免觸控用戶(hù)界面已經(jīng)成為汽車(chē)設計工程師的新趨勢。有多種方法可以實(shí)現此功能，其中之一是采用接近感應。接近感應是沒(méi)有接觸、在一定的距離檢測人體或金屬等物體的技術(shù)�？梢圆捎眉t外線(xiàn)（IR）、光學(xué)、超聲波和電容式感應實(shí)現接近感應。這些技術(shù)各有利弊，因此選擇正確的技術(shù)取決于您的具體應用。
電容式接近感應由于眾多內在優(yōu)勢而變得日益流行，如：低功耗、低成本以及能夠集成其它用戶(hù)界面功能，如：采用相同傳感器的觸摸按鍵與滑條。
我們在本文中將探討如何實(shí)現電容式接近感應、其優(yōu)勢以及其不同特性如何適合于汽車(chē)應用。文章最后則會(huì )舉例說(shuō)明如何在汽車(chē)信息娛樂(lè )系統中實(shí)現電容式接近感應解決方案。
人機界面接近應用
目前，汽車(chē)OEM廠(chǎng)商正在針對多種應用評估電容式接近感應解決方案。較常用的應用包括：
●信息娛樂(lè )系統：適用于音頻面板、導航系統和HVAC面板的接近式喚醒應用；例如，當手部接近系統時(shí)開(kāi)啟音頻面板照明。
●3D手勢：電容式接近感應還可以用于支持3D手勢，如：滾動(dòng)或側滑。
●無(wú)鑰匙進(jìn)入系統：通過(guò)檢測手部接近門(mén)把手而啟動(dòng)汽車(chē)解鎖程序。
●內部照明控制：切換車(chē)輛內部照明；例如，手套箱或門(mén)燈的開(kāi)關(guān)。
電容式接近感應
電容式接近傳感器通常是位于PCB上、經(jīng)過(guò)調校能夠在沒(méi)有任何物理接觸情況下檢測附近物體存在的銅線(xiàn)。此方法原理與電容式按鍵感應相同，即：根據手部觸摸傳感器/按鍵時(shí)的電容變化。觸摸感應和接近感應的區別是傳感器被調校到更高的靈敏度，而且相關(guān)布局的設計能夠最大化電場(chǎng)傳播。此外，固件濾波還可實(shí)現用于確�？煽啃�，同時(shí)在固件中實(shí)現決策算法能夠消除誤判的接近事件。
圖1：此圖說(shuō)明了一個(gè)典型的電容式接近傳感器系統
電容式接近傳感器可以采用多種方法實(shí)現。具體實(shí)現方案包括：
按鍵–帶大寄生電容的電容式按鍵可以用作接近傳感器。以按鍵方式實(shí)現的接近傳感器的靈敏度遠高于普通的電容式觸摸感應按鍵。
外部線(xiàn)路用作接近傳感器–單條線(xiàn)路可以很好地起到接近傳感器的作用。由于手部檢測依賴(lài)電場(chǎng)變化產(chǎn)生的電容變化，因此所有影響到線(xiàn)路周?chē)妶?chǎng)的分布電容或物體都會(huì )影響到接近傳感器的范圍�？紤]到生產(chǎn)成本和復雜性，采用線(xiàn)傳感器并非大量生產(chǎn)的最佳解決方案。
PCB跡線(xiàn)用作接近傳感器–較長(cháng)的PCB跡線(xiàn)可以構成接近傳感器。跡線(xiàn)可以是直線(xiàn)，也可以圍繞在系統的用戶(hù)界面四周。此方法適用于大量生產(chǎn)，但是靈敏度低于線(xiàn)傳感器。
聯(lián)動(dòng)按鍵用作接近傳感器–多個(gè)傳感器焊盤(pán)在固件中組合在一起構成單個(gè)接近傳感器，以提供更高的靈敏度。
柔性PCB–柔性印刷電路板跡線(xiàn)也可以用作接近傳感器。
上述這些方案并非在每種應用中都可以實(shí)現。一般而言，合適的接近傳感器選擇主要取決于布局要求。
汽車(chē)設計中另一個(gè)流行趨勢是接近感應與觸摸屏界面的組合。此時(shí)接近傳感器是圍繞觸摸屏四周的天線(xiàn)。其控制可以采用與控制用戶(hù)界面相同的電容式觸摸屏控制器。 電容式接近感應的優(yōu)勢
