用于电容感测系统的传感器诊断的制作方法

本发明总体上涉及电容感测，例如，用于检测座位上有人还是没人(座位占用检测)或者人的手在没在汽车的方向盘上(离手或在手检测)的电容感测。

更具体地，本发明涉及使用加热构件作为天线电极的电容传感器设备，以及用于检测包括这种电容传感器设备的座位的占用状态，特别是车辆座位的占用状态的座位占用检测系统。

背景技术：

电容传感器和采用电容传感器的电容测量和/或检测系统具有广泛的应用，并且尤其用于检测天线电极附近的导电体的存在和/或位置。如本文所使用的，术语“电容传感器”表示这样的传感器，其响应于被感测物(人、人体的部分、宠物、物体等)对电场的影响而生成信号。电容传感器通常包括至少一个天线电极，该天线电极被施加以振荡电信号，并且当传感器工作时，该天线电极随后将电场发射到靠近天线电极的空间区域中。传感器包括至少一个感测电极——其可以与发射天线电极相同或不同——在该感测电极处检测物体或生物对电场的影响。

例如，在j.r.smith等人的标题为“electricfieldsensingforgraphicalinterfaces”的技术论文(其发表于ieeecomputergraphicsandapplications，第18卷，第3期，第54-60页，1998年)中解释了不同的电容感测机制。该论文描述了用于进行非接触式三维位置测量的电场感测的概念，更具体地说，是感测人手的位置以便向计算机提供三维位置输入。在电容感测的一般概念中，作者区分了不同的机制，他将这些不同的机制称为“加载模式”、“分流模式”和“发射模式”，它们对应于各种可能的电流路径。在“加载模式”中，振荡电压信号被施加到发射电极，该发射电极建立到地的振荡电场。要感测的物体改变发射电极与地之间的电容。在“分流模式”(也被称为“耦合模式”)中，振荡电压信号被施加到发射电极，建立到接收电极的电场，并且测量在接收电极处感测的位移电流。测量的位移电流取决于被感测物体。在“发射模式”中，发射电极与用户的身体接触，然后通过直接电连接或通过电容耦合成为相对于接收器的发射器。

电容耦合强度可以是例如通过向天线电极施加交流电压信号并通过测量(在加载模式下)从该天线电极流向接地的电流或者(在耦合模式下)从该天线电极流向第二天线电极的电流来确定的。该电流可以由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感测电极的电流转换成与该电流成比例的电压。

在专利文献中已知使用加热构件作为天线电极的电容传感器。用于确定这种电容传感器的复阻抗的电容测量电路可以包括共模扼流圈。共模扼流圈包括至少两个线绕组，这些线绕组通常具有相同的匝数，缠绕在共同的铁氧体磁芯上。所述至少两个线绕组用作简单的电线，以防止在相反的电流方向上流过共模扼流圈的差模电流。对于在相同的电流方向上流过共模扼流圈绕组的共模电流，至少两个线绕组用作具有大阻抗的电感器。为此，共模扼流圈(cmc)通常用于提供加热构件与加热电流源的ac去耦合。

这通过示例在专利申请us2011/0148648a1中示出，该专利申请描述了一种使用座位加热构件12作为天线电极的车辆座位电容占用感测系统。图1示意性地示出了该现有技术的图示。电压源2表示加热器(例如，座位加热器控制单元)的电源。电子控制模块(ecm)1被配置为电容测量电路。该电容测量电路包括共模扼流圈5、ac电压源9和电容器6、7和8。电容器8将由ac电压源9生成的ac电压耦合到节点11中。加热构件12具有朝向接地的复阻抗13。复阻抗13包括电容分量以及电阻分量，它们取决于车辆座位的占用状态。因此，复阻抗13在下文中也被称为“未知阻抗”或“待确定的阻抗”。电容器8与未知阻抗13一起形成分压器。节点11与电路接地10之间的复电压umeas能够用于计算未知复阻抗13。共模扼流圈5由于其大阻抗而使节点11上的ac电压与ac接地去耦合。加热构件12可以同时被由电压源2供应的dc电流穿过并且被电容测量电路用ac电压驱动。电容器6和7确保在共模扼流圈5的侧面上存在定义的ac接地，该共模扼流圈5连接到座位加热器的dc电源。接地3是参考接地。共模扼流圈5的连接被编号为5.1至5.4：连接5.1将第一绕组连接到电压源2的高电位侧；连接5.2将第一绕组连接到加热构件12的高电位侧；连接5.3将第二绕组连接到加热构件12的低电位侧，并且连接5.4将第二绕组连接到电压源2的低电位侧。电阻器4表示电压源2的低电位侧与共模扼流圈5的第四连接5.4之间的布线的布线电阻。

