用于具有噪声稳健性的电容传感器系统的信号处理

摘要

一种电容传感器包含：发射电极，其经配置以提供交流电场到传感器；一或多个接收电极，其用于检测所述交流电场的变动；及自适应频率调整单元，其经配置以响应于噪声量度(例如噪声功率)的检测而调整所述交流电场的操作频率。

说明书

相关申请案的交叉参考

本申请案主张2012年8月16日申请的第61/684,009号美国临时专利申请案的优先 权，所述临时专利申请案的全文如同在本文中完全陈述般以引用的方式并入本文中。

技术领域

本发明涉及用于电容传感器系统的方法及系统，特定来说涉及此些系统中的信号处 理。

背景技术

可通过生成交流电场并在此电场内的传感器电极处测量一次循环中所获得的电势 差(即，电压)来实现电容传感器系统。可使用单电极或发射电极及一或多个接收电极。 此电压为传感器电极与其电环境之间的电容的量度，即，其受比如人的手指或手等物体 影响。此外，举例来说，可从这个电压推断手指的距离。此信息可用于人机接口。

根据上述原理操作的常规系统的问题在于：电噪声源(例如荧光灯或USB充电器) 可能影响电场。因此，在噪声环境中精确而可靠地估计此电压是成问题的。

发明内容

根据各个实施例，提供一种在具有频率选择性噪声的环境中实施操作频率的自动调 适的电容传感器系统。根据实施例的一种电容传感器包含：发射电极，其经配置以提供 交流电场到传感器；一或多个接收电极，其用于检测所述交流电场的变动；及自适应频 率调整单元，其经配置以响应于噪声量度(例如噪声功率)的检测而调整所述交流电场的 操作频率。在一些实施例中，所述自适应频率调整单元经配置以确定潜在操作频率下的 多个噪声功率且选择新操作频率。

根据实施例的一种用于向电容感测系统提供噪声稳健性的方法包含：界定多个潜在 操作发射频率；确定对应于所述潜在操作频率的每一者的对应噪声量度；在所述多个潜 在操作发射频率的一者下操作所述电容感测系统；测量所述操作频率下的操作噪声量 度；及响应于所述测得的操作噪声量度的值而选择新操作频率。

根据实施例的一种电容传感器系统包含：发射电极，其经配置以提供交流电场到传 感器；一或多个接收电极，其用于检测所述交流电场的变动；及自适应频率调整单元， 其经配置以根据将所述电容传感器系统模型化为具有直接取样及同步解调的振幅调制 系统而调整所述交流电场的操作频率。在一些实施例中，所述自适应频率调整单元经配 置以确定潜在操作频率下的多个噪声量度且选择对应于所述多个噪声量度的最小值或 最大值的操作频率。

根据实施例的一种传感器系统包含经受噪声且与接收噪声信号的信号处理单元耦 合的交流电场传感器布置，其中所述信号处理单元将所述噪声信号转换成数字信号，其 中所述信号处理单元进一步经配置以通过与(-1)^k(其中k指示离散时间)相乘、随后进行 低通滤波、随后进行R倍抽取及进一步进行低通滤波来解调经取样的信号。所述信号处 理单元进一步可操作以根据经处理的信号执行距离估计、定位或手势辨认。所述交流电 场可由脉冲信号生成。

结合下文描述及随附图式考虑时将更好地了解及理解本发明的这些及其它方面。然 而，应了解，尽管下文描述指示本发明及其诸多具体细节的各个实施例，但其仅具说明 性而非限制性。在不背离本发明的精神的情况下，可在本发明的范围内进行诸多替换、 修改、添加及/或重新布置，且本发明包含所有此些替换、修改、添加及/或重新布置。

附图说明

包含构成本说明书的一部分的随附图式以描绘本发明的某些方面。应注意，图式中 所说明的特征不一定按比例绘制。通过参考结合随附图式进行的下文描述，可获取对本 发明及其优点的更完全理解，其中随附图式中相似参考数字指示相似特征，且其中：

