電容式門把手原理及設(shè)計解析

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)幾年前一直被應用于國外的高端汽車，近年來，該項技術(shù)被快速復制到中國汽車市場。從中控臺信息娛樂系統(tǒng)的人機交互界面到頂燈開啟按鈕，整個電容式傳感技術(shù)呈現(xiàn)出迅猛發(fā)展的態(tài)勢。電容式觸摸傳感取得新進展的一個此類應用是被動車輛進入。在該應用中，位于門把手中的觸摸傳感器可以檢測駕駛員的手動作，以激活被動無鑰匙系統(tǒng)，用于鎖定、解鎖車輛，對于終端用戶而言，解閉鎖變得愈加方便和舒適。

2 電容式門把手原理

平面電容傳感器在忽略邊緣效應的情況下，平行板電容公式如下：

式中：εr——極間介質(zhì)的相對介電常數(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 電容式門把手構(gòu)成

3.1 電容式門把手電器架構(gòu)

CTOT為測量電容，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，當人體接近時，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將導致電容CS的激勵端被對地旁路（衰減），CF越大，CS越小，但是最終會造成測量電容CTOT逐漸減小。通過采集測量電容CTOT的變化，便可得出人體接近程度的變化。

3.2 電容式門把手核心零部件選型

賽普拉斯 （Cypress）半導體公司主要生產(chǎn)用于數(shù)據(jù)傳輸、遠程通訊、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 （AEC）-Q100標準認證，包含用于電容式感應應用的2個電流DAC，為電容式感應技術(shù)提供了一流的信噪比 （SNR）和防水功能，通過賽普拉斯提供的軟件組件可以較容易地實現(xiàn)電容式感應設(shè)計。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用器總線連接。擁有一個16位定時、計數(shù)、脈寬調(diào)制器 （TCPWM）模塊。主控芯片如圖2所示。

圖1 電容式門把手電器架構(gòu)

圖2 主控芯片

賽普拉斯PSoC 4000，包括一個帶有8個中斷輸入的嵌套向量中斷控制器 （NVIC）模塊和一個喚醒中斷控制器（WIC）。通過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，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)計選型。

3.3 電容式門把手內(nèi)部工作原理

CapSense內(nèi)部電路示意見圖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)，通過鎖存器接通RB與地，對CMod進行放電。

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

系統(tǒng)按照以上步驟進行循環(huán)，通過CMod不斷充放電將電容信號轉(zhuǎn)換成方波，波形信號如圖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同步跳變，把方波信號輸出到系統(tǒng)時鐘。如圖6所示，PWM發(fā)生器產(chǎn)生等周期的時間幀，16 bit的計數(shù)器通過計算固定周期的方波數(shù)量來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

圖6 PWM發(fā)生器產(chǎn)生等周期的時間幀

4 電容式門把手設(shè)計解析

4.1 結(jié)構(gòu)設(shè)計

門把手本身結(jié)構(gòu)上是不防水的，雨天或洗車等情況下，把手內(nèi)會進水，把手內(nèi)部結(jié)構(gòu)所限，進入把手的水份不能完全排干，會產(chǎn)生部分積水，結(jié)構(gòu)設(shè)計不合理會導致電容門把手處于長期局部浸水狀態(tài)。因此，電容式門把手設(shè)計應盡量遵循如下技術(shù)要求。

1）把手殼體結(jié)構(gòu)上應盡量設(shè)置排水通道，能很好排干進入把手內(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，應通過結(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)計時，應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）來設(shè)計把手的相關(guān)結(jié)構(gòu)及空間尺寸。不應先限定把手結(jié)構(gòu)方案及空間，然后強行塞入天線，導致沒有足夠的空間來合理設(shè)計天線產(chǎn)品結(jié)構(gòu)。

4）天線的防水性能要滿足長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行密封防水。

5）如天線采用灌膠工藝進行防水密封，則天線殼體應設(shè)計成封閉形式，殼體空腔內(nèi)灌膠密封。盡量不采用單面開放的半封閉形式，以避免開放面一側(cè)出現(xiàn)殼體與膠體裂開問題。

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)無合法鑰匙；③六門都為關(guān)狀態(tài)且都為閉鎖；④六門都為關(guān)狀態(tài)且都為解鎖；⑤六門非全部為關(guān)狀態(tài)。

2）觸發(fā)條件：①觸摸對應門把手閉鎖區(qū)域；②觸摸對應門把手解鎖區(qū)域。

3）執(zhí)行輸出：使能條件滿足①&②&③|④時，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，滿足觸發(fā)條件①不執(zhí)行閉鎖指令且喇叭會鳴響兩聲；使能條件滿足①&②&③時，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，滿足觸發(fā)條件②無響應。

4）功能解讀：①PKE閉鎖后約3 s，重新觸發(fā)門把手感應解鎖開關(guān)，才能執(zhí)行PKE解鎖。PKE閉鎖后，手一直放在門把手感應解鎖開關(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)門把手解鎖功能 （攜帶合法鑰匙），會重新響應解鎖。③車輛已經(jīng)閉鎖，再次觸發(fā)門把手閉鎖功能 （攜帶合法鑰匙），會重新響應閉鎖。④無鑰匙解閉鎖檢測鑰匙時，鑰匙需要距離對應車門約1 m之內(nèi)。