觸控頂燈的設(shè)計(jì)與應(yīng)用

謝延青，張艷群，余小輝

（上汽大眾汽車有限公司，上海 201805）

隨著科技進(jìn)步的不斷加速，人們對(duì)汽車舒適度和個(gè)性化的需求也日益增長(zhǎng)。氛圍燈可以讓我們?cè)陂L(zhǎng)途或晚上開(kāi)車的時(shí)候使環(huán)境更加放松，有效舒緩駕駛員的心情，釋放疲憊，對(duì)安全駕駛有一定的作用，同時(shí)可以提升車輛的檔次。車內(nèi)閱讀燈一般是作為功能用光，用戶對(duì)其設(shè)計(jì)及光照的要求較高，在滿足車規(guī)級(jí)的要求下，既要保證用光要求，也需要保證良好的舒適性和安全性，不能干擾到駕駛員的駕駛。

目前市面上將車內(nèi)頂燈和氛圍燈結(jié)合的產(chǎn)品極少，一般都是添加一個(gè)背光功能，起到一個(gè)指示作用，還未見(jiàn)帶有RGB氛圍燈功能的頂燈。這些都表明頂燈的設(shè)計(jì)仍局限在傳統(tǒng)的閱讀燈框架中，功能限定在基本照明這一塊。因此，頂燈本身具有極大的功能擴(kuò)展?jié)摿?，存在著將氛圍燈功能整合入頂燈中的可能性，甚至在此基礎(chǔ)上延伸出與汽車其他部分的聯(lián)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)部分功能的集成設(shè)計(jì)。從這個(gè)角度出發(fā)，當(dāng)前絕大多數(shù)頂燈采用的全按鍵或按鍵結(jié)合觸控的控制方式難以完全適應(yīng)氛圍燈智能化和功能擴(kuò)展便利性的要求，因此有必要對(duì)頂燈結(jié)構(gòu)進(jìn)行全新的設(shè)計(jì)。

1 頂燈應(yīng)用現(xiàn)狀

當(dāng)前大多數(shù)的頂燈采用按鍵操作的方式，目前市面上最常見(jiàn)的也都是采用按鍵式的頂燈。這種傳統(tǒng)的結(jié)構(gòu)在長(zhǎng)時(shí)間的使用后會(huì)造成一定的機(jī)械損傷，影響其使用壽命。同時(shí)，機(jī)械按鈕會(huì)占據(jù)一部分空間，因此在造型設(shè)計(jì)也有一定的局限。

在按鍵的基礎(chǔ)上，市面上也有采用點(diǎn)觸控制方式進(jìn)行操作的頂燈產(chǎn)品，不過(guò)還很少見(jiàn)。該種頂燈可以通過(guò)觸摸點(diǎn)擊實(shí)現(xiàn)頂燈開(kāi)閉，取代了傳統(tǒng)的機(jī)械按鍵，且長(zhǎng)按可以實(shí)現(xiàn)閱讀燈亮度的調(diào)整，方便用戶根據(jù)個(gè)體差異和喜好調(diào)整照明效果。但燈光顏色不可選，缺乏對(duì)燈光布置、顏色和發(fā)光模式3方面的深入挖掘。因此，本文提出了一種全新的頂燈設(shè)計(jì)。

