一種基于PSoC的汽車(chē)中控臺面板設計

本文介紹了將Cypress公司的PSoC(可編程片上系統)CY8C 21534系列芯片運用于汽車(chē)中控臺面板的開(kāi)發(fā)過(guò)程。面板的工作原理以及其創(chuàng )新性外型設計，重點(diǎn)介紹了電容感應技術(shù)的原理及其在面板控制方面應用的優(yōu)勢，另外分析了此款中控臺面板的市場(chǎng)前景和商業(yè)價(jià)值。

背景簡(jiǎn)介

汽車(chē)電子技術(shù)發(fā)展到今天，車(chē)上電子器件越來(lái)越多，通過(guò)車(chē)載電腦控制和協(xié)調這些電器件已經(jīng)成為一種必要。然而，車(chē)輛越高檔，電子設備就會(huì )越多，車(chē)載電腦的操作系統也就會(huì )越復雜。如果每一功能都與按鍵相對應，可以想象汽車(chē)中控臺將會(huì )是多么令人眼花繚亂。在這種情況下，如何令操作界面既簡(jiǎn)單又實(shí)用就成為一個(gè)不得不考慮的問(wèn)題。參考iPod 的操作界面，我們開(kāi)發(fā)了一款基于電容感應技術(shù)的汽車(chē)中控臺面板，使按鍵大為減少，外形簡(jiǎn)潔美觀(guān)，操作具有趣味性。

本汽車(chē)中控臺面板具有如下功能：

1.記錄駕駛數據：在主頁(yè)上的駕駛數據包括駕駛時(shí)間，里程，燃油使用量，平均燃油使用量，平均速度。這些數據每駕駛一次記錄一次，用戶(hù)也可以翻看以前的記錄。

2 .時(shí)間和日期的顯示：這部分功能集成在屏幕的右邊。在任何界面下都顯示。

3.溫度顯示：同時(shí)顯示室內外溫度。

4.多媒體播放器：本系統界面上支持MP3播放，CD播放和收音機模式。這部分功能大量運用了Cypress電容感應技術(shù)，使娛樂(lè )更具趣味性。

5.空調控制：這部分包括普通控制功能，如溫度控制、風(fēng)力控制等。

系統總體設計

系統結構與界面設計

本系統采用Cypress公司提供的21534系列芯片，其特色是集成了電容感應模塊CSR，在使用中可以直接配置，為與電容感應有關(guān)的設計提供了很大的便利。此芯片擁有四個(gè)數字模塊位置和四個(gè)模擬模塊位置，雖然有限，但此款芯片的主要設計目的是為了電容感應的控制，所以在此芯片上配置一個(gè)電容感應模塊(占用三個(gè)數字模塊位置和一個(gè)模擬模塊位置)和實(shí)現某些控制所必需的計數器模塊(占用一個(gè)數字模塊位置)是剛好合適的。(如果有必要，還可以采用動(dòng)態(tài)重分配技術(shù)加入其他模塊)。

系統框圖如圖1所示。

圖1 系統框圖

顯示設備采用了四灰度黑白液晶顯示屏，其分辨率為240×128像素，在不設置字符層的情況下最多可以分為四層顯示。在本設計中采用兩層顯示，其中第一層為字符層，可以顯示ROM中自帶的176個(gè)字母、數字、符號等，第二層為圖畫(huà)層，可以對顯示屏上任意一點(diǎn)進(jìn)行控制，以顯示所期望的圖形。第二層與第一層之間設置為與非關(guān)系，以實(shí)現在選擇菜單時(shí)可以出現反色顯示的效果，這也是目前廣泛應用在電腦、手機等液晶屏菜單選擇時(shí)的方式。屏幕的背光采用了定時(shí)控制方式，即每次按下按鍵15秒以后背光燈亮，15秒過(guò)后信息仍顯示但背光燈熄滅，可以既不影響使用又擁有較低的功耗。

