基于電容感應(yīng)技術(shù)的汽車中控臺(tái)面板設(shè)計(jì)

本文介紹了將Cypress公司的PSoC(可編程片上系統(tǒng))CY8C 21534系列芯片運(yùn)用于汽車中控臺(tái)面板的開(kāi)發(fā)過(guò)程。面板的工作原理以及其創(chuàng)新性外型設(shè)計(jì)，重點(diǎn)介紹了電容感應(yīng)技術(shù)的原理及其在面板控制方面應(yīng)用的優(yōu)勢(shì)，另外分析了此款中控臺(tái)面板的市場(chǎng)前景和商業(yè)價(jià)值。

背景簡(jiǎn)介

　　汽車電子技術(shù)發(fā)展到今天，車上電子器件越來(lái)越多，通過(guò)車載電腦控制和協(xié)調(diào)這些電器件已經(jīng)成為一種必要。然而，車輛越高檔，電子設(shè)備就會(huì)越多，車載電腦的操作系統(tǒng)也就會(huì)越復(fù)雜。如果每一功能都與按鍵相對(duì)應(yīng)，可以想象汽車中控臺(tái)將會(huì)是多么令人眼花繚亂。在這種情況下，如何令操作界面既簡(jiǎn)單又實(shí)用就成為一個(gè)不得不考慮的問(wèn)題。參考iPod 的操作界面，我們開(kāi)發(fā)了一款基于電容感應(yīng)技術(shù)的汽車中控臺(tái)面板，使按鍵大為減少，外形簡(jiǎn)潔美觀，操作具有趣味性。

　　本汽車中控臺(tái)面板具有如下功能：

　　1.記錄駕駛數(shù)據(jù)：在主頁(yè)上的駕駛數(shù)據(jù)包括駕駛時(shí)間，里程，燃油使用量，平均燃油使用量，平均速度。這些數(shù)據(jù)每駕駛一次記錄一次，用戶也可以翻看以前的記錄。

　　2?.時(shí)間和日期的顯示：這部分功能集成在屏幕的右邊。在任何界面下都顯示。

　　3.溫度顯示：同時(shí)顯示室內(nèi)外溫度。

　　4.多媒體播放器：本系統(tǒng)界面上支持MP3播放，CD播放和收音機(jī)模式。這部分功能大量運(yùn)用了Cypress電容感應(yīng)技術(shù)，使娛樂(lè)更具趣味性。

　　5.空調(diào)控制：這部分包括普通控制功能，如溫度控制、風(fēng)力控制等。

系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

　　系統(tǒng)結(jié)構(gòu)與界面設(shè)計(jì)

　　本系統(tǒng)采用Cypress公司提供的21534系列芯片，其特色是集成了電容感應(yīng)模塊CSR，在使用中可以直接配置，為與電容感應(yīng)有關(guān)的設(shè)計(jì)提供了很大的便利。此芯片擁有四個(gè)數(shù)字模塊位置和四個(gè)模擬模塊位置，雖然有限，但此款芯片的主要設(shè)計(jì)目的是為了電容感應(yīng)的控制，所以在此芯片上配置一個(gè)電容感應(yīng)模塊(占用三個(gè)數(shù)字模塊位置和一個(gè)模擬模塊位置)和實(shí)現(xiàn)某些控制所必需的計(jì)數(shù)器模塊(占用一個(gè)數(shù)字模塊位置)是剛好合適的。(如果有必要，還可以采用動(dòng)態(tài)重分配技術(shù)加入其他模塊)。

　　系統(tǒng)框圖如圖1所示。　　

圖1 系統(tǒng)框圖

　　顯示設(shè)備采用了四灰度黑白液晶顯示屏，其分辨率為240×128像素，在不設(shè)置字符層的情況下最多可以分為四層顯示。在本設(shè)計(jì)中采用兩層顯示，其中第一層為字符層，可以顯示ROM中自帶的176個(gè)字母、數(shù)字、符號(hào)等，第二層為圖畫(huà)層，可以對(duì)顯示屏上任意一點(diǎn)進(jìn)行控制，以顯示所期望的圖形。第二層與第一層之間設(shè)置為與非關(guān)系，以實(shí)現(xiàn)在選擇菜單時(shí)可以出現(xiàn)反色顯示的效果，這也是目前廣泛應(yīng)用在電腦、手機(jī)等液晶屏菜單選擇時(shí)的方式。屏幕的背光采用了定時(shí)控制方式，即每次按下按鍵15秒以后背光燈亮，15秒過(guò)后信息仍顯示但背光燈熄滅，可以既不影響使用又擁有較低的功耗。

　　顯示信息包括基本信息和功能信息，分別位于屏幕上用豎線分割而成的兩部分。基本信息包括時(shí)間、日期、室內(nèi)外溫度等時(shí)刻需要顯示但不需要經(jīng)常變換位置且不需要按鍵來(lái)控制的信息，在屏幕右側(cè)占用固定的位置，在視覺(jué)上具有一定的穩(wěn)定性。而功能信息包括FM、CD、空調(diào)等等設(shè)備工作時(shí)的信息顯示界面，位于屏幕左側(cè)。

