键盘传感器系统和方法与流程

本发明涉及用于诸如乐器键盘之类的键盘的感测系统和方法。

背景技术：

申请人先前已经在gb2494230a中描述了基于谐振电路的传感器。

用于电子乐器的音乐键盘通常使用机械开关或者类似的接触装置来感测键的单个敲击位置，其中，开关的闭合用于检测音符打开事件(note-onevent)，而开关的断开用于检测音符关闭事件(note-offevent)。这种乐器的更复杂的版本可以使用多个这样的开关。

使用诸如开关之类的机械键盘来感测音乐键盘上键的位置具有许多缺点。大多数音乐键盘都具有大量的键，通常为21至88个键。为了支持如此大量的键，通常使用多路复用方法来对开关进行时间交替(time-interleaved)。这种与开关的连接抖动(connectionjitter)(也称为开关反弹(switchbounce))相结合的多路复用方法限制了可检测开关的连接点和断开点的速率。在某些情况下，音乐家可以感觉到开关的连接和断开，这是非常不希望的。在其他情况下，由于机械磨损，开关可能变得不可靠，除非使用高可靠性开关，但这种开关价格昂贵。在所有情况下，开关之间的机械变化都会导致从一个键到另一个键的响应的变化。这种变化很难通过校准程序消除，因为当单个键被重复致动时，该键也会发生变化。此外，在键的移动过程中，如果不进行机械变化，则不可能改变键开关连接和断开的点。

更先进的音乐键盘允许在音符打开事件发出后施加在键上的压力用于控制音乐声音的各个方面。该压力可通过单个压力传感器元件(例如，力感测电阻器)来检测，其中键盘上所有键的压力通过机械耦合进行组合，从而在压力传感器上施加压力。这种系统通常被称为单音触后(monophonicaftertouch)。更理想的系统允许独立地检测施加到每个单独键上的压力；这称为压力或复音触后(polyphonicaftertouch)。这样的复音触后系统是昂贵的，因为每个单独的键使用单独的压力传感器。

已知音乐键盘的替代检测方法克服了机械开关和压力传感器的许多限制，但是这些方法仍然具有不理想的特性。

在us2009/0282962中描述了钢琴键盘的光学位置感测。然而，此类系统的性能容易因污染而劣化，因此需要对其进行清洁或重新校准以保持最佳性能。此外，它们还可包含精细的光学元件，如具有渐变透明度或反射率的阴影或薄膜，这使得它们对冲击和振动敏感，时间长了可靠性就相应降低。此外，us2009/0282962对于每个键都配备了光学传感器和运算放大器，这使得这样的实现昂贵。

诸如相对于霍尔探针移动永磁体的霍尔探针之类的磁传感器是检测音乐键盘上键的位置的另一种方法。然而，这种磁传感器对来自外部磁场的干扰、来自附近的黑色金属移动的干扰以及温度的变化非常敏感，而且传感器存在磁滞现象，这限制了位置感测的准确性和可重复性。此外，每个键上都需要永磁体和磁传感器，使得这种方案对于大多数应用来说太昂贵了。

电容式位置传感器对电磁干扰、音乐家的手的位置以及温度都过于敏感，这使得其在音乐键盘上的应用变得不切实际。

us4,838,139描述了一种带有感应线圈传感器的音乐键盘。在这种布置中，每个键都带有一个金属扰流器(metalspoiler)，该扰流器朝着/远离其相关联的传感器电感线圈移动。然而，该系统速度慢，比88音符键盘所需的速度慢，并且会受到金属首饰、产品外壳和支撑结构的影响。

技术实现要素：

在一方面，提供了一种用于键盘(例如诸如钢琴式键盘之类的乐器键盘)的感测系统。所述感测系统可以包括多个键传感器。每个键传感器可以包括：无源谐振电路，例如，安装在键的移动部分上；以及有源谐振电路，例如，安装在基准位置。在实施方式中，无源谐振电路具有谐振频率，并且有源谐振电路被配置为以谐振频率激励无源谐振电路。感测系统还可以包括至少一个传感器驱动器，用于通过rf驱动信号以谐振频率驱动有源谐振电路；并且这可以在多个传感器之间共享。在实施方式中，感测系统还可以包括多路复用系统，诸如一个或多个复用器和/或解复用器，以对驱动信号进行多路复用，使得同时驱动的键传感器(在物理上)通过至少(k-1)个键分离，其中(k-1)是等于或大于1的整数。因此，在实施方式中，一个键不会与相邻键同时被驱动(或者与至少间隔k个键的键同时被驱动)。感测系统还可以包括至少一个检测器，例如读出电路和/或微处理器，用于检测来自被驱动的键传感器的rf信号的电平。这可以用于感测与键传感器相关联的键的位置和/或速度。所述至少一个检测器可以利用有源谐振电路和无源谐振电路的相对位置来检测有源谐振电路中的谐振rf信号的变化；其可以对rf信号的电平进行峰值检测。

至少有源谐振电路以及可选地无源谐振电路可以包括一个、两个或更多个线圈，特别是具有相反方向的绕组的线圈。因此，例如，绕组可以产生相反方向的磁场，特别是平衡或匹配以相互抵消的磁场，特别是在距离传感器很远的位置。

在实施方式中，具有相反方向的绕组(以及因此相反方向的电流/磁场)的线圈和多路复用传感器寻址的组合有助于使用近距离的多个传感器。因此，在实施方式中，相反方向的绕组被配置为产生相反方向的平衡磁场，该磁场可以在距离传感器很远的位置实质上完全相互抵消，例如，该磁场可以在至少是最大线圈尺寸十倍的距离处实质上完全相互抵消(这并不是说在这样的距离处无法检测到来自传感器的rf场)。

在一些实施方式中，有源谐振电路包括一对或三个或更多个横向相邻的扁平线圈。(如本文中所用，对两个或更多个线圈的引用可被视为包括带有两个或更多个绕组的一个线圈，例如，其中绕组处于相反的方向)。线圈可以沿由键定义的纵向方向纵长地彼此相邻放置。为了便于制造，可以在印刷电路板(pcb)(其可为柔性pcb)上形成扁平线圈。线圈可以具有相反方向的绕组，但也可以没有相反方向的绕组，通过使用线圈的这种配置，可以简单地减少相互干扰。

