基于接近感应技术的触控式前照灯开关设计与应用

张立新 黄庆达 杨通亮 范文博 郭庆铁

【摘  要】不同于常见的旋钮式和按键式前照灯开关，本文基于电容式接近感应技术提出一种全新的触控式前照灯开关，具有睡眠、工作和接近感应3种模式状态，其开关采用导电橡胶+弹簧做触摸传感器的方案，面盖总成采用多色注塑方式，整体结构简单、性能稳定、成本低廉而且可以给用户带来触控操作的科技感，具有很好的应用前景。

【关键词】接近感应;触控式;前照灯开关;多色注塑

中图分类号：U463.66    文献标志码：A    文章编号：1003-8639（ 2023 ）05-0046-03

【Abstract】Different from the common headlight switch using knob and button for operation，this paper proposes a new touch headlight switch based on capacitive proximity sensing technology，which has three modes：sleep mode，work mode and proximity sensing mode. The switch uses conductive rubber and spring for touch sensor，the cover assembly adopts multi-color injection molding. The overall structure is simple，stable performance，not only low cost but can bring users a sense of technology feeling，and has a good application prospect.

【Key words】proximity sensing;touch type;headlight switch;multi-color injection molding

作者简介

张立新（1978—），男，高级工程师，主要从事汽车电子开关研究和开发工作;黄庆达（1990—），男，硕士，工程师，主要从事汽车电子开关研究和开发工作（通讯作者）。

电子技术发展的日新月异，同时伴随着新能源汽车的普及和智能座舱概念的深化，汽车电子开关无论是外形还是操作方式都发生了重大的变革和创新，触控式开关成为未来的汽车自动化、智能化发展趋势。

本文介绍一种带接近感应功能的触控式前照灯开关，此开关的优势是在开关不使用过程中可以自动关闭背光面板或用户交互画面，既能避免在驾驶过程中干扰驾驶员，也能提升产品的人机交互科技感，为产品设计员提供更好的用户界面设计灵活性。

1  前照灯开关的应用现状

当前市面上大多数车型的前照灯开关采用旋钮或者按键等物理操作方式，这种机械结构的操作方式，在经过长时间使用之后，势必会造成零件的磨损，降低产品的手感和性能，甚至会发生功能失效问题。同时，旋钮或按键等机械结构需要一定的空间布置，给开关的造型设计带来一定的限制[1]。此外，旋钮类型的操作方式功能集成较多，结构较复杂，不能做到一目了然地操作，给乘员带来不好的操作体验。常见的旋钮式和按键式前照灯开关如图1所示。

为了适应汽车智能化、自动化的发展趋势，对传统机械操作方式的前照灯开关进行重新定义和设计也是势在必行。基于此，本文提出一种全新的基于接近感应技术的触控式前照灯开关。

2  触控式前照灯开关方案介绍

目前基于接近感应的实现方式主要有3种方式：红外方式、电容式和摄像头式[2]。本文通过采用电容式接近感应技术来实现前照灯开关的接近感应和触控操作。

2.1  产品功能简介和系统功能框图

触控式前照灯开关带有接近感应功能以及6个触摸按键功能，具体为：前雾灯、模式选择（示宽灯、AUTO、近光灯）、后雾灯、MAX除霜、前除霜、后除霜等。触控前照灯功能定义如图2所示。开关设计有3种模式状态，分别是：睡眠模式、低功耗状态、字符不点亮，可以通过触摸任意字符后唤醒开关进入工作模式。睡眠模式下工作指示字符处于“隐藏”状态;工作模式为正常显示模式，所有字符均点亮，字符背光为最大亮度的30%，此时字符光线柔和，功耗低，每路按键背光和指示灯均可单独控制，并且可以根据报文调节背光和指示灯的亮度;接近感应模式，在人体手指或手掌接近到面板感应范围时触发，触控面板字符亮度会快速提升至背光最大亮度，让用户在即使强光环境下也能快速识别字符，触发功能。

供电电源由KL30输入，1路为LDO电源（LDO输出5V为MCU的工作电源），1路为背光、指示灯电源。通信方式由LIN总线与BCM进行通信，控制单元向LIN主机发送报文，MCU控制背光指示灯的亮灭和通过调节PWM的占空比来控制指示灯背光的亮度。功能框图如图3所示。同时，开关还带有诊断信息读取功能、睡眠唤醒功能等。

