CN111699629A - 对电容式传感器的诊断 - Google Patents
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Abstract
用于确定至少一个电容式感测‑保护传感器的复电流的电容测量电路(100)包括：交变信号电压源(12)，其中，每个保护电极可电连接到信号电压源(12)；电流测量电路(10)，所述电流测量电路(10)包括至少一个测量通道(26)以确定通过感测电极的测量电流，并且包括至少一个诊断通道(34)以参考AC地电势(16)来确定流动通过电容式传感器的保护电极和感测电极的诊断电流；以及远程可控开关单元(42)，所述远程可控开关单元(42)被配置为在测量开关状态下将电容式传感器的感测电极电连接到测量通道(26)，并且被配置为在诊断开关状态下将感测电极电连接到诊断通道(34)。
Description
技术领域
本发明涉及用于确定至少一个电容式传感器的复电流的电容测量电路，涉及包括这样的电容测量电路的电容式感测***，涉及关于电容式传感器诊断的操作这样的电容式感测***的方法，并且涉及用于控制这样的方法的自动执行的软件模块。
背景技术
电容式测量和/或检测***具有广泛的应用，并且尤其广泛地用于检测在***的电极附近的导电体的存在和/或位置。称之为一些电场传感器或接近度传感器的电容式传感器是指响应于被感测到的东西(人、人体的一部分、宠物、物体等)对电场的影响而生成信号的传感器。电容式传感器通常包括至少一个天线电极，在传感器操作时，对该天线电极施加振荡的电信号，并且天线电极随即在接近该天线电极的空间区域中建立电场。传感器包括至少一个感测电极—该感测电极可以包括一个或多个天线电极本身—在该感测电极处可以检测到物体或生物对电场的影响。
例如，在由JR Smith等人于1998年发表在IEEE Computer Graphics andApplications(18(3)：54-60)上的题为“用于图形界面的电场感测(Electric FieldSensing for Graphical Interfaces)”的技术论文中解释了不同的电容式感测机制。该论文描述了用于进行非接触式三维位置测量，并且更具体地，用于感测人手的位置以用于向计算机提供三维位置输入的目的的电场感测的概念。在电容式感测的一般概念内，作者区分了不同的机制，指的是对应于各种可能的电流路径的“负载模式”、“分流模式”和“发射模式”。在“负载模式”下，对发射电极施加振荡电压信号，发射电极构建到地的振荡电场。待感测的物体修改发射电极与地之间的电容。在“分流模式”(替代地也称为“耦合模式”)下，对发射电极施加振荡电压信号，从而构建到接收电极的电场，并且测量在接收电极处感应到的位移电流，从而位移电流可以被感测到的身体修改。在“发射模式”下，发射电极与用户的身体接触，然后用户的身体通过直接电连接或经由电容式耦合而相对于接收器成为发射器。
通常，通过对电容式天线电极施加交变电压信号，并且通过测量从天线电极(在负载模式下)流向地或在耦合模式的情况下流入第二电极(接收电极)中的电流来确定电容式耦合。该电流通常借助于跨阻抗放大器来测量，该跨阻抗放大器连接到感测电极并且将流入所述感测电极的电流转换为与流入天线电极的电流成比例的电压。
一些电容式传感器被设计为具有单个感测电极的仅感测电容式传感器。而且，经常使用包括彼此靠近布置并且彼此相互绝缘的感测电极和保护电极的电容式传感器。这种“保护”技术在本领域中是众所周知的，并且频繁用于有意地掩盖电容式传感器的灵敏度范围，并因此对该灵敏度范围塑形。为此，保护电极保持在与感测电极相同的AC电势。结果，感测电极和保护电极之间的空间没有电场，并且保护-感测电容式传感器在感测电极和保护电极之间的方向上不灵敏。
例如，专利文献US 8,354,936 B2描述了用于车辆的电容式乘客检测器。电容式乘客检测器包括主电极、子电极和保护电极。主电极和子电极彼此分开，并且设置在车辆的座椅中。保护电极设置在主电极与车辆的主体之间，并且与主电极分开。灵敏特性测量单元分别被配置用于选择性地或全部地向主电极、子电极和保护电极施加交变电压信号，并且用于将在主电极、子电极和保护电极中生成的电流转换为电压。电容式乘客检测器还包括控制器，当主电极的电压和保护电极的电压具有相同的电势时，该控制器将流动通过保护电极的电流定义为参考电流。当主电极的电压高于保护电极的电压时，控制器将流动通过保护电极的电流的电流流动方向定义为负方向。当主电极的电压低于保护电极的电压时，控制器将流动通过保护电极的电流的电流流动方向定义为正方向。控制器基于流动通过保护电极的电流来校正主电极的电压，从而将校正后的主电极的电压设定为乘客确定数据。即使在主电极和保护电极之间生成电势差时，控制器也可以正确地检测乘客的电容。
在安全气囊***或其他安全相关应用的控制中使用的电容式感测***可以被认为是与安全有关的***部件。因此，可能有必要监测传感器的不同部件(感测电极和/或保护电极)的良好功能，以排除电容式占用或接近度检测***的错误读数。
在现有技术中已经提出了供应具有用于检测电容式传感器中断、特别是保护电极中断的诊断装置的电容式测量电路。