图1描绘示范性电容感测的图示。

图2描绘示范性电容传感器的图示。

图3说明示范性噪声及噪声消减。

图4描绘示范性电容传感器的图示。

图5更详细描绘图4的示范性电容传感器。

图6为示范性噪声功率频谱密度。

图7为噪声输入信号的示范性功率频谱密度。

图8为经取样的噪声输入信号的示范性功率频谱密度。

图9为展示所关注信号的示意频谱。

图10为说明根据实施例的过程流程的视图。

图11为实施根据实施例的方法的示范性系统。

具体实施方式

参考随附图式中所说明及下文描述中所详述的示范性且因此非限制性实施例，可更 充分解释本发明及其各种特征及有利细节。然而，应了解，尽管详细描述及具体实例指 示优选实施例，但其仅具说明性而非限制性。可省略已知的编程技术、计算机软件、硬 件、操作平台及协议的描述以免不必要地使本发明的细节难以理解。所属领域的技术人 员从本发明将明白基本发明概念的精神及/或范围内的各种替换、修改、添加及/或重新 布置。

现转到图式且尤其关注图1，图中展示用于估计交流电场的示范性传感器电极布置 100。所述传感器电极布置包含多个接收电极106a-106e及一或多个发射电极104。一或 多个接收电极106a-e通常布置在发射电极104上方的层中，且其中绝缘层(未展示)布置 在发射电极与接收电极之间。传感器电极布置100经配置以确定物体(例如手指102)对 交流电场的效应。借此可确定手指102与传感器电极布置之间的距离108。

更特定来说，根据各个实施例，前端装置通过测量接收电极与手指(GND)之间的电 容来估计手指102与传感器布置之间的距离。由交流电压激发电容分压器处的电势变化。

这参考图2示意说明。特定来说，图2展示位于具有发射器电极E_TX及接收器电极 E_RX的电容传感器系统200的横截面上方的距离x_O处的人的手指102。使用矩形脉冲串 电压源202来激发E_TX，其中电源电阻R_s及E_TX与接地(GND)之间的电容C_TX形成低通 滤波器。矩形脉冲串电压通常具有40kHz-140kHz的频率。E_RX与GND之间的可变电 容C_f受控于E_RX与手指102之间的电容，所述电容取决于手指与E_RX之间的距离x_O。 C_f及E_TX与E_RX之间的恒定电容Cs建立电容分压器204。因此，电压V_f为x_O的函数。

应注意，图式中省略对传感器系统的基本理解不太重要的另外电容。此外，电容 C_f不仅取决于距离x_O，而且取决于指尖的三维位置、手的定向、手的大小等。

图3说明集成前端装置的输出信号300、302。输出信号300展示根据实施例的无噪 声矫正(即，自动频率调适)的输出信号，而输出信号302为根据实施例的具有自动频率 调适的输出。如所展示，在304处接通噪声源(例如荧光灯)。传感器信号307a展示噪声 的效应，而信号307b展示清晰的无噪声信号。

如下文将更详细解释，根据各个实施例，可向例如集成前端电路提供对传感器电极 布置的噪声稳健性用于直接估计传感器信号。根据各个实施例，可自动估计信道噪声且 可选择最佳操作频率。

图4说明根据各个实施例的示范性电容传感器400。电压源V_TX的输出在403处进 行低通滤波且驱动电容分压器404。接收电极E_RX可连接到任选缓冲器406、模拟带通 滤波器408及模/数转换器(ADC)410(其执行直接取样)。ADC 410可与电压源同步以在每 一发射器周期内取样两次。将ADC的输出馈送到数字信号处理(DSP)单元412中。如下 文将更详细解释，DSP 412经由控制路径414控制振荡器V_TX以在面对噪声情况时选择 最佳操作频率。

图5说明图4的电容传感器的通信理论模型。特定来说，如下文将更详细解释，电 容传感器可模型化为具有直接取样的振幅调制系统。示范性取样频率可为例如发射信号 V_TX的频率的两倍。举例来说，如果f_TX为100kHz，那么f_s＝1/T_s＝2f_TX＝200kHz。应注 意，其它频率可行。

根据各个实施例，数字信号处理块412可实施数字解调506、R倍向下取样(例如到 f_s'＝200Hz，其中R＝1000)(即，低通滤波508)以及后续抽取510、低通滤波512、频率相 依信号调整514，及后续定位及手势辨认516。

更特定来说，低通滤波器403的输出(即，经低通滤波的矩形脉冲串402)可模型化 为载波信号c(t)，其中t表示连续时间。载波信号c(t)在501处以作为电容C_f(图2、图 4)的函数的[m0+m(t)]调制以产生y(t)。

在502处，信号y(t)已添加到其随机噪声e(t)。随机噪声e(t)可表示例如来自荧光灯 泡或其它源的噪声。所得噪声信号z(t)＝y(t)+e(t)在504处以离散时间k*T_s取样，其中 T_s＝1/(2*f_TX)为发射器频率f_TX的两倍的倒数且k＝0、1、2…为离散时间指数。

