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PKE被动无钥门禁和电容式感测门把
[作者 Darius Rydahl]   2018年12月28日 星期五 浏览人次: [1574]


近年来,电容式触控技术一直在慢慢进入汽车市场。从中控台资讯娱乐触控式萤幕到简单的HVAC按钮/滑块/滚轮电容式感测技术呈现出快速发展的态势。工程师们在不断寻找创新方法,以将电容式感测技术整合到现有的成熟应用中。推动该技术使用日益增加的几个因素包括,与标准机械按钮/开关相比,其成本更低、可配置性更高、更简单易用,并且系统效能也显着改善。


电容式触控感测取得新进展的是一种应用在车辆被动门禁应用。在该应用中,位於门把中的触控感测器,用於检测驾驶员的手,以及启动被动无钥门禁验证系统以锁定/解锁车辆。以这种方式使用电容式触控感测,则无需昂贵的机械开关和耗电的轮询方案。


由於被动门禁系统透过电容式触控消除了这些障碍,因此对与最终用户而言,变得愈加方便和可靠。驾驶员解锁并进入车内的流程从未如此简单和透明;只需触控门把手,打开门,然後驾车离开。本文能进一步了解电容式触控感测器如何应用於被动门禁系统,并详细了解一些工程师在设计具有电容感测功能的被动门禁门把手时可能遇到的一些优势和挑战。


被动无钥门禁

被动门禁系统多年来一直是许多高阶汽车的主打功能。即使是入门款汽车,只要配备被动无钥门禁(PKE),驾驶员便可轻松进入车辆,无需将钥匙??入门锁或按下钥匙上的按钮来解锁车门。



图1 : 典型PKE系统
图1 : 典型PKE系统

PKE是称为被动门禁和启动系统(PEPS)或被动门禁启动(PEG)的更广泛车辆进出系统的一部分。PEPS/PEG系统负责控制车辆进出(车门上锁/解锁),还允许透过启动/禁止车辆防盗锁止系统来控制汽车。


LF通讯

PKE系统由LF(低频)接收器和LF发射器组成。LF接收器通常位於钥匙中,而钥匙通常在驾驶员手中。LF发射器位於车身内,启动钥匙与汽车之间的LF通讯的最常见方法,是驾驶员通过拉动驾驶员侧的门把手来手动启动解锁开关。在这种情况下,PKE系统是根据驾驶员的要求触发的,仅在启动LF通讯、验证钥匙回应和解锁车门所需的短暂时间内启动。在所有其他时间内,PKE系统将保持休眠模式。


上述机械触发PKE系统的方式存在一个主要缺陷成本。用於触发LF通讯的机械开关十分昂贵,降低成本的一种方法是用电容式触控感测器代替机械开关。


PKE系统要求

在开发利用电容式触控感测技术的PKE系统时,必须考虑几个关键要求。这些要求包括:


· 回应时间


· 功耗


· 环境影响


· 可靠性


回应时间

典型PKE系统的总回应时间应短於150 ms。此数值包括唤醒门把手模组、检测解锁感测器上的触控讯号、初始化LF通讯、验证钥匙回应和解锁车门(通常需要与中央车身控制器通讯)所需的时间。


由机械开关启动的PKE系统将相对快速地唤醒,并且需要极短时间便可启动LF通讯。由於涉及基於微控制器的电子设备,电容系统在唤醒後,将需要额外的时间来检测触控和启动LF通讯。为了确保在150ms视窗内解锁车门,获取和测量电容触控门把手触控讯号的典型时间应短於20ms。


功耗

PKE门把手模组的平均功耗应小於100 uA。此外,对於透过开关机械启动LF通讯的通风系统,这不是问题,因为模组唤醒通常由开关启动以中断方式驱动。在这种情况下,电流消耗通常远低於100 uA的要求,仅有几uA,具体取决於应用中使用的微控制器(MCU)。另一方面,电容式触控门把手模组必须进行轮询或定期从休眠模式唤醒,并检查解锁感测器上是否存在触控讯号。因此,必须仔细设计电容式触控系统的轮询间隔,以平衡电流消耗与要触控的感测器的整体回应。


环境影响

PKE门把手位於驾驶员侧车门外部,因此将受到各种恶劣工作条件的影响,包括炎热、寒冷和潮湿(最严重)。无论PKE LF通讯是通过开关机械启动,还是使用电容触控启动,炎热和寒冷条件下的工作要求均相同,而潮湿则是一个完全不同的问题。


