启动汽车人机介面设计新革命　电容触控感测崭露锋芒

汽车人机介面已为成车厂吸引消费者目光的利器，为让汽车资讯娱乐系统功能更吸睛，不少车厂已开始导入高可靠度的电容触控感测器，促使半导体业者积极开发专为汽车产业设计的电容触控感测器，让未来车用电容式触控应用市场后势看俏。
愈来愈多多汽车的电子系统掀起一波革命，让汽车演变成安全、豪华且聪明的机器。但有件事却不曾改变，就是人与汽车之间互动的重要性，此种互动决定使用者经验，且是突显车款差异化特色的重要行销卖点。

这类系统能量测与追踪使用者的互动并提供回馈，它们通称为汽车人机介面(HMI)系统。从使用者的角度来看，这类互动可能是有意的，刻意向系统提供输入讯息；也可能是无意的，系统在使用者不知情之下感测使用者的意图。

电容感测掀起汽车HMI新浪潮

虽然在汽车环境中，采用新的人机介面技术存在众多障碍，但工程师们持续努力改进人机介面系统，让它们更直觉化、外观更酷炫且更具吸引力。此波改革的核心主角，就是人体直觉化感测技术的创新。其中，电容感测彻底改变人机介面应用的设计与建置。

其原理很简单，电容感测器内含一对彼此相近的电极(图1)。当人体(或任何其他导电物体)靠近这些电极时，电极与物体之间会产生额外的电容，系统量测到这种电容时就能判断有物体出现。运用这项技术，业者可容易建构出如按钮、滑杆、触控板等触控感测器功能。

图1 电容感测器

另一方面，电容感测还能用在近接感测，感测器与使用者身体之间不须进行接触。要建置此类功能，只须提高感测器的灵敏度。此外，这类感测器不受视线遮蔽的限制，因此光靠一个感测器就能侦测三维(3D)空间的近接物体。

此外搭配可编程的混合讯号控制器，让这类技术的功能更加强大。这类元件能以聪明的方式来量测电容，侦测出人体接近距离、靠近方向及能辨识操作手势。它们还能让业者整合其他功能，如控制马达与发光二极体(LED)灯具，利用近距触控等动作向使用者反应回馈。完全可编程元件，还能藉由自设灵敏度来提升效能，及可变的扫描速度来降低耗用电流且提高杂讯免疫力，藉此带来更高的价值。

HMI电容感测改进资讯系统

更多业者运用电容感测技术来取代机械式按钮，在资讯娱乐系统中建构触控感测式按钮。图2显示采用一个可编程混合讯号控制器，建构智慧型电容感测元件。图3、4显示汽车中控台上所采用电容感测技术。

图2 以可编程混合讯号控制器建构的智慧型电容感测元件

图3 采用电容式触控技术的导航系统

图4 采用电容式触控按键的汽车音响

电容式触控按键进军冷暖空调

电容式触控感测技术亦能搭配机械式按键，提供功能更完备的混合型按键，能直接对触碰动作做出反应(如提供预览功能)，对按压动作做出反应(如启动对应的功能)(图5)。这些应用可透过电容感测的近接感测器进一步强化，系统会在使用者靠近时，启动其他额外的功能，如背光控制等(图6)。

图5 混合式触控技术的实作

图6 近接式汽车音响背光控制功能

触控萤幕大幅提高汽车中控台的附加价值，它们不仅为使用者介面带来卓越的提升，而且自然地把许多控制功能整合到单一系统。传统的触控萤幕会根据使用者施予机械压力导致电阻值改变，藉此侦测出触碰动作。这种触控萤幕称为电阻式触控萤幕，它们本身有许多限制，事实上，它们一次仅能辨识一只手指的动作，而且长期时间会有磨损的问题。电容式触控萤幕则能同时侦测到多根手指，还能解读操控手势，并具备卓越的透光度与更高的灵敏度，如今更成为主流的触控萤幕技术。在汽车中采用这种萤幕，不仅能突显设计的特色，还能改进使用者介面，电容式触控萤幕更多的实用例子包括可用来控制冷暖空调设备、影音设备及导航装置。

两大中控台设计模式各有千秋

以下将介绍中控台采用的模组与整合设计模式，以及其优劣势分析。

模组设计模式缺乏设计弹性

中控台一向采用模组设计模式(Brick Design Model)(图7)，在此种模式中，每个中控台元件皆是一个 完整的单元，包含控制/开关面板，以及实际的电子机械组件。如一个中控台中含有多个独立的元件，包括冷暖空调、音响、导航机等设备。每个独立元件均为一个完整系统，内含控制介面、电子元件与机械制动器等元件。