技术实现要素：

本发明涉及一种电容传感器设备，其使用电加热构件作为电容天线电极并且包括共模扼流圈，所述共模扼流圈被提供为将电加热构件与加热电流源互连。

电加热构件可以具体形成座位(例如，车辆座位)的部分或车辆方向盘的部分。

对于使用电加热构件作为电容天线电极的电容传感器设备，必须检查电加热构件是否存在潜在的中断。如果电加热构件发生中断，则电加热构件将不再正确实现其作为电容天线电极的功能。

如果一个或多个额外的加热器(例如，靠背加热器)是加热器ecu或者与加热器ecu并联连接，则不可能存在将直流电流注入加热器并测量加热器两端的电压降的简单解决方案，因为并联的靠背加热器会掩盖座位加热器中断。而且，不能应用用于执行电加热构件的功能测试的其他常规方法。例如，由于防护要求，经由共模扼流圈将通常高的测量频率的电流注入通过电加热构件是不可行的。另一种常规方法是控制加热电流源以提供加热电流脉冲，这也是不可行的，因为加热电流源(或被提供为控制加热电流源的控制单元)可能处于低电压模式或故障模式，或者与控制单元的通信可能始终不可用。

因此，本发明的目的是提供一种电容传感器设备，其能够自主地执行对充当电容天线电极的电加热构件的诊断。

在本发明的一个方面中，该目的通过一种电容传感器设备来实现，所述电容传感器设备被配置用于连接到至少一个电加热构件并用于连接到加热电流源，所述加热电流源用于向所述至少一个电加热构件提供电力。所述至少一个电加热构件被配置用于充当电容天线电极。

在本申请中使用的短语“被配置为”应被具体理解为经过特定编程、布局、提供或布置。

所述电容传感器设备包括共模扼流圈、电容感测电路、电测量分流器以及能远程控制的直流电源。

所述共模扼流圈具有第一电感耦合绕组和第二电感耦合绕组。所述第一绕组被配置用于连接在所述加热电流源的第一端子与所述电加热构件的第一端子之间。所述第二绕组被配置用于连接在所述电加热构件的第二端子与所述加热电流源的第二端子之间。

所述电容感测电路被配置用于经由测量节点将周期性测量信号注入到所述至少一个电加热构件中并响应于所注入的测量信号而测量所述测量节点处的电量，所述电量能用于确定所述至少一个电加热构件与对电极之间的复电阻抗。

所述电测量分流器与所述至少一个电加热构件串联电连接，以用于提供表示流过所述至少一个电加热构件的电流的电压。

所述能远程控制的直流电源能与所述加热电流源并联电连接。所述能远程控制的直流电源被配置为在接收到远程控制信号时向所述至少一个电加热构件提供具有预定电荷量的电脉冲。

作为差模电流，电脉冲由共模扼流圈以不受影响的方式传导。电测量分流器充当电流监测器。电容感测设备几乎在其工作的任何时间都允许利用至少一个预定标准基于由电测量分流器响应于电脉冲而提供的电压并通过比较电测量分流器处的电压或根据该电压导出的电量来评估至少一个电加热构件的功能完整性。例如，一个标准可以是必须检测预定的最小电流水平以评估电加热构件是无故障的。

本发明特别适用于座位，特别是车辆座位的至少一个电加热构件，但是也可以预想到将本发明用于其他目的，例如，方向盘的电加热构件。

在本申请中使用的术语“车辆”应当被具体理解为包括乘用车、卡车和公共汽车。在此进一步指出，术语“第一”、“第二”等在本申请中仅用于区分目的，并不意味着以任何方式指示或预期序列或优先级。

