遙感設備的低功率備用方式的製作方法
2023-06-14 17:19:51 1
專利名稱：遙感設備的低功率備用方式的製作方法
技術領域：
本發明一般相關於遙感設備，該設備在「活動」和「備用」狀態之間交替變化，只要它的感測量迅速變化，它就必須處於「活動」狀態，但它不應該對慢變化作出響應；但因為有低功率消耗的要求，因此，當不要求它處於「活動」狀態時，它通常必須處於「備用」狀態。在這方面的一個特例是用於控制計算機或電視屏幕上的光標的一個遙控設備，該設備只要使用，就必須開通，但它實際上只在很小一部分時間使用，而且必須有幾年的電池壽命。
在諸如電視遙控器的應用中，一方面需要有幾年的電池壽命，另一方面又要求遙控器必須立即對用戶的輸入作出反應。用戶可能會拿起遙控器並立即用它控制例如電視音量。在當前的電視遙控中，用戶的輸入是開關盒，它可以用來啟動設備，將它從靜止的、功率很低的狀態切換到完全活動狀態，該狀態只需要在實際應用過程中予以保持。這種遙控設備通常經由一個紅外(IR)鏈路發送一個編碼信號，指示由用戶輸入的頻道選擇或其他控制功能。於是當用戶希望減低音量時，按壓音量向下的箭頭。這類簡單編碼和控制允許遙控器的電子器件通常在大多數時間處於低功率靜止狀態，只在用戶按遙控器上的一個鍵時才活動。
用於控制顯示屏上的光標的遙控設備，如對電視機的遙控，必須小巧且有很長的電池壽命。可以由用戶的指尖操縱的小控制杆提供很簡單的用戶輸入。這種控制杆可以包括在無線遙控設備中，很象電視的遙控器；它也可以合併到一個小型鍵盤中，該鍵盤也可以有一個無線IR鏈路，或者可以有線連接到電池供電計算機系統，如膝上型計算機。
儘管傳統的光標指示器，如滑鼠或軌跡球，有各種光和電傳感器來檢測滑鼠或軌跡球的移動，但這種傳感器本身不能設計成緊湊的形式。一個小的等距控制杆，如本發明的一個實施例中所使用的那樣，採用靈敏的模擬傳感器，如應變儀，來提供最緊湊的感應結構。然而，如果用戶輸入是靈敏模擬傳感器，如等距控制杆，偏離其中性狀態的位移，那麼會出現一個雙重問題。模擬傳感器必須在用戶看來必須是持續活動的，它的中性狀態必須被保持校準，以便由例如室溫改變而引起的偏差不會產生錯誤的控制信號。校準是通過根據信號的特性檢測用戶何時接觸或不接觸傳感器來保持的，然後將中性狀態調節到當傳感器不被接觸時所感應的狀態。這種檢測需要幾秒鐘的活動。
持續活動需要大量的功率，會減少電池的壽命。持續活動可以通過在頻繁的間隔，如每秒幾次，很短時的啟動來適當地模擬。當用戶開始使用傳感器時，可以在下一次啟動中檢測到，設備完全開通，立即對用戶的希望作出反應。然而，這需要設備已經處於校準狀態，看起來好象它已經打開了一段時間，正等待用戶的輸入。這當然是不可行的，因為用戶的要求是不可預計的。就申請人所知，所有目前可用的遙控器都需要開關盒來指示活動周期的開始。
更一般地說，有許多關於必須以最小功耗操作的遙感器的申請，該遙感器被要求檢測並以測量的變量值準確地報告由「正常」狀態產生的突然變化，同時忽視由於環境或其它影響所引起的慢變化。監控背景場(電場、磁場、輻射場、重力場等等)的空間探測器、監控人體和動物生理變化(溫度、心律等等)的遙測設備、響應由熱物體侵入產生的輻射溫度的突然變化或由移動產生的回波頻率的位移的侵入檢測器，都可以由本發明的教導獲益。在上面的每種情況下，感測的量受到無關緊要的慢變化和必須不加延遲地進行檢測和報告的快速變化。本發明適用於上述這些情況以及類似的情況。