在实施系统中，特别地，多路复用系统被配置为例如通过使线圈/传感器短路和/或用失谐振信号(例如低频信号或dc信号)驱动线圈/传感器来抑制未被驱动的键传感器的有源谐振电路。这也有助于通过减少传感器之间的干扰来使用基于谐振电路的传感器。

上述技术中的一种或多种可用于限制附近传感器之间的干扰。采用哪种技术以及多少种技术在一定程度上取决于当键在高位时有源谐振电路和无源谐振电路之间的距离和/或键高位和键低位之间的键程。例如，在钢琴式键盘中，键程可能在大约5mm到15mm之间，具体取决于设计。随着距离的增大，按下一个键可能导致看到附近的另一个键移动，因此可以有利地使用上述一种或多种技术来改善这种效果。因此，一般来说，感测系统的一些实施方式可以采用如本文所述的多路复用布置和一些附加装置来减少附近传感器之间的干扰。

感测系统还可以包括用于对检测到的rf信号的电平进行温度补偿的温度补偿系统。温度补偿系统可以被配置为将失谐振驱动信号施加至有源谐振电路中的至少一个。然后，温度补偿系统可以测量来自所述至少一个检测器的失谐振驱动信号的电平，然后可以响应于失谐振驱动信号的电平来补偿(例如抵消)检测到的rf信号的电平。在一些实施方式中，多路复用系统被配置为对驱动信号进行多路复用，使得在一组时隙中的每个时隙中驱动键传感器中的一个。然后温度补偿系统可以被配置为在额外时隙(尤其是未被用于键轮询(keyinterrogation)的时隙)期间施加失谐振驱动信号。

在一些实施方式中，每个键传感器还可包括弹性可变形元件(例如，可变形端部止动件)，例如在谐振电路中的一个的下方或者在谐振电路之间，特别用于特别是通过检测弹性变形元件的运动来限制用于压力感测的无源谐振电路和有源谐振电路中的一个或二者的运动。

在相关方面，提供了一种周期性地补偿键盘的响应的方法。键盘的每个键可以具有包括有源谐振电路、无源调谐的谐振电路和检测器的传感器。所述方法可以包括：在第一时间t0从储存器中检索出传感器的检测到的初始输出信号ot0，其中，在t0处，以比有源谐振电路的谐振频率低的频率驱动有源谐振电路。所述方法还可以包括：在t0之后的时间处，针对传感器中的至少一个，周期性地检测传感器的后续输出信号ot1。所述方法然后可以计算调整值，例如，传感器的初始输出信号与传感器的后续输出信号之间的差。所述方法然后还可以包括：通过利用调整值调整传感器的操作输出来补偿键盘的响应。操作输出可以是当以有源谐振电路的谐振频率驱动有源谐振电路时传感器的输出。所述方法还可以包括：根据时分复用寻址方案来操作传感器。然后，所述方法可以使用时分复用寻址方案中的传感器不可操作的“闲置”时隙进行检测。

在另一方面，提供了一组用于键盘(尤其是键盘乐器的键盘，特别地，钢琴式键盘)的传感器。键盘具有多个键。所述一组传感器可以是感测系统的一部分。每个传感器可以包括安装在键的移动部分上的无源谐振电路和用于安装在固定基准位置(例如键盘或乐器的一部分上)的有源谐振电路。在实施方式中，无源谐振电路具有谐振频率，并且有源谐振电路以谐振频率激励无源谐振电路。每个传感器还可以包括检测器，其可以由多个传感器共享，以利用有源谐振电路和无源谐振电路的相对位置来检测有源谐振电路中的谐振信号的变化，从而检测键的位置和/或速度。在一些实施方式中，所述变化可以是谐振信号的信号振幅的变化。所述一组传感器可以包括具有两个或更多个不同的谐振频率的传感器，其被排列为使得当被安装以感测键盘的键时，具有相同谐振频率的传感器不相邻。

这种方式的实施例可以相对便宜地构造，但是同样可靠并且不容易产生机械开关的键反弹，进而能够非常快速和可靠地响应于键移动。例如，理想的是，以至少每秒250次的速率测量每个键，并且对于88音符键盘，这对应于22,000键/秒的速率。所述系统的一些实施方式可以超过该速率十倍地进行操作。该系统的实施例也可以提供优秀的温度稳定性，并且是非接触的，从而稳健并且实质不受污染。当键在键按下位置与键释放位置之间移动时，所述传感器的一些实施方式能够进一步确定键位置，并且可以提供对键位置的实质连续的确定。基准位置可以是键下方的固定位置，例如，在键盘底座或安装架上，或者基准位置可以是携带键盘的所述一组传感器的印刷电路板(pcb)上的位置。然而，作为替代，在一些实施方式中，有源谐振电路可以安装在键上并且与键关联，并且谐振电路可以安装在底座、pcb或类似部件上。

传感器的一些实施方式也能够检测键何时移动至键按下位置以外，因此在实施复音触后方面很有用。触后允许音乐家在按压之后将力施加至键，以通过修改音符(例如控制音量、颤音等)来增加音符的表达。在一些实施方式中，复音触后允许音乐家针对每个键单独地控制这种表达。

传感器还可以感测键速度，并且/或者可以采用感测到的键速度来确定键位置。感测键速度可以允许增加进一步的表达。

在一些实施方式中，具有第一谐振频率的传感器与具有不同的第二谐振频率的传感器交错布置，例如在交替的键上使用交替的频率。这有助于减小传感器之间的干扰。

所述一组传感器可以包括控制器，其用于控制选择或者扫描传感器，使得在不同时间选择相邻的键盘传感器，以再次减小传感器之间的干扰。在一些实施方式中，例如通过将有源谐振电路的一部分经由例如电阻器接地，控制器可以抑制未选中传感器的有源谐振电路的响应。控制器可以包括多路复用系统和/或微处理器。

