采用光學技術的先進汽車人機界面

作者： Multitouch 時間：2013-08-29 源于：與非網總點擊：

【導讀】：在當今汽車市場中，無論是豪華車、中檔車，還是低端汽車，都已經集成有大量的導航、舒適、娛樂和安全系統。駕乘人員需要能夠快速、輕松地控制這些系統或快速訪問信息，這導致汽車制造商和系統集成商更加關注實施更智能、更直觀的人機界面（HMI）。本文將討論光電技術如何在這

在當今汽車市場中，無論是豪華車、中檔車，還是低端汽車，都已經集成有大量的導航、舒適、娛樂和安全系統。駕乘人員需要能夠快速、輕松地控制這些系統或快速訪問信息，這導致汽車制造商和系統集成商更加關注實施更智能、更直觀的人機界面（HMI）。本文將討論光電技術如何在這些應用中發揮作用。

在車輛中不斷增多的控制功能意味著純粹機械開關組成的儀表盤不再是可行的方案，因為司機/乘客如果需要處理這么多的開關會導致混亂。從制造商的角度來看，這同樣也有問題，因為傳統的開關除了占用太多的儀表盤空間和破壞整體美感以外，也不能提供了一個簡單的升級路徑，使現有的設計難以再增加新的功能。

購車者在看到被推薦的最新車型時，所需要的是對令人興奮的新特性和功能驚嘆叫絕，他們可以通過中央控制臺單元使用這些功能，同時也期待這些功能與日常生活中所熟悉的用戶體驗旗鼓相當。

與許多其他行業一樣，在汽車中使用觸摸屏技術變得越來越流行。據預測，到2019年，全球每年汽車觸摸屏的銷售量將達到3,570萬臺。然而，盡管這種技術能夠提供高度直觀的人機界面，但是針對汽車艙內設置的特定任務他們在多大程度上適合，以及是否需要用附加的探測系統來加以補充等還有一些疑問。基于觸摸控制系統的安全問題也經常被提出，其結果是，在實施汽車HMI的特定單元時，有好多替代方法可以考慮。

美國國家公路交通安全管理局（NHTSA）已經針對司機分心的問題進行了大量研究，并定義了兩個影響司機分心的基本組成部分。

1.按照駕駛員的視覺、認知、手動資源，執行該任務所需的關注量。
2.司機駕駛時，如何要完成執行此任務。

汽車制造商聯盟（The Alliance of Automobile Manufacturers）已經設定了指導性的意見，指出“視覺顯示屏的系統設計應該使駕駛者可以按順序匆匆一看即可完成所需的任務，此過程要足夠簡短以不足以對駕駛產生不利影響。”雖然基于觸摸的方法非常適合于平板電腦等便攜式消費電子設備，但汽車環境下，某些情況通過操作觸摸顯示器實現某個任務所需的注意力水平可能太高。考慮到這一點，領先的汽車品牌都熱衷于提升觸摸控制系統，使駕駛員產生分心的任何風險都可以避免。

采用語音識別來完成任務是一種選項，但是它也有其缺點。雖然語音識別系統在最近幾年已經大幅度改善，但錯誤仍然不可避免，這可能導致用戶信心受挫。錯誤發生的頻繁程度與背景噪聲水平有非常密切的關系。顯然，車輛內部將有一個相當高的背景噪聲存在。除此之外，不同地區的口音以及講話方式的改變也將會產生影響。

光學技術可以非常有效地用于補充基于觸摸技術的人機界面，也給工程師提供一種技術途徑來實現完全非觸摸的傳感機制。此技術的應用包括，但不限于：

    •接近檢測
    •簡單的手勢識別，像例如左/右輕掃
    •司機/乘客的區別對待，如一些信息娛樂選項被視為對司機太分心，僅僅允許乘客訪問這些。

然而，在創建這種系統時還有一些需要解決的問題。一種基于光學的HMI解決方案需要具有以下屬性：

    1.能夠應付背景光水平在很大范圍變化的能力。
    2.抵御電磁干擾（EMI）的強大適應能力。
    3.支持多種OEM配置。
    4.低材料清單成本。
    5.占用最小的電路板空間。
    6.能夠應對苛刻機電一體化集成的能力。

    為響應客戶對于可行的基于光學技術的汽車HMI的需求，同時也要避免其他競爭方案中固有的不足，邁來芯公司的工程團隊已經開發出了一系列高可靠性的傳感器接口IC。MLX75030和MLX75031即是基于CMOS工藝技術的接近和手勢檢測IC，它們集成有專有的環境光抑制技術，基本不受靜態和動態變化的背景光影響。此外，它們已被證明電磁兼容，加上占位面積很小，非常適合于空間受限的用戶界面設計。

圖1：采用一個MLX7503x器件的汽車HMI基本結構圖

MLX7503x系列傳感器IC能夠輕松實現多通道、近距離光學感測系統。每個IC有兩個獨立的、同時工作的光測量通道。這些可用于對一個目標（例如用戶的手）進行有源光反射檢測，其內置的環境光抑制機制使這些通道不受光干擾的影響。

圖1顯示了一個基于MLX7503x的HMI基本結構。發光二極管發出一個短脈沖串，被用戶的手所反射的光再由光電二極管檢測到，同時背景光被硬件去除，而從光電二極管產生的電流被轉換成一個16位的數字信號。這里機電一體化集成問題可以不去考慮，因為所需要的電子產品不需要控制臺設計，只有LED和光電二極管需要部署在控制臺前表面，其它則可以放置在控制臺背后的任何可用空間內。

圖2：邁來芯公司的MLX75030

MLX75030允許使用外部開關來驅動LED，峰值電流可高達1A。而MLX75031 LED則擁有內置驅動器，以盡量減少所需的額外元器件，從而降低材料清單成本。內部控制邏輯、可配置的用戶寄存器和一個SPI接口可確保簡單且完全可編程地工作。所有這些IC都集成有一個16位ADC（模數轉換器），可以生成數字輸出，測得的有源光和環境光水平等數據被傳送到系統微控制器并被處理（每個測量通道高達700赫茲的測量速率可以實現平滑的界面響應時間）。之后，通過外部微控制器的軟件算法，系統可以區分不同的手勢（例如左/右/上/下掃和圓周運動）。由于環境光已經被接口IC分解出來，微控制器的處理資源可以集中用于其他任務。

基于光學的接近感測給汽車行業提供了更廣泛應用觸摸人機界面和信息娛樂控制元件的技術途徑。這項技術可以使一些簡單的手勢得到區分，但同時可確保司機不分心。因此，司機可以在駕駛時經常地參與某些任務，但他們以及同車乘客的安全問題卻絲毫不受影響。展望未來，一種可能的前景是，一旦用戶都熟悉了這項技術，汽車制造商可能會在HMI中開始采用全光學的方式，用更高性能的光學實施方案替代昂貴的多點觸控觸摸屏技術。