本申请涉及用于对接LC传感器的方法和相关系统。提供一种将LC传感器和控制单元进行对接的方法。控制单元可以包括第一接触和第二接触，其中LC传感器连接在第一接触和第二接触之间。电容器连接在第一接触和接地之间。为了开始LC传感器的振荡，所述方法可以包括：在第一阶段期间，将第一接触连接到电源电压并且将第二接触置于高阻抗状态，从而使得电容器通过电源电压而被充电。在第二阶段期间，将第一接触置于高阻抗状态，并且将第二接触连接到接地，从而使得电容器将电荷朝向LC传感器转移。在第三阶段期间，第一接触和第二接触可以置于高阻抗状态，因此LC传感器能够进行振荡。
1.一种用于将LC传感器和控制器进行对接的方法，所述控制器包括第一接触和第二接触，其中所述LC传感器被耦合在所述控制器的所述第一接触和所述第二接触之间，并且电容器被耦合在所述第一接触和参考电压之间，所述方法包括：在第一阶段期间，将所述第一接触连接到电源电压并且将所述第二接触置于高阻抗状态，使得所述电容器通过所述电源电压而被充电；
在第二阶段期间，将所述第一接触置于所述高阻抗状态并且将所述第二接触连接到所述参考电压，使得所述电容器将电荷转移到所述LC传感器；以及在第三阶段期间，将所述第一接触和所述第二接触置于所述高阻抗状态，使得所述LC传感器振荡。
2.根据权利要求1所述的方法，进一步包括在所述第三阶段期间监视在所述第二接触处的电压。
3.根据权利要求2所述的方法，进一步包括改变所述第二阶段的持续时间，以在所述第三阶段的开始处调整所述电容器处的电压，由此限定在所述第二接触处出现的所述振荡的中点电压。
4.根据权利要求3所述的方法，其中所述参考电压包括第一参考电压；以及其中监视在所述第二接触处的所述电压包括将在所述第二接触处的所述电压与至少一个第二参考电压进行比较以生成比较信号。
5.根据权利要求4所述的方法，其中监视在所述第二接触处的所述电压包括对所述比较信号中的脉冲的数目进行计数。
6.根据权利要求5所述的方法，其中改变所述第二阶段的持续时间以在所述第三阶段的开始处调整所述电容器处的电压包括：改变所述第二阶段的持续时间以确保在所述比较信号中的最小脉冲数目。
7.根据权利要求4所述的方法，其中所述比较信号包括第一比较信号，并且所述方法进一步包括：利用施密特触发器对所述第一接触处的电压进行监视，使得当在所述第一接触处的所述电压高于给定的较高阈值时，第二比较信号被设置为高，并且当所述第一接触处的所述电压低于给定的较低阈值时，所述第二比较信号被设置为低；以及执行校准。
8.根据权利要求7所述的方法，其中执行所述校准包括：
在第一校准阶段期间，将所述第一接触与所述电源电压连接，并且将所述第二接触置于高阻抗状态，使得所述电容器通过所述电源电压而被充电；
在第二校准阶段期间，将所述第一接触置于高阻抗状态，并且将所述第二接触与所述第一参考电压连接，使得所述电容器将电荷转移到所述LC传感器；
在第三校准阶段期间，一旦所述第二比较信号指示在所述第一接触处的所述电压低于所述给定的较低阈值，就将所述第一接触连接到电源电压，使得所述电容器通过所述电源电压而被充电；以及在第四校准阶段期间，一旦所述第二比较信号指示在所述第一接触处的所述电压高于所述给定的较高阈值，就确定所述第三校准阶段的持续时间。
9.根据权利要求8所述的方法，其中在所述第二校准阶段和所述第三校准阶段之间，一旦所述第二比较信号指示在所述第一接触处的所述电压低于所述给定的较低阈值，就进一步包括：将所述第一接触连接到所述电源电压，使得所述电容器通过所述电源电压而被再充电，其中所述再充电的持续时间根据所述第二校准阶段的持续时间而确定，由此限定在所述第二接触处出现的所述振荡的中点电压。
控制器，包括第一接触和第二接触，其中所述LC传感器被耦合在所述控制器的所述第一接触和所述第二接触之间；以及电容器，被耦合在所述第一接触和参考电压之间；
在第一阶段期间，将所述第一接触连接到电源电压并且将所述第二接触置于高阻抗状态，使得所述电容器通过所述电源电压而被充电，在第二阶段期间，将所述第一接触置于所述高阻抗状态并且将所述第二接触连接到所述参考电压，使得所述电容器将电荷转移到所述LC传感器，以及在第三阶段期间，将所述第一接触和所述第二接触置于所述高阻抗状态，使得所述LC传感器振荡。
11.根据权利要求10所述的系统，其中所述控制器被进一步配置为在所述第三阶段期间监视在所述第二接触处的电压。
12.根据权利要求11所述的系统，其中所述控制器被进一步配置为改变所述第二阶段的持续时间，以在所述第三阶段的开始处调整所述电容器处的电压，由此限定在所述第二接触处出现的所述振荡的中点电压。
13.根据权利要求12所述的系统，其中所述参考电压包括第一参考电压；以及其中所述控制器通过将在所述第二接触处的电压与至少一个第二参考电压进行比较以生成比较信号，由此监视在所述第二接触处的所述电压。
14.根据权利要求13所述的系统，其中所述控制器通过对所述比较信号中的脉冲的数目进行计数来监视在所述第二接触处的所述电压。
15.根据权利要求14所述的系统，其中所述控制器通过改变所述第二阶段的持续时间以确保在所述比较信号中的最小脉冲数目，由此改变所述第二阶段的持续时间以在所述第三阶段的开始处调整所述电容器处的电压。
16.根据权利要求15所述的系统，其中所述比较信号包括第一比较信号，并且其中所述控制器被进一步配置为：监视在所述第一接触处的电压，使得当在所述第一接触处的所述电压高于给定的较高阈值时，第二比较信号被设置为高，并且当在所述第一接触处的所述电压低于给定的较低阈值时，所述第二比较信号被设置为低；以及执行校准。
17.根据权利要求16所述的系统，其中所述控制器被配置为通过下列项来执行所述校准：在第一校准阶段期间，将所述第一接触与所述电源电压连接，并且将所述第二接触置于高阻抗状态，使得所述电容器通过所述电源电压而被充电；
在第二校准阶段期间，将所述第一接触置于高阻抗状态，并且将所述第二接触与所述第一参考电压连接，使得所述电容器将电荷转移到所述LC传感器；