在一些实施方式中，控制器/多路复用系统可以被配置为时分复用传感器的操作。在这种方法中，每个谐振频率可以限定一组传感器，并且时分复用可以限定n个时隙。例如每个组中连续的键盘传感器被分配有连续的时隙。如果该组传感器中的传感器交错布置，则例如每个组中连续的传感器可以在键盘上不相邻。可以有n个谐振频率，因此有n组传感器；在一些实施方式中，n＝1。在一些实施方式中，在当前时隙中激活当前组传感器中的传感器之后，控制器可以在下一时隙中激活键盘上的同一组传感器中的下一传感器。

优选地，控制器/多路复用系统被配置为使得相邻的传感器不被同时激活，但是相邻的传感器的下一传感器可以被同时激活。同时激活的传感器之间的间隔可以是(m×n)+1，其中m在1至n/2的范围内；较高的间隔是优选的(其中间隔为1指相邻的传感器)。

同一组中同时激活的传感器的最接近物理间隔可为n×n个传感器的间隔，n×n个传感器在后面被称作传感器的子集，应位通常键盘将具有不止一个这样的子集。因此，控制器/多路复用系统可以被配置为使得同一组中并且在同一时隙中激活的键盘传感器之间具有(n×n)-1个传感器。在一些实施方式中，n可以是8，并且n可以是2。

可以利用耦接至诸如数字解复用器之类的寻址装置的处理器来实现控制器，以对传感器进行寻址；可以通过将传感器有源谐振器经模拟复用器选择性地连接至读出电路，来从寻址的传感器中读出信号。检测器(即读出电路)可以执行包络检测功能。在一些实施方式中，可以通过从至有源谐振器的驱动信号经由可调整的相位移动导出的使能信号，来启用读出电路和/或模拟复用器。可以在这种解复用器-复用器布置的上下文中或者与之分离的情况下使用可调整的相位移动来实现对来自有源谐振电路的信号的同步检测。

控制器或另一处理器可以被配置为：当键被按下和/或释放时，随着按下的键在释放位置与按下位置之间移动，处理每个传感器的有源谐振电路中的谐振信号的变化，以确定在连续时间间隔期间键盘的每个键的运动。当键在释放位置与按下位置之间移动时，每个键的运动可以包括键的位置和/或近似速度。

在一些方法中，可以根据键的速度例如通过整合来确定键的位置而不是直接确定键的位置。处理器可以针对每个键或者每个移动中的键来输出限定了近似位置和/或速度随时间的曲线的数据。

在一些实施方式中，处理器被配置为：处理每个传感器的有源谐振电路中谐振信号的变化，以根据在连续时间间隔下确定的键的位置变化来确定键的近似速度。以这种方式确定的速度可以根据键速度进行滤波，例如当键缓慢移动时应用更大的滤波/平滑。这有助于在键缓慢移动时提供准确的数据，而不会显著影响快速移动键的响应时间。

更一般地，处理器可以处理谐振信号的振幅和/或其他变化，以例如根据键位置和/或速度的确定来确定每个键的键按下事件和键释放事件。因此，处理器可以为每个键/每个激活键输出音符信号。

在一些方法中，可以使用一连串键位置或者键移动曲线，例如通过推断键位置的轨迹，来预测何时按下的(或释放的)键到达键按下/音符打开(或者键释放/音符关闭)位置。预测的位置可以是稍后称为k的位置。然后，处理器可以在到达实际的键按下/音符打开(或者键释放/音符关闭)位置之前，发出键按下/音符打开(或者键释放/音符关闭)信号。这有利于补偿乐器的处理延迟，例如声音生成引擎中的延迟。

在一些实施方式中，可以使用一连串键位置或者键移动曲线来提供信号，以控制乐器，例如，在音符打开事件已发出之前和/或之后，控制声音生成引擎为声音增加表达。

在一些实施方式中，处理器还可以被配置为区别至少三个不同的键位置，所述至少三个不同的键位置包括：第一：音符关闭位置；第二：音符打开位置；和第三：触后位置。触后位置可以超过音符打开位置、并且对应于在按下之后施加至键的额外压力。当键移动至触后位置/从触后位置开始移动，处理器可以确定键的位置和/或速度，例如，处理器用作可变压力传感器，或者处理器可以简单地识别何时到达触后位置。作为将额外压力施加至键的结果，触后位置可以对应于键超过其通常按下位置的运动。每个键都可以设置有弹性偏压或可变形端部止动装置，例如压缩或拉伸弹簧或者可压缩元件或块，使得键的按下部分与该装置相互作用，并且除非对键施加额外的压力导致键朝着其触后位置移动，否则键受装置限制而不能进一步运动。可以检测每个键的触后位置，以提供复音触后功能。

在上述系统的一些实施方式中，可以在检测到音符关闭之前发出新的音符打开信号，以有助于再触发，这对于钢琴键盘来说是有用的。压力控制键的移动距离(死区)可以设置在最大键按下位置和触后检测的开始之间，例如，以允许在开始配置触后之前所需的压力的量。

所述一组传感器可设置在诸如印刷电路板的衬底上。传感器可沿衬底呈线状布置，特别是布置在与键盘的键位置相对应的位置，更具体地说，与无源谐振电路位于键上的位置相邻。有源谐振电路的线圈可以由衬底上的例如限定扁平线圈的轨迹形成。虽然钢琴键盘有黑键和白键，但当无源谐振电路的位置合适时，传感器可以位于一条线上。然而，在一些实施方式中，有源谐振电路和无源谐振电路在两个位置之间交替，并且交替地移位到限定传感器的总体布置的纵向线的任一侧。一组传感器可包括用于整个键盘或键盘的部分长度(例如一个、两个或更多八度音)的传感器。还提供了一种用于键盘乐器的键盘，该键盘包括如前所述的一组或多组传感器。

通常，所述一组传感器的处理器/控制器可以是任何类型的处理装置/电路，例如包括以下一个或多个：受程序代码控制的微处理器；数字信号处理器(dsp)；硬件，诸如fpga(现场可编程门阵列)或asic(专用集成电路)。在一些实施方式中，一组传感器的控制/处理功能可以在单个集成电路中提供。

