電容式接近檢測技術(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測傳感器的需求一直在穩(wěn)定攀升，這種傳感器無需物理接觸，就能夠可靠地檢測出靠近傳感器表面的物體。接近檢測在汽車電子行業(yè)的可能應(yīng)用是無限的：

• 汽車門禁控制：檢測手靠近門把，進(jìn)而啟動開鎖程序

• 當(dāng)手掌靠近屏幕表面時，就能照亮和喚醒觸摸屏

• 在手掌靠近傳感器時，就能打開/關(guān)閉車內(nèi)照明燈

• 通過檢測手掌在空中的簡單動作來打開/關(guān)閉設(shè)備

• 在停車過程中檢測汽車周圍的大障礙物

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

愛特梅爾公司是觸摸解決方案的領(lǐng)導(dǎo)廠商，在這個領(lǐng)域擁有豐富的經(jīng)驗，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，取樣電容上就會產(chǎn)生電壓。目前愛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)方面擁有多項專利。愛特梅爾的電荷轉(zhuǎn)移技術(shù)為用戶帶來了一些相比其它電容式感應(yīng)方法更佳的重要優(yōu)勢，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。接近檢測也可用于某些標(biāo)準(zhǔn)產(chǎn)品。愛特梅爾正在開發(fā)和實現(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范圍。新的標(biāo)準(zhǔn)產(chǎn)品和軟件庫模塊計劃于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，電容式接近傳感器測量單電極和地之間(自電容傳感器)，或兩個電極之間(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fF到幾個pF)。由于自電容傳感器周圍的電場線擴(kuò)散到距離感測電極較遠(yuǎn)的地方，因而，接近檢測首選自電容測量，而不是互電容測量，因為后者的電場線主要集中在發(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：要檢測出被測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)采取特殊的措施來減小電容性負(fù)載對靈敏度造成的負(fù)面影響，尤其是感測電極放置在導(dǎo)電表面(如金屬平面、車體等)上時的影響。這可通過在電極與導(dǎo)電表面間加一個有效屏蔽層，來減少電容性負(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)勢是能與水膜產(chǎn)生中和效應(yīng)。

• 防濕性：由潮濕引起的測量信號變化，會比由接近物體產(chǎn)生的測量信號變化更為顯著。對于電容式感測方法而言，物體表面上的水膜是最大的問題之一。水膜帶來的導(dǎo)電性會引起測量信號的變化，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)移時間：可將水膜看待成一個分散式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)移時間控制在100ns 到250ns之間，則效果最佳。在感測區(qū)域采用正確的機(jī)械設(shè)計，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，隨時會出現(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)致錯誤檢測。

•抗噪聲能力：由于靈敏度高，噪聲干擾會影響接近傳感器的運(yùn)作。PCB電路的機(jī)械和電氣設(shè)計應(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)時間一般在10ms 到100ms之間。

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

汽車門禁系統(tǒng)

電容式接近檢測的一個示例是在汽車門禁系統(tǒng)中的應(yīng)用(見圖3)。檢測人手靠近的接近傳感器位于車門把手(1)內(nèi)。一旦檢測到有物體靠近，主控單元(2)通過低頻天線(3)發(fā)送一個喚醒信號；該信號激活汽車鑰匙發(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。接近檢測和ID識別的整個過程約幾分之一秒。

這意味著當(dāng)手拉門把時，門鎖已經(jīng)打開了。

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

圖3：具有接近檢測功能的車門開啟系統(tǒng)

檢測空間手勢用于打開或關(guān)閉設(shè)備

同時使用兩個或多個電容式接近傳感器，就可以通過檢測手掌在空中的簡單動作(如在被檢設(shè)備前揮手)來打開或關(guān)閉設(shè)備。圖4所示為使用這樣的系統(tǒng)來開/關(guān)汽車內(nèi)照明的簡單例子。對著燈向某一個方向揮手是打開燈，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，確定手勢指示開燈，還是關(guān)燈。

在電燈內(nèi)設(shè)計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：通過檢測手在空中的簡單動作來打開/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的主要難題，而采用愛特梅爾最新的電容式感測創(chuàng)新技術(shù)，就能夠解決這些難題。