Projektarbeit: Berührungserkennung durch Time Domain Reflectometry

Student: Markus Zimmermann

Betreuer: Raphael Wimmer

Vorläufige Gliederung

  1. Grundlegende Eigenschaften
    1. TDR
      • kapazitiv
      • resistiv
      • induktiv
    2. verwandte Techniken
    3. Hardware-Testumgebung
    4. Capture / Logging
  2. Analyse des Signals
    1. Signalverarbeitung
    2. Interpretation
  3. Applikationen
    1. Setups
      • Kreuzungen / Multilayer
      • Platten
      • Messung zu beiden Leitungsenden
      • Abwägungen (räuml.- vs. zeitl. Auflösung)
    2. Nutzen von k/r/i

Eigenschaften

1. Messung: 1 m Laborkabel; Krokodilklemmen.

termination.png

  • Blaue Spur: Offene Terminierung
  • Rote Spur: Kurzschluss-Terminierung
  • Grüne Spur: 100 Ohm-Terminierung

  • Erste Flanke: Messimpuls
  • Kabel
  • Zweite Flanke: Krokodilklemmen

Capturing

Tool zur Kamerakalibrierung: Coriander Kamera: Point Grey Research Firefly MV FFMV-03M2M Settings: 30 fps Trigger, 0.03 s Shutter (475)

Mac OS X: Setup von OpenCV und den Python-Bindings unter Mac OS X

Erster Versuch: Signalerkennung

Einlesen des Signals via OpenCV und Python:

bildanalyse1.png

Oben: Veränderung der Impedanz bezogen auf das Signal im Ruhezustand. Rauschen ist erkennbar. Rot hinterlegt: erkannte Berührung des Kabels, etwas rechts der Kabelmitte.

Unten: Signal vom TDR-Messgerät, aufgearbeitet und interpoliert. Gemessen wird ein 1m langes Flachbandkabel. Links: Impuls. Mitte: Kapazitive Änderung. Rechts: Offene Terminierung.

Zweiter Versuch: Erkennung und Filter

analyse-filtered-gradient.png

Weiß: Kamerasignal / Blau: Erkanntes Signal (Ausreißer nicht erkannt) / Rot: Kalibriertes Signal nach Tiefpass / Türkis: 1. Ableitung

Touch-Erkennung

analyse-filtered-derivative-detection.png

Weiß: Erkannte Berührung des Kabels. Kalibriertes Signal > Schwelle und Nullstelle bei 1. Ableitung => Touch erkannt. (SVN Revision 9)

Moving-Average ./. Windowed-Sinc Filter

28_Shot_2.png

Originalsignal (Blau), Moving-Average -3..0..+3 (Orange), Windowed-Sinc Tiefpass (Hellblau). Detailverbesserung bei Touch mit zwei Fingern.

Temporaler Filter über mehrere Frames

47_Shot_7.png

Statisch (Finger ruht): Ruhigere Flanken

15_Shot_8.png

Dynamisch (Finger bewegt sich): Flanken löschen sich aus, Echo.

-> Dynamisches Umschalten zwischen spatialem und temporalem Filter?

Signalverarbeitung: Brainstorming

--> Digital Signal Processing (Steven W. Smith)

  • S. 108: Convolution (Relation zwischen Impuls, Impulsantwort, Signal)
  • S. 137: Correlation (Erkennung eines bekannten Signals im Rauschen)
  • DSP Filter Code-Samples: http://www.musicdsp.org/archive.php

Terminierung

Es stehen drei Arten der Terminierung zur Verfügung: Match (Eigenwiderstand des Leiters), Open Circuit (unterminiert) und Short Circuit (Kurzschluss).

Auswirkungen auf das Signal

Match:

56_Shot_5_termination-match-no_touch.png

Open Circuit:

12_Shot_3_termination-oc-no_touch.png

Short Circuit:

34_Shot_1_Termination-sc-no_touch.png

Bei der Short Circuit-Terminierung tauchen weniger Reflexionen am Leitungsende auf, zudem ist das Leitungsende im Vergleich zu der Match-Terminierung deutlich auszumachen. Deutlich wird der Unterschied bei einer Kapazitätsänderung am Leitungsende:

Match:

07_Shot_6_termination-match-touch.png

Open Circuit:

26_Shot_4_termination-oc-touch.png

Short Circuit:

52_Shot_2_termination-sc-touch.png

-> Die Short Circuit-Terminierung ruft in der Nähe der eigentlichen Kapazitätsänderung die geringsten Reflexionen hervor.

Platinenherstellung

Platinenherstellung

Bends in Microstrips: http://en.wikipedia.org/wiki/Microstrip#Bends

Literaturverzeichnis:

Literatur in Mendeley archiviert: Mendeley Collection

Codeverzeichnis:

Code im SVN archiviert: patdr

Tools & Notes:

  • Screenshot: ksnapshot

--++ Ausblick

-- MarkusZimmermann - 24 Feb 2010
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Topic revision: r13 - 17 May 2010, MarkusZimmermann
 
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