在汽車應(yīng)用中實(shí)現(xiàn)電容式接近感應(yīng)
2020/4/10 0:33:08??????點(diǎn)擊：
免觸控用戶界面已經(jīng)成為汽車設(shè)計(jì)工程師的新趨勢(shì)。有多種方法可以實(shí)現(xiàn)此功能，其中之一是采用接近感應(yīng)。接近感應(yīng)是沒有接觸、在一定的距離檢測(cè)人體或金屬等物體的技術(shù)。可以采用紅外線（IR）、光學(xué)、超聲波和電容式感應(yīng)實(shí)現(xiàn)接近感應(yīng)。這些技術(shù)各有利弊，因此選擇正確的技術(shù)取決于您的具體應(yīng)用。
電容式接近感應(yīng)由于眾多內(nèi)在優(yōu)勢(shì)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?cè)诒疚闹袑⑻接懭绾螌?shí)現(xiàn)電容式接近感應(yīng)、其優(yōu)勢(shì)以及其不同特性如何適合于汽車應(yīng)用。文章最后則會(huì)舉例說明如何在汽車信息娛樂系統(tǒng)中實(shí)現(xiàn)電容式接近感應(yīng)解決方案。
人機(jī)界面接近應(yīng)用
目前，汽車OEM廠商正在針對(duì)多種應(yīng)用評(píng)估電容式接近感應(yīng)解決方案。較常用的應(yīng)用包括：
● 信息娛樂系統(tǒng)：適用于音頻面板、導(dǎo)航系統(tǒng)和HVAC面板的接近式喚醒應(yīng)用；例如，當(dāng)手部接近系統(tǒng)時(shí)開啟音頻面板照明。
● 3D手勢(shì)：電容式接近感應(yīng)還可以用于支持3D手勢(shì)，如：滾動(dòng)或側(cè)滑。
● 無鑰匙進(jìn)入系統(tǒng)：通過檢測(cè)手部接近門把手而啟動(dòng)汽車解鎖程序。
● 內(nèi)部照明控制：切換車輛內(nèi)部照明；例如，手套箱或門燈的開關(guān)。
電容式接近感應(yīng)
電容式接近傳感器通常是位于PCB上、經(jīng)過調(diào)校能夠在沒有任何物理接觸情況下檢測(cè)附近物體存在的銅線。此方法原理與電容式按鍵感應(yīng)相同，即：根據(jù)手部觸摸傳感器/按鍵時(shí)的電容變化。觸摸感應(yīng)和接近感應(yīng)的區(qū)別是傳感器被調(diào)校到更高的靈敏度，而且相關(guān)布局的設(shè)計(jì)能夠最大化電場(chǎng)傳播。此外，固件濾波還可實(shí)現(xiàn)用于確保可靠性，同時(shí)在固件中實(shí)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(gè)典型的電容式接近傳感器系統(tǒng)：
電容式接近感應(yīng)的優(yōu)勢(shì)
電容式接近感應(yīng)優(yōu)于其它技術(shù)的主要原因之一是能夠?qū)崿F(xiàn)的集成度水平。電容式接近感應(yīng)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(dòng)機(jī)械部件的更復(fù)雜系統(tǒng)相比，這些功能不但易于實(shí)現(xiàn)，而且時(shí)尚美觀。
另一個(gè)主要優(yōu)勢(shì)是其成本低于競(jìng)爭(zhēng)技術(shù)，因?yàn)樗恍枰獣?huì)增加系統(tǒng)成本的任何LED或傳感器。
此技術(shù)的優(yōu)勢(shì)包括：
改進(jìn)工業(yè)設(shè)計(jì) – 通過替代機(jī)械按鍵、開關(guān)和滑條，此技術(shù)時(shí)尚美觀而又整潔。另外，由于消除機(jī)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(qiáng)功能性 – 它可以為產(chǎn)品設(shè)計(jì)人員提供更高的用戶界面設(shè)計(jì)靈活性，而且支持“接近式喚醒”等高級(jí)功能。
提高可用性 – 電容式接近感應(yīng)可以簡(jiǎn)化大部分機(jī)械控制界面的設(shè)計(jì)，從而使系統(tǒng)變得更加易于使用。
應(yīng)用示例
現(xiàn)在我們來看一下采用賽普拉斯CapSense接近感應(yīng)解決方案能夠?qū)崿F(xiàn)的具體解決方案實(shí)例。本例是基于“接近式喚醒”功能。最終應(yīng)用是汽車信息娛樂系統(tǒng)中的典型觸摸屏。
