在汽車應用中實現(xiàn)電容式接近感應

免觸控用戶界面已經成為汽車設計工程師的新趨勢。有多種方法可以實現(xiàn)此功能，其中之一是采用接近感應。接近感應是沒有接觸、在一定的距離檢測人體或金屬等物體的技術?？梢圆捎眉t外線(IR)、光學、超聲波和電容式感應實現(xiàn)接近感應。這些技術各有利弊，因此選擇正確的技術取決于您的具體應用。

電容式接近感應由于眾多內在優(yōu)勢而變得日益流行，如：低功耗、低成本以及能夠集成其它用戶界面功能，如：采用相同傳感器的觸摸按鍵與滑條。

我們在本文中將探討如何實現(xiàn)電容式接近感應、其優(yōu)勢以及其不同特性如何適合于汽車應用。文章最后則會舉例說明如何在汽車信息娛樂系統(tǒng)中實現(xiàn)電容式接近感應解決方案。

人機界面接近應用

目前，汽車OEM廠商正在針對多種應用評估電容式接近感應解決方案。較常用的應用包括：

● 信息娛樂系統(tǒng)：適用于音頻面板、導航系統(tǒng)和HVAC面板的接近式喚醒應用;例如，當手部接近系統(tǒng)時開啟音頻面板照明。

● 3D手勢：電容式接近感應還可以用于支持3D手勢，如：滾動或側滑。

● 無鑰匙進入系統(tǒng)：通過檢測手部接近門把手而啟動汽車解鎖程序。

● 內部照明控制：切換車輛內部照明;例如，手套箱或門燈的開關。

電容式接近感應

電容式接近傳感器通常是位于PCB上、經過調校能夠在沒有任何物理接觸情況下檢測附近物體存在的銅線。此方法原理與電容式按鍵感應相同，即：根據手部觸摸傳感器/按鍵時的電容變化。觸摸感應和接近感應的區(qū)別是傳感器被調校到更高的靈敏度，而且相關布局的設計能夠最大化電場傳播。此外，固件濾波還可實現(xiàn)用于確保可靠性，同時在固件中實現(xiàn)決策算法能夠消除誤判的接近事件。

圖1:此圖說明了一個典型的電容式接近傳感器系統(tǒng)

電容式接近傳感器可以采用多種方法實現(xiàn)。具體實現(xiàn)方案包括：

按鍵 - 帶大寄生電容的電容式按鍵可以用作接近傳感器。以按鍵方式實現(xiàn)的接近傳感器的靈敏度遠高于普通的電容式觸摸感應按鍵。

外部線路用作接近傳感器 - 單條線路可以很好地起到接近傳感器的作用。由于手部檢測依賴電場變化產生的電容變化，因此所有影響到線路周圍電場的分布電容或物體都會影響到接近傳感器的范圍?？紤]到生產成本和復雜性，采用線傳感器并非大量生產的最佳解決方案。

PCB跡線用作接近傳感器 - 較長的PCB跡線可以構成接近傳感器。跡線可以是直線，也可以圍繞在系統(tǒng)的用戶界面四周。此方法適用于大量生產，但是靈敏度低于線傳感器。

聯(lián)動按鍵用作接近傳感器 - 多個傳感器焊盤在固件中組合在一起構成單個接近傳感器，以提供更高的靈敏度。

柔性PCB - 柔性印刷電路板跡線也可以用作接近傳感器。

上述這些方案并非在每種應用中都可以實現(xiàn)。一般而言，合適的接近傳感器選擇主要取決于布局要求。

汽車設計中另一個流行趨勢是接近感應與觸摸屏界面的組合。此時接近傳感器是圍繞觸摸屏四周的天線。其控制可以采用與控制用戶界面相同的電容式觸摸屏控制器。

電容式接近感應的優(yōu)勢

電容式接近感應優(yōu)于其它技術的主要原因之一是能夠實現(xiàn)的集成度水平。電容式接近感應解決方案基本上可以集成諸如觸摸按鍵和滑條等用戶界面功能。與采用移動機械部件的更復雜系統(tǒng)相比，這些功能不但易于實現(xiàn)，而且時尚美觀。

另一個主要優(yōu)勢是其成本低于競爭技術，因為它不需要會增加系統(tǒng)成本的任何LED或傳感器。

此技術的優(yōu)勢包括：

改進工業(yè)設計 - 通過替代機械按鍵、開關和滑條，此技術時尚美觀而又整潔。另外，由于消除機械磨損，因此它還能夠提高可靠性，從而降低整體系統(tǒng)成本。

增強功能性 - 它可以為產品設計人員提供更高的用戶界面設計靈活性，而且支持“接近式喚醒”等高級功能。

提高可用性 - 電容式接近感應可以簡化大部分機械控制界面的設計，從而使系統(tǒng)變得更加易于使用。

應用示例

現(xiàn)在我們來看一下采用賽普拉斯CapSense接近感應解決方案能夠實現(xiàn)的具體解決方案實例。本例是基于“接近式喚醒”功能。最終應用是汽車信息娛樂系統(tǒng)中的典型觸摸屏。

要求在司機手指或手部接近時啟動顯示屏照明。此功能的優(yōu)勢是在不使用時關閉顯示屏和/或用戶界面，以免在駕駛過程中干擾司機，同時要求在手部接近時開啟照明。

為了實現(xiàn)最佳體驗，需要至少4~5厘米的檢測距離。另外還需要附加決策算法，以防止誤判的觸發(fā)。由于靈敏度高，因此噪聲干擾有可能影響接近傳感器的正常操作。PCB的電氣與機械設計應當能夠避免鄰近電纜或導電屏幕產生的噪聲干擾。如前所述，傳感器實現(xiàn)方案應當嚴格遵守控制器供應商指定的指導原則。

圖2:汽車信息娛樂系統(tǒng)中的接近式喚醒功能實現(xiàn)

另一個要求是在系統(tǒng)中支持3D手勢，其允許司機在不實際觸摸屏幕的情況下使用基本功能。3D手勢包括水平/垂直的空中滑動或者根據手部與界面之間距離的檢測。同時采用兩個或更多電容式接近傳感器可以實現(xiàn)簡單的空間手勢，如：檢測手部在設備前面的揮動。此外，接近感應還可用于在汽車顯示屏上啟動菜單及常用功能，它們在不用時會關閉。這些菜單如果一直顯示會讓屏幕顯得很亂，而接近傳感器可以用于降低用戶完成選擇后圖形用戶界面的復雜性。

未來的許多汽車信息娛樂系統(tǒng)都會采用電容式觸摸屏以及電容式接近感應。這種架構涉及用于觸摸屏的觸摸控制器和用于接近檢測的CapSense控制器。另外這兩種控制器還需要能夠相互通信，以便于實現(xiàn)同步。根據具體的最終系統(tǒng)，另外還可能實現(xiàn)同時的接近與觸摸掃描。

汽車環(huán)境給系統(tǒng)設計人員帶來眾多挑戰(zhàn)，如：極端溫度、噪聲狀況以及對質量與可靠性的更高預期。汽車控制器可以提供5厘米乃至更遠的接近感應。這些控制器具有被稱為CSD PLUS的穩(wěn)健型電容式感應算法，其能夠抵抗EMC噪聲與電源電壓變化。另外其還能夠提供其它用戶界面功能，如：觸摸按鍵和滑條，從而能夠在單芯片解決方案中集成所有功能。此類控制器還能夠通過LED和蜂鳴器提供音頻/可視反饋。

圖3:汽車信息娛樂面板中HMI系統(tǒng)的系統(tǒng)級方框圖