電容感應(yīng)-引領(lǐng)汽車人機(jī)界面設(shè)計(jì)的革命

        隨著人和汽車各個(gè)系統(tǒng)之間的信息交互日益頻繁和重要，汽車人機(jī)界面(HMI)也經(jīng)歷了一個(gè)轉(zhuǎn)折，正把用戶體驗(yàn)向前邁進(jìn)到了一個(gè)全新的水平。

        本文將重點(diǎn)介紹電容式感應(yīng)在人機(jī)界面發(fā)展過程中的重要性，它使簡(jiǎn)單的機(jī)械按鈕發(fā)展到了更先進(jìn)的系統(tǒng)。這篇文章中所涉及的主題包括：電容式人機(jī)界面技術(shù)介紹，由于電容式觸摸感應(yīng)帶來的設(shè)計(jì)方法的改變和應(yīng)用的發(fā)展。

簡(jiǎn)介

        汽車?yán)镌絹碓蕉嗟碾娮酉到y(tǒng)已經(jīng)迎來了一場(chǎng)革命，它把汽車變成了安全、豪華、智能的機(jī)器。然而，有一個(gè)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(yàn)，它是不同車輛市場(chǎng)差異的一個(gè)關(guān)鍵所在。

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

電容式感應(yīng)——開啟了汽車人機(jī)界面的一場(chǎng)革命

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

        簡(jiǎn)單來說，一個(gè)電容式傳感器是由一對(duì)相鄰電極構(gòu)成的。

        當(dāng)一個(gè)人(或任何其他導(dǎo)體)接近電極，電極之間就會(huì)產(chǎn)生額外的電容，就可以檢測(cè)到目標(biāo)的存在了。

 
                                                                                     電容式傳感器

        使用這項(xiàng)技術(shù)，它可以很容易地設(shè)計(jì)觸摸傳感器作為按鈕、滑條、觸摸板等。

        電容式感應(yīng)也可用于接近感應(yīng)，傳感器和使用者身體不需要接觸。可以通過增加傳感器的靈敏度來實(shí)現(xiàn)。并且，這種傳感器是不受視線約束的，一個(gè)傳感器就能夠在3維空間內(nèi)檢測(cè)到目標(biāo)的接近。

        這種技術(shù)結(jié)合可編程混合信號(hào)控制器后就顯得更為強(qiáng)大了。這些器件使得電容測(cè)量可以智能地檢測(cè)到人接近的范圍、方向，手勢(shì)識(shí)別等。這也使得結(jié)合其他功能成為可能，如控制電機(jī)和LED, 采用觸摸/接近方式給用戶提供及時(shí)反饋。

        一個(gè)完全可編程器件同時(shí)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(diào)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(yīng)使娛樂功能HMI增強(qiáng)
    
 在信息娛樂系統(tǒng)中，電容感應(yīng)觸摸按鈕越來越多地用來取代機(jī)械按鈕。

下圖說明了使用可編程混合信號(hào)控制器來實(shí)現(xiàn)智能電容式感應(yīng)的結(jié)構(gòu)。



 
一些在中控臺(tái)使用電容感應(yīng)的應(yīng)用如下圖所示

 
                                                                                                                              
導(dǎo)航系統(tǒng)中的電容式觸摸應(yīng)用
 


汽車音響中的電容式觸摸應(yīng)用

 

空調(diào)暖風(fēng)控制的電容式觸摸按鈕
 
電容式觸摸感應(yīng)也可以結(jié)合機(jī)械按鈕來提供增強(qiáng)的混合按鈕，可以分別響應(yīng)不同的方式，觸摸(例如，預(yù)覽功能)和物理按壓按鈕(例如，啟動(dòng)功能)，如圖所示。

                               
混合觸摸技術(shù)實(shí)現(xiàn)方式

        這些應(yīng)用還可以通過使用電容式接近傳感器來進(jìn)一步增強(qiáng)，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(duì)汽車中控臺(tái)的附加價(jià)值很大。他們不僅對(duì)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(gè)系統(tǒng)的作用。傳統(tǒng)的觸摸屏一直依賴于用戶的機(jī)械按壓來改變電阻值，從而檢測(cè)到觸摸。這種觸摸屏，稱之為電阻式觸摸屏，事實(shí)上它的作用是有限的，某個(gè)時(shí)間他們只能識(shí)別到一個(gè)手指觸摸，并且，其精確度也會(huì)隨時(shí)間而變差。電容式觸摸屏可以做到多個(gè)手指識(shí)別手勢(shì)，并且透光性好，靈敏度高，越來越成為觸摸屏技術(shù)的最佳選擇。在車?yán)锊捎眠@種觸摸屏可以使設(shè)計(jì)更有個(gè)性，從而可以改進(jìn)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(diào)、音響/視頻和導(dǎo)航系統(tǒng)。
 

中控臺(tái)設(shè)計(jì)模式

        堆砌式設(shè)計(jì)模式：中控臺(tái)的傳統(tǒng)設(shè)計(jì)方式為堆砌式設(shè)計(jì)。在這種模式中，每個(gè)中控臺(tái)組件都是由控制/開關(guān)面板以及實(shí)際機(jī)電盒子組成的完整單元。

