電容式接近檢測(cè)技術(shù)在汽車電子中的應(yīng)用

汽車電子應(yīng)用領(lǐng)域?qū)咏鼨z測(cè)傳感器的需求一直在穩(wěn)定攀升，這種傳感器無(wú)需物理接觸，就能夠可靠地檢測(cè)出靠近傳感器表面的物體。接近檢測(cè)在汽車電子行業(yè)的可能應(yīng)用是無(wú)限的：

• 汽車門禁控制：檢測(cè)手靠近門把，進(jìn)而啟動(dòng)開鎖程序
• 當(dāng)手掌靠近屏幕表面時(shí)，就能照亮和喚醒觸摸屏
• 在手掌靠近傳感器時(shí)，就能打開/關(guān)閉車內(nèi)照明燈
• 通過(guò)檢測(cè)手掌在空中的簡(jiǎn)單動(dòng)作來(lái)打開/關(guān)閉設(shè)備
• 在停車過(guò)程中檢測(cè)汽車周圍的大障礙物

現(xiàn)在有多種不同的接近檢測(cè)方法，如電容感測(cè)、紅外、超聲波、光學(xué)等。對(duì)從5mm到300mm范圍的接近檢測(cè)，電容式感測(cè)技術(shù)相對(duì)其它技術(shù)而言有許多優(yōu)勢(shì)：出色的可靠性、簡(jiǎn)單的機(jī)械設(shè)計(jì)、低功耗和低成本，本文將探討愛(ài)特梅爾公司(Atmel® Corporation)的電容式接近檢測(cè)技術(shù)。

愛(ài)特梅爾公司是觸摸解決方案的領(lǐng)導(dǎo)廠商，在這個(gè)領(lǐng)域擁有豐富的經(jīng)驗(yàn)，其電容式傳感器基于公司首創(chuàng)的電荷轉(zhuǎn)移技術(shù)，即當(dāng)某一特定的控制序列重復(fù)施加在I/O引腳期間，取樣電容上就會(huì)產(chǎn)生電壓。目前愛(ài)特梅爾在用于自電容傳感器(Atmel QTouch™)和互電容傳感器(Atmel QMatrix™)的電荷轉(zhuǎn)移技術(shù)方面擁有多項(xiàng)專利。愛(ài)特梅爾的電荷轉(zhuǎn)移技術(shù)為用戶帶來(lái)了一些相比其它電容式感應(yīng)方法更佳的重要優(yōu)勢(shì)，包括：更高的可靠性，極高的靈敏度，出色的防濕性，以及抗噪聲能力。

QTouch和QMatrix技術(shù)已用于多種支持觸摸按鈕、滑條、撥輪，以及觸摸屏的觸摸控制器。接近檢測(cè)也可用于某些標(biāo)準(zhǔn)產(chǎn)品。愛(ài)特梅爾正在開發(fā)和實(shí)現(xiàn)新的接近算法，以提高靈敏度，可支持達(dá)到200mm或以上的手指或手掌檢測(cè)范圍。新的標(biāo)準(zhǔn)產(chǎn)品和軟件庫(kù)模塊計(jì)劃于2011年和2012年推出。


圖1：接近傳感器的有效屏蔽

當(dāng)物體接近電極時(shí)，電容式接近傳感器測(cè)量單電極和地之間(自電容傳感器)，或兩個(gè)電極之間(互電容傳感器)的電容變化。在這類應(yīng)用中，電容一般在10pF到300pF之間，而電容的變化通常都非常小(幾個(gè)fF到幾個(gè)pF)。由于自電容傳感器周圍的電場(chǎng)線擴(kuò)散到距離感測(cè)電極較遠(yuǎn)的地方，因而，接近檢測(cè)首選自電容測(cè)量，而不是互電容測(cè)量，因?yàn)楹笳叩碾妶?chǎng)線主要集中在發(fā)送和接收電極之間的區(qū)域內(nèi)。

汽車應(yīng)用電容式接近傳感器的特點(diǎn)：

高靈敏度：要檢測(cè)出被測(cè)量的電容的微小變化，傳感器的靈敏度必須高且穩(wěn)定。因而應(yīng)當(dāng)采取特殊的措施來(lái)減小電容性負(fù)載對(duì)靈敏度造成的負(fù)面影響，尤其是感測(cè)電極放置在導(dǎo)電表面(如金屬平面、車體等)上時(shí)的影響。這可通過(guò)在電極與導(dǎo)電表面間加一個(gè)有效屏蔽層，來(lái)減少電容性負(fù)載的負(fù)面影響(見圖1)。
A further advantage of active shields is their neutralizing effect on water films.
有效屏蔽層的另一優(yōu)勢(shì)是能與水膜產(chǎn)生中和效應(yīng)。