例如，国际申请WO 2017/129552 A1描述了电容测量电路，该电容测量电路用于确定具有感测电极和保护电极的电容式传感器的感测电流。电容测量电路包括周期性信号电压源、被配置用于参考参考电压来确定感测电流的感测电流测量电路、以及至少一个远程可控开关构件。该构造使得在第一开关状态下，至少一个开关构件将感测电流测量电路电连接到用于提供第一参考电压的周期性测量电压，并且在第二开关状态下，至少一个开关构件将感测电流测量电路电连接到与第一参考电压不同的第二参考电压。通过将感测电流测量电路连接到与第一参考电压不同的第二参考电压来有意地改变用于确定感测电流的参考电压，可以由感测电流测量电路生成可以指示电中断的信号，其中，该中断可以包括相应的感测电缆和保护电缆与连接构件之间的电连接的任何中断。
发明内容
发明目的
因此，本发明的目的是提供改善的电容式感测***以及用于电容式感测***(特别是用于汽车应用)的尽可能全面的诊断概念，所述诊断概念尤其适用于多通道电容式感测***，并且可以以较低的硬件工作量和适中的成本来实现。
发明的通用描述
在本发明的一个方面中，该目的通过用于确定至少一个电容式传感器的复电流的电容测量电路来实现，该至少一个电容式传感器包括彼此靠近布置的至少一个导电感测电极和至少一个导电保护电极。至少一个导电感测电极和至少一个导电保护电极可以例如彼此相互电分开。然而，这不是必需的。例如，感测电极和保护电极之间的电阻连接可以用于诊断目的。
电容测量电路包括至少一个交变信号电压源、电流测量电路和远程可控开关单元。
至少一个交变信号电压源被配置用于在输出端口处提供交变测量电压，其中，每个保护电极可电连接到输出端口以用于接收交变测量电压。
电流测量电路包括至少一个测量通道和至少一个诊断通道。至少一个测量通道包括测量电流-电压转换器，该测量电流-电压转换器被配置为参考交变测量电压来确定通过感测电极的指示物体相对于电容式传感器的位置的测量电流。至少一个诊断通道包括诊断电流-电压转换器，所述诊断电流-电压转换器被配置为参考AC地电势(交变电流地电势)来确定流动通过连接到诊断电流-电压转换器的电容式传感器的保护电极和感测电极的诊断电流。
远程可控开关单元包括用于每个电容式传感器的多个操作耦合的开关构件。在关于电容式传感器的测量开关状态下，开关单元被配置为将电容式传感器的感测电极电连接到至少一个测量通道中的一个的测量电流-电压转换器的信号输入端口。在关于电容式传感器的诊断开关状态下，开关单元被配置为将感测电极电连接到至少一个测量通道中的一个的诊断电流-电压转换器的信号输入端口。在诊断开关状态下，感测电极未连接到测量电流-电压转换器。在测量开关状态下，感测电极未连接到诊断电流-电压转换器。
所提出的电容测量电路的一个优点是，提供了通过测量电容式传感器的复感测-保护阻抗来诊断电容式传感器和传感器布线的装置。
另一个优点是，当感测电极连接到诊断电流-电压转换器的信号输入端口时，可以通过所提出的电容测量电路来诊断电容式传感器的AC地连接。
当电容式传感器不用于确定通过其感测电极的指示物体相对于电容式传感器的位置的测量电流时，AC电势可以保持在或靠近AC地电势，这在某些情况下可以是有利的。
如在本申请中使用的，短语“被配置为”应当具体理解为被特别地编程、布局、供应或布置。如在本申请中使用的，短语“操作耦合的开关构件”应当具体理解为被配置为实质上同时改变其开关状态的开关构件。
优选地，至少一个电容式传感器被配置用于在负载模式下操作。
所提出的电容测量电路有利地尤其适用于车辆。如在本申请中使用的，术语“车辆”应当具体理解为包括乘客汽车、卡车、牵引机单元和公共汽车。
优选地，测量电流-电压转换器和/或诊断电流-电压转换器包括跨阻抗放大器(TIA)，所述跨阻抗放大器(TIA)的功能是将在信号输入端口处提供的电流转换为与所确定的电流成比例的输出电压。TIA被配置为参考被提供到参考输入端口的参考电压来转换输入电流。优选地，跨阻抗放大器基于一个或多个运算放大器。
在优选实施例中，电容测量电路被配置为：如果流动通过连接到诊断电流-电压转换器的电容式传感器的感测电极和保护电极的所确定的诊断电流的量值小于预定义的阈值，则生成指示传感器中断的输出信号。可以有益地将输出信号传输到例如车辆的更高级别的控制单元，以用于开始进一步的动作。
优选地，对于每个电容式传感器，
-所述多个操作耦合的开关构件中的第一开关构件被配置为在关于电容式传感器的测量开关状态下，将电容式传感器的感测电极电连接到测量电流-电压转换器的信号输入端口；
-所述多个操作耦合的开关构件中的第二开关构件被配置为在关于电容式传感器的诊断开关状态下，将感测电极电连接到诊断电流-电压转换器的信号输入端口，所述第二开关构件包括第一端子和第二端子，其中，在关于电容式传感器的诊断开关状态下，所述第二开关构件的第一端子操作耦合到感测电极，并且所述第二开关构件的所述第二端子操作耦合到诊断电流-电压转换器的信号输入端口；以及
-所述开关单元包括解复用器构件，该解复用器构件被配置为在关于相应的电容式传感器的测量开关状态下，将第二开关构件的第二端子连接到相应的电容式传感器的保护电势，即，连接到保护电极的电势。这样，第二开关构件的第二端子可以保持在保护电极的电势，该第二端子在电容式传感器处于测量开关状态时处于打开的开关位置。因此，实际上可以将开关构件的寄生电容减小到零，并且可以使由于开关构件的寄生电容引起的测量误差最小化。
在电容测量电路的优选实施例中，对于每个电容式传感器，
-所述多个操作耦合的开关构件中的第一开关构件被配置为在关于电容式传感器的测量开关状态下，将电容式传感器的感测电极电连接到测量电流-电压转换器的信号输入端口；
