자가 운전 상황이 변함에 따라 와이퍼 속도를 자주 조절하는 불편함을 없애준다.

와이퍼 제어 시스템은 전도성, 전기용량성, 압전, 및 광 센서를 포함하여, 자동차가 겪게 되는 습기 상황을 감지하기 위해 다수의 상이한 기술을 사용한다. 광 센서는 광빔이 앞유리의 외부 표면에 습기가 존재하는 경우 그것의 정상적인 경로에서 편향되어 확산된다는 원리에 근거하여 동작한다. 광 센서를 사용하는 시스템은 광로에서의 방해(즉, 운전자의 시야를 제공하는 광로에서의 방해)를 감지하는 수단이 운전자에 의해 관찰되는 현상과 직접 관계된다는 특유의 이점을 갖는다. McCumber 등(미국 특허 No. 4,620,141)은 앞유리의 외부 표면에 작은 물방울이 있으면 와이퍼 날의 작동을 트리거(trigger)하는 광 습기 센서를 개시한다.

광 습기 센서에서, 에미터(emitter)로부터의 맥동(pulsatile) 광신호는 앞유리에 전해지고, 앞유리의 외부 표면에 의해 다시 검출기로 반사된다. 앞유리의 표면에 습기가 있으면, 앞유리의 외부 표면에서의 맥동 광신호의 반사에 영향을 주어, 반사된 신호가 낮은 진폭을 갖게 된다. 검출기는 반사된 맥동 신호를 수신하여, 반사된 에미터 신호의 진폭에 변화가 있음을 나타내는 맥동 출력 신호를 생성한다. 검출기 출력 신호는 또한 주위의 빛, 전자기 간섭, 및 검출기에 의해 발생되는 백색 잡음으로 인한 것과 같이 원하지 않는 신호를 포함한다. 바람직하지 않은 이러한 신호 성분을 제거한 후에만 정확한 습기 판독을 얻을 수 있다.

맥동 검출기 신호로부터 원하지 않는 신호 성분을 제거하는데 필터가 사용되는 것으로 공지되어 있다. Schierbeek 등의 미국 특허 No. 4,916,374에서는 광전지(photovoltaic cell)가 전류-전압 증폭기, 고역 통과 필터, 및 다른 전압 증폭기에 연결되고, 이어서 샘플 및 홀드 회로(sample and hold circuit)를 사용하여 복조될 수 있음을 나타낸다. '374의 필터 및 증폭기는 이처럼 복조기가 맥동 신호를 감지된 습기에 의해 영향을 받는 dc 신호로 변환하기 이전에 그 맥동 신호에 작용하는 복조-전(pre-demodulation) 회로이다. Schierbeek 등의 미국 특허 No. 4,956,591에서는 복조 전에 행해진 증폭과 DC 바이어스를 제거하는데 고역 통과 필터를 사용한다.

그러나, 넓은 대역의 복조-전 이득을 사용하면, 광대역의 원하지 않는 잡음, 특히 포토다이오드에서 전자와 정공(hole)의 임의 재결합에 의해 발생되는 백색 잡음의 진폭이 증가된다. 이러한 잡음은 장치에 본래 있는 것이다. 습기 이벤트(event)에 대한 감도를 향상시키기 위해 신호 강도를 증가시키는 데는 넓은 대역의 복조-전 이득을 사용하는 것이 바람직하다. 이러한 이득이 없으면, 센서는 작은 습기 물방울의 영향에 대해 응답하지 않을 수 있다. 그러나, 광대역 복조-전 이득은 원하는 신호와 함께 원하지 않는 잡음도 증폭시킨다. 그러므로, 센서가 작은 습기 물방울에 응답할 수 있도록 습기 검출기 신호에서 원하지 않는 잡음을 복조 이후에 제거하는 것이 바람직하다.

<발명의 요약>

투명 물질의 표면상의 습기를 검출하기 위한 습기 센서가 제공된다. 습기 센서는 투명 물질상의 습기에 의해 영향을 받는 에미터 신호를 생성하는 하나 이상의 에미터와, 에미터 신호를 수신하는 하나 이상의 검출기를 포함한다. 검출기는 주위의 빛과 EMI로부터의 잡음을 포함하여 원하지 않는 신호 성분 일부를 제거하도록 복조-전 이득 및 필터링 회로(pre-demodulation gain and filtering circuit)에서 필터 처리되고 및 증폭되는 검출기 출력 신호를 생성한다. 복조 회로는 습기의 존재를 나타내는 dc 신호를 생성한다.

