被動無鑰門禁和電容式傳感門把手在汽車電子中的應(yīng)用

簡介

近年來，電容式觸摸技術(shù)一直在慢慢進入汽車市場。從中控臺信息娛樂觸摸屏到簡單的HVAC按鈕/滑塊/滾輪——電容式傳感技術(shù)呈現(xiàn)出迅猛發(fā)展的態(tài)勢。工程師們在不斷尋找創(chuàng)新方法以將電容式傳感技術(shù)整合到現(xiàn)有的成熟應(yīng)用中。推動該技術(shù)使用日益增加的幾個因素為，與標準機械按鈕/開關(guān)相比，其成本更低、可配置性更高、更簡單易用并且系統(tǒng)性能也顯著改善。

電容式觸摸傳感取得新進展的一個此類應(yīng)用是被動車輛門禁應(yīng)用。在該應(yīng)用中，位于門把手中的觸摸傳感器用于檢測駕駛員的手，以及激活被動無鑰門禁驗證系統(tǒng)以鎖定/解鎖車輛。以這種方式使用電容式觸摸傳感無需昂貴的機械開關(guān)和耗電輪詢方案。由于被動門禁系統(tǒng)通過電容式觸摸消除了這些障礙，因此對與最終用戶而言變得愈加方便和可靠。駕駛員解鎖并進入車內(nèi)的流程從未如此簡單和透明。只需觸摸門把手，打開門，然后駕車離開。

進一步了解電容式觸摸傳感器如何應(yīng)用于被動門禁系統(tǒng)，并詳細了解一些工程師在設(shè)計具有電容傳感功能的被動門禁門把手時可能遇到的一些優(yōu)勢和挑戰(zhàn)。

被動無鑰門禁

概述

被動門禁系統(tǒng)多年來一直是許多高端汽車的主打功能。即使是最低配置汽車，只要配備被動無鑰門禁（PKE），駕駛員便可輕松進入車輛，無需將鑰匙插入門鎖或按下鑰匙上的按鈕來解鎖車門。

圖1-1. 典型PKE系統(tǒng)

PKE是稱為被動門禁和啟動系統(tǒng)（PEPS）或被動門禁啟動（PEG）的更大車輛進出系統(tǒng)的一部分。PEPS/PEG系統(tǒng)負責(zé)控制車輛進出（車門上鎖/解鎖），還允許通過使能/禁止車輛防盜鎖止系統(tǒng)來駕駛汽車。

LF通信

PKE系統(tǒng)由LF（低頻）接收器和LF發(fā)射器組成。LF接收器通常位于鑰匙中，而鑰匙通常在駕駛員手中。LF發(fā)射器位于車身內(nèi)。啟動鑰匙與汽車之間的LF通信的最常見方法是駕駛員通過拉動駕駛員側(cè)的門把手來手動激活解鎖開關(guān)。在這種情況下，PKE系統(tǒng)是根據(jù)駕駛員的要求觸發(fā)的，僅在啟動LF通信、驗證鑰匙響應(yīng)和解鎖車門所需的短暫時間內(nèi)激活。在所有其他時間內(nèi)，PKE系統(tǒng)將保持休眠模式。

上述機械觸發(fā)PKE系統(tǒng)的方式存在一個主要缺陷——成本。用于觸發(fā)LF通信的機械開關(guān)十分昂貴。降低成本的一種方法是用電容式觸摸傳感器代替機械開關(guān)。

PKE系統(tǒng)要求

在開發(fā)利用電容式觸摸傳感技術(shù)的PKE系統(tǒng)時，必須考慮幾個關(guān)鍵要求。這些要求包括：

• 響應(yīng)時間

• 功耗

• 環(huán)境影響

• 可靠性

響應(yīng)時間

典型PKE系統(tǒng)的總響應(yīng)時間應(yīng)短于150 ms。此數(shù)值包括喚醒門把手模塊、檢測解鎖傳感器上的觸摸信號、初始化LF通信、驗證鑰匙響應(yīng)和解鎖車門（通常需要與中央車身控制器通信）所需的時間。

