【技術(shù)帖】你想知道的方向盤智能交互解決方案原理

昨天，小為推出了艾為方向盤智能交互解決方案（戳此回顧：從特斯拉Yoke方向盤看方向盤智能交互解決方案），眾多真艾粉表示沒看過癮。為了響應(yīng)大家的呼聲，技術(shù)宅小為重出“江湖”。今天，小為要跟大家好好嘮嘮方向盤智能交互方案背后的技術(shù)原理：智能表面解決方案與LED驅(qū)動(dòng)方案背后的技術(shù)原理。

1.智能表面解決方案

·觸摸按鍵與壓力傳感器實(shí)現(xiàn)原理
·電阻式傳感器實(shí)現(xiàn)原理
·Haptic（觸覺反饋）原理

2.LED驅(qū)動(dòng)解決方案

·PWM調(diào)光
·調(diào)節(jié)的恒流源調(diào)光

01 智能表面解決方案

艾為智能表面打造了一個(gè)包含“從交互輸入（壓力/觸摸）到反饋輸出（振動(dòng)）”的一體化人機(jī)交互解決方案，覆蓋觸摸按鍵、壓力檢測、離手檢測等技術(shù)，主要適用于汽車方向盤、汽車內(nèi)飾以及其他可代替?zhèn)鹘y(tǒng)機(jī)械按鍵所形成的人際交互應(yīng)用場景。

觸摸按鍵與壓力傳感器實(shí)現(xiàn)原理

☆觸摸按鍵實(shí)現(xiàn)原理

自容觸摸按鍵一般通過測量觸摸傳感器與電路地之間的電容改變量實(shí)現(xiàn)，觸摸傳感器通常為PCB焊盤或者彈簧、導(dǎo)電海綿等。

當(dāng)沒有人體接觸觸摸傳感器時(shí)，觸摸芯片所檢測到的電容值Cf為：

Cf：觸摸芯片最終檢測到的外部電容

Cp：觸摸傳感器與電路地之間的寄生電容

Cx：觸摸傳感器與大地（地球）之間的等效電容

Cg：大地（地球）與電路地之間的等效電容

人體在觸摸應(yīng)用中可以被等效為一個(gè)電阻與電容串聯(lián)，當(dāng)人手靠近或者接觸觸摸按鍵時(shí)，相當(dāng)于在觸摸傳感器與大地（地球）之間并聯(lián)了一個(gè)人體的等效電路模型，當(dāng)觸摸傳感器表面有介質(zhì)時(shí)，同時(shí)增加一個(gè)等效電容Ct，從而改變了觸摸芯片最終檢測到的等效電容Cf，觸發(fā)按鍵按下事件。

Ct：手指與觸摸焊盤之間的等效電容（與觸摸傳感器與手指之間距離與材料的電介質(zhì)常數(shù)相關(guān)，此電容常見為設(shè)備的外殼）

觸摸芯片內(nèi)部通過AFE電路驅(qū)動(dòng)觸摸傳感器實(shí)現(xiàn)電容檢測，并使用高精度ADC進(jìn)行數(shù)模轉(zhuǎn)換，通過芯片內(nèi)置的DSP進(jìn)行一系列觸摸信號處理算法后得到外部的原始值、變化值與其他中斷、狀態(tài)等數(shù)字信號。

觸摸驅(qū)動(dòng)程序通過比較外部電容變化值與用戶預(yù)設(shè)的觸發(fā)閾值進(jìn)行事件判斷，并通知用戶程序何時(shí)發(fā)生觸發(fā)事件。

壓力檢測實(shí)現(xiàn)方案的結(jié)構(gòu)包括：壓力傳導(dǎo)機(jī)構(gòu) + 可輕微形變的金屬薄片 + PCB上的觸摸焊盤

可輕微形變的金屬薄片整體蓋在觸摸焊盤之上，但是與之不接觸，二者之間形成了一個(gè)約幾十pF的等效電容，極板之間的介質(zhì)為空氣。電容值的計(jì)算公式如下：

