本發(fā)明涉及一種針對電容式傳感器的傳感器電路，該傳感器電路包括用于生成dc參考信號的dc參考驅(qū)動器、用于生成用于饋送電容式傳感器的正弦信號的傳感器驅(qū)動器、用于分別連接到一個電容式傳感器的多個傳感器端口以及用于建立傳感器端口與驅(qū)動器的連接的開關(guān)矩陣。本發(fā)明還涉及一種用于評估電容式傳感器的電容式測量系統(tǒng)，該電容式測量系統(tǒng)包括：傳感器、針對電容式傳感器的傳感器電路以及傳感器電路與傳感器之間的dc解耦裝置(dc-entkopplung)。本發(fā)明還涉及用于針對電容式傳感器的傳感器電路的安全相關(guān)組件執(zhí)行集成自測試的相應(yīng)方法。

背景技術(shù)：

1、電容式傳感器和相應(yīng)的測量系統(tǒng)或傳感器電路應(yīng)用于日常生活的許多領(lǐng)域中，例如無接觸式傳感器或觸摸式傳感器。它們尤其常見于汽車領(lǐng)域和車輛中。例如，當(dāng)需要檢查車輛駕駛員是否握住方向盤并且能夠主動駕駛或正在主動駕駛車輛時，使用電容式傳感器。在自主或半自主系統(tǒng)的情況下，以規(guī)律的間隔檢查：車輛駕駛員是否將手放在方向盤上以確定所述車輛駕駛員清醒并且在必要時可以手動駕駛車輛。

2、汽車領(lǐng)域的另一個應(yīng)用領(lǐng)域是對座位占用情況(sitzbelegung)的識別。當(dāng)乘客坐在車輛中的座位上時，其必須系好安全帶。為此，一方面檢測座位占用情況，另一方面檢查安全帶鎖是否被安全帶扣緊。當(dāng)座位被占用時，那么始終必須為如此情況。有多種電容式傳感器執(zhí)行此檢查。

3、例如，de?112010004513?b4提出了一種用于識別車輛中的占用情況的系統(tǒng)，其中不僅識別座位的總體占用情況，而且還可以用于區(qū)分座位上是否有人或另一具有明顯比人更小的重量的物體。除了對人或物體的存在進(jìn)行純電容檢測之外，還提出了用于識別相對力的可能性。例如，在此使用多個傳感器和一個屏蔽電極(schirm-elektrode)，可以使用開關(guān)矩陣以不同方式將它們互連。

4、由于在汽車領(lǐng)域中這種電容式傳感器的使用涉及安全相關(guān)部件，因此需要檢查這些部件的所有組件，特別是用于切換各個內(nèi)部開關(guān)路徑的開關(guān)是否正常工作。

技術(shù)實現(xiàn)思路

1、本任務(wù)通過具有權(quán)利要求1的特征的傳感器電路、通過具有權(quán)利要求9的特征的電容式測量系統(tǒng)以及通過具有權(quán)利要求15的特征的方法來解決。

2、在本發(fā)明的范疇內(nèi)已認(rèn)識到：可以通過集成自測試來執(zhí)行對傳感器電路內(nèi)的各個組件的檢查。在此重要的是：尤其是在開關(guān)矩陣的線路路徑中使用的開關(guān)和電阻正常工作。通過本發(fā)明可以可靠且簡單地檢查這些組件，而不需要附加的部件。

3、在一方面，本發(fā)明涉及一種針對電容式傳感器的傳感器電路，其包括用于生成dc參考信號的dc參考驅(qū)動器、用于生成正弦信號的傳感器驅(qū)動器、用于連接到各電容式傳感器的多個傳感器端口以及用于建立傳感器端口與驅(qū)動器的連接的開關(guān)矩陣。傳感器驅(qū)動器具有輸出端口，用于輸出用于饋送電容式傳感器的正弦信號。其還包括電流輸出端口，用于輸出與輸出端口處輸出的正弦信號相對應(yīng)的測量電流。該測量電流可用于測量和檢查安全相關(guān)組件。開關(guān)矩陣針對每個傳感器端口具有線路路徑(leitungspfad)，所述線路路徑包括rt開關(guān)(靠近dc參考驅(qū)動器的開關(guān))、傳感器開關(guān)和負(fù)載電阻。rt開關(guān)和負(fù)載電阻優(yōu)選地串聯(lián)在dc參考驅(qū)動器和相應(yīng)的傳感器端口之間。傳感器開關(guān)連接在傳感器端口和傳感器驅(qū)動器之間。

