簡介

近年來，電容式觸摸技術(shù)一直在慢慢進(jìn)入汽車市場。從中控臺信息娛樂觸摸屏到簡單的HVAC按鈕/滑塊/滾輪——電容式傳感技術(shù)呈現(xiàn)出迅猛發(fā)展的態(tài)勢。工程師們在不斷尋找創(chuàng)新方法以將電容式傳感技術(shù)整合到現(xiàn)有的成熟應(yīng)用中。推動該技術(shù)使用日益增加的幾個(gè)因素為，與標(biāo)準(zhǔn)機(jī)械按鈕/開關(guān)相比，其成本更低、可配置性更高、更簡單易用并且系統(tǒng)性能也顯著改善。

電容式觸摸傳感取得新進(jìn)展的一個(gè)此類應(yīng)用是被動車輛門禁應(yīng)用。在該應(yīng)用中，位于門把手中的觸摸傳感器用于檢測駕駛員的手，以及激活被動無鑰門禁驗(yàn)證系統(tǒng)以鎖定/解鎖車輛。以這種方式使用電容式觸摸傳感無需昂貴的機(jī)械開關(guān)和耗電輪詢方案。由于被動門禁系統(tǒng)通過電容式觸摸消除了這些障礙，因此對與最終用戶而言變得愈加方便和可靠。駕駛員解鎖并進(jìn)入車內(nèi)的流程從未如此簡單和透明。只需觸摸門把手，打開門，然后駕車離開。

進(jìn)一步了解電容式觸摸傳感器如何應(yīng)用于被動門禁系統(tǒng)，并詳細(xì)了解一些工程師在設(shè)計(jì)具有電容傳感功能的被動門禁門把手時(shí)可能遇到的一些優(yōu)勢和挑戰(zhàn)。

被動無鑰門禁

概述

被動門禁系統(tǒng)多年來一直是許多高端汽車的主打功能。即使是最低配置汽車，只要配備被動無鑰門禁（PKE），駕駛員便可輕松進(jìn)入車輛，無需將鑰匙插入門鎖或按下鑰匙上的按鈕來解鎖車門。

圖1-1. 典型PKE系統(tǒng)

PKE是稱為被動門禁和啟動系統(tǒng)（PEPS）或被動門禁啟動（PEG）的更大車輛進(jìn)出系統(tǒng)的一部分。PEPS/PEG系統(tǒng)負(fù)責(zé)控制車輛進(jìn)出（車門上鎖/解鎖），還允許通過使能/禁止車輛防盜鎖止系統(tǒng)來駕駛汽車。

LF通信

PKE系統(tǒng)由LF（低頻）接收器和LF發(fā)射器組成。LF接收器通常位于鑰匙中，而鑰匙通常在駕駛員手中。LF發(fā)射器位于車身內(nèi)。啟動鑰匙與汽車之間的LF通信的最常見方法是駕駛員通過拉動駕駛員側(cè)的門把手來手動激活解鎖開關(guān)。在這種情況下，PKE系統(tǒng)是根據(jù)駕駛員的要求觸發(fā)的，僅在啟動LF通信、驗(yàn)證鑰匙響應(yīng)和解鎖車門所需的短暫時(shí)間內(nèi)激活。在所有其他時(shí)間內(nèi)，PKE系統(tǒng)將保持休眠模式。

上述機(jī)械觸發(fā)PKE系統(tǒng)的方式存在一個(gè)主要缺陷——成本。用于觸發(fā)LF通信的機(jī)械開關(guān)十分昂貴。降低成本的一種方法是用電容式觸摸傳感器代替機(jī)械開關(guān)。

PKE系統(tǒng)要求

在開發(fā)利用電容式觸摸傳感技術(shù)的PKE系統(tǒng)時(shí)，必須考慮幾個(gè)關(guān)鍵要求。這些要求包括：

• 響應(yīng)時(shí)間

• 功耗

• 環(huán)境影響

• 可靠性

響應(yīng)時(shí)間

典型PKE系統(tǒng)的總響應(yīng)時(shí)間應(yīng)短于150 ms。此數(shù)值包括喚醒門把手模塊、檢測解鎖傳感器上的觸摸信號、初始化LF通信、驗(yàn)證鑰匙響應(yīng)和解鎖車門（通常需要與中央車身控制器通信）所需的時(shí)間。