在使用可编程装置的情况下，处理器可以具有相关联的工作存储器和非易失性程序存储器，用于存储处理器控制代码以控制处理器实现上述功能的部分或全部。因此，还提供了非暂时性数据载体，例如非易失性存储器，其携带代码和/或数据以实现上述功能。代码/数据可以包括传统编程语言的源代码、对象代码或可执行代码、解释或编译的代码或汇编代码、用于设置或控制asic或fpga的代码/数据，诸如用于硬件描述语言(诸如verilog(商标))的代码。本领域技术人员应该理解，这样的代码和/或数据可以在相互通信的多个耦接组件之间分布。

还提供了一种感测多个键(例如键盘乐器的多个键)的位置的方法。所述方法可包括为每个键提供传感器，所述传感器包括用于安装在例如键的移动部分上的无源谐振电路和用于安装在例如固定的基准位置(例如键盘或乐器的一部分上)的有源谐振电路。在一些实施方式中，无源谐振电路具有谐振频率，并且有源谐振电路以谐振频率激励无源谐振电路。每个传感器还可以包括检测器，其可以被共享，以利用有源谐振电路和无源谐振电路的相对位置来检测有源谐振电路中的谐振信号的变化，从而检测键的位置和/或速度。所述方法还可包括将传感器布置成以两个或更多个不同的谐振频率操作，所述传感器布置成使得具有相同谐振频率的键盘传感器不相邻。可替代地或可选地，所述方法还可包括：通过配置至少有源谐振电路的一个或多个线圈，以及可选地也配置无源谐振电路的一个或多个线圈，以使线圈具有相反方向的绕组，来减小各传感器之间的干扰。

所述方法还可以包括：通过区分至少三个不同的键位置来提供复音触后，所述至少三个不同的键位置包括：第一：音符关闭位置；第二：音符打开位置；和第三：触后位置，其中，触后位置超过音符打开位置并且对应于在键的按下并移动超过端部止动件位置之后施加至键的额外压力。

还提供了一种键盘，特别是一种音乐键盘，其提供从对键盘上的多个可移动键的位置、该多个可移动键的速度的测量值以及施加至该多个可移动键的压力的测量值导出的输出信号。测量值可以从可移动键上的位置传感器中导出。每个位置传感器可以包括：有源调谐的谐振电路；耦接到有源调谐的谐振电路的驱动电子器件，用于以谐振频率驱动有源调谐的谐振电路，可选地，所述驱动电子器件在各传感器之间共享；以及与可移动键相关联的电抗元件。电抗元件可根据电抗元件相对于有源调谐的谐振电路的相对位置，对有源调谐的谐振电路的响应提供可变修改。键盘还可包括：耦接到有源调谐的谐振电路的读出电子器件，其用于响应于电抗元件相对于有源调谐的谐振电路的相对位置来提供可变输出信号。读出电子器件的可变输出信号可提供位置传感器输出。

优选地，但并不必要，所述电抗元件包括被调谐到用于驱动所述有源调谐的谐振电路的频率的无源调谐的谐振电路，因此所述位置传感器以单个谐振频率操作。这种方法的优点包括：首先，对于给定尺寸的位置传感器，可以获得更大的有效感测距离。其次，对于给定的感测位置的变化，可以获得位置传感器的输出信号的较大变化，这通常消除了位置传感器的输出放大器的要求，从而降低了复杂性和成本。第三，由于发明者已发现，如果将第二位置传感器调谐到与第一位置传感器的谐振频率明显不同的谐振频率，则被调谐到第一位置传感器的谐振频率的第一位置传感器的无源调谐的谐振电路不会实质性地影响第二位置传感器的输出，所以有助于多个位于附近的位置传感器的操作。

概括地说，谐振频率的示例范围为1mhz至10mhz，从而在速率和寄生效应的有害影响之间取得了平衡。例如，第一谐振频率可以在3mhz至4mhz的范围内，而第二谐振频率可以在4mhz至5mhz范围内。

已经发现，形成由有源调谐的谐振电路和无源调谐的谐振电路使用的线圈的特别有利的装置是由印刷电路板上的轨迹所限定的扁平线圈或平面线圈。这有助于实现明确限定的可重复的几何结构，并有利于将其他电有源元件放置在印刷电路板附近。

为了最小化位置传感器辐射的电磁辐射，并且最小化对所述位置传感器的电磁干扰信号的敏感性，有源调谐的谐振电路的线圈可以由多个电连接的初级“小”线圈形成，其中所述初级小线圈的绕组方向被选择为使得从所述初级小线圈辐射的电磁远场的总和实质为零。在这种情况下，无源调谐的谐振电路使用的电感线圈可以：仅感应性地耦接到所述初级小线圈的一个子集；或者由多个电连接的次级小线圈组成，其中可以选择所述次级小线圈的绕组方向和数量使所述位置传感器的输出信号的变化最大化。