　　受外形設(shè)計(jì)限制，按鍵的數(shù)量非常有限，所以同一按鍵必須在不同界面下配置不同的控制功能，才能對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行有效的控制。在程序中，每次按鍵都會(huì)對(duì)按鍵變量進(jìn)行賦值，而顯示器如何顯示不僅取決于變量按鍵，還要對(duì)當(dāng)前顯示界面進(jìn)行判斷，以實(shí)現(xiàn)按下按鍵以后正確的操作。另外，中央按鍵還增加了長(zhǎng)按鍵功能，即按住中央按鍵1秒鐘以上將會(huì)實(shí)現(xiàn)不同于單次按下的功能，以擴(kuò)展了按鍵的功能，相當(dāng)于增加了按鍵的數(shù)量。

電容感應(yīng)原理與應(yīng)用

　　電容感應(yīng)模塊CSR(Capacitive Sensor Relaxation Oscillator)由電容傳感器陣列、模擬多路器、電容感應(yīng)弛豫振蕩器和記數(shù)器組成。該結(jié)構(gòu)示意圖如圖 2所示。　　

圖2 電容感應(yīng)模塊原理圖

　電容傳感器通常由覆蓋在PCB板上的銅片與地之間組成的電容構(gòu)成。銅片上覆蓋一層絕緣物質(zhì)。當(dāng)導(dǎo)體靠近電容器時(shí)，如圖3，銅片和地之間的電容值就會(huì)隨之而改變。電容感應(yīng)弛豫振蕩器對(duì)不一樣的電容產(chǎn)生不一樣頻率的方波。脈寬調(diào)制模塊和計(jì)數(shù)器對(duì)輸出的頻率計(jì)算。通過(guò)檢測(cè)計(jì)數(shù)器的數(shù)值和與設(shè)定閾值進(jìn)行比較，可以間斷電容感應(yīng)開(kāi)關(guān)的開(kāi)合。

　　軟件部分集成了補(bǔ)償因環(huán)境變化和傳感器物理特性差異的算法，還可以識(shí)別按鍵的標(biāo)識(shí)、滑條的位置和二維觸摸板的位置，使得電容感應(yīng)開(kāi)關(guān)穩(wěn)定。　　

圖3 電容感應(yīng)原理

　　電容感應(yīng)在本設(shè)計(jì)里做成一個(gè)滑條，手指在上面滑動(dòng)就可以改變特定界面下特定的量，如多媒體下的音量，空調(diào)界面下的風(fēng)量等。電容感應(yīng)滑條的應(yīng)用與傳統(tǒng)的機(jī)械開(kāi)關(guān)旋鈕等相比，具有耐用、美觀、操作方便等優(yōu)點(diǎn)。駕駛員不用精確對(duì)準(zhǔn)那個(gè)按鈕去調(diào)節(jié)，而是大概朝著滑條的位置就可進(jìn)行模糊的調(diào)節(jié)。

　　依照電容感應(yīng)原理，本設(shè)計(jì)PCB滑條的設(shè)計(jì)如圖4所示。　　

圖4 電容感應(yīng)PCB的設(shè)計(jì)

外形設(shè)計(jì)

　　與現(xiàn)在市面上的各款中控臺(tái)面板相比，此款中控臺(tái)的設(shè)計(jì)具有很強(qiáng)的視覺(jué)沖擊。灰白色的顯示和控制部分嵌在黑色的假想車身中，而黑色的按鍵嵌在白色的操作界面中，對(duì)比鮮明，富有時(shí)尚感。整個(gè)操作界面上沒(méi)有雜亂的按鍵，圓形的觸摸屏與環(huán)繞四周的按鍵搭配，既顯得勻稱又不會(huì)給人單調(diào)的感覺(jué)。如圖5所示。　　

圖5 車載面板外觀設(shè)計(jì)　　

軟件設(shè)計(jì)

　　本設(shè)計(jì)中的軟件部分占用了8K的FLASH容量，通過(guò)一個(gè)主循環(huán)查詢按鍵的輸入，再結(jié)合當(dāng)前的界面組合出一種任務(wù)。軟件流程圖：

