1、面向汽車應用的電容式觸摸開關面向汽車應用的電容式觸摸開關類別：消費電子相比于大多數其它行業,人們對汽車設計寄予的期望值更高。上個周末,我和一位鄰居前往電腦商店購買一個新鍵盤。他的電腦已經用了兩年了,鍵盤不再好使。我們上了他的車,他開始發脾氣,因為收音機的一個按鈕壞了。提請您注意,這輛車服役已達12年之久,而電腦鍵盤才用了區區兩年,但他卻對自己的汽車有著更高的期待。我們都是這樣。對于許多非汽車工程師來說,面向汽車應用的開關和按鈕所遭受的設計約束他們甚至連想都想不到。它們必須應對的不利條件是：寬溫度范圍寬濕度范圍駕乘人員連續不斷的污損與早期的車型相比,如今汽車的開關和按鈕要多得多。不僅數量眾多,而

2、且還必需能夠很容易地安裝到外形日益多樣化的操縱面之中。另外,它們還需具備成本效益性,以取代密封型開關。一種逐漸走紅的方法是轉變為采用電容式觸摸開關（CapSense）。由于未采用機械式部件,而且能夠與成形操縱面相吻合,因此CapSense開關提供了汽車行業所需要的可靠性和價位。如圖1所示,電容式開關基本上就是一個由兩根相鄰走線形成的電容器;物理定律決定了在它們之間存在電容。如果把一個導體（比如：手指）放置在靠近這些極板的地方,則一個并聯電容將與該傳感器相耦合。當把手指放置于電容式傳感器之上時,電容將增加。拿開手指后,電容將減小。在增加了用于測量電容變化的電路之后,就可以確定手指的存在與否了。

3、一根走線、間隔、另一根走線,這就是組成一個電容式傳感器的全部所需。直接在這些走線上覆蓋一層絕緣透明塑料膜即可使其成為電路板的一部分。可以借助用于后窗玻璃除霧器的玻璃印刷電路技術來把它們做在車窗上。也可以采用絲網印刷工藝將其做在保溫凸雕的背部,并使之與彎曲的表面相吻合,這樣它們便可適合于汽車中幾乎所有的應用。構造一個電容式開關需要：一個電容器電容測量電路用于把電容值轉換成某種開關狀態的局部智能。典型的電容式傳感器具有10pF30pF的電容值。手指通過1mm的絕緣透明塑料膜耦合至傳感器的電容通常為1pF2pF。當采用較厚的透明塑料膜時,耦合電容減小。為了檢測手指的存在與否,需要設計能夠測量出由手指

4、引起的1%電容變化幅度的電容式觸摸感應電路。 弛張振蕩器是一種有效而簡單的電容測量電路。典型的弛張振蕩器電路拓撲結構示于圖2。 該電路由4個元件組成,一開始,放電開關處于開路狀態。當該開關開路時,全部電流均進入傳感器,導致其電壓線性轉換。該充電操作持續進行,直至傳感器電壓達到比較器的門限電平為止。比較器隨后從低電平變換至高電平,導致放電開關閉合。電容式傳感器通過該低阻抗路徑迅速放電至地。該過程將使比較器的輸出從高電平變換至低電平,然后重復這一循環。如下面的公式所示,輸出頻率（fout）與充電電流成正比,而與門限電壓和傳感器電容成反比。測量該頻率,以確定傳感器電容： 當充電電流為5mA、比較器門

5、限為1.3V且傳感器電容為30pf時,輸出頻率為128kHz。測量輸出頻率花費的時間越長,獲得的分辨率就越高。頻率分辨率的提高將改善電容測量的靈敏度。增加測量時間將提升測量電容分辨率。在每種應用中,可根據不同的傳感器尺寸和透明塑料膜厚度來相應地調整測量時間的變化。如果利用上面的公式來求解電容,則將得出下面的方程： 顯然,人們實際上希望測量的是輸出頻率的周期。圖3示出了用于進行周期測量的方框圖和波形。 輸出頻率被用于對一個脈寬調制器PWM進行定時,PWM輸出是一種由一些低電平周期再加上一些高電平周期的波形,實際數值由各個應用來決定。該信號起計數器邏輯門的作用,高電平邏輯門允許計數器以 fref的

