《電子技術(shù)應(yīng)用》
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電容式接近檢測技術(shù)在汽車電子中的應(yīng)用
摘要: 汽車電子應(yīng)用領(lǐng)域?qū)咏鼨z測傳感器的需求一直在穩(wěn)定攀升,這種傳感器無需物理接觸,就能夠可靠地檢測出靠近傳感器表面的物體。
Abstract:
Key words :

  汽車電子應(yīng)用領(lǐng)域?qū)咏鼨z測傳感器的需求一直在穩(wěn)定攀升,這種傳感器無需物理接觸,就能夠可靠地檢測出靠近傳感器表面的物體。接近檢測在汽車電子行業(yè)的可能應(yīng)用是無限的:

  • 汽車門禁控制:檢測手靠近門把,進而啟動開鎖程序

  • 當(dāng)手掌靠近屏幕表面時,就能照亮和喚醒觸摸屏

  • 在手掌靠近傳感器時,就能打開/關(guān)閉車內(nèi)照明燈

  • 通過檢測手掌在空中的簡單動作來打開/關(guān)閉設(shè)備

  • 在停車過程中檢測汽車周圍的大障礙物

  現(xiàn)在有多種不同的接近檢測方法,如電容感測、紅外、超聲波、光學(xué)等。對從5mm到300mm范圍的接近檢測,電容式感測技術(shù)相對其它技術(shù)而言有許多優(yōu)勢:出色的可靠性、簡單的機械設(shè)計、低功耗和低成本,本文將探討愛特梅爾公司(Atmel® Corporation)的電容式接近檢測技術(shù)。

  愛特梅爾公司是觸摸解決方案的領(lǐng)導(dǎo)廠商,在這個領(lǐng)域擁有豐富的經(jīng)驗,其電容式傳感器基于公司首創(chuàng)的電荷轉(zhuǎn)移技術(shù),即當(dāng)某一特定的控制序列重復(fù)施加在I/O引腳期間,取樣電容上就會產(chǎn)生電壓。目前愛特梅爾在用于自電容傳感器(Atmel QTouch™)和互電容傳感器(Atmel QMatrix™)的電荷轉(zhuǎn)移技術(shù)方面擁有多項專利。愛特梅爾的電荷轉(zhuǎn)移技術(shù)為用戶帶來了一些相比其它電容式感應(yīng)方法更佳的重要優(yōu)勢,包括:更高的可靠性,極高的靈敏度,出色的防濕性,以及抗噪聲能力。

  QTouch和QMatrix技術(shù)已用于多種支持觸摸按鈕、滑條、撥輪,以及觸摸屏的觸摸控制器。接近檢測也可用于某些標(biāo)準(zhǔn)產(chǎn)品。愛特梅爾正在開發(fā)和實現(xiàn)新的接近算法,以提高靈敏度,可支持達到200mm或以上的手指或手掌檢測范圍。新的標(biāo)準(zhǔn)產(chǎn)品和軟件庫模塊計劃于2011年和2012年推出。


圖1:接近傳感器的有效屏蔽

  當(dāng)物體接近電極時,電容式接近傳感器測量單電極和地之間(自電容傳感器),或兩個電極之間(互電容傳感器)的電容變化。在這類應(yīng)用中,電容一般在10pF到300pF之間,而電容的變化通常都非常小(幾個fF到幾個pF)。由于自電容傳感器周圍的電場線擴散到距離感測電極較遠的地方,因而,接近檢測首選自電容測量,而不是互電容測量,因為后者的電場線主要集中在發(fā)送和接收電極之間的區(qū)域內(nèi)。

汽車應(yīng)用電容式接近傳感器的特點:

  高靈敏度:要檢測出被測量的電容的微小變化,傳感器的靈敏度必須高且穩(wěn)定。因而應(yīng)當(dāng)采取特殊的措施來減小電容性負(fù)載對靈敏度造成的負(fù)面影響,尤其是感測電極放置在導(dǎo)電表面(如金屬平面、車體等)上時的影響。這可通過在電極與導(dǎo)電表面間加一個有效屏蔽層,來減少電容性負(fù)載的負(fù)面影響(見圖1)。

