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PKE被動無鑰門禁和電容式感測門把
 

【作者: Darius Rydahl】   2018年12月28日 星期五

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近年來,電容式觸控技術一直在慢慢進入汽車市場。從中控台資訊娛樂觸控式螢幕到簡單的HVAC按鈕/滑塊/滾輪—電容式感測技術呈現出快速發展的態勢。工程師們在不斷尋找創新方法,以將電容式感測技術整合到現有的成熟應用中。推動該技術使用日益增加的幾個因素包括,與標準機械按鈕/開關相比,其成本更低、可配置性更高、更簡單易用,並且系統效能也顯著改善。


電容式觸控感測取得新進展的是一種應用在車輛被動門禁應用。在該應用中,位於門把中的觸控感測器,用於檢測駕駛員的手,以及啟動被動無鑰門禁驗證系統以鎖定/解鎖車輛。以這種方式使用電容式觸控感測,則無需昂貴的機械開關和耗電的輪詢方案。


由於被動門禁系統透過電容式觸控消除了這些障礙,因此對與最終用戶而言,變得愈加方便和可靠。駕駛員解鎖並進入車內的流程從未如此簡單和透明;只需觸控門把手,打開門,然後駕車離開。本文能進一步瞭解電容式觸控感測器如何應用於被動門禁系統,並詳細瞭解一些工程師在設計具有電容感測功能的被動門禁門把手時可能遇到的一些優勢和挑戰。


被動無鑰門禁

被動門禁系統多年來一直是許多高階汽車的主打功能。即使是入門款汽車,只要配備被動無鑰門禁(PKE),駕駛員便可輕鬆進入車輛,無需將鑰匙插入門鎖或按下鑰匙上的按鈕來解鎖車門。



圖1 : 典型PKE系統
圖1 : 典型PKE系統

PKE是稱為被動門禁和啟動系統(PEPS)或被動門禁啟動(PEG)的更廣泛車輛進出系統的一部分。PEPS/PEG系統負責控制車輛進出(車門上鎖/解鎖),還允許透過啟動/禁止車輛防盜鎖止系統來控制汽車。


LF通訊

PKE系統由LF(低頻)接收器和LF發射器組成。LF接收器通常位於鑰匙中,而鑰匙通常在駕駛員手中。LF發射器位於車身內,啟動鑰匙與汽車之間的LF通訊的最常見方法,是駕駛員通過拉動駕駛員側的門把手來手動啟動解鎖開關。在這種情況下,PKE系統是根據駕駛員的要求觸發的,僅在啟動LF通訊、驗證鑰匙回應和解鎖車門所需的短暫時間內啟動。在所有其他時間內,PKE系統將保持休眠模式。


上述機械觸發PKE系統的方式存在一個主要缺陷—成本。用於觸發LF通訊的機械開關十分昂貴,降低成本的一種方法是用電容式觸控感測器代替機械開關。


PKE系統要求

在開發利用電容式觸控感測技術的PKE系統時,必須考慮幾個關鍵要求。這些要求包括:


‧ 回應時間


‧ 功耗


‧ 環境影響


‧ 可靠性


回應時間

典型PKE系統的總回應時間應短於150 ms。此數值包括喚醒門把手模組、檢測解鎖感測器上的觸控訊號、初始化LF通訊、驗證鑰匙回應和解鎖車門(通常需要與中央車身控制器通訊)所需的時間。


由機械開關啟動的PKE系統將相對快速地喚醒,並且需要極短時間便可啟動LF通訊。由於涉及基於微控制器的電子設備,電容系統在喚醒後,將需要額外的時間來檢測觸控和啟動LF通訊。為了確保在150ms視窗內解鎖車門,獲取和測量電容觸控門把手觸控訊號的典型時間應短於20ms。


功耗

PKE門把手模組的平均功耗應小於100 uA。此外,對於透過開關機械啟動LF通訊的通風系統,這不是問題,因為模組喚醒通常由開關啟動以中斷方式驅動。在這種情況下,電流消耗通常遠低於100 uA的要求,僅有幾uA,具體取決於應用中使用的微控制器(MCU)。另一方面,電容式觸控門把手模組必須進行輪詢或定期從休眠模式喚醒,並檢查解鎖感測器上是否存在觸控訊號。因此,必須仔細設計電容式觸控系統的輪詢間隔,以平衡電流消耗與要觸控的感測器的整體回應。


環境影響

PKE門把手位於駕駛員側車門外部,因此將受到各種惡劣工作條件的影響,包括炎熱、寒冷和潮濕(最嚴重)。無論PKE LF通訊是通過開關機械啟動,還是使用電容觸控啟動,炎熱和寒冷條件下的工作要求均相同,而潮濕則是一個完全不同的問題。