在第三校准阶段期间，一旦所述第二比较信号指示在所述第一接触处的所述电压低于所述给定的较低阈值，就将所述第一接触连接到电源电压，使得所述电容器通过所述电源电压而被充电；以及在第四校准阶段期间，一旦所述第二比较信号指示在所述第一接触处的所述电压高于所述给定的较高阈值，就确定所述第三校准阶段的持续时间。
18.根据权利要求10所述的系统，其中所述控制器包括：
第一开关，被配置为有选择地将所述第一接触连接到所述电源电压或将所述第一接触置于所述高阻抗状态；
第二开关，被配置为有选择地将所述第二接触连接到所述参考电压或将所述第一接触置于所述高阻抗状态；以及比较器，被配置为监视在所述第二接触处的电压。
19.根据权利要求18所述的系统，其中所述第一开关包括与所述第一接触相关联的三态输出驱动电路；其中所述第二开关包括与所述第二接触相关联的三态输出驱动电路；以及其中所述比较器包括与所述第二接触相关联的输入感测电路，所述输入感测电路包括施密特触发器。
20.根据权利要求10所述的系统，其中所述控制器被集成在集成电路中。
21.一种控制器，用于与LC传感器和电容器一起使用，所述控制器包括：第一接触和第二接触，其中所述LC传感器将被耦合在所述第一接触和所述第二接触之间，并且其中所述电容器将被耦合在所述第一接触和参考电压之间；以及处理器，被配置为在第一阶段期间，将所述第一接触连接到电源电压并且将所述第二接触置于高阻抗状态，使得所述电容器通过所述电源电压而被充电，在第二阶段期间，将所述第一接触置于所述高阻抗状态并且将所述第二接触连接到所述参考电压，使得所述电容器将电荷转移到所述LC传感器，以及在第三阶段期间，将所述第一接触和所述第二接触置于所述高阻抗状态，使得所述LC传感器振荡。
22.根据权利要求21所述的控制器，其中所述处理器被进一步配置为在所述第三阶段期间监视在所述第二接触处的电压。
23.根据权利要求22所述的控制器，其中所述处理器被进一步配置为改变所述第二阶段的持续时间，以在所述第三阶段的开始处调整所述电容器处的电压，由此限定在所述第二接触处出现的所述振荡的中点电压。
24.根据权利要求23所述的控制器，其中所述参考电压包括第一参考电压；以及其中所述处理器通过将在所述第二接触处的所述电压与至少一个第二参考电压进行比较以生成比较信号，由此监视在所述第二接触处的所述电压。
25.根据权利要求24所述的控制器，其中所述处理器通过对所述比较信号中的脉冲的数目进行计数来监视在所述第二接触处的所述电压。
26.一种用于控制器的非瞬态计算机可读介质，所述控制器包括第一接触和第二接触，其中LC传感器被耦合在所述控制器的所述第一接触和所述第二接触之间并且电容器被耦合在所述第一接触和参考电压之间，所述非瞬态计算机可读介质具有用于使得所述控制器执行包括以下各项的步骤的计算机可执行指令：在第一阶段期间，将所述第一接触连接到电源电压并且将所述第二接触置于高阻抗状态，使得所述电容器通过所述电源电压而被充电；
在第二阶段期间，将所述第一接触置于所述高阻抗状态并且将所述第二接触连接到所述参考电压，使得所述电容器将电荷转移到所述LC传感器；以及在第三阶段期间，将所述第一接触和所述第二接触置于所述高阻抗状态，使得所述LC传感器振荡。
27.根据权利要求26所述的非瞬态计算机可读介质，进一步具有用于使得所述控制器执行如下步骤的计算机可执行指令：在所述第三阶段期间监视在所述第二接触处的电压。
28.根据权利要求27所述的非瞬态计算机可读介质，进一步具有用于使得所述控制器执行如下步骤的计算机可执行指令：改变所述第二阶段的持续时间，以在所述第三阶段的开始处调整所述电容器处的电压，由此限定在所述第二接触处出现的所述振荡的中点电压。
29.根据权利要求28所述的非瞬态计算机可读介质，其中所述参考电压包括第一参考电压；以及其中监视在所述第二接触处的所述电压包括将在所述第二接触处的所述电压与至少一个第二参考电压进行比较以生成比较信号。
30.根据权利要求29所述的非瞬态计算机可读介质，其中监视在所述第二接触处的所述电压包括对所述比较信号中的脉冲的数目进行计数。
31.根据权利要求30所述的非瞬态计算机可读介质，其中改变所述第二阶段的持续时间以在所述第三阶段的开始处调整所述电容器处的电压包括：改变所述第二阶段的持续时间以确保在所述比较信号中的最小脉冲数目。
32.根据权利要求29所述的非瞬态计算机可读介质，其中所述比较信号包括第一比较信号，并且所述非瞬态计算机可读介质进一步具有用于使得所述控制器执行包括下列项的步骤的计算机可执行指令：利用施密特触发器对所述第一接触处的电压进行监视，使得当在所述第一接触处的所述电压高于给定的较高阈值时，第二比较信号被设置为高，并且当所述第一接触处的所述电压低于给定的较低阈值时，所述第二比较信号被设置为低；以及执行校准。
33.根据权利要求32所述的非瞬态计算机可读介质，其中执行所述校准包括：在第一校准阶段期间，将所述第一接触与所述电源电压连接，并且将所述第二接触置于高阻抗状态，使得所述电容器通过所述电源电压而被充电；
在第二校准阶段期间，将所述第一接触置于高阻抗状态，并且将所述第二接触与所述第一参考电压连接，使得所述电容器将电荷转移到所述LC传感器；
在第三校准阶段期间，一旦所述第二比较信号指示在所述第一接触处的所述电压低于所述给定的较低阈值，就将所述第一接触连接到电源电压，使得所述电容器通过所述电源电压而被充电；以及在第四校准阶段期间，一旦所述第二比较信号指示在所述第一接触处的所述电压高于所述给定的较高阈值，就确定所述第三校准阶段的持续时间。
用于对接LC传感器的方法和相关系统
技术领域
[0001] 本公开的实施例涉及一种用于对接LC传感器的技术。
背景技术
[0002] LC传感器在本技术领域是公知的。例如，LC传感器可被用作能够探测导电目标的存在的电子邻近度传感器。电感式传感器的一些通常应用包括例如金属探测器和派生应用，例如旋转传感器。
[0003] 图1示出了LC传感器10的基本性能。特别地，在所考虑的例子中，LC传感器10包括电感器L和电容器C，电感器L和电容器C形成也被称为储能电路的谐振电路。该布置进一步包括诸如电压源之类的电源102以及开关104。
