采用光學(xué)技術(shù)的先進(jìn)汽車人機(jī)界面

在當(dāng)今汽車市場中，無論是豪華車、中檔車，還是低端汽車，都已經(jīng)集成有大量的導(dǎo)航、舒適、娛樂和安全系統(tǒng)。駕乘人員需要能夠快速、輕松地控制這些系統(tǒng)或快速訪問信息，這導(dǎo)致汽車制造商和系統(tǒng)集成商更加關(guān)注實施更智能、更直觀的人機(jī)界面（HMI）。本文將討論光電技術(shù)如何在這些應(yīng)用中發(fā)揮作用。

在車輛中不斷增多的控制功能意味著純粹機(jī)械開關(guān)組成的儀表盤不再是可行的方案，因為司機(jī)/乘客如果需要處理這么多的開關(guān)會導(dǎo)致混亂。從制造商的角度來看，這同樣也有問題，因為傳統(tǒng)的開關(guān)除了占用太多的儀表盤空間和破壞整體美感以外，也不能提供了一個簡單的升級路徑， 使現(xiàn)有的設(shè)計難以再增加新的功能。

購車者在看到被推薦的最新車型時，所需要的是對令人興奮的新特性和功能驚嘆叫絕，他們可以通過中央控制臺單元使用這些功能，同時也期待這些功能與日常生活中所熟悉的用戶體驗旗鼓相當(dāng)。

與許多其他行業(yè)一樣，在汽車中使用觸摸屏技術(shù)變得越來越流行。據(jù)預(yù)測，到2019年，全球每年汽車觸摸屏的銷售量將達(dá)到3,570萬臺。然而，盡管這種技術(shù)能夠提供高度直觀的人機(jī)界面，但是針對汽車艙內(nèi)設(shè)置的特定任務(wù)他們在多大程度上適合，以及是否需要用附加的探測系統(tǒng)來加以補(bǔ)充等還有一些疑問。基于觸摸控制系統(tǒng)的安全問題也經(jīng)常被提出，其結(jié)果是，在實施汽車HMI的特定單元時，有好多替代方法可以考慮。

美國國家公路交通安全管理局（NHTSA）已經(jīng)針對司機(jī)分心的問題進(jìn)行了大量研究，并定義了兩個影響司機(jī)分心的基本組成部分。

1. 按照駕駛員的視覺、認(rèn)知、手動資源，執(zhí)行該任務(wù)所需的關(guān)注量。
2. 司機(jī)駕駛時，如何要完成執(zhí)行此任務(wù)。

汽車制造商聯(lián)盟（The Alliance of Automobile Manufacturers）已經(jīng)設(shè)定了指導(dǎo)性的意見，指出“視覺顯示屏的系統(tǒng)設(shè)計應(yīng)該使駕駛者可以按順序匆匆一看即可完成所需的任務(wù)，此過程要足夠簡短以不足以對駕駛產(chǎn)生不利影響?！彪m然基于觸摸的方法非常適合于平板電腦等便攜式消費電子設(shè)備，但汽車環(huán)境下，某些情況通過操作觸摸顯示器實現(xiàn)某個任務(wù)所需的注意力水平可能太高?？紤]到這一點，領(lǐng)先的汽車品牌都熱衷于提升觸摸控制系統(tǒng)，使駕駛員產(chǎn)生分心的任何風(fēng)險都可以避免。

采用語音識別來完成任務(wù)是一種選項，但是它也有其缺點。雖然語音識別系統(tǒng)在最近幾年已經(jīng)大幅度改善，但錯誤仍然不可避免，這可能導(dǎo)致用戶信心受挫。錯誤發(fā)生的頻繁程度與背景噪聲水平有非常密切的關(guān)系。顯然，車輛內(nèi)部將有一個相當(dāng)高的背景噪聲存在。除此之外，不同地區(qū)的口音以及講話方式的改變也將會產(chǎn)生影響。

光學(xué)技術(shù)可以非常有效地用于補(bǔ)充基于觸摸技術(shù)的人機(jī)界面，也給工程師提供一種技術(shù)途徑來實現(xiàn)完全非觸摸的傳感機(jī)制。此技術(shù)的應(yīng)用包括，但不限于：

