電容式門(mén)把手原理及設(shè)計(jì)解析

雷 偉，劉志勇，林軍昌，姚高飛

（眾泰汽車工程研究院，浙江 杭州 310018）

1 背景技術(shù)

電容式觸摸技術(shù)幾年前一直被應(yīng)用于國(guó)外的高端汽車，近年來(lái)，該項(xiàng)技術(shù)被快速?gòu)?fù)制到中國(guó)汽車市場(chǎng)。從中控臺(tái)信息娛樂(lè)系統(tǒng)的人機(jī)交互界面到頂燈開(kāi)啟按鈕，整個(gè)電容式傳感技術(shù)呈現(xiàn)出迅猛發(fā)展的態(tài)勢(shì)。電容式觸摸傳感取得新進(jìn)展的一個(gè)此類應(yīng)用是被動(dòng)車輛進(jìn)入。在該應(yīng)用中，位于門(mén)把手中的觸摸傳感器可以檢測(cè)駕駛員的手動(dòng)作，以激活被動(dòng)無(wú)鑰匙系統(tǒng)，用于鎖定、解鎖車輛，對(duì)于終端用戶而言，解閉鎖變得愈加方便和舒適。

2 電容式門(mén)把手原理

平面電容傳感器在忽略邊緣效應(yīng)的情況下，平行板電容公式如下：

式中：εr——極間介質(zhì)的相對(duì)介電常數(shù)；ε0——真空介電常數(shù)；S——兩電極互相覆蓋的有效面積；d——兩電極之間的距離。

通過(guò)改變電容極間介質(zhì)的介電常數(shù)、極板面積、極間距都可以改變電容值，電容傳感器基本上分為變介電常數(shù)、變極板面積、變極間距3種形式。

3 電容式門(mén)把手構(gòu)成

3.1 電容式門(mén)把手電器架構(gòu)

CTOT為測(cè)量電容，CS為互電容 （兩極均為電容帶電極），CF為人體等效電容 （一極為電容帶，一極為大地）。如圖1所示，正常狀態(tài)CF兩極板間電介質(zhì)為空氣，當(dāng)人體接近時(shí)，電介質(zhì)由空氣逐漸變?yōu)槿梭w，空氣的介電常數(shù)為1，人體的介電常數(shù)60～70，介電常數(shù)逐漸增加引起CF的電容值增加，人體越接近，CF越大。CF將導(dǎo)致電容CS的激勵(lì)端被對(duì)地旁路（衰減），CF越大，CS越小，但是最終會(huì)造成測(cè)量電容CTOT逐漸減小。通過(guò)采集測(cè)量電容CTOT的變化，便可得出人體接近程度的變化。

3.2 電容式門(mén)把手核心零部件選型

賽普拉斯 （Cypress）半導(dǎo)體公司主要生產(chǎn)用于數(shù)據(jù)傳輸、遠(yuǎn)程通訊、PC和軍用系統(tǒng)高性能IC產(chǎn)品。賽普拉斯PSoC 4000器件符合汽車電子委員會(huì) （AEC）-Q100標(biāo)準(zhǔn)認(rèn)證，包含用于電容式感應(yīng)應(yīng)用的2個(gè)電流DAC，為電容式感應(yīng)技術(shù)提供了一流的信噪比 （SNR）和防水功能，通過(guò)賽普拉斯提供的軟件組件可以較容易地實(shí)現(xiàn)電容式感應(yīng)設(shè)計(jì)。所有端口引腳都支持GPIO。 端 口 0、1和2支持Sigma-Delta電容傳感器和模擬復(fù)用器總線連接。擁有一個(gè)16位定時(shí)、計(jì)數(shù)、脈寬調(diào)制器 （TCPWM）模塊。主控芯片如圖2所示。

圖1 電容式門(mén)把手電器架構(gòu)

圖2 主控芯片

賽普拉斯PSoC 4000，包括一個(gè)帶有8個(gè)中斷輸入的嵌套向量中斷控制器 （NVIC）模塊和一個(gè)喚醒中斷控制器（WIC）。通過(guò)WIC將處理器從深度睡眠模式喚醒，以便芯片處于深度睡眠模式時(shí)，可以關(guān)閉主處理器的電源，降低整車休眠狀態(tài)的單件靜態(tài)電流，滿足設(shè)計(jì)選型。

3.3 電容式門(mén)把手內(nèi)部工作原理

CapSense內(nèi)部電路示意見(jiàn)圖3。

圖3 CapSense內(nèi)部電路示意圖

圖4 CapSense內(nèi)部等效電路示意圖

Step1： Cmod充電直到比較器端電壓大于VREF。

Step2：比較器翻轉(zhuǎn)，通過(guò)鎖存器接通RB與地，對(duì)CMod進(jìn)行放電。

Step3：當(dāng)CMod端電壓低于VREF時(shí)，比較器翻轉(zhuǎn)通過(guò)鎖存器斷開(kāi)RB與地，CMod再次充電。

系統(tǒng)按照以上步驟進(jìn)行循環(huán)，通過(guò)CMod不斷充放電將電容信號(hào)轉(zhuǎn)換成方波，波形信號(hào)如圖5所示。CMod電容值固定不變，CX越大RCX值越小充放電越快，方波周期越短。鎖存器與比較器信號(hào)同步跳變，把方波信號(hào)輸出到系統(tǒng)時(shí)鐘。如圖6所示，PWM發(fā)生器產(chǎn)生等周期的時(shí)間幀，16 bit的計(jì)數(shù)器通過(guò)計(jì)算固定周期的方波數(shù)量來(lái)等效判斷外部電容值的變化，由此便可量化人體的觸摸。

