改进传统电容传感方案

大家有没有发现，汽车越智能，对于汽车安全的要求也就越严苛。很多以前可有可无的安全功能，现在都变成了强制性的标准，比如方向盘离手检测（HOD）功能就是其中之一。

之所以方向盘离手检测变得如此重要，是有道理的。一方面，驾驶员疲劳或走神是交通事故发生的一个很大的诱因，因此驾驶员疲劳检测逐渐成了汽车应用中的刚需。而在驾驶过程中，驾驶员是否能够双手紧握方向盘，就是反映其“状态”的一个重要指征。另一方面，随着ADAS和自动驾驶的引入，汽车自动化程度越来越高，在驾驶过程中“机器”可以代替人类做的事情也越来越多，这反而会令驾驶员产生麻痹思想，在驾驶时“心不在焉”。而实际上在实现真正意义上的无人驾驶之前，还是需要驾驶员保持手握方向盘的姿态，随时接管车辆操控权，处理突发状况，保证人车安全。

也正是因为意识到方向盘离手检测的重要性和必要性，联合国79号条例规定，提供车道保持辅助系统（LKAS）的所有新车必须配备HOD功能；与此同时，欧盟也已针对自2021年4月1日起生产的新车采纳该条例，也就是说HOD将成为未来越来越多新车的标配。

方向盘离手检测方案的选择

以往的方向盘离手检测，采用的是基于扭矩传感器的测量方法。该方案的优势是成本低，无需增加新的传感器，但是缺点是只有在转动方向盘时才能进行测量，且无法识别手部的状态，因此很容易被有经验的“老司机”骗过，不太可靠。

基于近红外摄像头的光学方案，是方向盘离手检测的另一个技术选项，它能够实现高精度的探测，但是方案需要多颗芯片，系统复杂，成本不菲，且驾驶员的手部是否真的接触在方向盘上，仍然不能做到精准认定，因此也不完美。

而与上面两种方案相比，电容式传感测量方案的优势就显现出来了。对于电容传感技术大家并不陌生，我们平时接触最多的就是电容触控屏。而将这种技术移植到方向盘离手检测这个应用中，其工作原理也很容易理解：当手握方向盘时，方向盘上的导电板和人手构成了一个电容器，当手的位置发生变化或者脱离方向盘时，会引起电容的变化，只需感测到由此引发的电流、阻抗等电参数的变化，就能够准确判断出驾驶员是否真得把握着方向盘。

电容式传感方案的好处显而易见。首先是简单，一般一颗芯片就能搞定；其次，其可以实现高精度的手部探测，防“欺骗”能力更强；第三，不需要转动方向盘这样的附加条件；此外，可以复用方向盘的加热板作为电极，无需额外组件。

总之一句话，电容式传感方案进行方向盘离手检测，与其他技术选项相比，方案设计更加简单，成本也更低，对人类接触的感知更精准可靠，因此是汽车行业普遍看好的一个发展趋势。

改进传统电容传感方案

不过，传统的电容式传感方案还是存在一些不足的，比如遇到潮湿环境或用户佩戴手套时就会对测量的准确性产生影响；它也无法识别手掌、手指或膝盖等人体不同部分的接触；同时，安全和鲁棒性不够……弥补这些不足，完善这一方案，就需要新的技术来帮忙了。

现在，能够补齐传统电容式方向盘离手检测短板的方案已经来了，这就是ams OSRAM推出的采用I/Q调制的高精度电容传感器AS8579。它可以更准确地测量方向盘与车身或座驾的电气接地之间的电容和电阻，经过ams OSRAM独特的算法处理，精准识别驾驶员的方向盘离手状态。

图3展示了AS8579的感测过程：由发射器向负载——也就是由方向盘导电板和人手组成的电容器——施加正弦波交流电压信号，并由传感器检测负载的电流响应；电流响应转换为电压后，解调为同相（I）和正交（Q）分量；对I/Q信号进行滤波和偏移补偿后，便得到负载阻抗（电容和电阻信息）——一般来说，人手离导电板越近，测量到的电容越高。

这种方法不仅适用于理想的应用场景，对于手部潮湿、佩戴手套等增加并联电阻分量以及电容变化的情况，也同样可以完成检测，这就摆脱了传统电容传感方案中最大的一个“槽点”。

图4是更为完整的AS8579的工作原理图。可以看到，I和Q两个分量路径之间共享一个ADC，将测量值转换为数字值，并通过SPI将数据传输给外部的微控制器，通过特定的算法就能够完成精准的感测任务了。

除了上面这些特性，AS8579还有其他一些设计细节值得关注。

首先，AS8579具有10个独立的测量通道，电流响应可通过模拟多路复用器（MUX）连接到传感器驱动器的10个SEN引脚中的任何一个。也就是说，同一个器件可以同时支持多个电容值的测量，这就为应对多级感测等复杂应用带来了极大的灵活性。

其次，AS8579配置了VAR_SEN和FIX_SEN两个特殊的引脚，两者可以根据需要分别连接到线缆屏蔽结构和PCB接地端，以避免寄生电容的影响，这种主动屏蔽功能对于安全敏感型的应用十分有利。

再有，AS8579可在四个可选驱动器输出频率下工作，分别是45.45kHz、71.43kHz、100kHz和125kHz，因此具有更出色的抗电磁干扰性。

此外，该器件还提供多个片上诊断功能，支持高达ASIL B级的ISO 26262功能安全标准，符合AEC-Q100 1级认证。将上述特性综合起来看就会发现，AS8579是实现车规级方向盘离手检测方案的理想之选。

而且，同样的电容传感测量方案，也可以移植到其他汽车应用中，比如感知车内是否有人占座检测，或者是与后备箱自动开启检测，在检测到有人在后备箱附近时才自动打开，这些应用对于提升汽车的安全性和用户的体验都很有帮助。

更广泛的应用：液位测量

虽然汽车应用是AS8579高精度电容传感器的主打市场，但实际上，凭借优异的表现，其在液体的液位测量上也能够大显身手。

利用电容传感测量液位的原理并不复杂——由于容器中液体量的改变（对应液位的变化），会引起容器空间中电容值的变化，因此如果能够精确测量到这一变化，就能够测算出液面的高度。AS8579的I/Q解调电容传感技术，非常适合在复杂环境下对微小电容值变化的检测，从汽车油箱油量到家用洗衣机中的水量测量，都能够胜任。

在液位测量应用中，AS8579还有一个过人之处，那就是它可以区分同一容器中多种不同液体的液面！这主要得益于一颗AS8579上具有多达10个传感器输入引脚，它们可以连接到一个液体容器上附加的10个电极片上，同时提供10个单独的液位（电容）测量值。

这个特性非常实用，比如在洗衣机应用中，我们可以利用这个特性获知洗衣筒中水、泡沫和空气所占的空间大小。具体的方法是在洗衣筒的侧面上下依次安装一系列水平电极片，每个电极片都连接到同一个AS8579芯片的传感器引脚，通过测量水、泡沫和空气不同组分的电容值，就能够自下而上检测到底层水的液位、上层泡沫的液位以及顶部空气占用空间的大小。根据这个测量结果，洗衣机控制系统就能够实现敏感的保护功能，确保洗衣筒不会充满泡沫。

总之，电容式传感测量不是什么新鲜事，不过AS8579通过优化却做出了新意，使得这个传统的技术可以在更多需要高精确性、高可靠的新应用场景中扬长避短，施展拳脚；而且AS8579用一颗器件同时支持多通道传感器测量的绝活儿，更是有助于应对多液面测量这种复杂环境中的感测需求，简化方案，降低综合成本。

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责任编辑：haq