原创 汽车电容触摸感应技术解析

 电容触摸感应技术一直都是一种设计差异化技术，旨在用于设计极其美感的汽车信息娱乐系统。当器件足以集成汽车特定功能时，工程师即开始运用电容感应技术开发超越信息娱乐应用的更新型应用，以求简化和改进车辆中的各种用户界面。搭配使用接近感应功能和汽车专用功能（比如 LIN 和 CAN 等标准网络协议）后，电容触摸感应技术已经成为汽车设计中的主流技术。
　　一个世纪以来，汽车已经从各种机械零部件的大杂烩变成了高效、非常舒适且更加安全的机器。这场革命主要是由汽车中使用的电子设备数量大幅度增加所带来的。不过有一样是不变的，那就是用户的满意度一直取决于人们和汽车的互动是否方便与有效。不管是驾驶人员和控制系统的互动，还是乘客与娱乐系统的互动，拥有汽车的乐趣仍然源于这种互动。
　　测量和跟踪用户的互动并为主控系统提供反馈的系统，都被称为汽车人机界面 (HMI) 系统。从用户的角度来说，这些互动可能是有意识的（比如乘客主动向系统提供输入时），也可能是下意识的（比如当系统在驾驶人员未察觉的情况下测量驾驶人员的意图的时候）。此外，随着汽车中各种系统日趋复杂，这就需要系统具备更好的响应能力并意识到人们的互动。
　　电容感应——引发汽车 HMI 革命
　　工程师一直想改进 HMI 系统，让它们更加直观、外观“更酷”，精度更高。电容感应技术是目前这场变革的核心。它让 HMI 应用的设计和实施发生了革命性的变化。
　　简单来讲，电容式感应器是由一对相邻的电极构成的。当人（或者其他导体）接近电极，电极和导体之间的电容就会增加。通过测量这个电容，就可以感应到导体的存在。能够感应物体存在的能力是创建各式各样触摸感应器的基础。这些感应器可用作按钮、滑条、触控板和其他常见的界面组件等。
　　此外，电容式感应技术还可以用于接近感应，其中感应器和用户的身体之间没有接触。这可通过增强感应器的灵敏度来实现。另外，由于这种感应器不受视野限制，单个感应器就可以感应物体在三维空间中的靠近方向。
　　这种技术如果配合可编程混合信号控制器使用，则能够发挥出更为强大的功能。可编程器件能够智能测量电容，进而实现对人体接近的多项指标进行探测：距离、接近方向、手势识别，等等。采用可编程方法还可以集成电机控制和 LED 驱动等其他功能，从而为用户提供触摸／接近反馈（见下）。可编程器件还可以让开发人员通过定义最佳灵敏度阈值和可变扫描速度等来降低电流消耗、改善抗噪性，进而大幅度提高性能。
　　电容感应——成熟的技术
　　在过去 5 年多的时间里，电容触摸感应技术已广泛应用于汽车信息娱乐系统之中，用触摸感应按钮取代了机械按钮。许多用户已经熟悉了导航系统中的电容触摸控制功能，如功能随菜单激活状态而变化的“固定”按钮、缩放图像的滑条、在需要的时候出现在主显示屏上的控制器等。这些系统控制了车辆上的导航、音频、HVAC 和车辆整体管理等各项功能。
　　电容触摸感应技术还可配合机械按钮，实现性能更强的混合型按钮（见图 1），对接近／触摸（比如功能预览）和实际按下按钮（比如功能启用）都能做出响应，详见下图。

图 1：混合型触摸技术实施方案

　    这些应用还可以通过使用电容感应型接近感应器得到进一步的强化。例如，可以根据用户的接近情况开启背光控制（见图 2）的面板。

 

图 2：接近型汽车音频背光控制

       推动电容感应技术进入汽车应用的因素
　　随着电容感应技术日趋成熟，电子设计工程师正在汽车上为其寻找创新性的全新用途。共有两大因素推动在这项技术进入汽车领域：一、对汽车专用通信协议的支持；二、稳健 IC 技术的问世。
　　触摸感应控制器已经开始支持 LIN 和 CAN 等汽车专用通信协议。随着对触摸板和系统 ECU（见图 3）之间的分布式架构的需求日渐增加，触摸感应控制器对 CAN 和 LIN 的支持使得系统设计人员能够尽量压缩所需的外部元器件数量，同时提升可靠性，降低 BOM 成本。此外，一体化的趋势还使过去在上述网络总线上实施的功能得以轻松移植到触摸感应控制器上。

        日渐丰富的成熟、稳健 IC 搭配电容感应技术，使半导体公司能够制造出扫描速度更快、抗噪性更强、功耗更低的新器件，加之经验不断丰富的应用设计队伍，将大力推动电容感应技术不断向更新的应用领域拓展。部分此类创新应用包括：
　　电容感应无源无匙进入系统：无源无匙进入系统已存在相当长的一段时间了。近期，电容感应已开始用于探测逐渐接近的驾驶人员之手。这样即可自动开启驾驶人员衣袋中的遥控器和车上防盗控制系统之间的加密通信。认证通过后，驾驶人员获准进入车内并驾车离去，从而无需从口袋中掏出钥匙来启动车辆（见图 4）。

 

        对靠近中央控制台的方向进行接近型探测：汽车中央控制台的电容式接近感应器可以根据人手靠近的方向和距离实现多种定制功能。这样，中央控制台可以根据驾驶人员或者乘客是否靠近中央控制台（见图 5）调整或者改变其响应。

 

图 5：根据靠近的方向控制中央控制台功能

        车内照明控制：电容接近感应技术还是实现各种车内和车外汽车系统距离感应照明控制的有效方式。这种系统的例子包括接近型车厢照明；照明强度随手靠近的距离而变化的接近型门手把背光照明；以及通过 LIN 界面实现的触摸／接近顶灯照明等。结合了电容触摸感应功能、LIN 通信支持功能、LED 调光功能的 IC 可使得在一个芯片上实现所有上述应用。
　　电容触摸感应器型开关：由于一流的美感、灵活性和可靠性，触摸按钮正逐渐大行其道，并有取代机械开关和按钮之势。新兴的应用借助电容触摸按钮控制车上的各项机械功能，如操控天窗、车窗、门锁、后视镜和遥控器。电容触摸技术在打开后背箱等外部功能也能够发挥高效、防水的作用。由于 LIN/CAN 通信协议的面世，许多这类应用正得到进一步的推广。
　　液面感应：除了感应人体，电容感应技术还可以用于测量液体情况，比如探测燃油、制动液和冷却液高度等。
　　从实现“更酷”的信息娱乐系统，到提供可靠的液面测量方法，电容感应均被认为是汽车应用中广受青睐、用途广泛的感应技术。通过结合使用管理 LCD 的功能和通过 LIN 和 CAN 界面向系统模块传输控制数据的功能，开发人员可以开发出单芯片实施方案，从而简化设计、降低成本。
　　目前，电容感应技术的潜力因专用于汽车行业的下一代混合信号控制器的问世而逐渐得以释放出来。随着人们对这些系统的需求日益增多，设计人员将能够利用电容感应为各种各样的应用提供有效的界面技术。
(本文转自电子工程世界：http://www.eeworld.com.cn/dygl/2012/0421/article_11615.html)