汽車人機介面已為成車廠吸引消費者目光的利器，為讓汽車資訊娛樂系統(tǒng)功能更吸睛，不少車廠已開始導(dǎo)入高可靠度的電容觸控感測器，促使半導(dǎo)體業(yè)者積極開發(fā)專為汽車產(chǎn)業(yè)設(shè)計的電容觸控感測器，讓未來車用電容式觸控應(yīng)用市場后勢看俏。
愈來愈多多汽車的電子系統(tǒng)掀起一波革命，讓汽車演變成安全、豪華且聰明的機器。但有件事卻不曾改變，就是人與汽車之間互動的重要性，此種互動決定使用者經(jīng)驗，且是突顯車款差異化特色的重要行銷賣點。

這類系統(tǒng)能量測與追蹤使用者的互動并提供回饋，它們通稱為汽車人機介面(HMI)系統(tǒng)。從使用者的角度來看，這類互動可能是有意的，刻意向系統(tǒng)提供輸入訊息；也可能是無意的，系統(tǒng)在使用者不知情之下感測使用者的意圖。

電容感測掀起汽車HMI新浪潮

雖然在汽車環(huán)境中，采用新的人機介面技術(shù)存在眾多障礙，但工程師們持續(xù)努力改進人機介面系統(tǒng)，讓它們更直覺化、外觀更酷炫且更具吸引力。此波改革的核心主角，就是人體直覺化感測技術(shù)的創(chuàng)新。其中，電容感測徹底改變?nèi)藱C介面應(yīng)用的設(shè)計與建置。

其原理很簡單，電容感測器內(nèi)含一對彼此相近的電極(圖1)。當(dāng)人體(或任何其他導(dǎo)電物體)靠近這些電極時，電極與物體之間會產(chǎn)生額外的電容，系統(tǒng)量測到這種電容時就能判斷有物體出現(xiàn)。運用這項技術(shù)，業(yè)者可容易建構(gòu)出如按鈕、滑桿、觸控板等觸控感測器功能。

圖1 電容感測器

另一方面，電容感測還能用在近接感測，感測器與使用者身體之間不須進行接觸。要建置此類功能，只須提高感測器的靈敏度。此外，這類感測器不受視線遮蔽的限制，因此光靠一個感測器就能偵測三維(3D)空間的近接物體。

此外搭配可編程的混合訊號控制器，讓這類技術(shù)的功能更加強大。這類元件能以聰明的方式來量測電容，偵測出人體接近距離、靠近方向及能辨識操作手勢。它們還能讓業(yè)者整合其他功能，如控制馬達與發(fā)光二極體(LED)燈具，利用近距觸控等動作向使用者反應(yīng)回饋。完全可編程元件，還能藉由自設(shè)靈敏度來提升效能，及可變的掃描速度來降低耗用電流且提高雜訊免疫力，藉此帶來更高的價值。

HMI電容感測改進資訊系統(tǒng)

更多業(yè)者運用電容感測技術(shù)來取代機械式按鈕，在資訊娛樂系統(tǒng)中建構(gòu)觸控感測式按鈕。圖2顯示采用一個可編程混合訊號控制器，建構(gòu)智慧型電容感測元件。圖3、4顯示汽車中控臺上所采用電容感測技術(shù)。

圖2 以可編程混合訊號控制器建構(gòu)的智慧型電容感測元件

圖3 采用電容式觸控技術(shù)的導(dǎo)航系統(tǒng)

圖4 采用電容式觸控按鍵的汽車音響

電容式觸控按鍵進軍冷暖空調(diào)

電容式觸控感測技術(shù)亦能搭配機械式按鍵，提供功能更完備的混合型按鍵，能直接對觸碰動作做出反應(yīng)(如提供預(yù)覽功能)，對按壓動作做出反應(yīng)(如啟動對應(yīng)的功能)(圖5)。這些應(yīng)用可透過電容感測的近接感測器進一步強化，系統(tǒng)會在使用者靠近時，啟動其他額外的功能，如背光控制等(圖6)。