본 발명은 복조-전 이득 회로에 의해 생성된 많은 양의 잡음이 존재할 때 습기 이벤트로 인한 작은 신호 변화를 분간하도록 습기 신호가 복조된 이후 광범위한 디지털 신호 처리 필터링(Digital Signal Processing filtering)을 포함한다. DSP 필터링은 8 소자의 선입선출 시프트 레지스터(First In First Out shift register), 합산 소자, 및 분할 소자를 사용하여 마이크로컴퓨터에 의해 구현되는 저역 통과 필터 단을 포함한다. 필터의 출력은 8개의 이전 입력값의 평균치이다. 그 결과, 복조된 습기 신호에서의 백색 잡음은 1/8로 감쇠된다. DSP 필터링은 또한 32 소자의 선입선출 시프트 레지스터, 합산 소자, 및 분할 소자를 사용하여 마이크로컴퓨터에 의해 구현되는 대역통과 필터 단을 포함한다. 대역통과 필터는 또한 신호에서의 백색 잡음을 감소시킬 뿐만 아니라, 매우 낮은 주파수 방해의 영향도 감소시킨다.

도 1은 본 발명에 따라 앞유리의 내부 표면에 장착된 습기 센서의 투시도.

도 2는 본 발명에 따라 복조-전(pre-demodulation) 이득 및 필터링과 복조-후(post-demodulation) 디지털 신호 처리 필터링을 포함하는 도 1에 도시된 습기 센서의 블록도.

도 3은 도 2에 도시된 습기 센서에 대한 습기 센서 신호를 도시하는 그래프.

도 4는 본 발명에 따라 마이크로컴퓨터에 의해 구현되는 디지털 신호 처리 필터링(Digital Signal Processing filtering)의 블록도.

도 5는 본 발명에 따라 디지털 신호 처리 필터링의 효과를 설명하는 습기 센서 신호의 그래프.

첨부된 도면에 도시되고 이어지는 명세서에서 설명되는 특정 장치 및 처리과정은 단순히 첨부된 청구항에서 정의되는 본 발명의 개념에 대한 예시적인 실시예인 것으로 이해되어야 한다. 그래서, 본 명세서에 설명된 실시예와 관련되는 특정차원 및 다른 물리적 특성은 청구항에서 다른 방법으로 언급되지 않는 한, 제한되는 것으로 생각되지 말아야 한다.

이제 도 1을 참고해보면, 광전자 습기 센서(optoelectronic moisture sensor)가 참조부호 "10"으로 전반적으로 도시된다. 습기 센서는 결합기(12), 전자 부품(16)을 장착하는 회로 보드(14), 및 회로 보드(14)를 둘러싸도록 결합기(12)에 부착가능한 센서 하우징(18)을 포함한다.

결합기(12)는 투명 물질(20)의 반대편에 배치된 제2 표면에 있는 습기(22)의 광학적 검출을 위해 투명 물질(20)의 제1 표면에 고정된다. 투명 물질(20)은 자동차 앞유리나 냉동실 문(freezer door)과 같이 유리이지만, 습기 센서는 플렉시글라스(Plexiglass), 플라스틱, 또는 다른 투명 물질에서 습기를 검출하는데 사용될 수 있다.

결합기(12)는 결합기로부터 연장하는 콜리메이팅 본체(26)와 그 콜리메이팅 본체에 인접하여 배치된 콜리메이팅 렌즈(28)를 포함하는 콜리메이터(collimator)(24)를 포함한다. 콜리메이팅 렌즈(28)는 유리(20)의 내부 표면에 대해 45도 각도로 콜리메이팅 본체(26)를 통해 연장하는 광축(30)을 갖는다. 결합기(12)는 또한 결합기로부터 연장하는 초점 본체(34)와 그 초점 본체에 인접하여 배치된 초점 렌즈(36)를 갖춘 초점기(focuser)(32)를 포함한다. 초점 렌즈(36)는 유리(20)의 내부 표면에 대해 45도 각도로 초점 본체(34)를 통해 연장되는 광축(38)을 갖는다.

광전자 신호 에미터(40)는 참조부호 "42"로 표시된 신호를 방사하도록 콜리메이터(24)에 인접하여 회로 보드(14)에 배치된다. 신호 에미터(40)는 바람직하게는 적외선 발광 다이오드이지만, 임의의 적절한 신호 에미터가 사용될 수 있다. 방사 신호(42)는 바람직하게는 적외선 방사 신호, 즉 적외선광이지만, 임의의 적절한 신호가 사용될 수 있다. 검출기(44)는 초점기(32)에 인접하여 회로 보드(14)에 배치된다. 검출기(44)는 바람직하게는 포토다이오드이지만, 에미터 신호(42)를 수신하는 임의의 적절한 검출기가 사용될 수 있다.

습기 센서가 동작하는 동안, 에미터(40)는 콜리메이터(26)의 콜리메이팅 렌즈(28)로 진행되는 적외선 신호(42)를 방사한다. 방사 신호(42)는 콜리메이트된 빔으로 콜리메이트되고, 이 콜리메이트된 빔은 광축(30)을 따라 유리의 내부 표면에 대해 45도 각도로 유리(20) 내로 진행된다. 콜리메이트된 신호(42)는 습기의 존재가 검출될 수 있는 감지 영역(23)에서 유리(20)의 외부 표면에 부딪친다. 콜리메이팅 신호(42) 또는 그 신호 중 적어도 일부는 이어서 유리(20)를 통해 유리에 대해 45도 각도로 초점 본체(34)로 반사된다. 초점 렌즈(36)는 반사 신호(42)를 검출기(44)에 집속시킨다.