图7 模组设计模式

此种设计的限制是每个系统都单独开发，汽车制造商的控制能力有限，无法按自己的理念来设计外观与控制感。设计人员在控制中控台时的自由度亦相当有限，在设计外观风格时面临种种限制。由于元件之间存在许多沟槽，加上拆装时须动用各种工具，因此增加许多成本，再加上机械元件数量增加，故障机率也随之升高。

整合设计模式具高可靠/低成本优势

在整合设计模式中，中控台所有元件的控制都整合到同一个面板，实际的电子机械系统则透过一个资料汇流排进行连结。控制面板的分置与整合，让人机介面的设计者在美感设计有更多弹性，设计出一贯的外貌与风格。这种设计模式亦能减少工具方面的费用并提高可靠度，由于整合并减少控制介面，因此这种设计还能降低整体系统成本。

整合设计模式大致上都确实可行，因为业界已开发出电容式触控感测技术。研发业者可在平面显示器整合电容感测器，并采用曲面设计，藉以增进面板的美感。由于减少机械零件与沟槽(易聚积灰尘)数量，因此这类设计还能提高可靠度并降低系统成本。 [!--empirenews.page--]

汽车采用电容感测普及率扩大

随着电容式触控感测技术逐渐成熟，电子设计工程师寻找各种有趣的新途径，把技术运用在汽车环境。有两项因素促使这种技术在汽车环境中找到更多新用途，其一是许多触控感测控制器开始支援汽车专用的通讯协定，如区域互联网路(LIN)与控制器区域网路(CAN)，此项趋势造就出许多其他应用，这些以往采用上述网路汇流排技术的产品，现在都能轻易转换至触控感测器型控制器。

再者，更多要求严苛的环境开始采纳电容式感测技术，如汽车与工业控制面板，此要归功于成熟强固的IC，许多半导体业者开始生产新元件，提供更快的扫描速度、更好的杂讯免疫力、低功耗等特性。再加上众多经验丰富的应用工程业者投注心力，促使这项技术扩展到更多新的应用领域。以下即介绍一些创新的应用。

电容感测抢进被动式无钥匙门禁系统

被动式免钥匙门禁系统已问世多年，但直至最近业者才开始运用电容感测技术来侦测驾驶手部的接近状态(图8)。系统会在驾驶口袋内的遥控钥匙及车内防盗器之间启动经过加密的通讯程序。一旦通过验证后，驾驶就获准进入车内然后把车开走，甚至不必把钥匙从口袋里拿出来。

图8 在被动式无钥匙门禁系统中的电容式触控感测器

侦测到人体接近中控台方向需求显现

汽车中控台上的电容式近接感测器能用来建置各种客制化功能，根据人手的方向与距离提供特定的功能，此让中控台能判断是驾驶或乘客的手接近中控台，藉此做出不同的反应。

电容感测的车内照明控制市场萌芽

电容式近接感测技术提供一种高效率的方法，为各种车内与车外系统建置能感测距离的照明控制功能。市面上有许多IC晶片结合电容式触控感测、LIN通讯协定及LED调光功能，针对这类应用提供单晶片式解决方案。

实例包含具备近距侦测功能的车门握把背光，能根据手和车把的相对距离调整灯光强度，具备近距侦测功能的置物箱灯，以及透过LIN进行通讯的触控与近距侦测车顶灯(图9)。

图9 采用近接控制技术的车顶灯具

电容式触控技术开关获青睐

触控按钮越来越受欢迎，且由于富有美观、弹性及可靠等优势，因此正逐渐取代机械式开关与按钮。图10、11显示一些例子，其中部分应用日趋普及，因为业界采用LIN/CAN通讯协定。电容式触控按钮还能提供一种有效率、防水的数位锁汽车门禁系统(图12)。

图10 各式电容式触控开关

图11 电容式触控行李厢开关

图12 电容式触控的数位锁系统

液面感测器单晶片方案出炉

除了人体接近感测外，电容感测还能用来量测液体(图13)。这项属性在液面感测领域找到立足点，并能用来侦测燃油、煞车油以及冷却液等液体的水位。

图13 根据液面显示数据的电容式触控感测器

由于能控制LCD以及支援LIN与CAN协定，藉以和车体控制或其他系统模组进行通讯，因此能为这类系统提供单晶片的解决方案。

从让资讯娱乐系统更酷炫，一直到提供可靠的设计方法来量测液面高度，电容感测技术已多方证明自己是一项极受欢迎且实用的感测技术，现已广泛用在各种汽车应用。它的潜力正逐渐扩展至新一代专为汽车产业设计的混合讯号控制器。随着系统的要求日趋严苛与复杂，研发业者将会发现这项科技能为各种应用提供有效的感测技术。

(本文作者任职于赛普拉斯)