電場(chǎng)感知技術(shù)應(yīng)用

2004年7月A版

　　拉斯維加斯的演出節(jié)目和客車(chē)的安全系統(tǒng)會(huì)有什么相關(guān)之處呢？如果看了“Penn & Teller”的魔術(shù)表演，你就會(huì)產(chǎn)生一些靈感了。Elesys公司的Phil Rittmueller就是這樣--Elesys公司以前曾是NEC的一部分，Phil的主意可以用于汽車(chē)安全氣囊的觸發(fā)控制，以避免對(duì)幼齡乘客可能造成的嚴(yán)重傷害甚至死亡。

　　想象一下，當(dāng)“Penn & Teller”的Penn Gillette 坐在“心靈座椅“之中—那是一把綜合了光學(xué)和電子學(xué)的舊式木椅—指揮著一個(gè)管弦樂(lè)隊(duì)。Penn僅僅通過(guò)身體的動(dòng)作，就能分別讓各式各樣的樂(lè)器表演起來(lái)。他的動(dòng)作是非?？鋸埖?，超過(guò)了真正樂(lè)隊(duì)的指揮。當(dāng)他跺腳的時(shí)候，鼓就會(huì)被敲響；當(dāng)他在“心靈座椅”的燈柱上方搖手、或是前后擺手時(shí)，音量會(huì)相應(yīng)增大或減??；抬起手會(huì)奏出一個(gè)高音，而向下?lián)]手則會(huì)產(chǎn)生低音。而這些動(dòng)作的反應(yīng)時(shí)間是令人難以置信的。當(dāng)Penn甩開(kāi)手，或是做一個(gè)很快的動(dòng)作，音樂(lè)幾乎在轉(zhuǎn)瞬間跟著發(fā)生變化。而這，正是Phil在尋求的一種可以辨別座椅上的人的大小和位置的傳感技術(shù)。

　　今天，這項(xiàng)技術(shù)為Elesys公司的SeatSentry系統(tǒng)提供了一個(gè)價(jià)格適宜的智能傳感器。這種系統(tǒng)應(yīng)用在本田公司的一些車(chē)型上，它可以感知是否有乘客、乘客的體形大小、以及乘客相對(duì)于氣囊的位置，從而更安全地控制安全氣囊。

“魔術(shù)”的背后

　　“心靈座椅”的技術(shù)背景是“對(duì)電場(chǎng)擾動(dòng)的檢測(cè)”，這項(xiàng)技術(shù)最初是由MIT Media Laboratory - Physics and Media Group 的Neil Gershenfeld于九十年代初期開(kāi)發(fā)出來(lái)的。而通過(guò)MIT、Elesys公司和Motorola的工程師們的協(xié)作，進(jìn)一步推出了電場(chǎng)成像IC這項(xiàng)技術(shù)也隨之由實(shí)驗(yàn)室走向了生產(chǎn)。

　　“心靈座椅”實(shí)際上是一個(gè)讓操作者進(jìn)行三維的、復(fù)合x(chóng)、y平面輸入的計(jì)算機(jī)接口?！靶撵`座椅”的一個(gè)x、y平面模式，為各種打擊樂(lè)聲響將整個(gè)感知平面劃分為了400個(gè)區(qū)域。這個(gè)數(shù)目已經(jīng)超過(guò)了計(jì)算機(jī)鍵盤(pán)的輸入數(shù)。而這個(gè)接口的實(shí)現(xiàn)，是通過(guò)一系列電路將傳感器送入的模擬信號(hào)數(shù)字化，并且提供MIDI、RS-232、RS-485等格式的數(shù)字信號(hào)輸出。場(chǎng)感知器的輸出放大需要高增益、低噪聲的同步電流放大器。最終的電路方案被昵稱(chēng)為“魚(yú)”—因?yàn)樗\(yùn)用了與某些魚(yú)類(lèi)相似的三維感知技術(shù)，超越鼠標(biāo)的二維輸入能力。

