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压力感测:灵活和可靠的显示屏输入选择

时间:2021-02-09 作者:Jim Toal 阅读:
今年国际消费电子展 (CES) 上,许多概念车配置了几乎取代整个仪表盘的触摸屏。仪表、天气和信息娱乐控件全部被一块大型电容式触摸屏所代替。设计师认识到,当前许多中控台触摸屏面积太小。
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定义压力感测

压力感测可理解为输入或控制功能,需要一定的外力即压力(无论强弱)来触发功能。这种方式可以用来避免误报,扩大输入可能性,例如与菜单选择相结合。压力感测广泛用于需要触摸唤醒,执行其他功能的前几代智能手机。智能手机制造商使用压力敏感静态区。主页按钮取代机械按钮的动作,提供触觉反馈,使用户产生按下按钮的感觉。甚至更早几代的智能手机就已经出现触摸变形的主页按钮。

早期的智能手机配有力感应式主页按钮

防止汽车应用中的误触发

今年国际消费电子展 (CES) 上,许多概念车配置了几乎取代整个仪表盘的触摸屏。仪表、天气和信息娱乐控件全部被一块大型电容式触摸屏所代替。设计师认识到,当前许多中控台触摸屏面积太小。驾驶员需要滚动多层屏幕,才能执行只需按一下按钮即可完成的操作。此外,由于驾驶员视线需要长时间离开道路,小屏幕还存在安全隐患。因此加大了屏幕尺寸。电容式触摸屏容易误触发,即用户手指接近屏幕或不小心刷屏触发操作。如果整个仪表盘是电容式触摸屏,很容易误触发唤醒屏幕,并有可能改变设置。设计师需要建立某种屏幕区,功能类似手机主页或“on”按钮。但这些屏幕区的位置因车型而异,无法像智能手机那样划定。

采用压力感测解决方案可以减少误报。汽车设计师可建立需要一定压力才能打开部分屏幕的区域。如果没有定义的压力,则不会触发任何功能。因此,只是接触设备不会造成功能误触发。这在夜间尤为重要,误触摸会相对加大屏幕亮度,分散注意力。只有定义压力或外力造成控制面板最小程度变形,才会执行所需的控制操作。施加多大压力或控制面板产生多大程度变形,取决于输入设备或控制面板使用的材料,以及系统定义的触发点。
 

新款汽车上配备的大型电容式触摸屏容易误触,可通过使用力感应式主页按钮防止误触

数字接近传感器的优点

几种方法可用来构建压力或压力感测解决方案。尽管可以使用压力传感器,但这种方法成本高,需要占用大量PCB空间,且可靠性不足以防止故障乃至误操作。也可以采用分立式红外发射器,以及光电晶体管或光电二极管光学解决方案,但由于这些器件公差太大,分辨率低,无法达到应有的效果。这种情况下,我们可以采用基于数字接近传感器的光学解决方案。

Vishay数字接近传感器提供经济高效的压力感测解决方案。接近传感器将红外发射器、光电二极管和信号处理IC集成在单体封装中,例如经过AEC-Q101认证的VCNL3030X01。在压力感测应用中,红外光发射到电容式触摸屏背面,反射到传感器,传感器接收并处理信号。输出为数字计数,16位分辨率传感器计数为0到65536。表面反射光量随屏幕接近传感器增加,相应增加输出计数。驾驶员或乘客按屏幕上的“主页按钮”区,屏幕会产生50 μm至100 μm变形。如果这些区域的屏幕内面采用高反射率材料,并且直对接近传感器,可以建立压力感测区。


VCNL3030X01接近传感器可用于感应屏幕中的微小变形

压力感测如何使用高灵敏度接近传感器

运行方式。

I2C接口,具有多种编程功能,使其成为这种应用的理想选择。发射器电流可编程。初始设计工作可根据屏幕位置设定最佳发射器电流。如果生产过程中需要校准,可以2.5 mA步进量程,在5 mA至 20 mA范围内轻松调整发射器电流。在接近应用中,发射器产生脉冲,Vishay传感器提供四种不同占空比,可在1:40 至1:160开/关周期中进行编程。传感器分辨率为16位,这是测量电容式触摸屏微小变形所必需的。 传感器具有阳光抵消功能,可在大多数环境照明环境下工作。最后,传感器允许编程阈值,当超出阈值时触发中断信号。因此,无需微控制器不断轮询传感器。

应用举例

应用举例。

接近传感器典型距离曲线如右图所示。y轴是数字传感器输出计数。本例中,反射板为柯达灰卡,其反射率仅为18 %。发射器正向电流设为50 mA。所示峰值为1 mm至4 mm。峰值右侧计数值明显下降(大于二次方)。为实现可能的最高分辨率并获得可靠结果,检测范围应选择接近峰值处,留一定机械累积公差。本例中,传感器与高反射检测输入面之间的距离约为2 mm。

VCNL3030X01的输出计数与达到18%反射柯达灰卡的距离,其中峰值分辨率大约在2 mm处出现

传感器与高反射物体之间的距离约为2 mm至3 mm时,VCNL3030X01可实现50 µm分辨率。这样,每50 m步进量程至少可以提供200到400个数字计数作为输出值。这对于可靠检测来说已经绰绰有余了,并且可以适应环境影响,如温度波动、材料变化和老化。

责编:Amy Guan

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