4、該開關(guān)矩陣使得能夠?qū)鞲衅麟娐返膫鞲衅鞫丝谥慌c傳感器驅(qū)動器連接，使得在傳感器電路的運行期間以及為了測量所連接的傳感器，由傳感器驅(qū)動器輸出的正弦信號到達(dá)(gelangen)在相應(yīng)的傳感器端口處連接的電容式傳感器。其他傳感器端口與傳感器驅(qū)動器解耦，其方式為，斷開相應(yīng)線路路徑中的傳感器開關(guān)。利用來自dc參考驅(qū)動器的dc參考信號來供應(yīng)所述其他傳感器端口，以便將所述端口升高到所定義的電位。為此，rt開關(guān)與負(fù)載電阻串聯(lián)閉合。

5、電容式傳感器的阻抗的變化會導(dǎo)致由傳感器驅(qū)動器放出的電流的變化。該電流附加地在電流輸出端口處被測量，使得阻抗的變化反映在電流的變化中。將電流輸出端口處的測量電流輸送給評估單元，該評估單元可以優(yōu)選地包括模擬信號處理單元和濾波器，以便為模數(shù)轉(zhuǎn)換器提供信號，使得例如可以將電流信號進(jìn)一步處理為數(shù)字信號。

6、開關(guān)矩陣和電容式傳感器之間布置的dc耦合裝置確保了直流解耦。然而，它對于由傳感器驅(qū)動器輸出的用于檢測電容式傳感器的ac信號或正弦信號而言是可通過的dc耦合裝置僅抑制直流信號。這可以例如通過電容器(kondensator)或電容來進(jìn)行。

7、根據(jù)本發(fā)明，傳感器電路被設(shè)計為執(zhí)行自測試，其中傳感器驅(qū)動器輸出dc信號。因此，傳感器驅(qū)動器設(shè)計為，在其輸出端不僅輸出ac信號或正弦信號而且還輸出dc信號。通過生成直流電壓，在dc參考驅(qū)動器和傳感器驅(qū)動器之間形成電壓差，該電壓差施加(anliegen)在開關(guān)矩陣上。在此，在自測試期間，dc參考驅(qū)動器和傳感器驅(qū)動器之間的開關(guān)路徑閉合，其中該開關(guān)路徑包括串聯(lián)的rt開關(guān)、傳感器開關(guān)和負(fù)載電阻。通過所生成的電壓差而引起能夠被測量的電流流過開關(guān)矩陣。優(yōu)選地在傳感器驅(qū)動器的電流輸出端口處分接并測量電流。這例如通過評估單元來進(jìn)行。

8、這樣，可以針對每個傳感器端口檢查開關(guān)矩陣的開關(guān)路徑中的組件，其中將負(fù)載電阻、rt開關(guān)和傳感器開關(guān)分配給傳感器端口。各個傳感器端口被依次檢查。

9、為了僅測量針對一個傳感器端口的開關(guān)路徑中的安全相關(guān)部件，將傳感器電路的其他傳感器端口與這兩個驅(qū)動器、即dc參考驅(qū)動器和傳感器驅(qū)動器分離，其方式為，斷開屬于該傳感器端口的相應(yīng)的rt開關(guān)和傳感器開關(guān)。