圖5 混合式觸控技術(shù)的實作

圖6 近接式汽車音響背光控制功能

觸控螢?zāi)淮蠓岣咂囍锌嘏_的附加價值，它們不僅為使用者介面帶來卓越的提升，而且自然地把許多控制功能整合到單一系統(tǒng)。傳統(tǒng)的觸控螢?zāi)粫鶕?jù)使用者施予機械壓力導(dǎo)致電阻值改變，藉此偵測出觸碰動作。這種觸控螢?zāi)环Q為電阻式觸控螢?zāi)?，它們本身有許多限制，事實上，它們一次僅能辨識一只手指的動作，而且長期時間會有磨損的問題。電容式觸控螢?zāi)粍t能同時偵測到多根手指，還能解讀操控手勢，并具備卓越的透光度與更高的靈敏度，如今更成為主流的觸控螢?zāi)患夹g(shù)。在汽車中采用這種螢?zāi)?，不僅能突顯設(shè)計的特色，還能改進使用者介面，電容式觸控螢?zāi)桓嗟膶嵱美影捎脕砜刂评渑照{(diào)設(shè)備、影音設(shè)備及導(dǎo)航裝置。

兩大中控臺設(shè)計模式各有千秋

以下將介紹中控臺采用的模組與整合設(shè)計模式，以及其優(yōu)劣勢分析。

模組設(shè)計模式缺乏設(shè)計彈性

中控臺一向采用模組設(shè)計模式(Brick Design Model)(圖7)，在此種模式中，每個中控臺元件皆是一個 完整的單元，包含控制/開關(guān)面板，以及實際的電子機械組件。如一個中控臺中含有多個獨立的元件，包括冷暖空調(diào)、音響、導(dǎo)航機等設(shè)備。每個獨立元件均為一個完整系統(tǒng)，內(nèi)含控制介面、電子元件與機械制動器等元件。

圖7 模組設(shè)計模式

此種設(shè)計的限制是每個系統(tǒng)都單獨開發(fā)，汽車制造商的控制能力有限，無法按自己的理念來設(shè)計外觀與控制感。設(shè)計人員在控制中控臺時的自由度亦相當(dāng)有限，在設(shè)計外觀風(fēng)格時面臨種種限制。由于元件之間存在許多溝槽，加上拆裝時須動用各種工具，因此增加許多成本，再加上機械元件數(shù)量增加，故障機率也隨之升高。

整合設(shè)計模式具高可靠/低成本優(yōu)勢

在整合設(shè)計模式中，中控臺所有元件的控制都整合到同一個面板，實際的電子機械系統(tǒng)則透過一個資料匯流排進行連結(jié)?？刂泼姘宓姆种门c整合，讓人機介面的設(shè)計者在美感設(shè)計有更多彈性，設(shè)計出一貫的外貌與風(fēng)格。這種設(shè)計模式亦能減少工具方面的費用并提高可靠度，由于整合并減少控制介面，因此這種設(shè)計還能降低整體系統(tǒng)成本。

整合設(shè)計模式大致上都確實可行，因為業(yè)界已開發(fā)出電容式觸控感測技術(shù)。研發(fā)業(yè)者可在平面顯示器整合電容感測器，并采用曲面設(shè)計，藉以增進面板的美感。由于減少機械零件與溝槽(易聚積灰塵)數(shù)量，因此這類設(shè)計還能提高可靠度并降低系統(tǒng)成本。 [!--empirenews.page--]

汽車采用電容感測普及率擴大

隨著電容式觸控感測技術(shù)逐漸成熟，電子設(shè)計工程師尋找各種有趣的新途徑，把技術(shù)運用在汽車環(huán)境。有兩項因素促使這種技術(shù)在汽車環(huán)境中找到更多新用途，其一是許多觸控感測控制器開始支援汽車專用的通訊協(xié)定，如區(qū)域互聯(lián)網(wǎng)路(LIN)與控制器區(qū)域網(wǎng)路(CAN)，此項趨勢造就出許多其他應(yīng)用，這些以往采用上述網(wǎng)路匯流排技術(shù)的產(chǎn)品，現(xiàn)在都能輕易轉(zhuǎn)換至觸控感測器型控制器。

