基于接近感應(yīng)技術(shù)的觸控式前照燈開(kāi)關(guān)設(shè)計(jì)與應(yīng)用

張立新 黃慶達(dá) 楊通亮 范文博 郭慶鐵

【摘? 要】不同于常見(jiàn)的旋鈕式和按鍵式前照燈開(kāi)關(guān)，本文基于電容式接近感應(yīng)技術(shù)提出一種全新的觸控式前照燈開(kāi)關(guān)，具有睡眠、工作和接近感應(yīng)3種模式狀態(tài)，其開(kāi)關(guān)采用導(dǎo)電橡膠+彈簧做觸摸傳感器的方案，面蓋總成采用多色注塑方式，整體結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、性能穩(wěn)定、成本低廉而且可以給用戶(hù)帶來(lái)觸控操作的科技感，具有很好的應(yīng)用前景。

【關(guān)鍵詞】接近感應(yīng);觸控式;前照燈開(kāi)關(guān);多色注塑

中圖分類(lèi)號(hào)：U463.66? ? 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A? ? 文章編號(hào)：1003-8639（ 2023 ）05-0046-03

【Abstract】Different from the common headlight switch using knob and button for operation，this paper proposes a new touch headlight switch based on capacitive proximity sensing technology，which has three modes：sleep mode，work mode and proximity sensing mode. The switch uses conductive rubber and spring for touch sensor，the cover assembly adopts multi-color injection molding. The overall structure is simple，stable performance，not only low cost but can bring users a sense of technology feeling，and has a good application prospect.

【Key words】proximity sensing;touch type;headlight switch;multi-color injection molding

作者簡(jiǎn)介

張立新（1978—），男，高級(jí)工程師，主要從事汽車(chē)電子開(kāi)關(guān)研究和開(kāi)發(fā)工作;黃慶達(dá)（1990—），男，碩士，工程師，主要從事汽車(chē)電子開(kāi)關(guān)研究和開(kāi)發(fā)工作（通訊作者）。

電子技術(shù)發(fā)展的日新月異，同時(shí)伴隨著新能源汽車(chē)的普及和智能座艙概念的深化，汽車(chē)電子開(kāi)關(guān)無(wú)論是外形還是操作方式都發(fā)生了重大的變革和創(chuàng)新，觸控式開(kāi)關(guān)成為未來(lái)的汽車(chē)自動(dòng)化、智能化發(fā)展趨勢(shì)。

本文介紹一種帶接近感應(yīng)功能的觸控式前照燈開(kāi)關(guān)，此開(kāi)關(guān)的優(yōu)勢(shì)是在開(kāi)關(guān)不使用過(guò)程中可以自動(dòng)關(guān)閉背光面板或用戶(hù)交互畫(huà)面，既能避免在駕駛過(guò)程中干擾駕駛員，也能提升產(chǎn)品的人機(jī)交互科技感，為產(chǎn)品設(shè)計(jì)員提供更好的用戶(hù)界面設(shè)計(jì)靈活性。

1? 前照燈開(kāi)關(guān)的應(yīng)用現(xiàn)狀

當(dāng)前市面上大多數(shù)車(chē)型的前照燈開(kāi)關(guān)采用旋鈕或者按鍵等物理操作方式，這種機(jī)械結(jié)構(gòu)的操作方式，在經(jīng)過(guò)長(zhǎng)時(shí)間使用之后，勢(shì)必會(huì)造成零件的磨損，降低產(chǎn)品的手感和性能，甚至?xí)l(fā)生功能失效問(wèn)題。同時(shí)，旋鈕或按鍵等機(jī)械結(jié)構(gòu)需要一定的空間布置，給開(kāi)關(guān)的造型設(shè)計(jì)帶來(lái)一定的限制[1]。此外，旋鈕類(lèi)型的操作方式功能集成較多，結(jié)構(gòu)較復(fù)雜，不能做到一目了然地操作，給乘員帶來(lái)不好的操作體驗(yàn)。常見(jiàn)的旋鈕式和按鍵式前照燈開(kāi)關(guān)如圖1所示。

為了適應(yīng)汽車(chē)智能化、自動(dòng)化的發(fā)展趨勢(shì)，對(duì)傳統(tǒng)機(jī)械操作方式的前照燈開(kāi)關(guān)進(jìn)行重新定義和設(shè)計(jì)也是勢(shì)在必行。基于此，本文提出一種全新的基于接近感應(yīng)技術(shù)的觸控式前照燈開(kāi)關(guān)。