-所述多个操作耦合的开关构件中的第二开关构件被配置为在关于电容式传感器的诊断开关状态下，将感测电极电连接到诊断电流-电压转换器的信号输入端口，所述第二开关构件包括第一端子和第二端子，其中，在关于电容式传感器的诊断开关状态下，所述第二开关构件的第一端子操作耦合到感测电极，并且所述第二开关构件的所述第二端子操作耦合到诊断电流-电压转换器的信号输入端口；以及
-所述开关单元包括解复用器构件，该解复用器构件被配置为在关于相应的电容式传感器的测量开关状态下，将所述第二开关构件的所述第二端子连接到相应的电容式传感器的保护电势。
此外，在开关单元中提供的解复用器构件被配置为对于其感测电极未连接到测量电流-电压转换器的每个电容式传感器，将所述第二开关构件的所述第二端子连接到电容式传感器的保护电势，或将所述第二开关构件的所述第二端子连接到AC地电势。
该实施例在包括两个以上电容式传感器并且由于成本原因可以仅包括一个诊断电流-电压转换器和一个测量电流-电压转换器的多通道应用中尤其有益。在这种情况下，由于电容测量电路能够使得将电容式传感器的感测电极的AC电势设置为AC地电势，即使相应的电容式传感器未连接到测量电流-电压转换器或诊断电流-电压转换器，也可以增加操作可用性的时间。
优选地，电流测量电路包括用于每个电容式传感器的诊断输出端口，该诊断输出端口电连接到电容式传感器的感测电极。在电容式传感器处于诊断开关状态的情况下，诊断输出端口可以提供复电信号以用于进一步的诊断。
在这样的实施例中，电流测量电路还可以包括用于每个电容式传感器的装置，所述装置将诊断输出端口保持在相应的电容式传感器的保护电势，这可以有益地消除由于诊断输出端口连接到电容式传感器的感测电极而引起的测量的***性误差。
在电容测量电路的优选实施例中，远程可控开关单元形成微控制器的一部分，通过该微控制器可以实现远程可控开关单元的可靠且简单的远程控制，并且以此方式可以实现对电容式传感器的可靠诊断。如今，以许多变型形式容易地获得适当地配备和包括例如处理器单元、数字存储单元、微控制器***时钟、解复用器单元和模拟-数字转换器的微控制器。
优选地，远程可控开关单元被配置为使每个电容式传感器并且以在电容式传感器之间协调的方式在测量开关状态和诊断开关状态之间周期性地切换。以此方式，可以实现电容测量电路的可靠操作。
在本发明的另一方面中，提供了电容式感测***。该电容式感测***包括本文公开的电容测量电路、开关远程控制单元和多个电容式传感器的实施例。
开关远程控制单元被配置用于对远程可控开关单元进行远程控制。多个电容式传感器中的每个电容式传感器包括彼此靠近布置的至少一个导电感测电极和至少一个导电保护电极。如上所述，至少一个导电感测电极和至少一个导电保护电极可以彼此相互电分开，但这不是必需的。例如，感测电极和保护电极之间的电阻连接可以用于诊断目的。
电容测量电路包括一个交变信号电压源，该交变信号电压源被配置用于在输出端口处提供交变测量电压，其中，每个保护电极电连接到输出端口以用于接收交变测量电压。
电流测量电路包括具有一个测量电流-电压转换器的一个测量通道，该测量电流-电压转换器被配置为一次一个地并且参考测量电压来确定通过多个电容式传感器中的一个的感测电极的指示物体相对于相应的电容式传感器的位置的测量电流。
电流测量电路还包括多个诊断通道，每个诊断通道被配置为参考AC地电势来确定流动通过多个电容式传感器中的不同的一个电容式传感器的保护电极和感测电极的诊断电流。
以这种方式，可以实现具有可靠的操作和高百分比的操作可用性的电容式感测***，所述电容式感测***包括事先已经结合公开的电容测量电路描述的益处。
优选地，开关远程控制单元形成微控制器的一部分，通过该微控制器可以实现远程可控开关单元的可靠且简单的远程控制，并且以此方式可以实现对电容式传感器的可靠诊断。最优选地，开关远程控制单元和远程可控开关单元两者形成同一微控制器的一部分。以此方式，可以实现在开关远程控制单元和远程可控开关单元之间的不易受到电磁干扰的影响的短控制路径。
在优选实施例中，电容式感测***还包括信号处理单元，该信号处理单元被配置用于参考交变测量电压来处理测量电流-电压转换器的输出信号和参考交变测量电压来处理诊断电流-电压转换器的输出信号中的至少一个。这样，可以对测量电流-电压转换器的输出信号和/或诊断电流-电压转换器的输出信号实现改善的信噪比(SNR)。
如果电容式感测***包括解调电路，该解调电路被配置用于参考交变测量电压对测量电流-电压转换器的输入信号进行解调和参考交变测量电压对诊断电流-电压转换器的输入信号进行解调中的至少一个，则可以实现SNR的进一步改善。
在解调电路被配置用于对测量电流-电压转换器的输入信号进行解调的情况下，该解调电路优选地连接到测量电流-电压转换器的信号输入端口，并且远程可控开关单元因此被配置为将电容式传感器的感测电极电连接到解调电路。
在本发明的又一方面中，提供了关于电容式传感器诊断的操作本文公开的电容式感测***的方法。
该方法至少包括以下步骤：
-控制远程可控开关单元，以将待诊断的电容式传感器的感测电极与测量电流-电压转换器的信号输入端口电断开，
-控制远程可控开关单元，以将待诊断的电容式传感器的感测电极电连接到诊断电流-电压转换器的信号输入端口，
-控制远程可控开关单元，以将另一个电容式传感器的感测电极电连接到测量电流-电压转换器的信号输入端口，并且将该电容式传感器的感测电极与保护电势或与AC地电势断开，
