汽車人機(jī)介面已為成車廠吸引消費(fèi)者目光的利器，為讓汽車資訊娛樂(lè)系統(tǒng)功能更吸睛，不少車廠已開(kāi)始導(dǎo)入高可靠度的電容觸控感測(cè)器，促使半導(dǎo)體業(yè)者積極開(kāi)發(fā)專為汽車產(chǎn)業(yè)設(shè)計(jì)的電容觸控感測(cè)器，讓未來(lái)車用電容式觸控應(yīng)用市場(chǎng)后勢(shì)看俏。
愈來(lái)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(jī)器。但有件事卻不曾改變，就是人與汽車之間互動(dòng)的重要性，此種互動(dòng)決定使用者經(jīng)驗(yàn)，且是突顯車款差異化特色的重要行銷賣點(diǎn)。

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

電容感測(cè)掀起汽車HMI新浪潮

雖然在汽車環(huán)境中，采用新的人機(jī)介面技術(shù)存在眾多障礙，但工程師們持續(xù)努力改進(jìn)人機(jī)介面系統(tǒng)，讓它們更直覺(jué)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(jué)化感測(cè)技術(shù)的創(chuàng)新。其中，電容感測(cè)徹底改變?nèi)藱C(jī)介面應(yīng)用的設(shè)計(jì)與建置。

其原理很簡(jiǎn)單，電容感測(cè)器內(nèi)含一對(duì)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(shí)，電極與物體之間會(huì)產(chǎn)生額外的電容，系統(tǒng)量測(cè)到這種電容時(shí)就能判斷有物體出現(xiàn)。運(yùn)用這項(xiàng)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(cè)器功能。

圖1 電容感測(cè)器

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

此外搭配可編程的混合訊號(hào)控制器，讓這類技術(shù)的功能更加強(qiáng)大。這類元件能以聰明的方式來(lái)量測(cè)電容，偵測(cè)出人體接近距離、靠近方向及能辨識(shí)操作手勢(shì)。它們還能讓業(yè)者整合其他功能，如控制馬達(dá)與發(fā)光二極體(LED)燈具，利用近距觸控等動(dòng)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(lái)提升效能，及可變的掃描速度來(lái)降低耗用電流且提高雜訊免疫力，藉此帶來(lái)更高的價(jià)值。

HMI電容感測(cè)改進(jìn)資訊系統(tǒng)

更多業(yè)者運(yùn)用電容感測(cè)技術(shù)來(lái)取代機(jī)械式按鈕，在資訊娛樂(lè)系統(tǒng)中建構(gòu)觸控感測(cè)式按鈕。圖2顯示采用一個(gè)可編程混合訊號(hào)控制器，建構(gòu)智慧型電容感測(cè)元件。圖3、4顯示汽車中控臺(tái)上所采用電容感測(cè)技術(shù)。

圖2 以可編程混合訊號(hào)控制器建構(gòu)的智慧型電容感測(cè)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(jìn)軍冷暖空調(diào)

電容式觸控感測(cè)技術(shù)亦能搭配機(jī)械式按鍵，提供功能更完備的混合型按鍵，能直接對(duì)觸碰動(dòng)作做出反應(yīng)(如提供預(yù)覽功能)，對(duì)按壓動(dòng)作做出反應(yīng)(如啟動(dòng)對(duì)應(yīng)的功能)(圖5)。這些應(yīng)用可透過(guò)電容感測(cè)的近接感測(cè)器進(jìn)一步強(qiáng)化，系統(tǒng)會(huì)在使用者靠近時(shí)，啟動(dòng)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(shí)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_(tái)的附加價(jià)值，它們不僅為使用者介面帶來(lái)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?huì)根據(jù)使用者施予機(jī)械壓力導(dǎo)致電阻值改變，藉此偵測(cè)出觸碰動(dòng)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(shí)上，它們一次僅能辨識(shí)一只手指的動(dòng)作，而且長(zhǎng)期時(shí)間會(huì)有磨損的問(wèn)題。電容式觸控螢?zāi)粍t能同時(shí)偵測(cè)到多根手指，還能解讀操控手勢(shì)，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(jì)的特色，還能改進(jìn)使用者介面，電容式觸控螢?zāi)桓嗟膶?shí)用例子包括可用來(lái)控制冷暖空調(diào)設(shè)備、影音設(shè)備及導(dǎo)航裝置。

兩大中控臺(tái)設(shè)計(jì)模式各有千秋

以下將介紹中控臺(tái)采用的模組與整合設(shè)計(jì)模式，以及其優(yōu)劣勢(shì)分析。

模組設(shè)計(jì)模式缺乏設(shè)計(jì)彈性

中控臺(tái)一向采用模組設(shè)計(jì)模式(Brick Design Model)(圖7)，在此種模式中，每個(gè)中控臺(tái)元件皆是一個(gè) 完整的單元，包含控制/開(kāi)關(guān)面板，以及實(shí)際的電子機(jī)械組件。如一個(gè)中控臺(tái)中含有多個(gè)獨(dú)立的元件，包括冷暖空調(diào)、音響、導(dǎo)航機(jī)等設(shè)備。每個(gè)獨(dú)立元件均為一個(gè)完整系統(tǒng)，內(nèi)含控制介面、電子元件與機(jī)械制動(dòng)器等元件。