周期性测量信号可以具体是交变测量信号。

优选地，电容感测电路被配置为确定至少一个电加热构件与由地电位形成的对电极之间的复电阻抗；即，充当电容天线电极的至少一个电加热构件在加载模式下操作。这种电容感测电路在本领域中是已知的，因此本文不需要进行更详细的描述。

根据本发明，所述能远程控制的直流电源包括电容器，所述电容器被配置为在所述电容器的两种不同电荷状态之间转变期间提供预定电荷量。具体地，所提供的预定电荷量是电容器的电容与电容器的两种不同电荷状态的电压差的乘积。以这种方式，能够提供需要很少部件的直流电源，因此特别具有成本效益。充电电容器能够有利地生成高电流脉冲，而不会从电源汲取显著的峰值电流。

在电容传感器设备的一些实施例中，所述能远程控制的直流电源还包括电流源，所述电流源被配置为在预定脉冲持续时间期间均匀地提供所述预定电荷量。具体地，所提供的预定电荷是电流大小与脉冲持续时间的乘积。由此，能够在电脉冲期间的几乎任何时间评价表示流过至少一个电加热构件的电流的电压，由此能够放宽关于评价电压的要求。

在电容传感器设备的一些实施例中，所述共模扼流圈的所述电感耦合绕组中的一个充当所述电测量分流器。以这种方式，能够节省电测量分流器的额外硬件工作量。此外，能够消除在额外电测量分流器处发生的功率耗散。

本发明的目的还通过一种电容测量系统来实现，所述电容测量系统包括如本文所公开的电容传感器设备以及被配置用于远程控制所述能远程控制的直流电源的微控制器。在电容传感器设备的背景中描述的益处完全适用于这种电容测量系统。

优选地，所述微控制器包括处理器单元、数字数据存储器单元、微控制器系统时钟以及至少一个控制输出部，例如由多个脉冲宽度调制单元形成的控制输出部，所述微控制器用于远程控制所述能远程控制的直流电源。可以以许多变型和经济价格来商业获得这样配备的微控制器。以这种方式，能够实现采用本文公开的电容传感器设备的自动测量流程。

如果微控制器还包括至少一个具有输入端口的模数转换器，则能够实现用于电容测量系统的特别简单且成本有效的解决方案，该输入端口电连接到电测量分流器以用于确定电测量分流器两端的电压。由此，能够促进快速且不受干扰地进行数字信号处理。

本发明的目的还通过一种用于检测座位的占用，特别是车辆座位的占用的座位占用检测系统来实现所有描述的益处。所述座位占用检测系统包括：所公开的电容测量系统；至少一个电加热构件，其被布置在形成所述座位的部分的垫子或靠背处并且能用作电容天线电极；以及加热电流源，其用于向所述至少一个电加热构件提供电力。

在本发明的另一方面中，提供了一种关于至少一个电加热构件的功能测试来操作所公开的电容测量系统的方法。该方法包括以下步骤：

a)向所述能远程控制的直流电源发送远程控制信号，以使得能够至少向所述至少一个电加热构件提供具有预定电荷量的电脉冲，

b)确定所述电测量分流器两端的电压，以及

c)将能从所确定的电压导出的电量与针对所述电量的预定阈值进行比较。

如果所述电量低于针对所述电量的所述预定阈值，则在步骤(d)中生成指示所述至少一个电加热构件有缺陷的信号。以这种方式，能够在电容测量系统内的电容传感器设备的几乎所有操作时间测试至少一个电加热构件的功能。

在一些实施例中，电量能够等于所确定的电压。在其他实施例中，电量能够例如是在电脉冲的持续时间的至少部分上对所确定的电压的时间积分。该时间积分与在电脉冲的持续时间的部分中流过至少一个电加热构件的电荷成比例。也可以预想到使用能从所确定的电压导出的其他电量。

在一些实施例中，所述方法包括确定所述加热电流源的输出电压的在先步骤。所述加热电流源的所确定的输出电压提供关于所述加热电流源是否向所述至少一个加热构件提供电力的信息。

如果所确定的输出电压满足小于或等于接近零的预定下限阈值的条件，则不从所述加热电流源向所述至少一个加热构件提供电力。在这种情况下，所述方法的步骤(a)至(d)无需修改即可执行。