ADC 410将时间离散信号转换成数字域。接着，由DSP 412处理ADC输出z(k)。 在所说明实例中，信号z(k)在506处通过与(-1)^k相乘进行数字解调、进行低通滤波508、 进行R(通常400-1400)倍抽取510及进行二次低通滤波512以仅含有手移动的频率(通常 0-20Hz)。接着，所述信号用于比如距离估计、定位或手势辨认516等进一步处理。自 动频率调适(AFA)模块514接收抽取器输出且提供控制信号用于调整所述信号以提供对 频率选择性噪声的稳健性。

图6展示作为外部噪声源的实例的荧光灯的功率频谱密度(PSD)。此PSD(其已在系 统的ADC输入处测得)展示谐波窄带发射。如果系统的TX频率f_TX(即，载波频率)符合 这些发射的一者，那么对系统辨认用户输入有影响。图7展示比如荧光灯等外部噪声源 的更详细频谱。所述频谱还包含具有示范性频率70kHz的系统的矩形TX信号的不同峰 值。在此实例中，f_TX及其谐波与噪声源的发射不一致。

根据模拟带通滤波器408的陡度，即使以f_TX数倍的发射也将影响系统。举例来说， 图8展示归因于不够陡的模拟带通滤波器之后的取样在(200-3*47)＝59kHz下为200kHz 频带的图6中PSD中的47kHz噪声峰值的三次谐波。

图9中示意描绘在向下取样510之后所获得的频谱。经向下取样的信号的频谱窄于 图8中的噪声峰值。外部噪声的PSD此时呈平坦的。外部噪声功率908的估计值位于(例 如)70-90Hz的频带中。

向下取样之后的频谱的分量为：a)有用信号(0-20Hz)902；b)已知低频噪声，例如主 电源(即，50或60Hz线)电压904，其已归因于非线性系统组件而调制到载波上；及c) 噪声底限906，其表示高频源，例如荧光灯。所关注频率下的噪声底限906近似呈平坦 的且在不存在高频(HF)噪声的情况下相对较低。

如果电流f_TX位于其宽度超过经解调信号的取样率(其为典型情况)的噪声频带中，那 么此噪声底限906将升高。因此，可测量不含有用信号902或已知低频噪声904的任何 频带中(例如频带908中)的经向下取样信号中的HF噪声功率。

根据各个实施例，自动频率调适(AFA)单元518采用此噪声功率测量技术。然而， 其它噪声测量可行。

现转到图10，图中展示说明根据实施例的示范性过程的视图。在1002处，AFA 518 在系统启动时或在无用户活动被辨认时(或基于任何其它合适事件)对预界定组1004的 TX频率(例如范围40-140kHz中的8个频率)执行一系列噪声功率测量。举例来说，在 图9中所展示的频带(例如908)中进行测量。将相应测得的噪声功率保存在专用阵列1006 中。基于出射准则，例如如果组1004中的所有频率已被研究或用户活动的开始被辨认， 那么系统以固定TX频率(f_TX)操作。可选择此频率为展示噪声功率阵列1006中的最低值 的频率。

在用户活动时，AFA定期测量当前操作频率f_TX下的噪声功率1008。如果噪声功率 的值超过某个阈值，那么调整TX频率f_TX到具有更低噪声功率的不同频率。举例来说， 在一些实施例中，将频率变更为对应于噪声功率阵列1006中的最低值的频率。

此外，在一些实施例中，AFA可触发DSP中的频率相依调整(例如向下取样率)且可 作出调整以对后续处理步骤提供频率非相依数据。还将关于信号可靠性的信息传递到 DSP块。例如，取决于信号可靠性，调整滤波器增益。还可调整概率阈值的信号电平阈 值以触发一些功能性或其它(例如)概率参数。

如果测得的噪声值超过所有频率下的预界定阈值，那么系统可被视为无法操作，其 可发信号到主机单元(图11)。接着，继续搜索无噪声操作频率。

在另一实施例中，可通过计算经低通滤波信号902的功率与总功率的比率并将此比 率与预界定阈值比较来实施噪声检测。或者，可评估不含手势的任何子频带。

大量研究表明：荧光灯及USB充电器的频谱噪声频带通常明显宽于抽取取样率， 其证明经抽取信号的相对较平噪声频谱的假设。这容许在经抽取信号(其不被目标信号或 其它已知低频噪声源覆盖)的子频带中检测HF噪声源。