[0004] 当开关104位于第一位置(如图1所示)时，电容器C被充电到电源电压。当电容器C被完全充电时，开关104改变位置，将电容器C置为与电感器L并联，并且电容器C开始通过电感器L放电。这开始了在LC谐振电路10之间的振荡。
[0005] 从实践的角度来看，LC传感器10还包括电阻分量R，该电阻分量R始终对能量进行消散。相应地，发生将会减损振荡的损失，即，振荡被衰减。
[0006] 这种LC传感器10可以用来例如探测金属对象。这是由于相较于没有金属对象的振荡(参见例如图2a)而言，存在金属对象的振荡(参见例如图2b)将会衰减得更快。通常来说，LC传感器10的感测组件可以是电感器L、电容器C以及/或者电阻器R。例如，电阻器R主要影响衰减因子，而L和C组件主要影响振荡频率。
[0007] 此外，这种LC传感器10还可以通过简单地将电容器C连接到电感式传感器L、或将电感器L连接到电容式传感器C来创建。然而，电感器L(带着其消散的损耗)通常提供感测元件。
[0008] 图3a示出了通过例如微控制器的控制单元20来执行传感器10的LC感测的可能的实施例，例如在文档申请标注AN0029的“Low Energy Sensor Interface–Inductive Sensing”,Rev.1.05,2013年05月09日,Energy micro,或Application Report SLAA222A,和“Rotation Detection with the MSP430Scan Interface”,2011年4月,Texas Instruments中所描述的。在所考虑的例子中，控制单元20具有两个引脚或焊盘202和204，并且LC传感器10连接在这些引脚202和204之间。
[0009] 控制单元20包括与引脚202相连接的可控制电压源206，以将固定电压VMID施加在这个引脚202处。例如，通常出于此目的使用数字到模拟转换器(DAC)。
[0010] 在充电阶段期间，引脚204连接到接地GND。相应地，在该阶段期间，传感器10连接在电压VMID和接地GND之间，并且传感器10的电容器C被充电到电压VMID。
[0011] 接着，控制单元20使第二引脚204断开，即该引脚204为浮置的。相应地，由于传感器10的电容器C在之前的阶段期间进行了充电，LC谐振电路10开始如上所述地振荡。
[0012] 由此，通过对电压例如在引脚204处的电压V204进行分析，可以对振荡进行特征化。事实上，如图3b所示，在引脚204处的电压V204对应于具有与由电压源206所施加的电压VMID对应的DC偏移的衰减的振荡，即，电压VMID限定了振荡的中点。相应地，电压VMID通常设置为控制单元20的电源电压的一半，即VDD/2，从而具有最大的范围。
[0013] 通常，所述电路还包括连接在引脚202和接地GND之间的附加的电容器C1，以使得电压信号VMID稳定并且提供对传感器进行充电所需的电流的提升。为了对引脚204处的信号进行分析(参见例如图3a)，控制单元20可以包括连接到引脚204的模拟数字转换器(ADC)208从而对振荡的电压进行采样。这样，基于ADC 206的分辨率和采样频率，整个振荡可以被特征化。
[0014] 图4示出了可替代的方案。更确切地，在所描述的例子中，控制单元20包括比较器210，其对引脚204处的电压和例如参考电压VRef的参考信号进行比较。例如，该参考电压VRef可以被固定到例如VDD/2处，或者通过数字模拟转换器212进行设置。例如，图5a和图5b各自示出了在传感器10的附近存在和不存在金属对象时随着可能的参考电压VRef和比较器210的输出CMP的振荡。通常，在图3a和图4中所示出的两个方案，即ADC 208和比较器210，也可以被合并在同一控制单元20中。
[0015] 由此，基于前述，通过将LC传感器直接与微控制器集成电路(IC)进行对接，可以实现无接触运动测量。这种感测可以用于计量系统(气体、水、距离等)。然而，当对传感器进行处理和采样时，微控制器(或MCU)应当尽量降低功率消耗，从而允许研发电池供能系统。此外，由于MCU单元通常为通用的，因此由于实施上述功能性所需要的特殊的电路，还需要尽可能地降低硅面积。
[0016] 相应地，在LC传感器激励和测量技术中，正如已经提到的，降低功耗和成本，特别是对于电池供能应用来说尤为重要。因此，第一个问题是关于专用低功率模拟组件的使用，例如用于生成电压VMID以及内部参考电压VRef，这导致了更大的成本。
[0017] 第二个问题是关于数字模拟转换器210，其应当低功率并且足够快速以跟随衰减的振荡。这就导致了每次测量的显著的功率消耗以及电池供能系统中的具有挑战性的应用约束。
[0018] 此外，工艺-电压-温度(PVT)变化是电池供能系统中的另一个重要问题，其中存在有显著的电压变化。的确，前面所描述的大部分的组件可能受到PVT变化的影响，包括传感器(衰减因子、频率等)；I/O焊盘电流以及电阻(激励)；比较器开关点等。
发明内容
[0019] 基于上述，需要一种能够克服前面所列举出的一个或多个缺陷的方案。
[0020] 该目标通过一种具有在其后的权利要求中所特别列举出的特征的方法来实现。提供了一种相关的系统，以及相对应的相关的计算机程序产品，该计算机程序产品可加载在至少一个计算机的存储器中并且包括当所述产品在计算机上运行时用于执行本发明方法的步骤的软件代码部分。如这里所使用的，提及这种计算机程序产品意在于等同提及包括计算机可读指令的计算机可读介质，所述计算机可读指令用于控制计算机系统来协调本发明方法的执行。提及“至少一个计算机”意在于强调本发明以分布式/模块化方式实施的可能性。权利要求是这里所提供的本发明公开内容的完整部分。所述权利要求是这里所提供的发明的技术教导的完整部分。
