电容感应-引领汽车人机界面设计的革命

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随着人和汽车各个系统之间的信息交互日益频繁和重要，汽车人机界面(HMI)也经历了一个转折，正把用户体验向前迈进到了一个全新的水平。

本文将重点介绍电容式感应在人机界面发展过程中的重要性，它使简单的机械按钮发展到了更先进的系统。这篇文章中所涉及的主题包括：电容式人机界面技术介绍，由于电容式触摸感应带来的设计方法的改变和应用的发展。
简介
汽车里越来越多的电子系统已经迎来了一场革命，它把汽车变成了安全、豪华、智能的机器。然而，有一个方面是不变的，就是人和车之间的交互仍旧很重要。这种交互可以定义为用户体验，它是不同车辆市场差异的一个关键所在。
系统监测和跟踪用户交互，以及提供反馈信息统称为汽车人机界面(HMI)系统。从用户的角度来看，这些交互也许是有意识的(当乘客特意输入到系统)或潜意识的(当系统检测到他的意图，但他自己没有意识到)。
电容式感应——开启了汽车人机界面的一场革命
尽管在在汽车环境新的人机界面技术存在着固有的困难，工程师仍在不断的尝试来改进HMI系统，使它们更直观，外观更酷，也更准确。这种改变的核心是创新的人机交互感应技术，也正是这种技术促进了HMI的发展。这种技术就是电容式感应，它使HMI的设计和具体实施都有了革命性的变化。
简单来说，一个电容式传感器是由一对相邻电极构成的。
当一个人(或任何其他导体)接近电极，电极之间就会产生额外的电容，就可以检测到目标的存在了。

电容式传感器
使用这项技术，它可以很容易地设计触摸传感器作为按钮、滑条、触摸板等。
电容式感应也可用于接近感应，传感器和使用者身体不需要接触。可以通过增加传感器的灵敏度来实现。并且，这种传感器是不受视线约束的，一个传感器就能够在3维空间内检测到目标的接近。
这种技术结合可编程混合信号控制器后就显得更为强大了。这些器件使得电容测量可以智能地检测到人接近的范围、方向，手势识别等。这也使得结合其他功能成为可能，如控制电机和LED, 采用触摸/接近方式给用户提供及时反馈。
一个完全可编程器件同时也显著增加了附加值：可编程灵敏度阈值可以提高性能，可调的扫描速度可以减少电流消耗并提高噪声免疫力，。
电容感应使娱乐功能HMI增强

在信息娱乐系统中，电容感应触摸按钮越来越多地用来取代机械按钮。
下图说明了使用可编程混合信号控制器来实现智能电容式感应的结构。

一些在中控台使用电容感应的应用如下图所示


导航系统中的电容式触摸应用

汽车音响中的电容式触摸应用

空调暖风控制的电容式触摸按钮

电容式触摸感应也可以结合机械按钮来提供增强的混合按钮，可以分别响应不同的方式，触摸(例如，预览功能)和物理按压按钮(例如，启动功能)，如图所示。


混合触摸技术实现方式
这些应用还可以通过使用电容式接近传感器来进一步增强，在哪里使用取决于用户，例如附加功能为背光控制。


基于接近传感的汽车音响背光控制
电容式触摸屏--触摸屏对汽车中控台的附加价值很大。他们不仅对用户界面有了很好的改观，并且它还起到了把多种控制集成到一个系统的作用。传统的触摸屏一直依赖于用户的机械按压来改变电阻值，从而检测到触摸。这种触摸屏，称之为电阻式触摸屏，事实上它的作用是有限的，某个时间他们只能识别到一个手指触摸，并且，其精确度也会随时间而变差。电容式触摸屏可以做到多个手指识别手势，并且透光性好，灵敏度高，越来越成为触摸屏技术的最佳选择。在车里采用这种触摸屏可以使设计更有个性，从而可以改进用户界面。触摸屏多用途的例子如下图所示，它可以控制空调、音响/视频和导航系统。


