電容式觸摸傳感器如何應(yīng)用于被動(dòng)門(mén)禁系統(tǒng)資料下載

簡(jiǎn)介 近年來(lái)，電容式觸摸技術(shù)一直在慢慢進(jìn)入汽車(chē)市場(chǎng)。從中控臺(tái)信息娛樂(lè)觸摸屏到簡(jiǎn)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(shì)。工程師們?cè)诓粩鄬ふ覄?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(dòng)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(kāi)關(guān)相比，其成本更低、可配置性更高、更簡(jiǎn)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(lèi)應(yīng)用是被動(dòng)車(chē)輛門(mén)禁應(yīng)用。在該應(yīng)用中，位于門(mén)把手中的觸摸傳感器用于檢測(cè)駕駛員的手，以及激活被動(dòng)無(wú)鑰門(mén)禁驗(yàn)證系統(tǒng)以鎖定/解鎖車(chē)輛。以這種方式使用電容式觸摸傳感無(wú)需昂貴的機(jī)械開(kāi)關(guān)和耗電輪詢(xún)方案。由于被動(dòng)門(mén)禁系統(tǒng)通過(guò)電容式觸摸消除了這些障礙，因此對(duì)與最終用戶(hù)而言變得愈加方便和可靠。駕駛員解鎖并進(jìn)入車(chē)內(nèi)的流程從未如此簡(jiǎn)單和透明。只需觸摸門(mén)把手，打開(kāi)門(mén)，然后駕車(chē)離開(kāi)。 進(jìn)一步了解電容式觸摸傳感器如何應(yīng)用于被動(dòng)門(mén)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(dòng)門(mén)禁門(mén)把手時(shí)可能遇到的一些優(yōu)勢(shì)和挑戰(zhàn)。 被動(dòng)無(wú)鑰門(mén)禁 概述 被動(dòng)門(mén)禁系統(tǒng)多年來(lái)一直是許多高端汽車(chē)的主打功能。即使是最低配置汽車(chē)，只要配備被動(dòng)無(wú)鑰門(mén)禁（PKE），駕駛員便可輕松進(jìn)入車(chē)輛，無(wú)需將鑰匙插入門(mén)鎖或按下鑰匙上的按鈕來(lái)解鎖車(chē)門(mén)。 圖1-1. 典型PKE系統(tǒng) PKE是稱(chēng)為被動(dòng)門(mén)禁和啟動(dòng)系統(tǒng)（PEPS）或被動(dòng)門(mén)禁啟動(dòng)（PEG）的更大車(chē)輛進(jìn)出系統(tǒng)的一部分。PEPS/PEG系統(tǒng)負(fù)責(zé)控制車(chē)輛進(jìn)出（車(chē)門(mén)上鎖/解鎖），還允許通過(guò)使能/禁止車(chē)輛防盜鎖止系統(tǒng)來(lái)駕駛汽車(chē)。 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(chē)身內(nèi)。啟動(dòng)鑰匙與汽車(chē)之間的LF通信的最常見(jiàn)方法是駕駛員通過(guò)拉動(dòng)駕駛員側(cè)的門(mén)把手來(lái)手動(dòng)激活解鎖開(kāi)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(dòng)LF通信、驗(yàn)證鑰匙響應(yīng)和解鎖車(chē)門(mén)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(kāi)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(kāi)關(guān)。 PKE系統(tǒng)要求 在開(kāi)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(mén)把手模塊、檢測(cè)解鎖傳感器上的觸摸信號(hào)、初始化LF通信、驗(yàn)證鑰匙響應(yīng)和解鎖車(chē)門(mén)（通常需要與中央車(chē)身控制器通信）所需的時(shí)間。 由機(jī)械開(kāi)關(guān)激活的PKE系統(tǒng)將相對(duì)快速地喚醒，并且需要極短時(shí)間便可啟動(dòng)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(lái)檢測(cè)觸摸和啟動(dòng)LF通信。為了確保在150 ms窗口內(nèi)解鎖車(chē)門(mén)，獲取和測(cè)量電容觸摸門(mén)把手觸摸信號(hào)的典型時(shí)間應(yīng)短于20 ms。 功耗 PKE門(mén)把手模塊的平均功耗應(yīng)小于100 uA。此外，對(duì)于通過(guò)開(kāi)關(guān)機(jī)械激活LF通信的通風(fēng)系統(tǒng)，這不是問(wèn)題，因?yàn)槟K喚醒通常由開(kāi)關(guān)激活以中斷方式驅(qū)動(dòng)。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(mén)把手模塊必須進(jìn)行輪詢(xún)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(hào)。