采用光学技术的先进汽车人机界面

在当今汽车市场中，无论是豪华车、中档车，还是低端汽车，都已经集成有大量的导航、舒适、娱乐和安全系统。驾乘人员需要能够快速、轻松地控制这些系统或快速访问信息，这导致汽车制造商和系统集成商更加关注实施更智能、更直观的人机界面（HMI）。本文将讨论光电技术如何在这些应用中发挥作用。

在车辆中不断增多的控制功能意味着纯粹机械开关组成的仪表盘不再是可行的方案，因为司机/乘客如果需要处理这么多的开关会导致混乱。从制造商的角度来看，这同样也有问题，因为传统的开关除了占用太多的仪表盘空间和破坏整体美感以外，也不能提供了一个简单的升级路径， 使现有的设计难以再增加新的功能。

购车者在看到被推荐的最新车型时，所需要的是对令人兴奋的新特性和功能惊叹叫绝，他们可以通过中央控制台单元使用这些功能，同时也期待这些功能与日常生活中所熟悉的用户体验旗鼓相当。

与许多其他行业一样，在汽车中使用触摸屏技术变得越来越流行。据预测，到2019年，全球每年汽车触摸屏的销售量将达到3,570万台。然而，尽管这种技术能够提供高度直观的人机界面，但是针对汽车舱内设置的特定任务他们在多大程度上适合，以及是否需要用附加的探测系统来加以补充等还有一些疑问。基于触摸控制系统的安全问题也经常被提出，其结果是，在实施汽车HMI的特定单元时，有好多替代方法可以考虑。

美国国家公路交通安全管理局（NHTSA）已经针对司机分心的问题进行了大量研究，并定义了两个影响司机分心的基本组成部分。

1. 按照驾驶员的视觉、认知、手动资源，执行该任务所需的关注量。
2. 司机驾驶时，如何要完成执行此任务。

汽车制造商联盟（The Alliance of Automobile Manufacturers）已经设定了指导性的意见，指出“视觉显示屏的系统设计应该使驾驶者可以按顺序匆匆一看即可完成所需的任务，此过程要足够简短以不足以对驾驶产生不利影响。”虽然基于触摸的方法非常适合于平板电脑等便携式消费电子设备，但汽车环境下，某些情况通过操作触摸显示器实现某个任务所需的注意力水平可能太高。考虑到这一点，领先的汽车品牌都热衷于提升触摸控制系统，使驾驶员产生分心的任何风险都可以避免。

采用语音识别来完成任务是一种选项，但是它也有其缺点。虽然语音识别系统在最近几年已经大幅度改善，但错误仍然不可避免，这可能导致用户信心受挫。错误发生的频繁程度与背景噪声水平有非常密切的关系。显然，车辆内部将有一个相当高的背景噪声存在。除此之外，不同地区的口音以及讲话方式的改变也将会产生影响。

光学技术可以非常有效地用于补充基于触摸技术的人机界面，也给工程师提供一种技术途径来实现完全非触摸的传感机制。此技术的应用包括，但不限于：

• 接近检测
• 简单的手势识别，像例如左/右轻扫
• 司机/乘客的区别对待，如一些信息娱乐选项被视为对司机太分心，仅仅允许乘客访问这些。

然而，在创建这种系统时还有一些需要解决的问题。一种基于光学的HMI解决方案需要具有以下属性：

1. 能够应付背景光水平在很大范围变化的能力。
2. 抵御电磁干扰（EMI）的强大适应能力。
3. 支持多种OEM配置。
4. 低材料清单成本。
5. 占用最小的电路板空间。
6. 能够应对苛刻机电一体化集成的能力。

为响应客户对于可行的基于光学技术的汽车HMI的需求，同时也要避免其他竞争方案中固有的不足，迈来芯公司的工程团队已经开发出了一系列高可靠性的传感器接口IC。MLX75030和MLX75031即是基于CMOS工艺技术的接近和手势检测IC，它们集成有专有的环境光抑制技术，基本不受静态和动态变化的背景光影响。此外，它们已被证明电磁兼容，加上占位面积很小，非常适合于空间受限的用户界面设计。

图1：采用一个MLX7503x器件的汽车HMI基本结构图

MLX7503x系列传感器IC能够轻松实现多通道、近距离光学感测系统。每个IC有两个独立的、同时工作的光测量通道。这些可用于对一个目标（例如用户的手）进行有源光反射检测，其内置的环境光抑制机制使这些通道不受光干扰的影响。

图1显示了一个基于MLX7503x的HMI基本结构。发光二极管发出一个短脉冲串，被用户的手所反射的光再由光电二极管检测到，同时背景光被硬件去除，而从光电二极管产生的电流被转换成一个16位的数字信号。这里机电一体化集成问题可以不去考虑，因为所需要的电子产品不需要控制台设计 ，只有LED和光电二极管需要部署在控制台前表面，其它则可以放置在控制台背后的任何可用空间内。

图2：迈来芯公司的MLX75030

MLX75030允许使用外部开关来驱动LED，峰值电流可高达1A。而MLX75031 LED则拥有内置驱动器，以尽量减少所需的额外元器件，从而降低材料清单成本。内部控制逻辑、可配置的用户寄存器和一个SPI接口可确保简单且完全可编程地工作。所有这些IC都集成有一个16位ADC（模数转换器），可以生成数字输出，测得的有源光和环境光水平等数据被传送到系统微控制器并被处理（每个测量通道高达700赫兹的测量速率可以实现平滑的界面响应时间）。之后，通过外部微控制器的软件算法，系统可以区分不同的手势（例如左/右/上/下扫和圆周运动）。由于环境光已经被接口IC分解出来，微控制器的处理资源可以集中用于其他任务。

基于光学的接近感测给汽车行业提供了更广泛应用触摸人机界面和信息娱乐控制元件的技术途径。这项技术可以使一些简单的手势得到区分，但同时可确保司机不分心。因此，司机可以在驾驶时经常地参与某些任务，但他们以及同车乘客的安全问题却丝毫不受影响。展望未来，一种可能的前景是，一旦用户都熟悉了这项技术，汽车制造商可能会在HMI中开始采用全光学的方式，用更高性能的光学实施方案替代昂贵的多点触控触摸屏技术。