[0021] 如上所提及，所给出的描述提供了用于将LC传感器和例如微控制器的控制单元进行对接的方案，其中所述控制单元包括第一接触和第二接触，例如微控制器的引脚或焊盘。特别地，LC传感器连接在两个接触之间并且附加电容器连接在第一接触和接地之间。
[0022] 在一些实施例中，LC传感器的振荡由三个阶段开始。更具体地，在第一阶段期间，将第一接触连接到电源电压并且第二接触置于高阻抗状态，例如断开，使得电容器通过在第一接触处提供的电源电压而被充电。在第二阶段期间，第一接触置于高阻抗状态，例如断开，并且第二接触连接到接地，其中电容器与LC传感器并联连接并且电荷从电容器朝向LC传感器转移。在第三阶段期间，两个接触都置于高阻抗状态，这样LC传感器能够进行振荡。相应地，LC传感器的振荡可以通过例如微控制器的三态驱动器电路来开始。
[0023] 在一些实施例中，使第二阶段的持续时间，即电荷转移阶段的持续时间发生改变，以调整在第三阶段(即，振荡阶段)开始时的电容器处的电压。这限定了在第二接触处产生的振荡的中点电压。
[0024] 在一些实施例中，至少在第三阶段期间对第二接触处的电压进行监视，以确定LC传感器的振荡的一些特性。例如，在第二接触处的电压可以与至少一个参考电压进行比较从而生成比较信号。在这种情况下，比较信号中的脉冲数目可以被计数从而对振荡进行特征化。相应地，可以通过例如微控制器的输入感测电路对LC传感器的振荡进行监视。
[0025] 在一些实施例中，脉冲的数目还用来调整在第二接触处产生的振荡的中点电压。例如，这可以通过改变第二阶段的持续时间，即电荷转移阶段的持续时间来完成。
[0026] 在一些实施例中，电容器的充电或放电性能可以通过在校准阶段期间利用带有迟滞的比较器来进行分析。在第二接触处产生的振荡的中点电压可以通过基于在校准阶段期间确定的电容器的充电或放电性能而在第二阶段和第三阶段之间对电容器进行充电或放电来调整。相应地，振荡的中点电压也可以通过例如微控制器的三态驱动器电路来调整。
附图说明
[0027] 现在将参照附图对本公开的实施例进行描述，附图仅作为非限制性的例子而提供，并且其中：
[0028] 图1为根据现有技术的LC传感器的示意图；
[0029] 图2a和图2b分别为具有和不具有金属对象的存在时，图1的LC传感器的电压振荡的图示；
[0030] 图3a为描述了根据现有技术的包括控制器的另一LC传感器布置的示意图；
[0031] 图3b为图3a的LC传感器的电压振荡的图示；
[0032] 图4为根据现有技术的包括控制器的另一LC传感器布置的示意图；
[0033] 图5a和图5b分别为具有和不具有金属对象的存在时图4的LC传感器布置的电压振荡的图示；
[0034] 图6、图7、图9、图10以及图12为描述了根据示例性实施例的用于对接LC传感器的系统的示意图；
[0035] 图8、图14以及图15为描述了可以在图6、图7、图9、图10以及图12的系统中使用的用于对接LC传感器的方法的流程图；
[0036] 图11a-图11d以及图16为描述了可能发生在图6、图7、图9、图10以及图12的系统中的示例性波形的图示；以及
[0037] 图13为提供了利用图6、图7、图9、图10以及图12的系统获得的示例性结果的图表。
具体实施方式
[0038] 在下面的描述中，给出了各种特定的细节来提供对于实施例的全面理解。这些实施例可以无需一个或若干特定细节而得以实践，或利用其他的方法、组件、材料等进行实践。在其他的示例中，对已知的结构、材料或操作没有进行示出或详细描述从而避免使本实施例的方面变得含糊。
[0039] 贯穿本说明书，提及“一个实施例”或“一实施例”意味着关于实施例所描述的特定特征、结构或特性包括在至少一个实施例中。这样，在贯穿本说明书的各个地方所出现的短语“在一个实施例中”或“在一实施例中”并不一定全部指代同一实施例。进一步地，特定的特征、结构或特性可以在一个或多个实施例中以合适的方式进行组合。这里所提供的标题仅出于方便并且并不阐释实施例的范围或含义。
[0040] 在下面的图6到图16中，已经参照图1到图5进行了描述的部分、元素或组件用与之前在这些图中所使用的相同的参考标号来指代。这样，在下面的描述中不再重复对之前所描述的元素的描述。
[0041] 在这里所描述的实施例通过减少所需要的专用片上组件并且/或者通过提供降低的功率消耗而提供允许对至少一个LC传感器10的有效操控的方案。一些实施例也可以通过传统的低成本微控制器以全数字的形式来实施，由此降低成本。
[0042] 各种实施例可以提供改进的对抗PVT变化的恢复力(尤其适用于电池供能系统)。在一些实施例中，该方案基于两种不同的技术，即电容式动态电荷共享(CDCS)和自调谐参考(STR)。在一些实施例中，这种方案应用了电容式动态电荷共享来去除关于图3a和图4所示出的VMID生成器以及VRef生成器206/212，并且利用自调谐参考技术来允许使用固定的内部参考以及改善对抗PVT变化的稳健性。
[0043] 电容式动态电荷共享
[0044] 如上面所提及的，电容式动态电荷共享(CDCS)技术允许去除VMID电压生成器模块。更具体地，该方案基于的事实在于在非常短的时间内，传感器10的电感L使得传感器10的电容器C和电容器C1为串行连接。
[0045] 图6示出了该方案的基本架构。更具体地，在所描述的实施例中LC传感器10再次连接(例如，直接)在例如微控制器的控制单元20的引脚202和204之间。此外，电容器C1连接(例如，直接)在引脚202和接地GND之间。正如以下将要描述的，电容器C1以相较于参照图3b和图4所描述的现有技术方案而言不同的方式被使用。
[0046] 在所描述的实施例中，控制单元20不包括用于生成电压VMID的专用DAC，而是控制单元20仅包括开关220，开关220被配置用于选择性地将引脚202连接到例如控制单元20的电源电压VDD的固定电压或由在传统微控制器中经常可获得的内部电压参考生成器所提供的电压信号。通常来说，电源电压VDD可以通过控制单元20的电源引脚(未示出)来接收。相应地，引脚202或为浮置的或连接到电源电压。例如，在一些实施例中，开关220的操作可以采用传统的三态驱动器电路来实施，例如“1”用于VDD、“0”用于GND并且“Z”用于高阻抗状态，其通常用于微控制器或其他数字集成电路的输出引脚。