• 防濕性：由潮濕引起的測(cè)量信號(hào)變化，會(huì)比由接近物體產(chǎn)生的測(cè)量信號(hào)變化更為顯著。對(duì)于電容式感測(cè)方法而言，物體表面上的水膜是最大的問(wèn)題之一。水膜帶來(lái)的導(dǎo)電性會(huì)引起測(cè)量信號(hào)的變化，且這種變化類似于正常觸摸引起的變化。

處理水膜效應(yīng)主要有兩種方法：

1．使用有效屏蔽層(如上所述)

2．縮短電荷轉(zhuǎn)移時(shí)間：可將水膜看待成一個(gè)分散式RC電路(見圖2)。減小電荷轉(zhuǎn)移脈沖將防止這些分布電容被完全充電，從而減少水膜的影響。如果電荷轉(zhuǎn)移時(shí)間控制在100ns 到250ns之間，則效果最佳。在感測(cè)區(qū)域采用正確的機(jī)械設(shè)計(jì)，并使用合適的材料，可以防止出現(xiàn)較厚的水膜。


圖2：水膜等效于分散式RC電路

•溫度穩(wěn)定性：在汽車應(yīng)用中，隨時(shí)會(huì)出現(xiàn)極端迅速的溫度變化，所以應(yīng)當(dāng)特別注意機(jī)械設(shè)計(jì)的穩(wěn)定性，否則導(dǎo)電表面附近哪怕出現(xiàn)非常微小的間隙變化，都可能導(dǎo)致錯(cuò)誤檢測(cè)。

•抗噪聲能力：由于靈敏度高，噪聲干擾會(huì)影響接近傳感器的運(yùn)作。PCB電路的機(jī)械和電氣設(shè)計(jì)應(yīng)當(dāng)避免鄰近電纜或?qū)щ姳砻娴脑肼暩蓴_。

•快速響應(yīng)：響應(yīng)時(shí)間一般在10ms 到100ms之間。

以下討論電容式接近檢測(cè)在汽車領(lǐng)域的應(yīng)用細(xì)節(jié)。

汽車門禁系統(tǒng)

電容式接近檢測(cè)的一個(gè)示例是在汽車門禁系統(tǒng)中的應(yīng)用(見圖3)。檢測(cè)人手靠近的接近傳感器位于車門把手(1)內(nèi)。一旦檢測(cè)到有物體靠近，主控單元(2)通過(guò)低頻天線(3)發(fā)送一個(gè)喚醒信號(hào)；該信號(hào)激活汽車鑰匙發(fā)送器(4)。汽車鑰匙發(fā)送器于是與RFID接收器(5)交換信息；如果編碼信息與主控單元(2)匹配，汽車門鎖就打開。接近檢測(cè)和ID識(shí)別的整個(gè)過(guò)程約幾分之一秒。

這意味著當(dāng)手拉門把時(shí)，門鎖已經(jīng)打開了。

相比于觸摸檢測(cè)，在汽車門禁系統(tǒng)中使用接近檢測(cè)的優(yōu)勢(shì)在于它能夠在識(shí)別車主的時(shí)間上搶先，其結(jié)果是拉門之前，門鎖就已經(jīng)處于打開狀態(tài)。


圖3：具有接近檢測(cè)功能的車門開啟系統(tǒng)

檢測(cè)空間手勢(shì)用于打開或關(guān)閉設(shè)備

同時(shí)使用兩個(gè)或多個(gè)電容式接近傳感器，就可以通過(guò)檢測(cè)手掌在空中的簡(jiǎn)單動(dòng)作(如在被檢設(shè)備前揮手)來(lái)打開或關(guān)閉設(shè)備。圖4所示為使用這樣的系統(tǒng)來(lái)開/關(guān)汽車內(nèi)照明的簡(jiǎn)單例子。對(duì)著燈向某一個(gè)方向揮手是打開燈，向反方向揮手則是關(guān)燈。該系統(tǒng)能夠分析接近傳感器的信號(hào)，確定手勢(shì)指示開燈，還是關(guān)燈。

在電燈內(nèi)設(shè)計(jì)傳感電極有許多不同的方法，從使用細(xì)銅線到采用可直接附著在塑料上的導(dǎo)電聚合物都有。


圖4：通過(guò)檢測(cè)手在空中的簡(jiǎn)單動(dòng)作來(lái)打開/關(guān)閉車內(nèi)設(shè)備

結(jié)論

•汽車用電容式接近傳感器為多種舒適性應(yīng)用開辟了道路。
•潮濕和快速的溫度變化是汽車用電容式接近傳感器面對(duì)的主要難題，而采用愛(ài)特梅爾最新的電容式感測(cè)創(chuàng)新技術(shù)，就能夠解決這些難題。