由機械開關(guān)激活的PKE系統(tǒng)將相對快速地喚醒，并且需要極短時間便可啟動LF通信。由于涉及基于單片機的電子設(shè)備，電容系統(tǒng)在喚醒后將需要額外的時間來檢測觸摸和啟動LF通信。為了確保在150 ms窗口內(nèi)解鎖車門，獲取和測量電容觸摸門把手觸摸信號的典型時間應(yīng)短于20 ms。

功耗

PKE門把手模塊的平均功耗應(yīng)小于100 uA。此外，對于通過開關(guān)機械激活LF通信的通風(fēng)系統(tǒng)，這不是問題，因為模塊喚醒通常由開關(guān)激活以中斷方式驅(qū)動。在這種情況下，電流消耗通常遠低于100uA的要求，僅有幾uA，具體取決于應(yīng)用中使用的單片機（MCU）。另一方面，電容式觸摸門把手模塊必須進行輪詢或定期從休眠模式喚醒，并檢查解鎖傳感器上是否存在觸摸信號。因此，必須仔細設(shè)計電容式觸摸系統(tǒng)的輪詢間隔，以平衡電流消耗與要觸摸的傳感器的整體響應(yīng)。

環(huán)境影響

PKE門把手位于駕駛員側(cè)車門外部，因此將受到各種惡劣工作條件的影響，包括炎熱、寒冷和潮濕（最嚴重）。無論PKE LF通信是通過開關(guān)機械啟動還是使用電容觸摸啟動，炎熱和寒冷條件下的工作要求均相同。而潮濕則是一個完全不同的問題。

在機械開關(guān)的PKE系統(tǒng)中，LF通信通過按下物理按鈕啟動。由于模塊與環(huán)境密封隔離，機械按鈕不會直接受到潮濕環(huán)境的影響。它在潮濕或干燥工作條件下的功能相同。而對于采用電容觸摸的門把手，情況并非如此。

由于正在監(jiān)視觸摸傳感器是否有極小的電容變化，因此電容的任何變化（無論是由人手還是雨滴引起）都有可能被解釋為觸摸。只要發(fā)生錯誤觸摸檢測，LF通信序列就會啟動，這將增加車輛的平均電流消耗。如果在這種模式下長時間運行，可能導(dǎo)致汽車電池耗盡。正因如何，必須小心確保增強電容觸摸PKE門把手模塊的耐受性，避免由于潮濕導(dǎo)致誤檢。

就觸摸而言，防潮性是電容式傳感門把手模塊最可能出現(xiàn)問題的工作要求。所有其他要求（如響應(yīng)時間和功耗）都可以通過選擇合適的MCU并正確構(gòu)建系統(tǒng)來滿足。

可靠性

PKE系統(tǒng)必須具有極高的可靠性，并且無論何時都可以解鎖車門。否則，無論是由于響應(yīng)時間增加而導(dǎo)致的延時，還是由于機械開關(guān)故障而導(dǎo)致的災(zāi)難性故障，都是不可接受的。在最不嚴重的情況下，不可靠的系統(tǒng)將給駕駛員帶來煩惱，而在最壞的情況下，災(zāi)難性故障將導(dǎo)致車門鎖住以及車輛無法駕駛。必須不惜一切代價來避免這兩種情況。

機械開關(guān)會隨著時間的推移而磨損。而電容式觸摸傳感器則沒有此問題，因為它們通常以印刷電路板上銅走線的方式實現(xiàn)。不過，如前所述，電容式觸摸傳感器對潮濕十分敏感，因此必須注意增強設(shè)計的耐受性，以避免潮濕引起的意外觸摸激活。下一節(jié)將更詳細地討論這一主題。

電容式觸摸傳感與水分

一般來說，只要人體（無論是手指還是手等部位）接觸傳感器，都會發(fā)生觸摸。當(dāng)手指靠近傳感器時，它開始將觸摸采集階段產(chǎn)生的電場從自由空間轉(zhuǎn)移到大地，從而導(dǎo)致傳感器電容發(fā)生變化。電容的這種變化決定了傳感器的檢測狀態(tài)。

