汽车触摸屏检测：一切都与您的ADC有关

在此设计解决方案中，我们了解了24位Σ-Δ ADC触摸屏接口如何成为一种故障安全方法，通过施加的压力成功检测人体触摸（戴手套与否）。

介绍

车载信息娱乐（信息和娱乐）集群 传统上包含一些用于气候控制的旋钮和 无线电控制可收听您喜爱的音乐（图1）。摩登 信息娱乐集群以触摸屏为主要 人机界面 （HMI），呈指数级扩展 车辆可根据驾驶员的特定偏好进行配置。 驾驶员现在可以访问详细的诊断信息 包括驾驶习惯分析、导航、音频体验扩展到蓝牙、通用串行总线 （USB） 和 卫星连接，以及气候和其他先进 车辆设置。其中许多功能，除了配对 使用智能手机的蜂窝网络，继续扩展 汽车信息娱乐集群的可能性。

触摸屏是提供扩展的使能技术 通过消除机械尺寸限制实现可配置性 放置在传统的信息娱乐系统上。触摸屏 创建一个动态界面，提供专用菜单 上述每个功能。有两个领先的 技术：基于压电陶瓷的屏幕和基于电容的屏幕 屏幕。

此设计解决方案深入研究了这两种技术，以解释它们的 运营基本原则，突出优势 和每个的缺点，并确定哪个是优越的 汽车应用架构。

使用电容阵列的信息娱乐集群

电容式传感系统越来越受欢迎 它们被平板电脑和智能手机采用。电容式 触摸屏控制器 （CTSC） 使用导电触摸 具有特定接口的人手指来接收输入 信号。电容元件的构造涉及 两个板，靠近，它们之间有电介质。

ITO（氧化铟锡）导体产生 电容板，板之间的电介质是 薄膜隔膜层。手指对 触摸表面以缩短ITO层之间的距离（d）。 该距离的减小会增加电容值 （等式 1）。

图4中的电容值等于：

（公式1）

哪里：

C 是以法拉
为单位的电容 A 是 ITO 板的相邻面积 （m2)
ε0 是电常数 = 8.854 x 10-12F/m εr是薄膜隔膜的
介电常数d是板之间的间隔距离（m
）

公式2描述了电容器板上的电荷（Q） 因为它与电容器 （C） 有关。

Q = V裁判× C

（公式2）

哪里：

Q 是以库仑为单位的电荷，1C 约 6.24 x 1018电子
V裁判是以伏特为单位的参考电压
C 是以法拉为单位的电容

电容传感器可响应重施或轻施 压力允许在宽动态范围内进行精确感应 范围。CTSC 可以通过放置 触摸屏电容器两端的附加电容器。在 这样，总电容是触摸屏的总和 电容器 （C触摸） 和控制器的电容 （C中天经办） 每个等式 3 。此外，总费用是触摸屏的总和 电荷（Q触摸），以及控制器的电量（Q中天经办） 根据公式 4。

C托特= C触摸+ C中天经办

（公式3）

Q托特= Q触摸( 2中天经办

（公式4）

CTSC评估整个电容器阵列的这些变化， 绘制整体力大小和坐标（图3）。

图3.电容式阵列触摸屏使用 12 位电容式 触摸屏控制器用于收集数据。

触摸屏中的电容元件是一个阵列，其 包含许多需要检测的电容器。典型 CTSC集成了12位模数转换器（ADC）。 这种转换技术有效地捕获了 电容阵列。

汽车电容器触摸系统确实有一些局限性。 如果汽车驾驶员使用手套，则电容式 触摸屏可能无法容纳手套材料，因为 大多数手套中的介电材料使 用于检测触摸的触摸传感器。

触摸精度是触摸传感器的基本特征 设计。在触摸屏键盘应用中，紧紧 封装电容器使精度变得困难。实现目标的一种方式 高精度是增加更多的控制器传感器通道 支持更高的触摸传感器网格密度。但是，惩罚 对于这种类型的系统是增加CTSC和电容器 阵列引脚。此外，这将需要更多的传感器通道， 沿着触摸屏边框运行的更多迹线，以及 边框宽度电容阵列增加。

汽车环境富含电磁 干扰 （EMI） 源。任何小干扰，例如 EMI信号将出现在传感器的输出或PCB中 传感器和 CTSC 之间的迹线。电缆或 走线到传感器，EMI 干扰越大 由于耦合机会增加。这可以改进 通过使用较短的PCB走线。

许多CTSC具有可调节的灵敏度能力，这 促进这个难题。但是，增加 触摸控制器的灵敏度可能会导致意外触发 即使司机没有手套。

使用压电传感器的信息娱乐集群

压电材料是改变其电气的材料 通常基于机械变形的特性 称为应变。最常见的电阻式触摸屏 架构使用压阻材料来改变其 电阻基于施加的机械应变。这些 设备称为负载传感器。惠斯通电阻 桥是此传感器的合适型号（图 4）。

图4.称重传感器的电阻惠斯通模型。

在图 4 中，PHIDGETS CZL616C 微型称重传感器测量 向一个方向施力。R 的标称值1/ 12/ 13和 R4为 1kΩ，额定输出为 800μV/V。奇数电阻器（R1和 R3）通过施加的力增加其电阻，而偶数电阻（R2和 R4） 减少他们的 电阻。这些不断变化的电阻值与 源电压（VS），将输入电压更改为 ADC。

在四面信息娱乐触摸屏中，有四个负载 单元格，每个角一个。这些压电传感器响应 施加的重压力或轻压力可实现精确感应 在宽动态范围内。可以使用 12 位或 该系统中带有放大器前端的16位ADC。然而 这些转换器将无法提供 来自轻微刷洗或气流的细微称重传感器输出 微伏范围。多通道、24位ΔΣ ADC更好 适用于该系统，因为它可以检测 四个称重传感器（图5）。

图5.电阻式触摸屏采用四通道 24 位 ΔΣ ADC 以收集数据。

在图5中，6通道MAX11254、24位ΔΣ ADC在200sps至110nV时进行检测有效值精度，PGA增益等于128（参见MAXREFDES82）。该电路可以扫描每个通道的力大小，大约每10ms进行一次坐标。微控制器评估施加在每个单元上的力 称重传感器映射到总力大小和坐标。

至于EMI源，Σ-Δ型ADC差分输入 大共模抑制比（CMRR）可轻松抑制这些信号。

对于这个系统，一个手势就像一个手指滑动一样简单 由系统主机微控制器启用，该微控制器可以轻松实现 识别简单的手势，如捏合、拉动、缩放、旋转、双击或三次点击。

结论

汽车驾驶员对易于控制的需求日益增加 信息娱乐系统继续引导 下一代信息娱乐集群。虽然旋钮和 杠杆并没有完全消失，新兴的替代品是触摸屏 界面，提供更大的控制和灵活性。

在汽车触摸屏的前端要么是电阻式的 称重传感器或电容阵列。电容式阵列全貌 检测需要 12 位 CTSC。此接口可感知人类 然而，通过施加的压力，戴手套的手指和紧紧地触摸 包装传感器在测量系统中存在误差。最好的 提高精度的解决方案是通过电阻式称重传感器传感 这需要使用 24 位 ΔΣ ADC。这提供了触摸屏 接口 成功检测人体的故障安全方法 触摸，无论是否戴手套，通过施加的压力。

审核编辑：郭婷