HMI與電容式感應(yīng)MCU的結(jié)合

HMI人機(jī)界面在工業(yè)中常用來控制和監(jiān)視設(shè)備，沒有HMI，很難實(shí)現(xiàn)工業(yè)自動(dòng)化控制。在機(jī)器人行業(yè)中，控制器示教器本質(zhì)上其實(shí)就是一個(gè)HMI。任何HMI的主要特性都是允許控制機(jī)器，如果接口不控制機(jī)器，它就不能稱之為HMI。機(jī)器人的人機(jī)界面種類各式各樣，而且不斷有新的類型出現(xiàn)。

整個(gè)工業(yè)HMI隨著自動(dòng)化需求的與日俱增，HMI電子器件開始面對(duì)一個(gè)共同的趨勢(shì)，就是需要適應(yīng)越來越多新的和非常規(guī)的應(yīng)用場景。如何在受限的空間尺寸中滿足電子元件的配置成為HMI應(yīng)用中經(jīng)常出現(xiàn)的一類問題。

電容式感應(yīng)成推動(dòng)HMI發(fā)展關(guān)鍵因素

在HMI發(fā)展升級(jí)的過程中，電容式感應(yīng)成為了極為關(guān)鍵的推動(dòng)因素之一。從技術(shù)角度來看，電容感應(yīng)算不上什么新鮮技術(shù)，電容式的電子器件已經(jīng)有了很廣泛的應(yīng)用。電容技術(shù)將機(jī)械HMI類型的設(shè)計(jì)推向了更簡單、更直接、更光滑的設(shè)計(jì)，電容感應(yīng)在惡劣工況下的可靠性也是很關(guān)鍵的原因，它可以在任何介質(zhì)上（金屬、玻璃、塑料和其他材料覆蓋層）適應(yīng)許多不同的形狀和尺寸。

（電容感應(yīng)MCU，TI）

但將該技術(shù)應(yīng)用至HMI并不是想象中那么容易，不論是功耗、通訊還是噪聲都是將電容技術(shù)完美融合HMI不可忽視的難點(diǎn)。在電容技術(shù)與MCU的結(jié)合上，比較出名的是TI的CapTIvate技術(shù)。經(jīng)典款MCU MSP430在通過CapTIvate技術(shù)與電容式觸控感應(yīng)結(jié)合，時(shí)至今日都是很多HMI設(shè)計(jì)的首選MCU。

領(lǐng)先的電容式觸控技術(shù)會(huì)在同一設(shè)計(jì)中同時(shí)使用自電容式和互電容式電極，以最大限度地提高靈活性。仍舊以CapTIvate技術(shù)為例，在技術(shù)加持下，四路同步快速電極掃描能支持點(diǎn)數(shù)高達(dá)1024的高分辨率。自電容式和互電容式的同時(shí)使用可以大大提高寬電容檢測(cè)范圍，將最大范圍提升至300pF左右，體現(xiàn)在HMI上是整個(gè)界面在觸控上的靈敏，用戶體驗(yàn)會(huì)隨之提高。

電容式HMI繞不開的困難

1. 尺寸

第一個(gè)繞不開的問題就是我們最先說到的尺寸問題。不止在工業(yè)控制中，在任何HMI的應(yīng)用里更輕薄的界面都是更受青睞的。即便不考慮傳感器的因素，小的PCB設(shè)計(jì)都是大家首先選擇的；考慮到非常小的傳感器類型解決方案，空間將更加受限。

2. 噪聲與功耗

感應(yīng)式的HMI必須夠可靠地檢測(cè)到觸摸，當(dāng)噪音干擾過大時(shí)，觸摸就無法被準(zhǔn)確地檢測(cè)到。這也是為什么CapTIvate技術(shù)會(huì)同時(shí)采用自電容式和互電容式電極。噪聲的存在需要整個(gè)器件必須具有在自電容和互電容傳感器節(jié)點(diǎn)之間進(jìn)行選擇的靈活性，或者根據(jù)場景需求靈活配置節(jié)點(diǎn)的合適組合。有些則采用集成特殊的電容數(shù)字轉(zhuǎn)換器（CDC）的辦法，這樣能夠進(jìn)行高精度的電容數(shù)字轉(zhuǎn)換從而實(shí)現(xiàn)靈活的觸摸感應(yīng)。

而且如果MCU無法區(qū)分實(shí)際觸摸和噪聲干擾，也無法實(shí)現(xiàn)低功耗。濾波器在這個(gè)環(huán)節(jié)起到了相當(dāng)關(guān)鍵的作用。在電容式觸控感應(yīng)MCU中會(huì)集成一套可編程混合信號(hào)濾波器，整個(gè)任務(wù)流程都會(huì)較快，對(duì)實(shí)際觸摸坐標(biāo)的響應(yīng)也會(huì)隨之加快。在盡可能控制噪聲之余還能順便降低整個(gè)系統(tǒng)的資源消耗。

功耗是每一類MCU，每一類HMI IC都會(huì)碰到的問題，低功耗是大趨勢(shì)。電容式觸摸MCU應(yīng)該盡可能避免選擇會(huì)消耗額外電流和時(shí)鐘周期的硬件。目前電容式感應(yīng)MCU在功耗上其實(shí)都做得比較低了，有功電流的級(jí)別在150 μA/MHz已經(jīng)較為常見，各種睡眠模式的加入進(jìn)一步降低了整個(gè)設(shè)計(jì)的功耗水品。

（圖源：Silicon Labs）

3. 手勢(shì)識(shí)別

手勢(shì)識(shí)別是HMI進(jìn)一步的功能提升，一般工業(yè)控制中的HMI單點(diǎn)觸控已經(jīng)足夠了，手勢(shì)識(shí)別在物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用中更多。電容式感應(yīng)MCU可以識(shí)別一些簡單的手勢(shì)，并將觸控信息在內(nèi)部直接進(jìn)行處理，處理算法相對(duì)簡單。如果是需要額外手勢(shì)識(shí)別的功能，會(huì)額外增加一個(gè)專用引擎，雖然能降低MCU一點(diǎn)點(diǎn)帶寬處理負(fù)荷但會(huì)增加功耗。

小結(jié)

在受限的空間尺寸里，電容式觸控HMI展現(xiàn)了旺盛的生命力，隨著功耗、噪聲乃至通訊上的性能提升，在工業(yè)自動(dòng)控制中各種形態(tài)樣式的HMI需求得以實(shí)現(xiàn)。這一改變也推動(dòng)了工業(yè)自動(dòng)化控制對(duì)更小更低功耗的IC和HMI的實(shí)現(xiàn)。