汽车工业中的电容式接近检测
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在汽车应用领域，对接近检测传感器的需求已在稳步上升;这种传感器能够可靠地检测到靠近传感器表面但未发生物理接触的物体。目前出现的此类接近检测应用已多不胜数： 汽车门禁：检测正在靠近汽车门把手的手，以启动汽车解锁过程 随着手靠近触摸屏表面，点亮并唤醒屏幕 随着手接近传感器，打开/关闭车内照明灯 检测简单的体感手势，以便打开/关闭设备 在汽车泊车时，检测汽车周围是否存在较大的物体 目前已存在多种接近检测方法，例如，电容式检测、红外检测、超声波检测、光检测，等等。在 5 毫米到 300 毫米的接近检测范围内，电容式传感相对于其他方法而言存在很多优势：出色的可靠性、简单的机械设计、低功耗和低成本。本文主要介绍 Atmel® 提供的电容式接近检测技术。 Atmel 是一个领先的触摸解决方案制造商，在该领域拥有多年经验。Atmel 的电容式传感器基于电荷转移技术——这是由Atmel 开创的一种方法;采用这种方法，通过重复对 I/O 的特定的开关控制，在采样电容器上生成电压。Atmel 目前已在电荷转移技术领域拥有多项专利，包括自电容式传感器 (Atmel QTouch®) 和互电容式传感器 (Atmel® QMatrix)。Atmel 电荷转移技术给用户带来了显著益处，相对于其他电容式测量方法而言具有诸多优势：更灵活、更灵敏、出色的耐潮性和抗干扰性。 已有多款采用 QTouch 和 QMatrix 技术实现的触摸控制器，它们支持触摸按钮、滑条、滑轮和触摸屏。某些标准产品也支持接近检测。Atmel 目前正在开发和制造新的接近算法，希望进一步提高灵敏度，以支持远至 200 毫米甚至更大范围内的手指或手检测。计划于 2011 和 2012 年发布标准产品和软件库模块。 图 1：接近传感器的有源屏蔽 当有物体靠近电极时，电容式接近传感器会测量单电极与地之间(自电容传感器)或者两个电极之间的电容变化(互电容传感器)。如果电容恒定在 10pF 到 300pF 之间，电容变化通常非常小，可能在几 fF 到几 pF 之间。自电容式传感器周围的电磁场线是从传感电极向远处发散，而互电容传感器的电磁场线主要集中在发射电极和接收电极之间的区域，因此，相对互电容而言，用户更喜欢自电容这种接近检测方法。 汽车应用中电容式接近传感器的特性： 高灵敏性：检测被测电容的微小变化要求稳定、更高的灵敏度。应该进行特殊测量，以便降低电容性负载(尤其是当传感电极放置在诸如金属平面、汽车车身等导电表面上时)对灵敏度造成的负面影响。如图 1 所示，可以在电极和导电表面之间采用一个有源屏蔽层来降低电容性负载带来的负面影响。有源屏蔽的另一个优点是它们会在水膜上产生中和效应。 耐潮性：被测信号中水分引发的变化可能会比靠近的物体带来的变化更明显。对于电容式解决方案而言，最大的问题之一就是表面生成的水膜。水膜或多或少具有一定的导电性，会导致被测信号发生与常规触摸事件引起的类似变化。主要有两种方式来处理水膜带来的这种影响： 使用有源屏蔽(如上所述) 缩短电荷转移时间 - 可以利用水膜作为分布式 RC 电路(如图 2 所示)。通过减少电荷转移脉冲，可以阻止分布电容 C 完全充电，从而降低水膜带来的影响。如果电荷转移时间能控制在 100 纳秒到 250 纳秒之间，就能达到最佳效果。只要传感区域的机械设计得当，而且使用了合适的材料，就能防止传感区域出现厚厚的水膜。 图 2：充当分布式 RC 电路的水膜 温度稳定性：在汽车应用中，随时可能会出现极端温度和温度骤变的情况。要想实现稳定的机械设计，就必须针对此类情况进行一些特殊的考虑——即便导电表面附近的微小间隙变化，也可能会导致误测。 抗干扰性：由于高灵敏性，噪音干扰可能会影响接近传感器的正常操作。在 PCB 的电子与机械设计中，应该注意避免邻近电缆或导电表面引起的噪音干扰。 快速响应：预期的响应时间通常介于 10 毫秒到 100 毫秒之间。 以下部分更详细地介绍了几种汽车电容式接近检测方案。 门禁系统 电容式接近检测的一个示例就位于汽车门禁系统中(参见图 3)。检测手靠近的接近传感器位于汽车门把手内 (1)。一旦检测到有物体接近，主单元 (2) 就会通过低频天线发送一个唤醒信号 (3)，以便激活汽车钥匙发射器 (4)。然后，汽车钥匙发射器与 RFID 接收器 (5) 交换信息;如果代码与主控制单元(2) 匹配，汽车将被解锁。接近检测和身份识别的整个过程瞬间(不到一秒)即可完成。这意味着，当手拉车门把手时，门锁已打开。 在汽车门禁系统中使用接近检测而不使用触摸检测的优势在于，它能够更早开始识别人员身份。其结果是，在用户拉门把手之前，门锁状态就已完成了解析。 图 3：实现了接近检测的门禁系统 打开/关闭设备的体感手势 通过同时采用两个或更多电容式接近传感器，可以实现简单的体感手势(如设备前面的挥手动作)检测。图 4 显示的就是这种系统的一个简单示例，能够打开/关闭汽车内部的照明灯——当在灯前朝着一个方向挥手时，可以打开照明灯;当朝着相反方面挥手时，可以关闭照明灯。该系统能够分析来自接近传感器的信号，并能决定应该开灯还是关灯。 在您设计灯内的传感电极时，有多种可选项——既可以使用细铜线，也可以使用那种包裹一层塑料外皮后即可直接应用的导电聚合物。 图 4：打开/关闭汽车内设备的体感手势 结论 电容式接近传感器在汽车应用中的实现为各种舒适性应用奠定了基础。 在汽车系统中使用电容式接近传感器时面临的主要挑战就是潮湿和温度骤变。您可以借助 Atmel 的电容式传感技术最新创新性产品来克服这些挑战。 |