10、在另一方面，本發(fā)明涉及一種用于評估電容式傳感器的電容式測量系統(tǒng)，其包括優(yōu)選地具有傳感器電極的傳感器、針對電容式傳感器的傳感器電路以及傳感器電路和傳感器之間的dc解耦裝置。傳感器電路在此包括用于生成dc參考信號的dc參考驅(qū)動器、用于在輸出端口處生成并輸出ac信號、例如正弦信號以饋送傳感器的傳感器驅(qū)動器、用于連接到傳感器的傳感器端口以及用于建立傳感器端口與這兩個驅(qū)動器、即dc參考驅(qū)動器和傳感器驅(qū)動器的連接的開關(guān)矩陣。傳感器電路優(yōu)選地包括多個傳感器端口，以便能夠操控和評估多個電容式傳感器。

11、根據(jù)本發(fā)明，傳感器驅(qū)動器具有電流輸出端口，以便輸出與輸出端口處輸出的ac信號或正弦信號相對應(yīng)的測量電流。該開關(guān)矩陣包括rt開關(guān)、傳感器開關(guān)以及與rt開關(guān)串聯(lián)的負(fù)載電阻。通過這些組件，開關(guān)矩陣允許傳感器端口與dc參考驅(qū)動器和/或傳感器驅(qū)動器的連接。

12、根據(jù)本發(fā)明，傳感器電路被設(shè)計為執(zhí)行自測試，其中傳感器驅(qū)動器輸出dc信號，使得dc參考驅(qū)動器和傳感器驅(qū)動器之間形成電壓差，該電壓差施加在開關(guān)矩陣上。在自測試期間，可以測量經(jīng)由開關(guān)矩陣流動的電流，其方式例如為，評估電流輸出端口處輸出的測量電流。

13、為了在自測試期間在dc參考驅(qū)動器和傳感器驅(qū)動器之間形成電壓差，通過閉合rt開關(guān)和有關(guān)(betreffend)傳感器端口的傳感器開關(guān)，為相關(guān)的傳感器端口形成開關(guān)路徑。優(yōu)選地對于所有其他傳感器端口斷開相關(guān)的rt開關(guān)和傳感器開關(guān)，使得這些端口是未連接的(unbeschaltet)并且是與驅(qū)動器解耦的。因此，優(yōu)選地始終僅測量傳感器端口的一個開關(guān)路徑。

14、本發(fā)明的另外的方面涉及相應(yīng)的方法和具有程序代碼的計算機(jī)程序產(chǎn)品，用于當(dāng)在計算機(jī)上執(zhí)行程序代碼時執(zhí)行該方法的步驟，以及涉及其上存儲有計算機(jī)程序的存儲介質(zhì)，當(dāng)在計算機(jī)上執(zhí)行該計算機(jī)程序時，該計算機(jī)程序引起：執(zhí)行本文描述的方法。該方法還可以完全或部分地以硬件實現(xiàn)。

15、傳感器電路的開關(guān)矩陣將傳感器驅(qū)動器與所連接的并且要依次測量其阻抗的各種電容式傳感器連接起來。必須對車輛中的傳感器定期檢查開關(guān)矩陣的功能和安全相關(guān)部件。根據(jù)本發(fā)明的測量系統(tǒng)基于如下原理：用ac信號操控傳感器以測量它們的阻抗。傳感器端口與接地線(masse)(接地gnd)或電壓供應(yīng)裝置之間沒有dc路徑。這是通過dc解耦裝置來確保的。為了檢查電路中的開關(guān)矩陣和電阻，優(yōu)選地在兩次測量之間循環(huán)地執(zhí)行自測試(bist)。為此，僅使用來自應(yīng)用阻抗測量的傳感器電路的現(xiàn)有電路。不需要額外的測量電路、比較器或開關(guān)。

16、自測試是使用如下dc電壓進(jìn)行的，替代于ac信號而由傳感器驅(qū)動器并且必要時由針對屏蔽電極的屏蔽驅(qū)動器(schirm-treiber)輸出所述dc電壓。在電流輸出端借助也被用于阻抗測量的相同的信號路徑來測量電流。針對rt開關(guān)和傳感器開關(guān)的不同開關(guān)位置而測量電流。當(dāng)其中一個開關(guān)斷開時，它必須大約為零。如果這兩個開關(guān)都閉合，(數(shù)字化)電流必須位于所定義的極限之間，這些極限被存儲在存儲單元中并且可以在生產(chǎn)測試中被確定。