由機(jī)械開關(guān)激活的PKE系統(tǒng)將相對快速地喚醒，并且需要極短時(shí)間便可啟動LF通信。由于涉及基于單片機(jī)的電子設(shè)備，電容系統(tǒng)在喚醒后將需要額外的時(shí)間來檢測觸摸和啟動LF通信。為了確保在150 ms窗口內(nèi)解鎖車門，獲取和測量電容觸摸門把手觸摸信號的典型時(shí)間應(yīng)短于20 ms。

功耗

PKE門把手模塊的平均功耗應(yīng)小于100 uA。此外，對于通過開關(guān)機(jī)械激活LF通信的通風(fēng)系統(tǒng)，這不是問題，因?yàn)槟K喚醒通常由開關(guān)激活以中斷方式驅(qū)動。在這種情況下，電流消耗通常遠(yuǎn)低于100uA的要求，僅有幾u(yù)A，具體取決于應(yīng)用中使用的單片機(jī)（MCU）。另一方面，電容式觸摸門把手模塊必須進(jìn)行輪詢或定期從休眠模式喚醒，并檢查解鎖傳感器上是否存在觸摸信號。因此，必須仔細(xì)設(shè)計(jì)電容式觸摸系統(tǒng)的輪詢間隔，以平衡電流消耗與要觸摸的傳感器的整體響應(yīng)。

環(huán)境影響

PKE門把手位于駕駛員側(cè)車門外部，因此將受到各種惡劣工作條件的影響，包括炎熱、寒冷和潮濕（最嚴(yán)重）。無論P(yáng)KE LF通信是通過開關(guān)機(jī)械啟動還是使用電容觸摸啟動，炎熱和寒冷條件下的工作要求均相同。而潮濕則是一個(gè)完全不同的問題。

在機(jī)械開關(guān)的PKE系統(tǒng)中，LF通信通過按下物理按鈕啟動。由于模塊與環(huán)境密封隔離，機(jī)械按鈕不會直接受到潮濕環(huán)境的影響。它在潮濕或干燥工作條件下的功能相同。而對于采用電容觸摸的門把手，情況并非如此。

由于正在監(jiān)視觸摸傳感器是否有極小的電容變化，因此電容的任何變化（無論是由人手還是雨滴引起）都有可能被解釋為觸摸。只要發(fā)生錯(cuò)誤觸摸檢測，LF通信序列就會啟動，這將增加車輛的平均電流消耗。如果在這種模式下長時(shí)間運(yùn)行，可能導(dǎo)致汽車電池耗盡。正因如何，必須小心確保增強(qiáng)電容觸摸PKE門把手模塊的耐受性，避免由于潮濕導(dǎo)致誤檢。

就觸摸而言，防潮性是電容式傳感門把手模塊最可能出現(xiàn)問題的工作要求。所有其他要求（如響應(yīng)時(shí)間和功耗）都可以通過選擇合適的MCU并正確構(gòu)建系統(tǒng)來滿足。

可靠性

PKE系統(tǒng)必須具有極高的可靠性，并且無論何時(shí)都可以解鎖車門。否則，無論是由于響應(yīng)時(shí)間增加而導(dǎo)致的延時(shí)，還是由于機(jī)械開關(guān)故障而導(dǎo)致的災(zāi)難性故障，都是不可接受的。在最不嚴(yán)重的情況下，不可靠的系統(tǒng)將給駕駛員帶來煩惱，而在最壞的情況下，災(zāi)難性故障將導(dǎo)致車門鎖住以及車輛無法駕駛。必須不惜一切代價(jià)來避免這兩種情況。

機(jī)械開關(guān)會隨著時(shí)間的推移而磨損。而電容式觸摸傳感器則沒有此問題，因?yàn)樗鼈兺ǔＲ杂∷㈦娐钒迳香~走線的方式實(shí)現(xiàn)。不過，如前所述，電容式觸摸傳感器對潮濕十分敏感，因此必須注意增強(qiáng)設(shè)計(jì)的耐受性，以避免潮濕引起的意外觸摸激活。下一節(jié)將更詳細(xì)地討論這一主題。

電容式觸摸傳感與水分

一般來說，只要人體（無論是手指還是手等部位）接觸傳感器，都會發(fā)生觸摸。當(dāng)手指靠近傳感器時(shí)，它開始將觸摸采集階段產(chǎn)生的電場從自由空間轉(zhuǎn)移到大地，從而導(dǎo)致傳感器電容發(fā)生變化。電容的這種變化決定了傳感器的檢測狀態(tài)。