尽管上述系统和方法对与键盘一起使用特别有利，但其应用不限于键盘。

附图说明

现在，将参照附图进一步描述本发明的这些和其它方面，附图中：

图1示出了与系统的示例实施方式一起使用的有源调谐的谐振电路；

图2示出了与系统的示例实施方式一起使用的无源调谐的谐振电路；

图3a以放大比例示出了与系统的示例实施方式一起使用的有源调谐的谐振电路的示例印刷电路设计；

图3b以放大比例示出了与系统的示例实施方式一起使用的无源调谐的谐振电路的示例印刷电路设计；

图4示出了利用系统的示例实施方式确定键的位置的音乐键盘的键的剖视图；

图5示出了包括可以由系统的示例实施方式使用的同步解调器的简单读出电子电路的示例；

图6示出了根据系统的示例实施方式的被布置为使邻近的调谐的谐振电路之间的干扰最小化的一系列有源调谐的谐振电路和一系列对应的无源调谐的谐振电路的相对定位；

图7示出了根据系统的示例实施方式的用于对多个有源调谐的谐振电路进行复用以确定音乐键盘上多个键的位置的时分复用电路的时序图；

图8示出了根据系统的示例实施方式的用于对多个有源调谐的谐振电路进行复用以确定音乐键盘上多个键的位置的优选实施例的时分复用电路图；

图9示出了根据系统的示例实施方式的传感器输出与音乐键盘上的键的键位移的关系；

图10示出了根据系统的示例实施方式的音乐键盘上的键在被按下时的测量位置与测量速度的示例；

图11示出了根据系统的示例实施方式的用于校准音乐键盘上的键的检测位置的示例校准程序；

图12示出了根据系统的示例实施方式的用于检测音乐键盘上的键的音符打开事件、音符关闭事件、表达事件(expressionevent)和按压事件的示例算法；

图13示出了根据系统的示例实施方式的传感器谐振电路的示例，所述传感器谐振电路的线圈具有相反方向的绕组。

具体实施方式

一个优选实施例包括具有多个可移动键的音乐键盘，其中图4的各个可移动键包括：可移动顶部构件15，其围绕枢转点17旋转，并且通过弹簧16或者其它机械连接件抵抗移动；固定的底部构件14；可变形端部止动件18，其限制所述顶部构件的移动；以及位置传感器，其包括以电感方式耦接至电抗元件11(以下称作目标)的有源调谐的谐振电路10用于提供随所述有源调谐的谐振电路和所述目标的互相分离的变化而变化的信号，连接至所述有源调谐的谐振电路的驱动电子器件，以及连接至所述有源调谐的谐振电路的读出电子器件。

图1的有源调谐的谐振电路包括输入电阻元件4、线圈1、两个电容元件2和3、输出电阻元件5、将驱动电子器件连接至所述输入电阻元件的连接装置6、以及将读出电子器件连接至所述输出电阻元件的连接装置7。可以省略所述输入电阻元件，但它是优选的，因为它限制了从所述驱动电子器件供应至所述有源调谐的谐振电路的电流，这减小了操作电流，从而减小了功耗和从所述有源调谐的谐振电路的电磁发射；并且当所述读出电子器件连接至所述有源调谐的谐振电路时，增大了近处检测的灵敏度。可以省略所述输出电阻元件，但是它也是优选的，因为它减小了连接线对所述有源调谐的谐振电路的阻抗的影响，从而允许所有位置传感器实质相同，而不管与驱动电子器件和与读出电子器件的连接长度如何。

参照图2，电抗元件优选地包括无源调谐的谐振电路，该电路包括线圈8和电容元件9，其中所述线圈和所述电容元件连接以形成闭合的谐振lc电路。线圈1和线圈8的大小和电感值不必实质相似。优选地，选择所述电容元件9的电容值来调谐所述无源调谐的谐振电路的谐振频率，从而匹配图1所示的有源调谐的谐振电路的谐振频率。当这样调谐所述无源电路和有源电路时，可以操作多个位置传感器，其中所述近距离布置的位置传感器被调谐到实质上不同的谐振频率，从而最小化所述近距离布置的位置传感器之间的相互作用。此外，当所述无源电路和有源电路被这样调谐时，图1中的7处的信号振幅随着所述无源电路和有源电路之间的距离减小而减小，因为更多的能量耦合到所述无源调谐的谐振电路并被其耗散。所述信号振幅的这种变化是优选的，因为测量信号振幅的变化比测量谐振频率的变化更快，如在所述有源调谐的谐振电路由于靠近所述电抗元件而失谐的情况下将实施的那样。

在键的可移动顶部构件15包括导电材料的情况下，由非导电材料组成的空气间隙或间隔件13被插入在所述电抗元件11与所述顶部构件之间。类似地，在固定底部构件14包括导电材料的情况下，由非导电材料组成的空气间隙或间隔件12被插入在有源调谐的谐振电路10与所述固定底部构件之间。

驱动电子器件包括以等于或接近有源调谐的谐振电路的谐振频率的频率产生振荡电压驱动波形的装置。通常，作为非限制性示例，该波形是由微控制器定时器或数字定时电路或模拟定时电路的输出生成的方波。

读出电子器件包括产生与读出点7处的信号的振幅成比例的电压的装置。通常，作为非限制性示例，该读出电子器件包括图5所示的同步解调电路，其中，来自所述读出点的信号连接到20，并由模拟开关22解调，该模拟开关22由连接到19的振荡电压驱动波形控制，所述振荡电压驱动波形的相位可由相移元件21可选地调整，并且通过低通滤波器在25处呈现低频(或直流)电压，所述低通滤波器包括电阻元件23和电容元件24。替代读出电子电路可包括本领域技术人员理解的相敏整流器、非相敏整流器、非同步解调器和峰值检测器。

有源调谐的谐振电路和无源调谐的谐振电路中分别使用的线圈1和线圈8可以是任何类型。然而，使用由印制电路板上的轨迹形成的平面螺旋线圈有三个主要优点：它们价格便宜，可以制成具有高度可再现性的电感值的线圈，并且印制电路板还可以用于安装其他组件，即电容元件2、3和9以及电阻元件4和5。因此，可以设计电感值紧密匹配的多个线圈。

参照图3a，典型的有源调谐的谐振电路可以形成在包括单个导电层或多个导电层的印刷电路板上：线圈1由连续的螺旋轨迹构成，从而通过经连接通孔53电连接到另一导电层上的连接线或另一螺旋轨迹或者连接到所述印刷电路板的多个导电层上的多个螺旋轨迹，来保持所述轨迹的电连续性；电容元件2和3以及电阻元件4和5位于附近；并且分别为驱动电子器件读出电子器件提供了连接点6和7。

类似地，参照图3b，典型的无源调谐的谐振电路可以形成在包括单个导电层或多个导电层的印刷电路板上：线圈8由连续的螺旋轨迹构成，从而通过经连接通孔54电连接到连接线或到另一导电层上的另一螺旋轨迹或者连接到所述印刷电路板的多个导电层上的多个螺旋轨迹，来保持所述轨迹的电气连续性；并且电容元件9位于附近。