2 創(chuàng)新頂燈方案介紹

2.1 頂燈控制方案及功能設(shè)想

該款頂燈主要是通過(guò)頂燈上的一塊觸摸屏進(jìn)行操控，同時(shí)提供了Wifi和藍(lán)牙接口，可以通過(guò)手機(jī)APP直接操控，實(shí)現(xiàn)無(wú)線控制。其左右各布置有一顆白光LED用作閱讀燈功能，上下各布置6顆RGB LED用作氛圍燈功能，實(shí)現(xiàn)不同的氛圍燈模式。同時(shí)頂燈上整合了汽車上的其他控制模塊，如天窗、卷簾等，實(shí)現(xiàn)集成控制，極大地有利于客戶的便捷性。主要的控制原理是：觸摸屏通過(guò)串口微機(jī)控制單元MCU通信，MCU整合了各模塊，通過(guò)LIN總線協(xié)議控制閱讀燈的亮度調(diào)節(jié)及氛圍燈的顏色和亮度調(diào)節(jié)。圖1展示了該燈設(shè)計(jì)的系統(tǒng)設(shè)計(jì)框架，總共分為了4大功能模塊，分別是通過(guò)MCU的觸摸芯片實(shí)現(xiàn)該燈的觸摸控制；通過(guò)顯示芯片實(shí)現(xiàn)HMI界面的顯示和頂燈的界面控制；Wifi和藍(lán)牙功能集成在一塊PCB上，通過(guò)這個(gè)模塊可以實(shí)現(xiàn)和APP的通信連接及無(wú)線控制；LIN通信的模塊主要是用來(lái)控制閱讀燈的亮度，閱讀燈功能預(yù)留了色溫控制的引腳，后續(xù)還可以擴(kuò)展其功能。同時(shí)LIN通信的模塊可以用來(lái)控制氛圍燈的顏色、亮度，每顆LED都可以實(shí)現(xiàn)單獨(dú)控制和調(diào)節(jié)。

圖1 頂燈控制系統(tǒng)框架

頂燈控制方案見(jiàn)圖2，該款燈與市面上的其他產(chǎn)品相比，為用戶提供了更加通用的操作性，使得汽車內(nèi)的駕駛員和不同位置的乘客都能夠?qū)敓暨M(jìn)行控制和個(gè)性化設(shè)置。從開(kāi)發(fā)者的角度考慮，該種方案能夠有效地提升產(chǎn)品的自主力度、定制程度和生態(tài)擴(kuò)展性，為未來(lái)更多的智能化方案和打造自身品牌特色提供基礎(chǔ)。

圖2 頂燈控制方案

在擬定的控制方案的基礎(chǔ)上，針對(duì)新型頂燈功能展開(kāi)詳細(xì)的功能設(shè)想，作為汽車頂燈應(yīng)保留傳統(tǒng)閱讀燈的基本功能，并以氛圍燈功能的整合作為基礎(chǔ)。其中，傳統(tǒng)的閱讀燈功能和模式包括：①基礎(chǔ)照明；②門控模式；③亮度調(diào)節(jié)；④氛圍燈功能包括燈光的多種顏色設(shè)置和發(fā)光模式選取，目前設(shè)置了4種氛圍燈模式，分別是：朦朧漸變 （按照預(yù)先設(shè)定的顏色整體呈現(xiàn)呼吸效果）、間斷閃爍 （上下每?jī)蓚€(gè)燈一組，設(shè)定一個(gè)組地址，總共氛圍3組，依次控制其從左至右閃爍不一樣的顏色和亮度）、漣漪變幻 （順時(shí)針呈現(xiàn)不同顏色的流水效果）、節(jié)奏律動(dòng) （整體呈現(xiàn)不同的閃爍效果）。此外，頂燈可以結(jié)合汽車其他部分開(kāi)發(fā)相應(yīng)功能，如控制天窗的開(kāi)閉、卷簾的開(kāi)閉，還可以進(jìn)行一些其他設(shè)置，如語(yǔ)言切換 （目前設(shè)計(jì)了中文、英文、德文3種語(yǔ)言模式）。

2.2 頂燈結(jié)構(gòu)及界面設(shè)計(jì)

為了適應(yīng)上述頂燈功能擴(kuò)展和智能化需求，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)工作除去各種結(jié)構(gòu)件的設(shè)計(jì)，還應(yīng)包括照明模塊中的發(fā)光面設(shè)計(jì)、導(dǎo)光結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、LED模組和閱讀燈的布置設(shè)計(jì)，其中發(fā)光面和導(dǎo)光結(jié)構(gòu)作為基礎(chǔ)功能相關(guān)的部分，需要有一定的光學(xué)仿真分析作為根據(jù)和驗(yàn)證。此外，還應(yīng)考慮操作模塊中可能的觸摸屏等部件的安裝布置、通信模塊中LIN總線的走線布置以及通信相關(guān)的PCB布置。同時(shí)需要考慮其散熱要求，分析頂燈的主要發(fā)熱元器件，進(jìn)行熱學(xué)模擬分析，添加相關(guān)的散熱片以滿足要求。結(jié)構(gòu)模型效果見(jiàn)圖3。

