工業(yè)IoT的下一代人機(jī)界面(HMI)塑造

創(chuàng)造物聯(lián)網(wǎng)的其中一個(gè)設(shè)想就是拉近人類與技術(shù)之間的距離，實(shí)現(xiàn)人機(jī)技術(shù)的發(fā)展。自動(dòng)化水平的提高無(wú)疑是物聯(lián)網(wǎng)的一項(xiàng)主要優(yōu)勢(shì)，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(guò)不會(huì)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(jiàn)。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(yàn)。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(jī)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(jī)聯(lián)系變得前所未有的緊密。

感知反饋

對(duì)用戶界面技術(shù)的討論肯定少不了對(duì)電容式觸摸感應(yīng)的分析。它是智能手機(jī)革命在技術(shù)上的代名詞，同時(shí)也在一定程度上受到這場(chǎng)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(guò)，缺少觸覺(jué)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(diǎn)也在改變。這里所說(shuō)的觸覺(jué)反饋指的是一種人造機(jī)械感測(cè)，用于模擬按下機(jī)械按鈕的感覺(jué)。

產(chǎn)生這種效果的一個(gè)辦法是采用名為線性諧振致動(dòng)器 (LRA) 的設(shè)備，這款設(shè)備在以固有共振頻率驅(qū)動(dòng)時(shí)會(huì)振動(dòng)。共振頻率可能因溫度、使用年限或簡(jiǎn)單的生產(chǎn)浮動(dòng)性而有所不同，這是驅(qū)動(dòng) LRA 所面臨的一個(gè)挑戰(zhàn)。Texas Instruments 的 DRV2605L-Q1 是一款符合汽車認(rèn)證的觸覺(jué)驅(qū)動(dòng)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(dòng)。該設(shè)備配有已獲得 Immersion Corporation 許可的庫(kù)，其中包含 100 多種效果。它集成了應(yīng)用和控制過(guò)驅(qū)與制動(dòng)的電路，這兩項(xiàng)技術(shù)均用于提高觸覺(jué)體驗(yàn)。圖 1 為設(shè)備的簡(jiǎn)化框圖。

圖 1： Texas Instruments DRV2605L-Q1 觸覺(jué)驅(qū)動(dòng)器的簡(jiǎn)化框圖。

這款設(shè)備通過(guò) I2C 界面或 PWM 信號(hào)進(jìn)行管理，將致動(dòng)器的反電動(dòng)勢(shì)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(qǐng)專利的智能環(huán)路控制算法簡(jiǎn)化了輸入波形，同時(shí)還能在所用 LRA 不生成反電動(dòng)勢(shì)的情況下自動(dòng)轉(zhuǎn)換到開(kāi)環(huán)操作。使用開(kāi)環(huán)控制時(shí)，在內(nèi)部生成 PWM 驅(qū)動(dòng)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(kāi)發(fā)的另一個(gè)方面是電氣噪聲造成的干擾。測(cè)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(jí)算法。

盡管使用“通用”外設(shè)生成信號(hào)并檢測(cè)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(duì) MCU 所用技術(shù)的補(bǔ)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(guò)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(jì)靈活性。Cypress 利用這一點(diǎn)創(chuàng)造出了 CapSense，這項(xiàng)技術(shù)將開(kāi)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(shí)現(xiàn)高靈敏度，接近距離長(zhǎng)達(dá) 30 cm。

圖 2： Cypress Semiconductor 的可編程片上系統(tǒng)概念可在同一臺(tái)設(shè)備上同時(shí)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(gè) CapSense 傳感器，并采用該公司的 SmartSense 自動(dòng)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(cè)