[0047] 在本实施例中，控制单元20包括又一开关222，该开关222被配置为将引脚204选择性地连接到接地GND。这样，开关222的操作也可以利用微控制器的输出引脚的传统驱动器电路来实施。
[0048] 开关220和开关222的切换由处理单元230控制，处理单元230诸如经由软件指令而被编程的数字处理单元。例如，这可以是微控制器的中央处理单元(CPU)或专用数字IP。相应地，在一些实施例中(参见例如图7)，上面描述的焊盘202和204的驱动可以通过例如微控制器20的传统三态驱动电路240和242来完成。
[0049] 图8示出了由控制单元20执行的用于开始LC传感器10的振荡的主要操作的流程图。在开始步骤2000之后，在步骤2002控制单元20将引脚202连接到电源信号，例如微控制器20的电源电压VDD，并且引脚204为浮置的。例如，处理单元230可以利用逻辑电平“1”来驱动引脚202，并且利用逻辑电平“Z”来驱动引脚204。相应地，在步骤2002中，仅电容器C1被连接在电源电压VDD和接地GND之间，并且电容器C1被充电。
[0050] 接着，在步骤2004，控制单元20将引脚204连接到接地GND，而引脚202为浮置的。例如，处理单元230可以利用逻辑电平“Z”来驱动引脚202，并且利用逻辑电平“0”来驱动引脚204。相应地，在步骤2004中，将传感器10与电容器C1并联连接，并且在电容器C1上的电荷至少部分地转移到电容器C以及通常转移到传感器10，即，电容器C1的电荷与传感器10共享。
[0051] 接着，在步骤2006，控制单元20使第二引脚204断开，即引脚202和204都为浮置的。例如，处理单元230可以利用逻辑电平“Z”驱动引脚202和引脚204二者。相应地，由于LC传感器10已经在步骤2006期间被充电的事实，LC谐振电路10在步骤2008开始振荡，如上所描述的。最终，过程终止于步骤2010。
[0052] 驱动方案还可以包括可选的步骤2008，其中停止振荡。例如，这将在需要执行多个连续的测量时会有用。如图8所示，该步骤2008可以在测量结束处(在步骤2006之后)执行或可以在新的测量开始处，例如在步骤2002之前执行。例如，在步骤2008期间，焊盘202和204二者可以连接到接地，例如，处理单元230可以利用逻辑电平“0”驱动引脚202和引脚204二者，从而对电容器C1和C进行放电。
[0053] 上面的描述可应用于单一传感器10。然而该系统也可以被扩展到多个传感器，例如通过针对每个LC传感器利用单一焊盘202和相应的感测焊盘204。通常来说，在步骤2004期间转移的电荷的量取决于激励时间Texcit，其中开关222保持闭合而开关220为断开，即步骤2004的持续期间。
[0054] 基本上，如果时间Texcit足够短，则传感器的电感器L可以假设为断开并且在步骤2004结束时原始存储在电容器C1中的总电荷将在两个电容器C1和C之间重新分布，并且在电容器C1和C处的电压将由电容器分配器公式给出。例如，在两个电容器C1和C具有相同的电容并且假设瞬间电荷转移的情况下，在电容器C1和电容器C上的电压将达到电压电源信号VDD的一半。
[0055] 然而，应当理解的是电荷转移实际上是非“瞬间的”，例如由于在电容器C1和C之间的电阻性负载所导致，并且电感器L在时间Texcit期间不能假设为永远断开。也就是说，电容器C1也将通过电感器L进行放电。结果是，在电容器C1和电容器C处的最终电压取决于时间Texcit，即(在步骤2004的结束以及在步骤2006的开始时)电容器C1以及传感器电容C所达到的电压取决于激励时间Texcit。
[0056] 相应地，图6和图7所示出的电容式动态电荷共享(CDCS)技术基本上基于在短暂的时段期间所应用的电容分配器原理(利用现有的组件)。特别地，在所考虑的实施例中，电容器C1被预充电到VDD，并且电荷根据步骤2004的持续时间Texcit而部分转移到传感器10，即，当引脚202为浮置的并且引脚204连接到接地。然而，如上所述，在其中LC传感器进行振荡的步骤2006期间电容器C1处的电压构成了振荡的中点电压VMID。相应地，通过控制持续时间Texcit，可以对电压VMID进行调整，电压VMID即在步骤2004的结束或步骤2006的开始时在电容器C1处的电压。
[0057] 自调谐参考
[0058] 自调谐参考(STR)技术当结合之前描述的电容式动态电荷共享(CDCS)技术使用时，允许使用具有固定(即，内部的)参考值VRef的简单比较器来分析在步骤2006期间的振荡。相应地，不需要数字模拟转换器(例如，图3a中的块208)或可控制电压参考(例如，图4中的块212)。
[0059] 例如，如图9所示，可以将比较器250连接到引脚204并且对引脚204处的电压和固定参考值VRef进行比较。接着可以使得比较的结果CMP可用于例如微控制器的数字处理核之类的处理单元230，该处理单元230可以被配置用于对信号CMP中的脉冲序列进行分析。
[0060] 例如，在一些实施例中，带有迟滞的具有固定阈值的例如施密特触发器之类的比较器被用以分析振荡。例如，这种具有固定阈值的施密特触发器经常使用在微控制器或其他数字集成电路的输入焊盘的感测电路中。相应地，可以不需要附加的组件并且可以使用传统的微控制器的输入引脚的感测电路。
[0061] 作为例子，如图10所示，传统的例如微控制器的输入焊盘的感测电路260可以被用来实施比较器250。相应地，通过仅仅“读取”与输入焊盘204相关联的值，比较的结果可直接用于处理核230。
