電場感知技術(shù)應用

2004年7月A版

　　拉斯維加斯的演出節(jié)目和客車的安全系統(tǒng)會有什么相關(guān)之處呢？如果看了“Penn & Teller”的魔術(shù)表演，你就會產(chǎn)生一些靈感了。Elesys公司的Phil Rittmueller就是這樣--Elesys公司以前曾是NEC的一部分，Phil的主意可以用于汽車安全氣囊的觸發(fā)控制，以避免對幼齡乘客可能造成的嚴重傷害甚至死亡。

　　想象一下，當“Penn & Teller”的Penn Gillette 坐在“心靈座椅“之中—那是一把綜合了光學和電子學的舊式木椅—指揮著一個管弦樂隊。Penn僅僅通過身體的動作，就能分別讓各式各樣的樂器表演起來。他的動作是非?？鋸埖?，超過了真正樂隊的指揮。當他跺腳的時候，鼓就會被敲響；當他在“心靈座椅”的燈柱上方搖手、或是前后擺手時，音量會相應增大或減??；抬起手會奏出一個高音，而向下?lián)]手則會產(chǎn)生低音。而這些動作的反應時間是令人難以置信的。當Penn甩開手，或是做一個很快的動作，音樂幾乎在轉(zhuǎn)瞬間跟著發(fā)生變化。而這，正是Phil在尋求的一種可以辨別座椅上的人的大小和位置的傳感技術(shù)。

　　今天，這項技術(shù)為Elesys公司的SeatSentry系統(tǒng)提供了一個價格適宜的智能傳感器。這種系統(tǒng)應用在本田公司的一些車型上，它可以感知是否有乘客、乘客的體形大小、以及乘客相對于氣囊的位置，從而更安全地控制安全氣囊。

“魔術(shù)”的背后

　　“心靈座椅”的技術(shù)背景是“對電場擾動的檢測”，這項技術(shù)最初是由MIT Media Laboratory - Physics and Media Group 的Neil Gershenfeld于九十年代初期開發(fā)出來的。而通過MIT、Elesys公司和Motorola的工程師們的協(xié)作，進一步推出了電場成像IC這項技術(shù)也隨之由實驗室走向了生產(chǎn)。

　　“心靈座椅”實際上是一個讓操作者進行三維的、復合x、y平面輸入的計算機接口?！靶撵`座椅”的一個x、y平面模式，為各種打擊樂聲響將整個感知平面劃分為了400個區(qū)域。這個數(shù)目已經(jīng)超過了計算機鍵盤的輸入數(shù)。而這個接口的實現(xiàn)，是通過一系列電路將傳感器送入的模擬信號數(shù)字化，并且提供MIDI、RS-232、RS-485等格式的數(shù)字信號輸出。場感知器的輸出放大需要高增益、低噪聲的同步電流放大器。最終的電路方案被昵稱為“魚”—因為它運用了與某些魚類相似的三維感知技術(shù)，超越鼠標的二維輸入能力。

　　“心靈座椅”的“魚卡(Fish Card)”和其它功能單元如圖2所示。這套系統(tǒng)通過對于發(fā)射狀態(tài)下的電場的感知，測量座椅上的人手、腳的位置和動作。一個70kHz的發(fā)射天線被隱藏于座椅的襯墊中，當有人坐在上面的時候，人體則延伸了天線的范圍。而4支傳感器接收天線則被裝飾在椅子的前端，用來接收人體的運動。這些輸入信號與腳部動作的拾取結(jié)合起來，從而提供了事件的觸發(fā)信號。而距離表演者三英尺遠處，在經(jīng)過解調(diào)的感知接收信號和8位AD轉(zhuǎn)換器之間使用了一個對數(shù)放大器，令信號更加符合線性，便于進行表演者姿態(tài)的解析。

　　使用“心靈座椅”進行表演之前，需要做一些標定，以進行系統(tǒng)和表演者之間的校準。手的位置被映射為一個3x3的柵格，并通過最小二乘的線性擬合，對靜電環(huán)境的變化進行補償，包括電子儀器的漂移。表演者以座椅的燈為參照物，把握自己動作的范圍，以及進入、離開柵格平面的時機。

安全氣囊應用方案: 誰在座椅之中?