圖1-2. 傳感器與手指——觸摸檢測

任何改變傳感器電容的導(dǎo)電材料或物體都將導(dǎo)致觸摸檢測。水就是這樣一種物質(zhì)，會給觸摸傳感器操作造成極大干擾。

為什么水分會給電容式觸摸傳感器帶來這種問題？因?yàn)樗哂懈邔?dǎo)電性。當(dāng)水流到傳感器的表面時(shí)，它會形成一個(gè)導(dǎo)電層，最終導(dǎo)致錯(cuò)誤的觸摸指示。

圖1-3. 傳感器與水——錯(cuò)誤觸摸檢測

該導(dǎo)電層將轉(zhuǎn)移傳感器在觸摸采集階段產(chǎn)生的電場，使之遠(yuǎn)離自由空間。聚集的水很容易與附近的傳感器和周圍的電路接觸，然后為電場提供一個(gè)低阻抗到地路徑。這將導(dǎo)致傳感器的總測量電容發(fā)生變化，如果不加以抑制，將最終導(dǎo)致錯(cuò)誤觸摸檢測。

水分與電容式觸摸傳感器

既然已經(jīng)解釋了水分對電容式觸摸傳感器的影響，那么設(shè)計(jì)人員如何防止由過多水分導(dǎo)致的誤檢？

可選擇保護(hù)通道和相鄰按鍵抑制（AKS）邏輯這兩種傳統(tǒng)水分檢測方法。不過，一旦檢測到水分，這兩種方法通常會禁止隨后的觸摸檢測。這兩種方法會使觸摸傳感器在除去水分前無法工作。在使用PKE系統(tǒng)時(shí)，門把手模塊不能簡單地在檢測到水分后立即進(jìn)入“鎖定”模式，阻止駕駛員進(jìn)入車內(nèi)。無論解鎖傳感器上有多少積水，PKE門把手模塊都必須能夠完全工作并且必須能夠檢測觸摸。為了實(shí)現(xiàn)這種高級功能，應(yīng)用需要一種忽略水分但仍能檢測觸摸的新方法。

識別水分和人體觸摸

在汽車工作環(huán)境中，水分可以呈現(xiàn)出多種形式，如水滴形式的凝露或雨水。對于電容式觸摸傳感器來說，凝露通常不是問題，因?yàn)檫@種類型的水分往往是隨著時(shí)間的推移在觸摸傳感器的表面緩慢形成。結(jié)果是，由于這種類型水分導(dǎo)致的傳感器電容總變化率相對較小，因此可以通過應(yīng)用固件中的觸摸漂移算法輕松補(bǔ)償。而雨滴則由于與觸摸傳感器接觸的方式隨機(jī)且相當(dāng)突然，因此不那么容易補(bǔ)償。

水滴通常是由從天而降的雨水或者由洗車行或花園軟管產(chǎn)生的噴水形成。當(dāng)這些水滴與電容式觸摸傳感器接觸時(shí)，它們會在測量的傳感器信號電平中產(chǎn)生非常陡峭的瞬時(shí)尖峰，這是傳感器電容變化的結(jié)果。傳感器信號電平的急劇變化與通過駕駛員的手指或手進(jìn)行人體接觸期間觀察到的響應(yīng)類型有很大不同。人為接觸引起的觸摸檢測對信號的影響更為長久，導(dǎo)致傳感器信號分布曲線的變化更加緩慢。

下圖顯示了電容式觸摸傳感器在未觸摸（穩(wěn)態(tài)）、有水分但未觸摸和已觸摸這三種狀態(tài)下的典型響應(yīng)。

圖1-4. 電容式觸摸傳感器對雨滴和人為觸摸的典型響應(yīng)

觸摸傳感器響應(yīng)中的這些差異對于每個(gè)事件都是惟一的，可支持開發(fā)專門的觸摸處理算法。這些算法與其他減少水分的技術(shù)結(jié)合使用時(shí)，可以用來在雨滴與觸摸傳感器接觸時(shí)消除雨滴的影響，并最終避免意外的觸摸檢測。

減少水分

信號異常值

減少水分的技術(shù)和算法可以采取許多不同的形式。Microchip采用的一種防止水滴在觸摸傳感器上相互作用的方法是，在傳感器級搜索傳感器信號異常值或尖峰。利用這種方法，執(zhí)行一系列測量，并計(jì)算傳感器信號電平的連續(xù)平均值。然后將平均傳感器信號電平與通過以下方式識別水滴時(shí)記錄的最小和最大信號值進(jìn)行比較：

