基于電容感應技術的汽車中控臺面板設計

本文介紹了將Cypress公司的PSoC(可編程片上系統)CY8C 21534系列芯片運用于汽車中控臺面板的開發過程。面板的工作原理以及其創新性外型設計，重點介紹了電容感應技術的原理及其在面板控制方面應用的優勢，另外分析了此款中控臺面板的市場前景和商業價值。

背景簡介

　　汽車電子技術發展到今天，車上電子器件越來越多，通過車載電腦控制和協調這些電器件已經成為一種必要。然而，車輛越高檔，電子設備就會越多，車載電腦的操作系統也就會越復雜。如果每一功能都與按鍵相對應，可以想象汽車中控臺將會是多么令人眼花繚亂。在這種情況下，如何令操作界面既簡單又實用就成為一個不得不考慮的問題。參考iPod 的操作界面，我們開發了一款基于電容感應技術的汽車中控臺面板，使按鍵大為減少，外形簡潔美觀，操作具有趣味性。

　　本汽車中控臺面板具有如下功能：

　　1.記錄駕駛數據：在主頁上的駕駛數據包括駕駛時間，里程，燃油使用量，平均燃油使用量，平均速度。這些數據每駕駛一次記錄一次，用戶也可以翻看以前的記錄。

　　2?.時間和日期的顯示：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：同時顯示室內外溫度。

　　4.多媒體播放器：本系統界面上支持MP3播放，CD播放和收音機模式。這部分功能大量運用了Cypress電容感應技術，使娛樂更具趣味性。

　　5.空調控制：這部分包括普通控制功能，如溫度控制、風力控制等。

系統總體設計

　　系統結構與界面設計

　　本系統采用Cypress公司提供的21534系列芯片，其特色是集成了電容感應模塊CSR，在使用中可以直接配置，為與電容感應有關的設計提供了很大的便利。此芯片擁有四個數字模塊位置和四個模擬模塊位置，雖然有限，但此款芯片的主要設計目的是為了電容感應的控制，所以在此芯片上配置一個電容感應模塊(占用三個數字模塊位置和一個模擬模塊位置)和實現某些控制所必需的計數器模塊(占用一個數字模塊位置)是剛好合適的。(如果有必要，還可以采用動態重分配技術加入其他模塊)。

　　系統框圖如圖1所示。　　

圖1 系統框圖

　　顯示設備采用了四灰度黑白液晶顯示屏，其分辨率為240×128像素，在不設置字符層的情況下最多可以分為四層顯示。在本設計中采用兩層顯示，其中第一層為字符層，可以顯示ROM中自帶的176個字母、數字、符號等，第二層為圖畫層，可以對顯示屏上任意一點進行控制，以顯示所期望的圖形。第二層與第一層之間設置為與非關系，以實現在選擇菜單時可以出現反色顯示的效果，這也是目前廣泛應用在電腦、手機等液晶屏菜單選擇時的方式。屏幕的背光采用了定時控制方式，即每次按下按鍵15秒以后背光燈亮，15秒過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。基本信息包括時間、日期、室內外溫度等時刻需要顯示但不需要經常變換位置且不需要按鍵來控制的信息，在屏幕右側占用固定的位置，在視覺上具有一定的穩定性。而功能信息包括FM、CD、空調等等設備工作時的信息顯示界面，位于屏幕左側。

　　受外形設計限制，按鍵的數量非常有限，所以同一按鍵必須在不同界面下配置不同的控制功能，才能對系統進行有效的控制。在程序中，每次按鍵都會對按鍵變量進行賦值，而顯示器如何顯示不僅取決于變量按鍵，還要對當前顯示界面進行判斷，以實現按下按鍵以后正確的操作。另外，中央按鍵還增加了長按鍵功能，即按住中央按鍵1秒鐘以上將會實現不同于單次按下的功能，以擴展了按鍵的功能，相當于增加了按鍵的數量。

電容感應原理與應用

　　電容感應模塊CSR(Capacitive Sensor Relaxation Oscillator)由電容傳感器陣列、模擬多路器、電容感應弛豫振蕩器和記數器組成。該結構示意圖如圖 2所示。　　

圖2 電容感應模塊原理圖

　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成。銅片上覆蓋一層絕緣物質。當導體靠近電容器時，如圖3，銅片和地之間的電容值就會隨之而改變。電容感應弛豫振蕩器對不一樣的電容產生不一樣頻率的方波。脈寬調制模塊和計數器對輸出的頻率計算。通過檢測計數器的數值和與設定閾值進行比較，可以間斷電容感應開關的開合。

