觸控頂燈的設計與應用

謝延青，張艷群，余小輝

（上汽大眾汽車有限公司，上海 201805）

隨著科技進步的不斷加速，人們對汽車舒適度和個性化的需求也日益增長。氛圍燈可以讓我們在長途或晚上開車的時候使環境更加放松，有效舒緩駕駛員的心情，釋放疲憊，對安全駕駛有一定的作用，同時可以提升車輛的檔次。車內閱讀燈一般是作為功能用光，用戶對其設計及光照的要求較高，在滿足車規級的要求下，既要保證用光要求，也需要保證良好的舒適性和安全性，不能干擾到駕駛員的駕駛。

目前市面上將車內頂燈和氛圍燈結合的產品極少，一般都是添加一個背光功能，起到一個指示作用，還未見帶有RGB氛圍燈功能的頂燈。這些都表明頂燈的設計仍局限在傳統的閱讀燈框架中，功能限定在基本照明這一塊。因此，頂燈本身具有極大的功能擴展潛力，存在著將氛圍燈功能整合入頂燈中的可能性，甚至在此基礎上延伸出與汽車其他部分的聯動，實現部分功能的集成設計。從這個角度出發，當前絕大多數頂燈采用的全按鍵或按鍵結合觸控的控制方式難以完全適應氛圍燈智能化和功能擴展便利性的要求，因此有必要對頂燈結構進行全新的設計。

1 頂燈應用現狀

當前大多數的頂燈采用按鍵操作的方式，目前市面上最常見的也都是采用按鍵式的頂燈。這種傳統的結構在長時間的使用后會造成一定的機械損傷，影響其使用壽命。同時，機械按鈕會占據一部分空間，因此在造型設計也有一定的局限。

在按鍵的基礎上，市面上也有采用點觸控制方式進行操作的頂燈產品，不過還很少見。該種頂燈可以通過觸摸點擊實現頂燈開閉，取代了傳統的機械按鍵，且長按可以實現閱讀燈亮度的調整，方便用戶根據個體差異和喜好調整照明效果。但燈光顏色不可選，缺乏對燈光布置、顏色和發光模式3方面的深入挖掘。因此，本文提出了一種全新的頂燈設計。

2 創新頂燈方案介紹

2.1 頂燈控制方案及功能設想

該款頂燈主要是通過頂燈上的一塊觸摸屏進行操控，同時提供了Wifi和藍牙接口，可以通過手機APP直接操控，實現無線控制。其左右各布置有一顆白光LED用作閱讀燈功能，上下各布置6顆RGB LED用作氛圍燈功能，實現不同的氛圍燈模式。同時頂燈上整合了汽車上的其他控制模塊，如天窗、卷簾等，實現集成控制，極大地有利于客戶的便捷性。主要的控制原理是：觸摸屏通過串口微機控制單元MCU通信，MCU整合了各模塊，通過LIN總線協議控制閱讀燈的亮度調節及氛圍燈的顏色和亮度調節。圖1展示了該燈設計的系統設計框架，總共分為了4大功能模塊，分別是通過MCU的觸摸芯片實現該燈的觸摸控制；通過顯示芯片實現HMI界面的顯示和頂燈的界面控制；Wifi和藍牙功能集成在一塊PCB上，通過這個模塊可以實現和APP的通信連接及無線控制；LIN通信的模塊主要是用來控制閱讀燈的亮度，閱讀燈功能預留了色溫控制的引腳，后續還可以擴展其功能。同時LIN通信的模塊可以用來控制氛圍燈的顏色、亮度，每顆LED都可以實現單獨控制和調節。

圖1 頂燈控制系統框架

頂燈控制方案見圖2，該款燈與市面上的其他產品相比，為用戶提供了更加通用的操作性，使得汽車內的駕駛員和不同位置的乘客都能夠對頂燈進行控制和個性化設置。從開發者的角度考慮，該種方案能夠有效地提升產品的自主力度、定制程度和生態擴展性，為未來更多的智能化方案和打造自身品牌特色提供基礎。