[0062] 在上面参照图4描述的现有技术方案中，经由源212调谐内部参考电压VRef的可能性通常允许设定参考值VRef，这确保了在比较器的输出CMP处生成足够的数字脉冲，然而不是过分多的脉冲，从而避免浪费时间和能量(同样参见图5a和图5b)。相反地，在一些实施例中，上述的电容式动态电荷共享技术用于选择性地改变振荡的中点电压VMID而不是比较器250的阈值电压。相应地，VMID和VRef的角色交换，即通过移动电压VMID，数字脉冲的数目可以按照与移动电压VRef基本上相似的方式被改变。
[0063] 作为示例，图11a示出了具有中点电压VMID(其通常对应于0.5VDD)和在这个例子中设置为VMid的参考电压VRef的LC传感器的典型的振荡。相反地，图11b示出其中中点电压VMID被提升以改变数字脉冲的数目而不是移动电压VRef的例子。
[0064] 类似地，图11c示出了图11a的波形，其中使用了施密特触发器，例如具有0.4VDD的较低阈值TL以及0.6VDD的较高阈值TH。最终，图11d示出了具有提升的中点电压VMID的图11b的波形，并且其中使用了图11c的施密特触发器。
[0065] 如在上述图11a到图11d中所示出的，比较器210的输出处的脉冲数目针对同一波形根据中点电压VMID而变化。然而，正如上面所提及的，在电荷转移阶段2004期间，中点电压VMID根据激励时间Texcit而发生变化。这样，通过控制时间Texcit，可以对比较结果进行调谐。
[0066] 图12示出了在这个上下文中的集成电路20的实施例，例如微控制器，其可以被用来执行上述操作。更具体地，焊盘204为具有相关联的三态输出驱动电路242和例如施密特触发器的输入感测电路260的输入焊盘和输出焊盘。焊盘202为至少具有相关联的三态输出驱动电路240的输出焊盘。
[0067] 相应地，通过如上所述经由驱动器电路240和驱动器电路242驱动焊盘202和焊盘204，特别地参照图8，可以激励LC传感器10的振荡并且可以设置中点电压VMID。更具体地，焊盘202和焊盘204的驱动可以经由数字处理核230来执行。
[0068] 一旦开始了振荡，从感测电路260的输出被馈送到处理核230用于进一步的分析从而确定振荡的特性。例如，如参照图5a和图5b所示，输出CMP指示了振荡的衰减因子，振荡的衰减因子又指示着在传感器10附近的金属对象的存在。通常来说，数字处理单元230可以是专用硬件模块、经由软件指令编程的通用处理器或二者的结合。
[0069] 这样，也可以经由数字处理核来执行信号CMP中的脉冲的计数。然而，振荡可以具有高频率，在这种情况下经由软件指令进行计数可能不可行。相应地，在这种情况下控制单元20可以包括硬件实施的计数器270，其通常已包括在传统的微控制器中，并且感测电路260的输出可以被馈送到计数器270。这样，计数器270可以独立于处理单元230而对信号CMP中的脉冲的数目进行计数，并且处理单元230可以仅仅读取最终结果，即在计数器270的输出处的信号，并且最终当开始新测量时对计数器270进行重置。
[0070] 此外，计数器270也可以被扩展从而提供专用测量以及处理单元，其直接解读信号CMP从而提取所需要的信息。例如，测量和处理单元270可以直接探测到传感器的状态，例如在金属之上，在塑料之上等。
[0071] 模块270还可以在特定条件下生成至少一个可编程的中断。例如，这种测量和处理单元还可以连接到多个感测焊盘204从而解读来自多个传感器的信号，例如以执行速度或旋转测量。
[0072] 如参照图11a到图11d所示的，比较器210的输出处的脉冲的数目针对同一波形根据中点电压VMID而变化。在电荷转移阶段2004期间，中点电压VMID又根据激励时间Texcit而变化。
[0073] 在一些实施例中，自调谐参考(STR)技术直接寻找在例如图10的施密特触发器260的比较器的输出处生成的数字脉冲的数目，以自动调谐将被使用在上面所描述的CDCS技术中的激励时间Texcit。以这种方式，可以获得数字脉冲的希望的数目，其通常对应于给定的参考条件(例如，具有金属)。例如，参考条件通常对应于具有最大衰减因子的状况，该状况对应于在比较器250/260的输出CMP中具有最低期望的脉冲数目的振荡。作为例子，在一些实施例中，利用闭环调整来设置时间Texcit，以确保对于给定参考条件的脉冲数目对应于目标脉冲数目K，所述给定参考条件例如为具有最大衰减因子的条件。在这种情况下，当测量参考条件时，在比较器的输出处的脉冲的数目将包括K个计数，并且脉冲的数目将在具有降低的衰减因子的条件下增加。
[0074] 例如，考虑其中在传感器10(其主要对衰减行为进行建模)中的电阻R可以在3Ohm到45Ohm之间并且计数K的最低数目应当为4的示例性例子，校准将会针对R＝45Ohm的条件来完成。作为示例，对于典型的LC传感器，最终的结果可以是：
[0075] ●针对R＝45Ohm为4个脉冲；
[0076] ●针对R＝37Ohm为5个脉冲；并且
[0077] ●针对R＝3Ohm为9个脉冲。
[0078] 此外，所描述的校准机制提供了对抗影响振荡的参数变化的系统稳健性。例如，图13示出了包括针对不同电源电压VDD∈{3.3V,2.V,2.5V,2.1V},温度T∈{-30℃,25℃,125℃},以及电阻R∈{3Ohm,37Ohm,45Ohm}的信号CMP中的脉冲数目的图表。如图13所示，该方案对于对抗电压变化非常稳健，虽然分辨率可能被低温影响。
[0079] 在一些实施例中，代之以仅执行校准一次的是，自调谐参考技术可以连续运行并且调整电压VMID，确保用于测量的信号CMP中的脉冲数目从不小于K。例如这可用于旋转传感器，其中具有金属轮廓的盘在至少一个LC传感器10的前方旋转，因为在这种情况下，建立先验的正确参考条件是困难的。这样，通常来说，可以通过数字处理单元230或还可以直接通过测量和处理单元270来完成自调谐参考技术。
[0080] STR技术还可以用来标识当修改时间Texcit时所采取的方向以及/或者处理死锁，在时间Texcit超出有效范围时会发生死锁。例如，在一些实施例中，下面的参数可以被使用：
[0081] ●NP–针对当前测量周期的脉冲数目；
[0082] ●PNP–针对之前测量周期的脉冲数目；