-控制远程可控开关单元，以将多个电容式传感器中的其余电容式传感器的感测电极电连接到AC地电势，
-确定通过将由诊断电流-电压转换器诊断的电容式传感器的感测电极的感测电流值，
-将所确定的感测电流值与至少一个预定的阈值进行比较，
-如果所确定的感测电流值小于预定的阈值，则生成指示传感器中断的输出信号。
在该方法的优选实施例中，对于步骤的每次循环，在交换到多个电容式传感器中的下一个待诊断的电容式传感器之后，以周期性的方式执行并重复步骤，直到多个电容式传感器中的所有电容式传感器被诊断为止。
在本发明的又一方面中，提供了用于控制本文公开的方法的实施例的步骤的自动执行的软件模块。
将要进行的方法步骤转换为软件模块的程序代码，其中，该程序代码可实施在电容式感测***或单独的控制单元的数字存储单元中，并且可由电容式感测***或单独的控制单元的处理器单元执行。
该软件模块可以实现该方法的鲁棒且可靠的执行，并且可以允许方法步骤的快速修改。
根据下文描述的实施例并参考下文描述的实施例所阐明的，本发明的这些和其他方面将变得显而易见。
应当指出的是，在前面的说明书中个体地详细描述的特征和措施可以以任何技术上有意义的方式彼此组合，并且示出了本发明的其他实施例。说明书特别结合附图来表征和说明本发明。
附图说明
根据以下参考附图的非限制性实施例的详细描述，本发明的其他细节和优点将变得显而易见，在附图中：
图1示出了根据本发明的单通道电容测量电路的可能实施例的电等效电路图，
图2示出了根据本发明的单通道电容测量电路的替代实施例的电等效电路图，
图3示出了根据本发明的多通道电容式感测***的可能实施例的电等效电路图，
图4-图6示出了根据本发明的多通道电容式感测***的替代可能实施例的电等效电路图，以及
图7是根据图6的操作电容式感测***的方法的流程图。
具体实施方式
在不同的附图中，相同的元件总是提供有相同的附图标记。因此，这些元件通常仅描述一次。
图1示意性地示出了根据本发明的单通道电容测量电路100的可能实施例的电等效电路图。电容测量电路100用于确定被配置在负载模式下的单个电容式传感器的复电流，该单个电容式传感器包括彼此靠近布置且彼此相互电分开的导电感测电极和导电保护电极。感测电极和相应的感测布线电阻在图1中由感测节点18表示，并且保护电极和相应的保护布线电阻由保护节点20表示。基本上是电容性质的感测-保护阻抗22电连接在感测节点18和保护节点20之间。在该特定实施例中，感测-保护阻抗22可以具有大约1nF的电容，但是也可以设想具有较高或较低的感测-保护电容的电容式传感器。
单通道电容测量电路100包括交变(即正弦波的)信号电压源12，交变信号电压源12被配置用于在输出端口14处提供相对于AC地电势16的交变测量电压。保护电极电连接到交变信号电压源12以用于接收交变测量电压，交变测量电压从交变信号电压源12传输到保护节点20。
单通道电容测量电路100包括电流测量电路10，电流测量电路10包括具有测量电流-电压转换器28的测量通道26和具有诊断电流-电压转换器36的诊断通道34。测量电流-电压转换器28和诊断电流-电压转换器36两者包括互阻抗放大器(TIA)，互阻抗放大器的功能是将在信号输入端口30、38处提供的复电流转换为与所确定的感测电流成比例的输出电压。两个TIA被配置为参考提供到参考输入端口32、40的参考电压来转换感测电流。测量电流-电压转换器28的参考输入端口32电连接到信号电压源12的输出端口14。诊断电流-电压转换器36的参考输入端口40电连接到AC地电势16。
因此，测量电流-电压转换器28被配置为参考测量电压来确定通过感测电极的指示物体相对于电容式传感器的位置的测量电流。接近感测电极的物体在图1的电等效电路图中由未知阻抗24表示，未知阻抗24连接到AC地电势16，AC地电势16例如可以是车辆地电势。如果接地的物体接近感测电极，则未知阻抗24的改变在于至少其电容性部分增加，并且在感测电极和地电势之间流动的测量电流增加，从而TIA输出电压信号的幅值增加，这指示物体对于电容式传感器的更靠近的接近度。
诊断电流-电压转换器36被配置为参考AC地电势16来确定当电容式传感器连接到诊断电流-电压转换器36时流动通过电容式传感器的保护电极和感测电极的诊断电流。
此外，电容测量电路100包括可由开关远程控制单元(未示出)远程控制的开关单元42。开关单元42包括多个的两个操作耦合的开关构件44、46。开关构件44、46***作地耦合，因为一个开关构件44将开关位置从打开改变为闭合，而另一个开关构件46将开关位置从闭合改变为打开，并且反之亦然。
开关构件44、46中的第一开关构件44位于感测节点18与测量电流-电压转换器28的信号输入端口30之间。开关构件44、46中的第二开关构件46位于感测节点18与诊断电流-电压转换器36的信号输入端口38之间。
在关于电容式传感器的测量开关状态下，开关单元42被配置为通过控制第一开关构件44进入闭合开关状态，而将电容式传感器的感测电极电连接到测量电流-电压转换器28的信号输入端口30。同时，第二开关构件46被控制进入打开开关状态。测量电流-电压转换器28测量流动通过未知阻抗24的未知电流。测量电流-电压转换器28的输出端口88处的电压指示未知阻抗24，并且可以被测量、记录和评估。如果必要的话，可以在测量电流-电压转换器28的输出端口88和评估单元(未示出)之间***信号处理电路，例如同步整流器和低通滤波器。