因此，必須仔細(xì)設(shè)計(jì)電容式觸摸系統(tǒng)的輪詢(xún)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(mén)把手位于駕駛員側(cè)車(chē)門(mén)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(wú)論P(yáng)KE LF通信是通過(guò)開(kāi)關(guān)機(jī)械啟動(dòng)還是使用電容觸摸啟動(dòng)，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(wèn)題。 在機(jī)械開(kāi)關(guān)的PKE系統(tǒng)中，LF通信通過(guò)按下物理按鈕啟動(dòng)。由于模塊與環(huán)境密封隔離，機(jī)械按鈕不會(huì)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(duì)于采用電容觸摸的門(mén)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(wú)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(cè)，LF通信序列就會(huì)啟動(dòng)，這將增加車(chē)輛的平均電流消耗。如果在這種模式下長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行，可能導(dǎo)致汽車(chē)電池耗盡。正因如何，必須小心確保增強(qiáng)電容觸摸PKE門(mén)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(mén)把手模塊最可能出現(xiàn)問(wèn)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(guò)選擇合適的MCU并正確構(gòu)建系統(tǒng)來(lái)滿(mǎn)足。 可靠性 PKE系統(tǒng)必須具有極高的可靠性，并且無(wú)論何時(shí)都可以解鎖車(chē)門(mén)。否則，無(wú)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(kāi)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(lái)煩惱，而在最壞的情況下，災(zāi)難性故障將導(dǎo)致車(chē)門(mén)鎖住以及車(chē)輛無(wú)法駕駛。必須不惜一切代價(jià)來(lái)避免這兩種情況。 機(jī)械開(kāi)關(guān)會(huì)隨著時(shí)間的推移而磨損。而電容式觸摸傳感器則沒(méi)有此問(wèn)題，因?yàn)樗鼈兺ǔＲ杂∷㈦娐钒迳香~走線(xiàn)的方式實(shí)現(xiàn)。不過(guò)，如前所述，電容式觸摸傳感器對(duì)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(lái)說(shuō)，只要人體（無(wú)論是手指還是手等部位）接觸傳感器，都會(huì)發(fā)生觸摸。當(dāng)手指靠近傳感器時(shí)，它開(kāi)始將觸摸采集階段產(chǎn)生的電場(chǎng)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(cè)狀態(tài)。 圖1-2. 傳感器與手指——觸摸檢測(cè) 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(cè)。水就是這樣一種物質(zhì)，會(huì)給觸摸傳感器操作造成極大干擾。 為什么水分會(huì)給電容式觸摸傳感器帶來(lái)這種問(wèn)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(huì)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(cè) 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(chǎng)，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?chē)碾娐方佑|，然后為電場(chǎng)提供一個(gè)低阻抗到地路徑。這將導(dǎo)致傳感器的總測(cè)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(cè)。 水分與電容式觸摸傳感器 既然已經(jīng)解釋了水分對(duì)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(guò)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(cè)方法。不過(guò)，一旦檢測(cè)到水分，這兩種方法通常會(huì)禁止隨后的觸摸檢測(cè)。這兩種方法會(huì)使觸摸傳感器在除去水分前無(wú)法工作。在使用PKE系統(tǒng)時(shí)，門(mén)把手模塊不能簡(jiǎn)單地在檢測(cè)到水分后立即進(jìn)入“鎖定”模式，阻止駕駛員進(jìn)入車(chē)內(nèi)。無(wú)論解鎖傳感器上有多少積水，PKE門(mén)把手模塊都必須能夠完全工作并且必須能夠檢測(cè)觸摸。為了實(shí)現(xiàn)這種高級(jí)功能，應(yīng)用需要一種忽略水分但仍能檢測(cè)觸摸的新方法。