汽車電容觸摸感應(yīng)技術(shù)解析

電容觸摸感應(yīng)技術(shù)一直都是一種設(shè)計差異化技術(shù)，旨在用于設(shè)計極其美感的汽車信息娛樂系統(tǒng)。當(dāng)器件足以集成汽車特定功能時，工程師即開始運(yùn)用電容感應(yīng)技術(shù)開發(fā)超越信息娛樂應(yīng)用的更新型應(yīng)用，以求簡化和改進(jìn)車輛中的各種用戶界面。搭配使用接近感應(yīng)功能和汽車專用功能(比如 LIN 和 CAN 等標(biāo)準(zhǔn)網(wǎng)絡(luò)協(xié)議)后，電容觸摸感應(yīng)技術(shù)已經(jīng)成為汽車設(shè)計中的主流技術(shù)。

一個世紀(jì)以來，汽車已經(jīng)從各種機(jī)械零部件的大雜燴變成了高效、非常舒適且更加安全的機(jī)器。這場革命主要是由汽車中使用的電子設(shè)備數(shù)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?cè)藛T和控制系統(tǒng)的互動，還是乘客與娛樂系統(tǒng)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(tǒng)提供反饋的系統(tǒng)，都被稱為汽車人機(jī)界面 (HMI) 系統(tǒng)。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(tǒng)提供輸入時)，也可能是下意識的(比如當(dāng)系統(tǒng)在駕駛?cè)藛T未察覺的情況下測量駕駛?cè)藛T的意圖的時候)。此外，隨著汽車中各種系統(tǒng)日趨復(fù)雜，這就需要系統(tǒng)具備更好的響應(yīng)能力并意識到人們的互動。

電容感應(yīng)——引發(fā)汽車 HMI 革命

工程師一直想改進(jìn) HMI 系統(tǒng)，讓它們更加直觀、外觀“更酷”，精度更高。電容感應(yīng)技術(shù)是目前這場變革的核心。它讓 HMI 應(yīng)用的設(shè)計和實施發(fā)生了革命性的變化。

簡單來講，電容式感應(yīng)器是由一對相鄰的電極構(gòu)成的。當(dāng)人(或者其他導(dǎo)體)接近電極，電極和導(dǎo)體之間的電容就會增加。通過測量這個電容，就可以感應(yīng)到導(dǎo)體的存在。能夠感應(yīng)物體存在的能力是創(chuàng)建各式各樣觸摸感應(yīng)器的基礎(chǔ)。這些感應(yīng)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(yīng)技術(shù)還可以用于接近感應(yīng)，其中感應(yīng)器和用戶的身體之間沒有接觸。這可通過增強(qiáng)感應(yīng)器的靈敏度來實現(xiàn)。另外，由于這種感應(yīng)器不受視野限制，單個感應(yīng)器就可以感應(yīng)物體在三維空間中的靠近方向。

這種技術(shù)如果配合可編程混合信號控制器使用，則能夠發(fā)揮出更為強(qiáng)大的功能?？删幊唐骷軌蛑悄軠y量電容，進(jìn)而實現(xiàn)對人體接近的多項指標(biāo)進(jìn)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(jī)控制和 LED 驅(qū)動等其他功能，從而為用戶提供觸摸/接近反饋(見下)?？删幊唐骷€可以讓開發(fā)人員通過定義最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(jìn)而大幅度提高性能。

電容感應(yīng)——成熟的技術(shù)

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

電容觸摸感應(yīng)技術(shù)還可配合機(jī)械按鈕，實現(xiàn)性能更強(qiáng)的混合型按鈕(見圖 1)，對接近/觸摸(比如功能預(yù)覽)和實際按下按鈕(比如功能啟用)都能做出響應(yīng)，詳見下圖。

圖 1：混合型觸摸技術(shù)實施方案

這些應(yīng)用還可以通過使用電容感應(yīng)型接近感應(yīng)器得到進(jìn)一步的強(qiáng)化。例如，可以根據(jù)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(yīng)技術(shù)進(jìn)入汽車應(yīng)用的因素