发明人已发现，，当有源调谐的谐振电路的电感线圈由多个电连接的初级小线圈形成时，可以大大降低所述有源调谐的谐振电路的电磁辐射以及所述有源调谐的谐振电路对电磁干扰信号的敏感度，其中所述初级小线圈的绕组方向被选择为使得从所述初级小线圈辐射的电磁远场之和实质上为零。图13a中示出了所述电感线圈1的一个特别合适但非限制性的示例，其中两个初级小线圈以相反的绕组方向58串联以形成8字形线圈。在这种布置中，从所述8字形线圈的第一半部56辐射的电磁远场与从所述8字形线圈的第二半部57辐射的电磁远场在大小上相等但极性相反，因此，从所述8字形线圈辐射的所述电磁远场实质上为零。

在这种布置中，如图3b所示的无源调谐的谐振电路可能无效，除非所述无源调谐的谐振电路的电感线圈最初感应耦接到有源调谐的谐振电路的8字形线圈的仅一半56或57。为了使位置传感器的输出信号最大化，优选地，所述无源调谐的谐振电路的所述电感线圈类似地由8字形电感线圈组成，如图13b所示，所述8字形电感线圈包括以相反的绕组方向58串联缠绕的两个次级小线圈，其中每个次级小线圈最初感应耦接到所述有源调谐的谐振电路的所述8字形线圈的不同的初级小线圈。

发明人已发现，尽管调谐到第一有源调谐的谐振电路的第一谐振频率的第一无源调谐的谐振电路实质上不影响被调谐到实质上不同的第二谐振频率的相邻第二有源调谐的谐振电路的输出，但是当被调谐到所述第二谐振频率的对应的第二无源调谐的谐振电路布置在附近时，所述第一无源调谐的谐振电路的移动可由于所述第一无源调谐的谐振电路和第二无源调谐的谐振电路之间的相互耦接而影响所述第二有源调谐的谐振电路的输出。通过抵消物理上相邻的无源调谐的谐振电路的位置，可以使这种不希望的相互作用最小化，如图6所示，其中，有源调谐的谐振电路26和无源调谐的谐振电路28被调谐至第一谐振频率，并且有源调谐的谐振电路27和无源调谐的谐振电路29被调谐至第二谐振频率。

在另一优选实施例中，音乐键盘的可移动键上的位置传感器由时分复用方案控制，从而在任意给定时间启用位置传感器的子集。对于一个具有许多键(诸如16个或更多个键)的典型音乐键盘，这种方案具有降低成本、复杂度、功耗和电磁辐射的优点。

在以第一谐振频率操作的第一位置传感器和以实质上不同的第二谐振频率操作的第二位置传感器位置靠近的情况下，所述位置传感器可以以使得所述第一位置传感器的输出和所述第二位置传感器的输出包含干扰分量的方式相互作用，所述干扰分量随与所述第一谐振频率和所述第二谐振频率的频率差相等的变化频率而变化。当重构低通滤波器的截止频率实质上低于所述频率差时，所述位置传感器的输出的同步解调实质上消除了所述干扰分量。然而，所述低通滤波器的时间响应可以限制所述位置传感器的响应速率，这是不希望的。因此，需要一种最小化这种干扰的机制。使用不同时驱动物理上相邻的传感器的时分复用方案避免了此问题。

在实际应用中，已发现同步解调对于良好的性能不是必需的。

参照图7，这种机构的一个说明性示例示为位置传感器子集的时序图，其中，以第一谐振频率f1操作的位置传感器30与以第二谐振频率f2操作的位置传感器31相邻。在每个时隙中，只有一个以第一谐振频率操作的位置传感器被启用，并且只有一个以第二谐振频率操作的位置传感器被启用。此外，物理上相邻的位置传感器永远不会同时启用，从而最小化所述干扰分量。多个所述位置传感器的子集可以同时操作。

广义地说，在图7的多路复用中，示为黑色阴影的键和示为白色阴影的键各自形成一组键。一组键中的传感器可与另一组键中的传感器具有不同的谐振频率。对于一组，比如说黑键，有8个时隙，并且每8个键同时被激活(驱动)。本领域技术人员将理解，该方法可适用于k个时隙，同时驱动每第k个键(即同时驱动的键之间具有k-1个非激活键)。被同时激活的组中的各个键(例如黑键和白键)可以(在物理上)尽可能分开。

系统的某些实施不采用具有不同谐振频率的不同组的键。相反，所有传感器的谐振频率可实质相同。稍后参考图13描述的线圈设计促进了这种方法的使用。因此，可能存在k个时隙，并且每第k个键可同时处于激活(驱动)状态，即同时被驱动的键之间可具有k-1个非激活键。

图8中示出了以单一谐振频率操作的位置传感器的子集的示例时分复用方案。在图8的系统中，处理器35生成驱动波形36，该驱动波形36的频率与所述位置传感器的有源调谐的谐振电路的谐振频率相匹配；所述处理器生成选择器信号37以选择要启用哪个位置传感器；所述位置传感器的输出7耦接到模拟复用器34；所述模拟复用器的输出通过低通滤波器耦接到所述处理器中的模数转换器，所述低通滤波器包括所述模拟复用器中的电容元件24和电阻元件；所述处理器的输出55用于发送与所述位置传感器的位置和速度有关的信息。使用所述模拟复用器将所述位置传感器的输出耦接到所述模数转换器的另一个优点是，所述模拟复用器可以执行用于同步解调的模拟开关22的功能，从而所述模拟复用器的输出可以通过耦接到所述驱动波形36的使能输入39而被同步使能或禁用。在多个位置传感器以实质不同的谐振频率操作的情况下，可以根据需要复制所述时分复用方案。适当的处理器是armcortex-m0。

图8仅示出一个解复用器/复用器，但如果存在多个谐振频率，则可以为所使用的每个谐振频率采用一个解复用器/复用器。例如，可使用第二解复用器/复用器，其中交替的谐振频率映射至键盘的交替的键。