  A further advantage of active shields is their neutralizing effect on water films.
有效屏蔽層的另一優(yōu)勢是能與水膜產(chǎn)生中和效應(yīng)。

  • 防濕性:由潮濕引起的測量信號變化,會比由接近物體產(chǎn)生的測量信號變化更為顯著。對于電容式感測方法而言,物體表面上的水膜是最大的問題之一。水膜帶來的導(dǎo)電性會引起測量信號的變化,且這種變化類似于正常觸摸引起的變化。

  處理水膜效應(yīng)主要有兩種方法:

  1.使用有效屏蔽層(如上所述)

  2.縮短電荷轉(zhuǎn)移時間:可將水膜看待成一個分散式RC電路(見圖2)。減小電荷轉(zhuǎn)移脈沖將防止這些分布電容被完全充電,從而減少水膜的影響。如果電荷轉(zhuǎn)移時間控制在100ns 到250ns之間,則效果最佳。在感測區(qū)域采用正確的機械設(shè)計,并使用合適的材料,可以防止出現(xiàn)較厚的水膜。

  圖2:水膜等效于分散式RC電路

  •溫度穩(wěn)定性:在汽車應(yīng)用中,隨時會出現(xiàn)極端迅速的溫度變化,所以應(yīng)當(dāng)特別注意機械設(shè)計的穩(wěn)定性,否則導(dǎo)電表面附近哪怕出現(xiàn)非常微小的間隙變化,都可能導(dǎo)致錯誤檢測。

  •抗噪聲能力:由于靈敏度高,噪聲干擾會影響接近傳感器的運作。PCB電路的機械和電氣設(shè)計應(yīng)當(dāng)避免鄰近電纜或?qū)щ姳砻娴脑肼暩蓴_。

  •快速響應(yīng):響應(yīng)時間一般在10ms 到100ms之間。

  以下討論電容式接近檢測在汽車領(lǐng)域的應(yīng)用細(xì)節(jié)。

汽車門禁系統(tǒng)

  電容式接近檢測的一個示例是在汽車門禁系統(tǒng)中的應(yīng)用(見圖3)。檢測人手靠近的接近傳感器位于車門把手(1)內(nèi)。一旦檢測到有物體靠近, 主控單元(2)通過低頻天線(3)發(fā)送一個喚醒信號;該信號激活汽車鑰匙發(fā)送器(4)。汽車鑰匙發(fā)送器于是與RFID接收器(5)交換信息;如果編碼信息與主控單元(2)匹配,汽車門鎖就打開。接近檢測和ID識別的整個過程約幾分之一秒。

  這意味著當(dāng)手拉門把時,門鎖已經(jīng)打開了。

 

  相比于觸摸檢測,在汽車門禁系統(tǒng)中使用接近檢測的優(yōu)勢在于它能夠在識別車主的時間上搶先,其結(jié)果是拉門之前,門鎖就已經(jīng)處于打開狀態(tài)。

  圖3:具有接近檢測功能的車門開啟系統(tǒng)

檢測空間手勢用于打開或關(guān)閉設(shè)備

  同時使用兩個或多個電容式接近傳感器,就可以通過檢測手掌在空中的簡單動作(如在被檢設(shè)備前揮手)來打開或關(guān)閉設(shè)備。圖4所示為使用這樣的系統(tǒng)來開/關(guān)汽車內(nèi)照明的簡單例子。對著燈向某一個方向揮手是打開燈,向反方向揮手則是關(guān)燈。該系統(tǒng)能夠分析接近傳感器的信號,確定手勢指示開燈,還是關(guān)燈。

  在電燈內(nèi)設(shè)計傳感電極有許多不同的方法,從使用細(xì)銅線到采用可直接附著在塑料上的導(dǎo)電聚合物都有。

  圖4:通過檢測手在空中的簡單動作來打開/關(guān)閉車內(nèi)設(shè)備

結(jié)論

  •汽車用電容式接近傳感器為多種舒適性應(yīng)用開辟了道路。

  •潮濕和快速的溫度變化是汽車用電容式接近傳感器面對的主要難題,而采用愛特梅爾最新的電容式感測創(chuàng)新技術(shù),就能夠解決這些難題。

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