隨著電容感應(yīng)技術(shù)日趨成熟，電子設(shè)計工程師正在汽車上為其尋找創(chuàng)新性的全新用途。共有兩大因素推動在這項技術(shù)進(jìn)入汽車領(lǐng)域：一、對汽車專用通信協(xié)議的支持;二、穩(wěn)健 IC 技術(shù)的問世。

觸摸感應(yīng)控制器已經(jīng)開始支持 LIN 和 CAN 等汽車專用通信協(xié)議。隨著對觸摸板和系統(tǒng) ECU(見圖 3)之間的分布式架構(gòu)的需求日漸增加，觸摸感應(yīng)控制器對 CAN 和 LIN 的支持使得系統(tǒng)設(shè)計人員能夠盡量壓縮所需的外部元器件數(shù)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(wǎng)絡(luò)總線上實施的功能得以輕松移植到觸摸感應(yīng)控制器上。

日漸豐富的成熟、穩(wěn)健 IC 搭配電容感應(yīng)技術(shù)，使半導(dǎo)體公司能夠制造出掃描速度更快、抗噪性更強(qiáng)、功耗更低的新器件，加之經(jīng)驗不斷豐富的應(yīng)用設(shè)計隊伍，將大力推動電容感應(yīng)技術(shù)不斷向更新的應(yīng)用領(lǐng)域拓展。部分此類創(chuàng)新應(yīng)用包括：

電容感應(yīng)無源無匙進(jìn)入系統(tǒng)：無源無匙進(jìn)入系統(tǒng)已存在相當(dāng)長的一段時間了。近期，電容感應(yīng)已開始用于探測逐漸接近的駕駛?cè)藛T之手。這樣即可自動開啟駕駛?cè)藛T衣袋中的遙控器和車上防盜控制系統(tǒng)之間的加密通信。認(rèn)證通過后，駕駛?cè)藛T獲準(zhǔn)進(jìn)入車內(nèi)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(jìn)入系統(tǒng)使用的電容式觸摸感應(yīng)器

對靠近中央控制臺的方向進(jìn)行接近型探測：汽車中央控制臺的電容式接近感應(yīng)器可以根據(jù)人手靠近的方向和距離實現(xiàn)多種定制功能。這樣，中央控制臺可以根據(jù)駕駛?cè)藛T或者乘客是否靠近中央控制臺(見圖 5)調(diào)整或者改變其響應(yīng)。

圖 5：根據(jù)靠近的方向控制中央控制臺功能

車內(nèi)照明控制：電容接近感應(yīng)技術(shù)還是實現(xiàn)各種車內(nèi)和車外汽車系統(tǒng)距離感應(yīng)照明控制的有效方式。這種系統(tǒng)的例子包括接近型車廂照明;照明強(qiáng)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(xiàn)的觸摸/接近頂燈照明等。結(jié)合了電容觸摸感應(yīng)功能、LIN 通信支持功能、LED 調(diào)光功能的 IC 可使得在一個芯片上實現(xiàn)所有上述應(yīng)用。

電容觸摸感應(yīng)器型開關(guān)：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(jī)械開關(guān)和按鈕之勢。新興的應(yīng)用借助電容觸摸按鈕控制車上的各項機(jī)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(shù)在打開后背箱等外部功能也能夠發(fā)揮高效、防水的作用。由于 LIN/CAN 通信協(xié)議的面世，許多這類應(yīng)用正得到進(jìn)一步的推廣。

液面感應(yīng)：除了感應(yīng)人體，電容感應(yīng)技術(shù)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(xiàn)“更酷”的信息娛樂系統(tǒng)，到提供可靠的液面測量方法，電容感應(yīng)均被認(rèn)為是汽車應(yīng)用中廣受青睞、用途廣泛的感應(yīng)技術(shù)。通過結(jié)合使用管理 LCD 的功能和通過 LIN 和 CAN 界面向系統(tǒng)模塊傳輸控制數(shù)據(jù)的功能，開發(fā)人員可以開發(fā)出單芯片實施方案，從而簡化設(shè)計、降低成本。

目前，電容感應(yīng)技術(shù)的潛力因?qū)Ｓ糜谄囆袠I(yè)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(tǒng)的需求日益增多，設(shè)計人員將能夠利用電容感應(yīng)為各種各樣的應(yīng)用提供有效的界面技術(shù)。