如果所确定的输出电压满足大于接近零的预定下限阈值的条件，则从所述加热电流源向所述至少一个加热构件提供电力。在这种情况下，已经存在加热电流流动，并且由加热电流引起的电测量分流器两端的电压降可以用于检查加热器的完整性。在可能的实施例中，当加热电流源向至少一个加热构件供电时，也执行上述方法的步骤(a)至(d)，其中，需要修改的是，将针对电量的预定阈值替换为针对电量的第二预定阈值，第二预定阈值与预定阈值不同。第二预定阈值考虑由加热电流源提供的电力与能远程控制的直流电源的电脉冲的叠加。通过该措施考虑了由加热电流源提供的加热电流的贡献。

以这种方式，能够执行对至少一个电加热构件的功能测试，而不管加热电流源的操作状态如何。然而，应当注意，由于这种情况下的电流测量必须测量加热电流与电流脉冲的叠加并且由于电流脉冲与加热电流相比较小，因此电流测量的相对准确度要求高于不考虑这种情况时的相对准确度要求。

所述方法的一些实施例还包括在执行了上述确定加热电流源的输出电压的步骤以及步骤(a)至(c)之后要执行的重新确定加热电流源的输出电压的额外步骤。在满足重新确定的输出电压在预定容限范围内等于在先步骤中确定的加热电流源的输出电压的条件下，执行步骤(d)。如果不满足上述条件，则可以通过执行步骤(a)来恢复所述方法的执行。通过实施所述条件，能够确保使用适当的针对电量的预定阈值来在步骤(c)中比较电量。

所述方法的一些实施例还包括确定所述电测量分流器两端的电压的在先步骤。在执行了上述在先步骤之后，如所公开的那样执行步骤(a)和(b)。在所述方法的额外步骤中，计算在步骤(b)中确定的电测量分流器两端的电压与在上述在先步骤中确定的电测量分流器两端的电压之间的差值。由此，能够消除潜在的偏移电压。然后，将所计算的差值用作用于执行所述方法的步骤(c)和条件步骤(d)的电量。

在优选实施例中，自动且周期性地执行所述方法的步骤。优选地，这些步骤由电容测量系统的微控制器来执行。

本领域技术人员将容易理解，所公开的方法并不排除或妨碍以下选择：即，在加热电流源的所确定的输出电压大于接近零的预定下限阈值的情况下，通过执行所述方法的步骤(b)至(d)而以常规方式功能性测试至少一个电加热构件。

在本发明的又一方面中，提供了一种用于控制执行本文公开的方法的软件模块。

要进行的方法步骤被转换成软件模块的程序代码。所述程序代码能在座位占用检测系统的数字数据存储器单元中实施，并且能由座位占用检测系统的处理器单元执行。优选地，数字数据存储器单元和/或处理器单元可以是电容测量系统的数字数据存储器单元和/或处理单元。作为替代方案或补充方案，处理器单元可以是被专门指定用于执行所述方法步骤中的至少一些方法步骤的另一处理器单元。