6、速率遞增計數。在該邏輯門信號的下降沿上,生成了一個中斷信號,從而使得能夠對計數器進行讀取和復位操作。如前文所述,當充電電流為5mA、比較器門限為1.3V且傳感器電容為30pf時,將產生一個128kHz的輸出頻率。當采用一個6MHz基準時鐘時,一個周期所累積的計數值為46,一個雙周期邏輯門將產生一個93的計數值,對于10個周期而言,計數值將為468。顯然,累積計數值越大,分辨率或靈敏度就越高。較大的計數值可通過以下方法來實現：提高基準頻率降低振蕩器頻率增加用于邏輯門信號的周期數量。可配置混合信號陣列提供了一種用于實現電容開關傳感器的成本/效益型方法。圖4示出了方框圖。 它包含用于構建弛張振蕩器的

7、可配置模擬功能塊和用于實現周期測量硬件的數字功能塊。更為重要的是增設了一個I/O模擬多路復用器。每個引腳都具有一個可將其連接至一根模擬總線的開關。I/O模擬多路復用器是一種大型十字開關,使得能夠 把任何引腳連接至一個控制系統的模擬陣列。與該總線相連的還有一個可編程電流源和一個放電開關。這種功能組合使得所有的28個I/O引腳都可被用作一個電容式傳感器輸入。圖5示出了一種完整的電容器觸摸感應系統。當兩個電容傳感器彼此靠近放置時,如果有一根手指在它們之間撳按,則這兩個傳感器都能夠檢測到。可以利用該效應來實現模擬型手指位置觸摸感應。滾動條是一組相鄰的傳感器,其構造使得一根手指將會影響到多個傳感器。所有

8、受影響的傳感器的電容式變化都可被用來計算質量的中心（即：質心）。該數值精準地確定了手指的位置。圖6示出了這種滾動條的構建方式。 當采用滾動條時,需要選擇一種合適的傳感器形狀,以便容易地使手指對多個傳感器施加影響,這一點很重要。滾動條可能的應用之一是巡航控制。不妨想象一下放置于速度計的速度值上方的一連串透明的傳感器。把顯示器上的指示值大致選擇于55mph和60mph兩者的中間,即可輕松地將巡航速度設定為57mph。調光和/或音量控制也都是CapSense滾動條潛在的應用對象。電容式開關傳感器可被附加在任何測量儀器的前面。由于汽車控制面板變得更加復雜,因此,想把所有的控制器都放置在有限的可用空間之

9、內是比較困難的。方向盤的表面是一個長期以來一直被人們所忽視的地方。理由很充分,在許多汽車中,這是安裝駕駛者安全氣囊的地方,沒有人希望在安全氣囊展開時有一大群機械開關迅速地四下散開,彈到自己的臉部和胸口上。電容式傳感器沒有機械部件。它們不過是鍍覆在方向盤的安全氣囊蓋背面的走線。如果不想采取電鍍法,則可把一個薄型柔性電路剛好安裝在安全氣囊蓋的后面。另一個尚未加以開發利用的控制區域是車窗部分。如果把車窗除霧器控制器安放在車窗本身之上會怎么樣？現在,風檔刮水器控制器或許就裝在擋風玻璃上。設想一下,把數字門鎖剛好安裝在車門把手上方的車窗上。車主觸摸傳感器,以輸入正確的數據組合。傳感器可采用玻璃印刷電路技術或透明凸雕來制作。可以把這些傳感器做成一定的形狀,以使其貌似一個傳統的小鍵盤。可是,為什么要拘泥于傳統的形狀呢？可以把它們做成汽車標牌或型號名稱的一部分,如圖7所示。 警告！當您向管理層推薦這種功能時,將會有人（最有可能來自市場部門）表示擔心,就是當車窗被搖下時人們就無法打開車鎖。CapSense開關的應用并不局限于汽車的內部。車門把手傳感器就是一個理想的實例。對于該應用而言,金屬把手被用作傳感器。使該傳感器具有極高的靈敏度,以便用作一個靠近探測器。當檢測到有一只手逐漸靠近車門時,電源將被加至需要高得多的功率的安全硬件上。作為汽