因此，本發明的一個目的是提供一個由電池供電的遙控器，包括一個模擬傳感器，它需要經常校準，但它可以立即有效地對用戶的輸入作出反應，即使它在很長時間沒有使用，而且在此期間它的功率消耗很低。
根據本發明的一個實施例，由電池供電的遙控設備包括一個靈敏模擬輸入裝置，如採用應變技術的等距控制杆，該裝置在啟動時需要大量的功率。這個設備在任何時候都能對用戶作出立即有效的反應，但是總功耗比持續啟動時要小好幾倍。其實現步驟如下—通過分析傳感器的輸出來檢測使用情況；—在非使用周期之後，在以隨上次使用之後經過的時間而增大的間隔非常簡短地啟動傳感器(為一次採樣)，這時最大間隔在用戶看來是可以忽略的使最小工作循環為1/1000；—如果發現傳感器的輸出與不使用和正確刻度相一致，那麼不必採取進一步的行動，否則啟動傳感器並分析它的信號；—如果分析表明在使用，那麼不使用周期結束，否則對刻度進行校正，並繼續周期性的啟動。
在本發明的一個較佳實施例中，控制杆包括一根陶瓷軸，一端嵌入電路板，另一端裝有橡皮套。該軸有四個厚片陶瓷應變計，側麵包有絲網。從四個應變計的各種組合中採樣的信號由特殊的電路和微處理器進行處理，來測量在X、Y、Z方向施加於橡皮套的力。微處理器用這些測量值產生光標移動和動作信號，並保持測量電路的準確性，以滿足消除不相關的環境因素如環境溫度的影響的需要。它也確定設備是否在使用，並在空閒狀態下降低上面所述的採樣頻率。
本發明的上述和其它目的和優點通過下面結合附圖進行的詳細描述可以得到更好的理解。
圖1示出了遙控設備的示意圖，該設備包括用於控制屏幕上的光標的控制杆；圖2示出了其上安裝了控制杆的電路板的示意圖；圖3示出了較佳實施例的主要部件及其連接的高層方框圖；圖4是用於本發明較佳實施例中的傳感器模塊和微處理器的詳細原理圖；圖5的流程圖示出了控制圖4所示電路中的微處理器的程序邏輯。
下面參看附圖，特別是圖1，圖中示出了一個手持遙控器10，它有若干功能鍵和按鈕，如11所示。小控制杆12對水平方向X、Y和垂直方向Z的力靈敏，圖2對此做了更詳細的表示，該控制杆包括一根陶瓷軸23，一端嵌入遙控器的電路板20中，另一端裝有橡皮套22。該軸有四個厚片陶瓷應變計44至47，側麵包有絲網。施加在控制杆上的力使得控制杆的軸彎曲或壓縮，從而使得在靠近底部聯結到控制杆的軸上的應變計拉長或壓縮，導致應變計的電阻與施加的力量的相應方向分量成比例變化。控制杆的特定結構可以是IBM軌跡指示器III。
再參看圖1，微處理器以及包含在手持控制器10中的相關電路對應變計電阻進行分析，得出指示光標移動和動作(按按鈕)的數據，並將其以編碼的紅外(IR)信號發送到與例如個人計算機或「靈巧」電視機14的串行接口相連的接收器13。接收器13對信號進行解碼並將數據傳送到主機(個人計算機或「靈巧」電視機)，傳送以標準格式進行，與傳統指示設備如滑鼠中採用的格式一樣。紅外傳輸系統和滑鼠通信協議可以是現有技術中的任何一種。控制杆力與光標移動信號的變換是IBM軌跡指示器III或任何類似的指示杆所採用的那種。
在控制杆的另一個應用中，控制杆可以合併到鍵盤中，該鍵盤可以由電池供電並經由IR鏈路與圖1所示的接收器通信，它也可以被合併到用電池供電的計算機如膝上型計算機中。