再者，更多要求嚴(yán)苛的環(huán)境開始采納電容式感測技術(shù)，如汽車與工業(yè)控制面板，此要歸功于成熟強固的IC，許多半導(dǎo)體業(yè)者開始生產(chǎn)新元件，提供更快的掃描速度、更好的雜訊免疫力、低功耗等特性。再加上眾多經(jīng)驗豐富的應(yīng)用工程業(yè)者投注心力，促使這項技術(shù)擴展到更多新的應(yīng)用領(lǐng)域。以下即介紹一些創(chuàng)新的應(yīng)用。

電容感測搶進被動式無鑰匙門禁系統(tǒng)

被動式免鑰匙門禁系統(tǒng)已問世多年，但直至最近業(yè)者才開始運用電容感測技術(shù)來偵測駕駛手部的接近狀態(tài)(圖8)。系統(tǒng)會在駕駛口袋內(nèi)的遙控鑰匙及車內(nèi)防盜器之間啟動經(jīng)過加密的通訊程序。一旦通過驗證后，駕駛就獲準(zhǔn)進入車內(nèi)然后把車開走，甚至不必把鑰匙從口袋里拿出來。

圖8 在被動式無鑰匙門禁系統(tǒng)中的電容式觸控感測器

偵測到人體接近中控臺方向需求顯現(xiàn)

汽車中控臺上的電容式近接感測器能用來建置各種客制化功能，根據(jù)人手的方向與距離提供特定的功能，此讓中控臺能判斷是駕駛或乘客的手接近中控臺，藉此做出不同的反應(yīng)。

電容感測的車內(nèi)照明控制市場萌芽

電容式近接感測技術(shù)提供一種高效率的方法，為各種車內(nèi)與車外系統(tǒng)建置能感測距離的照明控制功能。市面上有許多IC晶片結(jié)合電容式觸控感測、LIN通訊協(xié)定及LED調(diào)光功能，針對這類應(yīng)用提供單晶片式解決方案。

實例包含具備近距偵測功能的車門握把背光，能根據(jù)手和車把的相對距離調(diào)整燈光強度，具備近距偵測功能的置物箱燈，以及透過LIN進行通訊的觸控與近距偵測車頂燈(圖9)。

圖9 采用近接控制技術(shù)的車頂燈具

電容式觸控技術(shù)開關(guān)獲青睞

觸控按鈕越來越受歡迎，且由于富有美觀、彈性及可靠等優(yōu)勢，因此正逐漸取代機械式開關(guān)與按鈕。圖10、11顯示一些例子，其中部分應(yīng)用日趨普及，因為業(yè)界采用LIN/CAN通訊協(xié)定。電容式觸控按鈕還能提供一種有效率、防水的數(shù)位鎖汽車門禁系統(tǒng)(圖12)。

圖10 各式電容式觸控開關(guān)

圖11 電容式觸控行李廂開關(guān)

圖12 電容式觸控的數(shù)位鎖系統(tǒng)

液面感測器單晶片方案出爐

除了人體接近感測外，電容感測還能用來量測液體(圖13)。這項屬性在液面感測領(lǐng)域找到立足點，并能用來偵測燃油、煞車油以及冷卻液等液體的水位。

圖13 根據(jù)液面顯示數(shù)據(jù)的電容式觸控感測器

由于能控制LCD以及支援LIN與CAN協(xié)定，藉以和車體控制或其他系統(tǒng)模組進行通訊，因此能為這類系統(tǒng)提供單晶片的解決方案。

從讓資訊娛樂系統(tǒng)更酷炫，一直到提供可靠的設(shè)計方法來量測液面高度，電容感測技術(shù)已多方證明自己是一項極受歡迎且實用的感測技術(shù)，現(xiàn)已廣泛用在各種汽車應(yīng)用。它的潛力正逐漸擴展至新一代專為汽車產(chǎn)業(yè)設(shè)計的混合訊號控制器。隨著系統(tǒng)的要求日趨嚴(yán)苛與復(fù)雜，研發(fā)業(yè)者將會發(fā)現(xiàn)這項科技能為各種應(yīng)用提供有效的感測技術(shù)。

(本文作者任職于賽普拉斯)