【導讀】過度、無休止地使用QWERTY鍵盤，將會有一種被稱為腕管綜合征的“流行病”的發(fā)生，小編作為一名網(wǎng)絡(luò)編輯，是深受其害。不過現(xiàn)在不用擔心了，這倒不是因為人機界面（HMI）的需求減少了。而是QWERTY鍵盤在消費電子產(chǎn)品中的角色逐漸被其他界面所取代，迎來觸摸屏的時代。
相反出現(xiàn)了一些新的選擇，比如使用一組定制化配置的專業(yè)觸摸按鍵，并借助于一個塑料膜，讓一切都保持干凈并可清洗，很多微波爐上所使用的按鍵。另一種方法是使用現(xiàn)在流行的觸摸屏界面，它們在很多新型應(yīng)用中被不斷列入設(shè)計考量之中。
有兩方面的原因促進了觸摸屏的發(fā)展。首先，由于智能手機和汽車控制臺應(yīng)用帶來的大批量生產(chǎn)和技術(shù)進步，成本得到降低。其次是靈活性，因為屏幕顯示器可以進行動態(tài)重配置，以在每一步用戶輸入過程中顯示不同的軟按鍵。這為初始設(shè)計帶來了更大的靈活性并提升了用戶交互性。此外，用戶已非常習慣于使用觸摸屏，并將其廣泛用于平板電腦、ATM、氣泵等領(lǐng)域，因此它成為了安防系統(tǒng)控制面板、智能溫控界面甚至是集成智能家居控制器等各種家庭自動化裝置的熱門之選（圖1）。
圖1：布滿傳感器和控制器的智能家居借助于多方技術(shù)的進步已成為現(xiàn)實；即使支持遠程智能手機控制的系統(tǒng)也都依賴于專用控制面板來實現(xiàn)室內(nèi)應(yīng)用和設(shè)置。
當然，用戶界面并不受限于觸摸屏技術(shù)。一些供應(yīng)商正在極力投入到其他技術(shù)的研發(fā)中，例如用戶聲音命令和手勢/觸覺。但迄今為止，這些技術(shù)尚不具備足夠的功能、一致性、效益或成本優(yōu)勢，使其可躋身大眾化家居應(yīng)用。不過，可能在一些特殊場合下它們還是具有一定優(yōu)勢的，例如針對一些特殊的殘障人士。
電阻屏還是電容屏？
觸摸屏可采用電阻或電容技術(shù)。簡單來說，電阻傳感使用薄型、彈性材料的透明導電塑料頂層，而與導電的玻璃層相分離（見圖2）。在用戶按壓頂層時，兩個導電面便會發(fā)生接觸，而電阻路徑由觸摸屏控制器沿X軸和Y軸進行測量，以確定按壓點。
圖2：電阻觸摸屏使用一對導電透明層；按下有彈性的頂層將在兩個層之間產(chǎn)生一個導電路徑，可通過測量所產(chǎn)生的電阻來確定手指的接觸點。
電容觸摸屏同樣也是由兩個分離的導電層組成，但這兩層均為非彈性玻璃；有一種變化形式是，底層被一組導電網(wǎng)格線所覆蓋（見圖3）。當用戶手指觸摸容性表面的玻璃時，手指自身的電容將會導致局部靜電場產(chǎn)生失真（因為人體是一個電荷導體）。觸摸屏控制器將監(jiān)測失真所造成的電容變化，同樣是測量X和Y兩個方向，以確定手指觸摸屏幕的位置。
圖3：對于電容觸摸屏，手指接近將使絕緣層與導電層之間形成的電磁場發(fā)生失真。
每一種方法都根據(jù)要求，在性能、用戶體驗和成本之間進行權(quán)衡。一般來說，電容技術(shù)對于中小型屏幕（最大約10英寸）而言更加合算，因為其成本會隨著尺寸而明顯增大。它支持多指操作、高級手勢以及放大/縮小等操作，但對于家庭自動化或智能設(shè)備的用戶體驗而言，這些操作往往并不需要。
相較于電阻顯示屏，電容顯示屏的亮度更高，這是因為底層圖形源與頂層之間相隔的層數(shù)較少。同樣，這個特性對于大多數(shù)光線較好的家居環(huán)境而言并不是關(guān)鍵因素。不同于電阻觸摸屏頂層較薄而且要用手指按壓，電容觸摸屏頂層較厚且采用防刮玻璃，因而也更堅固耐用。