　　截止上個世紀末，僅僅在北美就有超過9500萬輛小客車和輕型貨車為駕駛員配備了安全氣囊。公路安全保險機構(gòu)的報告稱：安全氣囊在超過330萬起撞車事故中被觸發(fā)。而依據(jù)美國國家公路交通安全部(NHTSA)的資料，僅在1986年至2000年3月之間，安全氣囊已挽救了超過5300人的生命。盡管如此，由于沒有特別考慮乘客身形的大小，原本用來保護正常體形成年人的安全氣囊，反而可能給身形較小的乘客--特別是兒童，帶來嚴重的、甚至是致命的傷害。最直接的解決方法之一，就是當兒童坐在座椅之中時關(guān)閉安全氣囊系統(tǒng)。而另一個值得推薦的辦法，則是讓兒童坐在后排的座椅上。但是這些人工的解決辦法，并不會比告訴司機“安全帶可以救命，所以應該扣好安全帶”更有效多少。

　　為了保護所有類型的乘客，需要一種所謂“智能的安全氣囊”。智能的安全氣囊應該能夠區(qū)別兒童和成年人，并且能在適當?shù)臅r候展開。為了進行乘客感知和探測，已經(jīng)提出了數(shù)種構(gòu)想--諸如使用重量傳感器、超聲波距離感知技術(shù)、光學感知技術(shù)等。這些最初的構(gòu)想所存在的問題是：在一些情形下，系統(tǒng)會出現(xiàn)誤判。例如，車禍發(fā)生的時候，一袋食品就可能有足夠的重量讓安全氣囊毫無必要地啟動。而更換安全氣囊是非常昂貴的，所以像這樣不必要的安全氣囊展開會引起消費者的不滿。再舉一個例子，如果乘客拿著一份報紙在看，會讓基于超聲波技術(shù)或是光學技術(shù)的系統(tǒng)誤以為他距離安全氣囊很近--而實際上并非如此。重量感知技術(shù)很難在車輛(以及乘客自身)在運動的時候使用，而且當乘客把腳放在不同的位置、用不同的力量蹬地時，它也會受到影響。盡管如此，美國聯(lián)邦機動車安全標準(FMVSS)208仍然草擬了推動更先進安全氣囊的發(fā)展規(guī)劃。從2003年9月開始到2004年7月1日，所有的汽車制造商必須保證他們售出的新車中，至少20%是通過了該項法規(guī)測試的新車型。而到2006年7月31日，則要達到100%。

　　電場感知技術(shù)似乎可以解決其它感知技術(shù)存在的所有缺陷。不過，以汽車電子的標準來說，在“魚卡”上所用到的電路太昂貴、面積也太大了。要將它變得實用而且價格適宜，就需要把電場技術(shù)相關(guān)的電路嵌入到一片集成電路之中。

電場集成電路
　　
　　在Motorola、Elesys和MIT的工程師們的協(xié)作下，試圖完成某種意義上的另一個“魔術(shù)”—僅僅一片集成電路，可以讓你十分簡單地設計出一個電場感知系統(tǒng)。最終，Motorola MC33794模擬集成電路誕生了，它可用于借助電場進行物體檢測。

