电场感知技术应用

拉斯维加斯的演出节目和客车的安全系统会有什么相关之处呢？如果看了“Penn & Teller”的魔术表演，你就会产生一些灵感了。Elesys公司的Phil Rittmueller就是这样--Elesys公司以前曾是NEC的一部分，Phil的主意可以用于汽车安全气囊的触发控制，以避免对幼龄乘客可能造成的严重伤害甚至死亡。

想象一下，当“Penn & Teller”的Penn Gillette 坐在“心灵座椅“之中—那是一把综合了光学和电子学的旧式木椅—指挥着一个管弦乐队。Penn仅仅通过身体的动作，就能分别让各式各样的乐器表演起来。他的动作是非常夸张的，超过了真正乐队的指挥。当他跺脚的时候，鼓就会被敲响；当他在“心灵座椅”的灯柱上方摇手、或是前后摆手时，音量会相应增大或减小；抬起手会奏出一个高音，而向下挥手则会产生低音。而这些动作的反应时间是令人难以置信的。当Penn甩开手，或是做一个很快的动作，音乐几乎在转瞬间跟着发生变化。而这，正是Phil在寻求的一种可以辨别座椅上的人的大小和位置的传感技术。

今天，这项技术为Elesys公司的SeatSentry系统提供了一个价格适宜的智能传感器。这种系统应用在本田公司的一些车型上，它可以感知是否有乘客、乘客的体形大小、以及乘客相对于气囊的位置，从而更安全地控制安全气囊。

 

“魔术”的背后

“心灵座椅”的技术背景是“对电场扰动的检测”，这项技术最初是由MIT Media Laboratory - Physics and Media Group 的Neil Gershenfeld于九十年代初期开发出来的。而通过MIT、Elesys公司和Motorola的工程师们的协作，进一步推出了电场成像IC这项技术也随之由实验室走向了生产。

“心灵座椅”实际上是一个让操作者进行三维的、复合x、y平面输入的计算机接口。“心灵座椅”的一个x、y平面模式，为各种打击乐声响将整个感知平面划分为了400个区域。这个数目已经超过了计算机键盘的输入数。而这个接口的实现，是通过一系列电路将传感器送入的模拟信号数字化，并且提供MIDI、RS-232、RS-485等格式的数字信号输出。场感知器的输出放大需要高增益、低噪声的同步电流放大器。最终的电路方案被昵称为“鱼”—因为它运用了与某些鱼类相似的三维感知技术，超越鼠标的二维输入能力。

“心灵座椅”的“鱼卡(Fish Card)”和其它功能单元如图2所示。这套系统通过对于发射状态下的电场的感知，测量座椅上的人手、脚的位置和动作。一个70kHz的发射天线被隐藏于座椅的衬垫中，当有人坐在上面的时候，人体则延伸了天线的范围。而4支传感器接收天线则被装饰在椅子的前端，用来接收人体的运动。这些输入信号与脚部动作的拾取结合起来，从而提供了事件的触发信号。而距离表演者三英尺远处，在经过解调的感知接收信号和8位AD转换器之间使用了一个对数放大器，令信号更加符合线性，便于进行表演者姿态的解析。

 

使用“心灵座椅”进行表演之前，需要做一些标定，以进行系统和表演者之间的校准。手的位置被映射为一个3x3的栅格，并通过最小二乘的线性拟合，对静电环境的变化进行补偿，包括电子仪器的漂移。表演者以座椅的灯为参照物，把握自己动作的范围，以及进入、离开栅格平面的时机。

 

安全气囊应用方案: 谁在座椅之中?

截止上个世纪末，仅仅在北美就有超过9500万辆小客车和轻型货车为驾驶员配备了安全气囊。公路安全保险机构的报告称：安全气囊在超过330万起撞车事故中被触发。而依据美国国家公路交通安全部(NHTSA)的资料，仅在1986年至2000年3月之间，安全气囊已挽救了超过5300人的生命。尽管如此，由于没有特别考虑乘客身形的大小，原本用来保护正常体形成年人的安全气囊，反而可能给身形较小的乘客--特别是儿童，带来严重的、甚至是致命的伤害。最直接的解决方法之一，就是当儿童坐在座椅之中时关闭安全气囊系统。而另一个值得推荐的办法，则是让儿童坐在后排的座椅上。但是这些人工的解决办法，并不会比告诉司机“安全带可以救命，所以应该扣好安全带”更有效多少。

