設(shè)計電容式觸摸感應(yīng)界面的關(guān)鍵

物聯(lián)網(wǎng)繼續(xù)影響和現(xiàn)代化家庭和樓宇自動化產(chǎn)品。盡管這個市場有望顯著增長，但其潛力取決于用戶如何使用這些產(chǎn)品，因此制造商正專注于設(shè)計具有更優(yōu)雅用戶界面的產(chǎn)品以吸引更多用戶。

人機界面 （HMI） 是智能家居控制、安全訪問面板、電器和音頻設(shè)備等產(chǎn)品的幾乎所有電子系統(tǒng)中的常見功能。HMI 是一個直觀的交互式子系統(tǒng)，可以通過增強用戶體驗來真正區(qū)分產(chǎn)品，從而吸引用戶的注意力。集成電容式觸摸感應(yīng)是改進 HMI 功能和保持市場競爭力的新方法。

與傳統(tǒng)機械按鈕相比，電容式觸摸感應(yīng)技術(shù)有助于創(chuàng)建更優(yōu)雅的觸摸界面。然而，操作環(huán)境、系統(tǒng)復(fù)雜性、設(shè)計靈活性和功耗都給產(chǎn)品設(shè)計人員帶來了壓力。本文解釋了如何實現(xiàn)優(yōu)雅的 HMI 設(shè)計，同時闡述了與電容式觸摸感應(yīng)技術(shù)相關(guān)的關(guān)鍵挑戰(zhàn)以及系統(tǒng)解決方案。

觸摸操作環(huán)境 一個可靠的產(chǎn)品應(yīng)該有一個可以在所有預(yù)期環(huán)境中工作的用戶界面。有時，電容式觸摸傳感器和控制器會受到惡劣環(huán)境、極端溫度、濕度和濕氣積聚的顯著影響。

機械按鈕使用物理運動來觸發(fā)觸摸事件，但電容式觸摸有根本的不同，因為它會檢測傳感器的電場和電容隨時間的變化。這種工作原理使電容式觸摸更容易受到濕氣的影響。對于戶外和廚房應(yīng)用，耐濕性至關(guān)重要，因為這些產(chǎn)品預(yù)計可以在存在水的情況下工作。

要處理處理器溫度和濕度漂移，您的系統(tǒng)需要能夠跟蹤電容式觸摸傳感器的周圍環(huán)境基線。它可以通過使用計算長期平均值的軟件算法和參考值的過濾機制來實現(xiàn)。這反過來又確保了電容式觸摸界面提供一致的用戶體驗。

12 鍵鍵盤電容式觸摸設(shè)計就是一個很好的例子。它通過了IPX5進水測試條件下的全觸控功能測試。此設(shè)計使用帶有主動驅(qū)動屏蔽的互電容測量拓撲來限制傳感器之間的串?dāng)_，從而最大限度地減少接地耦合效應(yīng)。除了傳感器設(shè)計之外，在微控制器 （MCU） 上運行的防潮固件也有助于提高可靠性。

觸摸感應(yīng)界面設(shè)計 電容式觸摸感應(yīng)界面設(shè)計的硬件和軟件開發(fā)可能比使用傳統(tǒng)機械按鈕的設(shè)計更復(fù)雜。對于硬件，您需要考慮印刷電路板 （PCB） 布線和傳感器電極布局以及機械結(jié)構(gòu)。對于軟件，需要額外的固件來掃描傳感器和處理測量數(shù)據(jù)。

為了幫助縮短產(chǎn)品上市時間，芯片供應(yīng)商正在提供工具來加速設(shè)計和原型過程。例如，TI 提供了電容式觸摸感應(yīng)設(shè)計指南，可幫助解決系統(tǒng)級挑戰(zhàn)并提供解決方案以及可制造性的最佳實踐。芯片供應(yīng)商還開發(fā)了一種設(shè)計工具，可以根據(jù)您的系統(tǒng)配置生成固件代碼。

工業(yè)設(shè)計正在成為物聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)品成功的重要因素，尤其是在智能家居和消費電子市場，從機械按鈕到電容式觸控的轉(zhuǎn)變使產(chǎn)品設(shè)計師能夠提供更具創(chuàng)新性的工業(yè)設(shè)計。如果消費者必須在帶有機械按鈕鍵盤的笨重門鎖和帶有時尚電容式觸摸面板鍵盤和 LED 背光的現(xiàn)代智能門鎖之間進行選擇，那么贏家是顯而易見的。

電容式觸摸傳感器可以設(shè)計成各種形狀、尺寸、配置和材料，以適應(yīng)各種產(chǎn)品外殼和不同的接口功能。它們的靈活性還簡化了機械裝配并消除了移動部件，最終降低了制造成本。然而，僅僅有創(chuàng)新的想法是不夠的；您還需要一個靈活的控制器（也稱為 MCU）來幫助解鎖所有設(shè)計可能性。圖 2 顯示了一些傳感器布局示例。

圖 2：電容式觸控設(shè)計中的傳感器布局示例。

功耗 超低功耗是電池供電的智能家居產(chǎn)品和電子門鎖、無線燈控制器和藍牙耳機等消費電子設(shè)備中觸摸界面解決方案的關(guān)鍵要求。

與傳統(tǒng)的機械按鈕在檢測到觸摸事件之前保持系統(tǒng)休眠不同，電容式觸摸控制器需要定期喚醒以掃描傳感器，以檢測代表觸摸事件的用戶交互。圖 3 顯示了電容式觸控控制器的典型工藝流程。

圖 3：典型觸摸控制器掃描流程的視圖。

要實現(xiàn)低功耗，您可以優(yōu)化掃描速率，即控制器喚醒以掃描傳感器的頻率。掃描速率越低，功耗就越低——但需要權(quán)衡響應(yīng)時間。消費電子產(chǎn)品中電容式觸摸界面的典型掃描速率在 8 Hz 至 100 Hz 范圍內(nèi)。

活動期間的功耗是整體功耗的關(guān)鍵因素。市場上有很多電容式觸控解決方案，但大多數(shù)控制器都需要主處理器處于活躍期來掃描傳感器并處理測量數(shù)據(jù)。這種方法不可避免地會導(dǎo)致更高的系統(tǒng)功耗。例如，您可以每天打開和關(guān)閉藍牙揚聲器并調(diào)節(jié)音量 10 次。但即使您不與產(chǎn)品交互，主處理器仍必須處于活動狀態(tài)并處理傳感器數(shù)據(jù)。

然而，低功耗是一項必不可少的要求，因此一些 IC 制造商現(xiàn)在在其電容式觸摸控制器中加入數(shù)字狀態(tài)機，用于在活動期間掃描傳感器和處理測量數(shù)據(jù)。通過這種方法，消耗大部分功率的主處理器在檢測到觸摸事件之前根本不需要喚醒。

因此，如果功耗是阻礙您切換到電容式觸摸的原因，請確保您選擇的 MCU 能夠?qū)崿F(xiàn)基于狀態(tài)機的自動掃描技術(shù)。

結(jié)論

隨著用戶體驗在現(xiàn)代產(chǎn)品設(shè)計中變得越來越重要，電容式觸摸感應(yīng)正日益成為一種流行的技術(shù)，用于設(shè)計富有創(chuàng)意、復(fù)雜且具有成本效益的用戶界面。隨后，對強大的電容式觸摸控制器的需求促使芯片制造商繼續(xù)創(chuàng)新其 IC 解決方案，并幫助解決系統(tǒng)挑戰(zhàn)，如功耗、設(shè)計靈活性、系統(tǒng)復(fù)雜性和對環(huán)境影響的抵抗力。審核編輯：郭婷