　　“心靈座椅”的“魚(yú)卡(Fish Card)”和其它功能單元如圖2所示。這套系統(tǒng)通過(guò)對(duì)于發(fā)射狀態(tài)下的電場(chǎng)的感知，測(cè)量座椅上的人手、腳的位置和動(dòng)作。一個(gè)70kHz的發(fā)射天線被隱藏于座椅的襯墊中，當(dāng)有人坐在上面的時(shí)候，人體則延伸了天線的范圍。而4支傳感器接收天線則被裝飾在椅子的前端，用來(lái)接收人體的運(yùn)動(dòng)。這些輸入信號(hào)與腳部動(dòng)作的拾取結(jié)合起來(lái)，從而提供了事件的觸發(fā)信號(hào)。而距離表演者三英尺遠(yuǎn)處，在經(jīng)過(guò)解調(diào)的感知接收信號(hào)和8位AD轉(zhuǎn)換器之間使用了一個(gè)對(duì)數(shù)放大器，令信號(hào)更加符合線性，便于進(jìn)行表演者姿態(tài)的解析。

　　使用“心靈座椅”進(jìn)行表演之前，需要做一些標(biāo)定，以進(jìn)行系統(tǒng)和表演者之間的校準(zhǔn)。手的位置被映射為一個(gè)3x3的柵格，并通過(guò)最小二乘的線性擬合，對(duì)靜電環(huán)境的變化進(jìn)行補(bǔ)償，包括電子儀器的漂移。表演者以座椅的燈為參照物，把握自己動(dòng)作的范圍，以及進(jìn)入、離開(kāi)柵格平面的時(shí)機(jī)。

安全氣囊應(yīng)用方案: 誰(shuí)在座椅之中?

　　截止上個(gè)世紀(jì)末，僅僅在北美就有超過(guò)9500萬(wàn)輛小客車(chē)和輕型貨車(chē)為駕駛員配備了安全氣囊。公路安全保險(xiǎn)機(jī)構(gòu)的報(bào)告稱(chēng)：安全氣囊在超過(guò)330萬(wàn)起撞車(chē)事故中被觸發(fā)。而依據(jù)美國(guó)國(guó)家公路交通安全部(NHTSA)的資料，僅在1986年至2000年3月之間，安全氣囊已挽救了超過(guò)5300人的生命。盡管如此，由于沒(méi)有特別考慮乘客身形的大小，原本用來(lái)保護(hù)正常體形成年人的安全氣囊，反而可能給身形較小的乘客--特別是兒童，帶來(lái)嚴(yán)重的、甚至是致命的傷害。最直接的解決方法之一，就是當(dāng)兒童坐在座椅之中時(shí)關(guān)閉安全氣囊系統(tǒng)。而另一個(gè)值得推薦的辦法，則是讓兒童坐在后排的座椅上。但是這些人工的解決辦法，并不會(huì)比告訴司機(jī)“安全帶可以救命，所以應(yīng)該扣好安全帶”更有效多少。

　　為了保護(hù)所有類(lèi)型的乘客，需要一種所謂“智能的安全氣囊”。智能的安全氣囊應(yīng)該能夠區(qū)別兒童和成年人，并且能在適當(dāng)?shù)臅r(shí)候展開(kāi)。為了進(jìn)行乘客感知和探測(cè)，已經(jīng)提出了數(shù)種構(gòu)想--諸如使用重量傳感器、超聲波距離感知技術(shù)、光學(xué)感知技術(shù)等。這些最初的構(gòu)想所存在的問(wèn)題是：在一些情形下，系統(tǒng)會(huì)出現(xiàn)誤判。例如，車(chē)禍發(fā)生的時(shí)候，一袋食品就可能有足夠的重量讓安全氣囊毫無(wú)必要地啟動(dòng)。而更換安全氣囊是非常昂貴的，所以像這樣不必要的安全氣囊展開(kāi)會(huì)引起消費(fèi)者的不滿。再舉一個(gè)例子，如果乘客拿著一份報(bào)紙?jiān)诳矗瑫?huì)讓基于超聲波技術(shù)或是光學(xué)技術(shù)的系統(tǒng)誤以為他距離安全氣囊很近--而實(shí)際上并非如此。重量感知技術(shù)很難在車(chē)輛(以及乘客自身)在運(yùn)動(dòng)的時(shí)候使用，而且當(dāng)乘客把腳放在不同的位置、用不同的力量蹬地時(shí)，它也會(huì)受到影響。盡管如此，美國(guó)聯(lián)邦機(jī)動(dòng)車(chē)安全標(biāo)準(zhǔn)(FMVSS)208仍然草擬了推動(dòng)更先進(jìn)安全氣囊的發(fā)展規(guī)劃。從2003年9月開(kāi)始到2004年7月1日，所有的汽車(chē)制造商必須保證他們售出的新車(chē)中，至少20%是通過(guò)了該項(xiàng)法規(guī)測(cè)試的新車(chē)型。而到2006年7月31日，則要達(dá)到100%。

