电容式门把手原理及设计解析

雷 伟，刘志勇，林军昌，姚高飞

（众泰汽车工程研究院，浙江 杭州 310018）

1 背景技术

电容式触摸技术几年前一直被应用于国外的高端汽车，近年来，该项技术被快速复制到中国汽车市场。从中控台信息娱乐系统的人机交互界面到顶灯开启按钮，整个电容式传感技术呈现出迅猛发展的态势。电容式触摸传感取得新进展的一个此类应用是被动车辆进入。在该应用中，位于门把手中的触摸传感器可以检测驾驶员的手动作，以激活被动无钥匙系统，用于锁定、解锁车辆，对于终端用户而言，解闭锁变得愈加方便和舒适。

2 电容式门把手原理

平面电容传感器在忽略边缘效应的情况下，平行板电容公式如下：

式中：εr——极间介质的相对介电常数；ε0——真空介电常数；S——两电极互相覆盖的有效面积；d——两电极之间的距离。

通过改变电容极间介质的介电常数、极板面积、极间距都可以改变电容值，电容传感器基本上分为变介电常数、变极板面积、变极间距3种形式。

3 电容式门把手构成

3.1 电容式门把手电器架构

CTOT为测量电容，CS为互电容 （两极均为电容带电极），CF为人体等效电容 （一极为电容带，一极为大地）。如图1所示，正常状态CF两极板间电介质为空气，当人体接近时，电介质由空气逐渐变为人体，空气的介电常数为1，人体的介电常数60～70，介电常数逐渐增加引起CF的电容值增加，人体越接近，CF越大。CF将导致电容CS的激励端被对地旁路（衰减），CF越大，CS越小，但是最终会造成测量电容CTOT逐渐减小。通过采集测量电容CTOT的变化，便可得出人体接近程度的变化。

3.2 电容式门把手核心零部件选型

赛普拉斯 （Cypress）半导体公司主要生产用于数据传输、远程通讯、PC和军用系统高性能IC产品。赛普拉斯PSoC 4000器件符合汽车电子委员会 （AEC）-Q100标准认证，包含用于电容式感应应用的2个电流DAC，为电容式感应技术提供了一流的信噪比 （SNR）和防水功能，通过赛普拉斯提供的软件组件可以较容易地实现电容式感应设计。所有端口引脚都支持GPIO。 端 口 0、1和2支持Sigma-Delta电容传感器和模拟复用器总线连接。拥有一个16位定时、计数、脉宽调制器 （TCPWM）模块。主控芯片如图2所示。

图1 电容式门把手电器架构

图2 主控芯片

赛普拉斯PSoC 4000，包括一个带有8个中断输入的嵌套向量中断控制器 （NVIC）模块和一个唤醒中断控制器（WIC）。通过WIC将处理器从深度睡眠模式唤醒，以便芯片处于深度睡眠模式时，可以关闭主处理器的电源，降低整车休眠状态的单件静态电流，满足设计选型。

3.3 电容式门把手内部工作原理

CapSense内部电路示意见图3。

图3 CapSense内部电路示意图

图4 CapSense内部等效电路示意图

Step1： Cmod充电直到比较器端电压大于VREF。

Step2：比较器翻转，通过锁存器接通RB与地，对CMod进行放电。

Step3：当CMod端电压低于VREF时，比较器翻转通过锁存器断开RB与地，CMod再次充电。

系统按照以上步骤进行循环，通过CMod不断充放电将电容信号转换成方波，波形信号如图5所示。CMod电容值固定不变，CX越大RCX值越小充放电越快，方波周期越短。锁存器与比较器信号同步跳变，把方波信号输出到系统时钟。如图6所示，PWM发生器产生等周期的时间帧，16 bit的计数器通过计算固定周期的方波数量来等效判断外部电容值的变化，由此便可量化人体的触摸。

图5 波形信号

图6 PWM发生器产生等周期的时间帧

4 电容式门把手设计解析

4.1 结构设计

门把手本身结构上是不防水的，雨天或洗车等情况下，把手内会进水，把手内部结构所限，进入把手的水份不能完全排干，会产生部分积水，结构设计不合理会导致电容门把手处于长期局部浸水状态。因此，电容式门把手设计应尽量遵循如下技术要求。

1）把手壳体结构上应尽量设置排水通道，能很好排干进入把手内的水份，不产生积水。

2）天线 （集成电容式传感器）与把手内壁不要采用紧贴配合，应通过结构筋条架空布置天线，使天线上下方向与把手壳体间留出一定间隙 （2 mm以上）。

3）把手设计时，应尽量考虑配合天线产品所需 （特别是可靠的防水结构设计）来设计把手的相关结构及空间尺寸。不应先限定把手结构方案及空间，然后强行塞入天线，导致没有足够的空间来合理设计天线产品结构。

4）天线的防水性能要满足长期浸水的工况下也能可靠工作，为提高天线防水性，优先考虑采用低压注塑工艺进行密封防水。

5）如天线采用灌胶工艺进行防水密封，则天线壳体应设计成封闭形式，壳体空腔内灌胶密封。尽量不采用单面开放的半封闭形式，以避免开放面一侧出现壳体与胶体裂开问题。

6）天线的出线位置尽量布置在天线壳体中间。

7）天线上的线束尽量能分散出线，尽量不要两根或多根线束并拢出线。4.2 功能设计解析

1）使能条件：①电源模式为OFF；②携带合法钥匙且车内无合法钥匙；③六门都为关状态且都为闭锁；④六门都为关状态且都为解锁；⑤六门非全部为关状态。

2）触发条件：①触摸对应门把手闭锁区域；②触摸对应门把手解锁区域。

3）执行输出：使能条件满足①&②&③|④时，满足触发条件①则执行闭锁指令；使能条件满足①&②&⑤时，满足触发条件①不执行闭锁指令且喇叭会鸣响两声；使能条件满足①&②&③时，满足触发条件②则执行解锁指令；使能条件满足①&②&④|⑤时，满足触发条件②无响应。

4）功能解读：①PKE闭锁后约3 s，重新触发门把手感应解锁开关，才能执行PKE解锁。PKE闭锁后，手一直放在门把手感应解锁开关上，系统不执行PKE解锁。②车辆已经解锁，再次触发门把手解锁功能 （携带合法钥匙），会重新响应解锁。③车辆已经闭锁，再次触发门把手闭锁功能 （携带合法钥匙），会重新响应闭锁。④无钥匙解闭锁检测钥匙时，钥匙需要距离对应车门约1 m之内。