　　軟件部分集成了補償因環境變化和傳感器物理特性差異的算法，還可以識別按鍵的標識、滑條的位置和二維觸摸板的位置，使得電容感應開關穩定。　　

圖3 電容感應原理

　　電容感應在本設計里做成一個滑條，手指在上面滑動就可以改變特定界面下特定的量，如多媒體下的音量，空調界面下的風量等。電容感應滑條的應用與傳統的機械開關旋鈕等相比，具有耐用、美觀、操作方便等優點。駕駛員不用精確對準那個按鈕去調節，而是大概朝著滑條的位置就可進行模糊的調節。

　　依照電容感應原理，本設計PCB滑條的設計如圖4所示。　　

圖4 電容感應PCB的設計

外形設計

　　與現在市面上的各款中控臺面板相比，此款中控臺的設計具有很強的視覺沖擊。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，對比鮮明，富有時尚感。整個操作界面上沒有雜亂的按鍵，圓形的觸摸屏與環繞四周的按鍵搭配，既顯得勻稱又不會給人單調的感覺。如圖5所示。　　

圖5 車載面板外觀設計　　

軟件設計

　　本設計中的軟件部分占用了8K的FLASH容量，通過一個主循環查詢按鍵的輸入，再結合當前的界面組合出一種任務。軟件流程圖：

圖6 軟件系統流程

優點與創新

　　簡單的操作界面

　　摒棄了傳統的多按鍵設計方式，操作界面僅由五個按鍵和一個電容感應滑條構成，仍然能夠有效控制包括FM收音機、多碟CD播放器、DVD播放器等在內的多媒體系統以及車載空調、 時間日期顯示、車內外溫度顯示和系統設置等多項功能。五個按鍵在不同條件下可以實現不同的控制功能，不會因為按鍵的減少而影響使用。而且按鍵分散，只要大致判斷其方位就能夠進行正確操作。相對于同樣實現上述功能的、滿是按鍵的中控臺，電容感應中控臺在外觀上有著其無可比擬的優勢，簡潔的操作界面設計不僅在視覺上給人清新的感覺，在使用上也可以避免因為按鍵過多、過于密集引起的駕駛員的誤操作，或延長尋找按鍵的時間。　　

　　時尚的外觀

　　將iPod的設計元素融入到汽車中控臺系統，是將時尚與科技結合在一起，這也是設計師一直以來所追求的方向。創新的設計將一改以往大部分汽車中控臺多講究實用的理念，真正將汽車中控臺做成了一件藝術品，給人與眾不同的感覺。

　　集成度高

　　僅僅運用一片Cypress 21534系列芯片，利用其自身集成的電容感應模塊，并輔助以少數按鍵即可對車上多種功能進行控制，取代了傳統多按鍵的界面，集成度較高。在本設計中， 21534系列芯片的所有管腳幾乎均被利用，內存使用率也接近100%，充分發揮了此芯片的作用。此處因條件所限，各項控制均由液晶模擬，在實際運用中可以采用管腳復用來同時驅動執行器，實現了由一塊芯片代替多塊芯片的要求。即使在實際運用中再分配一塊芯片單獨控制液晶顯示屏，此設計仍具有很高的集成度。

　　節省開發時間

　　利用Cypress21系列芯片所集成的電容感應模塊來開發感應式汽車中控臺操作系統，相比起其他單片機，首先在時間和編程方面有優勢，同時還省時省力。另外PSoC系統所擁有的模塊化編程方式非常方便，加上可以直接調用的API函數，大大縮短了芯片開發時間。可視化配置系統、模塊、引腳的各項參數，其優點在于不會忘記某個參數的配置，而且無需記住寄存器名稱和各位的具體含義，也節省了查閱手冊的時間。

電容感應技術的應用

　　這是本款中控臺最具特色的設計。電容感應控制相比于傳統按鍵控制有著其無與倫比的優勢。首先，滑條的形狀可以任意確定，為圓形的感應區提供了可能，為美觀的外形設計提供了前提。其次，電容感應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，不會因為壓按的次數過多而產生磨損或失效，其可靠度大大優于普通按鍵。第三，滑條的設計，在選擇菜單和調整一些模擬量(如音量、空調溫度、風力大小等)時可以快速增大或減小，不需要多次重復按鍵，節省了操作時間。方便快捷的操作真正符合了人們對控制界面的要求。第四，將電容感應技術引入到汽車面板，不僅因為按鍵減少降低了汽車面板開模、制造、裝配時候的復雜程度，也增加了使用的便捷性和趣味性——在厭倦了廣泛運用的按鍵界面以后，滑條的確有趣，因而更具吸引力。駕駛樂趣其實不僅是傳統的汽車性能所提供的，小小的中控臺面板同樣可以讓駕駛過程愉快有趣。