如上所述，採用應變傳感器使得光標指示器的設計更加緊緻。然而，應變傳感器需要定期校準，這種校準會導致電源的電流消耗。在圖1所示的電池供電設備情況下，電池壽命會大大縮短。本發明通過在圖3所示的電路中實現的一個備用功率算法來克服上述問題。
圖3是本發明較佳實施例的一個高層方框圖。傳感器模塊30包括應變計和相關的模擬和模-數(A/D)轉換電路。當需要採樣時它通過功率總線31從微處理器35供電，否則，它不通電。在完全活動狀態下，每十秒鐘對它供大約一毫秒的電。當需要採樣時供電，這時在傳感選擇線路32上的信號指示要測量什麼(即X、Y或Z)，並將校準數據提供到校準線路34上。傳感器模塊響應數據線33上的數字數據。通常在一毫秒的採樣周期內對X、Y、Z相繼進行測量。收到的數據由微處理器35進行處理，當適合發送到紅外(IR)發射器時產生移動和動作數據，發射器將其發送到主接收機13(圖1)。在較佳實施例中這種連接是單向的，但如果特定的應用需要的話，也很容易作成雙向的。
圖4中給出了實施例的細節，這時傳感器模塊30中的許多電路部件都包括在微處理器40中。這可以是市場上可以購買的單元，如由菲利普半導體公司生產和銷售的83C754或87C754(籠統地表示為8xC754)微處理器。圖中所示的三個運算放大器41、42和43可以包含在例如由美國半導體公司製造的四單元LMC 6034運算放大器中。控制杆應變計44至47在由8xC754微處理器的管腳16或17供電時，根據施加到控制杆橡皮套上的力產生電壓。四個應變計並聯成兩個半橋電路。運算放大器41被連接來接收由應變計44和45產生的一個組合信號，運算放大器42被連接來接收由應變計46和47產生的一個組合信號，運算放大器43被連接來接收由應變計44到47以及固定電阻R1產生的一個組合信號。有用的信號是很小的(即在大約2伏的電壓中需要大約30微伏的解析度)，因此每個運算放大器作為零閾值比較器的一部分，與8xC754微處理器中包含的電路結合，運行在差分開環方式下。參考電壓(由圖3所示的校準線34產生)由8xC754微處理器的管腳19或20提供，與電阻R11和電容C2(在8xC754微處理器的管腳12的控制下)產生的電壓斜坡合併，掃過與測量相關的範圍。由應變計裝置產生的電壓與掃描參考電壓(由管腳9、10或11中適當的一個的電壓階躍表示)的重合時間由8xC754微處理器中的記時器記錄，並且被提供給微處理器。
由微處理器接收的X、Y、Z數據根據與本發明不相關的標準算法進行處理，來產生移動和動作信號，如上所述。
在較佳實施例中，這些信號與由傳統的指示裝置如滑鼠發射的信號是一樣的，代表在水平面的移動以及按鈕開關的啟動和釋放。通常這些信號被用來控制屏幕上光標的移動，指示與之相連的選擇或其它動作，但它們輸入的實際應用取決於例如在圖1所示的個人計算機或「靈巧」電視機14中使用的系統和應用程式。
由應變計提供的電壓信號很小，以數字形式表示的一個單元相當於大約30微伏，或小於電路工作電壓的十萬分之一。因此，由於外在條件特別是溫度的變化，零設置點會發生緩慢的漂移。為了對用戶產生適當的響應，需要在實際使用中以每十毫秒的間隔進行採樣。為了減小功率消耗，只在必須實際進行測量時才開通採樣電流。在完全活動狀態，一個工作循環需要大約10％，即1毫秒的測量周期。微處理器處於空閒狀態時，在10毫秒的大約8.5毫秒中消耗大約300微安的電流，即當設備在實際使用時淨平均消耗為大約2.5毫安。