汽車(chē)觸摸屏檢測(cè)：一切都與您的ADC有關(guān)

在此設(shè)計(jì)解決方案中，我們了解了24位Σ-Δ ADC觸摸屏接口如何成為一種故障安全方法，通過(guò)施加的壓力成功檢測(cè)人體觸摸（戴手套與否）。

介紹

車(chē)載信息娛樂(lè)（信息和娛樂(lè)）集群 傳統(tǒng)上包含一些用于氣候控制的旋鈕和 無(wú)線(xiàn)電控制可收聽(tīng)您喜愛(ài)的音樂(lè)（圖1）。摩登 信息娛樂(lè)集群以觸摸屏為主要 人機(jī)界面 （HMI），呈指數(shù)級(jí)擴(kuò)展 車(chē)輛可根據(jù)駕駛員的特定偏好進(jìn)行配置。 駕駛員現(xiàn)在可以訪問(wèn)詳細(xì)的診斷信息 包括駕駛習(xí)慣分析、導(dǎo)航、音頻體驗(yàn)擴(kuò)展到藍(lán)牙、通用串行總線(xiàn) （USB） 和 衛(wèi)星連接，以及氣候和其他先進(jìn) 車(chē)輛設(shè)置。其中許多功能，除了配對(duì) 使用智能手機(jī)的蜂窩網(wǎng)絡(luò)，繼續(xù)擴(kuò)展 汽車(chē)信息娛樂(lè)集群的可能性。

觸摸屏是提供擴(kuò)展的使能技術(shù) 通過(guò)消除機(jī)械尺寸限制實(shí)現(xiàn)可配置性 放置在傳統(tǒng)的信息娛樂(lè)系統(tǒng)上。觸摸屏 創(chuàng)建一個(gè)動(dòng)態(tài)界面，提供專(zhuān)用菜單 上述每個(gè)功能。有兩個(gè)領(lǐng)先的 技術(shù)：基于壓電陶瓷的屏幕和基于電容的屏幕 屏幕。

此設(shè)計(jì)解決方案深入研究了這兩種技術(shù)，以解釋它們的 運(yùn)營(yíng)基本原則，突出優(yōu)勢(shì) 和每個(gè)的缺點(diǎn)，并確定哪個(gè)是優(yōu)越的 汽車(chē)應(yīng)用架構(gòu)。

使用電容陣列的信息娛樂(lè)集群

電容式傳感系統(tǒng)越來(lái)越受歡迎 它們被平板電腦和智能手機(jī)采用。電容式 觸摸屏控制器 （CTSC） 使用導(dǎo)電觸摸 具有特定接口的人手指來(lái)接收輸入 信號(hào)。電容元件的構(gòu)造涉及 兩個(gè)板，靠近，它們之間有電介質(zhì)。

ITO（氧化銦錫）導(dǎo)體產(chǎn)生 電容板，板之間的電介質(zhì)是 薄膜隔膜層。手指對(duì) 觸摸表面以縮短ITO層之間的距離（d）。 該距離的減小會(huì)增加電容值 （等式 1）。

圖4中的電容值等于：

（公式1）

哪里：

C 是以法拉
為單位的電容 A 是 ITO 板的相鄰面積 （m2)
ε0 是電常數(shù) = 8.854 x 10-12F/m εr是薄膜隔膜的
介電常數(shù)d是板之間的間隔距離（m
）

公式2描述了電容器板上的電荷（Q） 因?yàn)樗c電容器 （C） 有關(guān)。

哪里：

Q 是以庫(kù)侖為單位的電荷，1C 約 6.24 x 1018電子
V裁判是以伏特為單位的參考電壓
C 是以法拉為單位的電容

電容傳感器可響應(yīng)重施或輕施 壓力允許在寬動(dòng)態(tài)范圍內(nèi)進(jìn)行精確感應(yīng) 范圍。CTSC 可以通過(guò)放置 觸摸屏電容器兩端的附加電容器。在 這樣，總電容是觸摸屏的總和 電容器 （C觸摸） 和控制器的電容 （C中天經(jīng)辦） 每個(gè)等式 3 。此外，總費(fèi)用是觸摸屏的總和 電荷（Q觸摸），以及控制器的電量（Q中天經(jīng)辦） 根據(jù)公式 4。

CTSC評(píng)估整個(gè)電容器陣列的這些變化， 繪制整體力大小和坐標(biāo)（圖3）。

圖3.電容式陣列觸摸屏使用 12 位電容式 觸摸屏控制器用于收集數(shù)據(jù)。

觸摸屏中的電容元件是一個(gè)陣列，其 包含許多需要檢測(cè)的電容器。典型 CTSC集成了12位模數(shù)轉(zhuǎn)換器（ADC）。 這種轉(zhuǎn)換技術(shù)有效地捕獲了 電容陣列。

汽車(chē)電容器觸摸系統(tǒng)確實(shí)有一些局限性。 如果汽車(chē)駕駛員使用手套，則電容式 觸摸屏可能無(wú)法容納手套材料，因?yàn)?大多數(shù)手套中的介電材料使 用于檢測(cè)觸摸的觸摸傳感器。