[0083] ●DIR–方向；
[0084] ●PDIR–之前的方向；
[0085] ●K–针对测量的目标最小脉冲数目；
[0086] ●Texcit–激励时间，例如在其间电容器C1转移电荷到传感器10的时钟周期内；以及[0087] ●TO–超时，例如在测量周期内。
[0088] 在一些实施例中，当测量的脉冲数目NP小于目标K并且小于在之前周期中的脉冲PNP时，可以强制方向改变，因为可以假设应当在相反的方向上修正时间Texcit。在一些实施例中，使用计数器C来检查是否发生超时条件。例如，这种计数器C可以在每次测量脉冲数目NP小于K但是等于之前一个PNP时递增。相应地，如果这种条件对于TO测量周期为真，则参数Texcit超出范围，因为对于Texcit的变化不再具有敏感性。例如，在这种情况下，时间Texcit可以被重置为其初始值并且方向被改变。
[0089] 作为示例，图14示出了可以用来自动确定时间Texcit的方法的流程图。在开始步骤3000之后，过程开始并且在步骤3002对参数进行初始化。例如，在这个步骤3002，计数器C可以被重置(例如，设置为零)，参数PNP被设置为零，并且时间Texcit被设置到初始缺省值(例如，零)。
[0090] 该过程在步骤3004继续，此处执行测量。如果校准过程始终接通，则该过程还可以仅监视测量是否被执行。
[0091] 在验证步骤3006，该过程验证是否所测量的脉冲数目NP小于目标值K。如果所测量的脉冲数目NP等于或大于目标K(条件步骤3006的输出“N”)，则不需要修正并且该过程在步骤3008继续，在该处对超时计数器C进行重置(例如，设置到零)，并且过程返回到步骤3004。
[0092] 相反地，在所测量到的脉冲数目NP小于目标值K(验证步骤3006的输出“Y”)的情况下，可能需要进行一些修正并且过程在步骤3010继续。特别地，在验证步骤3010，过程验证所测量到的脉冲数目NP是否小于之前的脉冲数目PNP。
[0093] 当所测量到的脉冲数目NP小于之前的脉冲数目PNP(验证步骤3010的输出“Y”)时，在步骤3012，使针对时间Texcit的修正的方向DIR反转。例如，如果之前的方向PDIR指示时间Texcit应当减少，则新的方向DIR指示现在时间Texcit应当递增。相反，如果之前的方向PDIR指示时间Texcit应当递增，则新的方向DIR指示现在时间Texcit应当递减。
[0094] 此外，在这种情况下在步骤3014对计数器C进行重置，并且在步骤3016对时间Texcit进行更新，例如通过基于所更新的参数DIR对Texcit的值进行递减或递增。例如，在示例性实施例中，参数Texcit变化仅一个时钟周期，即Texcit＝Texcit±1。然而，该变化可以取决于控制单元的速度，例如时钟信号的频率。
[0095] 最终，之前周期的参数在步骤3018进行更新，例如通过将方向DIR的值分配给之前方向PDIR以及将脉冲数目NP的值分配给之前脉冲数目PNP。相反地，如果所测量的脉冲数目NP等于或大于之前脉冲数目PNP(验证步骤3010的输出“N”)，则用于时间Texcit的修正的方向DIR通常正确。
[0096] 然而，在这种情况下，可以验证是否达到了超时条件。例如，在所考虑的实施例中，在步骤3020，过程验证所测量的脉冲数目NP是否等于之前的脉冲数目PNP。
[0097] 更具体地，如果所测量的脉冲的数目NP不等于之前的脉冲数目PNP(验证步骤3020的输出“N”)并且考虑在之前已经验证的所测量的脉冲数目NP不小于之前的脉冲数目PNP(参见步骤3010)，则所测量的脉冲数目NP大于之前的脉冲数目PNP。相应地，在这种情况下，修正向正确的方向进行且超时计数器C可以被重置并且时间Texcit可以被更新，即基于当前方向DIR递增或递减。例如，在本实施例中，过程出于此原因而在步骤3014简单地进行。
[0098] 相反地，在所测量的脉冲数目NP等于之前的脉冲数目PNP(验证步骤3020的输出“Y”)的情况下，超时条件可能出现。这是由于时间Texcit的最后变化没有影响所测量的脉冲数目。
[0099] 相应地，在一些实施例中，过程继续递增或递减时间Texcit直到发生了脉冲数目的变化或达到了超时。例如，在本实施例中，过程出于此原因在验证步骤3022继续，其中过程验证计数器C是否达到了超时值TO。
[0100] 当计数器C没有达到超时值TO(验证步骤3022的输出“N”)时，时间Texcit的单一变化可能不够，并且计数器C在步骤3024递增。此外，在这种情况下过程继续以在当前方向中改变时间Texcit，即基于当前方向DIR递增或递减Texcit。例如，在本实施例中，过程出于此原因在步骤3016进行。
[0101] 相反，如果计数器C达到了超时值TO(验证步骤3022的输出“Y”)，则产生了超时条件，即，时间Texcit的变化不再影响脉冲数目。在这种情况下，可能的方案可以是看在相反方向上的变化是否适合达到所需要的脉冲数目K。例如，在示例实施例中，在超时条件达到之前方向反转并且将时间Texcit设置到之前的值。
[0102] 在本实施例中，用于修正时间Texcit的方向DIR可以在步骤3026反转。例如，如果之前方向PDIR指示时间Texcit应当减少，则新的方向DIR指示现在时间Texcit应当递增。相反地，如果之前方向PDIR指示时间Texcit应当递增，则新的方向DIR指示现在时间Texcit应当递减。
[0103] 此外，在这种情况下，在步骤3028对计数器C重置，并且在步骤3030将时间Texcit设置到之前的值Texcit。例如，如果新的方向DIR指示时间Texcit应当递增，则超时值TO可以被添加到时间Texcit，即，Texcit＝Texcit+TO，由此返回到超时循环之前的Texcit的值。相反地，如果新的方向DIR指示时间Texcit应当递减，则超时值TO应当从时间Texcit中被减去，即Texcit＝Texcit–TO。
