采用光學(xué)技術(shù)的先進(jìn)汽車(chē)人機(jī)界面

在當(dāng)今汽車(chē)市場(chǎng)中，無(wú)論是豪華車(chē)、中檔車(chē)，還是低端汽車(chē)，都已經(jīng)集成有大量的導(dǎo)航、舒適、娛樂(lè)和安全系統(tǒng)。駕乘人員需要能夠快速、輕松地控制這些系統(tǒng)或快速訪問(wèn)信息，這導(dǎo)致汽車(chē)制造商和系統(tǒng)集成商更加關(guān)注實(shí)施更智能、更直觀的人機(jī)界面（HMI）。本文將討論光電技術(shù)如何在這些應(yīng)用中發(fā)揮作用。

在車(chē)輛中不斷增多的控制功能意味著純粹機(jī)械開(kāi)關(guān)組成的儀表盤(pán)不再是可行的方案，因?yàn)樗緳C(jī)/乘客如果需要處理這么多的開(kāi)關(guān)會(huì)導(dǎo)致混亂。從制造商的角度來(lái)看，這同樣也有問(wèn)題，因?yàn)閭鹘y(tǒng)的開(kāi)關(guān)除了占用太多的儀表盤(pán)空間和破壞整體美感以外，也不能提供了一個(gè)簡(jiǎn)單的升級(jí)路徑， 使現(xiàn)有的設(shè)計(jì)難以再增加新的功能。

購(gòu)車(chē)者在看到被推薦的最新車(chē)型時(shí)，所需要的是對(duì)令人興奮的新特性和功能驚嘆叫絕，他們可以通過(guò)中央控制臺(tái)單元使用這些功能，同時(shí)也期待這些功能與日常生活中所熟悉的用戶(hù)體驗(yàn)旗鼓相當(dāng)。

與許多其他行業(yè)一樣，在汽車(chē)中使用觸摸屏技術(shù)變得越來(lái)越流行。據(jù)預(yù)測(cè)，到2019年，全球每年汽車(chē)觸摸屏的銷(xiāo)售量將達(dá)到3,570萬(wàn)臺(tái)。然而，盡管這種技術(shù)能夠提供高度直觀的人機(jī)界面，但是針對(duì)汽車(chē)艙內(nèi)設(shè)置的特定任務(wù)他們?cè)诙啻蟪潭壬线m合，以及是否需要用附加的探測(cè)系統(tǒng)來(lái)加以補(bǔ)充等還有一些疑問(wèn)?；谟|摸控制系統(tǒng)的安全問(wèn)題也經(jīng)常被提出，其結(jié)果是，在實(shí)施汽車(chē)HMI的特定單元時(shí)，有好多替代方法可以考慮。

美國(guó)國(guó)家公路交通安全管理局（NHTSA）已經(jīng)針對(duì)司機(jī)分心的問(wèn)題進(jìn)行了大量研究，并定義了兩個(gè)影響司機(jī)分心的基本組成部分。

1. 按照駕駛員的視覺(jué)、認(rèn)知、手動(dòng)資源，執(zhí)行該任務(wù)所需的關(guān)注量。
2. 司機(jī)駕駛時(shí)，如何要完成執(zhí)行此任務(wù)。

汽車(chē)制造商聯(lián)盟（The Alliance of Automobile Manufacturers）已經(jīng)設(shè)定了指導(dǎo)性的意見(jiàn)，指出“視覺(jué)顯示屏的系統(tǒng)設(shè)計(jì)應(yīng)該使駕駛者可以按順序匆匆一看即可完成所需的任務(wù)，此過(guò)程要足夠簡(jiǎn)短以不足以對(duì)駕駛產(chǎn)生不利影響?！彪m然基于觸摸的方法非常適合于平板電腦等便攜式消費(fèi)電子設(shè)備，但汽車(chē)環(huán)境下，某些情況通過(guò)操作觸摸顯示器實(shí)現(xiàn)某個(gè)任務(wù)所需的注意力水平可能太高?？紤]到這一點(diǎn)，領(lǐng)先的汽車(chē)品牌都熱衷于提升觸摸控制系統(tǒng)，使駕駛員產(chǎn)生分心的任何風(fēng)險(xiǎn)都可以避免。

采用語(yǔ)音識(shí)別來(lái)完成任務(wù)是一種選項(xiàng)，但是它也有其缺點(diǎn)。雖然語(yǔ)音識(shí)別系統(tǒng)在最近幾年已經(jīng)大幅度改善，但錯(cuò)誤仍然不可避免，這可能導(dǎo)致用戶(hù)信心受挫。錯(cuò)誤發(fā)生的頻繁程度與背景噪聲水平有非常密切的關(guān)系。顯然，車(chē)輛內(nèi)部將有一個(gè)相當(dāng)高的背景噪聲存在。除此之外，不同地區(qū)的口音以及講話(huà)方式的改變也將會(huì)產(chǎn)生影響。