可通过将(可选)同步解调器电路的输出耦接到包括二极管40、电容元件24和可选电阻元件41或开关元件42(以重置电容元件24上的电荷)的峰值检测电路来促进例如由于组件公差的变化导致的对位置传感器的有源调谐的谐振电路或无源调谐的谐振电路去谐的灵敏度降低。在使用开关元件的情况下，所述开关元件可以与用于控制多路复用器的选择器信号同步地重置检测到的峰值电平。

来自检测器(读出电路)的信号可以被输入到模数转换器38，例如集成到处理器35的模拟输入中。

在不驱动禁用的位置传感器的有源调谐的谐振电路的情况下，所述有源调谐的谐振电路充当调谐天线。这具有负面影响，即，根据图4和图6所示，即使所述类似调谐的位置传感器在物理上不与所述禁用的位置传感器相邻并且所述目标的运动被限制在高于所述禁用的位置传感器的正常限值内，移动与所述禁用的位置传感器对应的目标也可以影响类似调谐位置传感器的输出的可测量变化。可以通过改变禁用的位置传感器的有源调谐的谐振电路(例如，通过电子开关改变所述有源调谐的谐振电路的电容、电阻或电感)在禁用期间的谐振频率来减小所述负面影响。最简单的方法是用直流电或低频信号驱动上述禁用的传感器，以防止谐振。参照图8，在时分复用方案中实现这一点的一个特别有利的方法是使用数字解复用器33来驱动有源调谐的谐振电路的输入6，由此使被使能的位置传感器的有源调谐的谐振电路由波形36以所述有源调谐的谐振电路的谐振频率来驱动，并且通过所述数字解复用器的逻辑高电平或逻辑低电平对应的直流信号来驱动禁用的位置传感器的有源调谐的谐振电路。

在一定的操作温度范围内，音乐键盘的性能保持稳定是很重要的。尽管如本文所述由位置传感器使用的调谐的谐振电路具有优异的温度稳定性，特别是当调谐的谐振电路形成在印刷电路板上并且调谐的谐振电路的电容元件包括温度稳定的电介质(1类电介质)时，但是电路中的其他电子元件可能具有随温度变化的特性，这可能导致位置传感器的输出信号随操作温度的变化而变化。这些电子元件包括但不限于：二极管40、数字解复用器33、模拟复用器34、电阻元件4、5和41、印刷电路板上的轨迹和电压调节器。因此，温度补偿方案可用于使由操作温度的变化引起的音乐键盘上的多个位置传感器的输出信号的变化最小化。

一种特别适合但作为非限制性示例的温度补偿方案包括：在用直流或低频信号驱动所述位置传感器的有源调谐的谐振电路的同时，对所述位置传感器的输出信号进行测量，使得所述位置传感器的无源调谐的谐振电路对所述位置传感器的输出信号没有影响；在校准过程中进行所述第一测量；随后通常在时分复用方案的附加时隙内，周期性地进行随后的所述测量；通过从所述第一测量值中减去随后的所述测量值来计算所述输出信号中与温度有关的偏差；以及当以与所述有源调谐的谐振电路的谐振频率相等或接近的频率驱动所述有源调谐的谐振电路时，将所述偏移量加到所述输出信号的测量值中以测量位置。这种温度补偿方案可以利用一个与温度有关的偏移量来用于：音乐键盘中的每个位置传感器、音乐键盘中的每组位置传感器或音乐键盘中的所有位置传感器。

具有如上所述的利用多路复用方案的可移动键的音乐键盘允许对所述键的位置进行快速和准确的测量。例如，可以多路复用图8所示的示例，其中选择器信号37的更新频率至少为32000hz，从而允许以4000hz的频率确定8个可移动键的子集中的每个可移动键的位置。这个示例可以被复制并针对可移动键的其他子集并行运行，从而允许具有88个键的全尺寸钢琴键盘以至少352000键/秒的速率确定键的位置。本发明的发明人已发现，理想情况下，所述键的位置应每秒至少确定250次，对应于88个键的速率至少为22000键/秒，以允许对音符打开事件和音符关闭事件进行适当准确的定时，并确定与所述事件相关联的键速度。显然，所述系统的实施容易超越这些目标。

参照图9，当根据系统的示例实施方式的音乐键盘上的可移动键被按下时，所述键有三个初级位置：所述键静止时的静止位置(restingposition)kmax43；当所述可移动顶部构件13与所述可变形端部止动件18第一次接触时的点kzero44；以及对应于由普通音乐家施加到所述键上的最大压力点的最大按压点kmin45，其中可变形端部止动件18可被视为最大变形。对于多个这样的可移动键，由于机械变化和电子元件公差，第一键的位置传感器在所述第一键的所述初级位置中的任何一个处的输出信号不太可能与第二键的位置传感器在所述第二键的相同初级位置的输出信号相同。因此，校准过程是必要的，以确保任何可移动键的位置相对于所述可移动键的对应初级位置是已知的。这种校准过程如图11所示。

在可移动键的位置在初级位置kmax和kzero之间的情况下，所述键的校准位置k(其作为kmax和kzero之间按下的百分比)因此可以使用以下公式根据所述键的测量位置ko进行计算：k＝100％×(ko-kzero)/(kmax-kzero)。

在可移动键的位置在初级位置kzero和kmin之间的情况下，所述键的校准位置kpress(其作为kzero和kmin之间按下的百分比)，如图9中的50，可以使用以下公式根据所述键ko的测量位置进行计算：kpress＝100％×(ko-kmin)/(kzero-kmin)。在这种情况下，kpress可以被认为是施加在所述键上的压力量，对应于所述键的按下范围50。

在一些实施例中，kpress的计算可包括偏移量kpoff，其中kpress为零，直到键ko的位置介于(kzero–kpoff)和kmin之间为止；然后kpress＝100％×(ko–kmin)/(kzero–kpoff–kmin)。所述偏移量产生死区，其中所述键的位置的变化不会导致所述键的校准位置k的变化和kpress的变化。这有助于实现触后阈值(aftertouchtreshold)。

