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      電容感應技術與汽車人機界面 (HMI) 系統

      電容觸摸感應技術一直都是一種設計差異化技術,旨在用于設計極其美感的汽車信息娛樂系統。當器件足以集成汽車特定功能時,工程師即開始運用電容感應技術開發超越信息娛樂應用的更新型應用,以求簡化和改進車輛中的各種用戶界面。搭配使用接近感應功能和汽車專用功能(比如 LIN 和 CAN 等標準)后,電容觸摸感應技術已經成為汽車設計中的主流技術。

      一個世紀以來,汽車已經從各種機械零部件的大雜燴變成了高效、非常舒適且更加安全的機器。這場革 命主要是由汽車中使用的電子設備數量大幅度增加所帶來的。不過有一樣是不變的,那就是用戶的滿意度一直取決于人們和汽車的互動是否方便與有效。不管是駕駛人員和控制系統的互動,還是乘客與娛樂系統的互動,擁有汽車的樂趣仍然源于這種互動。

      測量和跟蹤用戶的互動并為主控系統提供反饋的系統,都被稱為汽車人機界面 (HMI) 系統。從用戶的角度來說,這些互動可能是有意識的(比如乘客主動向系統提供輸入時),也可能是下意識的(比如當系統在駕駛人員未察覺的情況下測量駕駛人員的意圖的時候)。此外,隨著汽車中各種系統日趨復雜,這就需要系統具備更好的響應能力并意識到人們的互動。

      電容感應——引發汽車 HMI 革 命

      工程師一直想改進 HMI 系統,讓它們更加直觀、外觀“更酷”,精度更高。電容感應技術是目前這場變革的核心。它讓 HMI 應用的設計和實施發生了革 命性的變化。

      簡單來講,電容式感應器是由一對相鄰的電極構成的。當人(或者其他導體)接近電極,電極和導體之間的電容就會增加。通過測量這個電容,就可以感應到導體的存在。能夠感應物體存在的能力是創建各式各樣觸摸感應器的基礎。這些感應器可用作按鈕、滑條、觸控板和其他常見的界面組件等。

      此外,電容式感應技術還可以用于接近感應,其中感應器和用戶的身體之間沒有接觸。這可通過增強感應器的靈敏度來實現。另外,由于這種感應器不受視野限制,單個感應器就可以感應物體在三維空間中的靠近方向。

      這種技術如果配合可編程混合信號控制器使用,則能夠發揮出更為強大的功能。可編程器件能夠智能測量電容,進而實現對人體接近的多項指標進行探測:距離、接近方向、手勢識別,等等。采用可編程方法還可以集成電機控制和 LED 驅動等其他功能,從而為用戶提供觸摸/接近反饋(見下)。可編程器件還可以讓開發人員通過定義zui佳靈敏度閾值和可變掃描速度等來降低電流消耗、改善抗噪性,進而大幅度提高性能。

      電容感應——成熟的技術

      在過去 5 年多的時間里,電容觸摸感應技術已廣泛應用于汽車信息娛樂系統之中,用觸摸感應按鈕取代了機械按鈕。許多用戶已經熟悉了導航系統中的電容觸摸控制功能,如功能隨菜單激活狀態而變化的“固定”按鈕、縮放圖像的滑條、在需要的時候出現在主顯示屏上的控制器等。這些系統控制了車輛上的導航、音頻、HVAC 和車輛整體管理等各項功能。

      電容觸摸感應技術還可配合機械按鈕,實現性能更強的混合型按鈕(見圖 1),對接近/觸摸(比如功能預覽)和實際按下按鈕(比如功能啟用)都能做出響應,詳見下圖。

      圖 1:混合型觸摸技術實施方案

      這些應用還可以通過使用電容感應型接近感應器得到進一步的強化。例如,可以根據用戶的接近情況開啟背光控制(見圖 2)的面板。

      圖 2:接近型汽車音頻背光控制

      推動電容感應技術進入汽車應用的因素

      隨著電容感應技術日趨成熟,工程師正在汽車上為其尋找創 新性的全新用途。共有兩大因素推動在這項技術進入汽車領域:一、對汽車專用通信協議的支持;二、穩健 IC 技術的問世。

      觸摸感應控制器已經開始支持 LIN 和 CAN 等汽車專用通信協議。隨著對觸摸板和系統 ECU(見圖 3)之間的分布式架構的需求日漸增加,觸摸感應控制器對 CAN 和 LIN 的支持使得系統設計人員能夠盡量壓縮所需的外部元器件數量,同時提升可靠性,降低 BOM 成本。此外,一體化的趨勢還使過去在上述網絡總線上實施的功能得以輕松移植到觸摸感應控制器上。

      日漸豐富的成熟、穩健 IC 搭配電容感應技術,使半導體公司能夠制造出掃描速度更快、抗噪性更強、功耗更低的新器件,加之經驗不斷豐富的應用設計隊伍,將大力推動電容感應技術不斷向更新的應用領域拓展。部分此類創 新應用包括:

      電容感應無源無匙進入系統:無源無匙進入系統已存在相當長的一段時間了。近期,電容感應已開始用于探測逐漸接近的駕駛人員之手。這樣即可自動開啟駕駛人員衣袋中的遙控器和車上防盜控制系統之間的加密通信。認證通過后,駕駛人員獲準進入車內并駕車離去,從而無需從口袋中掏出鑰匙來啟動車輛(見圖 4)。

      圖 4:無源無匙進入系統使用的電容式觸摸感應器

      對靠近中央控制臺的方向進行接近型探測:汽車中央控制臺的電容式接近感應器可以根據人手靠近的方向和距離實現多種定制功能。這樣,中央控制臺可以根據駕駛人員或者乘客是否靠近中央控制臺(見圖 5)調整或者改變其響應。

      圖 5:根據靠近的方向控制中央控制臺功能

      車內照明控制:電容接近感應技術還是實現各種車內和車外汽車系統距離感應照明控制的有效方式。這種系統的例子包括接近型車廂照明;照明強度隨手靠近的距離而變化的接近型門手把背光照明;以及通過 LIN 界面實現的觸摸/接近頂燈照明等。結合了電容觸摸感應功能、LIN 通信支持功能、LED 調光功能的 IC 可使得在一個芯片上實現所有上述應用。

      電容觸摸感應器型開關:由于一 流的美感、靈活性和可靠性,觸摸按鈕正逐漸大行其道,并有取代機械開關和按鈕之勢。新興的應用借助電容觸摸按鈕控制車上的各項機械功能,如操控天窗、車窗、門鎖、后視鏡和遙控器。電容觸摸技術在打開后背箱等外部功能也能夠發揮高效、防水的作用。由于 LIN/CAN 通信協議的面世,許多這類應用正得到進一步的推廣。

      液面感應:除了感應人體,電容感應技術還可以用于測量液體情況,比如探測燃油、制動液和冷卻液高度等。

      從實現“更酷”的信息娛樂系統,到提供可靠的液面測量方法,電容感應均被認為是汽車應用中廣受青睞、用途廣泛的感應技術。通過結合使用管理 LCD 的功能和通過 LIN 和 CAN 界面向系統模塊傳輸控制數據的功能,開發人員可以開發出單芯片實施方案,從而簡化設計、降低成本。

      目前,電容感應技術的潛力因專用于汽車行業的下一代混合信號控制器的問世而逐漸得以釋放出來。隨著人們對這些系統的需求日益增多,設計人員將能夠利用電容感應為各種各樣的應用提供有效的界面技術。

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