電容式接近感應優(yōu)于其它技術(shù)的主要原因之一是能夠實(shí)現的集成度水平。電容式接近感應解決方案基本上可以集成諸如觸摸按鍵和滑條等用戶(hù)界面功能。與采用移動(dòng)機械部件的更復雜系統相比，這些功能不但易于實(shí)現，而且時(shí)尚美觀(guān)。
另一個(gè)主要優(yōu)勢是其成本低于競爭技術(shù)，因為它不需要會(huì )增加系統成本的任何LED或傳感器。
此技術(shù)的優(yōu)勢包括：
改進(jìn)工業(yè)設計–通過(guò)替代機械按鍵、開(kāi)關(guān)和滑條，此技術(shù)時(shí)尚美觀(guān)而又整潔。另外，由于消除機械磨損，因此它還能夠提高可靠性，從而降低整體系統成本。
增強功能性–它可以為產(chǎn)品設計人員提供更高的用戶(hù)界面設計靈活性，而且支持“接近式喚醒”等高級功能。
提高可用性–電容式接近感應可以簡(jiǎn)化大部分機械控制界面的設計，從而使系統變得更加易于使用。
應用示例
現在我們來(lái)看一下采用賽普拉斯CapSense接近感應解決方案能夠實(shí)現的具體解決方案實(shí)例。本例是基于“接近式喚醒”功能。最終應用是汽車(chē)信息娛樂(lè )系統中的典型觸摸屏。
要求在司機手指或手部接近時(shí)啟動(dòng)顯示屏照明。此功能的優(yōu)勢是在不使用時(shí)關(guān)閉顯示屏和/或用戶(hù)界面，以免在駕駛過(guò)程中干擾司機，同時(shí)要求在手部接近時(shí)開(kāi)啟照明。
為了實(shí)現最佳體驗，需要至少4~5厘米的檢測距離。另外還需要附加決策算法，以防止誤判的觸發(fā)。由于靈敏度高，因此噪聲干擾有可能影響接近傳感器的正常操作。PCB的電氣與機械設計應當能夠避免鄰近電纜或導電屏幕產(chǎn)生的噪聲干擾。如前所述，傳感器實(shí)現方案應當嚴格遵守控制器供應商指定的指導原則。
圖2：汽車(chē)信息娛樂(lè )系統中的接近式喚醒功能實(shí)現
另一個(gè)要求是在系統中支持3D手勢，其允許司機在不實(shí)際觸摸屏幕的情況下使用基本功能。3D手勢包括水平/垂直的空中滑動(dòng)或者根據手部與界面之間距離的檢測。同時(shí)采用兩個(gè)或更多電容式接近傳感器可以實(shí)現簡(jiǎn)單的空間手勢，如：檢測手部在設備前面的揮動(dòng)。此外，接近感應還可用于在汽車(chē)顯示屏上啟動(dòng)菜單及常用功能，它們在不用時(shí)會(huì )關(guān)閉。這些菜單如果一直顯示會(huì )讓屏幕顯得很亂，而接近傳感器可以用于降低用戶(hù)完成選擇后圖形用戶(hù)界面的復雜性。
未來(lái)的許多汽車(chē)信息娛樂(lè )系統都會(huì )采用電容式觸摸屏以及電容式接近感應。這種架構涉及用于觸摸屏的觸摸控制器和用于接近檢測的CapSense控制器。另外這兩種控制器還需要能夠相互通信，以便于實(shí)現同步。根據具體的最終系統，另外還可能實(shí)現同時(shí)的接近與觸摸掃描。
汽車(chē)環(huán)境給系統設計人員帶來(lái)眾多挑戰，如：極端溫度、噪聲狀況以及對質(zhì)量與可靠性的更高預期。汽車(chē)控制器可以提供5厘米乃至更遠的接近感應。這些控制器具有被稱(chēng)為CSD PLUS的穩健型電容式感應算法，其能夠抵抗EMC噪聲與電源電壓變化。另外其還能夠提供其它用戶(hù)界面功能，如：觸摸按鍵和滑條，從而能夠在單芯片解決方案中集成所有功能。此類(lèi)控制器還能夠通過(guò)LED和蜂鳴器提供音頻/可視反饋。
圖3：汽車(chē)信息娛樂(lè )面板中HMI系統的系統級方框圖 |