最后，對于同樣的尺寸，電容技術(shù)比電阻技術(shù)對功率的要求更低。雖然低功耗往往是一個正指標，但對于采用交流電源的家庭自動化系統(tǒng)或觸摸屏只是更大裝置一部分的應(yīng)用場合而言，低功耗所凸顯出來的優(yōu)勢就不如在現(xiàn)場手持設(shè)備中的重要了。對于大多數(shù)家庭自動化控制器和電器設(shè)計，電阻觸摸屏憑借著工藝特性與成本優(yōu)勢，在未來一段時間里將成為首選。
對于家用電器，我們應(yīng)牢記其預定義、功能受限需求的含義。不同于智能手機中用戶觸摸屏界面必須要能夠處理web頁面、電子郵件和視頻等隨機和不確定情況，家用電器或家庭控制器的人機界面（HMI）功能更加受限。它只需要支持一組有限的特性、功能和用戶軟鍵，所有這些都是可以預先定義好的。這意味著，對于縮放或手指拖放等額外特性，并不需要有更加復雜、具有附加功能的觸摸屏解決方案。
ROHM BU21021GUL觸摸屏控制器是一種典型的電阻界面（見圖4）。該芯片可與各種傳統(tǒng)的4線制電阻觸摸屏搭配使用，能夠檢測X/Y坐標，包括單點檢測模式下的觸摸壓力以及兩點檢測模式下的一對X/Y坐標。它搭載了一個專用的嵌入式CPU進行噪聲濾除、坐標計算以及手勢檢測，從而減輕了系統(tǒng)處理器的工作（及相關(guān)編碼/調(diào)試操作）。
對于很多家庭自動化和家用電器等不需要觸摸屏可以提供的所有功能的應(yīng)用，采用一組觸摸感應(yīng)按鈕即可滿足其對用戶界面的要求。這降低了BOM成本和物理連接數(shù)，所帶來的密封表面相較于分立式機械開關(guān)具有更大的可靠性。針對這類設(shè)計，Cypress Semiconductor推出的CY8CMBR2016 CapSense Express 16鍵矩陣控制器（見圖5），可輕松搭配電容觸摸用戶面板使用。這是一款硬件可配置IC，不需要任何的軟件工具、固件編碼或器件編程操作。
Cypress CapSense控制器采用Cypress的SmartSense自動調(diào)校算法，因而無需手動“調(diào)節(jié)”其響應(yīng)，并對按鍵和相關(guān)印刷電路板中不可避免的電容變化進行補償。這也就縮短了開發(fā)和生產(chǎn)周期。此器件支持多達16個可以任意布局（如線性或矩陣陣列）的電容觸摸按鍵。借助于其向后兼容的按鍵掃描界面，設(shè)計人員可替換掉機械開關(guān)，或快速升級并改良火災報警器控制面板、安防系統(tǒng)甚至是門鎖上的現(xiàn)有的鍵盤式應(yīng)用。
圖4：ROHM BU21021GUL電阻觸摸屏控制器搭載一個專用處理器，通過嵌入式算法來執(zhí)行噪聲濾除和觸摸評估等操作，進而可避免系統(tǒng)處理器處理這些專門的繁重工作。
圖5：Cypress Semiconductor CY8CMBR2016 CapSense Express 16鍵矩陣控制器設(shè)計用來將分立式機電開關(guān)輕松升級到密封式電容開關(guān)，非常適用于需要有限功能的應(yīng)用場合，如微波爐或洗碗機。
有線還是無線HMI連接？
當然，用戶界面需要連接到更大的系統(tǒng)才能發(fā)揮其用途。這可通過專用硬件連接、USB端口等標準硬件接口或無線連接等來實現(xiàn)。具體的選擇多取決于應(yīng)用、位置、用戶與界面的交互方式，以及成本和物理兼容性問題等常見因素。
在很多情況下，無線連接都不僅是首選，也是必需的選擇。例如，智能家居控制面板/房屋入口處的用戶界面需與家庭范圍內(nèi)的無線系統(tǒng)進行交互。其與系統(tǒng)控制器的連接本身也需要是無線形式的，這是因為在墻內(nèi)進行網(wǎng)絡(luò)布線不僅成本高昂，而且安裝起來也是一件頭疼的事。此外，控制面板可能還需要支持多個標準協(xié)議，如藍牙、WiFi以及供應(yīng)商定義的專用協(xié)議。對于Wi-Fi接口，Murata Electronics推出的SN820X系列Wi-Fi網(wǎng)絡(luò)控制器模塊（圖6）包含一系列小型（20mm × 30mm × 2.8mm)、低功耗、獨立完整的模塊，能夠為互聯(lián)網(wǎng)(2.4GHz IEEE 802.11b/g/n）提供簡單的串行至網(wǎng)絡(luò)連接。