觸摸精度是觸摸傳感器的基本特征 設(shè)計(jì)。在觸摸屏鍵盤(pán)應(yīng)用中，緊緊 封裝電容器使精度變得困難。實(shí)現(xiàn)目標(biāo)的一種方式 高精度是增加更多的控制器傳感器通道 支持更高的觸摸傳感器網(wǎng)格密度。但是，懲罰 對(duì)于這種類(lèi)型的系統(tǒng)是增加CTSC和電容器 陣列引腳。此外，這將需要更多的傳感器通道， 沿著觸摸屏邊框運(yùn)行的更多跡線(xiàn)，以及 邊框?qū)挾入娙蓐嚵性黾印?/p>

汽車(chē)環(huán)境富含電磁 干擾 （EMI） 源。任何小干擾，例如 EMI信號(hào)將出現(xiàn)在傳感器的輸出或PCB中 傳感器和 CTSC 之間的跡線(xiàn)。電纜或 走線(xiàn)到傳感器，EMI 干擾越大 由于耦合機(jī)會(huì)增加。這可以改進(jìn) 通過(guò)使用較短的PCB走線(xiàn)。

許多CTSC具有可調(diào)節(jié)的靈敏度能力，這 促進(jìn)這個(gè)難題。但是，增加 觸摸控制器的靈敏度可能會(huì)導(dǎo)致意外觸發(fā) 即使司機(jī)沒(méi)有手套。

使用壓電傳感器的信息娛樂(lè)集群

壓電材料是改變其電氣的材料 通?；跈C(jī)械變形的特性 稱(chēng)為應(yīng)變。最常見(jiàn)的電阻式觸摸屏 架構(gòu)使用壓阻材料來(lái)改變其 電阻基于施加的機(jī)械應(yīng)變。這些 設(shè)備稱(chēng)為負(fù)載傳感器。惠斯通電阻 橋是此傳感器的合適型號(hào)（圖 4）。

圖4.稱(chēng)重傳感器的電阻惠斯通模型。

在圖 4 中，PHIDGETS CZL616C 微型稱(chēng)重傳感器測(cè)量 向一個(gè)方向施力。R 的標(biāo)稱(chēng)值1/ 12/ 13和 R4為 1kΩ，額定輸出為 800μV/V。奇數(shù)電阻器（R1和 R3）通過(guò)施加的力增加其電阻，而偶數(shù)電阻（R2和 R4） 減少他們的 電阻。這些不斷變化的電阻值與 源電壓（VS），將輸入電壓更改為 ADC。

在四面信息娛樂(lè)觸摸屏中，有四個(gè)負(fù)載 單元格，每個(gè)角一個(gè)。這些壓電傳感器響應(yīng) 施加的重壓力或輕壓力可實(shí)現(xiàn)精確感應(yīng) 在寬動(dòng)態(tài)范圍內(nèi)?？梢允褂?12 位或 該系統(tǒng)中帶有放大器前端的16位ADC。然而 這些轉(zhuǎn)換器將無(wú)法提供 來(lái)自輕微刷洗或氣流的細(xì)微稱(chēng)重傳感器輸出 微伏范圍。多通道、24位ΔΣ ADC更好 適用于該系統(tǒng)，因?yàn)樗梢詸z測(cè) 四個(gè)稱(chēng)重傳感器（圖5）。

圖5.電阻式觸摸屏采用四通道 24 位 ΔΣ ADC 以收集數(shù)據(jù)。

在圖5中，6通道MAX11254、24位ΔΣ ADC在200sps至110nV時(shí)進(jìn)行檢測(cè)有效值精度，PGA增益等于128（參見(jiàn)MAXREFDES82）。該電路可以?huà)呙杳總€(gè)通道的力大小，大約每10ms進(jìn)行一次坐標(biāo)。微控制器評(píng)估施加在每個(gè)單元上的力 稱(chēng)重傳感器映射到總力大小和坐標(biāo)。

至于EMI源，Σ-Δ型ADC差分輸入 大共模抑制比（CMRR）可輕松抑制這些信號(hào)。

對(duì)于這個(gè)系統(tǒng)，一個(gè)手勢(shì)就像一個(gè)手指滑動(dòng)一樣簡(jiǎn)單 由系統(tǒng)主機(jī)微控制器啟用，該微控制器可以輕松實(shí)現(xiàn) 識(shí)別簡(jiǎn)單的手勢(shì)，如捏合、拉動(dòng)、縮放、旋轉(zhuǎn)、雙擊或三次點(diǎn)擊。

結(jié)論

汽車(chē)駕駛員對(duì)易于控制的需求日益增加 信息娛樂(lè)系統(tǒng)繼續(xù)引導(dǎo) 下一代信息娛樂(lè)集群。雖然旋鈕和 杠桿并沒(méi)有完全消失，新興的替代品是觸摸屏 界面，提供更大的控制和靈活性。

在汽車(chē)觸摸屏的前端要么是電阻式的 稱(chēng)重傳感器或電容陣列。電容式陣列全貌 檢測(cè)需要 12 位 CTSC。此接口可感知人類(lèi) 然而，通過(guò)施加的壓力，戴手套的手指和緊緊地觸摸 包裝傳感器在測(cè)量系統(tǒng)中存在誤差。最好的 提高精度的解決方案是通過(guò)電阻式稱(chēng)重傳感器傳感 這需要使用 24 位 ΔΣ ADC。這提供了觸摸屏 接口 成功檢測(cè)人體的故障安全方法 觸摸，無(wú)論是否戴手套，通過(guò)施加的壓力。

審核編輯：郭婷