通常要確定設備不是在實際使用需要較長的時間，大約為3秒，只有在確定之後才能調為零設置點，並將設備設置在低消耗備用狀態。在備用狀態方式，設備執行採樣周期，其頻率隨自上次實際使用以來的時間減小。只要採樣的值與先前的值相符合(例如在一個數字單位內)，那麼就不採取任何行動。如果發現有較大的差別，那麼設備進入規定的活動狀態，分析要進行的動作需要時間通常約為3秒。如果沒有發現動作，那麼將零設置點調到一個新的值，繼續備用狀態；否則，設備返回到完全活動狀態。
「報警」單元50是一個定時電路，在低時鐘速率下運行(或許是32kc)，當由8xC754的管腳3的一個脈衝啟動時，它在50、100、200或1000毫秒的延遲(由管腳28引出的線路上的一個先前的信號設定)之後向8x754的管腳5(RST)返回一個脈衝。這使得8xC754在採樣時間之間被置於功率降低方式。
指示器的喚醒延遲最多是最大採樣周期，可接受的值在一秒到兩秒之間。在一秒時，採樣功耗被降低大約百分之一，但保持校準。微處理器在功率降低方式下的功耗為80微安，在採樣過程中該功耗為6mA，因此在採樣間隔為一秒時，採樣平均功耗為86微安。
由微處理器使用的備用功率算法以下面的定義為基礎Xa、Ya、Za是數據線33上的X、Y、Z值(圖3)，Xo、Yo、Zo是這些讀數的當前零值，因此，控制杆的輸出被定義為X＝Xa-Xo，Y＝Ya-Yo，Z＝Za-Zo。為了進行校準，每當Xa和Ya各自在2.8秒的周期內變化不超過一個單元時，將Xo、Yo、Zo分別重設為Xa、Ya、Za的當前值。「活動」被定義為發生X或Y或Z的絕對值大於1的任何一種，其中「1」是A/D轉換器的最小量化。自上一次活動以來的時間是自最近一次發生活動以來的時鐘時間，除了重新置零外，在2.8秒期間開始的活動都予以忽略。
下表示出了自最後一次動作以來隨時間變化的採樣周期
對於電視遙控的應用例子來說，設備大多數情況下工作在表的最後一欄(例如隔夜和電視機在十分鐘或更長時間沒有得到主動的控制)。對於86微安的平均功耗來說，功耗是恆定的80微安加上在每秒的其中1毫秒為6000微安，這與用於這種設備中的電池的無源漏電損耗是可比的。因此，在沒使用的設備中的電池壽命與電池的擱置壽命是相近的。另一方面，在用戶看來，設備是瞬時反應的，除了在長久(即大於十分鐘)不用之後第一次拿起來之外，這時可能會有明顯的延遲。顯然，如果需要的話，最大採樣周期可以縮短，不會對電池壽命產生大的影響。
參看圖5，傳感器的輸出在功能塊54進行採樣。如果校準的採樣值不是零(方框55)，那麼在功能塊52進行必要的控制。採樣間隔被設置為最小(.01秒)，「用戶活動」記時器被重置為零，「自上次使用以來的時間」不作變化。如果校準的採樣值不是零，那麼在方框51確定是否有用戶的操作。如果確定沒有，那麼重新設置校準值，並根據上表調節採樣間隔。在所有的情況下，程序都返回「起始」狀態，以便重複運行。
儘管本發明是根據一個較佳實施例來進行描述的，本領域的技術人員會理解在本發明權利要求所限定的範圍內可以進行改進，特別值得提出的是，本發明可以用於以下情況即對於變化緩慢的感應量，應不與理會，而對於變化迅速的感應量，必須沒有延遲地進行檢測和報告，並且對於總功耗有非常嚴格的限定。
權利要求