圖7 模組設(shè)計(jì)模式

此種設(shè)計(jì)的限制是每個(gè)系統(tǒng)都單獨(dú)開(kāi)發(fā)，汽車制造商的控制能力有限，無(wú)法按自己的理念來(lái)設(shè)計(jì)外觀與控制感。設(shè)計(jì)人員在控制中控臺(tái)時(shí)的自由度亦相當(dāng)有限，在設(shè)計(jì)外觀風(fēng)格時(shí)面臨種種限制。由于元件之間存在許多溝槽，加上拆裝時(shí)須動(dòng)用各種工具，因此增加許多成本，再加上機(jī)械元件數(shù)量增加，故障機(jī)率也隨之升高。

整合設(shè)計(jì)模式具高可靠/低成本優(yōu)勢(shì)

在整合設(shè)計(jì)模式中，中控臺(tái)所有元件的控制都整合到同一個(gè)面板，實(shí)際的電子機(jī)械系統(tǒng)則透過(guò)一個(gè)資料匯流排進(jìn)行連結(jié)?？刂泼姘宓姆种门c整合，讓人機(jī)介面的設(shè)計(jì)者在美感設(shè)計(jì)有更多彈性，設(shè)計(jì)出一貫的外貌與風(fēng)格。這種設(shè)計(jì)模式亦能減少工具方面的費(fèi)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(jì)還能降低整體系統(tǒng)成本。

整合設(shè)計(jì)模式大致上都確實(shí)可行，因?yàn)闃I(yè)界已開(kāi)發(fā)出電容式觸控感測(cè)技術(shù)。研發(fā)業(yè)者可在平面顯示器整合電容感測(cè)器，并采用曲面設(shè)計(jì)，藉以增進(jìn)面板的美感。由于減少機(jī)械零件與溝槽(易聚積灰塵)數(shù)量，因此這類設(shè)計(jì)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(cè)普及率擴(kuò)大

隨著電容式觸控感測(cè)技術(shù)逐漸成熟，電子設(shè)計(jì)工程師尋找各種有趣的新途徑，把技術(shù)運(yùn)用在汽車環(huán)境。有兩項(xiàng)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(cè)控制器開(kāi)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(xiàng)趨勢(shì)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(cè)器型控制器。

再者，更多要求嚴(yán)苛的環(huán)境開(kāi)始采納電容式感測(cè)技術(shù)，如汽車與工業(yè)控制面板，此要?dú)w功于成熟強(qiáng)固的IC，許多半導(dǎo)體業(yè)者開(kāi)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(yàn)豐富的應(yīng)用工程業(yè)者投注心力，促使這項(xiàng)技術(shù)擴(kuò)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(cè)搶進(jìn)被動(dòng)式無(wú)鑰匙門禁系統(tǒng)

被動(dòng)式免鑰匙門禁系統(tǒng)已問(wèn)世多年，但直至最近業(yè)者才開(kāi)始運(yùn)用電容感測(cè)技術(shù)來(lái)偵測(cè)駕駛手部的接近狀態(tài)(圖8)。系統(tǒng)會(huì)在駕駛口袋內(nèi)的遙控鑰匙及車內(nèi)防盜器之間啟動(dòng)經(jīng)過(guò)加密的通訊程序。一旦通過(guò)驗(yàn)證后，駕駛就獲準(zhǔn)進(jìn)入車內(nèi)然后把車開(kāi)走，甚至不必把鑰匙從口袋里拿出來(lái)。

圖8 在被動(dòng)式無(wú)鑰匙門禁系統(tǒng)中的電容式觸控感測(cè)器

偵測(cè)到人體接近中控臺(tái)方向需求顯現(xiàn)

汽車中控臺(tái)上的電容式近接感測(cè)器能用來(lái)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(tái)能判斷是駕駛或乘客的手接近中控臺(tái)，藉此做出不同的反應(yīng)。

電容感測(cè)的車內(nèi)照明控制市場(chǎng)萌芽

電容式近接感測(cè)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(cè)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(cè)、LIN通訊協(xié)定及LED調(diào)光功能，針對(duì)這類應(yīng)用提供單晶片式解決方案。

實(shí)例包含具備近距偵測(cè)功能的車門握把背光，能根據(jù)手和車把的相對(duì)距離調(diào)整燈光強(qiáng)度，具備近距偵測(cè)功能的置物箱燈，以及透過(guò)LIN進(jìn)行通訊的觸控與近距偵測(cè)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(kāi)關(guān)獲青睞

觸控按鈕越來(lái)越受歡迎，且由于富有美觀、彈性及可靠等優(yōu)勢(shì)，因此正逐漸取代機(jī)械式開(kāi)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?yàn)闃I(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(kāi)關(guān)

圖11 電容式觸控行李廂開(kāi)關(guān)

圖12 電容式觸控的數(shù)位鎖系統(tǒng)

液面感測(cè)器單晶片方案出爐

除了人體接近感測(cè)外，電容感測(cè)還能用來(lái)量測(cè)液體(圖13)。這項(xiàng)屬性在液面感測(cè)領(lǐng)域找到立足點(diǎn)，并能用來(lái)偵測(cè)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(cè)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(jìn)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(lè)系統(tǒng)更酷炫，一直到提供可靠的設(shè)計(jì)方法來(lái)量測(cè)液面高度，電容感測(cè)技術(shù)已多方證明自己是一項(xiàng)極受歡迎且實(shí)用的感測(cè)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(kuò)展至新一代專為汽車產(chǎn)業(yè)設(shè)計(jì)的混合訊號(hào)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(huì)發(fā)現(xiàn)這項(xiàng)科技能為各種應(yīng)用提供有效的感測(cè)技術(shù)。

(本文作者任職于賽普拉斯)