在汽车应用中实现电容式接近感应

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免触控用户界面已经成为汽车设计工程师的新趋势。有多种方法可以实现此功能，其中之一是采用接近感应。接近感应是没有接触、在一定的距离检测人体或金属等物体的技术。可以采用红外线（IR）、光学、超声波和电容式感应实现接近感应。这些技术各有利弊，因此选择正确的技术取决于您的具体应用。
       
        电容式接近感应由于众多内在优势而变得日益流行，如：低功耗、低成本以及能够集成其它用户界面功能，如：采用相同传感器的触摸按键与滑条。
       
        我们在本文中将探讨如何实现电容式接近感应、其优势以及其不同特性如何适合于汽车应用。文章最后则会举例说明如何在汽车信息娱乐系统中实现电容式接近感应解决方案。
       
        人机界面接近应用
       
        目前，汽车OEM厂商正在针对多种应用评估电容式接近感应解决方案。较常用的应用包括：
       
        ●信息娱乐系统：适用于音频面板、导航系统和HVAC面板的接近式唤醒应用；例如，当手部接近系统时开启音频面板照明。
       
        ●3D手势：电容式接近感应还可以用于支持3D手势，如：滚动或侧滑。
       
        ●无钥匙进入系统：通过检测手部接近门把手而启动汽车解锁程序。
       
        ●内部照明控制：切换车辆内部照明；例如，手套箱或门灯的开关。
       
        电容式接近感应
       
        电容式接近传感器通常是位于PCB上、经过调校能够在没有任何物理接触情况下检测附近物体存在的铜线。此方法原理与电容式按键感应相同，即：根据手部触摸传感器/按键时的电容变化。触摸感应和接近感应的区别是传感器被调校到更高的灵敏度，而且相关布局的设计能够最大化电场传播。此外，固件滤波还可实现用于确保可靠性，同时在固件中实现决策算法能够消除误判的接近事件。

       
       
        图1：此图说明了一个典型的电容式接近传感器系统

         
        电容式接近传感器可以采用多种方法实现。具体实现方案包括：
       
        按键–带大寄生电容的电容式按键可以用作接近传感器。以按键方式实现的接近传感器的灵敏度远高于普通的电容式触摸感应按键。
       
        外部线路用作接近传感器–单条线路可以很好地起到接近传感器的作用。由于手部检测依赖电场变化产生的电容变化，因此所有影响到线路周围电场的分布电容或物体都会影响到接近传感器的范围。考虑到生产成本和复杂性，采用线传感器并非大量生产的最佳解决方案。
       
        PCB迹线用作接近传感器–较长的PCB迹线可以构成接近传感器。迹线可以是直线，也可以围绕在系统的用户界面四周。此方法适用于大量生产，但是灵敏度低于线传感器。
       
        联动按键用作接近传感器–多个传感器焊盘在固件中组合在一起构成单个接近传感器，以提供更高的灵敏度。
       
        柔性PCB–柔性印刷电路板迹线也可以用作接近传感器。
       
        上述这些方案并非在每种应用中都可以实现。一般而言，合适的接近传感器选择主要取决于布局要求。
       
        汽车设计中另一个流行趋势是接近感应与触摸屏界面的组合。此时接近传感器是围绕触摸屏四周的天线。其控制可以采用与控制用户界面相同的电容式触摸屏控制器。
        电容式接近感应的优势
       
        电容式接近感应优于其它技术的主要原因之一是能够实现的集成度水平。电容式接近感应解决方案基本上可以集成诸如触摸按键和滑条等用户界面功能。与采用移动机械部件的更复杂系统相比，这些功能不但易于实现，而且时尚美观。
       
        另一个主要优势是其成本低于竞争技术，因为它不需要会增加系统成本的任何LED或传感器。
       
        此技术的优势包括：
       
        改进工业设计–通过替代机械按键、开关和滑条，此技术时尚美观而又整洁。另外，由于消除机械磨损，因此它还能够提高可靠性，从而降低整体系统成本。
       
        增强功能性–它可以为产品设计人员提供更高的用户界面设计灵活性，而且支持“接近式唤醒”等高级功能。
       
        提高可用性–电容式接近感应可以简化大部分机械控制界面的设计，从而使系统变得更加易于使用。
       
        应用示例
       
        现在我们来看一下采用赛普拉斯CapSense接近感应解决方案能够实现的具体解决方案实例。本例是基于“接近式唤醒”功能。最终应用是汽车信息娱乐系统中的典型触摸屏。
       
        要求在司机手指或手部接近时启动显示屏照明。此功能的优势是在不使用时关闭显示屏和/或用户界面，以免在驾驶过程中干扰司机，同时要求在手部接近时开启照明。
       
        为了实现最佳体验，需要至少4~5厘米的检测距离。另外还需要附加决策算法，以防止误判的触发。由于灵敏度高，因此噪声干扰有可能影响接近传感器的正常操作。PCB的电气与机械设计应当能够避免邻近电缆或导电屏幕产生的噪声干扰。如前所述，传感器实现方案应当严格遵守控制器供应商指定的指导原则。

       
       
        图2：汽车信息娱乐系统中的接近式唤醒功能实现

         
        另一个要求是在系统中支持3D手势，其允许司机在不实际触摸屏幕的情况下使用基本功能。3D手势包括水平/垂直的空中滑动或者根据手部与界面之间距离的检测。同时采用两个或更多电容式接近传感器可以实现简单的空间手势，如：检测手部在设备前面的挥动。此外，接近感应还可用于在汽车显示屏上启动菜单及常用功能，它们在不用时会关闭。这些菜单如果一直显示会让屏幕显得很乱，而接近传感器可以用于降低用户完成选择后图形用户界面的复杂性。
       
        未来的许多汽车信息娱乐系统都会采用电容式触摸屏以及电容式接近感应。这种架构涉及用于触摸屏的触摸控制器和用于接近检测的CapSense控制器。另外这两种控制器还需要能够相互通信，以便于实现同步。根据具体的最终系统，另外还可能实现同时的接近与触摸扫描。
       
        汽车环境给系统设计人员带来众多挑战，如：极端温度、噪声状况以及对质量与可靠性的更高预期。汽车控制器可以提供5厘米乃至更远的接近感应。这些控制器具有被称为CSD PLUS的稳健型电容式感应算法，其能够抵抗EMC噪声与电源电压变化。另外其还能够提供其它用户界面功能，如：触摸按键和滑条，从而能够在单芯片解决方案中集成所有功能。此类控制器还能够通过LED和蜂鸣器提供音频/可视反馈。

       
       
        图3：汽车信息娱乐面板中HMI系统的系统级方框图