電容感應-引領汽車人機界面設計的革命

        隨著人和汽車各個系統(tǒng)之間的信息交互日益頻繁和重要，汽車人機界面(HMI)也經歷了一個轉折，正把用戶體驗向前邁進到了一個全新的水平。

        本文將重點介紹電容式感應在人機界面發(fā)展過程中的重要性，它使簡單的機械按鈕發(fā)展到了更先進的系統(tǒng)。這篇文章中所涉及的主題包括：電容式人機界面技術介紹，由于電容式觸摸感應帶來的設計方法的改變和應用的發(fā)展。

簡介

        汽車里越來越多的電子系統(tǒng)已經迎來了一場革命，它把汽車變成了安全、豪華、智能的機器。然而，有一個方面是不變的，就是人和車之間的交互仍舊很重要。這種交互可以定義為用戶體驗，它是不同車輛市場差異的一個關鍵所在。

        系統(tǒng)監(jiān)測和跟蹤用戶交互，以及提供反饋信息統(tǒng)稱為汽車人機界面(HMI)系統(tǒng)。從用戶的角度來看，這些交互也許是有意識的(當乘客特意輸入到系統(tǒng))或潛意識的(當系統(tǒng)檢測到他的意圖，但他自己沒有意識到)。

電容式感應——開啟了汽車人機界面的一場革命

        盡管在在汽車環(huán)境新的人機界面技術存在著固有的困難，工程師仍在不斷的嘗試來改進HMI系統(tǒng)，使它們更直觀，外觀更酷，也更準確。這種改變的核心是創(chuàng)新的人機交互感應技術，也正是這種技術促進了HMI的發(fā)展。這種技術就是電容式感應，它使HMI的設計和具體實施都有了革命性的變化。

        簡單來說，一個電容式傳感器是由一對相鄰電極構成的。

        當一個人(或任何其他導體)接近電極，電極之間就會產生額外的電容，就可以檢測到目標的存在了。

 
                                                                                     電容式傳感器

        使用這項技術，它可以很容易地設計觸摸傳感器作為按鈕、滑條、觸摸板等。

        電容式感應也可用于接近感應，傳感器和使用者身體不需要接觸?？梢酝ㄟ^增加傳感器的靈敏度來實現(xiàn)。并且，這種傳感器是不受視線約束的，一個傳感器就能夠在3維空間內檢測到目標的接近。

        這種技術結合可編程混合信號控制器后就顯得更為強大了。這些器件使得電容測量可以智能地檢測到人接近的范圍、方向，手勢識別等。這也使得結合其他功能成為可能，如控制電機和LED, 采用觸摸/接近方式給用戶提供及時反饋。

        一個完全可編程器件同時也顯著增加了附加值：可編程靈敏度閾值可以提高性能，可調的掃描速度可以減少電流消耗并提高噪聲免疫力，。

電容感應使娛樂功能HMI增強
    
 在信息娛樂系統(tǒng)中，電容感應觸摸按鈕越來越多地用來取代機械按鈕。

下圖說明了使用可編程混合信號控制器來實現(xiàn)智能電容式感應的結構。



 
一些在中控臺使用電容感應的應用如下圖所示

 
                                                                                                                              
導航系統(tǒng)中的電容式觸摸應用
 


汽車音響中的電容式觸摸應用

 

空調暖風控制的電容式觸摸按鈕
 
電容式觸摸感應也可以結合機械按鈕來提供增強的混合按鈕，可以分別響應不同的方式，觸摸(例如，預覽功能)和物理按壓按鈕(例如，啟動功能)，如圖所示。

                               
混合觸摸技術實現(xiàn)方式

        這些應用還可以通過使用電容式接近傳感器來進一步增強，在哪里使用取決于用戶，例如附加功能為背光控制。
 

 


基于接近傳感的汽車音響背光控制

        電容式觸摸屏--觸摸屏對汽車中控臺的附加價值很大。他們不僅對用戶界面有了很好的改觀，并且它還起到了把多種控制集成到一個系統(tǒng)的作用。傳統(tǒng)的觸摸屏一直依賴于用戶的機械按壓來改變電阻值，從而檢測到觸摸。這種觸摸屏，稱之為電阻式觸摸屏，事實上它的作用是有限的，某個時間他們只能識別到一個手指觸摸，并且，其精確度也會隨時間而變差。電容式觸摸屏可以做到多個手指識別手勢，并且透光性好，靈敏度高，越來越成為觸摸屏技術的最佳選擇。在車里采用這種觸摸屏可以使設計更有個性，從而可以改進用戶界面。觸摸屏多用途的例子如下圖所示，它可以控制空調、音響/視頻和導航系統(tǒng)。
 