17、本發(fā)明的優(yōu)選設(shè)計方案在從屬權(quán)利要求中予以描述。應(yīng)當(dāng)理解的是，在不脫離本發(fā)明的范疇的情況下，上述特征和下面將要解釋的特征不僅可以以分別所指定的(angegeben)組合來使用，而且可以以其他組合來使用或單獨地使用。特別是，可以根據(jù)從屬權(quán)利要求中針對傳感器電路和測量系統(tǒng)描述的設(shè)計方案來執(zhí)行該方法和計算機(jī)程序產(chǎn)品。

18、根據(jù)本發(fā)明，在自測試中檢查傳感器電路的安全相關(guān)組件，從而實現(xiàn)測量系統(tǒng)的測量路徑的完整性的診斷。在此，例如在ic中使用并且用于ac電容測量的實際應(yīng)用的傳感器電路的電路部分被用于dc電阻測量。不需要額外的部件，例如比較器、測量裝置或開關(guān)。

19、在優(yōu)選實施方式中，傳感器電路包括至少四個傳感器端口，優(yōu)選地至少八個傳感器端口。此類電路反映出(abbilden)電容式傳感器的大部分應(yīng)用要求。這樣，可以使用具有四個或八個電容式傳感器的傳感器元件。在各個情況下已被證明是有利的是，傳感器電路具有16個傳感器端口，使得總共可以連接16個電容式傳感器。

20、傳感器電路的優(yōu)選實施方式規(guī)定：在自測試期間如此切換開關(guān)矩陣，使得各個傳感器端口以交替的方式被操控。因此，可以檢查所有傳感器端口以及傳感器端口和傳感器驅(qū)動器之間以及傳感器端口和dc參考驅(qū)動器之間存在的開關(guān)和負(fù)載電阻。

21、在另一優(yōu)選實施方式中，不被操控且其相關(guān)組件未被檢查的其他傳感器端口被設(shè)置為經(jīng)限定的電位。它們特別優(yōu)選地與開關(guān)矩陣解耦。

22、在傳感器電路的另一優(yōu)選實施方式中，針對相關(guān)傳感器端口的開關(guān)路徑的傳感器開關(guān)和/或rt開關(guān)在自測試期間被切換到不同的開關(guān)位置。在一種實施方式中，rt開關(guān)和傳感器開關(guān)均是閉合的。在這種情況下，所確定的電流值或電流測量值或其數(shù)字化值必須在經(jīng)限定的極限之間。這些極限可以被固定限定或在生產(chǎn)后在生產(chǎn)測試中被確定。如果在生產(chǎn)測試中確定這些極限值，則可以實現(xiàn)更窄的極限，因為可以校準(zhǔn)(auskalibrieren)與制造相關(guān)的容差。這些極限值優(yōu)選地存儲在非易失性存儲器中。

23、如果開關(guān)路徑中的這兩個開關(guān)(rt開關(guān)和傳感器開關(guān))至少其中之一斷開，則電流值必須為零。

24、根據(jù)本發(fā)明的傳感器電路具有以下優(yōu)點：來自電容式傳感器的應(yīng)用阻抗測量的現(xiàn)有電路可以用于自測試。這種集成自測試稱為“bist”。這個名稱在此期間也被專家使用。該術(shù)語代表“built-in?self-test(內(nèi)置自測試)”。這種bist測量的優(yōu)點是不需要額外的電壓比較器、測量裝置或開關(guān)。因此，bist測試應(yīng)非常簡單且低成本地執(zhí)行。該bist測試也非常穩(wěn)健，因為沒有附加器件可能是容易出錯的。bist測量使用如下dc電壓而進(jìn)行，其中替代于ac信號、例如正弦信號而由傳感器驅(qū)動器輸出所述dc電壓。借助與也用于阻抗測量相同的信號路徑來測量電流。