 

C: 電容值

S: 兩極板之間正對面積

εr：電介常數(shù)

k：靜電力常量

d: 兩極板之間距離

當(dāng)可微形變的金屬薄片由于壓力發(fā)生形變時(shí)，改變的參數(shù)只有d（極板間距離），且電容值的大小與兩極板之間的距離成反比：

所以當(dāng)手指的壓力通過壓力傳導(dǎo)機(jī)構(gòu)傳導(dǎo)至壓力傳感器表面，讓壓力傳感器產(chǎn)生輕微形變，減少壓力傳感器表面與底部觸摸銅箔間的距離，從而增大二者之間形成的電容值，使用awinic接近檢測芯片AW93208QNR的互容檢測方式，可精準(zhǔn)檢測金屬薄片與觸摸銅箔之間形成的電容值，從而判斷當(dāng)前壓力大小。

AW93208QNR作為一款利用電容檢測原理實(shí)現(xiàn)接近與觸摸檢測的芯片不僅可以實(shí)現(xiàn)汽車方向盤上的單擊、滑條與壓力檢測功能，也支持其他應(yīng)用方向上的2D觸摸面板設(shè)計(jì)。

電阻式傳感器實(shí)現(xiàn)原理

壓力檢測的另一種實(shí)現(xiàn)方式是采用惠斯通電橋作為壓力傳感器并配合專用的驅(qū)動(dòng)芯片使用。

惠斯通電橋根據(jù)可變電阻的數(shù)量分為單臂式、雙臂式和全橋式，本文中只介紹單臂式的基本原理。

如上圖所示，惠斯通電橋由四個(gè)電阻組成，R1、R3為壓力敏感電阻，R1、R3電阻值根據(jù)其所發(fā)生的形變而改變。當(dāng)有壓力的時(shí)候，R1、R3增大，對應(yīng)的V+、V-差分電壓變大，艾為AW86803QNR-Q1采集微小的電壓信號然后放大、處理解析出按鍵。

Haptic（觸覺反饋）原理

智能硬件系統(tǒng)的升級及其軟件功能的完善，加速了觸覺反饋技術(shù)的不斷革新。反饋不再僅僅停留在有限的振動(dòng)提醒層面，而是讓消費(fèi)者切身感受到交互信息帶來的逼真振感和交互樂趣，通過刺激觸覺去加深用戶與交互內(nèi)容的情感交流和人性化的體驗(yàn)樂趣。

☆觸覺的生理特征

觸覺是人體發(fā)展最早、最基本的感覺，也是人體分布最廣、最復(fù)雜的感覺系統(tǒng)，是一切神經(jīng)通路的基礎(chǔ)。這主要與它遍布身體的各個(gè)部位，從發(fā)展之初就與神經(jīng)系統(tǒng)是一體的有很大關(guān)系，觸覺的敏銳度會(huì)影響大腦辨識能力、身體的靈活及情緒的好壞。

為了通過觸覺體驗(yàn)來建立物理隱喻，我們可以利用強(qiáng)度、銳度和粒度的相互作用向用戶傳達(dá)信息。

強(qiáng)度：刺激的強(qiáng)度及力度大小，振幅越大，刺激感知越強(qiáng)烈。

粒度：刺激的頻率及時(shí)間間隔，粒度越小，刺激感知越迅速。

銳度：刺激的柔性與剛性，銳度越高，刺激感知越清晰。

觸覺反饋技術(shù) (Haptics or Haptic Feedback) 就是通過作用力、振動(dòng)等一系列動(dòng)作為使用者再現(xiàn)觸感，通過觸覺體驗(yàn)傳遞更具有價(jià)值且更逼真的信息。