在机械开关的PKE系统中,LF通讯透过按下实体按钮启动。由於模组与环境密封隔离,机械按钮不会直接受到潮湿环境的影响,它在潮湿或乾燥工作条件下的功能相同。而对於采用电容触控的门把手,情况并非如此。


由於正在监视触控感测器是否有极小的电容变化,因此电容的任何变化(无论是由人手还是雨滴引起)都有可能被解释为触控。只要发生错误触控检测,LF通讯序列就会启动,这将增加车辆的平均电流消耗。如果在这种模式下长时间运行,可能导致汽车电池耗尽。正因如此,必须小心确保增强电容触控PKE门把手模组的耐受性,避免由於潮湿导致误检。


就触控而言,防潮性是电容式感测门把手模组最可能出现问题的工作要求,所有其他要求(如回应时间和功耗)都可以藉由选择合适的MCU,并正确构建系统来满足。


可靠性

PKE系统必须具有极高的可靠性,并且无论何时都可以解锁车门。否则,无论是由於回应时间增加而导致的延迟,还是由於机械开关故障而导致的灾难性故障,都是不可接受的。在最不严重的情况下,不可靠的系统将给驾驶员带来烦恼,而在最坏的情况下,灾难性故障将导致车门锁住以及车辆无法驾驶。必须不惜一切代价来避免这两种情况。


机械开关会随着时间的推移而磨损,而电容式触控感测器则没有此问题,因为它们通常以印刷电路板上铜走线的方式实现。不过,如前所述,电容式触控感测器对潮湿十分敏感,因此必须注意增强设计的耐受性,以避免潮湿引起的意外触控启动。下一节将更详细地讨论这一主题。


电容式触控感测与水分

一般来说,只要人体(无论是手指还是手等部位)接触感测器,都会发生触控。当手指靠近感测器时,它开始将触控采集阶段产生的电场从自由空间转移到大地,从而导致感测器电容发生变化,电容的这种变化决定了感测器的检测状态。


任何改变感测器电容的导电材料或物体都将导致触控检测。水就是这样一种物质,会给触控感测器操作造成极大干扰。


为什麽水分会给电容式触控感测器带来这种问题?因为它具有高导电性。当水流到感测器的表面时,它会形成一个导电层,最终导致错误的触控指示。


该导电层将转移感测器在触控采集阶段产生的电场,使之远离自由空间。聚集的水很容易与附近的感测器和周围的电路接触,然後为电场提供一个低阻抗到地路径。这将导致感测器的总测量电容发生变化,如果不加以抑制,将最终导致错误触控检测。


图3 : 感测器与水错误触控检测
图3 : 感测器与水错误触控检测

水分与电容式触控感测器

既然已经解释了水分对电容式触控感测器的影响,那麽设计人员如何防止由过多水分导致的误检?


可选择保护通道和相邻按键抑制(AKS)逻辑这两种传统水分检测方法。不过,一旦检测到水分,这两种方法通常会禁止随後的触控检测,让触控感测器在除去水分前无法工作。


在使用PKE系统时,门把手模组不能简单地在检测到水分後立即进入「锁定」模式,阻止驾驶员进入车内。无论解锁感测器上有多少积水,PKE门把手模组都必须能够完全工作,并且必须能够检测触控。为了实现这种高级功能,应用需要一种忽略水分但仍能检测触控的新方法。


识别水分和人体触控

在汽车工作环境中,水分可以呈现出多种形式,如水滴形式的凝露或雨水。对於电容式触控感测器来说,凝露通常不是问题,因为这种类型的水分往往是随着时间的推移,在触控感测器的表面缓慢形成。结果是,由於这种类型水分导致的感测器电容总变化率相对较小,因此可以藉由应用韧体中的触控漂移演算法轻松补偿,而雨滴则由於与触控感测器接触的方式随机且相当突然,因此不那麽容易补偿。


水滴通常是由从天而降的雨水或者由洗车行或花园软管产生的喷水形成。当这些水滴与电容式触控感测器接触时,它们会在测量的感测器讯号电平中产生非常陡峭的暂态尖峰,这是感测器电容变化的结果。感测器讯号电平的急剧变化与通过驾驶员的手指或手进行人体接触期间观察到的回应类型有很大不同。人为接触引起的触控检测对讯号的影响更为长久,导致感测器讯号分布曲线的变化更加缓慢。