注意，在电势传感器短路到任何外部节点期间或在ESD(静电放电)事件的情况下，用于限制电流的AC耦合电容器或阻抗可以被***为与电容测量电路100中的大部分构件串联。
在关于电容式传感器的诊断开关状态下，开关单元42被配置为通过控制第二开关构件46进入闭合开关状态，而将感测电极电连接到诊断电流-电压转换器36的信号输入端口38。同时，第一开关构件44被控制进入打开开关状态。在诊断开关状态下，感测电极保持在AC地电势或接近AC地电势，并且同时，可以如下诊断电容式传感器的感测节点AC地电平和感测-保护阻抗22。
诊断电流-电压转换器36测量从信号电压源12通过保护节点20、感测-保护阻抗22、感测节点18和第二开关构件46，并且流入诊断电流-电压转换器36的信号输入端口38的电流。可以测量、记录和评估在诊断电流-电压转换器36的输出端口90处的输出电压。如果必要的话，可以在诊断电流-电压转换器36的输出端口90和评估单元(未示出)之间***信号处理电路，例如同步整流器和低通滤波器。被供应有评估单元的电容测量电路100被配置为，如果流动通过电容式传感器的感测电极和保护电极的所确定的诊断电流的量值小于预定义的阈值，则生成指示传感器中断的输出信号。
当信号电压源12的电压是先验已知的，可以计算感测-保护阻抗22。当诊断电流-电压转换器36的参考输入端口40接地时，感测节点18也接地。当诊断电流-电压转换器36测量进入其信号输入端口38的电流时，还可以做出关于感测电极AC地电平诊断的定量说明：如果未检测到电流，则在测量路径内存在问题，这可以导致感测电极不能正确地连接到AC地电势16。电流测量电路100包括诊断输出端口92，诊断输出端口92电连接到电容式传感器的感测电极。如果需要，可以通过测量等于感测节点18处的电压的诊断输出端口92处的电压来施加更精确的诊断。
在下文中，将参考图2至图6描述根据本发明的电容测量电路以及包括这样的电容测量电路的电容式感测***的其他实施例。为了避免不必要的重复，将仅描述与相应的先前实施例的不同点。
图2示出了根据本发明的单通道电容测量电路200的替代实施例的电等效电路图。与图1中所示的实施例相比，单通道电容测量电路200包括两个修改。
对于所连接的电容式传感器，在远程可控开关单元42中提供了解复用器构件48。远程可控开关单元42被配置为通过控制解复用器构件48并且在关于电容式传感器的测量开关状态下，将用于将感测电极电连接到诊断电流-电压转换器36的信号输入端口38的开关构件46的在转换器端部处的端子保持在电容式传感器的保护电势。由于跨开关构件46的端子之间的电压差实际上被减小到0V，因此这防止了引入由开关构件46的寄生电容引起的测量误差。
在关于电容式传感器的诊断开关状态下，远程可控开关单元42被配置为通过控制解复用器构件48以将开关构件46的在转换器端部处的端子连接到诊断电流-电压转换器36的信号输入端口38。
此外，电流测量电路200包括用于每个电容式传感器的装置，以将诊断输出端口92保持在相应的电容式传感器的保护电势，这可以有益地消除由于诊断输出端口92连接到电容式传感器的感测电极而引起的***性测量误差。在该具体实施例中，所述装置包括布置成T构造的两个电阻器54、56和电容器58。
图3示出了根据本发明的包括多个的两个电容式传感器的多通道电容式感测***300的可能实施例的电等效电路图。多通道电容式感测***300包括根据图2的电容测量电路200以及该电容测量电路200的复制版本200’，其中，交变信号电压源12对于电容测量电路200、200’两者是公共的。在其他实施例中，电容测量电路中的每个可以包括其自己的交变信号电压源。每个电容测量电路200、200’包括用于两个电容式传感器中的每一个的一个测量通道26、26’和一个诊断通道34、34’。
多通道电容式感测***300包括微控制器60，并且远程可控开关单元42形成该微控制器的一部分。进而，微控制器60包括被配置用于对远程可控开关单元42进行远程控制的开关远程控制单元62。
微控制器60包括处理器单元64、处理器单元64对其具有数据访问权的数字数据存储单元66、以及多个模拟-数字转换器(ADC，未示出)，并且微控制器60还被用来充当评估单元70。
远程可控开关单元42被配置为通过控制开关远程控制单元62，来控制开关构件44、44’、46、46’，使得每个电容式传感器以测量开关状态或以诊断开关状态被连接。
远程可控开关单元42还被配置为通过控制开关远程控制单元62，来使每个电容式传感器并且以在电容式传感器之间协调的方式在测量开关状态和诊断开关状态之间周期性地切换。
虽然在该特定实施例中，多通道电容式感测***300包括多个(两个)电容式传感器，但是也可以设想多通道电容式感测***300可以包括多个多于(两个)的电容式传感器。
图4示出了根据本发明的多通道电容式感测***400的替代可能实施例的电等效电路图。与根据图3的多通道电容式感测***300相比，多通道电容式感测***400的不同点在于仅存在一个测量电流-电压转换器28。