▼ Haptic Vibration & Haptic FeedBack▼

一個(gè)成熟的Haptic系統(tǒng)由三部分組成：

·高性能的Haptic Driver IC

·實(shí)現(xiàn)獨(dú)立振動(dòng)的振動(dòng)器（如LRA）

線性馬達(dá)（Linear Resonant Actuator，簡稱LRA）觸覺振動(dòng)器是一個(gè)由彈簧、質(zhì)量塊和線圈組成的彈簧系統(tǒng)。彈簧將線圈懸浮在線性馬達(dá)內(nèi)部，當(dāng)線圈中有電流流過時(shí)，線圈會(huì)產(chǎn)生磁場。線圈和帶有磁性的質(zhì)量塊相連，當(dāng)流過線圈的電流改變時(shí)，磁場的方向和強(qiáng)弱也會(huì)改變，質(zhì)量塊就會(huì)在變化的磁場中上下移動(dòng)。這種運(yùn)動(dòng)被人們感知就會(huì)產(chǎn)生觸覺效果。

觸覺反饋技術(shù)中另一個(gè)重要組成部分就是線性馬達(dá)驅(qū)動(dòng)芯片。線性馬達(dá)驅(qū)動(dòng)芯片內(nèi)部數(shù)字接+主控+脈寬調(diào)制信號生成器組成，部分線性馬達(dá)需要芯片內(nèi)部具有Boost電路。如下圖所示為艾為AW86907QNR-Q1的內(nèi)部基本結(jié)構(gòu)框圖：

主控模塊處理主機(jī)發(fā)送過來的馬達(dá)驅(qū)動(dòng)波形，通過脈寬調(diào)制信號生成器來驅(qū)動(dòng)H橋模塊，從而使線性馬達(dá)產(chǎn)生相應(yīng)的振動(dòng)狀態(tài)。

LED屬于電流驅(qū)動(dòng)型器件，當(dāng)前主要的LED調(diào)光方式分為兩種：脈寬調(diào)制（PWM）調(diào)光與可調(diào)節(jié)的恒流源調(diào)光。

以固定周期不同占空比的數(shù)字信號驅(qū)動(dòng)晶體管基極或MOS管柵極，實(shí)現(xiàn)其周期內(nèi)的不同導(dǎo)通時(shí)間，從而實(shí)現(xiàn)對LED發(fā)光強(qiáng)度的控制。

PWM調(diào)光的主要優(yōu)勢在于調(diào)節(jié)精度高、控制方便，由于PWM調(diào)光的過程中LED只有100%亮與關(guān)閉兩種狀態(tài)，所以在LED驅(qū)動(dòng)過程中不會(huì)受到LED驅(qū)動(dòng)電流與LED發(fā)光強(qiáng)度的比例非線性問題。

PWM調(diào)光同樣存在著缺陷：LED實(shí)際上是以較快的頻率（1KHz – 10KHz之間）閃爍，采用攝像設(shè)備對燈光進(jìn)行拍攝，如果攝像設(shè)備的幀率非LED驅(qū)動(dòng)頻率的整數(shù)倍，則拍攝出的效果可能會(huì)存在LED燈光的閃爍?？烧{(diào)恒流源驅(qū)動(dòng)則不存在這個(gè)問題。

☆調(diào)節(jié)的恒流源調(diào)光

采用可調(diào)節(jié)的恒定電流驅(qū)動(dòng)LED，通過改變恒流源的驅(qū)動(dòng)電流大小改變LED的發(fā)光強(qiáng)度。

這種調(diào)光方式還有一個(gè)顯著的優(yōu)勢——減小系統(tǒng)EMI，由于無需頻繁開通關(guān)斷外部MOS，從而減小MOS的開通與關(guān)斷所帶來的電源噪聲。

目前，在汽車HMI越來越重要的市場環(huán)境下，方向盤智能交互技術(shù)的進(jìn)步讓汽車變得更加舒適和智能。艾為也將繼續(xù)完善相關(guān)解決方案，以豐富的產(chǎn)品組合加強(qiáng)與汽車客戶的技術(shù)合作，用更高質(zhì)、更創(chuàng)新的產(chǎn)品幫助汽車客戶實(shí)現(xiàn)技術(shù)革新，搶占市場先機(jī)。