顯示信息包括基本信息和功能信息，分別位于屏幕上用豎線(xiàn)分割而成的兩部分?；拘畔〞r(shí)間、日期、室內外溫度等時(shí)刻需要顯示但不需要經(jīng)常變換位置且不需要按鍵來(lái)控制的信息，在屏幕右側占用固定的位置，在視覺(jué)上具有一定的穩定性。而功能信息包括FM、CD、空調等等設備工作時(shí)的信息顯示界面，位于屏幕左側。

受外形設計限制，按鍵的數量非常有限，所以同一按鍵必須在不同界面下配置不同的控制功能，才能對系統進(jìn)行有效的控制。在程序中，每次按鍵都會(huì )對按鍵變量進(jìn)行賦值，而顯示器如何顯示不僅取決于變量按鍵，還要對當前顯示界面進(jìn)行判斷，以實(shí)現按下按鍵以后正確的操作。另外，中央按鍵還增加了長(cháng)按鍵功能，即按住中央按鍵1秒鐘以上將會(huì )實(shí)現不同于單次按下的功能，以擴展了按鍵的功能，相當于增加了按鍵的數量。

電容感應原理與應用

電容感應模塊CSR(Capacitive Sensor Relaxation Oscillator)由電容傳感器陣列、模擬多路器、電容感應弛豫振蕩器和記數器組成。該結構示意圖如圖 2所示。

圖2 電容感應模塊原理圖

電容傳感器通常由覆蓋在PCB板上的銅片與地之間組成的電容構成。銅片上覆蓋一層絕緣物質(zhì)。當導體靠近電容器時(shí)，如圖3，銅片和地之間的電容值就會(huì )隨之而改變。電容感應弛豫振蕩器對不一樣的電容產(chǎn)生不一樣頻率的方波。脈寬調制模塊和計數器對輸出的頻率計算。通過(guò)檢測計數器的數值和與設定閾值進(jìn)行比較，可以間斷電容感應開(kāi)關(guān)的開(kāi)合。

軟件部分集成了補償因環(huán)境變化和傳感器物理特性差異的算法，還可以識別按鍵的標識、滑條的位置和二維觸摸板的位置，使得電容感應開(kāi)關(guān)穩定。

圖3 電容感應原理

電容感應在本設計里做成一個(gè)滑條，手指在上面滑動(dòng)就可以改變特定界面下特定的量，如多媒體下的音量，空調界面下的風(fēng)量等。電容感應滑條的應用與傳統的機械開(kāi)關(guān)旋鈕等相比，具有耐用、美觀(guān)、操作方便等優(yōu)點(diǎn)。駕駛員不用精確對準那個(gè)按鈕去調節，而是大概朝著(zhù)滑條的位置就可進(jìn)行模糊的調節。

依照電容感應原理，本設計PCB滑條的設計如圖4所示。

圖4 電容感應PCB的設計

外形設計

與現在市面上的各款中控臺面板相比，此款中控臺的設計具有很強的視覺(jué)沖擊?；野咨娘@示和控制部分嵌在黑色的假想車(chē)身中，而黑色的按鍵嵌在白色的操作界面中，對比鮮明，富有時(shí)尚感。整個(gè)操作界面上沒(méi)有雜亂的按鍵，圓形的觸摸屏與環(huán)繞四周的按鍵搭配，既顯得勻稱(chēng)又不會(huì )給人單調的感覺(jué)。如圖5所示。

圖5 車(chē)載面板外觀(guān)設計

軟件設計

本設計中的軟件部分占用了8K的FLASH容量，通過(guò)一個(gè)主循環(huán)查詢(xún)按鍵的輸入，再結合當前的界面組合出一種任務(wù)。軟件流程圖：