　　這片集成電路進行電場感知的基本電路其實是相當簡單的。如圖3所示，一個低壓的大約120kHz的正弦信號被送到了發(fā)射電極上。而電極則是大電容的一部分。

　　 C = εA/d，

　　其中ε是介電常數(shù)，

　　A 是極板的面積，

　　而d則是極板的間距。

　　由于電容與面積是成正比的，面積翻倍則電容也翻倍，而若邊長尺寸翻倍則電容相應變?yōu)樵瓉淼?倍。同時，電容與間距成反比，所以如果間距翻倍，則電容將減半。通常情況下，其阻抗為13K至130K歐姆(10pF至100pF)。理想狀態(tài)下，電阻值應該小于1300歐姆(10%)，因為電阻值太高會降低對電容量變化的靈敏度。

　　接收電極是系統(tǒng)中的探測器。它輸出的信號首先將經(jīng)過一次低通濾波，信號隨著電容量的增加而減弱。

　　幾乎所有的物體都在一定程度上導電——或者說是有著各自的介電常數(shù)，所以它能對周圍的電場環(huán)境帶來影響，而這種影響可以被感知。集成電路所檢測到的信號取決于集成電路中從電極到回路(信號地)之間的電流大小。而電流則是電導率沿著電場路徑的積分。幾乎任何導體都可以作為一個電場傳感器，此時將其視為電容的一個極板。使用多個電極，則可以產(chǎn)生具有一定形狀的電場——簡單地說，一個適宜于被測物體的形狀和位置的電場。

　　圖4以框圖的形式展現(xiàn)了此芯片的全部功能。這片集成電路產(chǎn)生一個低頻的正弦電磁波，120kHz、峰－峰值為5.0V。正弦波的波形諧波頻率非常低，降低了高頻干擾的可能性。在ABCD輸入引腳和邏輯單元的控制下，一個內(nèi)置的多路復用器(MUX OUT)將選定信號送至11個引腳(9個電極引腳和2個參考引腳)中的某一個上。同時，一個接收的多路復用器(MUX IN)也與被選中的電極相連接，并且將信號送到一個探測器上，它將正弦信號轉(zhuǎn)換為直流電平。而直流電平再經(jīng)過一個外接電容(LP Cap)的濾波，隨后做增益和補償，從而提高靈敏度。設備中所有未被選中的電極輸出都被下拉接地。

　　在被選中的電極和其它接地的電極中的電流，再加上電極附近其它接地的物體，會在內(nèi)部電阻上產(chǎn)生電壓降。而物體進入、離開電場將會改變電流的大小，從而影響集成電路內(nèi)的電壓，進一步影響到電容(LP Cap)上的電壓以及電平引腳(Level)。

　　當使用同軸電纜連接遠處的電極時，集成電路內(nèi)置的屏蔽驅(qū)動器可以將感應電容降到最低。將與被選中電極相等的電壓加到電纜的屏蔽層上，在電纜屏蔽層和纜芯導體之間就不會有電壓差，所以也就不會有電流。這帶來的好處就是，可以降低感應電容，保持對電極電容的靈敏度。這就允許電極被安置于集成電路一定距離以外，而測量起來就像緊接著集成電路的輸出腳一樣。于是，可以使用單片集成電路來支持分布在較大區(qū)域的多個電極。

　　電場集成電路可以直接與微控制器接口。該集成電路中提供了兩個穩(wěn)壓器、一個上電復位/失壓監(jiān)測、看門狗電路、指示燈驅(qū)動器、傳感電路部分，還有一個在汽車領域以及其它一些領域常用的ISO 9141物理層通信接口。

電場感知技術(shù)的其它應用

　　自1991年以來，電場擾動的感知技術(shù)就被用于音樂創(chuàng)作。MIT's Media Lab運用該技術(shù)制作了一件樂器“hypercello”，大提琴演奏家 馬友友 則使用它演奏了Tod Machover的作品《Begin Again Again》。表演者的手、頭、腿的運動將會改變發(fā)射和接收電極之間的電場，而hypercello則通過檢測這種變化從而控制生成一系列的聲音。同樣的技術(shù)也被用來構(gòu)建更加理想的計算機接口，比如FishPad——由MIT設計的一種基于動作的輸入設備，它可用來進行虛擬空間中的定位——在未來或許能成為鼠標的替代品。所謂理想的接口，就是當使用者作動作的時候，無論是徒手動作或是操作著什么，計算機都能持續(xù)地獲知他的狀態(tài)。隨著適于商業(yè)設計集成電路的推出，若干個新的構(gòu)想已經(jīng)逐漸浮現(xiàn)出來。