所述软件模块能够使得所述方法能够鲁棒且可靠地执行，并且能够允许快速修改方法步骤。

附图说明

通过以下参考附图对非限制性实施例的详细描述，本发明的进一步细节和优点将变得明显，其中：

图1是常规的座位占用检测系统的布局，

图2示出了根据本发明的包括电容传感器设备的座位占用检测系统的实施例的布局，

图3是根据本发明的方法的实施例的流程图，并且

图4是根据本发明的方法的另一实施例的流程图。

附图标记列表

1电子控制模块

2直流电压源

3接地

4电阻器

5共模扼流圈

6电容器

7电容器

8电容器

9交流电压源

10电路接地

11节点

12座位加热构件

13复阻抗

20座位占用检测系统

22电容测量系统

24第一电加热构件

26第二电加热构件

28第一端子

30第二端子

32加热电流源

34第一输出端子

36第二输出端子

38微控制器

40处理器单元

42数字数据存储器单元

44控制输出部

46adc

48软件模块

50电容传感器设备

52共模扼流圈

54第1绕组

56第二绕组

58电容感测电路

60测量节点

62电测量分流器

64能远程控制的直流电源

66直流电压源

68电容器

70电阻器

72第一开关

74第二开关

步骤

76确定输出电压

78发送远程控制信号

80确定分流电压

82比较电量

84重新确定输出电压

86比较输出电压

88生成故障信号

90替换预定阈值

具体实施方式

图2图示了根据本发明的座位占用检测系统20的实施例的布局，该系统包括具有电容传感器设备50的电容测量系统22。

座位占用检测系统20被配置用于检测座位的占用，特别是乘用车的车辆座位的占用，并且包括：电容测量系统22，被布置在车辆座位的靠背处的第一电加热构件24以及被布置在形成车辆座位的部分的座垫处的第二电加热构件26。第二电加热构件26用作电容天线电极。此外，座位占用检测系统20包括加热电流源32，加热电流源32被设计为用于向电加热构件24、26提供电力的电子控制单元。在操作状态下，加热电流源32被配置为根据脉冲宽度调制方案周期性地接通和断开在第一输出端子34与第二输出端子36之间提供的电力，以控制被供应到座位加热构件24、26的电加热功率。典型的开关频率可以是例如25hz。

电容传感器设备50电连接到电加热构件24、26和加热电流源32。第二电加热构件26充当针对电容传感器设备50的电容天线电极。电容传感器设备50包括具有第一电感耦合绕组54和第二电感耦合绕组56的共模扼流圈52。第一绕组54电连接在加热电流源32的第一输出端子34与第二电加热构件26的第一端子28之间。第二绕组56电连接在第二电加热构件26的第二端子30与加热电流源32的第二输出端子36之间。第一电加热构件24直接电连接到加热电流源32的第一输出端子34和第二输出端子36。

电容传感器设备50还包括电容感测电路58，电容感测电路58被配置用于经由测量节点60将周期性交变测量信号注入到第二电加热构件26中。测量节点60被布置在共模扼流圈52的第二绕组56与第二电加热构件26的第二端子30之间的电连接处。电容感测电路58被配置为响应于注入的测量信号并使用该参考电压来测量测量节点60处的复电压。根据测量的复电压，电容感测电路58被配置为确定第二电加热构件26与车辆底盘之间的复电阻抗，车辆底盘形成处于地电位的对电极。以这种方式，第二电加热构件26和电容感测电路58被配置用于在加载模式下操作。

通过所描述的布置，共模扼流圈52将电容感测电路58与第一电加热构件24和加热电流源32进行ac去耦合。

此外，电容传感器设备50还包括电测量分流器62，电测量分流器62以串联方式电连接到第二电加热构件26，以用于提供表示流过第二电加热构件26的电流的电压。电测量分流器62被布置在共模扼流圈52的第二绕组56与加热电流源32的第二输出端子36之间。

能远程控制的直流(dc)电源64形成电容传感器设备50的部分。dc电源64与加热电流源32的第一输出端子34和第二输出端子36并联电连接。能远程控制的dc电源64包括dc电压源66、电容器68、电阻器70以及两个耦合的能远程控制的开关72、74，这两个开关的开关状态始终彼此相反。当第一开关72闭合(并且第二开关74断开)时，dc电压源66经由电阻器70对电容器68充电。当第一开关72断开(并且第二开关74闭合)时，电容器68供应流过共模扼流圈52的第一绕组54、第二电加热构件26、共模扼流圈52的第二绕组56以及电测量分流器62的电流脉冲。为了完整起见，应当注意，电容器68还将部分脉冲电流供应给第一电加热构件24，但是这一事实与进一步的考虑无关。因此，在选定的电流脉冲持续时间内接收到远程控制信号时，能远程控制的dc电源64被配置为向电加热构件24、26提供具有预定电荷量的电流脉冲。流动电荷量由电容器68的电容与电流脉冲的开始和结束时(即，在电容器68的两种不同电荷状态之间的转变期间)的电容器68的电压差的乘积给出。

电容测量系统22还包括微控制器38。微控制器38包括处理器单元40、处理器单元40进行数据存取的数字数据存储器单元42，以及形成处理器单元40的部分的微控制器系统时钟。微控制器38被配置用于远程控制能远程控制的dc电源64。为此，微控制器38配备有控制输出部44，控制输出部44被形成为能够提供相互独立的脉冲宽度调制(pwm)信号的多个pwm单元。