這些模塊采用Broadcom公司的“嵌入式設(shè)備無線互聯(lián)網(wǎng)連接”( WICED）架構(gòu)，并具有Wi-Fi、TCP/IP網(wǎng)絡(luò)棧、安全固件以及其他網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用特性。在進行開發(fā)時，模塊還支持Murata的簡單網(wǎng)絡(luò)接口連接（SNIC）軟件和EZ Web Wizzard軟件。
圖6：對于即插即用的串行至Wi-Fi連接，Murata的SN820X系列網(wǎng)絡(luò)控制器模塊在一個20mm × 30mm × 2.8mm的電路板可安裝模塊中集成了所有必需的功能和I/O。
某些用戶控制面板還需要為警報系統(tǒng)節(jié)點（比如門、窗和溫度傳感器）等專用外部點提供無線接口。這些無線連接可能會使用與Wi-Fi、Zigbee或 Bluetooth不相關(guān)的協(xié)議或頻率，來節(jié)省功率并降低成本，或者保持其專有市場地位。例如，很多用于家庭自動化、智能樓宇或報警系統(tǒng)的傳感器都采用低于1 GHz的RF頻率。
對于這些情況，我們可以選擇使用Analog Devices的ADF7024低功耗sub-GHz收發(fā)器之類的IC（圖7）。這款5mm × 5mm的收發(fā)器支持以431 MHz至 435 MHz及 862 MHz至 928 MHz的頻帶、兩級頻移鍵控（FSK)和高斯頻移鍵控(GFSK）調(diào)制及9.6 kbps至300 kbps適中的數(shù)據(jù)速率工作。因為此器件主要用于由電池或能量收集電源供電、家庭或辦公場合下使用的遠程傳感器，所以非常需要低功耗操作，尤其是在這些場合下經(jīng)常出現(xiàn)的長期休眠期間。
圖7：工作頻率低于1GHz的Analog Devices ADF7024低功耗收發(fā)器為5 mm× 5 mm IC，用于431 MHz至435 MHz及862 MHz至 928 MHz的免許可（但仍受法規(guī)約束）ISM頻段，適合智能家居和樓宇中的各式各樣本地傳感器。
為了滿足這些需求，ADF7024提供了多種休眠模式，包括電流低至0.33μA的深度休眠模式，內(nèi)部32 kHz振蕩器工作且0.33μA稍高電流的休眠模式，以及自主接收器“監(jiān)聽與智能喚醒”模式——在該模式下，ADF7024以高達300 kbps的速率檢測并接收數(shù)據(jù)包，且僅需11.75μA的電流。請注意，即使無線收發(fā)器不需要滿足Wi-Fi、ZigBee或 Bluetooth等標準所設(shè)定的技術(shù)要求，它仍需滿足各種免許可運營的法規(guī)要求。ADF7024滿足美國FCC第15部分（15.231、15.247和15.249部分）以及歐洲ETSI EN 300 220的要求。
在無線連接與相關(guān)移動技術(shù)進步備受關(guān)注的同時，其固有屬性與本質(zhì)特征使其可能不太適合將用戶觸摸屏連接到設(shè)備等情況。其中一些原因包括成本、不必要的復雜度、EMI/RFI敏感性問題（設(shè)備本身是主要噪聲源，尤其在具有電機和需要瞬時打開/關(guān)閉時）、附近同頻段無線設(shè)備可能的通道干擾，以及協(xié)議和設(shè)置問題。