在多通道多路复用测量应用中，时间既不会因感测-保护诊断而浪费，也不会因感测电极AC地电平诊断而浪费。通常，由于对于诊断电流-电压转换器36而言所需的测量精度较低，因此测量电流-电压转换器28和相关联的处理电路比诊断电流-电压转换器36更昂贵。因此，在根据图4的多通道电容式感测***400中仅使用一个测量电流-电压转换器28，而每个电容式传感器有一个诊断电流-电压转换器36、36’。开关构造与根据图3的多通道电容式感测***300相同，除了远程可控开关单元42被配置为由开关远程控制单元62控制以同时仅将一个电容式传感器置于测量开关状态下。由于可以对当前未被测量的每个电容式传感器并行地执行诊断和测量，因此诊断不会在所需的总测量时间中增加时间。
图5示出了根据本发明的多通道电容式感测***500的另一个替代可能实施例的电等效电路图。与根据图4的多通道电容式感测***400相比，多通道电容式感测***500的不同点在于仅存在一个测量电流-电压转换器28，并且仅存在一个诊断电流-电压转换器36。
该实施例是成本有效的，但是，对于多于两个的电容式传感器，在同样设想的情况下，必须将远程可控开关单元42配置为由开关远程控制单元62控制，以同时仅将一个电容式传感器置于诊断开关状态下，而将其他电容式传感器的感测节点18、18’保留在保护电势。因此，由于不能同时执行测量和诊断而浪费了时间。
图6示出了根据本发明的多通道电容式感测***600的另一个替代可能实施例的电等效电路图。与根据图5的多通道电容式感测***500相比，多通道电容式感测***600的不同点在于在远程可控开关单元42中为每个电容式传感器提供的解复用器构件50、50’包括附加端子。
在关于相应的电容式传感器的测量开关状态下，具有附加端子的解复用器构件50、50’中的每一个被配置为将开关构件46、46’的在转换器端部的端子保持在相应的电容式传感器的保护电势，开关构件46、46’用于将感测电极电连接到诊断电流-电压转换器36的信号输入端口38。
此外，对于电容式传感器的感测电极未连接到测量电流-电压转换器28的信号输入端口30的每个电容式传感器，解复用器构件50、50’被配置为将用于将感测电极电连接到诊断电流-电压转换器36的信号输入端口38的开关构件46、46’的在转换器端部处的端子连接到电容式传感器的保护电势，或将用于将感测电极电连接到诊断电流-电压转换器36的信号输入端口38的开关构件46、46’的在转换器端部处的端子连接到AC地电势16。
由此，在多于两个的电容式传感器的情况下针对根据图5的电容式感测***500存在的操作可用性的损失提供了补救，并且尽管节省了硬件，仍可以实现高的操作可用性。
在下文中，将描述关于电容式传感器诊断的操作根据图6的电容式感测***600的方法的实施例。该方法的流程图在图7中给出。在准备使用电容式感测***600时，应当理解，所有涉及的单元和设备都处于操作状态并且如图6中所示的被配置。
微控制器60被供应有用于控制该方法的步骤的自动执行的软件模块68。将待进行的步骤转换为软件模块的程序代码，其中，该程序代码可在微控制器60的数字数据存储单元66中实施，并且可由微控制器60的处理器单元64执行。
在该方法的第一步骤72中，由开关远程控制单元62控制远程可控开关单元42，以将待诊断的电容式传感器的感测电极与测量电流-电压转换器28的信号输入端口30电断开。几乎同时且紧随其后在步骤74处，由开关远程控制单元62控制远程可控开关单元42，以将待诊断的电容式传感器的感测电极电连接到诊断电流-电压转换器36的信号输入端口38。
然后，在另一个步骤76中，由开关远程控制单元62控制远程可控开关单元42，以将另一个电容式传感器的感测电极电连接到测量电流-电压转换器28的信号输入端口30，并且紧随其后在步骤78中，将该电容式传感器的感测电极与保护电势或与AC地电势16断开。
在另一个步骤80中，由开关远程控制单元62控制远程可控开关单元42，以将多个电容式传感器的其余电容式传感器的感测电极电连接到AC地电势16。然后，在另一个步骤82中，由诊断电流-电压转换器36确定通过待诊断的电容式传感器的感测电极的复感测电流值。之后，在下一步骤84中，由用作评估单元70的微控制器60将所确定的感测电流值与预定义的阈值进行比较。如果所确定的感测电流值的量值小于预定的阈值，则在另一个步骤86中生成指示传感器中断的输出信号。
对于步骤的每次循环，在交换到多个电容式传感器中的下一个待诊断的电容式传感器的步骤之后，以周期性的方式执行并重复上述步骤，直到所有的电容式传感器被诊断为止。
尽管已经在附图和前面的说明书中详细地说明和描述了本发明，但是这样的说明和描述应当被认为是说明性或示例性的而非限制性的；本发明不限于所公开的实施例。
根据对附图、公开和所附权利要求的研究，本领域中的那些技术人员在实践所要求保护的发明时可以理解和实现待公开的实施例的其他变型。在权利要求中，词语“包括”不排除其他要素或步骤，并且不定冠词“一”不排除表示多个至少两个的多个。在互不相同的从属权利要求中叙述某些措施的事实并不是指不能有利地使用这些措施的组合。权利要求中的任何附图标记都不应当被解释为限制范围。
附图标记列表
10 电流测量电路 54 电阻器
12 信号电压源 56 电阻器
14 输出端口 58 电容器
16 AC地电势 60 微控制器
18 感测节点 62 开关远程控制单元
20 保护节点 64 处理器单元
22 感测-保护阻抗 66 数字数据存储单元
24 未知阻抗 68 软件模块
26 测量通道 70 评估单元
28 测量电流-电压转换器(MCVC) 88 输出端口MCVC28
30 信号输入端口 90 输出端口DCVC36
32 参考输入端口 92 诊断输出端口