中控臺設計模式

        堆砌式設計模式：中控臺的傳統(tǒng)設計方式為堆砌式設計。在這種模式中，每個中控臺組件都是由控制/開關面板以及實際機電盒子組成的完整單元。

        例如，一個中控臺是由許多獨立部件組成的(包括空調，音響和導航系統(tǒng))。每個單元都是一個完整的系統(tǒng)，包含控制，電子元件和機械部件等等。

        這種設計的局限性是每一個系統(tǒng)開發(fā)都是獨立的，汽車制造商在提供統(tǒng)一的外觀和感覺方面受到限制。同樣地，設計者也只有有限的自由，設計中控臺造型時會受到各種各樣的限制。當需要額外的開槽時，模具加工成本也會增加。由于機械部件數(shù)量的上升，也會存在著更多的失敗風險。

        集成式設計模式：在集成式設計模式中，中控臺的所有控制元素統(tǒng)一成單一的前面板，它與實際機電系統(tǒng)通過一個數(shù)據(jù)總線連接?？刂泼姘宓姆植己图惺沟萌藱C界面設計者造型設計更靈活，同時統(tǒng)一外觀和感覺方面更容易控制。這種設計也可以降低模具費用并可以提高可靠性。由于這種設計整體集成并減少控制組件，所以系統(tǒng)的總成本也會減少。

        由于電容式觸摸感應的應用，這種集成式設計將會流行。設計者可以使用電容式傳感器整合一個面板，有更大的自由使用曲線設計，從而可以提供整體造型更好的前面板。由于減少了機械部件和開槽（還容易沾上灰塵）的數(shù)量，這種設計也能提高可靠性并降低系統(tǒng)成本。

                     
應用還會持續(xù)增加

        由于電容式觸摸感應技術日益成熟，電子設計工程師正在汽車環(huán)境里尋找有趣的新應用。
這種技術能使在汽車領域的應用不斷增長，有兩個主要因素：

1. 電容感應控制器已經開始支持汽車專用通訊協(xié)議，例如LIN和CAN。這種整合的方式使許多其他功能（這些通常由網絡總線實現(xiàn)）能夠很容易地移植到觸摸感應傳感器。

2. 電容感應在觸摸領域的使用日益增加，例如汽車和工控面板。這歸因于成熟的魯棒性的IC和半導體公司開始生產出更快掃描速率、更好的抗噪能力、更低功耗的新產品。同時這一領域的經驗豐富的應用工程師日益增加，這也是電容式感應技術擴展新應用領域的一個強大催化劑。

其中的一些創(chuàng)新應用如下：

人機交互傳感器

電容感應式免鑰匙進入系統(tǒng)：

         免鑰匙進入系統(tǒng)應用已經有好一段時間了，最近，電容式感應已開始用來檢測司機手的靠近。這會自動發(fā)起司機口袋的遙控鑰匙和車里的鎖止器之間的加密通訊。一旦驗證，該司機就準許進入車里并開車離開，并不需要從他或她的口袋里拿出鑰匙。
 
  

電容式觸摸傳感器在免鑰匙進入系統(tǒng)的應用

 多方向靠近中央控制臺接近監(jiān)測：

        在汽車中央控制臺的電容式接近傳感器可以用來實現(xiàn)多個可定制的特點，可以檢測人手接近的距離、方向。這使得中央控制臺可以適應或改變其響應，這取決于是司機還是乘客正在接近其中控臺。

 
                           功能設置1乘客的手接近激活                  功能設置2司機的手接近激活

                                                           中央儀表盤接近方向控制

室內照明控制：

        電容式接近感應也為汽車系統(tǒng)各種各樣的室內和室外照明提供了一種有效的感光范圍控制方式。現(xiàn)在已經有了這樣的IC：它將電容式觸摸感應、LIN通訊、LED亮度控制功能集成到了一起用單芯片方案來實現(xiàn)這種應用。

例如：
- 接近感應門把手背光照明（還可以根據(jù)手接近的距離控制亮度）
- 接近感應車廂照明
- 觸摸/接近感應車頂照明（通過LIN接口）

 
                                           接近感應車頂照明


電容式觸摸感應開關
開關：

        觸摸按鈕越來越流行，它將取代機械開關和按鈕，這是由于其美觀、靈活性和可靠性。
下文會講到一些例子。這類應用越來越廣泛，因為它支持LIN/CAN通信協(xié)議。

 

                                                                                   電容式觸摸開關

  
                                                                                   后備箱電容式觸摸釋放開關

電容式觸摸按鈕也可以為汽車進入系統(tǒng)提供一個高效的、防水數(shù)字鎖解決方案。如下圖所示：

 
                                                  電容式觸摸數(shù)字鎖系統(tǒng)

液位傳感器：

        除了檢測人的存在，電容式感應還可以用來進行液體的存在。這種檢測液面水平的應用可以用于燃料、制動液、冷卻液液面檢測。

 
結論

        從最初的使信息娛樂系統(tǒng)更酷，到后來的為液面測量提供了可靠的方法，事實證明：電容式感應是汽車應用中一種非常受歡迎的和有用的傳感技術。隨著下一代專門用于汽車工業(yè)設計的混合信號控制器的到來，電容感應的潛力才剛剛被發(fā)掘。當系統(tǒng)繼續(xù)變得更加苛求，設計者們終將發(fā)現(xiàn)，電容式感應會為廣大領域的應用提供一個有效的感應技術。