图4显示了电容式触控感测器在未触控(稳态)、有水分但未触控和已触控这三种状态下的典型回应。



图4 : 电容式触控感测器对雨滴和人为触控的典型回应
图4 : 电容式触控感测器对雨滴和人为触控的典型回应

触控感测器回应中的这些差异,对於每个事件都是惟一的,可支援开发专门的触控处理演算法。这些演算法与其他减少水分的技术结合使用时,可以用来在雨滴与触控感测器接触时消除雨滴的影响,并最终避免意外的触控检测。


减少水分

讯号异常值

减少水分的技术和演算法可以采取许多不同的形式。Microchip采用的一种防止水滴在触控感测器上相互作用的方法是,在感测器级搜索感测器讯号异常值或尖峰。利用这种方法,执行一系列测量,并计算感测器讯号电平的连续平均值,然後将平均感测器讯号电平与通过以下方式识别水滴时记录的最小和最大讯号值进行比较:


(最大值-平均值) > (平均值-最小值)


为最大程度减少错误的水滴检测,必须根据感测器灵敏度调整演算法。这可透过将检测门槛值代入如下公式来实现:


(最大值-平均值) > [(平均值-最小值) + 门槛值]


这样一来,我们可以确保只有最小/最大异常值与平均值之间,有显着差异的感测器测量被识别为水滴。


整合感测器元件

当雨水与触控感测器接触时,它与感测电极表面接触的时间和位置都是随机的。如果感测器设计为单电极,与感测器接触的任何液滴都可能触发错误的触控检测。在触控感测器较大的情况下,如同汽车门把手应用解锁感测器的情况一样,将感测器分成几个更小的感测电极可能很有帮助。


获取位於PCB上不同区域的多个电极上的触控讯号,可以提供关於触控感测器工作环境的更直接的回??。水分检测演算法可用的感测器资料越多,对水分的识别就越准确。将由单个电极组成的感测器分成可以整合在一起的多个电极,有助於完成这项任务。


每个具有周边触控控制器(PTC)的Microchip MCU都可以使用整合模式功能,整合模式允许设计人员将多个感测器电极组合或合并成更大的感测器元件,这些感测器元件可以独立工作,也可以成组工作。



图5 : 假设的整合模式感测器配置
图5 : 假设的整合模式感测器配置

所示的整合感测器由四个物理感测器电极S0、S1、S2和S3组成。S4、S5和S6感测器是由S0-S3电极的「集总」组合构成的虚拟感测器。


组合时,这些电极形成新的感测器组:


S4 = S0 + S1,


S5 = S2 + S3


S6 = S0 + S1 + S2 + S3


在触控采集阶段,感测器可独立扫描,也可以整合感测器组的形式扫描,或者以应用所需的任何方式扫描。随後,每个通道的触控资料将通过水分检测滤波器,以确定系统的整体「湿度」,并对所施加的水分或人为触控提供所需的回应。


最终想法

机械开关曾经一度是被动无钥门禁门把手设计人员的惟一选择。机械开关为系统增加了不必要的成本,需要额外的使用者交互级别,并且会随着时间的推移而磨损。在汽车领域,成本、便利性和可靠性是市场的推动因素,只需用电容式触控感测器代替PKE门把手中的机械开关便会大有改观。与机械开关系统相比,电容式触控感测器可节省成本,操作和交互更加方便,并且有助於提高可靠性。


不过,将电容式触控技术应用於门把手会带来一系列新的技术挑战,设计PKE系统时必须纳入考虑。防潮性、电流消耗和回应时间都是设计考虑因素,要避免发生意外的触控检测、电池使用寿命缩短,以及客户对最终产品的总体满意度降低,必须考虑这些因素。


上述挑战均可应对,但没有足够的规划和预想,而电容式触控感测器助力汽车PKE舒适系统的发展向前推进了一步。Microchip提供的电容式触控感测产品,能够满足汽车门把手应用的需求。Microchip触控解决方案高度整合,不需要外部元件,非常可靠且极易实现。Microchip提供的触控解决方案包括mTouch(适合基於PIC的MCU)和 QTouch(适合AVR及基於ARM的MCU)。


(本文作者Darius Rydahl为Microchip资深应用工程师)


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