34 诊断通道 100 单通道电容测量电路
36 诊断电流-电压转换器(DCVC) 200 单通道电容测量电路
38 信号输入端口 300 多通道电容式感测***
40 参考输入端口 400 多通道电容式感测***
42 远程可控开关单元 500 多通道电容式感测***
44 开关构件 600 多通道电容式感测***
46 开关构件
48 解复用器构件
50 解复用器构件
方法步骤
72 将待诊断的电容式传感器的感测电极与MCVC信号输入端口断开
74 将待诊断的电容式传感器的感测电极连接到DCVC信号输入端口
76 将另一个电容式传感器的感测电极连接到MCVC信号输入端口
78 将该电容式传感器的感测电极与保护电势或AC地电势断开
80 将电容式传感器中的其余电容式传感器的感测电极连接到AC地电势
82 确定待诊断的传感器的感测电流值
84 比较所确定的感测电流值和阈值
86 生成输出信号
Claims (16)
1.一种用于确定至少一个电容式传感器的复电流的电容测量电路(100)，所述电容式传感器包括彼此靠近布置的至少一个导电感测电极和至少一个导电保护电极，所述电容测量电路(100)包括：
-至少一个交变信号电压源(12)，所述至少一个交变信号电压源(12)被配置用于在输出端口(14)处提供交变测量电压，其中，每个保护电极能够电连接到所述输出端口(14)以用于接收所述交变测量电压；
-电流测量电路(10)，所述电流测量电路(10)包括：至少一个测量通道(26)，所述至少一个测量通道(26)包括测量电流-电压转换器(28)，所述测量电流-电压转换器(28)被配置为参考所述交变测量电压来确定通过感测电极的指示物体相对于所述电容式传感器的位置的测量电流；以及至少一个诊断通道(34)，所述至少一个诊断通道(34)包括诊断电流-电压转换器(36)，所述诊断电流-电压转换器(36)被配置为参考AC地电势(16)(交变电流地电势)来确定流动通过连接到所述诊断电流-电压转换器(36)的电容式传感器的保护电极和感测电极的诊断电流，以及
-远程可控开关单元(42)，所述远程可控开关单元(42)包括用于每个电容式传感器的多个操作耦合的开关构件(44、46)，其中，在关于所述电容式传感器的测量开关状态下，所述开关单元(42)被配置为将所述电容式传感器的所述感测电极电连接到所述至少一个测量通道(26)的所述测量电流-电压转换器(28)的信号输入端口(30)，并且其中，在关于所述电容式传感器的诊断开关状态下，所述开关单元(42)被配置为将所述感测电极电连接到所述至少一个测量通道(26)的所述诊断电流-电压转换器(36)的信号输入端口(38)。
2.根据权利要求1所述的电容测量电路(100)，其中，所述电容测量电路(100)被配置为：如果流动通过连接到所述诊断电流-电压转换器(36)的电容式传感器的感测电极和保护电极的所确定的诊断电流的量值小于预定义的阈值，则生成指示传感器中断的输出信号。
3.根据权利要求1或2所述的电容测量电路(100)，其中，对于每个电容式传感器，
-所述多个操作耦合的开关构件(44、46)中的第一开关构件(44)被配置为在关于所述电容式传感器的所述测量开关状态下，将所述电容式传感器的所述感测电极电连接到所述测量电流-电压转换器(28)的所述信号输入端口(30)；
-所述多个操作耦合的开关构件(44、46)中的第二开关构件(46)被配置为在关于所述电容式传感器的所述诊断开关状态下，将所述感测电极电连接到所述诊断电流-电压转换器(36)的所述信号输入端口(38)，所述第二开关构件(46)包括第一端子和第二端子，其中，在关于所述电容式传感器的所述诊断开关状态下，所述第二开关构件(46)的所述第一端子操作地耦合到所述感测电极，并且所述第二开关构件(46)的所述第二端子操作地耦合到所述诊断电流-电压转换器(36)的所述信号输入端口(38)，并且
-所述开关单元包括解复用器构件(48、50)，所述解复用器构件被配置为在关于相应的电容式传感器的所述测量开关状态下，将所述第二开关构件(46)的所述第二端子连接到所述相应的电容式传感器的保护电极的电势(保护电势)。
4.根据权利要求1或2所述的电容测量电路(200)，其中，对于每个电容式传感器，
-所述多个操作耦合的开关构件(44、46)中的第一开关构件(44)被配置为在关于所述电容式传感器的所述测量开关状态下，将所述电容式传感器的所述感测电极电连接到所述测量电流-电压转换器(28)的所述信号输入端口(30)；
-所述多个操作耦合的开关构件(44、46)中的第二开关构件(46)被配置为在关于所述电容式传感器的所述诊断开关状态下，将所述感测电极电连接到所述诊断电流-电压转换器(36)的所述信号输入端口(38)，所述第二开关构件(46)包括第一端子和第二端子，其中，在关于所述电容式传感器的所述诊断开关状态下，所述第二开关构件(46)的所述第一端子操作地耦合到所述感测电极，并且所述第二开关构件(46)的所述第二端子操作地耦合到所述诊断电流-电压转换器(36)的所述信号输入端口(38)，并且
-所述开关单元包括解复用器构件(50)，所述解复用器构件被配置为，
-在关于相应的电容式传感器的所述测量开关状态下，将所述第二开关构件(46)的所述第二端子连接到所述相应的电容式传感器的保护电极的电势(保护电势)
以及