1.一種大大降低傳感設備功率要求的方法，該設備必須在長時間處於不動作狀態，但對快速變化能立即反應，與此同時對緩慢的外界變化能有效地保持校準，該方法包括以下步驟在選定的時間間隔監控傳感設備；如果由傳感設備感應的變量值指示沒有動作，那麼根據特定的程序將選定的時間間隔調長，確定傳感器的校準是否正確，如果不正確，那麼校正傳感器的校準；否則，如果由傳感設備感應的變量值指示有動作，那麼；響應感應的變量，執行有關的功能。
2.根據權利要求1所述的方法，其特徵在於進一步包括只有在需要從傳感器得到數據時才向傳感器供電的步驟。
3.根據權利要求2所述的方法，其特徵在於進一步包括用電池向微處理器供電的步驟。
4.根據權利要求1所述的方法，其特徵在於執行的功能是向主系統報告從感應變量中得到的值。
5.根據權利要求1所述的方法，其特徵在於執行的功能是根據感應變量的內容進行的命令操作。
6.根據權利要求1所述的方法，其特徵在於感應的變量是具有大小和方向的一個力。
7.根據權利要求6所述的方法，其特徵在於所述的力在至少二維空間分解。
8.根據權利要求2所述的方法，其特徵在於採用微處理器來執行這些步驟。
9.一個電池供電的遙控器，包括一個傳感設備，該設備必須在長時間處於不動作狀態，但對快速變化能立即反應，與此同時對緩慢的外界變化能有效地保持校準；從傳感設備採樣至少一個模擬信號並產生正比於該模擬信號的數字輸出的裝置；一個微處理器，它從採樣裝置接收數字輸出；所述微處理器產生一個採樣信號到採樣裝置，並在不動作期間對採樣信號執行再校準，在不動作期間延長時，再校準的採樣間隔增大。
10.根據權利要求9所述的電池供電遙控器，其特徵在於傳感設備包括一個控制杆，它帶有靈敏模擬感應器，根據控制杆的彎曲產生模擬信號。
11.根據權利要求10所述的電池供電遙控器，其特徵在於進一步包括發射裝置，用於發射微處理器根據控制杆的彎曲產生的編碼控制信號。
12.根據權利要求10所述的電池供電遙控器，其特徵在於控制杆包括陶瓷、金屬或塑料軸，靈敏模擬感應器被固定其上。
13.根據權利要求12所述的電池供電遙控器，其特徵在於靈敏模擬傳感器包括四個圍繞陶瓷、金屬或塑料軸安裝的應變計，軸的彎曲造成所述四個應變計的電阻根據施加到所述軸上的水平和垂直力發生變化。
14.根據權利要求13所述的電池供電遙控器，其特徵在於四個應變計被連接成兩個半橋電路，並且進一步包括連接到所述橋電路的第一、第二和第三運算放大器，所述第一運算放大器被連接來接收由第一對應變計產生的組合信號，第二運算放大器被連接來接收由第二對應變計產生的組合信號，第三運算放大器被連接來接收由連接成一個半橋並具有固定電阻的所有四個應變計產生的組合信號。
15.根據權利要求9所述的電池供電遙控器，其特徵在於所述採樣裝置的部分或全部與微處理器安裝在同一晶片上。
全文摘要
採用模擬傳感器的電池供電傳感設備，有一個在靜態時保持傳感設備的靈敏度和校準並消耗很小功率的電子電路。在一個實施例中，提供一個控制杆，該控制杆具有靈敏模擬傳感器。如應變計，與控制杆的軸相連。三個運算放大器根據應變計產生的組合信號來產生X、Y、Z輸出電壓。微處理器接收靈敏模擬傳感器的輸出，並產生一個採樣信號。在延長的不動作期間，再校準的採樣間隔增大，大大減小了電池供電系統的電流消耗。
文檔編號G06F1/32GK1164150SQ97102120
公開日1997年11月5日 申請日期1997年1月9日 優先權日1996年1月16日
發明者J·D·拉特利奇 申請人:國際商業機器公司