(最大值 – 平均值) > (平均值 – 最小值)

為最大程度減少錯(cuò)誤的水滴檢測，必須根據(jù)傳感器靈敏度調(diào)整算法。這可通過將檢測閾值代入如下公式來實(shí)現(xiàn)：

(最大值 – 平均值 > [(平均值 – 最小值 + 閾值]

這樣一來，我們可以確保只有最小/最大異常值與平均值之間有顯著差異的傳感器測量被識別為水滴。

集總傳感器元件

當(dāng)雨水與觸摸傳感器接觸時(shí)，它與傳感電極表面接觸的時(shí)間和位置都是隨機(jī)的。如果傳感器設(shè)計(jì)為單電極，與傳感器接觸的任何液滴都可能觸發(fā)錯(cuò)誤的觸摸檢測。在觸摸傳感器較大的情況下，如同汽車門把手應(yīng)用解鎖傳感器的情況一樣，將傳感器分成幾個(gè)更小的傳感電極可能很有幫助。獲取位于PCB上不同區(qū)域的多個(gè)電極上的觸摸信號可以提供關(guān)于觸摸傳感器工作環(huán)境的更直接的反饋。水分檢測算法可用的傳感器數(shù)據(jù)越多，對水分的識別就越準(zhǔn)確。將由單個(gè)電極組成的傳感器分成可以集總在一起的多個(gè)電極有助于完成這項(xiàng)任務(wù)。

每個(gè)具有外設(shè)觸摸控制器（PTC）的Microchip MCU都可以使用集總模式功能。集總模式允許設(shè)計(jì)人員將多個(gè)傳感器電極組合或合并成更大的傳感器元件，這些傳感器元件可以獨(dú)立工作，也可以成組工作。

見下例：

圖1-5. 假設(shè)的集總模式傳感器配置

所示的集總傳感器由四個(gè)物理傳感器電極S0、S1、S2和S3組成。S4、S5和S6傳感器是由S0-S3電極的“集總”組合構(gòu)成的虛擬傳感器。 組合時(shí)，這些電極形成新的傳感器組：

S4 = S0 + S1，

S5 = S2 + S3

S6 = S0 + S1 + S2 + S3

在觸摸采集階段，傳感器可獨(dú)立掃描，也可以集總傳感器組的形式掃描，或者以應(yīng)用所需的任何方式掃描。隨后，每個(gè)通道的觸摸數(shù)據(jù)將通過水分檢測濾波器以確定系統(tǒng)的總體“濕度”，并對所施加的水分或人為觸摸提供所需的響應(yīng)。

最終想法

機(jī)械開關(guān)曾經(jīng)一度是被動無鑰門禁門把手設(shè)計(jì)人員的惟一選擇。機(jī)械開關(guān)為系統(tǒng)增加了不必要的成本，需要額外的用戶交互級別，并且會隨著時(shí)間的推移而磨損。在汽車領(lǐng)域，成本、便利性和可靠性是市場的推動因素。只需用電容式觸摸傳感器代替PKE門把手中的機(jī)械開關(guān)便會大有改觀。與機(jī)械開關(guān)系統(tǒng)相比，電容式觸摸傳感器可節(jié)省成本，操作和交互更加方便，并且有助于提高可靠性。不過，將電容式觸摸技術(shù)應(yīng)用于門把手會帶來一系列新的技術(shù)挑戰(zhàn)，設(shè)計(jì)PK E系統(tǒng)時(shí)必須納入考慮。防潮性、電流消耗和響應(yīng)時(shí)間都是設(shè)計(jì)考慮因素，要避免發(fā)生意外的觸摸檢測、電池使用壽命縮短以及客戶對最終產(chǎn)品的總體滿意度降低，必須考慮這些因素。上述挑戰(zhàn)均可應(yīng)對但沒有足夠的規(guī)劃和預(yù)想，而電容式觸摸傳感器助力汽車PKE舒適系統(tǒng)的發(fā)展向前推進(jìn)了一步。Microchip提供豐富的電容式觸摸傳感產(chǎn)品，能夠滿足汽車門把手應(yīng)用的需求。Microchip觸摸解決方案高度集成，不需要外部組件，非常可靠且極易實(shí)現(xiàn)。Microchip提供的觸摸解決方案包括mTouch?（適合基于PIC?的單片機(jī)（MCU））和QTouch?（適合AVR?及基于ARM?的MCU）。