2.2  结构设计

區别于大部分触控类产品采用ITO膜的sensor结构作为触摸传感器的方案，本文采用导电橡胶+弹簧做触摸传感器的方案[3]。开关包含面盖总成、接近感应环、导电橡胶、隔光内壳、导电弹簧、PCB、插针总成、外壳等零件，产品爆炸图如图4所示。当用户手指（导体）接触面盖符号区域时，手指接触面与导电橡胶的导电Pad形成一个电容，并且这个电信号通过导电弹簧传导到PCB上，电容触摸芯片采集到此电信号之后，通过计算得出变化量，当变化量大于预设阈值，MCU判断触摸有效。

其中，面盖总成采用多色注塑方式实现[4]，其零件结构分解如图5所示，采用双色嵌件总成+3色注塑的5色注塑工艺，即在注塑第3色的时候，将1、2色的零件当作嵌件放入模具，当第4色注塑完成后，表面喷漆再镭雕，便可呈现各自符号的颜色。故一个面盖总成零件同时集成实现了隔光、均匀透光、高光喷漆、字符隐藏的功能要求。

2.3  硬件设计

硬件组成主要由MCU模块、LDO&LIN模块、电源检测模块、按键电路模块等4部分组成。其中，MCU模块采用Cypress的CY8C4125LQS-S433，LDO模块采用NXP的TJA。

MCU模块如图6所示。当操作前雾灯按键时，系统离开睡眠模式，进入正常工作状态;LIN总线无活动时，MCU进入睡眠，接收到唤醒信号，系统离开睡眠模式，进入正常工作状态;同时，MCU内带看门狗，防止程序跑飞。在电源滤波电路设计中采用TVS管，防止瞬态脉冲干扰;LIN接口电路采用ESD管，防止静电损坏。整个电路能有效增加RI（辐射抗扰度）和CI（导电抗扰度）抗干扰。

2.4  软件设计

首先采集用户按下按键的信号，将按键信号通过总线发送给主节点，然后接收指示灯、背光灯控制信号和亮度调节信号，点亮并调节指示灯，最后根据用户操作检测是否接近，以实现接近感应功能。开始时，先对软件进行初始化设置，即对MCU的输入输出口的设置，软件主流程如图7所示。

3  触控式前照灯开关的开发与实物

PCB布线时，将触摸处理芯片的电源和搭铁线与其他电源搭铁线分开，中间用PAI型滤波网络隔离，防止板上其他电路干扰触摸电路，也能防止触摸处理芯片内部的噪声传导出去，影响其他器件。触摸通道导线（从插接件到MCU）要尽量短，而且触摸线路上串联的10kΩ电阻到触摸处理芯片端口的距离要小于1cm，这样由寄生电容和电阻构成的阻容滤波电路可以削减射频噪声的振幅。

開关内部结构采用环状金属支架设计，既可以用于接近感应的信号采集，又可以通过此金属支架吸收外部的静电干扰，从而保护内部的电容触摸传感器不受静电干扰损坏。开关可达到预期抗干扰性能，并通过通用标准BCI抗扰二级的要求及通用自由场抗扰二级的要求。 产品实物如图8所示。

4  结语

本文基于接近感应技术开发了一款电容式触控式的前照灯开关，区别于传统的旋钮式或按键式机械结构，极大提升了用户的操作体验和人车交互科技感，是一种全新的探索。该产品在满足用户各功能需求的同时还具有整体结构简单、加工效率高、生产成本低、开关性能稳定、使用寿命长等优点。首次采用导电橡胶+弹簧做触摸传感器的方案，此技术不仅成本低廉而且可以给用户带来触控操作的科技感，可广泛应用于汽车的内饰开关及音频面板、导航系统和HVAC面板等，具有很好的应用前景。

参考文献：

[1] 谢延青，张艳群，余小辉. 触控顶灯的设计与应用[J]. 汽车电器，2021（1）：50-52.

[2] 王国云，王佳宁，孙逊之，等. 基于接近感应的汽车室内灯设计[J]. 中国照明电器，2017（10）：39-41.

[3] 张云武，方建中，张立新，等. 电容式触摸开关：中国，201822127614.2[P]. 2018-12-18.

[4] 张立新，范文博，黄仲笋，等. 一种触摸开关用面盖总成：中国，202020667651.7[P]. 2020-04-27.

（编辑  凌  波）