圖1-2. 傳感器與手指——觸摸檢測

任何改變傳感器電容的導(dǎo)電材料或物體都將導(dǎo)致觸摸檢測。水就是這樣一種物質(zhì)，會給觸摸傳感器操作造成極大干擾。

為什么水分會給電容式觸摸傳感器帶來這種問題？因為它具有高導(dǎo)電性。當(dāng)水流到傳感器的表面時，它會形成一個導(dǎo)電層，最終導(dǎo)致錯誤的觸摸指示。

圖1-3. 傳感器與水——錯誤觸摸檢測

該導(dǎo)電層將轉(zhuǎn)移傳感器在觸摸采集階段產(chǎn)生的電場，使之遠離自由空間。聚集的水很容易與附近的傳感器和周圍的電路接觸，然后為電場提供一個低阻抗到地路徑。這將導(dǎo)致傳感器的總測量電容發(fā)生變化，如果不加以抑制，將最終導(dǎo)致錯誤觸摸檢測。

水分與電容式觸摸傳感器

既然已經(jīng)解釋了水分對電容式觸摸傳感器的影響，那么設(shè)計人員如何防止由過多水分導(dǎo)致的誤檢？

可選擇保護通道和相鄰按鍵抑制（AKS）邏輯這兩種傳統(tǒng)水分檢測方法。不過，一旦檢測到水分，這兩種方法通常會禁止隨后的觸摸檢測。這兩種方法會使觸摸傳感器在除去水分前無法工作。在使用PKE系統(tǒng)時，門把手模塊不能簡單地在檢測到水分后立即進入“鎖定”模式，阻止駕駛員進入車內(nèi)。無論解鎖傳感器上有多少積水，PKE門把手模塊都必須能夠完全工作并且必須能夠檢測觸摸。為了實現(xiàn)這種高級功能，應(yīng)用需要一種忽略水分但仍能檢測觸摸的新方法。

識別水分和人體觸摸

在汽車工作環(huán)境中，水分可以呈現(xiàn)出多種形式，如水滴形式的凝露或雨水。對于電容式觸摸傳感器來說，凝露通常不是問題，因為這種類型的水分往往是隨著時間的推移在觸摸傳感器的表面緩慢形成。結(jié)果是，由于這種類型水分導(dǎo)致的傳感器電容總變化率相對較小，因此可以通過應(yīng)用固件中的觸摸漂移算法輕松補償。而雨滴則由于與觸摸傳感器接觸的方式隨機且相當(dāng)突然，因此不那么容易補償。

水滴通常是由從天而降的雨水或者由洗車行或花園軟管產(chǎn)生的噴水形成。當(dāng)這些水滴與電容式觸摸傳感器接觸時，它們會在測量的傳感器信號電平中產(chǎn)生非常陡峭的瞬時尖峰，這是傳感器電容變化的結(jié)果。傳感器信號電平的急劇變化與通過駕駛員的手指或手進行人體接觸期間觀察到的響應(yīng)類型有很大不同。人為接觸引起的觸摸檢測對信號的影響更為長久，導(dǎo)致傳感器信號分布曲線的變化更加緩慢。

下圖顯示了電容式觸摸傳感器在未觸摸（穩(wěn)態(tài)）、有水分但未觸摸和已觸摸這三種狀態(tài)下的典型響應(yīng)。

圖1-4. 電容式觸摸傳感器對雨滴和人為觸摸的典型響應(yīng)

觸摸傳感器響應(yīng)中的這些差異對于每個事件都是惟一的，可支持開發(fā)專門的觸摸處理算法。這些算法與其他減少水分的技術(shù)結(jié)合使用時，可以用來在雨滴與觸摸傳感器接觸時消除雨滴的影響，并最終避免意外的觸摸檢測。

減少水分

信號異常值

減少水分的技術(shù)和算法可以采取許多不同的形式。Microchip采用的一種防止水滴在觸摸傳感器上相互作用的方法是，在傳感器級搜索傳感器信號異常值或尖峰。利用這種方法，執(zhí)行一系列測量，并計算傳感器信號電平的連續(xù)平均值。然后將平均傳感器信號電平與通過以下方式識別水滴時記錄的最小和最大信號值進行比較：