감지 영역(23)에서 앞유리에 습기(22)가 누적되면, 콜리메이트된 광빔(42) 중 일부는 초점 본체(34)로 반사되지 않고, 검출기(44)는 검출된 빛 중 더 적은 양을 나타내는 신호를 만들게 된다. 습기 감지 회로(16)는 검출기 신호를 수신하여 습기 존재에 따른 신호의 변화를 해석하고, 그에 따라 와이퍼를 제어한다.

습기 센서 중 광 부분의 동작과 와이퍼 제어 시스템과의 인터페이스에 대한 추가 상세 내용은 미국 특허 No. 4,620,141; 5,059,877; 5,239,244; 및 5,568,027과 1997년 10월 16일 출원된 미국 출원 No. 08/951,922에서 볼 수 있다. 본 출원을 위해 필요한 설명을 완성하는데 이러한 상세 내용이 필요한 범위까지, 본 명세서에 참고로 포함되는 것으로 한다. 상기에 설명된 습기 센서는 광전자 습기 센서이지만, 검출기에 의해 수신된 방사 신호를 투명 물질의 표면에서의 습기 존재를 검출하는데 사용하는 임의의 적절한 습기 센서가 사용될 수 있다.

이제는 도 2를 참고해 보면, 습기 센서(10)의 블록도가 예시된다. 습기 센서의 바람직한 실시예는 상기에 설명된 바와 같이 습기를 검출하기 위한 한 쌍의 검출기(44)와 통신하는 한 쌍의 에미터(40)를 포함한다. 에미터 구동기(56)는 에미터 신호(42)의 진폭 또는 강도를 결정하는 양의 전력을 에미터에 제공하도록 에미터(40)에 연결된다. 주기적으로 반복되는 게이트 신호 펄스(57)는 이후 설명되는 바와 같이 에미터 구동기(56)에 인가된다.

검출기(44)는 에미터 신호(42) 중 적어도 일부를 수신하도록 에미터(40)와 연결되고, 검출기 신호(도시되지 않은)를 만들어 그에 응답한다. 바람직한 실시예에서, 각 검출기(44)는 바람직하게, 상술된 바와 유사한 방식으로 각 에미터(40)로부터 에미터 신호(42)를 수신하도록 광학적으로 연결되어, 투명 물질에 4개의 감지 영역(23)을 생성한다. 그러나, 원하는 수의 감지 영역(23)을 생성하기 위해, 적절한 수의 에미터(40) 및 검출기(44)가 사용될 수 있다.

검출기(44)는 검출기 신호가 결합되어 검출기 출력 신호(59)를 만드는 공통 노드(58)에 연결된다. 바람직한 실시예에서는, 포토다이오드 검출기(44) 둘 모두가 만든 검출기 신호가 대향 진폭을 가져 결합될 때 소거되는 경향이 있도록 이 포토다이오드 검출기(44) 둘 모두가 안정된 구성으로 연결되어, 검출기 출력 신호(59)를 생성한다. 안정된 구성은 개선된 동적 범위 및 습기에 어느 정도 부가적인 감도를 제공한다. 안정된 구성은 또한 두 에미터 신호(42)에 공통되는 주위의 빛에 대한 영향을 소거하는 경향이 있고, 그리하여 주위의 빛에 대해 소정의 내성을 제공한다. 그러나, 검출기 출력 신호(59)는 여전히 주위의 빛과 전자기 간섭에 의해 생성되는 일부 원하지 않는 신호 성분을 포함한다.

이제는 도 3을 참고해보면, 에미터 구동기(56)에 의해 수신된 주기적으로 반복되는 펄스화 게이트 신호(57)가 예시되어 있다. 게이트 신호 펄스(57)는 바람직하게 50 μsec의 지속기간을 갖고 1200 Hz의 주파수로 반복되지만, 임의의 적절한 지속기간 및 주파수가 사용될 수 있다. 에미터 구동기(56)는 바람직하게 전류의 펄스를 에미터(40)에 제공함으로서 각 게이트 신호 펄스(57)에 응답하는 전류원이다. 에미터(40)는 참조부호 "42"로 도시된 펄스화 에미터 신호를 생성함으로서 각 전류 펄스에 응답한다.

검출기(44)는 수신한 반사 에미터 신호(42)의 강도에 비례하는 양의 전류가 흐르도록 허용한다. 검출기 전류(도시되지 않은)는 노드(58)에서 결합되어, 참조부호 "59"로 도시된 검출기 출력 신호를 생성한다. 바람직한 실시예에서, 검출기 출력 신호(59)는 다수의 반복 신호 간격(I)을 포함하는 펄스화 전류 신호이다. 각 신호 간격(I)은 상술된 1200 Hz의 게이트 신호 펄스 주파수를 근거로 대략 833 μsec의 지속기간을 갖지만, 임의의 적절한 지속기간이 사용될 수 있다. 각 신호 간격(I)은 검출기에 부딪치는 주위의 빛에 대한 영향 뿐만 아니라 검출기(44)에 의해 수신된 반사 에미터 신호(42)에 대한 신호 정보를 포함하는 습기 감지 신호부(M)를 포함한다. 각 신호 간격(I)은 또한 에미터가 동작하지 않을 때 주위의 빛에 대한 영향을 포함하는 광신호부(L)를 갖는다. 각 습기 감지 신호부(M)의 지속기간은 바람직하게 게이트 신호 펄스(57)의 지속기간에 대응하는 50 μsec이다.