        例如，一個(gè)中控臺(tái)是由許多獨(dú)立部件組成的(包括空調(diào)，音響和導(dǎo)航系統(tǒng))。每個(gè)單元都是一個(gè)完整的系統(tǒng)，包含控制，電子元件和機(jī)械部件等等。

        這種設(shè)計(jì)的局限性是每一個(gè)系統(tǒng)開發(fā)都是獨(dú)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(shè)計(jì)者也只有有限的自由，設(shè)計(jì)中控臺(tái)造型時(shí)會(huì)受到各種各樣的限制。當(dāng)需要額外的開槽時(shí)，模具加工成本也會(huì)增加。由于機(jī)械部件數(shù)量的上升，也會(huì)存在著更多的失敗風(fēng)險(xiǎn)。

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

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

                     
應(yīng)用還會(huì)持續(xù)增加

        由于電容式觸摸感應(yīng)技術(shù)日益成熟，電子設(shè)計(jì)工程師正在汽車環(huán)境里尋找有趣的新應(yīng)用。
這種技術(shù)能使在汽車領(lǐng)域的應(yīng)用不斷增長(zhǎng)，有兩個(gè)主要因素：

1. 電容感應(yīng)控制器已經(jīng)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(wǎng)絡(luò)總線實(shí)現(xiàn)）能夠很容易地移植到觸摸感應(yīng)傳感器。

2. 電容感應(yīng)在觸摸領(lǐng)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(dǎo)體公司開始生產(chǎn)出更快掃描速率、更好的抗噪能力、更低功耗的新產(chǎn)品。同時(shí)這一領(lǐng)域的經(jīng)驗(yàn)豐富的應(yīng)用工程師日益增加，這也是電容式感應(yīng)技術(shù)擴(kuò)展新應(yīng)用領(lǐng)域的一個(gè)強(qiáng)大催化劑。

其中的一些創(chuàng)新應(yīng)用如下：

人機(jī)交互傳感器

電容感應(yīng)式免鑰匙進(jìn)入系統(tǒng)：

         免鑰匙進(jìn)入系統(tǒng)應(yīng)用已經(jīng)有好一段時(shí)間了，最近，電容式感應(yīng)已開始用來檢測(cè)司機(jī)手的靠近。這會(huì)自動(dòng)發(fā)起司機(jī)口袋的遙控鑰匙和車?yán)锏逆i止器之間的加密通訊。一旦驗(yàn)證，該司機(jī)就準(zhǔn)許進(jìn)入車?yán)锊㈤_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(jìn)入系統(tǒng)的應(yīng)用

 多方向靠近中央控制臺(tái)接近監(jiān)測(cè)：

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

 
                           功能設(shè)置1乘客的手接近激活                  功能設(shè)置2司機(jī)的手接近激活

                                                           中央儀表盤接近方向控制

室內(nèi)照明控制：

        電容式接近感應(yīng)也為汽車系統(tǒng)各種各樣的室內(nèi)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(jīng)有了這樣的IC：它將電容式觸摸感應(yīng)、LIN通訊、LED亮度控制功能集成到了一起用單芯片方案來實(shí)現(xiàn)這種應(yīng)用。

例如：
- 接近感應(yīng)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(yīng)車廂照明
- 觸摸/接近感應(yīng)車頂照明（通過LIN接口）

 
                                           接近感應(yīng)車頂照明


電容式觸摸感應(yīng)開關(guān)
開關(guān)：

        觸摸按鈕越來越流行，它將取代機(jī)械開關(guān)和按鈕，這是由于其美觀、靈活性和可靠性。
下文會(huì)講到一些例子。這類應(yīng)用越來越廣泛，因?yàn)樗С諰IN/CAN通信協(xié)議。

 

                                                                                   電容式觸摸開關(guān)

  
                                                                                   后備箱電容式觸摸釋放開關(guān)

電容式觸摸按鈕也可以為汽車進(jìn)入系統(tǒng)提供一個(gè)高效的、防水?dāng)?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(cè)人的存在，電容式感應(yīng)還可以用來進(jìn)行液體的存在。這種檢測(cè)液面水平的應(yīng)用可以用于燃料、制動(dòng)液、冷卻液液面檢測(cè)。

 
結(jié)論

        從最初的使信息娛樂系統(tǒng)更酷，到后來的為液面測(cè)量提供了可靠的方法，事實(shí)證明：電容式感應(yīng)是汽車應(yīng)用中一種非常受歡迎的和有用的傳感技術(shù)。隨著下一代專門用于汽車工業(yè)設(shè)計(jì)的混合信號(hào)控制器的到來，電容感應(yīng)的潛力才剛剛被發(fā)掘。當(dāng)系統(tǒng)繼續(xù)變得更加苛求，設(shè)計(jì)者們終將發(fā)現(xiàn)，電容式感應(yīng)會(huì)為廣大領(lǐng)域的應(yīng)用提供一個(gè)有效的感應(yīng)技術(shù)。