2? 觸控式前照燈開(kāi)關(guān)方案介紹

目前基于接近感應(yīng)的實(shí)現(xiàn)方式主要有3種方式：紅外方式、電容式和攝像頭式[2]。本文通過(guò)采用電容式接近感應(yīng)技術(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)前照燈開(kāi)關(guān)的接近感應(yīng)和觸控操作。

2.1? 產(chǎn)品功能簡(jiǎn)介和系統(tǒng)功能框圖

觸控式前照燈開(kāi)關(guān)帶有接近感應(yīng)功能以及6個(gè)觸摸按鍵功能，具體為：前霧燈、模式選擇（示寬燈、AUTO、近光燈）、后霧燈、MAX除霜、前除霜、后除霜等。觸控前照燈功能定義如圖2所示。開(kāi)關(guān)設(shè)計(jì)有3種模式狀態(tài)，分別是：睡眠模式、低功耗狀態(tài)、字符不點(diǎn)亮，可以通過(guò)觸摸任意字符后喚醒開(kāi)關(guān)進(jìn)入工作模式。睡眠模式下工作指示字符處于“隱藏”狀態(tài);工作模式為正常顯示模式，所有字符均點(diǎn)亮，字符背光為最大亮度的30%，此時(shí)字符光線柔和，功耗低，每路按鍵背光和指示燈均可單獨(dú)控制，并且可以根據(jù)報(bào)文調(diào)節(jié)背光和指示燈的亮度;接近感應(yīng)模式，在人體手指或手掌接近到面板感應(yīng)范圍時(shí)觸發(fā)，觸控面板字符亮度會(huì)快速提升至背光最大亮度，讓用戶(hù)在即使強(qiáng)光環(huán)境下也能快速識(shí)別字符，觸發(fā)功能。

供電電源由KL30輸入，1路為L(zhǎng)DO電源（LDO輸出5V為MCU的工作電源），1路為背光、指示燈電源。通信方式由LIN總線與BCM進(jìn)行通信，控制單元向LIN主機(jī)發(fā)送報(bào)文，MCU控制背光指示燈的亮滅和通過(guò)調(diào)節(jié)PWM的占空比來(lái)控制指示燈背光的亮度。功能框圖如圖3所示。同時(shí)，開(kāi)關(guān)還帶有診斷信息讀取功能、睡眠喚醒功能等。

2.2? 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

區(qū)別于大部分觸控類(lèi)產(chǎn)品采用ITO膜的sensor結(jié)構(gòu)作為觸摸傳感器的方案，本文采用導(dǎo)電橡膠+彈簧做觸摸傳感器的方案[3]。開(kāi)關(guān)包含面蓋總成、接近感應(yīng)環(huán)、導(dǎo)電橡膠、隔光內(nèi)殼、導(dǎo)電彈簧、PCB、插針總成、外殼等零件，產(chǎn)品爆炸圖如圖4所示。當(dāng)用戶(hù)手指（導(dǎo)體）接觸面蓋符號(hào)區(qū)域時(shí)，手指接觸面與導(dǎo)電橡膠的導(dǎo)電Pad形成一個(gè)電容，并且這個(gè)電信號(hào)通過(guò)導(dǎo)電彈簧傳導(dǎo)到PCB上，電容觸摸芯片采集到此電信號(hào)之后，通過(guò)計(jì)算得出變化量，當(dāng)變化量大于預(yù)設(shè)閾值，MCU判斷觸摸有效。

其中，面蓋總成采用多色注塑方式實(shí)現(xiàn)[4]，其零件結(jié)構(gòu)分解如圖5所示，采用雙色嵌件總成+3色注塑的5色注塑工藝，即在注塑第3色的時(shí)候，將1、2色的零件當(dāng)作嵌件放入模具，當(dāng)?shù)?色注塑完成后，表面噴漆再鐳雕，便可呈現(xiàn)各自符號(hào)的顏色。故一個(gè)面蓋總成零件同時(shí)集成實(shí)現(xiàn)了隔光、均勻透光、高光噴漆、字符隱藏的功能要求。

2.3? 硬件設(shè)計(jì)

