工業(yè)IoT的下一代人機界面(HMI)塑造

創(chuàng)造物聯(lián)網(wǎng)的其中一個設(shè)想就是拉近人類與技術(shù)之間的距離，實現(xiàn)人機技術(shù)的發(fā)展。自動化水平的提高無疑是物聯(lián)網(wǎng)的一項主要優(yōu)勢，但這并不意味著不再需要操作人員。在家庭中，“物”可能變得更加直觀，但也更加需要通過不會造成障礙的界面為這種直觀提供基礎(chǔ)。

用戶界面在圖形方面的發(fā)展顯而易見。隨著分辨率更高的顯示屏集成到日常設(shè)備中，用戶獲得了更加豐富的圖形體驗。界面的物理方面也在不斷發(fā)展，以更直觀的方式為用戶拉近人機距離。在如今使用的用戶界面中，鍵盤可能是部署最為廣泛的一種形式，但它存在固有的抽象性。最新技術(shù)正在消除這種抽象性，讓人機聯(lián)系變得前所未有的緊密。

感知反饋

對用戶界面技術(shù)的討論肯定少不了對電容式觸摸感應(yīng)的分析。它是智能手機革命在技術(shù)上的代名詞，同時也在一定程度上受到這場革命的影響。除了電話、平板電腦和車載導(dǎo)航之外，采用電容式觸摸感應(yīng)作為通用用戶界面的技術(shù)尚未發(fā)揮出全部潛能。

電容式觸摸感應(yīng)是一種概念，可以跨多種介質(zhì)工作，而非僅僅用于顯示屏。不過，缺少觸覺反饋可能是其反應(yīng)緩慢的部分原因，至少在某些應(yīng)用中是這樣。但是，這一點也在改變。這里所說的觸覺反饋指的是一種人造機械感測，用于模擬按下機械按鈕的感覺。

產(chǎn)生這種效果的一個辦法是采用名為線性諧振致動器 (LRA) 的設(shè)備，這款設(shè)備在以固有共振頻率驅(qū)動時會振動。共振頻率可能因溫度、使用年限或簡單的生產(chǎn)浮動性而有所不同，這是驅(qū)動 LRA 所面臨的一個挑戰(zhàn)。Texas Instruments 的 DRV2605L-Q1 是一款符合汽車認(rèn)證的觸覺驅(qū)動器，可供 LRA 和偏心旋轉(zhuǎn)質(zhì)量 (ERM) 用于在用戶界面中產(chǎn)生振動。該設(shè)備配有已獲得 Immersion Corporation 許可的庫，其中包含 100 多種效果。它集成了應(yīng)用和控制過驅(qū)與制動的電路，這兩項技術(shù)均用于提高觸覺體驗。圖 1 為設(shè)備的簡化框圖。

圖 1： Texas Instruments DRV2605L-Q1 觸覺驅(qū)動器的簡化框圖。

這款設(shè)備通過 I2C 界面或 PWM 信號進行管理，將致動器的反電動勢用作閉環(huán)控制系統(tǒng)的一部分，從而提供極其靈活的控制。TI 表示，該設(shè)備正在申請專利的智能環(huán)路控制算法簡化了輸入波形，同時還能在所用 LRA 不生成反電動勢的情況下自動轉(zhuǎn)換到開環(huán)操作。使用開環(huán)控制時，在內(nèi)部生成 PWM 驅(qū)動器波形。除此之外，它還能將音頻波形轉(zhuǎn)換為有意義的觸感效果。

消噪技術(shù)

電容式觸摸感應(yīng)界面開發(fā)的另一個方面是電氣噪聲造成的干擾。測量的電容可在微微法拉范圍內(nèi)變化（具體取決于使用的方法），這讓工藝極易受到噪聲的影響。其解決辦法通常是結(jié)合使用專用電路和高級算法。

盡管使用“通用”外設(shè)生成信號并檢測電容變化在技術(shù)上是可行的，但是許多面向電容式觸摸應(yīng)用的微控制器現(xiàn)在都推出了包括觸摸感應(yīng)專用硬件的版本。在某些情況下，電容感應(yīng)技術(shù)中使用的方法是對 MCU 所用技術(shù)的補充，正如 Cypress Semiconductor 的 CapSense 技術(shù)就被用于其可編程片上系統(tǒng) (PSoC) 設(shè)備中（圖 2 顯示了 PSoC 架構(gòu)）。這些可編程設(shè)備經(jīng)過配置，可創(chuàng)建數(shù)字和模擬兩種外設(shè)，從而提高了設(shè)計靈活性。Cypress 利用這一點創(chuàng)造出了 CapSense，這項技術(shù)將開關(guān)電容器技術(shù)與三角積分調(diào)制器相結(jié)合，并使用 Cypress 的電容三角積分 (CSD) 感應(yīng)算法將感應(yīng)電流轉(zhuǎn)換為數(shù)字碼。這種專利方法即使在噪聲環(huán)境中也可實現(xiàn)高靈敏度，接近距離長達 30 cm。

圖 2： Cypress Semiconductor 的可編程片上系統(tǒng)概念可在同一臺設(shè)備上同時支持可配置的數(shù)字和模擬功能。

基于 ARM? Cortex?-M3 內(nèi)核的 PSoC 5LP 最多可提供 62 個 CapSense 傳感器，并采用該公司的 SmartSense 自動微調(diào)技術(shù)。PSoC 5LP 采用僅消耗 300 nA 電流的低功耗模式，可用于為包括電池供電設(shè)備在內(nèi)的各種設(shè)備增加電容式觸摸感應(yīng)功能。此視頻將演示 CapSense。

