拉斯維加斯的演出節目和客車的安全系統會有什么相關之處呢？如果看了“Penn & Teller”的魔術表演，你就會產生一些靈感了。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。他的動作是非常夸張的，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小；抬起手會奏出一個高音，而向下揮手則會產生低音。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，音樂幾乎在轉瞬間跟著發生變化。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。

今天，這項技術為Elesys公司的SeatSentry系統提供了一個價格適宜的智能傳感器。這種系統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”的背后

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

“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。“心靈座椅”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個區域。這個數目已經超過了計算機鍵盤的輸入數。而這個接口的實現，是通過一系列電路將傳感器送入的模擬信號數字化，并且提供MIDI、RS-232、RS-485等格式的數字信號輸出。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，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。這套系統通過對于發射狀態下的電場的感知，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合起來，從而提供了事件的觸發信號。而距離表演者三英尺遠處，在經過解調的感知接收信號和8位AD轉換器之間使用了一個對數放大器，令信號更加符合線性，便于進行表演者姿態的解析。

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。公路安全保險機構的報告稱：安全氣囊在超過330萬起撞車事故中被觸發。而依據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閉安全氣囊系統。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別兒童和成年人，并且能在適當的時候展開。為了進行乘客感知和探測，已經提出了數種構想--諸如使用重量傳感器、超聲波距離感知技術、光學感知技術等。這些最初的構想所存在的問題是：在一些情形下，系統會出現誤判。例如，車禍發生的時候，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或是光學技術的系統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展規劃。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%。

電場感知技術似乎可以解決其它感知技術存在的所有缺陷。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，就需要把電場技術相關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的工程師們的協作下，試圖完成某種意義上的另一個“魔術”—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。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，

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為原來的4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。

接收電極是系統中的探測器。它輸出的信號首先將經過一次低通濾波，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，所以它能對周圍的電場環境帶來影響，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以框圖的形式展現了此芯片的全部功能。這片集成電路產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，它將正弦信號轉換為直流電平。而直流電平再經過一個外接電容(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，會在內部電阻上產生電壓降。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，集成電路內置的屏蔽驅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壓器、一個上電復位/失壓監測、看門狗電路、指示燈驅動器、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。

電場感知技術的其它應用

自1991年以來，電場擾動的感知技術就被用于音樂創作。MIT's Media Lab運用該技術制作了一件樂器“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。同樣的技術也被用來構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，計算機都能持續地獲知他的狀態。隨著適于商業設計集成電路的推出，若干個新的構想已經逐漸浮現出來。

電場感知技術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火、鍋放回的時候繼續加熱。同樣，也可能檢測到沸騰溢出，并且相應地把火量關小。

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

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，則可以在桶內安置內藏電極的探測棒。

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。

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，自動關閉發動機。另外，不僅能夠對輪子、腳踏板，而且能夠對人自身的動作做出響應的摩托車——也是一種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的汽車應用方案被提出來。

由電場感知技術驅動的座椅，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的反映，例如已經喪失駕駛能力，車控系統則會逐漸把車停下來。

座椅電極可以在車內無人而車開始移動的時候進行決策，通過ABS系統將車剎住。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，防止車滑動發生意外。

以上僅是關于電場感知技術的一些構想，你也可以運用它創造更多的新產品——就像變魔術一樣——正如以前其它新的技術出現時。