此外，微控制器38还包括多个模数转换器(adc)46。两个adc46的输入线电连接到电测量分流器62的端部，以用于确定处于差分放大器配置中的电测量分流器62两端的电压。其他adc也电连接(未示出)到加热电流源32的第一输出端子34和第二输出端子36，以用于确定加热电流源32的输出电压。

微控制器38与电容感测电路58之间的控制链路(在图2中由双箭头指示)使得能够进行数据传输和控制。

在下文中，将描述关于第二电加热构件26的功能测试来操作根据图2的座位占用检测系统20的方法的实施例。在图3中提供了该方法的流程图。在准备操作座位占用检测系统20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2所示进行配置。

为了能够以受控方式自动且周期性地执行该方法，微控制器38包括软件模块48(图2)。要进行的方法步骤被转换成软件模块48的程序代码。所述程序代码在微控制器38的数字数据存储器单元42中实施，并且能由微控制器38的处理器单元40来执行。

现在参考图3，在该方法的第一步骤76中，由微控制器38的adc46确定加热电流源32的输出电压。在此之后，流程图中出现分叉。

如果加热电流源32的所确定的输出电压小于或等于接近零的预定下限阈值(即，1.0v)，即，如果加热构件24、26不由加热电流源32供电，则微控制器38在随后的步骤78中向能远程控制的dc电源64发送远程控制信号，以便能够向电加热构件24、26提供具有预定电荷量的电脉冲。本文提到的所有预定阈值和容限值都驻留在微控制器38的数字数据存储器单元42中，并且能够由处理器单元40容易地检索。

在下一步骤80中，由微控制器38经由adc46以周期性方式确定电测量分流器62两端的电压，使得在电脉冲的持续时间期间执行多个电压测量，并且由处理器40将所确定的电压的时间积分计算为从所确定的电压导出的电量。然后，在下一步骤82中，将该电量与针对该电量的预定阈值进行比较。作为该方法的任选步骤84(在图3的流程图中用虚线指示任选步骤)，重新确定加热电流源32的输出电压，然后在另一步骤86中将该输出电压与先前确定的输出电压进行比较。如果重新确定的输出电压在±20％的预定容限内等于先前确定的输出电压，则执行下一步骤。如果不是上述情况，则通过向能远程控制的dc电源64发送远程控制信号的步骤78来重新开始该方法。如果导出的电量低于针对该电量的预定阈值，则由微控制器38生成指示第二电加热构件26有缺陷的故障信号，作为下一步骤88。如果导出的电量等于或大于针对该电量的预定阈值，则方法步骤全部重新开始。

如果在步骤76中确定的加热电流源32的输出电压大于预定下限阈值，即，如果加热构件24、26由加热电流源32供电，则已经存在加热电流流动，并且由加热电流引起的电测量分流器62两端的电压降可以用于检查加热器的完整性。因此，不需要接通dc电源64以供给加热器，并且可以通过直接执行步骤80、82和88而以常规方式实现对加热构件26的完整性测试。

在如图4所示的方法的实施例中，在步骤76中确定的加热电流源32的输出电压大于预定下限阈值的情况下，即，如果加热构件24、26由加热电流源32供电，则加热器构件26的完整性检查也使用dc电源。在这种情况下，优选考虑由加热电流源提供的电力与能远程控制的直流电源的电脉冲的叠加。在该实施例中，微控制器38在另一步骤90中将针对电量的预定阈值替换为第二预定阈值，第二预定阈值与预定阈值不同并且是从数字数据存储器单元42中检索的。然后，执行方法步骤，从步骤78开始并使用针对电量的第二预定阈值。

虽然已经在附图和前面的描述中详细图示和描述了本发明，但是这样的图示和描述应当被认为是图示性或示范性的，而非限制性的；本发明不限于所公开的实施例。

通过研究附图，公开内容和权利要求，本领域技术人员在实践所要求保护的发明时能够理解和实现要公开的实施例的其他变型。在权利要求中，词语“包括”不排除其他元件或步骤，并且词语“一”或“一个”并不排除多个(其意味着表示至少两个的量)。虽然某些措施被记载在互不相同的从属权利要求中，但是这并不指示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被解释为限制范围。