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展過程中的重要性，它使簡單的機械按鈕發展到了更先進的系統。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展。

簡介

        汽車里越來越多的電子系統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。

        系統監測和跟蹤用戶交互，以及提供反饋信息統稱為汽車人機界面(HMI)系統。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)或潛意識的(當系統檢測到他的意圖，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，使它們更直觀，外觀更酷，也更準確。這種改變的核心是創新的人機交互感應技術，也正是這種技術促進了HMI的發展。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。可以通過增加傳感器的靈敏度來實現。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的作用。傳統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。
 

中控臺設計模式

        堆砌式設計模式：中控臺的傳統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)。每個單元都是一個完整的系統，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開發都是獨立的，汽車制造商在提供統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一成單一的前面板，它與實際機電系統通過一個數據總線連接。控制面板的分布和集中使得人機界面設計者造型設計更靈活，同時統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）的數量，這種設計也能提高可靠性并降低系統成本。

                     
應用還會持續增加

        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）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。

其中的一些創新應用如下：

人機交互傳感器

電容感應式免鑰匙進入系統：

         免鑰匙進入系統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的應用

 多方向靠近中央控制臺接近監測：

        在汽車中央控制臺的電容式接近傳感器可以用來實現多個可定制的特點，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這種應用。

例如：
- 接近感應門把手背光照明（還可以根據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提供一個高效的、防水數字鎖解決方案。如下圖所示：

 
                                                  電容式觸摸數字鎖系統

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掘。當系統繼續變得更加苛求，設計者們終將發現，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。