在典型的音乐键盘上，希望所述键盘上的每个可移动键在所述键的按下超过次级位置kon时发出音符打开事件，并在所述键的按下返回到另一个次级位置koff时发出音符关闭事件。在某些情况下，kon可以等于koff，但kon和koff最好是不相等的。参照图9，优选地，次级位置kon48被选择为靠近初级位置kzero44。相似地，次级位置koff47被选择在所述次级位置kon附近。

在一些实施例中，当所述可移动键的按压已返回到次级位置kon之前的位置，但尚未返回到次级位置koff，然后所述可移动键的按压变化至次级位置kon以外的位置时，在发出第一音符打开事件之后，可以发出第二音符打开事件，并且可选地在所述第二音符打开事件之前发出音符关闭事件。这有助于重新触发。

在一些实施例中，每个可移动键的次级位置koff46被选择在初级位置kmax43附近。这样的布置允许在发出音符关闭事件之前使用所述键的位置来发出表达事件，其中所述键在koff和kzero之间的测量位置ko可用于计算校准表达值：

kexp＝100％×(ko–kzero)/(koff–kzero)，对应于所述键的按压范围49。

作为非限制性示例，图12所示的一个特定算法可用于根据系统的示例实施方式的音乐键盘上的每个可移动键，其中，当使用初级位置kmax、kzero和kmin，然后使用次级位置kon和koff进行校准时，所述可移动键的测量位置ko可用于针对所述音乐键盘上的每个可移动键发出：音符打开事件、音符关闭事件、表达事件和按压事件。

从所述可移动键的初级位置kmax和kzero导出音乐键盘上的所述可移动键的次级位置kon和koff的一个特别优点是，所述次级位置可以通过简单的数值计算容易地修改，从而允许所述音乐键盘的响应被改变。此外，对于具有多个可移动键的音乐键盘上的每个单独的键，这种修改可以不同，以允许在所述音乐键盘上实现大范围响应，而不需要对音乐键盘进行任何机械改变。

为了提供对乐声再现系统的进一步表达控制，音乐键盘通常发送与音符打开事件相关的速度信息，也可发送与音符关闭事件相关的速度信息。这种速度信息可以通过测量两个已知的键按压点之间的时间间隔来确定，或者反过来通过测量在两个已知的时间点处的键按压(keydepression)的变化来确定。

在实施例中，可移动键的速度(速率和方向)由所述键在多个对应时间处的多个位置、使用平均、滤波或类似方法来确定。下面将详细描述示例。这种计算所述速度的方法与其他方法相比有几个优点：它不像两点测量方法那样假设线性速度曲线，而是允许检测在所述键的整个按压范围内的速度变化，因此所测量的速度值更能代表所述键的真实速度，从而使所述键的响应更加一致；由于使用了大量具有统计意义的重要数据点，因此可以确定更高的速度分辨率和精度；并且它允许计算所述键的未来位置的预测，例如，允许估计所述键的位置为次级位置kon和koff的未来时间，从而允许在对应的物理事件之前发出音符打开事件或者音符关闭事件，从而补偿乐声再现系统中的延迟。

滤波过程的一个示例如下：

deltav＝deltapos(即，固定时间步长(timestep)之间的位置的改变)

alpha＝k×abs(deltav)

滤波系数alpha取决于deltav的大小；alpha仅限于合理值，以避免上溢出/下溢出。

velocity＝alpha×last_velocity+deltav×(1-alpha)

这种可以在数字域中实现的方法能够提供改进的分辨率，因为对于非常缓慢移动的键来说尤其重要的滤波不会显著损害快速移动键的时间响应。修改滤波和/或最大允许速度值可以改变对仪器的感觉，例如赋予其更强硬或更柔和的响应。

为了说明这种方法的这种优点，图10示出了可移动键的校准位置51和所述键的对应的校准速度(calibratedvelocity)52，其中所述键的按压在所述键的按压开始的7ms内达到初级点kzero44。图10的曲线图近似于直接从差分位置计算出的速度，但当位置缓慢移动时，速度滤波会比较重，因此速度会稍有滞后。与其他方法相比，这种方法可以产生关于音乐键盘上可移动键的速度的实质上更多的信息。

已描述了用于音乐键盘的移动检测系统，以及用于键盘乐器的感测系统和方法。然而，所描述的技术不限于音乐键盘，而是也可用于例如计算机键盘。

例如，在一些实施方式中，上述技术可用于笔记本键盘。在这种情况下，无源谐振电路和有源谐振电路中的一个或两者都可以安装在柔性pcb上。例如，无源谐振电路可以安装在键的下面、柔性pcb上，而有源谐振电路可以安装在底层刚性pcb上。例如，如果在有源谐振电路和无源谐振电路之间设置了一些弹性材料，则感测位置的能力可用于感测施加在键上的压力。在一些实施方式中，例如笔记本、计算机或其他键盘，其中键在平面或曲面上以2d图案布置，例如，可以以与上述方式大体对应的方式布置多路复用，使得在二维中没有键与相邻键同时被驱动。例如，在矩形2d网格中，由键盘定义的表面中的二维中的每一个中交替的键可以在交替的时隙中激活(即，可以识别出两组非相邻键)。这可以扩展到由六边形和其他网格定义的键布局，其中可以类似地识别出非相邻键集。当读取目标键时，在由键盘定义的表面中彼此相邻的键可以是非活动的和/或受阻尼的。然而，如前所述，多路复用可以被布置成同时读取键盘的多个键，所述技术对于计算机和其他键盘来说是有利的，因为它们可以廉价地制造，并且响应时间可以非常快，例如＜1ms。

在另一实施方式中，上述技术可用于感测压力，传感器还包括位于无源谐振电路和有源谐振电路中的一个或两者的下方和/或之间的可变形元件，例如橡胶块或橡胶层。例如，这种布置可以用作电子鼓垫的传感器。

毫无疑问，技术人员将想到许多其他有效的替代方案。应当理解，本发明不限于所描述的实施例，而是包括对本领域技术人员显而易见的、在本文所附权利要求的精神和范围内的修改。