光學(xué)技術(shù)可以非常有效地用于補(bǔ)充基于觸摸技術(shù)的人機(jī)界面，也給工程師提供一種技術(shù)途徑來(lái)實(shí)現(xiàn)完全非觸摸的傳感機(jī)制。此技術(shù)的應(yīng)用包括，但不限于：

• 接近檢測(cè)
• 簡(jiǎn)單的手勢(shì)識(shí)別，像例如左/右輕掃
• 司機(jī)/乘客的區(qū)別對(duì)待，如一些信息娛樂(lè)選項(xiàng)被視為對(duì)司機(jī)太分心，僅僅允許乘客訪問(wèn)這些。

然而，在創(chuàng)建這種系統(tǒng)時(shí)還有一些需要解決的問(wèn)題。一種基于光學(xué)的HMI解決方案需要具有以下屬性：

1. 能夠應(yīng)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(qiáng)大適應(yīng)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(yīng)對(duì)苛刻機(jī)電一體化集成的能力。

為響應(yīng)客戶(hù)對(duì)于可行的基于光學(xué)技術(shù)的汽車(chē)HMI的需求，同時(shí)也要避免其他競(jìng)爭(zhēng)方案中固有的不足，邁來(lái)芯公司的工程團(tuán)隊(duì)已經(jīng)開(kāi)發(fā)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(shù)的接近和手勢(shì)檢測(cè)IC，它們集成有專(zhuān)有的環(huán)境光抑制技術(shù)，基本不受靜態(tài)和動(dòng)態(tài)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(hù)界面設(shè)計(jì)。

圖1：采用一個(gè)MLX7503x器件的汽車(chē)HMI基本結(jié)構(gòu)圖

MLX7503x系列傳感器IC能夠輕松實(shí)現(xiàn)多通道、近距離光學(xué)感測(cè)系統(tǒng)。每個(gè)IC有兩個(gè)獨(dú)立的、同時(shí)工作的光測(cè)量通道。這些可用于對(duì)一個(gè)目標(biāo)（例如用戶(hù)的手）進(jìn)行有源光反射檢測(cè)，其內(nèi)置的環(huán)境光抑制機(jī)制使這些通道不受光干擾的影響。

圖1顯示了一個(gè)基于MLX7503x的HMI基本結(jié)構(gòu)。發(fā)光二極管發(fā)出一個(gè)短脈沖串，被用戶(hù)的手所反射的光再由光電二極管檢測(cè)到，同時(shí)背景光被硬件去除，而從光電二極管產(chǎn)生的電流被轉(zhuǎn)換成一個(gè)16位的數(shù)字信號(hào)。這里機(jī)電一體化集成問(wèn)題可以不去考慮，因?yàn)樗枰碾娮赢a(chǎn)品不需要控制臺(tái)設(shè)計(jì) ，只有LED和光電二極管需要部署在控制臺(tái)前表面，其它則可以放置在控制臺(tái)背后的任何可用空間內(nèi)。

圖2：邁來(lái)芯公司的MLX75030

MLX75030允許使用外部開(kāi)關(guān)來(lái)驅(qū)動(dòng)LED，峰值電流可高達(dá)1A。而MLX75031 LED則擁有內(nèi)置驅(qū)動(dòng)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(nèi)部控制邏輯、可配置的用戶(hù)寄存器和一個(gè)SPI接口可確保簡(jiǎn)單且完全可編程地工作。所有這些IC都集成有一個(gè)16位ADC（模數(shù)轉(zhuǎn)換器），可以生成數(shù)字輸出，測(cè)得的有源光和環(huán)境光水平等數(shù)據(jù)被傳送到系統(tǒng)微控制器并被處理（每個(gè)測(cè)量通道高達(dá)700赫茲的測(cè)量速率可以實(shí)現(xiàn)平滑的界面響應(yīng)時(shí)間）。之后，通過(guò)外部微控制器的軟件算法，系統(tǒng)可以區(qū)分不同的手勢(shì)（例如左/右/上/下掃和圓周運(yùn)動(dòng)）。由于環(huán)境光已經(jīng)被接口IC分解出來(lái)，微控制器的處理資源可以集中用于其他任務(wù)。

基于光學(xué)的接近感測(cè)給汽車(chē)行業(yè)提供了更廣泛應(yīng)用觸摸人機(jī)界面和信息娛樂(lè)控制元件的技術(shù)途徑。這項(xiàng)技術(shù)可以使一些簡(jiǎn)單的手勢(shì)得到區(qū)分，但同時(shí)可確保司機(jī)不分心。因此，司機(jī)可以在駕駛時(shí)經(jīng)常地參與某些任務(wù)，但他們以及同車(chē)乘客的安全問(wèn)題卻絲毫不受影響。展望未來(lái)，一種可能的前景是，一旦用戶(hù)都熟悉了這項(xiàng)技術(shù)，汽車(chē)制造商可能會(huì)在HMI中開(kāi)始采用全光學(xué)的方式，用更高性能的光學(xué)實(shí)施方案替代昂貴的多點(diǎn)觸控觸摸屏技術(shù)。