[0104] 最终，在这种情况下过程可以在步骤3018继续，以对之前周期的参数进行更新。例如，已经利用传统的微控制器针对K＝4和TO＝4而对上面所描述的过程的收敛进行了验证。
[0105] 除了上述的用于设置最小脉冲数目K的方法，还可以使用不同的方案来设置时间Texcit。更具体地，在一些实施例中，经由连接到焊盘202的施密特触发器来确定电压VMID，例如，类似于针对焊盘204所描述的焊盘202的各自的输入电路262(参见，例如图12)。
[0106] 在示例性实施例中，通过驱动焊盘202和焊盘204并且经由施密特触发器监视焊盘202处的电压，可以对电压VMID进行调整。更具体地，图15示出了校准过程并且图16示出了针对给定的时间段t的焊盘202处的电压以及由此在电容器C1处的电压VMID的各个波形。
[0107] 在开始步骤4000之后，在步骤4002控制单元20将焊盘202设置到电压VDD并且将焊盘204设置到高阻抗状态。例如，处理单元230可以利用逻辑电平“1”驱动引脚202并且利用逻辑电平“Z”驱动引脚204。
[0108] 相应地，这种状况对应于上面参照图8所描述的步骤2002。也就是说，仅电容器C1连接在电源电压VDD和接地GND之间并且电容器C1被充电。
[0109] 一旦在焊盘202处的电压V202稳定(例如在给定的时间段之后)，在步骤4004(在时间t1处)控制单元20将焊盘204连接到接地GND并且将焊盘202设置到高阻抗状态。例如，处理单元230可以利用逻辑电平“Z”驱动引脚202并且利用逻辑电平“0”驱动引脚204。相应地，该状况对应于上面参照图8描述的步骤2004，其中传感器10与电容器C1并联连接并且电容器C1上的电荷至少部分转移到传感器10。相应地，在这个阶段，在焊盘202处的电压如图16所示降低。
[0110] 在本实施例中，处理单元230监视与焊盘202相关联的施密特触发器262的输出处的逻辑电平CMP202。事实上，在电压V202保持在施密特触发器的较低阈值之上的同时，信号CMP202将为高，即为逻辑电平“1”。
[0111] 在当信号CMP202变低即变为逻辑电平“0”的时刻t2，电压V202已经到达较低阈值TL。紧接在探测到信号CMP202已经变低之后，即紧接在时刻t2之后，控制单元20在步骤4006将焊盘202设置到电压VDD并且将焊盘204连接到Z。
[0112] 相应地，在时间t1处，电容器C1存储下述的电荷：
[0113] Qt1＝C1·Vdd，
[0114] 而在时间t2电容器C1仅存储下述的电荷：
[0115] Qt2＝C1·TL，
[0116] 即，下述的电荷被转移到LC传感器10：
[0117] QLC＝Qt1-Qt2。
[0118] 相应地，在这个时刻，LC传感器10的振荡已经开始并且引脚202也可以被断开连接或被置于高阻抗状态。相反地，在所考虑的实施例中，在这个阶段，电容器C1(即，引脚202)再次连接到电源电压VDD以对电容器C1进行再充电，从而增加中点电压VMID。作为示例，处理单元230可以利用逻辑电平“1”驱动引脚202以及利用逻辑电平“Z”驱动引脚204。
[0119] 在时刻t3，当信号CMP202变高(即变为逻辑电平“1”)时，电压VMID/V202已经到达较高阈值TH。因此，在t2和t3之间的时间指示将电容器C1从TL充电到TH所需要的时间。
[0120] 相应地，控制单元20可以在步骤4008的校准阶段期间探测在时刻t2和t3之间流逝的时间并且在常规操作期间利用根据流逝的时间而确定的再充电时间Trecharge来执行再充电，由此调整将在常规操作期间使用的中点电压VMID。例如，在信号CMP中的最大脉冲数目可以通过设置再充电时间为如下来进行预测：
[0121] Trecharge＝(t3-t2)/2，
[0122] 因为在这种情况下，中点电压VMID应当或多或少对应于：
[0123] VMID＝(TH-TL)/2。
[0124] 例如，在一些实施例中，图8所示的方法针对此目的进行修改，例如，通过在步骤2004和步骤2006之间添加附加步骤。具体地说，一旦比较信号CMP202指示在第一接触202处的电压V202低于较低阈值TL，第一接触202就被再次连接到电源电压VDD，从而使得所述电容器C1通过电源电压VDD而被再次充电。更具体地，电容器C1的再充电持续时间Trecharge根据校准阶段4006的上述持续时间t3-t2的持续时间而确定，从而限定中点电压VMID。最终，过程在停止步骤4010终止。
[0125] 在一些实施例中，取代监视阈值TL和TH(即，t2和t3)之间的再充电时间，过程可以监视在阈值TH和TL之间的放电时间。例如，在示例性实施例中，过程可以在步骤4006之后对电容器C1进行再次放电，例如通过利用参照步骤4004描述的驱动。也就是说，一旦电压V202达到了阈值TH并且逻辑电平变为高，焊盘204就连接到接地GND并且焊盘202被设置为高阻抗状态。由此，通过监视何时到达较低阈值TL的时间，即，何时CMP202的逻辑电平变低，可以确定放电性能并且相应地设置放电时间Tdischarge。
[0126] 通常来说，这种校准过程也可以周期性地执行。此外，在一些实施例中，之前描述的闭环校准方法(例如，参照图14描述的用于设置时间Texcit的方法)也可以用来调整时间Trecharge或Tdischarge。
[0127] 相应地，如上所述，自调谐参考技术采用了移动外部参考电压VMID从而避免可变的内部参考信号的优势。虽然结合CDCS技术描述了实施例，但是通常来说，这种方案也可以应用于现有技术方案中，其中经由电压信号(参见例如图3a)施加中点电压VMID。因此，自调谐参考(STR)技术自动调谐时间Texcit或直接地调谐中点电压VMID，从而不管工作参数(以及通常为PVT变量)如何都满足目标脉冲数目。
[0128] 构造和实施例的细节可以就所描述的内容而有所改变并且在此纯粹作为示例而进行了描述，而不会脱离由随附权利要求所限定的本公开内容的范围。