　　電場感知技術(shù)在手持設備應用中也有潛在的價值，適于檢測用戶是否還把設備握在手中。諸如電吹風或電熨斗之類的電器就是理想的候選方案。只要你松開手一段時間，這些電器就能自動斷電。另一個應用是健身器械，在使用時需要握住的手柄中裝上電極—松開手柄就能讓器械停止。

　　另一個可能性是在底部耦合了電場的小電爐，可以感知到平底鍋的存在和尺寸。那么，可以讓電爐僅僅加熱符合平底鍋大小的范圍，而且可以在鍋移走的時候自動關(guān)火、鍋放回的時候繼續(xù)加熱。同樣，也可能檢測到沸騰溢出，并且相應地把火量關(guān)小。

　　感知技術(shù)還可用于煤氣灶，它可以檢測出煤氣的泄漏，及時關(guān)火或者是切斷煤氣，從而避免發(fā)生爆炸。

　　還有一個應用是檢測洗衣機里的水位。如果洗衣桶是非金屬的，則可以在桶外安置金屬的電極；而若是金屬桶，則可以在桶內(nèi)安置內(nèi)藏電極的探測棒。

　　在自動咖啡機中，則可以有三種功能。咖啡機可以用電場感知倒入了多少水，并且調(diào)整添加量，總能保持咖啡有相同的濃度。而在加熱器中有電極的咖啡機，可以感知到壺中的液體，當壺移開時就停止加熱。同樣，也可以感知水是否已經(jīng)沸騰，及時停止加熱。這些傳感器或許不能放置在同一個位置，所以可能需要設置多個傳感器。

　　如果在一個水泵的PVC管上安置電極，就可以知道是否已經(jīng)抽干，從而避免損壞水泵。而考慮到干水泵需先添加水，也可以設置一個添水按鈕或是定時開關(guān)。

　　全地形車(ATV)以及摩托艇可以在操縱桿和座位中安置電極，當松開操縱桿或人的身體跌離座椅時，自動關(guān)閉發(fā)動機。另外，不僅能夠?qū)喿?、腳踏板，而且能夠?qū)θ俗陨淼膭幼髯龀鲰憫哪ν熊嚒彩且环N吸引消費者的新概念。

　　除了這些想法以外，還有一些電場感知技術(shù)的汽車應用方案被提出來。

　　由電場感知技術(shù)驅(qū)動的座椅，可以確定乘客的體形和位置，然后僅需按一個按鈕就可以自動調(diào)整到適合安全氣囊的最佳位置。

　　在方向盤的邊緣裝置電極，可以察覺方向盤被松開，及時啟動警報喚醒睡著了的駕駛員。如果駕駛員沒有做出適當?shù)姆从?，例如已?jīng)喪失駕駛能力，車控系統(tǒng)則會逐漸把車停下來。

　　座椅電極可以在車內(nèi)無人而車開始移動的時候進行決策，通過ABS系統(tǒng)將車剎住。這樣，可以在駕駛員離開汽車而又忘記拉手閘或是掛停車檔時，防止車滑動發(fā)生意外。

　　以上僅是關(guān)于電場感知技術(shù)的一些構(gòu)想，你也可以運用它創(chuàng)造更多的新產(chǎn)品——就像變魔術(shù)一樣——正如以前其它新的技術(shù)出現(xiàn)時?！?/P>

參考文獻:

1.  Joseph A. Paradiso and Neil Gershenfeld, "Musical Applications of Electric Field Sensing," MIT Website.

2.  MC33794 Data sheet, Motorola Website.