现转到图11，框图说明根据实施例的包含噪声稳健性的传感器系统1100的特定实 施方案。系统1100包含感测控制器1101、感测电极1102及主机系统1103。感测电极 1102可实施例如图1中所展示的配置。主机1103可为可利用电容传感器信号及/或源于 电容传感器信号的信息或数据的任何系统，例如蜂窝式电话、膝上型计算机、I/O装置 等。

在所说明的实例中，TX信号生成器1104提供发射器信号V_TX到发射电极TXD。在 信号调节模块1106处接收接收电极RX0到RX4用于实施滤波等。信号调节的输出提供 到ADC 1107且经由信号线或其它媒体(例如总线1108)提供到信号处理单元1108。信号 处理单元1108可实施DSP(图5、图10)的功能。所得输出可经由IO单元1118提供到主 机1103。

系统可进一步包含各种额外模块，例如内部时钟1109、存储器(例如快闪存储器 1112)、电压参考1110、电力管理1114、低电力唤醒1116、复位控制1122及通信控制 1120。

尽管已关于本发明的具体实施例描述本发明，但这些实施例仅说明而非限制本发 明。本发明的所说明实施例的本文描述(其包含【说明书摘要】及【发明内容】中的描述) 并不希望为详尽的或将本发明限于本文中所揭示的精确形式(且特定来说，【说明书摘要】 或【发明内容】内包含任何特定实施例、特征或功能并不希望将本发明的范围限于此实 施例、特征或功能)。事实上，所述描述希望描写说明性实施例、特征及功能以使所属领 域的一般技术人员理解本发明且不将本发明限于任何特别描述的实施例、特征或功能(其 包含【说明书摘要】或【发明内容】中所描述的任何此类实施例、特征或功能)。尽管本 文中仅出于说明性目的描述本发明的具体实施例及实例，但各种等效修改在本发明的精 神及范围内是可行的，如相关领域的技术人员将意识到及了解。如所指示，可鉴于本发 明的所说明实施例的前文描述对本发明作出这些修改，且这些修改将包含在本发明的精 神及范围内。因此，尽管本文中已参考本发明的特定实施例描述本发明，但前文揭示内 容中希望进行大量修改、各种变更及替换，且应了解，在一些实例中，在不背离如所陈 述的本发明的范围及精神的情况下将采用本发明的实施例的一些特征且无需对应地使 用其它特征。因此，可作出诸多修改以使特定情况或材料适于本发明的基本范围及精神。

遍及本说明书，对“一个实施例”、“一实施例”或“具体实施例”或类似术语的参 考意味着结合所述实施例描述的特定特征、结构或特性包含在至少一个实施例中且不一 定存在于所有实施例中。因此，在遍及本说明书的各处短语“在一个实施例中”、“在一 实施例中”或“在具体实施例中”或类似术语的相应出现未必是指相同实施例。此外， 任何特定实施例的特定特征、结构或特性可按任何合适方式与一或多个其它实施例组 合。应了解，本文中所描述及所说明的实施例的其它变动及修改鉴于本文中的教示是可 行的且应被视为本发明的精神及范围的一部分。

在本文描述中，提供诸多具体细节(例如组件及/或方法的实例)以提供对本发明的实 施例的完全理解。然而，相关领域的相关技术人员将意识到，能够在无所述具体细节的 一或多者的情况下或借助于其它设备、系统、组合件、方法、组件、材料、部件等实践 实施例。在其它实例中，未特别详细地展示或描述众所周知的结构、组件、系统、材料 或操作以免使本发明的实施例的方面难以理解。虽然可通过使用特定实施例说明本发 明，但这非必然且并不将本发明限于任何特定实施例，且所属领域的一般技术人员将意 识到，额外实施例是易于理解的且为本发明的一部分。

任何合适编程语言(包含C、C++、Java、汇编语言等)可用于实施本文中所描述的本 发明的实施例的例程、方法或程序。可采用不同编程技术，例如面向程序或对象的编程。 可在单计算机处理装置或多个计算机处理装置、单计算机处理器或多个计算机处理器上 执行任何特定例程。数据可存储在单存储媒体中或分布遍及多个存储媒体，且可驻留在 单数据库或多个数据库中(或其它数据存储技术)。尽管可按具体次序呈现步骤、操作或 计算，但此次序在不同实施例中可变更。在一些实施例中，就本说明书中展示为循序的 多个步骤而言，在替代实施例中可同时执行此些步骤的某个组合。可由另一过程(例如操 作系统、核心等)中断、暂停或以其它方式控制本文中所描述的操作序列。例程可在操作 系统环境中操作或作为独立例程。可在硬件、软件、固件或其任何组合中执行本文中所 描述的功能、例程、方法、步骤及操作。