　　電場(chǎng)感知技術(shù)似乎可以解決其它感知技術(shù)存在的所有缺陷。不過(guò)，以汽車(chē)電子的標(biāo)準(zhǔn)來(lái)說(shuō)，在“魚(yú)卡”上所用到的電路太昂貴、面積也太大了。要將它變得實(shí)用而且價(jià)格適宜，就需要把電場(chǎng)技術(shù)相關(guān)的電路嵌入到一片集成電路之中。

電場(chǎng)集成電路
　　
　　在Motorola、Elesys和MIT的工程師們的協(xié)作下，試圖完成某種意義上的另一個(gè)“魔術(shù)”—僅僅一片集成電路，可以讓你十分簡(jiǎn)單地設(shè)計(jì)出一個(gè)電場(chǎng)感知系統(tǒng)。最終，Motorola MC33794模擬集成電路誕生了，它可用于借助電場(chǎng)進(jìn)行物體檢測(cè)。

　　這片集成電路進(jìn)行電場(chǎng)感知的基本電路其實(shí)是相當(dāng)簡(jiǎn)單的。如圖3所示，一個(gè)低壓的大約120kHz的正弦信號(hào)被送到了發(fā)射電極上。而電極則是大電容的一部分。

　　 C = εA/d，

　　其中ε是介電常數(shù)，

　　A 是極板的面積，

　　而d則是極板的間距。

　　由于電容與面積是成正比的，面積翻倍則電容也翻倍，而若邊長(zhǎng)尺寸翻倍則電容相應(yīng)變?yōu)樵瓉?lái)的4倍。同時(shí)，電容與間距成反比，所以如果間距翻倍，則電容將減半。通常情況下，其阻抗為13K至130K歐姆(10pF至100pF)。理想狀態(tài)下，電阻值應(yīng)該小于1300歐姆(10%)，因?yàn)殡娮柚堤邥?huì)降低對(duì)電容量變化的靈敏度。

　　接收電極是系統(tǒng)中的探測(cè)器。它輸出的信號(hào)首先將經(jīng)過(guò)一次低通濾波，信號(hào)隨著電容量的增加而減弱。

　　幾乎所有的物體都在一定程度上導(dǎo)電——或者說(shuō)是有著各自的介電常數(shù)，所以它能對(duì)周?chē)碾妶?chǎng)環(huán)境帶來(lái)影響，而這種影響可以被感知。集成電路所檢測(cè)到的信號(hào)取決于集成電路中從電極到回路(信號(hào)地)之間的電流大小。而電流則是電導(dǎo)率沿著電場(chǎng)路徑的積分。幾乎任何導(dǎo)體都可以作為一個(gè)電場(chǎng)傳感器，此時(shí)將其視為電容的一個(gè)極板。使用多個(gè)電極，則可以產(chǎn)生具有一定形狀的電場(chǎng)——簡(jiǎn)單地說(shuō)，一個(gè)適宜于被測(cè)物體的形狀和位置的電場(chǎng)。