다시 도 2를 참고해보면, 검출기 출력 신호(59)는 고이득 광대역폭의 복조-전 증폭기 및 필터 회로(60)의 입력(60a)에 연결되어 바람직하지 않은 신호 성분을 제거한다. 복조-전 증폭기 및 필터 회로(60)는 검출기 출력 신호(59)의 저주파수 신호 성분을 제파함으로써 주위 빛의 방해에 대한 영향을 감소시키기 위한 고역 통과 필터(61)를 포함한다. 고역 통과 필터(61)는 검출기 출력 신호(59) 중 습기 감지 부(M) 대부분을 통과시키면서 저주파수 방해 부분을 급격하게 감쇠시키기 위한 160 Hz의 코너 주파수를 갖는 제5차 필터(fifth order filter)인 것이 바람직하다. 그러나, 임의의 적절한 코너 주파수를 갖는 임의의 적절한 차수의 고역 통과 필터가 사용될 수 있다.

복조-전 증폭기 및 필터 회로(60)는 또한 포토다이오드(44)에서 전자와 정공의 임의 재결합 및 전자기 간섭과 같은 고주파수 잡음을 제파하기 위한 저역 통과 필터(62)를 포함한다. 저역 통과 필터(62)는 검출기 출력 신호(59)에 존재하는 대부분의 에너지를 통과시키면서 고주파수 외란을 감쇠시키기 위한 33 KHz의 코너 주파수를 갖는 제2차 필터(second order filter)인 것이 바람직하다. 그러나, 임의의 적절한 코너 주파수를 갖는 임의의 적절한 차수의 저역 통과 필터가 사용될 수 있다. 복조-전 이득 및 필터 회로(60)의 바람직한 실시예는 제5차 고역 통과 필터(61) 및 제2차 저역 통과 필터(62)를 이루도록 2개의 대역 통과 필터 및 3개의 고역 통과 필터(도시되지 않음)를 포함하는 다단의 필터를 사용한다. 그러나, 임의의 적절한 필터의 결합이 사용될 수 있다. 연산 증폭기, 저항 및 캐패시터(도시되지 않음)를 공지의 방법은 구성하여 필터(61,62)를 형성한다.

복조-전 증폭 및 필터 회로(60)는 또한 검출기 출력 신호(59)를 증폭하기 위한 이득 단(gain stage)(63)을 포함한다. 증폭기(63)는 공지된 방법으로 대역 통과 필터 중 하나에 포함되는 트랜스임피던스(transimpedance) 증폭기인 것이 바람직하지만, 임의의 공지된 신호 증폭기가 사용될 수 있다.

복조-전 회로(60)는 맥동(pulsatile) 검출기 출력 전류 신호(59)를 도 3에 도시된 바와 같이 필터 처리되고 증폭된 맥동 복조-전 전압 신호(64)로 변환한다. 복조-전 신호(64)는 복조-전 회로 출력(60b)으로부터 마이크로컴퓨터(65)에 전달된다. 마이크로컴퓨터(65)는 Microchip사에 의해 제작된 PIC12C672인 8핀 장치인 것이 바람직하지만, 임의의 적절한 마이크로컴퓨터가 사용될 수 있다.

마이크로컴퓨터(65)는 마이크로컴퓨터(65)에 의해 더 처리되도록 아날로그 복조-전 전압 펄스(64)를 디지털 형태로 변환하는 아날로그 대 디지털 변환기(66)를 포함한다. 아날로그 대 디지털 변환기(66)는 대략 20mV의 분해능(resolution)을 갖는 8-비트 변환기인 것이 바람직하지만, 임의의 적절한 분해능을 갖는 임의의 적절한 아날로그 대 디지털 변환기가 사용될 수 있다.

디지털 신호는 이어서 맥동 신호를 복조시키는 복조 단(68)에서 복조되어 센서에 의해 검출된 습기를 나타내는 진폭을 갖는 dc 전압 신호(69)를 형성한다. 마이크로컴퓨터내의 소프트웨어는 습기 감지 신호 및 수반되는 주위 빛의 방해가 존재할 때 신호 간격 I의 습기 감지부 M 동안 한번, 그리고 주위 빛의 신호만이 존재할 때 신호 간격 I의 광신호부 L 동안 한번, 감지된 신호를 신속하게 연속하여 2회 샘플링 처리한다. 주위 빛의 방해에 대한 영향은 본 명세서에서 참고로 포함되는 Teder의 미국 특허 No. 5,059,877에서 지시된 바와 같이, 시간 시프트된 선형 차동 증폭기의 소프트웨어 실현을 통해 선형적으로 감해진다.