圖5 波形信號(hào)

圖6 PWM發(fā)生器產(chǎn)生等周期的時(shí)間幀

4 電容式門(mén)把手設(shè)計(jì)解析

4.1 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

門(mén)把手本身結(jié)構(gòu)上是不防水的，雨天或洗車等情況下，把手內(nèi)會(huì)進(jìn)水，把手內(nèi)部結(jié)構(gòu)所限，進(jìn)入把手的水份不能完全排干，會(huì)產(chǎn)生部分積水，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)不合理會(huì)導(dǎo)致電容門(mén)把手處于長(zhǎng)期局部浸水狀態(tài)。因此，電容式門(mén)把手設(shè)計(jì)應(yīng)盡量遵循如下技術(shù)要求。

1）把手殼體結(jié)構(gòu)上應(yīng)盡量設(shè)置排水通道，能很好排干進(jìn)入把手內(nèi)的水份，不產(chǎn)生積水。

2）天線 （集成電容式傳感器）與把手內(nèi)壁不要采用緊貼配合，應(yīng)通過(guò)結(jié)構(gòu)筋條架空布置天線，使天線上下方向與把手殼體間留出一定間隙 （2 mm以上）。

3）把手設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)盡量考慮配合天線產(chǎn)品所需 （特別是可靠的防水結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)）來(lái)設(shè)計(jì)把手的相關(guān)結(jié)構(gòu)及空間尺寸。不應(yīng)先限定把手結(jié)構(gòu)方案及空間，然后強(qiáng)行塞入天線，導(dǎo)致沒(méi)有足夠的空間來(lái)合理設(shè)計(jì)天線產(chǎn)品結(jié)構(gòu)。

4）天線的防水性能要滿足長(zhǎng)期浸水的工況下也能可靠工作，為提高天線防水性，優(yōu)先考慮采用低壓注塑工藝進(jìn)行密封防水。

5）如天線采用灌膠工藝進(jìn)行防水密封，則天線殼體應(yīng)設(shè)計(jì)成封閉形式，殼體空腔內(nèi)灌膠密封。盡量不采用單面開(kāi)放的半封閉形式，以避免開(kāi)放面一側(cè)出現(xiàn)殼體與膠體裂開(kāi)問(wèn)題。

6）天線的出線位置盡量布置在天線殼體中間。

7）天線上的線束盡量能分散出線，盡量不要兩根或多根線束并攏出線。4.2 功能設(shè)計(jì)解析

1）使能條件：①電源模式為OFF；②攜帶合法鑰匙且車內(nèi)無(wú)合法鑰匙；③六門(mén)都為關(guān)狀態(tài)且都為閉鎖；④六門(mén)都為關(guān)狀態(tài)且都為解鎖；⑤六門(mén)非全部為關(guān)狀態(tài)。

2）觸發(fā)條件：①觸摸對(duì)應(yīng)門(mén)把手閉鎖區(qū)域；②觸摸對(duì)應(yīng)門(mén)把手解鎖區(qū)域。

3）執(zhí)行輸出：使能條件滿足①&②&③|④時(shí)，滿足觸發(fā)條件①則執(zhí)行閉鎖指令；使能條件滿足①&②&⑤時(shí)，滿足觸發(fā)條件①不執(zhí)行閉鎖指令且喇叭會(huì)鳴響兩聲；使能條件滿足①&②&③時(shí)，滿足觸發(fā)條件②則執(zhí)行解鎖指令；使能條件滿足①&②&④|⑤時(shí)，滿足觸發(fā)條件②無(wú)響應(yīng)。

4）功能解讀：①PKE閉鎖后約3 s，重新觸發(fā)門(mén)把手感應(yīng)解鎖開(kāi)關(guān)，才能執(zhí)行PKE解鎖。PKE閉鎖后，手一直放在門(mén)把手感應(yīng)解鎖開(kāi)關(guān)上，系統(tǒng)不執(zhí)行PKE解鎖。②車輛已經(jīng)解鎖，再次觸發(fā)門(mén)把手解鎖功能 （攜帶合法鑰匙），會(huì)重新響應(yīng)解鎖。③車輛已經(jīng)閉鎖，再次觸發(fā)門(mén)把手閉鎖功能 （攜帶合法鑰匙），會(huì)重新響應(yīng)閉鎖。④無(wú)鑰匙解閉鎖檢測(cè)鑰匙時(shí)，鑰匙需要距離對(duì)應(yīng)車門(mén)約1 m之內(nèi)。