三維感測

雖然電容式觸摸感應(yīng)在技術(shù)上不要求用戶與感應(yīng)表面接觸，但二者之間的接近依然重要。通過增加用戶與感應(yīng)表面之間的距離，下一波用戶界面革新浪潮將會超越近距離感應(yīng)。這一領(lǐng)域最具前景的一項開發(fā)來自 Microchip，這項三維手勢控制器形式的開發(fā)基于該公司的 GestIC 專利技術(shù)。它以近場感應(yīng)的原理為基礎(chǔ)，結(jié)合運動跟蹤和接近檢測來實現(xiàn)三維手勢識別。MGC3030/3130（圖 3）共采用五個接收電極，通過測量電場變化檢測三維移動，而電場變化則由執(zhí)行 Colibri Gesture Suite 的信號處理單元進行分析。這種高度集成為三維手勢識別提供了單芯片解決方案。

圖 3： Microchip 的 MGC3130 GestIC 控制器提供三維手勢檢測。

該技術(shù)的接收靈敏度小于 1 fF，可實現(xiàn)高達 150 dpi 的空間分辨率和 200 個位置/秒的移位速率，使其成為各種應(yīng)用的理想之選。此外，還可以開發(fā)一種使用“基本”電極材料的系統(tǒng)，此類材料包括 PCB 印制線、導(dǎo)電箔或?qū)щ娡苛?，甚至是用于?biāo)準(zhǔn)觸摸感應(yīng)顯示屏的材料。

Microchip GestIC 技術(shù)的顯著優(yōu)勢在于其具有良好的噪聲抗擾度，而且不受手套等衣物的影響。此技術(shù)可導(dǎo)致“傳統(tǒng)”電容式觸摸感應(yīng)技術(shù)的衰落，使其不再適用于工業(yè)應(yīng)用。Colibri 軟件套件包含接近檢測、位置跟蹤和手勢識別，可識別的手勢包括滑動、圓形和符號手勢。設(shè)備內(nèi)部嵌入的庫可幫助實現(xiàn)實時和連續(xù)操作。這種“始終可用”的感知方法將設(shè)備的適用范圍擴大到更加廣泛的應(yīng)用，包括必須快速響應(yīng)的應(yīng)用。Microchip 稱，GestIC 控制器的低功耗特性意味著它可用于電池供電的設(shè)備。此視頻概要說明了這項技術(shù)。

Microchip 結(jié)合使用其 GestIC 技術(shù)與投射式電容感應(yīng)技術(shù)，已開發(fā)一款三維觸摸板。該觸摸板配有用于應(yīng)用和驅(qū)動程序開發(fā)的 SDK（軟件開發(fā)套件）和 API，以及可用于開發(fā)流程的 GUI。套件具有“開箱即用”功能集，用于檢測光標(biāo)和點擊檢測、雙指開合縮放和上/下滾動，以及三維手勢識別。此外，該 SDK 還能進行新手勢的開發(fā)。

手勢成像

除語音識別外，在與智能設(shè)備交互方面，身體手勢可以提供基本上不受技術(shù)限制的非接觸式控制，因此可能是最自然的交互途徑。除了電容感應(yīng)，希望實現(xiàn)手勢識別的 OEM 現(xiàn)在還使用基于視覺的系統(tǒng)。有些系統(tǒng)比較復(fù)雜，采用高清攝像頭和運行于強大處理器上的大型算法。目前許多汽車中提供的高級輔助駕駛系統(tǒng)就是其中一例。但是，簡單的手勢識別并不一定需要高規(guī)格的攝像頭和大量處理能力。

Broadcom Limited 現(xiàn)在提供一款特別精巧的解決方案，即 APDS-9500。這款 18 引腳表面貼裝小型傳感器（只有 6.87 x 3.76 x 2.86 mm 大小）不僅可檢測接近度，還可識別九種不同的手勢，包括向上、向下、向左、向右、靠近和后退，以及順時針/逆時針。該設(shè)備基于圖像，因此不依賴于檢測對象來改變電容場，這意味著該設(shè)備也可用于檢測門窗等對象的移動。

它集成了一個基于光電二極管且通過 I2C 界面進行配置和控制的傳感器，該傳感器的輸出將反饋到狀態(tài)機，然后由狀態(tài)機對從傳感器接收的數(shù)據(jù)解碼并將其記錄為手勢（圖 4）。記錄的數(shù)據(jù)可通過 SPI 界面訪問，且可選擇 120 Hz（正常模式）或 240 Hz（游戲模式）的手勢更新率。記錄的手勢數(shù)據(jù)可以通過中斷機制訪問，或通過連續(xù)輪詢手勢檢測中斷標(biāo)記來進行訪問。接近檢測模式以 10 Hz 的更新率工作，并采用脈沖為 8 μs 的 LED，峰值電流為 760 mA。

圖 4： Broadcom Limited 的 APDS-9500 在微小的外形中集成手勢識別功能。

結(jié)論

隨著自動化不斷包納更多傳統(tǒng)操作人員的功能，“用戶體驗”(UX) 在工業(yè) IoT 中變得日益重要。與機器高效交流的需要并沒有消失，而是在徹底改變。

目前提供的新技術(shù)得到全面的生態(tài)系統(tǒng)和開發(fā)環(huán)境的支持，有助于成功完成這次轉(zhuǎn)型。微控制器仍然是系統(tǒng)的核心，如今肩負(fù)著為下一代人機界面 (HMI) 塑造用戶界面的重任。