圖6 軟件系統流程

優(yōu)點(diǎn)與創(chuàng )新

簡(jiǎn)單的操作界面

摒棄了傳統的多按鍵設計方式，操作界面僅由五個(gè)按鍵和一個(gè)電容感應滑條構成，仍然能夠有效控制包括FM收音機、多碟CD播放器、DVD播放器等在內的多媒體系統以及車(chē)載空調、 時(shí)間日期顯示、車(chē)內外溫度顯示和系統設置等多項功能。五個(gè)按鍵在不同條件下可以實(shí)現不同的控制功能，不會(huì )因為按鍵的減少而影響使用。而且按鍵分散，只要大致判斷其方位就能夠進(jìn)行正確操作。相對于同樣實(shí)現上述功能的、滿(mǎn)是按鍵的中控臺，電容感應中控臺在外觀(guān)上有著(zhù)其無(wú)可比擬的優(yōu)勢，簡(jiǎn)潔的操作界面設計不僅在視覺(jué)上給人清新的感覺(jué)，在使用上也可以避免因為按鍵過(guò)多、過(guò)于密集引起的駕駛員的誤操作，或延長(cháng)尋找按鍵的時(shí)間。

時(shí)尚的外觀(guān)

將iPod的設計元素融入到汽車(chē)中控臺系統，是將時(shí)尚與科技結合在一起，這也是設計師一直以來(lái)所追求的方向。創(chuàng )新的設計將一改以往大部分汽車(chē)中控臺多講究實(shí)用的理念，真正將汽車(chē)中控臺做成了一件藝術(shù)品，給人與眾不同的感覺(jué)。

集成度高

僅僅運用一片Cypress 21534系列芯片，利用其自身集成的電容感應模塊，并輔助以少數按鍵即可對車(chē)上多種功能進(jìn)行控制，取代了傳統多按鍵的界面，集成度較高。在本設計中， 21534系列芯片的所有管腳幾乎均被利用，內存使用率也接近100%，充分發(fā)揮了此芯片的作用。此處因條件所限，各項控制均由液晶模擬，在實(shí)際運用中可以采用管腳復用來(lái)同時(shí)驅動(dòng)執行器，實(shí)現了由一塊芯片代替多塊芯片的要求。即使在實(shí)際運用中再分配一塊芯片單獨控制液晶顯示屏，此設計仍具有很高的集成度。

節省開(kāi)發(fā)時(shí)間

利用Cypress21系列芯片所集成的電容感應模塊來(lái)開(kāi)發(fā)感應式汽車(chē)中控臺操作系統，相比起其他單片機，首先在時(shí)間和編程方面有優(yōu)勢，同時(shí)還省時(shí)省力。另外PSoC系統所擁有的模塊化編程方式非常方便，加上可以直接調用的API函數，大大縮短了芯片開(kāi)發(fā)時(shí)間?？梢暬渲孟到y、模塊、引腳的各項參數，其優(yōu)點(diǎn)在于不會(huì )忘記某個(gè)參數的配置，而且無(wú)需記住寄存器名稱(chēng)和各位的具體含義，也節省了查閱手冊的時(shí)間。

電容感應技術(shù)的應用

這是本款中控臺最具特色的設計。電容感應控制相比于傳統按鍵控制有著(zhù)其無(wú)與倫比的優(yōu)勢。首先，滑條的形狀可以任意確定，為圓形的感應區提供了可能，為美觀(guān)的外形設計提供了前提。其次，電容感應部分由電路板上的金屬膜片組成，覆蓋上耐磨的表面覆蓋件，不會(huì )因為壓按的次數過(guò)多而產(chǎn)生磨損或失效，其可靠度大大優(yōu)于普通按鍵。第三，滑條的設計，在選擇菜單和調整一些模擬量(如音量、空調溫度、風(fēng)力大小等)時(shí)可以快速增大或減小，不需要多次重復按鍵，節省了操作時(shí)間。方便快捷的操作真正符合了人們對控制界面的要求。第四，將電容感應技術(shù)引入到汽車(chē)面板，不僅因為按鍵減少降低了汽車(chē)面板開(kāi)模、制造、裝配時(shí)候的復雜程度，也增加了使用的便捷性和趣味性——在厭倦了廣泛運用的按鍵界面以后，滑條的確有趣，因而更具吸引力。駕駛樂(lè )趣其實(shí)不僅是傳統的汽車(chē)性能所提供的，小小的中控臺面板同樣可以讓駕駛過(guò)程愉快有趣。