　　圖4以框圖的形式展現(xiàn)了此芯片的全部功能。這片集成電路產(chǎn)生一個(gè)低頻的正弦電磁波，120kHz、峰－峰值為5.0V。正弦波的波形諧波頻率非常低，降低了高頻干擾的可能性。在ABCD輸入引腳和邏輯單元的控制下，一個(gè)內(nèi)置的多路復(fù)用器(MUX OUT)將選定信號(hào)送至11個(gè)引腳(9個(gè)電極引腳和2個(gè)參考引腳)中的某一個(gè)上。同時(shí)，一個(gè)接收的多路復(fù)用器(MUX IN)也與被選中的電極相連接，并且將信號(hào)送到一個(gè)探測(cè)器上，它將正弦信號(hào)轉(zhuǎn)換為直流電平。而直流電平再經(jīng)過(guò)一個(gè)外接電容(LP Cap)的濾波，隨后做增益和補(bǔ)償，從而提高靈敏度。設(shè)備中所有未被選中的電極輸出都被下拉接地。

　　在被選中的電極和其它接地的電極中的電流，再加上電極附近其它接地的物體，會(huì)在內(nèi)部電阻上產(chǎn)生電壓降。而物體進(jìn)入、離開(kāi)電場(chǎng)將會(huì)改變電流的大小，從而影響集成電路內(nèi)的電壓，進(jìn)一步影響到電容(LP Cap)上的電壓以及電平引腳(Level)。

　　當(dāng)使用同軸電纜連接遠(yuǎn)處的電極時(shí)，集成電路內(nèi)置的屏蔽驅(qū)動(dòng)器可以將感應(yīng)電容降到最低。將與被選中電極相等的電壓加到電纜的屏蔽層上，在電纜屏蔽層和纜芯導(dǎo)體之間就不會(huì)有電壓差，所以也就不會(huì)有電流。這帶來(lái)的好處就是，可以降低感應(yīng)電容，保持對(duì)電極電容的靈敏度。這就允許電極被安置于集成電路一定距離以外，而測(cè)量起來(lái)就像緊接著集成電路的輸出腳一樣。于是，可以使用單片集成電路來(lái)支持分布在較大區(qū)域的多個(gè)電極。

　　電場(chǎng)集成電路可以直接與微控制器接口。該集成電路中提供了兩個(gè)穩(wěn)壓器、一個(gè)上電復(fù)位/失壓監(jiān)測(cè)、看門(mén)狗電路、指示燈驅(qū)動(dòng)器、傳感電路部分，還有一個(gè)在汽車(chē)領(lǐng)域以及其它一些領(lǐng)域常用的ISO 9141物理層通信接口。

電場(chǎng)感知技術(shù)的其它應(yīng)用

　　自1991年以來(lái)，電場(chǎng)擾動(dòng)的感知技術(shù)就被用于音樂(lè)創(chuàng)作。MIT's Media Lab運(yùn)用該技術(shù)制作了一件樂(lè)器“hypercello”，大提琴演奏家 馬友友 則使用它演奏了Tod Machover的作品《Begin Again Again》。表演者的手、頭、腿的運(yùn)動(dòng)將會(huì)改變發(fā)射和接收電極之間的電場(chǎng)，而hypercello則通過(guò)檢測(cè)這種變化從而控制生成一系列的聲音。同樣的技術(shù)也被用來(lái)構(gòu)建更加理想的計(jì)算機(jī)接口，比如FishPad——由MIT設(shè)計(jì)的一種基于動(dòng)作的輸入設(shè)備，它可用來(lái)進(jìn)行虛擬空間中的定位——在未來(lái)或許能成為鼠標(biāo)的替代品。所謂理想的接口，就是當(dāng)使用者作動(dòng)作的時(shí)候，無(wú)論是徒手動(dòng)作或是操作著什么，計(jì)算機(jī)都能持續(xù)地獲知他的狀態(tài)。隨著適于商業(yè)設(shè)計(jì)集成電路的推出，若干個(gè)新的構(gòu)想已經(jīng)逐漸浮現(xiàn)出來(lái)。

　　電場(chǎng)感知技術(shù)在手持設(shè)備應(yīng)用中也有潛在的價(jià)值，適于檢測(cè)用戶是否還把設(shè)備握在手中。諸如電吹風(fēng)或電熨斗之類(lèi)的電器就是理想的候選方案。只要你松開(kāi)手一段時(shí)間，這些電器就能自動(dòng)斷電。另一個(gè)應(yīng)用是健身器械，在使用時(shí)需要握住的手柄中裝上電極—松開(kāi)手柄就能讓器械停止。

