【技術(shù)帖】你想知道的方向盤(pán)智能交互解決方案原理

昨天，小為推出了艾為方向盤(pán)智能交互解決方案（戳此回顧：從特斯拉Yoke方向盤(pán)看方向盤(pán)智能交互解決方案），眾多真艾粉表示沒(méi)看過(guò)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(pán)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(jué)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(cè)、離手檢測(cè)等技術(shù)，主要適用于汽車(chē)方向盤(pán)、汽車(chē)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(chǎng)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(guò)測(cè)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(pán)或者彈簧、導(dǎo)電海綿等。

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

Cf：觸摸芯片最終檢測(cè)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(cè)到的等效電容Cf，觸發(fā)按鍵按下事件。

Ct：手指與觸摸焊盤(pán)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(jiàn)為設(shè)備的外殼）

觸摸芯片內(nèi)部通過(guò)AFE電路驅(qū)動(dòng)觸摸傳感器實(shí)現(xiàn)電容檢測(cè)，并使用高精度ADC進(jìn)行數(shù)模轉(zhuǎn)換，通過(guò)芯片內(nèi)置的DSP進(jìn)行一系列觸摸信號(hào)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(hào)。

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

壓力檢測(cè)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(pán)

可輕微形變的金屬薄片整體蓋在觸摸焊盤(pán)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(duì)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(guò)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(cè)芯片AW93208QNR的互容檢測(cè)方式，可精準(zhǔn)檢測(cè)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(cè)原理實(shí)現(xiàn)接近與觸摸檢測(cè)的芯片不僅可以實(shí)現(xiàn)汽車(chē)方向盤(pán)上的單擊、滑條與壓力檢測(cè)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(cè)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(zhuān)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(duì)應(yīng)的V+、V-差分電壓變大，艾為AW86803QNR-Q1采集微小的電壓信號(hào)然后放大、處理解析出按鍵。

Haptic（觸覺(jué)反饋）原理

智能硬件系統(tǒng)的升級(jí)及其軟件功能的完善，加速了觸覺(jué)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(lái)的逼真振感和交互樂(lè)趣，通過(guò)刺激觸覺(jué)去加深用戶(hù)與交互內(nèi)容的情感交流和人性化的體驗(yàn)樂(lè)趣。

☆觸覺(jué)的生理特征

觸覺(jué)是人體發(fā)展最早、最基本的感覺(jué)，也是人體分布最廣、最復(fù)雜的感覺(jué)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(jué)的敏銳度會(huì)影響大腦辨識(shí)能力、身體的靈活及情緒的好壞。

為了通過(guò)觸覺(jué)體驗(yàn)來(lái)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(hù)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(jué)反饋技術(shù) (Haptics or Haptic Feedback) 就是通過(guò)作用力、振動(dòng)等一系列動(dòng)作為使用者再現(xiàn)觸感，通過(guò)觸覺(jué)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(xiàn)性馬達(dá)（Linear Resonant Actuator，簡(jiǎn)稱(chēng)LRA）觸覺(jué)振動(dòng)器是一個(gè)由彈簧、質(zhì)量塊和線(xiàn)圈組成的彈簧系統(tǒng)。彈簧將線(xiàn)圈懸浮在線(xiàn)性馬達(dá)內(nèi)部，當(dāng)線(xiàn)圈中有電流流過(guò)時(shí)，線(xiàn)圈會(huì)產(chǎn)生磁場(chǎng)。線(xiàn)圈和帶有磁性的質(zhì)量塊相連，當(dāng)流過(guò)線(xiàn)圈的電流改變時(shí)，磁場(chǎng)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(chǎng)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(jué)效果。

觸覺(jué)反饋技術(shù)中另一個(gè)重要組成部分就是線(xiàn)性馬達(dá)驅(qū)動(dòng)芯片。線(xiàn)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(hào)生成器組成，部分線(xiàn)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(guò)來(lái)的馬達(dá)驅(qū)動(dòng)波形，通過(guò)脈寬調(diào)制信號(hào)生成器來(lái)驅(qū)動(dòng)H橋模塊，從而使線(xiàn)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(hào)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(duì)LED發(fā)光強(qiáng)度的控制。

PWM調(diào)光的主要優(yōu)勢(shì)在于調(diào)節(jié)精度高、控制方便，由于PWM調(diào)光的過(guò)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(guò)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(xiàn)性問(wèn)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(duì)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(wèn)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(guò)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(shì)——減小系統(tǒng)EMI，由于無(wú)需頻繁開(kāi)通關(guān)斷外部MOS，從而減小MOS的開(kāi)通與關(guān)斷所帶來(lái)的電源噪聲。

目前，在汽車(chē)HMI越來(lái)越重要的市場(chǎng)環(huán)境下，方向盤(pán)智能交互技術(shù)的進(jìn)步讓汽車(chē)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(chē)客戶(hù)的技術(shù)合作，用更高質(zhì)、更創(chuàng)新的產(chǎn)品幫助汽車(chē)客戶(hù)實(shí)現(xiàn)技術(shù)革新，搶占市場(chǎng)先機(jī)。