中控台设计模式
堆砌式设计模式：中控台的传统设计方式为堆砌式设计。在这种模式中，每个中控台组件都是由控制/开关面板以及实际机电盒子组成的完整单元。
例如，一个中控台是由许多独立部件组成的(包括空调，音响和导航系统)。每个单元都是一个完整的系统，包含控制，电子元件和机械部件等等。
这种设计的局限性是每一个系统开发都是独立的，汽车制造商在提供统一的外观和感觉方面受到限制。同样地，设计者也只有有限的自由，设计中控台造型时会受到各种各样的限制。当需要额外的开槽时，模具加工成本也会增加。由于机械部件数量的上升，也会存在着更多的失败风险。
集成式设计模式：在集成式设计模式中，中控台的所有控制元素统一成单一的前面板，它与实际机电系统通过一个数据总线连接。控制面板的分布和集中使得人机界面设计者造型设计更灵活，同时统一外观和感觉方面更容易控制。这种设计也可以降低模具费用并可以提高可靠性。由于这种设计整体集成并减少控制组件，所以系统的总成本也会减少。
由于电容式触摸感应的应用，这种集成式设计将会流行。设计者可以使用电容式传感器整合一个面板，有更大的自由使用曲线设计，从而可以提供整体造型更好的前面板。由于减少了机械部件和开槽（还容易沾上灰尘）的数量，这种设计也能提高可靠性并降低系统成本。


应用还会持续增加

由于电容式触摸感应技术日益成熟，电子设计工程师正在汽车环境里寻找有趣的新应用。
这种技术能使在汽车领域的应用不断增长，有两个主要因素：
1. 电容感应控制器已经开始支持汽车专用通讯协议，例如LIN和CAN。这种整合的方式使许多其他功能（这些通常由网络总线实现）能够很容易地移植到触摸感应传感器。
2. 电容感应在触摸领域的使用日益增加，例如汽车和工控面板。这归因于成熟的鲁棒性的IC和半导体公司开始生产出更快扫描速率、更好的抗噪能力、更低功耗的新产品。同时这一领域的经验丰富的应用工程师日益增加，这也是电容式感应技术扩展新应用领域的一个强大催化剂。

其中的一些创新应用如下：
人机交互传感器
电容感应式免钥匙进入系统：
免钥匙进入系统应用已经有好一段时间了，最近，电容式感应已开始用来检测司机手的靠近。这会自动发起司机口袋的遥控钥匙和车里的锁止器之间的加密通讯。一旦验证，该司机就准许进入车里并开车离开，并不需要从他或她的口袋里拿出钥匙。


电容式触摸传感器在免钥匙进入系统的应用

多方向靠近中央控制台接近监测：
在汽车中央控制台的电容式接近传感器可以用来实现多个可定制的特点，可以检测人手接近的距离、方向。这使得中央控制台可以适应或改变其响应，这取决于是司机还是乘客正在接近其中控台。

功能设置1乘客的手接近激活                  功能设置2司机的手接近激活

中央仪表盘接近方向控制

室内照明控制：
电容式接近感应也为汽车系统各种各样的室内和室外照明提供了一种有效的感光范围控制方式。现在已经有了这样的IC：它将电容式触摸感应、LIN通讯、LED亮度控制功能集成到了一起用单芯片方案来实现这种应用。
例如：
- 接近感应门把手背光照明（还可以根据手接近的距离控制亮度）
- 接近感应车厢照明
- 触摸/接近感应车顶照明（通过LIN接口）

接近感应车顶照明

电容式触摸感应开关

开关：
触摸按钮越来越流行，它将取代机械开关和按钮，这是由于其美观、灵活性和可靠性。
下文会讲到一些例子。这类应用越来越广泛，因为它支持LIN/CAN通信协议。

电容式触摸开关

后备箱电容式触摸释放开关

电容式触摸按钮也可以为汽车进入系统提供一个高效的、防水数字锁解决方案。如下图所示：

电容式触摸数字锁系统

液位传感器：
除了检测人的存在，电容式感应还可以用来进行液体的存在。这种检测液面水平的应用可以用于燃料、制动液、冷却液液面检测。


结论
从最初的使信息娱乐系统更酷，到后来的为液面测量提供了可靠的方法，事实证明：电容式感应是汽车应用中一种非常受欢迎的和有用的传感技术。随着下一代专门用于汽车工业设计的混合信号控制器的到来，电容感应的潜力才刚刚被发掘。当系统继续变得更加苛求，设计者们终将发现，电容式感应会为广大领域的应用提供一个有效的感应技术。