圖6 軟件系統(tǒng)流程

優(yōu)點(diǎn)與創(chuàng)新

　　簡(jiǎn)單的操作界面

　　摒棄了傳統(tǒng)的多按鍵設(shè)計(jì)方式，操作界面僅由五個(gè)按鍵和一個(gè)電容感應(yīng)滑條構(gòu)成，仍然能夠有效控制包括FM收音機(jī)、多碟CD播放器、DVD播放器等在內(nèi)的多媒體系統(tǒng)以及車載空調(diào)、 時(shí)間日期顯示、車內(nèi)外溫度顯示和系統(tǒng)設(shè)置等多項(xiàng)功能。五個(gè)按鍵在不同條件下可以實(shí)現(xiàn)不同的控制功能，不會(huì)因?yàn)榘存I的減少而影響使用。而且按鍵分散，只要大致判斷其方位就能夠進(jìn)行正確操作。相對(duì)于同樣實(shí)現(xiàn)上述功能的、滿是按鍵的中控臺(tái)，電容感應(yīng)中控臺(tái)在外觀上有著其無(wú)可比擬的優(yōu)勢(shì)，簡(jiǎn)潔的操作界面設(shè)計(jì)不僅在視覺(jué)上給人清新的感覺(jué)，在使用上也可以避免因?yàn)榘存I過(guò)多、過(guò)于密集引起的駕駛員的誤操作，或延長(zhǎng)尋找按鍵的時(shí)間。　　

　　時(shí)尚的外觀

　　將iPod的設(shè)計(jì)元素融入到汽車中控臺(tái)系統(tǒng)，是將時(shí)尚與科技結(jié)合在一起，這也是設(shè)計(jì)師一直以來(lái)所追求的方向。創(chuàng)新的設(shè)計(jì)將一改以往大部分汽車中控臺(tái)多講究實(shí)用的理念，真正將汽車中控臺(tái)做成了一件藝術(shù)品，給人與眾不同的感覺(jué)。

　　集成度高

　　僅僅運(yùn)用一片Cypress 21534系列芯片，利用其自身集成的電容感應(yīng)模塊，并輔助以少數(shù)按鍵即可對(duì)車上多種功能進(jìn)行控制，取代了傳統(tǒng)多按鍵的界面，集成度較高。在本設(shè)計(jì)中， 21534系列芯片的所有管腳幾乎均被利用，內(nèi)存使用率也接近100%，充分發(fā)揮了此芯片的作用。此處因條件所限，各項(xiàng)控制均由液晶模擬，在實(shí)際運(yùn)用中可以采用管腳復(fù)用來(lái)同時(shí)驅(qū)動(dòng)執(zhí)行器，實(shí)現(xiàn)了由一塊芯片代替多塊芯片的要求。即使在實(shí)際運(yùn)用中再分配一塊芯片單獨(dú)控制液晶顯示屏，此設(shè)計(jì)仍具有很高的集成度。

　　節(jié)省開(kāi)發(fā)時(shí)間

　　利用Cypress21系列芯片所集成的電容感應(yīng)模塊來(lái)開(kāi)發(fā)感應(yīng)式汽車中控臺(tái)操作系統(tǒng)，相比起其他單片機(jī)，首先在時(shí)間和編程方面有優(yōu)勢(shì)，同時(shí)還省時(shí)省力。另外PSoC系統(tǒng)所擁有的模塊化編程方式非常方便，加上可以直接調(diào)用的API函數(shù)，大大縮短了芯片開(kāi)發(fā)時(shí)間。可視化配置系統(tǒng)、模塊、引腳的各項(xiàng)參數(shù)，其優(yōu)點(diǎn)在于不會(huì)忘記某個(gè)參數(shù)的配置，而且無(wú)需記住寄存器名稱和各位的具體含義，也節(jié)省了查閱手冊(cè)的時(shí)間。

電容感應(yīng)技術(shù)的應(yīng)用

　　這是本款中控臺(tái)最具特色的設(shè)計(jì)。電容感應(yīng)控制相比于傳統(tǒng)按鍵控制有著其無(wú)與倫比的優(yōu)勢(shì)。首先，滑條的形狀可以任意確定，為圓形的感應(yīng)區(qū)提供了可能，為美觀的外形設(shè)計(jì)提供了前提。其次，電容感應(yīng)部分由電路板上的金屬膜片組成，覆蓋上耐磨的表面覆蓋件，不會(huì)因?yàn)閴喊吹拇螖?shù)過(guò)多而產(chǎn)生磨損或失效，其可靠度大大優(yōu)于普通按鍵。第三，滑條的設(shè)計(jì)，在選擇菜單和調(diào)整一些模擬量(如音量、空調(diào)溫度、風(fēng)力大小等)時(shí)可以快速增大或減小，不需要多次重復(fù)按鍵，節(jié)省了操作時(shí)間。方便快捷的操作真正符合了人們對(duì)控制界面的要求。第四，將電容感應(yīng)技術(shù)引入到汽車面板，不僅因?yàn)榘存I減少降低了汽車面板開(kāi)模、制造、裝配時(shí)候的復(fù)雜程度，也增加了使用的便捷性和趣味性——在厭倦了廣泛運(yùn)用的按鍵界面以后，滑條的確有趣，因而更具吸引力。駕駛樂(lè)趣其實(shí)不僅是傳統(tǒng)的汽車性能所提供的，小小的中控臺(tái)面板同樣可以讓駕駛過(guò)程愉快有趣。