복조 단(68)의 출력은 디지털 신호 처리(Digital Signal Processing, DSP) 필터 단(70)의 입력(70a)에 연결된다. DSP 필터 단(70)은 저역 통과 필터(72) 및 대역통과 필터(74)를 포함한다. DSP 단의 출력(70b)은 바람직하게 본 명세서에 참고로 포함되는 Teder의 미국 특허 No. 5,568,027에 의해 지시된 바와 같이, 이벤트 검출 소프트웨어를 사용하는 습기 이벤트 검출 단(76)에 연결되어, 유리 표면에서의 습기의 존재를 나타내는 출력 신호(78)를 생성한다.

습기 이벤트 검출 단(76)의 출력 신호(78)는 바람직하게 자동차 와이퍼 제어 유닛인 습기 제거 제어기(80)에 연결된다. 자동차 와이퍼 제어 유닛은 유리 상에 존재하는 습기에 응답하여 앞유리 와이퍼를 제어하도록 습기 이벤트 검출 신호를 사용할 수 있는 마이크로컴퓨터를 포함한다.

습기 센서의 복조-전 단 중 높은 복조-전 이득 및 넓은 대역의 필터링은 신호에서 많은 양의 광대역 백색 잡음을 생성한다. 대부분의 잡음은 포토다이오드에서 전자와 정공의 임의 재결합에 의해 발생된다. 이러한 잡음은 장치에 본래 있는 것이다. 다른 습기 센서의 포토다이오드도 또한 광대역 잡음을 발생시키지만, 이들 습기 센서는 광대역의 고이득 증폭기를 갖지 않는다. 복조-전 단을 통과하는 잡음량은 시스템의 대역폭에 정비례한다. 종래 기술의 시스템에서는 대역폭이 낮기 때문에, 시스템의 백색 잡음 성분은 매우 낮았다.

대조적으로, 본 발명은 유용한 습기 신호 정보를 또한 운반하는 펄스화 신호의 고조파(harmonics)를 전달하도록 수 백 kHz의 대역폭을 증폭시킨다. 이 또한 포토다이오드로부터의 많은 양의 백색잡음이 증폭되게 한다. 그 결과 잡음 레벨은 상당히 심각한데, 이는 진폭에서의 잡음 피크(peak) 변화가, 감지되는 최소 빗방울의 영향보다 더 크기 때문이다. 본 발명은 복조-후(post-demodulation) DSP 필터링 기술을 사용하여 잡음 중에서 감지된 빗방울 신호를 추출할 수 있다.

이제는 도 4를 참고해보면, 마이크로컴퓨터(65)에 의해 구현되는 DSP 필터 단(70)의 알고리즘을 도시하는 블록도가 도시된다. 저역 통과 필터부(72)는 종래 기술에 공지된 마이크로컴퓨터(65)내의 (이후에 FIFO라 칭하여지는) 선입선출(First-In First-Out) 시프트 레지스터(82)를 사용하여 구현된다. 시프트 레지스터(82)는 REG L0 내지 REG L7이라 칭하여진 8개의 레지스터를 포함한다. 제1 레지스터 REG L0은 복조-전 단(68)의 출력을 수신하도록 연결된다. LPF 단(72)은 또한 총 8개의 레지스터(L0-L7)에 포함된 값을 합산하도록 종래 기술에 공지된 마이크로컴퓨터(65)내에 합산 소자(84)를 포함한다. 합산 소자(84)의 출력은 그 합을 8로 나누는 마이크로컴퓨터(65)로 구현되는 공지된 분할 소자(86)에 연결되어, LPF의 출력값을 생성한다.

LPF 단(72)의 출력은 BPF 단(74)의 입력에 연결된다. BPF 필터 단(74)은 마이크로컴퓨터(65) 내에 FIFO 시프트 레지스터(88)를 포함한다. BPF 시프트 레지스터는 REG B0 내지 REG B31이라 칭하여진 32개의 레지스터를 포함한다. 제1 레지스터 REG B0는 LPF 단(72)의 출력값을 수신하도록 연결된다. BPF 단(74)은 또한 이후 설명될 바와 같이 32개 레지스터(B0-B31)에 포함된 값을 합산하도록 종래 기술에 공지되고 마이크로컴퓨터(65)에 의해 구현되는 합산 소자(90)를 포함한다. 합산 소자(90)의 출력은 그 합을 4로 나누는 마이크로컴퓨터(65)내의 공지된 분할 소자(92)에 연결되어, BPF의 출력값을 발생한다.

지금부터 DSP 필터 단(70)의 동작이 설명된다. 마이크로컴퓨터는 바람직하게 상기에 설명된 1200 Hz 게이트 펄스에 대응하는 반복적인 클럭 신호에 의해 동작한다. 1200 Hz 클럭 신호는 전형적인 프로그램 명령어 싸이클을 정의하고, 이는 바람직하게 상기에 설명된 신호 간격 I와 똑같은 지속기간인 대략 833 μsec를 갖는다. 그러나, 임의의 적절한 명령어 싸이클 시간이 사용될 수 있다.