为了保护所有类型的乘客，需要一种所谓“智能的安全气囊”。智能的安全气囊应该能够区别儿童和成年人，并且能在适当的时候展开。为了进行乘客感知和探测，已经提出了数种构想--诸如使用重量传感器、超声波距离感知技术、光学感知技术等。这些最初的构想所存在的问题是：在一些情形下，系统会出现误判。例如，车祸发生的时候，一袋食品就可能有足够的重量让安全气囊毫无必要地启动。而更换安全气囊是非常昂贵的，所以像这样不必要的安全气囊展开会引起消费者的不满。再举一个例子，如果乘客拿着一份报纸在看，会让基于超声波技术或是光学技术的系统误以为他距离安全气囊很近--而实际上并非如此。重量感知技术很难在车辆(以及乘客自身)在运动的时候使用，而且当乘客把脚放在不同的位置、用不同的力量蹬地时，它也会受到影响。尽管如此，美国联邦机动车安全标准(FMVSS)208仍然草拟了推动更先进安全气囊的发展规划。从2003年9月开始到2004年7月1日，所有的汽车制造商必须保证他们售出的新车中，至少20%是通过了该项法规测试的新车型。而到2006年7月31日，则要达到100%。

电场感知技术似乎可以解决其它感知技术存在的所有缺陷。不过，以汽车电子的标准来说，在“鱼卡”上所用到的电路太昂贵、面积也太大了。要将它变得实用而且价格适宜，就需要把电场技术相关的电路嵌入到一片集成电路之中。

 

电场集成电路

在Motorola、Elesys和MIT的工程师们的协作下，试图完成某种意义上的另一个“魔术”—仅仅一片集成电路，可以让你十分简单地设计出一个电场感知系统。最终，Motorola MC33794模拟集成电路诞生了，它可用于借助电场进行物体检测。

这片集成电路进行电场感知的基本电路其实是相当简单的。如图3所示，一个低压的大约120kHz的正弦信号被送到了发射电极上。而电极则是大电容的一部分。

 C = εA/d，

其中ε是介电常数，

A 是极板的面积，

而d则是极板的间距。

由于电容与面积是成正比的，面积翻倍则电容也翻倍，而若边长尺寸翻倍则电容相应变为原来的4倍。同时，电容与间距成反比，所以如果间距翻倍，则电容将减半。通常情况下，其阻抗为13K至130K欧姆(10pF至100pF)。理想状态下，电阻值应该小于1300欧姆(10%)，因为电阻值太高会降低对电容量变化的灵敏度。

接收电极是系统中的探测器。它输出的信号首先将经过一次低通滤波，信号随着电容量的增加而减弱。

几乎所有的物体都在一定程度上导电——或者说是有着各自的介电常数，所以它能对周围的电场环境带来影响，而这种影响可以被感知。集成电路所检测到的信号取决于集成电路中从电极到回路(信号地)之间的电流大小。而电流则是电导率沿着电场路径的积分。几乎任何导体都可以作为一个电场传感器，此时将其视为电容的一个极板。使用多个电极，则可以产生具有一定形状的电场——简单地说，一个适宜于被测物体的形状和位置的电场。

图4以框图的形式展现了此芯片的全部功能。这片集成电路产生一个低频的正弦电磁波，120kHz、峰－峰值为5.0V。正弦波的波形谐波频率非常低，降低了高频干扰的可能性。在ABCD输入引脚和逻辑单元的控制下，一个内置的多路复用器(MUX OUT)将选定信号送至11个引脚(9个电极引脚和2个参考引脚)中的某一个上。同时，一个接收的多路复用器(MUX IN)也与被选中的电极相连接，并且将信号送到一个探测器上，它将正弦信号转换为直流电平。而直流电平再经过一个外接电容(LP Cap)的滤波，随后做增益和补偿，从而提高灵敏度。设备中所有未被选中的电极输出都被下拉接地。

图2   “心灵座椅”的系统构成(来自MIT Media Lab)

 

图3  电场感知的简化电路

 

图4 电场传感器芯片的框图

在被选中的电极和其它接地的电极中的电流，再加上电极附近其它接地的物体，会在内部电阻上产生电压降。而物体进入、离开电场将会改变电流的大小，从而影响集成电路内的电压，进一步影响到电容(LP Cap)上的电压以及电平引脚(Level)。