在機械開關的PKE系統中,LF通訊透過按下實體按鈕啟動。由於模組與環境密封隔離,機械按鈕不會直接受到潮濕環境的影響,它在潮濕或乾燥工作條件下的功能相同。而對於採用電容觸控的門把手,情況並非如此。


由於正在監視觸控感測器是否有極小的電容變化,因此電容的任何變化(無論是由人手還是雨滴引起)都有可能被解釋為觸控。只要發生錯誤觸控檢測,LF通訊序列就會啟動,這將增加車輛的平均電流消耗。如果在這種模式下長時間運行,可能導致汽車電池耗盡。正因如此,必須小心確保增強電容觸控PKE門把手模組的耐受性,避免由於潮濕導致誤檢。


就觸控而言,防潮性是電容式感測門把手模組最可能出現問題的工作要求,所有其他要求(如回應時間和功耗)都可以藉由選擇合適的MCU,並正確構建系統來滿足。


可靠性

PKE系統必須具有極高的可靠性,並且無論何時都可以解鎖車門。否則,無論是由於回應時間增加而導致的延遲,還是由於機械開關故障而導致的災難性故障,都是不可接受的。在最不嚴重的情況下,不可靠的系統將給駕駛員帶來煩惱,而在最壞的情況下,災難性故障將導致車門鎖住以及車輛無法駕駛。必須不惜一切代價來避免這兩種情況。


機械開關會隨著時間的推移而磨損,而電容式觸控感測器則沒有此問題,因為它們通常以印刷電路板上銅走線的方式實現。不過,如前所述,電容式觸控感測器對潮濕十分敏感,因此必須注意增強設計的耐受性,以避免潮濕引起的意外觸控啟動。下一節將更詳細地討論這一主題。


電容式觸控感測與水分

一般來說,只要人體(無論是手指還是手等部位)接觸感測器,都會發生觸控。當手指靠近感測器時,它開始將觸控採集階段產生的電場從自由空間轉移到大地,從而導致感測器電容發生變化,電容的這種變化決定了感測器的檢測狀態。


任何改變感測器電容的導電材料或物體都將導致觸控檢測。水就是這樣一種物質,會給觸控感測器操作造成極大干擾。


為什麼水分會給電容式觸控感測器帶來這種問題?因為它具有高導電性。當水流到感測器的表面時,它會形成一個導電層,最終導致錯誤的觸控指示。


該導電層將轉移感測器在觸控採集階段產生的電場,使之遠離自由空間。聚集的水很容易與附近的感測器和周圍的電路接觸,然後為電場提供一個低阻抗到地路徑。這將導致感測器的總測量電容發生變化,如果不加以抑制,將最終導致錯誤觸控檢測。


圖3 : 感測器與水—錯誤觸控檢測
圖3 : 感測器與水—錯誤觸控檢測

水分與電容式觸控感測器

既然已經解釋了水分對電容式觸控感測器的影響,那麼設計人員如何防止由過多水分導致的誤檢?


可選擇保護通道和相鄰按鍵抑制(AKS)邏輯這兩種傳統水分檢測方法。不過,一旦檢測到水分,這兩種方法通常會禁止隨後的觸控檢測,讓觸控感測器在除去水分前無法工作。


在使用PKE系統時,門把手模組不能簡單地在檢測到水分後立即進入「鎖定」模式,阻止駕駛員進入車內。無論解鎖感測器上有多少積水,PKE門把手模組都必須能夠完全工作,並且必須能夠檢測觸控。為了實現這種高級功能,應用需要一種忽略水分但仍能檢測觸控的新方法。


識別水分和人體觸控

在汽車工作環境中,水分可以呈現出多種形式,如水滴形式的凝露或雨水。對於電容式觸控感測器來說,凝露通常不是問題,因為這種類型的水分往往是隨著時間的推移,在觸控感測器的表面緩慢形成。結果是,由於這種類型水分導致的感測器電容總變化率相對較小,因此可以藉由應用韌體中的觸控漂移演算法輕鬆補償,而雨滴則由於與觸控感測器接觸的方式隨機且相當突然,因此不那麼容易補償。


水滴通常是由從天而降的雨水或者由洗車行或花園軟管產生的噴水形成。當這些水滴與電容式觸控感測器接觸時,它們會在測量的感測器訊號電平中產生非常陡峭的暫態尖峰,這是感測器電容變化的結果。感測器訊號電平的急劇變化與通過駕駛員的手指或手進行人體接觸期間觀察到的回應類型有很大不同。人為接觸引起的觸控檢測對訊號的影響更為長久,導致感測器訊號分佈曲線的變化更加緩慢。