• 接近檢測
• 簡單的手勢識別，像例如左/右輕掃
• 司機(jī)/乘客的區(qū)別對待，如一些信息娛樂選項被視為對司機(jī)太分心，僅僅允許乘客訪問這些。

然而，在創(chuàng)建這種系統(tǒng)時還有一些需要解決的問題。一種基于光學(xué)的HMI解決方案需要具有以下屬性：

1. 能夠應(yīng)付背景光水平在很大范圍變化的能力。
2. 抵御電磁干擾（EMI）的強(qiáng)大適應(yīng)能力。
3. 支持多種OEM配置。
4. 低材料清單成本。
5. 占用最小的電路板空間。
6. 能夠應(yīng)對苛刻機(jī)電一體化集成的能力。

為響應(yīng)客戶對于可行的基于光學(xué)技術(shù)的汽車HMI的需求，同時也要避免其他競爭方案中固有的不足，邁來芯公司的工程團(tuán)隊已經(jīng)開發(fā)出了一系列高可靠性的傳感器接口IC。MLX75030和MLX75031即是基于CMOS工藝技術(shù)的接近和手勢檢測IC，它們集成有專有的環(huán)境光抑制技術(shù)，基本不受靜態(tài)和動態(tài)變化的背景光影響。此外，它們已被證明電磁兼容，加上占位面積很小，非常適合于空間受限的用戶界面設(shè)計。

圖1：采用一個MLX7503x器件的汽車HMI基本結(jié)構(gòu)圖

MLX7503x系列傳感器IC能夠輕松實現(xiàn)多通道、近距離光學(xué)感測系統(tǒng)。每個IC有兩個獨立的、同時工作的光測量通道。這些可用于對一個目標(biāo)（例如用戶的手）進(jìn)行有源光反射檢測，其內(nèi)置的環(huán)境光抑制機(jī)制使這些通道不受光干擾的影響。

圖1顯示了一個基于MLX7503x的HMI基本結(jié)構(gòu)。發(fā)光二極管發(fā)出一個短脈沖串，被用戶的手所反射的光再由光電二極管檢測到，同時背景光被硬件去除，而從光電二極管產(chǎn)生的電流被轉(zhuǎn)換成一個16位的數(shù)字信號。這里機(jī)電一體化集成問題可以不去考慮，因為所需要的電子產(chǎn)品不需要控制臺設(shè)計 ，只有LED和光電二極管需要部署在控制臺前表面，其它則可以放置在控制臺背后的任何可用空間內(nèi)。

圖2：邁來芯公司的MLX75030

MLX75030允許使用外部開關(guān)來驅(qū)動LED，峰值電流可高達(dá)1A。而MLX75031 LED則擁有內(nèi)置驅(qū)動器，以盡量減少所需的額外元器件，從而降低材料清單成本。內(nèi)部控制邏輯、可配置的用戶寄存器和一個SPI接口可確保簡單且完全可編程地工作。所有這些IC都集成有一個16位ADC（模數(shù)轉(zhuǎn)換器），可以生成數(shù)字輸出，測得的有源光和環(huán)境光水平等數(shù)據(jù)被傳送到系統(tǒng)微控制器并被處理（每個測量通道高達(dá)700赫茲的測量速率可以實現(xiàn)平滑的界面響應(yīng)時間）。之后，通過外部微控制器的軟件算法，系統(tǒng)可以區(qū)分不同的手勢（例如左/右/上/下掃和圓周運動）。由于環(huán)境光已經(jīng)被接口IC分解出來，微控制器的處理資源可以集中用于其他任務(wù)。

基于光學(xué)的接近感測給汽車行業(yè)提供了更廣泛應(yīng)用觸摸人機(jī)界面和信息娛樂控制元件的技術(shù)途徑。這項技術(shù)可以使一些簡單的手勢得到區(qū)分，但同時可確保司機(jī)不分心。因此，司機(jī)可以在駕駛時經(jīng)常地參與某些任務(wù)，但他們以及同車乘客的安全問題卻絲毫不受影響。展望未來，一種可能的前景是，一旦用戶都熟悉了這項技術(shù)，汽車制造商可能會在HMI中開始采用全光學(xué)的方式，用更高性能的光學(xué)實施方案替代昂貴的多點觸控觸摸屏技術(shù)。