25、使用bist測量，不僅可以檢查開關(guān)矩陣的開關(guān)，還可以檢查它們的電阻。然而，此外也可以檢測外部布線的各個錯誤模式(fehlermodi)。例如，可以識別出與傳感器端口連接的電容的短路。短路的電容會導(dǎo)致dc電流增加，并因此會被識別到。通常還可以識別出線路中斷，例如傳感器電路和電容式傳感器之間的引入線路(zuleitung)中的線路中斷。

26、在優(yōu)選實施方式中，傳感器電路被設(shè)計為使得其具有dc驅(qū)動器輸入端和傳感器驅(qū)動器輸入端。dc信號可以在dc驅(qū)動器輸入端處被饋入到dc參考驅(qū)動器，然后由驅(qū)動器輸出該dc信號。在傳感器驅(qū)動器輸入端處，可以使用外部信號向傳感器驅(qū)動器進(jìn)行供應(yīng)，其中該傳感器驅(qū)動器輸入端輸出該外部信號。正弦信號或另一個ac信號可以在傳感器驅(qū)動器輸入端處被饋入，該信號被用于應(yīng)用阻抗測量。對于bist測試，可以將dc信號而不是ac信號在傳感器驅(qū)動器輸入端處饋入，其中該dc信號在自測試期間被使用和輸出。通過這種方式還容易地可能的是，使傳感器驅(qū)動器能夠不僅輸出ac信號或正弦信號還輸出dc信號。

27、在優(yōu)選實施方式中，傳感器電路被設(shè)計為還供應(yīng)和操控傳感器元件的屏蔽電極或?qū)儆陔娙菔絺鞲衅鞯钠帘坞姌O。傳感器電路優(yōu)選地包括用于生成屏蔽正弦信號或屏蔽ac信號的屏蔽驅(qū)動器，其中在這樣的屏蔽電極可以連接到的屏蔽端口處輸出所述屏蔽正弦信號或屏蔽ac信號。屏蔽電極優(yōu)選地與電容式傳感器并聯(lián)，使得能夠執(zhí)行測量以提高傳感器精度。此外，通常使用屏蔽電極，以便在傳感器的阻抗測量中抑制寄生電容和其他寄生效應(yīng)。

28、傳感器電路優(yōu)選地包括屏蔽切換負(fù)載端口(schirm-switchload-port)，其也被設(shè)置用于連接到屏蔽電極，并且傳感器電路對于每個傳感器端口具有所分配的傳感器切換負(fù)載端口，用于連接到傳感器。在屏蔽切換負(fù)載端口和每個傳感器切換負(fù)載端口之間形成切換負(fù)載路徑，其包括切換負(fù)載開關(guān)和切換負(fù)載電阻。切換負(fù)載路徑可以集成在傳感器電路的開關(guān)矩陣中。每個傳感器切換負(fù)載端口都通過該切換負(fù)載路徑與相關(guān)的屏蔽切換負(fù)載端口連接。切換負(fù)載電阻可以由一個或多個串聯(lián)布置的電阻形成。實際上，2.5kohm的值已被證明是有利的。

29、在傳感器電路的優(yōu)選實施方式中規(guī)定，能夠在自測試中檢查每個切換負(fù)載路徑。屏蔽驅(qū)動器優(yōu)選地被設(shè)計為輸出在自測試期間使用的屏蔽dc信號。屏幕dc信號優(yōu)選地不等于傳感器驅(qū)動器的dc信號，特別優(yōu)選地它小于傳感器驅(qū)動器的dc信號。以這種方式，在這兩個驅(qū)動器之間形成電壓差，從而在自測試期間驅(qū)動電流通過切換負(fù)載路徑，并且可以檢查切換負(fù)載電阻和切換負(fù)載開關(guān)。為此，通過閉合傳感器開關(guān)并建立屏蔽端口與屏蔽切換負(fù)載端口之間的連接以及傳感器端口與傳感器切換負(fù)載端口之間的連接來形成屏蔽檢查路徑。為了檢查，一方面將切換負(fù)載開關(guān)閉合以檢查切換負(fù)載電阻。測量傳感器驅(qū)動器在電流輸出端口饋入的測量電流。電流與極限值的比較j允許得出如下方面的結(jié)論：切換負(fù)載電阻是否無故障。