-对于电容式传感器的感测电极未连接到测量电流-电压转换器(28)的每个电容式传感器，将所述第二开关构件(46)的所述第二端子连接到所述电容式传感器的保护电势，或将所述第二开关构件(46)的所述第二端子连接到AC地电势(16)。
5.根据前述权利要求中的任一项所述的电容测量电路(200)，其中，所述电流测量电路(10)包括用于每个电容式传感器的诊断输出端口(92)，所述诊断输出端口(92)电连接到所述电容式传感器的感测电极。
6.根据权利要求5所述的电容测量电路(200)，其中，所述电流测量电路(10)包括用于每个电容式传感器的装置(54、56、58)，所述装置(54、56、58)将所述诊断输出端口(92)保持在相应的电容式传感器的保护电势。
7.根据前述权利要求中的任一项所述的电容测量电路(200)，其中，所述远程可控开关单元(42)形成微控制器(60)的一部分。
8.根据前述权利要求中的任一项所述的电容测量电路(100)，其中，所述远程可控开关单元(42)被配置为使每个电容式传感器并且以在所述电容式传感器之间协调的方式在测量开关状态和诊断开关状态之间周期性地切换。
9.一种电容式感测***(300)，包括：
-前述权利要求中任一项所述的电容测量电路(200)，
-开关远程控制单元(62)，所述开关远程控制单元(62)被配置用于对所述远程可控开关单元(42)进行远程控制；以及
-多个电容式传感器，每个电容式传感器包括彼此靠近布置的至少一个导电感测电极和至少一个导电保护电极，其中，每个保护电极电连接到所述交变信号电压源(12)的所述输出端口(14)，以用于接收所述交变测量电压，
并且其中，
-所述电流测量电路(10)包括：
-具有一个测量电流-电压转换器(28)的一个测量通道(26)，所述测量电流-电压转换器(28)被配置为一次一个地并且参考所述交变测量电压来确定通过所述多个电容式传感器中的一个电容式传感器的感测电极的测量电流，所述测量电流指示物体相对于所述相应的电容式传感器的位置，以及
-具有一个诊断电流-电压转换器(36)的一个诊断通道(34)，所述诊断电流-电压转换器(36)被配置为参考AC地电势(16)来确定流动通过所述多个电容式传感器中的每个电容式传感器的保护电极和感测电极的诊断电流。
10.根据权利要求9所述的电容式感测***(300)，其中，所述电流测量电路(10)包括多个诊断通道(34、34’)，每个诊断通道(34、34’)包括诊断电流-电压转换器(36、36’)，所述诊断电流-电压转换器(36、36’)被配置为参考AC地电势(16)来确定流动通过所述多个电容式传感器中的不同的一个电容式传感器的保护电极和感测电极的诊断电流。
11.根据权利要求9或10所述的电容式感测***(300)，其中，所述开关远程控制单元(62)形成微控制器(60)的一部分。
12.根据权利要求9到11中的任一项所述的电容式感测***(300)，还包括信号处理单元，所述信号处理单元被配置用于参考所述交变测量电压来处理所述测量电流-电压转换器(28)的输出信号和参考所述交变测量电压来处理所述诊断电流-电压转换器(36)的输出信号中的至少一个。
13.根据权利要求9到12中的任一项所述的电容式感测***(300)，还包括：解调电路，所述解调电路被配置用于参考所述交变测量电压对所述测量电流-电压转换器(28)的输入信号进行解调和参考所述交变测量电压对所述诊断电流-电压转换器(36)的输入信号进行解调中的至少一个。
14.一种关于电容式传感器诊断的操作根据权利要求9到13中的任一项所述的电容式感测***(600)的方法，所述方法至少包括以下步骤：
-控制所述远程可控开关单元(42)，以将待诊断的电容式传感器的所述感测电极与所述测量电流-电压转换器(28)的所述信号输入端口(30)电断开(72)，
-控制所述远程可控开关单元(42)，以将待诊断的所述电容式传感器的所述感测电极电连接(74)到所述诊断电流-电压转换器(36)的所述信号输入端口(38)，
-控制所述远程可控开关单元(42)，以将另一个电容式传感器的所述感测电极电连接(76)到所述测量电流-电压转换器(28)的所述信号输入端口(30)，并且将所述电容式传感器的所述感测电极与保护电势或与AC地电势(16)断开(78)，
-控制所述远程可控开关单元(42)，以将所述多个电容式传感器的其余电容式传感器的所述感测电极电连接(80)到AC地电势(16)，
-由所述诊断电流-电压转换器(36)确定(82)通过待诊断的所述电容式传感器的所述感测电极的感测电流值，
-将所确定的感测电流值与至少一个预定的阈值进行比较(84)，以及
-如果所确定的感测电流值小于所述预定的阈值，则生成(86)指示传感器中断的输出信号。
15.根据权利要求14所述的方法，其中，对于步骤(72)至(86)的每次循环，在交换到所述多个电容式传感器中的下一个待诊断的电容式传感器之后，以周期性的方式执行并重复所述步骤(72)至(86)，直到所有的电容式传感器被诊断为止。
16.一种用于控制根据权利要求14或15所述的方法的步骤的自动执行的软件模块(68)，其中，将待进行的方法步骤转换为所述软件模块(68)的程序代码，其中，所述程序代码能够在所述电容式感测***(600)或单独的控制单元的数字数据存储单元(66)中实施，并且所述程序代码能够由所述电容式感测***(600)或单独的控制单元的处理器单元(64)执行。
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