각 명령어 싸이클에 한번씩, 복조된 dc 출력 신호를 나타내는 디지털 값은 LPF 시프트 레지스터(82)의 제1 레지스터(L0)에 입력된다. 레지스터(L0 내지 L7)의 이전 신호값은 각 프로그램 싸이클에 한번씩 다음에 이어지는 레지스터로 시프트된다. 예를 들면, 제1 레지스터(L0)에 저장된 이전 복조 신호값은 제2 레지스터 REG L1로 로드되고, 제2 레지스터의 값은 제3 레지스터 REG L2로 로드되어, 마지막 레지스터 REG L7의 값은 버려진다.

총 8개의 LPF FIFO 레지스터(L0-L7)의 값은 공지된 방식으로 합산 소자(84)에 의해 합산된다. 합산된 값은 이어서 그 합을 8로 나누는 분할 소자(86)에 인가되어 LPF(72)의 출력을 생성한다. LPF(72)의 출력은 매 n회 명령어 싸이클마다 한 번씩만 사용되고, 여기서 n은 LPF 시프트 레지스터에 사용되는 레지스터의 개수와 같다. 바람직한 실시예에서는 LPF 출력이 단지 매 8회 명령어 싸이클마다 사용되기 때문에, 합산 소자(84) 및 분할 소자(86)가 매 8회 명령어 싸이클마다 한 번씩 만 수행되도록 요구된다. 그러나, 합산 소자(84) 및 분할 소자(86)는 필요할 경우 각 프로그램 싸이클마다 수행될 수 있다.

이와 같이 구성되어, LPF는 복조된 습기 신호의 이전 8개 샘플에 대해 진행 중인 평균값을 취한다. 평균화는 복조 신호에서 급격한 변동을 제거하는 자연 효과를 가지므로, 그에 의해 고주파수를 제거하여 저역 통과 필터를 형성한다.

매 8회 명령어 싸이클마다 한 번씩, LPF 출력은 BPF의 제1 레지스터(B0)에 인가된다. 각 레지스터(B0-B31)는 또한 매 8회 프로그램 싸이클마다 한 번씩 시프트되어, 가장 최근의 LPF 출력값을 수신하도록 제1 레지스터에 공간을 만들어둔다. 합산 소자(90)는 레지스터(B16-B31)에 포함되는 가장 오래된 16개 샘플을 함께 합산하고,레지스터(B0-B15)에 포함되는 가장 최근의 16개 샘플을 감산한다. 이는 BPF가 가장 오래된 샘플의 평균값을 취하고, 보다 최근 샘플의 평균값을 감산한다고 말할 수 있다. LPF의 경우와 같이, 신호에서 급격한 변화의 영향이 감소되어, 제2 저역 통과 필터를 구현하게 된다.

또한, BPF로 입력되는 정상 상태값은 오래된 정상 상태값의 평균치가 최근 정상 상태값의 평균치와 동일하므로 완전히 소거된다. 유사한 방식으로, 매우 낮은 주파수의 신호 변동은 감쇠된다. 그래서, BPF의 블록은 고주파수 및 저주파수를 모두 제파하여, 설명된 바와 같이 대역통과 필터로 동작하는 경향이 있다.

BPF 분할 소자(92) 블록은 합산 블록의 출력을 4로 나눈다. 양값과 음값의 합산으로 인해 각 평균치 계산에서 16개의 샘플이 포함되었기 때문에, 분할 소자는 BPF 단의 이득을 4 만큼 효과적으로 증가시킨다. 이 소프트웨어 이득은 양자화 문제점을 일으키지 않고 원하는 신호의 레벨을 증가시키므로, 잡음층에서 원하는 신호를 이끌어내는데 도움이 된다.

각 FIFO의 레지스터 각각은 단일 8-비트 워드(word)만을 필요로 한다. 중간 합산만이 16 비트의 양으로 유지될 필요가 있다. 최종적인 분할 블록(92) 이후에는 그 결과가 다시 8 비트로 된다.

이제는 도 5를 참고해보면, DSP 필터링의 효과를 설명하는 그래프가 도시된다. 그래프의 상단선은 복조 단(68)에 의해 생성된 것을 나타내는 신호(94)를 도시한다. 복조 신호(94)는 앞서 설명된 바와 같이 ±10 카운트 사이에서 변하고 임의로 분포된 잡음 성분을 포함한다. 100개 샘플이 그래프에 주어진 시각(T₁)에서, 8 카운트의 계단 함수(step function)가 신호(94)에 도입된다. 계단 응답은 감지 영역(23) 중 하나에 떨어진 매우 작은 빗방울로부터 기인된 습기 이벤트와 비교할만하다. 계단 함수는 ±10 카운트의 잡음 보다 더 큰 크기를 갖는 잡음의 존재로 인하여 구별되기 어렵다. 이러한 상황 하에서는, 습기 이벤트의 존재를 구별하기 위한 단일 임계값 레벨을 선택하기가 쉽지 않다.