　　另一個(gè)可能性是在底部耦合了電場(chǎng)的小電爐，可以感知到平底鍋的存在和尺寸。那么，可以讓電爐僅僅加熱符合平底鍋大小的范圍，而且可以在鍋移走的時(shí)候自動(dòng)關(guān)火、鍋放回的時(shí)候繼續(xù)加熱。同樣，也可能檢測(cè)到沸騰溢出，并且相應(yīng)地把火量關(guān)小。

　　感知技術(shù)還可用于煤氣灶，它可以檢測(cè)出煤氣的泄漏，及時(shí)關(guān)火或者是切斷煤氣，從而避免發(fā)生爆炸。

　　還有一個(gè)應(yīng)用是檢測(cè)洗衣機(jī)里的水位。如果洗衣桶是非金屬的，則可以在桶外安置金屬的電極；而若是金屬桶，則可以在桶內(nèi)安置內(nèi)藏電極的探測(cè)棒。

　　在自動(dòng)咖啡機(jī)中，則可以有三種功能?？Х葯C(jī)可以用電場(chǎng)感知倒入了多少水，并且調(diào)整添加量，總能保持咖啡有相同的濃度。而在加熱器中有電極的咖啡機(jī)，可以感知到壺中的液體，當(dāng)壺移開(kāi)時(shí)就停止加熱。同樣，也可以感知水是否已經(jīng)沸騰，及時(shí)停止加熱。這些傳感器或許不能放置在同一個(gè)位置，所以可能需要設(shè)置多個(gè)傳感器。

　　如果在一個(gè)水泵的PVC管上安置電極，就可以知道是否已經(jīng)抽干，從而避免損壞水泵。而考慮到干水泵需先添加水，也可以設(shè)置一個(gè)添水按鈕或是定時(shí)開(kāi)關(guān)。

　　全地形車(chē)(ATV)以及摩托艇可以在操縱桿和座位中安置電極，當(dāng)松開(kāi)操縱桿或人的身體跌離座椅時(shí)，自動(dòng)關(guān)閉發(fā)動(dòng)機(jī)。另外，不僅能夠?qū)喿?、腳踏板，而且能夠?qū)θ俗陨淼膭?dòng)作做出響應(yīng)的摩托車(chē)——也是一種吸引消費(fèi)者的新概念。

　　除了這些想法以外，還有一些電場(chǎng)感知技術(shù)的汽車(chē)應(yīng)用方案被提出來(lái)。

　　由電場(chǎng)感知技術(shù)驅(qū)動(dòng)的座椅，可以確定乘客的體形和位置，然后僅需按一個(gè)按鈕就可以自動(dòng)調(diào)整到適合安全氣囊的最佳位置。

　　在方向盤(pán)的邊緣裝置電極，可以察覺(jué)方向盤(pán)被松開(kāi)，及時(shí)啟動(dòng)警報(bào)喚醒睡著了的駕駛員。如果駕駛員沒(méi)有做出適當(dāng)?shù)姆从常缫呀?jīng)喪失駕駛能力，車(chē)控系統(tǒng)則會(huì)逐漸把車(chē)停下來(lái)。

　　座椅電極可以在車(chē)內(nèi)無(wú)人而車(chē)開(kāi)始移動(dòng)的時(shí)候進(jìn)行決策，通過(guò)ABS系統(tǒng)將車(chē)剎住。這樣，可以在駕駛員離開(kāi)汽車(chē)而又忘記拉手閘或是掛停車(chē)檔時(shí)，防止車(chē)滑動(dòng)發(fā)生意外。

　　以上僅是關(guān)于電場(chǎng)感知技術(shù)的一些構(gòu)想，你也可以運(yùn)用它創(chuàng)造更多的新產(chǎn)品——就像變魔術(shù)一樣——正如以前其它新的技術(shù)出現(xiàn)時(shí)?！?/P>

參考文獻(xiàn):

1.  Joseph A. Paradiso and Neil Gershenfeld, "Musical Applications of Electric Field Sensing," MIT Website.

2.  MC33794 Data sheet, Motorola Website.