可在软件或硬件或两者的组合中以控制逻辑的形式实施本文中所描述的实施例。控 制逻辑可存储在信息存储媒体(例如计算机可读媒体)中作为适于引导信息处理装置执行 各个实施例中所揭示的一组步骤的多个指令。基于本文中所提供的揭示内容及教示，所 属领域的一般技术人员将明白实施本发明的其它方式及/或方法。

在软件编程或代码中实施本文中所描述的步骤、操作、方法、例程或其部分的任一 者也在本发明的精神及范围内，其中此软件编程或代码可存储在计算机可读媒体中且可 由处理器操作以允许计算机执行本文中所描述的步骤、操作、方法、例程或其部分的任 一者。可通过在一或多个通用数字计算机中使用软件编程或代码、通过使用专用集成电 路、可编程逻辑装置、现场可编程门阵列等来实施本发明。可使用光学、化学、生物、 量子或纳米工程系统、组件及机构。一般来说，本发明的功能可通过所属领域中已知的 任何构件实现。例如，可使用分布式或联网式系统、组件及电路。在另一实例中，数据 的通信或传送(或以其它方式从一个位置移动到另一位置)可有线地、无线地或通过任何 其它方式进行。

“计算机可读媒体”可为可含有、存储、传达、传播或输送供指令执行系统、设备、 系统或装置使用或结合指令执行系统、设备、系统或装置使用的程序的任何媒体。计算 机可读媒体可为仅举例来说(但不限于)电子、磁性、光学、电磁、红外或半导体系统、 设备、系统、装置、传播媒体或计算机存储器。此计算机可读媒体通常应为机器可读媒 体且包含人类可读(例如，源代码)或机器可读(例如，目标代码)的软件编程或代码。非暂 时性计算机可读媒体的实例可包含随机存取存储器、只读存储器、硬盘驱动器、数据匣、 磁带、软盘、快闪存储器驱动器、光学数据存储装置、光盘只读存储器，及其它适当计 算机存储器及数据存储装置。在说明性实施例中，软件组件的一些或所有可驻留在单服 务器计算机上或驻留在单独服务器计算机的任何组合上。所属领域的技术人员应了解， 本文中所揭示的实施实施例的计算机程序产品可包括存储在计算环境中可由一或多个 处理器转译的计算机指令的一或多个非暂时性计算机可读媒体。

“处理器”包含处理数据、信号或其它信息的任何硬件系统、机构或组件。处理器 可包含具有通用中央处理单元、多个处理单元、用于实现功能的专用电路、或其它系统 的系统。处理无需受限于地理位置或具有时间限制。例如，处理器可“实时”、“脱机”、 在“批次模式”中等执行其功能。可由不同(或相同)处理系统在不同时间及不同位置执 行部分处理。

如本文中所使用，术语“包括”(“comprises”/“comprising”)、“包含”(“includes” /“including”)、“具有”(“has”/“having”)或其任何其它变形希望涵盖非排除性包含。 例如，包括一系列元件的过程、产品、物件或设备不一定仅限于那些元件，而是可包含 未明确列举的或此过程、产品、物件或设备固有的其它元件。

此外，除非另有说明，否则如本文中所使用的术语“或”通常希望意指“及/或”。 例如，条件A或B满足下列任一者：A为真(或存在)且B为假(或不存在)；A为假(或不 存在)且B为真(或存在)；以及A及B两者为真(或存在)。如本文中所使用(包含所附权 利要求书)，除非在权利要求书内另有明确指示(即，参考“一”(“a”/“an”)明确指示 仅为单数或仅为复数)，否则前面加上“一”(及“所述”，前提为前文已出现过“一”) 的术语包含此术语的单数形式及复数形式两者。并且，如本文描述中及遍及所附权利要 求书中所使用，除非上下文另有明确说明，否则“在…中”的含义包含“在…中”及“在… 上”。

应明白，图式/图中所描绘的元件的一或多者还可按更分离或更集成的方式实施，乃 至被移除或在某些情况中呈现为无法操作，如根据特定应用所使用。此外，除非另有具 体说明，否则图式/图中的任何信号箭头应被视为仅具示范性而非限制性。