그래프의 제2 선은 저역 통과 필터(72)의 출력 신호(96)를 도시한다. 8개 샘플의 진행 평균치는 복조 신호(94)에 존재하는 고주파수 변화의 영향을 상당히 감소시킨다. 계단 함수의 존재는, 잡음에 의해 여전히 다소 흐릿하지만, 보다 빨리 나타난다. 그래프의 제3 선은 BPF(74)의 출력 신호(98)를 도시한다. 전부 32개 샘플의 추가 평균화는 잡음의 영향을 관리가능한 레벨로까지 더 감소시킨다. 필터의 저주파수 제파 특성은 계단 함수를 삼각 형상의 펄스로 변환한다. 소프트웨어 이득은 계단 함수의 진폭을 증가시킨다. 그 결과, 습기 이벤트의 영향은 명확하게 구별가능하다. 빗방울의 존재를 검출하기 위해 BPF 출력에 대해 간단한 임계값 검출이 사용될 수 있다.

도면을 살펴보면, DSP 알고리즘의 효과가 매우 명백하다. 원래 신호에서는 사람이 신호를 조사하여 비 이벤트의 존재를 알아보는 것이 어렵다. DSP 이후에는 빗방울의 영향이 확실하고, 잡음이 완전히 관리가능하다. DSP가 신호를 그렇게 효과적으로 구별하는 이유는, 이것이 출력되는 매 지점마다 256개의 입력 데이터지점의 영향을 고려하기 때문이다. 에미터로부터의 임의의 단일 펄스는 광로 이후의 잡음, 포토다이오드의 잡음, 태양의 영향, 및 이득 단에 존재하는 잡음에서 손실될 수 있다. 그러나, 256개 지점으로부터의 정보를 결합함으로써, 원하는 신호가 명백해진다. DSP 알고리즘의 뛰어난 성능에 대한 또 다른 이유는 이것의 높은 차수 때문이다. DSP 알고리즘은 사실상 제40차 필터(fortieth order filter)이다. 이러한 필터는 종래의 아날로그 기술을 사용하여서는 절대 구현되지 못한다.

Claims (26)

1. 투명 물질(20)의 표면상의 습기를 검출하고, 그에 따라 습기 제거 시스템의 작동을 제어하기 위한 광 습기 센서(moisture sensor)(10)에 있어서,

   상기 투명 물질(20)의 표면상의 습기의 존재에 의해 영향을 받는 맥동 에미터 신호(pulsatile emitter signal)(42)를 발생시키기 위한 에미터(40);

   상기 맥동 에미터 신호(42)를 수신하고 맥동 검출기 출력 신호(59)의 생성에 기여하기 위한 검출기(44);

   상기 검출기(44)에 동작되도록 연결되어 상기 맥동 검출기 출력 신호(59)를 수신하기 위한 입력과 맥동 복조-전(pre-demodulation) 신호(64)를 제공하기 위한 출력을 포함하고, 또한 필터 및 증폭기(63)를 포함하는 복조-전 회로(60);

   상기 맥동 복조-전 신호(64)를, 변동하는 잡음 성분을 갖는 dc 신호(69)로 변환시키기 위한 복조 회로(68); 및

   신호 복조 후에 상기 dc 신호(69)로부터 상기 변동하는 잡음 성분을 필터 처리하여 필터 처리된 dc 출력(70b)을 생성하기 위한 디지털 신호 처리 필터 단(70)

   을 포함하고,

   상기 디지털 신호 처리 필터 단(70)은, 상기 dc 출력(70b)의 연속값을 저장하기 위한 소정의 개수의 레지스터(82)를 포함하는 마이크로컴퓨터(65)에 의해 구현되는 광 습기 센서.
2. 삭제
3. 제1항에 있어서,

   상기 디지털 신호 처리 필터 단(70)은 소정의 개수의 레지스터(82)를 포함하고, 상기 마이크로컴퓨터(65)에 의해 구현되는 저역 통과 필터(72)를 포함하는 광 습기 센서.
4. 제1항에 있어서,

   상기 디지털 신호 처리 필터 단(70)은 대역통과 필터 단(74)을 포함하는 광 습기 센서.
5. 삭제
6. 제3항에 있어서,

   상기 마이크로컴퓨터(65)는 상기 저역 통과 필터(72)를 구현하도록 상기 dc 출력(70b)의 8개의 연속값을 저장하기 위한 8개의 레지스터(82)를 포함하는 광 습기 센서.
7. 제3항에 있어서,

   상기 저역 통과 필터(72)는 상기 저장된 값의 합을 제공하도록 상기 마이크로컴퓨터(65)에 의해 구현되는 합산 소자(84)를 포함하는 광 습기 센서.
8. 제7항에 있어서,

   상기 저역 통과 필터(72)는 상기 저장된 값의 합을 소정의 수로 나누도록 상기 마이크로컴퓨터(65)에 의해 구현되는 분할 소자(86)를 포함하는 광 습기 센서.
9. 제8항에 있어서,