要求在司機(jī)手指或手部接近時(shí)啟動(dòng)顯示屏照明。此功能的優(yōu)勢(shì)是在不使用時(shí)關(guān)閉顯示屏和/或用戶界面，以免在駕駛過程中干擾司機(jī)，同時(shí)要求在手部接近時(shí)開啟照明。
為了實(shí)現(xiàn)最佳體驗(yàn)，需要至少4~5厘米的檢測(cè)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(jī)械設(shè)計(jì)應(yīng)當(dāng)能夠避免鄰近電纜或?qū)щ娖聊划a(chǎn)生的噪聲干擾。如前所述，傳感器實(shí)現(xiàn)方案應(yīng)當(dāng)嚴(yán)格遵守控制器供應(yīng)商指定的指導(dǎo)原則。
圖2：汽車信息娛樂系統(tǒng)中的接近式喚醒功能實(shí)現(xiàn)
另一個(gè)要求是在系統(tǒng)中支持3D手勢(shì)，其允許司機(jī)在不實(shí)際觸摸屏幕的情況下使用基本功能。3D手勢(shì)包括水平/垂直的空中滑動(dòng)或者根據(jù)手部與界面之間距離的檢測(cè)。同時(shí)采用兩個(gè)或更多電容式接近傳感器可以實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單的空間手勢(shì)，如：檢測(cè)手部在設(shè)備前面的揮動(dòng)。此外，接近感應(yīng)還可用于在汽車顯示屏上啟動(dòng)菜單及常用功能，它們?cè)诓挥脮r(shí)會(huì)關(guān)閉。這些菜單如果一直顯示會(huì)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(fù)雜性。
未來的許多汽車信息娛樂系統(tǒng)都會(huì)采用電容式觸摸屏以及電容式接近感應(yīng)。這種架構(gòu)涉及用于觸摸屏的觸摸控制器和用于接近檢測(cè)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(shí)現(xiàn)同步。根據(jù)具體的最終系統(tǒng)，另外還可能實(shí)現(xiàn)同時(shí)的接近與觸摸掃描。
汽車環(huán)境給系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員帶來眾多挑戰(zhàn)，如：極端溫度、噪聲狀況以及對(duì)質(zhì)量與可靠性的更高預(yù)期。汽車控制器可以提供5厘米乃至更遠(yuǎn)的接近感應(yīng)。這些控制器具有被稱為CSD PLUS的穩(wěn)健型電容式感應(yīng)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。
電容式接近傳感器可以采用多種方法實(shí)現(xiàn)。具體實(shí)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(shí)現(xiàn)的接近傳感器的靈敏度遠(yuǎn)高于普通的電容式觸摸感應(yīng)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(cè)依賴電場(chǎng)變化產(chǎn)生的電容變化，因此所有影響到線路周圍電場(chǎng)的分布電容或物體都會(huì)影響到接近傳感器的范圍。考慮到生產(chǎn)成本和復(fù)雜性，采用線傳感器并非大量生產(chǎn)的最佳解決方案。
PCB跡線用作接近傳感器 – 較長(zhǎng)的PCB跡線可以構(gòu)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(chǎn)，但是靈敏度低于線傳感器。
聯(lián)動(dòng)按鍵用作接近傳感器 – 多個(gè)傳感器焊盤在固件中組合在一起構(gòu)成單個(gè)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(yīng)用中都可以實(shí)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(shè)計(jì)中另一個(gè)流行趨勢(shì)是接近感應(yīng)與觸摸屏界面的組合。此時(shí)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。
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