30、當(dāng)切換負(fù)載開關(guān)斷開時，所測量的電流值必須接近或等于零。以這種方式，也可以通過使用閉合和斷開的切換負(fù)載開關(guān)而進(jìn)行的這兩次測量來可靠地檢查切換負(fù)載開關(guān)是否無故障。

31、在測量系統(tǒng)的一個優(yōu)選實施方式中，傳感器電路被設(shè)計為對所有傳感器端口執(zhí)行自測試，優(yōu)選地對所有傳感器端口依次執(zhí)行自測試。在一個特別優(yōu)選的實施方式中，在每次測量電容式傳感器的阻抗之后，對相應(yīng)的傳感器端口執(zhí)行自測試。

32、優(yōu)選地，測量系統(tǒng)的傳感器電路具有多個傳感器端口，優(yōu)選地至少四個，特別優(yōu)選地至少八個傳感器端口。通過這種方式，可以將多個電容式傳感器連接到傳感器電路并通過自測試對其進(jìn)行檢查。

33、在另一優(yōu)選實施方式中，在傳感器電路和傳感器之間布置濾波器網(wǎng)絡(luò)，其優(yōu)選地為每個電容式傳感器提供濾波器。在優(yōu)選實施方式中，在傳感器電路的每個傳感器和每個傳感器端口之間布置濾波器，該濾波器包括耦合電容器，該耦合電容器優(yōu)選地形成dc耦合裝置。該濾波器特別優(yōu)選地被設(shè)計為emv濾波器(電磁兼容性濾波器)，其包括串聯(lián)電感和另外的并聯(lián)電容。

34、在同樣優(yōu)選的實施方式中，該測量系統(tǒng)包括屏蔽電極，該屏蔽電極可以優(yōu)選地并聯(lián)到傳感器。特別優(yōu)選地由該屏蔽電極和該電容式傳感器形成傳感器元件。還優(yōu)選的是包括屏蔽電極和多個電容式傳感器的傳感器元件。

35、優(yōu)選地，測量系統(tǒng)的傳感器電路具有用于生成屏蔽正弦信號或屏蔽ac信號的屏蔽驅(qū)動器，其中在傳感器電路的如下屏蔽端口處輸出所述屏蔽正弦信號或屏蔽ac信號，在所述屏蔽端口處連接屏蔽電極。通過這種方式，可以提高傳感器精度，例如可以防止寄生電容及其影響。

36、在優(yōu)選實施方式中，測量系統(tǒng)的傳感器電路包括兩個切換負(fù)載端口，這兩個切換負(fù)載端口經(jīng)由具有切換負(fù)載開關(guān)和切換負(fù)載電阻的切換負(fù)載路徑彼此連接。其中一個切換負(fù)載端口是用于連接到屏蔽電極的屏蔽切換負(fù)載端口。第二切換負(fù)載端口是用于連接到傳感器的傳感器切換負(fù)載端口。如果傳感器電路中存在多個傳感器端口，則傳感器電路優(yōu)選地對于每個傳感器端口包括對應(yīng)的傳感器切換負(fù)載端口，其被分配給該傳感器端口。傳感器端口特別優(yōu)選地與所分配的傳感器切換負(fù)載端口連接。這種連接例如還可以形成在布置在傳感器電路和傳感器之間的濾波器中。

37、測量系統(tǒng)的優(yōu)選實施方式包括評估單元，其優(yōu)選地可以是傳感器電路的一部分。評估單元特別優(yōu)選地具有模擬信號處理單元并且將用于ad轉(zhuǎn)換的測量信號輸出到例如ad轉(zhuǎn)換器。評估單元優(yōu)選地還包括放大器和/或濾波器，以便相應(yīng)地預(yù)處理(aufbereiten)用于ad轉(zhuǎn)換的測量信號。