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(guò)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(huì)超越近距離感應(yīng)。這一領(lǐng)域最具前景的一項(xiàng)開(kāi)發(fā)來(lái)自 Microchip，這項(xiàng)三維手勢(shì)控制器形式的開(kāi)發(fā)基于該公司的 GestIC 專利技術(shù)。它以近場(chǎng)感應(yīng)的原理為基礎(chǔ)，結(jié)合運(yùn)動(dòng)跟蹤和接近檢測(cè)來(lái)實(shí)現(xiàn)三維手勢(shì)識(shí)別。MGC3030/3130（圖 3）共采用五個(gè)接收電極，通過(guò)測(cè)量電場(chǎng)變化檢測(cè)三維移動(dòng)，而電場(chǎng)變化則由執(zhí)行 Colibri Gesture Suite 的信號(hào)處理單元進(jìn)行分析。這種高度集成為三維手勢(shì)識(shí)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(shì)檢測(cè)。

該技術(shù)的接收靈敏度小于 1 fF，可實(shí)現(xiàn)高達(dá) 150 dpi 的空間分辨率和 200 個(gè)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(kāi)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(shì)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(cè)、位置跟蹤和手勢(shì)識(shí)別，可識(shí)別的手勢(shì)包括滑動(dòng)、圓形和符號(hào)手勢(shì)。設(shè)備內(nèi)部嵌入的庫(kù)可幫助實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)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(kuò)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(shuō)明了這項(xiàng)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(kāi)發(fā)一款三維觸摸板。該觸摸板配有用于應(yīng)用和驅(qū)動(dòng)程序開(kāi)發(fā)的 SDK（軟件開(kāi)發(fā)套件）和 API，以及可用于開(kāi)發(fā)流程的 GUI。套件具有“開(kāi)箱即用”功能集，用于檢測(cè)光標(biāo)和點(diǎn)擊檢測(cè)、雙指開(kāi)合縮放和上/下滾動(dòng)，以及三維手勢(shì)識(shí)別。此外，該 SDK 還能進(jìn)行新手勢(shì)的開(kāi)發(fā)。

手勢(shì)成像

除語(yǔ)音識(shí)別外，在與智能設(shè)備交互方面，身體手勢(shì)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(shí)現(xiàn)手勢(shì)識(shí)別的 OEM 現(xiàn)在還使用基于視覺(jué)的系統(tǒng)。有些系統(tǒng)比較復(fù)雜，采用高清攝像頭和運(yùn)行于強(qiáng)大處理器上的大型算法。目前許多汽車中提供的高級(jí)輔助駕駛系統(tǒng)就是其中一例。但是，簡(jiǎn)單的手勢(shì)識(shí)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?。┎粌H可檢測(cè)接近度，還可識(shí)別九種不同的手勢(shì)，包括向上、向下、向左、向右、靠近和后退，以及順時(shí)針/逆時(shí)針。該設(shè)備基于圖像，因此不依賴于檢測(cè)對(duì)象來(lái)改變電容場(chǎng)，這意味著該設(shè)備也可用于檢測(cè)門窗等對(duì)象的移動(dòng)。

它集成了一個(gè)基于光電二極管且通過(guò) I2C 界面進(jìn)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(jī)，然后由狀態(tài)機(jī)對(duì)從傳感器接收的數(shù)據(jù)解碼并將其記錄為手勢(shì)（圖 4）。記錄的數(shù)據(jù)可通過(guò) SPI 界面訪問(wèn)，且可選擇 120 Hz（正常模式）或 240 Hz（游戲模式）的手勢(shì)更新率。記錄的手勢(shì)數(shù)據(jù)可以通過(guò)中斷機(jī)制訪問(wèn)，或通過(guò)連續(xù)輪詢手勢(shì)檢測(cè)中斷標(biāo)記來(lái)進(jìn)行訪問(wèn)。接近檢測(cè)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(shì)識(shí)別功能。

結(jié)論

隨著自動(dòng)化不斷包納更多傳統(tǒng)操作人員的功能，“用戶體驗(yàn)”(UX) 在工業(yè) IoT 中變得日益重要。與機(jī)器高效交流的需要并沒(méi)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(kāi)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(jī)界面 (HMI) 塑造用戶界面的重任。