当使用同轴电缆连接远处的电极时，集成电路内置的屏蔽驱动器可以将感应电容降到最低。将与被选中电极相等的电压加到电缆的屏蔽层上，在电缆屏蔽层和缆芯导体之间就不会有电压差，所以也就不会有电流。这带来的好处就是，可以降低感应电容，保持对电极电容的灵敏度。这就允许电极被安置于集成电路一定距离以外，而测量起来就像紧接着集成电路的输出脚一样。于是，可以使用单片集成电路来支持分布在较大区域的多个电极。

电场集成电路可以直接与微控制器接口。该集成电路中提供了两个稳压器、一个上电复位/失压监测、看门狗电路、指示灯驱动器、传感电路部分，还有一个在汽车领域以及其它一些领域常用的ISO 9141物理层通信接口。

 

电场感知技术的其它应用

自1991年以来，电场扰动的感知技术就被用于音乐创作。MIT's Media Lab运用该技术制作了一件乐器“hypercello”，大提琴演奏家 马友友 则使用它演奏了Tod Machover的作品《Begin Again Again》。表演者的手、头、腿的运动将会改变发射和接收电极之间的电场，而hypercello则通过检测这种变化从而控制生成一系列的声音。同样的技术也被用来构建更加理想的计算机接口，比如FishPad——由MIT设计的一种基于动作的输入设备，它可用来进行虚拟空间中的定位——在未来或许能成为鼠标的替代品。所谓理想的接口，就是当使用者作动作的时候，无论是徒手动作或是操作着什么，计算机都能持续地获知他的状态。随着适于商业设计集成电路的推出，若干个新的构想已经逐渐浮现出来。

电场感知技术在手持设备应用中也有潜在的价值，适于检测用户是否还把设备握在手中。诸如电吹风或电熨斗之类的电器就是理想的候选方案。只要你松开手一段时间，这些电器就能自动断电。另一个应用是健身器械，在使用时需要握住的手柄中装上电极—松开手柄就能让器械停止。

另一个可能性是在底部耦合了电场的小电炉，可以感知到平底锅的存在和尺寸。那么，可以让电炉仅仅加热符合平底锅大小的范围，而且可以在锅移走的时候自动关火、锅放回的时候继续加热。同样，也可能检测到沸腾溢出，并且相应地把火量关小。

感知技术还可用于煤气灶，它可以检测出煤气的泄漏，及时关火或者是切断煤气，从而避免发生爆炸。

还有一个应用是检测洗衣机里的水位。如果洗衣桶是非金属的，则可以在桶外安置金属的电极；而若是金属桶，则可以在桶内安置内藏电极的探测棒。

在自动咖啡机中，则可以有三种功能。咖啡机可以用电场感知倒入了多少水，并且调整添加量，总能保持咖啡有相同的浓度。而在加热器中有电极的咖啡机，可以感知到壶中的液体，当壶移开时就停止加热。同样，也可以感知水是否已经沸腾，及时停止加热。这些传感器或许不能放置在同一个位置，所以可能需要设置多个传感器。

如果在一个水泵的PVC管上安置电极，就可以知道是否已经抽干，从而避免损坏水泵。而考虑到干水泵需先添加水，也可以设置一个添水按钮或是定时开关。

全地形车(ATV)以及摩托艇可以在操纵杆和座位中安置电极，当松开操纵杆或人的身体跌离座椅时，自动关闭发动机。另外，不仅能够对轮子、脚踏板，而且能够对人自身的动作做出响应的摩托车——也是一种吸引消费者的新概念。

除了这些想法以外，还有一些电场感知技术的汽车应用方案被提出来。

由电场感知技术驱动的座椅，可以确定乘客的体形和位置，然后仅需按一个按钮就可以自动调整到适合安全气囊的最佳位置。

在方向盘的边缘装置电极，可以察觉方向盘被松开，及时启动警报唤醒睡着了的驾驶员。如果驾驶员没有做出适当的反映，例如已经丧失驾驶能力，车控系统则会逐渐把车停下来。

座椅电极可以在车内无人而车开始移动的时候进行决策，通过ABS系统将车刹住。这样，可以在驾驶员离开汽车而又忘记拉手闸或是挂停车档时，防止车滑动发生意外。

以上仅是关于电场感知技术的一些构想，你也可以运用它创造更多的新产品——就像变魔术一样——正如以前其它新的技术出现时。