   상기 분할 소자(86)는 상기 저장된 값의 합을 8로 나누는 광 습기 센서.
10. 제4항에 있어서,

    상기 마이크로컴퓨터(65)는 상기 대역통과 필터 단(74)을 구현하도록 연속적인 입력값을 저장하기 위한 소정의 수의 레지스터(88)를 포함하는 광 습기 센서.
11. 제10항에 있어서,

    상기 마이크로컴퓨터(65)는 상기 대역통과 필터 단(74)을 구현하도록 32개의 연속적인 입력값을 저장하기 위한 32개의 레지스터(88)를 포함하는 광 습기 센서.
12. 제10항에 있어서,

    상기 대역통과 필터 단(74)은 상기 저장된 입력값 중 제1 부분을 합산하고 상기 저장된 입력값 중 제2 부분을 감산하여 합산 출력값을 제공하도록 상기 마이크로컴퓨터(65)에 의해 구현되는 합산 소자(90)를 포함하는 광 습기 센서.
13. 제12항에 있어서,

    상기 합산 소자(90)는 상기 저장된 값 중 가장 오래된 것들을 합산하고 상기 저장된 값 중 가장 최근 것들을 감산하는 광 습기 센서.
14. 제12항에 있어서,

    상기 대역통과 필터 단(74)은 상기 합산 출력값을 소정의 수로 나누도록 상기 마이크로컴퓨터(65)에 의해 구현되는 분할 소자(92)를 포함하는 광 습기 센서.
15. 에미터(40) 및 검출기(44)를 구비한 광 습기 센서(10)로 투명 물질(20)의 표면상의 습기를 검출하기 위한 방법에 있어서,

    상기 에미터(40)로부터 상기 투명 물질(20)의 표면으로부터 반사되는 맥동 신호(42)를 방사하는 단계 - 상기 맥동 신호(42)는 상기 투명 물질(20)상의 습기의 존재에 의해 영향을 받음 -;

    상기 반사된 맥동 신호(42)를 검출하여 맥동 검출 출력 신호(59)를 생성하는 단계;

    상기 맥동 검출 출력 신호(59)를 증폭하는 단계;

    상기 맥동 검출 출력 신호(59)를 필터 처리하는 단계;

    상기 맥동 검출 출력 신호(59)를 복조하여 변동하는 잡음 성분을 갖는 dc 신호(69)를 생성하는 단계;

    디지털 신호 처리 필터 단(70)을 이용하여 상기 변동하는 잡음 성분을 제거하도록 상기 dc 신호(69)를 필터 처리하는 단계 - 상기 dc 신호(69)를 필터 처리하는 단계는 소정의 수의 상기 dc 신호값(69)을 저장하고 상기 소정의 수의 dc 신호값(69)을 합산하는 단계를 포함함 -; 및

    상기 필터 처리된 dc 신호(70b)로 상기 투명 물질(20)상의 습기의 존재를 검출하는 단계

    를 포함하는 투명 물질 표면상의 습기를 검출하기 위한 방법.
16. 제15항에 있어서,

    상기 dc 신호(69)를 필터 처리하는 단계는 저역 통과 필터 처리를 수행하는 방법.
17. 제15항에 있어서,

    상기 dc 신호(69)를 필터 처리하는 단계는 연속적인 8개의 dc 신호값(69)을 저장하는 단계를 포함하는 방법.
18. 제17항에 있어서,

    상기 dc 신호(69)를 필터 처리하는 단계는 상기 저장된 소정의 연속적인 개수의 dc 신호값(69)을 합산하는 단계를 포함하는 방법.
19. 제18항에 있어서,

    상기 dc 신호(69)를 필터 처리하는 단계는 상기 합산된 dc 신호값(69)을 소정의 수로 나누어 저역 통과 필터 처리된 dc 신호를 생성하는 단계를 포함하는 방법.
20. 제19항에 있어서,

    상기 dc 신호(69)를 필터 처리하는 단계는 상기 합산된 dc 신호값(69)을 8로 나누어 저역 통과 필터 처리된 dc 신호를 생성하는 단계를 포함하는 방법.
21. 제20항에 있어서,

    상기 dc 신호(69)를 필터 처리하는 단계는 소정의 연속적인 개수의 저역 통과 필터 처리된 dc 신호를 저장하는 단계를 포함하는 방법.
22. 제21항에 있어서,

    상기 개수는 32인 방법.
23. 삭제
24. 제22항에 있어서,

    상기 dc 신호(69)를 필터 처리하는 단계는 저장된 상기 저역 통과 필터 처리 신호 중 가장 오래된 것들을 합산하고 저장된 상기 저역 통과 필터 처리 신호 중 가장 최근 것들을 감산하여 합산 출력값을 제공하는 단계를 포함하는 방법.
25. 제24항에 있어서,

    상기 dc 신호(69)를 필터 처리하는 단계는 상기 합산 출력값을 소정의 수로 나누는 단계를 포함하는 방법.
26. 제25항에 있어서,

    상기 dc 신호(69)를 필터 처리하는 단계는 상기 합산 출력값을 4로 나누는 단계를 포함하는 방법.

Images