圖3 結(jié)構(gòu)模型效果圖

設(shè)計(jì)中主要包括了如下幾個(gè)模塊：①燈蓋殼的外圍，充當(dāng)整個(gè)燈蓋面的外圍，需與頂棚結(jié)構(gòu)進(jìn)行匹配；②發(fā)光面透明件；③燈蓋殼的內(nèi)圈，用于安裝固定觸摸屏并塞入棉塞；④觸摸屏，控制頂燈，進(jìn)行人機(jī)交互；⑤泡沫棉塞，起防塵和防止漏光的作用，共4塊；⑥集光板，用于安裝閱讀燈LED，同時(shí)起防止漏光的作用；⑦閱讀燈透鏡 （透明件），作用是將閱讀燈LED打出的強(qiáng)光進(jìn)行柔和處理并導(dǎo)入集光板和發(fā)光面之間；⑧閱讀燈LED PCB板；⑨閱讀燈LED散熱器，控制LED節(jié)點(diǎn)溫度不至于過(guò)熱；⑩氛圍燈LED PCB板，在結(jié)構(gòu)兩端各布置6塊，總共12塊；11○上下光導(dǎo)，將一側(cè)6顆LED發(fā)出的光線導(dǎo)到集光板和發(fā)光面之間；12○骨架，完成大多數(shù)其余組件的安裝定位，將頂燈各部分整合為一體，并用于把整個(gè)頂燈安裝到車頂上；13○主MCU PCB板；14○后蓋，起保護(hù)作用。

觸摸屏的界面設(shè)計(jì)采用簡(jiǎn)約風(fēng)格，如圖4所示，主界面分為閱讀燈、氛圍燈和其他3大類。其中閱讀燈界面點(diǎn)擊去展示前燈的控制界面，可以一起控制兩只燈，也可以左右燈單獨(dú)控制，同時(shí)還能前后切換，燈亮?xí)吡溜@示，長(zhǎng)時(shí)間觸摸會(huì)出現(xiàn)調(diào)節(jié)閱讀燈亮度的bar；氛圍燈目前設(shè)計(jì)了4種模式，每種模式可以單獨(dú)設(shè)置R、G、B、亮度，且界面可以展示動(dòng)畫狀態(tài)；其他界面目前設(shè)計(jì)了4種控制，分別是天窗、卷簾、語(yǔ)言切換和門控控制。

3 加工與實(shí)物

新型頂燈中不透明組件采用ABS塑料作為材料，透明件采用透明PC塑料作為材料。ABS塑料是一種由丙烯氰、丁二烯和苯乙烯共聚而成的新型高分子聚合物材料，兼具3種單體的良好性能［1］。這意味著ABS塑料具有良好的加工性、韌性、彈性、化學(xué)穩(wěn)定性和表面硬度［2］，能夠耐沖擊、耐熱、耐低溫，目前，ABS因其優(yōu)異的綜合性能已廣泛運(yùn)用于汽車工業(yè)、電子電器、紡織、輕功和建筑等領(lǐng)域。

透明PC塑料，即聚碳酸酯，是分子鏈中含有碳酸酯基的高分子聚合物，作為一種熱塑性工程塑料，PC塑料具有良好的抗沖擊能力、尺寸穩(wěn)定性、介電性能和透明性，并且耐熱、無(wú)毒。在透光率方面，PC塑料可以高達(dá)88%~92%，折射率在1.58左右，非常適合制作透明光學(xué)件。樣件通過(guò)精度較高的CNC數(shù)控機(jī)床加工得到。頂燈實(shí)物如圖5所示。

圖4 觸摸屏界面設(shè)計(jì)

圖5 頂燈實(shí)物

4 結(jié)語(yǔ)

本文采用全觸摸式操作方案設(shè)計(jì)的頂燈，放棄傳統(tǒng)按鍵布局，是一種全新的嘗試；結(jié)構(gòu)造型新穎，將閱讀燈功能和氛圍燈功能集成起來(lái)，設(shè)計(jì)相關(guān)光學(xué)件，樣件的光照均勻，可以調(diào)節(jié)氛圍燈的顏色和亮度。從頂燈集成氛圍燈功能擴(kuò)展的角度出發(fā)，后續(xù)豐富空間大，有利于未來(lái)更多功能的開(kāi)發(fā)，為車企的創(chuàng)新提供了一定的參考意義。