硬件組成主要由MCU模塊、LDO&LIN模塊、電源檢測(cè)模塊、按鍵電路模塊等4部分組成。其中，MCU模塊采用Cypress的CY8C4125LQS-S433，LDO模塊采用NXP的TJA。

MCU模塊如圖6所示。當(dāng)操作前霧燈按鍵時(shí)，系統(tǒng)離開(kāi)睡眠模式，進(jìn)入正常工作狀態(tài);LIN總線無(wú)活動(dòng)時(shí)，MCU進(jìn)入睡眠，接收到喚醒信號(hào)，系統(tǒng)離開(kāi)睡眠模式，進(jìn)入正常工作狀態(tài);同時(shí)，MCU內(nèi)帶看門(mén)狗，防止程序跑飛。在電源濾波電路設(shè)計(jì)中采用TVS管，防止瞬態(tài)脈沖干擾;LIN接口電路采用ESD管，防止靜電損壞。整個(gè)電路能有效增加RI（輻射抗擾度）和CI（導(dǎo)電抗擾度）抗干擾。

2.4? 軟件設(shè)計(jì)

首先采集用戶(hù)按下按鍵的信號(hào)，將按鍵信號(hào)通過(guò)總線發(fā)送給主節(jié)點(diǎn)，然后接收指示燈、背光燈控制信號(hào)和亮度調(diào)節(jié)信號(hào)，點(diǎn)亮并調(diào)節(jié)指示燈，最后根據(jù)用戶(hù)操作檢測(cè)是否接近，以實(shí)現(xiàn)接近感應(yīng)功能。開(kāi)始時(shí)，先對(duì)軟件進(jìn)行初始化設(shè)置，即對(duì)MCU的輸入輸出口的設(shè)置，軟件主流程如圖7所示。

3? 觸控式前照燈開(kāi)關(guān)的開(kāi)發(fā)與實(shí)物

PCB布線時(shí)，將觸摸處理芯片的電源和搭鐵線與其他電源搭鐵線分開(kāi)，中間用PAI型濾波網(wǎng)絡(luò)隔離，防止板上其他電路干擾觸摸電路，也能防止觸摸處理芯片內(nèi)部的噪聲傳導(dǎo)出去，影響其他器件。觸摸通道導(dǎo)線（從插接件到MCU）要盡量短，而且觸摸線路上串聯(lián)的10kΩ電阻到觸摸處理芯片端口的距離要小于1cm，這樣由寄生電容和電阻構(gòu)成的阻容濾波電路可以削減射頻噪聲的振幅。

開(kāi)關(guān)內(nèi)部結(jié)構(gòu)采用環(huán)狀金屬支架設(shè)計(jì)，既可以用于接近感應(yīng)的信號(hào)采集，又可以通過(guò)此金屬支架吸收外部的靜電干擾，從而保護(hù)內(nèi)部的電容觸摸傳感器不受靜電干擾損壞。開(kāi)關(guān)可達(dá)到預(yù)期抗干擾性能，并通過(guò)通用標(biāo)準(zhǔn)BCI抗擾二級(jí)的要求及通用自由場(chǎng)抗擾二級(jí)的要求。 產(chǎn)品實(shí)物如圖8所示。

4? 結(jié)語(yǔ)

本文基于接近感應(yīng)技術(shù)開(kāi)發(fā)了一款電容式觸控式的前照燈開(kāi)關(guān)，區(qū)別于傳統(tǒng)的旋鈕式或按鍵式機(jī)械結(jié)構(gòu)，極大提升了用戶(hù)的操作體驗(yàn)和人車(chē)交互科技感，是一種全新的探索。該產(chǎn)品在滿(mǎn)足用戶(hù)各功能需求的同時(shí)還具有整體結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、加工效率高、生產(chǎn)成本低、開(kāi)關(guān)性能穩(wěn)定、使用壽命長(zhǎng)等優(yōu)點(diǎn)。首次采用導(dǎo)電橡膠+彈簧做觸摸傳感器的方案，此技術(shù)不僅成本低廉而且可以給用戶(hù)帶來(lái)觸控操作的科技感，可廣泛應(yīng)用于汽車(chē)的內(nèi)飾開(kāi)關(guān)及音頻面板、導(dǎo)航系統(tǒng)和HVAC面板等，具有很好的應(yīng)用前景。

參考文獻(xiàn)：

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（編輯? 凌? 波）