圖2 頂燈控制方案

在擬定的控制方案的基礎上，針對新型頂燈功能展開詳細的功能設想，作為汽車頂燈應保留傳統閱讀燈的基本功能，并以氛圍燈功能的整合作為基礎。其中，傳統的閱讀燈功能和模式包括：①基礎照明；②門控模式；③亮度調節；④氛圍燈功能包括燈光的多種顏色設置和發光模式選取，目前設置了4種氛圍燈模式，分別是：朦朧漸變 （按照預先設定的顏色整體呈現呼吸效果）、間斷閃爍 （上下每兩個燈一組，設定一個組地址，總共氛圍3組，依次控制其從左至右閃爍不一樣的顏色和亮度）、漣漪變幻 （順時針呈現不同顏色的流水效果）、節奏律動 （整體呈現不同的閃爍效果）。此外，頂燈可以結合汽車其他部分開發相應功能，如控制天窗的開閉、卷簾的開閉，還可以進行一些其他設置，如語言切換 （目前設計了中文、英文、德文3種語言模式）。

2.2 頂燈結構及界面設計

為了適應上述頂燈功能擴展和智能化需求，結構設計工作除去各種結構件的設計，還應包括照明模塊中的發光面設計、導光結構設計、LED模組和閱讀燈的布置設計，其中發光面和導光結構作為基礎功能相關的部分，需要有一定的光學仿真分析作為根據和驗證。此外，還應考慮操作模塊中可能的觸摸屏等部件的安裝布置、通信模塊中LIN總線的走線布置以及通信相關的PCB布置。同時需要考慮其散熱要求，分析頂燈的主要發熱元器件，進行熱學模擬分析，添加相關的散熱片以滿足要求。結構模型效果見圖3。

圖3 結構模型效果圖

設計中主要包括了如下幾個模塊：①燈蓋殼的外圍，充當整個燈蓋面的外圍，需與頂棚結構進行匹配；②發光面透明件；③燈蓋殼的內圈，用于安裝固定觸摸屏并塞入棉塞；④觸摸屏，控制頂燈，進行人機交互；⑤泡沫棉塞，起防塵和防止漏光的作用，共4塊；⑥集光板，用于安裝閱讀燈LED，同時起防止漏光的作用；⑦閱讀燈透鏡 （透明件），作用是將閱讀燈LED打出的強光進行柔和處理并導入集光板和發光面之間；⑧閱讀燈LED PCB板；⑨閱讀燈LED散熱器，控制LED節點溫度不至于過熱；⑩氛圍燈LED PCB板，在結構兩端各布置6塊，總共12塊；11○上下光導，將一側6顆LED發出的光線導到集光板和發光面之間；12○骨架，完成大多數其余組件的安裝定位，將頂燈各部分整合為一體，并用于把整個頂燈安裝到車頂上；13○主MCU PCB板；14○后蓋，起保護作用。

觸摸屏的界面設計采用簡約風格，如圖4所示，主界面分為閱讀燈、氛圍燈和其他3大類。其中閱讀燈界面點擊去展示前燈的控制界面，可以一起控制兩只燈，也可以左右燈單獨控制，同時還能前后切換，燈亮會高亮顯示，長時間觸摸會出現調節閱讀燈亮度的bar；氛圍燈目前設計了4種模式，每種模式可以單獨設置R、G、B、亮度，且界面可以展示動畫狀態；其他界面目前設計了4種控制，分別是天窗、卷簾、語言切換和門控控制。

3 加工與實物

新型頂燈中不透明組件采用ABS塑料作為材料，透明件采用透明PC塑料作為材料。ABS塑料是一種由丙烯氰、丁二烯和苯乙烯共聚而成的新型高分子聚合物材料，兼具3種單體的良好性能［1］。這意味著ABS塑料具有良好的加工性、韌性、彈性、化學穩定性和表面硬度［2］，能夠耐沖擊、耐熱、耐低溫，目前，ABS因其優異的綜合性能已廣泛運用于汽車工業、電子電器、紡織、輕功和建筑等領域。

透明PC塑料，即聚碳酸酯，是分子鏈中含有碳酸酯基的高分子聚合物，作為一種熱塑性工程塑料，PC塑料具有良好的抗沖擊能力、尺寸穩定性、介電性能和透明性，并且耐熱、無毒。在透光率方面，PC塑料可以高達88%~92%，折射率在1.58左右，非常適合制作透明光學件。樣件通過精度較高的CNC數控機床加工得到。頂燈實物如圖5所示。

圖4 觸摸屏界面設計

圖5 頂燈實物

4 結語

本文采用全觸摸式操作方案設計的頂燈，放棄傳統按鍵布局，是一種全新的嘗試；結構造型新穎，將閱讀燈功能和氛圍燈功能集成起來，設計相關光學件，樣件的光照均勻，可以調節氛圍燈的顏色和亮度。從頂燈集成氛圍燈功能擴展的角度出發，后續豐富空間大，有利于未來更多功能的開發，為車企的創新提供了一定的參考意義。