(最大值 – 平均值) > (平均值 – 最小值)

為最大程度減少錯誤的水滴檢測，必須根據(jù)傳感器靈敏度調(diào)整算法。這可通過將檢測閾值代入如下公式來實現(xiàn)：

(最大值 – 平均值 > [(平均值 – 最小值 + 閾值]

這樣一來，我們可以確保只有最小/最大異常值與平均值之間有顯著差異的傳感器測量被識別為水滴。

集總傳感器元件

當(dāng)雨水與觸摸傳感器接觸時，它與傳感電極表面接觸的時間和位置都是隨機的。如果傳感器設(shè)計為單電極，與傳感器接觸的任何液滴都可能觸發(fā)錯誤的觸摸檢測。在觸摸傳感器較大的情況下，如同汽車門把手應(yīng)用解鎖傳感器的情況一樣，將傳感器分成幾個更小的傳感電極可能很有幫助。獲取位于PCB上不同區(qū)域的多個電極上的觸摸信號可以提供關(guān)于觸摸傳感器工作環(huán)境的更直接的反饋。水分檢測算法可用的傳感器數(shù)據(jù)越多，對水分的識別就越準確。將由單個電極組成的傳感器分成可以集總在一起的多個電極有助于完成這項任務(wù)。

每個具有外設(shè)觸摸控制器（PTC）的Microchip MCU都可以使用集總模式功能。集總模式允許設(shè)計人員將多個傳感器電極組合或合并成更大的傳感器元件，這些傳感器元件可以獨立工作，也可以成組工作。

見下例：

圖1-5. 假設(shè)的集總模式傳感器配置

所示的集總傳感器由四個物理傳感器電極S0、S1、S2和S3組成。S4、S5和S6傳感器是由S0-S3電極的“集總”組合構(gòu)成的虛擬傳感器。 組合時，這些電極形成新的傳感器組：

S4 = S0 + S1，

S5 = S2 + S3

S6 = S0 + S1 + S2 + S3

在觸摸采集階段，傳感器可獨立掃描，也可以集總傳感器組的形式掃描，或者以應(yīng)用所需的任何方式掃描。隨后，每個通道的觸摸數(shù)據(jù)將通過水分檢測濾波器以確定系統(tǒng)的總體“濕度”，并對所施加的水分或人為觸摸提供所需的響應(yīng)。

最終想法

機械開關(guān)曾經(jīng)一度是被動無鑰門禁門把手設(shè)計人員的惟一選擇。機械開關(guān)為系統(tǒng)增加了不必要的成本，需要額外的用戶交互級別，并且會隨著時間的推移而磨損。在汽車領(lǐng)域，成本、便利性和可靠性是市場的推動因素。只需用電容式觸摸傳感器代替PKE門把手中的機械開關(guān)便會大有改觀。與機械開關(guān)系統(tǒng)相比，電容式觸摸傳感器可節(jié)省成本，操作和交互更加方便，并且有助于提高可靠性。不過，將電容式觸摸技術(shù)應(yīng)用于門把手會帶來一系列新的技術(shù)挑戰(zhàn)，設(shè)計PK E系統(tǒng)時必須納入考慮。防潮性、電流消耗和響應(yīng)時間都是設(shè)計考慮因素，要避免發(fā)生意外的觸摸檢測、電池使用壽命縮短以及客戶對最終產(chǎn)品的總體滿意度降低，必須考慮這些因素。上述挑戰(zhàn)均可應(yīng)對但沒有足夠的規(guī)劃和預(yù)想，而電容式觸摸傳感器助力汽車PKE舒適系統(tǒng)的發(fā)展向前推進了一步。Microchip提供豐富的電容式觸摸傳感產(chǎn)品，能夠滿足汽車門把手應(yīng)用的需求。Microchip觸摸解決方案高度集成，不需要外部組件，非?？煽壳覙O易實現(xiàn)。Microchip提供的觸摸解決方案包括mTouch?（適合基于PIC?的單片機（MCU））和QTouch?（適合AVR?及基于ARM?的MCU）。