圖4顯示了電容式觸控感測器在未觸控(穩態)、有水分但未觸控和已觸控這三種狀態下的典型回應。



圖4 : 電容式觸控感測器對雨滴和人為觸控的典型回應
圖4 : 電容式觸控感測器對雨滴和人為觸控的典型回應

觸控感測器回應中的這些差異,對於每個事件都是惟一的,可支援開發專門的觸控處理演算法。這些演算法與其他減少水分的技術結合使用時,可以用來在雨滴與觸控感測器接觸時消除雨滴的影響,並最終避免意外的觸控檢測。


減少水分

訊號異常值

減少水分的技術和演算法可以採取許多不同的形式。Microchip採用的一種防止水滴在觸控感測器上相互作用的方法是,在感測器級搜索感測器訊號異常值或尖峰。利用這種方法,執行一系列測量,並計算感測器訊號電平的連續平均值,然後將平均感測器訊號電平與通過以下方式識別水滴時記錄的最小和最大訊號值進行比較:


(最大值–平均值) > (平均值–最小值)


為最大程度減少錯誤的水滴檢測,必須根據感測器靈敏度調整演算法。這可透過將檢測門檻值代入如下公式來實現:


(最大值–平均值) > [(平均值–最小值) + 門檻值]


這樣一來,我們可以確保只有最小/最大異常值與平均值之間,有顯著差異的感測器測量被識別為水滴。


整合感測器元件

當雨水與觸控感測器接觸時,它與感測電極表面接觸的時間和位置都是隨機的。如果感測器設計為單電極,與感測器接觸的任何液滴都可能觸發錯誤的觸控檢測。在觸控感測器較大的情況下,如同汽車門把手應用解鎖感測器的情況一樣,將感測器分成幾個更小的感測電極可能很有幫助。


獲取位於PCB上不同區域的多個電極上的觸控訊號,可以提供關於觸控感測器工作環境的更直接的回饋。水分檢測演算法可用的感測器資料越多,對水分的識別就越準確。將由單個電極組成的感測器分成可以整合在一起的多個電極,有助於完成這項任務。


每個具有周邊觸控控制器(PTC)的Microchip MCU都可以使用整合模式功能,整合模式允許設計人員將多個感測器電極組合或合併成更大的感測器元件,這些感測器元件可以獨立工作,也可以成組工作。



圖5 : 假設的整合模式感測器配置
圖5 : 假設的整合模式感測器配置

所示的整合感測器由四個物理感測器電極S0、S1、S2和S3組成。S4、S5和S6感測器是由S0-S3電極的「集總」組合構成的虛擬感測器。


組合時,這些電極形成新的感測器組:


S4 = S0 + S1,


S5 = S2 + S3


S6 = S0 + S1 + S2 + S3


在觸控採集階段,感測器可獨立掃描,也可以整合感測器組的形式掃描,或者以應用所需的任何方式掃描。隨後,每個通道的觸控資料將通過水分檢測濾波器,以確定系統的整體「濕度」,並對所施加的水分或人為觸控提供所需的回應。


最終想法

機械開關曾經一度是被動無鑰門禁門把手設計人員的惟一選擇。機械開關為系統增加了不必要的成本,需要額外的使用者交互級別,並且會隨著時間的推移而磨損。在汽車領域,成本、便利性和可靠性是市場的推動因素,只需用電容式觸控感測器代替PKE門把手中的機械開關便會大有改觀。與機械開關系統相比,電容式觸控感測器可節省成本,操作和交互更加方便,並且有助於提高可靠性。


不過,將電容式觸控技術應用於門把手會帶來一系列新的技術挑戰,設計PKE系統時必須納入考慮。防潮性、電流消耗和回應時間都是設計考慮因素,要避免發生意外的觸控檢測、電池使用壽命縮短,以及客戶對最終產品的總體滿意度降低,必須考慮這些因素。


上述挑戰均可應對,但沒有足夠的規劃和預想,而電容式觸控感測器助力汽車PKE舒適系統的發展向前推進了一步。Microchip提供的電容式觸控感測產品,能夠滿足汽車門把手應用的需求。Microchip觸控解決方案高度整合,不需要外部元件,非常可靠且極易實現。Microchip提供的觸控解決方案包括mTouch(適合基於PIC的MCU)和 QTouch(適合AVR及基於ARM的MCU)。


(本文作者Darius Rydahl為Microchip資深應用工程師)


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