如果控制面板在物理上是洗碗機等裝置（即使裝置是智能/IoT裝置并具有互聯(lián)網(wǎng)連接）的基本組成部分，建立無線內(nèi)部鏈接也許是解決潛在的設(shè)計難題、高成本以及性能一致性問題的解決方案。設(shè)計上可通過一小段電線或電纜實現(xiàn)，因為互連介質(zhì)通常是實現(xiàn)高性能、低成本及可靠操作的最簡單直接的方法。
將標準USB接口用作互連將提供某些產(chǎn)品設(shè)計優(yōu)勢。市面上提供了多種開發(fā)工具，允許獨立于產(chǎn)品其他功能的開發(fā)或與之同時進行用戶面板的編程和調(diào)試。使用標準端口還能將產(chǎn)品系列模塊化，從而能輕松提供各種設(shè)備用戶界面。因此，一個用戶面板硬件便可滿足一個家庭中具有不同屏幕交互和軟鍵需求的各種設(shè)備。
此外，標準USB接口允許現(xiàn)場服務(wù)人員斷開工廠提供的用戶面板，然后與具有高級診斷功能的筆記本電腦相連。在發(fā)現(xiàn)原始操作固件發(fā)生問題（又名bug）時，這個能力可簡化現(xiàn)場設(shè)備固件升級操作。這類升級的潛在需求正日益成為一個擾人問題，因為就連基本設(shè)備也具備基于軟件的復雜特性。即使設(shè)備在安裝時沒有可用的互聯(lián)網(wǎng)連接來下載更新固件，也必須進行現(xiàn)場修復；因此可選擇通過USB端口和服務(wù)代表來訪建立物理連接。
然而，對于洗碗機和冰箱等設(shè)備，基本的USB連接器可能不夠堅固耐用。即使在很多情況下家庭是一個相當溫和的環(huán)境，但連接器仍可能處于振動、潮濕、布滿灰塵或其他惡劣環(huán)境中。當連接器處在排水和通風不夠充足的地方時，這種情況經(jīng)常是免不了的。
這種情況可以使用TE Connectivity 推出的IP68防水型micro-USB 2.0連接器（見圖8）。采用金屬注射成型（MIM）外殼的母連接器可防止由于浸沒于水下和灰塵環(huán)境下而導致的損壞。通過在該設(shè)計中配備一個與標準插頭插銷相匹配的凹槽，此連接器便能夠如同常規(guī)Micro USB連接器始終保持與插頭匹配。此外，其金屬加強板可防止連接器內(nèi)部包含觸點的塑料片損壞，幫助避免電氣短路，而這通常表現(xiàn)為令人懊惱的間歇性故障。螺絲式安裝耳更容易將連接器整合并安裝在終端應(yīng)用中。這種安裝方式在機械完整性方面優(yōu)于依賴于引線與過孔電路板安裝方式或通過表面凸塊和PCB焊盤的連接方式。
圖8：連接器需求往往在設(shè)計后期才會考慮，但TE Connectivity的這種耐用型micro-USB 2.0母連接器提供了在意外惡劣設(shè)備安裝環(huán)境中所需的互聯(lián)與安裝完整性。
除了用戶接口，整合性與功能上的進步也使得將觸摸顯示器、單獨的觸摸開關(guān)（如果需要）與實際控制電子器件結(jié)合起來更加實際和方便。這簡化了用戶能看到的設(shè)計部分與用戶無法看到的電路之間的封裝與連接問題。用于顯示屏與前面板的接口電子器件以及系統(tǒng)用工作電子器件都可以是一個電路板，而非多個電路板或多個外殼，這樣對于應(yīng)用和安裝方才有用。
即使用戶接口面板與其他電子元器件在物理上是隔離的，這也是洗碗機或冰箱中的大功率電機控制和高壓電子元器件通常采用的方式，設(shè)計人員在配置和封裝時也有了更大的靈活性。當然，這是一個不斷反復的情況，因為他們還想再添加一些其他功能和特性，這相應(yīng)也就需要有更新的靈活性。
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