【導(dǎo)讀】過度、無休止地使用QWERTY鍵盤，將會(huì)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(dān)心了，這倒不是因?yàn)槿藱C(jī)界面（HMI）的需求減少了。而是QWERTY鍵盤在消費(fèi)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(shí)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(gè)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(jì)考量之中。
有兩方面的原因促進(jìn)了觸摸屏的發(fā)展。首先，由于智能手機(jī)和汽車控制臺(tái)應(yīng)用帶來的大批量生產(chǎn)和技術(shù)進(jìn)步，成本得到降低。其次是靈活性，因?yàn)槠聊伙@示器可以進(jìn)行動(dòng)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(jì)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(xí)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(dòng)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(jìn)步已成為現(xiàn)實(shí)；即使支持遠(yuǎn)程智能手機(jī)控制的系統(tǒng)也都依賴于專用控制面板來實(shí)現(xiàn)室內(nèi)應(yīng)用和設(shè)置。
當(dāng)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(dǎo)電塑料頂層，而與導(dǎo)電的玻璃層相分離（見圖2）。在用戶按壓頂層時(shí)，兩個(gè)導(dǎo)電面便會(huì)發(fā)生接觸，而電阻路徑由觸摸屏控制器沿X軸和Y軸進(jìn)行測量，以確定按壓點(diǎn)。
圖2：電阻觸摸屏使用一對導(dǎo)電透明層；按下有彈性的頂層將在兩個(gè)層之間產(chǎn)生一個(gè)導(dǎo)電路徑，可通過測量所產(chǎn)生的電阻來確定手指的接觸點(diǎn)。
電容觸摸屏同樣也是由兩個(gè)分離的導(dǎo)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(dǎo)電網(wǎng)格線所覆蓋（見圖3）。當(dāng)用戶手指觸摸容性表面的玻璃時(shí)，手指自身的電容將會(huì)導(dǎo)致局部靜電場產(chǎn)生失真（因?yàn)槿梭w是一個(gè)電荷導(dǎo)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(gè)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(dǎo)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(yàn)和成本之間進(jìn)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?yàn)槠涑杀緯?huì)隨著尺寸而明顯增大。它支持多指操作、高級(jí)手勢以及放大/縮小等操作，但對于家庭自動(dòng)化或智能設(shè)備的用戶體驗(yàn)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?yàn)榈讓訄D形源與頂層之間相隔的層數(shù)較少。同樣，這個(gè)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(jiān)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(gè)正指標(biāo)，但對于采用交流電源的家庭自動(dòng)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(dòng)化控制器和電器設(shè)計(jì)，電阻觸摸屏憑借著工藝特性與成本優(yōu)勢，在未來一段時(shí)間里將成為首選。
對于家用電器，我們應(yīng)牢記其預(yù)定義、功能受限需求的含義。不同于智能手機(jī)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(jī)和不確定情況，家用電器或家庭控制器的人機(jī)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(yù)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(fù)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(biāo)，包括單點(diǎn)檢測模式下的觸摸壓力以及兩點(diǎn)檢測模式下的一對X/Y坐標(biāo)。它搭載了一個(gè)專用的嵌入式CPU進(jìn)行噪聲濾除、坐標(biāo)計(jì)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(dòng)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(jī)械開關(guān)具有更大的可靠性。針對這類設(shè)計(jì)，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(dòng)調(diào)校算法，因而無需手動(dòng)“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(jìn)行補(bǔ)償。這也就縮短了開發(fā)和生產(chǎn)周期。此器件支持多達(dá)16個(gè)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(jì)人員可替換掉機(jī)械開關(guān)，或快速升級(jí)并改良火災(zāi)報(bào)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(gè)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(jìn)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(jì)用來將分立式機(jī)電開關(guān)輕松升級(jí)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(jī)。
有線還是無線HMI連接？
當(dāng)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(biāo)準(zhǔn)硬件接口或無線連接等來實(shí)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(jìn)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?yàn)樵趬?nèi)進(jìn)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(gè)標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議，如藍(lán)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(dú)立完整的模塊，能夠?yàn)榛ヂ?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(jìn)行開發(fā)時(shí)，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(gè)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(bào)系統(tǒng)節(jié)點(diǎn)（比如門、窗和溫度傳感器）等專用外部點(diǎn)提供無線接口。這些無線連接可能會(huì)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(dòng)化、智能樓宇或報(bào)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(jí)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?yàn)榇似骷饕糜谟呻姵鼗蚰芰渴占娫垂╇?、家庭或辦公場合下使用的遠(yuǎn)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(dá)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(biāo)準(zhǔn)所設(shè)定的技術(shù)要求，它仍需滿足各種免許可運(yùn)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(dòng)技術(shù)進(jìn)步備受關(guān)注的同時(shí)，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(fù)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(jī)和需要瞬時(shí)打開/關(guān)閉時(shí)）、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(jī)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(jì)難題、高成本以及性能一致性問題的解決方案。設(shè)計(jì)上可通過一小段電線或電纜實(shí)現(xiàn)，因?yàn)榛ミB介質(zhì)通常是實(shí)現(xiàn)高性能、低成本及可靠操作的最簡單直接的方法。
將標(biāo)準(zhǔn)USB接口用作互連將提供某些產(chǎn)品設(shè)計(jì)優(yōu)勢。市面上提供了多種開發(fā)工具，允許獨(dú)立于產(chǎn)品其他功能的開發(fā)或與之同時(shí)進(jìn)行用戶面板的編程和調(diào)試。使用標(biāo)準(zhǔn)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(gè)用戶面板硬件便可滿足一個(gè)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(biāo)準(zhǔn)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(jí)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(shí)，這個(gè)能力可簡化現(xiàn)場設(shè)備固件升級(jí)操作。這類升級(jí)的潛在需求正日益成為一個(gè)擾人問題，因?yàn)榫瓦B基本設(shè)備也具備基于軟件的復(fù)雜特性。即使設(shè)備在安裝時(shí)沒有可用的互聯(lián)網(wǎng)連接來下載更新固件，也必須進(jìn)行現(xiàn)場修復(fù)；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(jī)和冰箱等設(shè)備，基本的USB連接器可能不夠堅(jiān)固耐用。即使在很多情況下家庭是一個(gè)相當(dāng)溫和的環(huán)境，但連接器仍可能處于振動(dòng)、潮濕、布滿灰塵或其他惡劣環(huán)境中。當(dāng)連接器處在排水和通風(fēng)不夠充足的地方時(shí)，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(dǎo)致的損壞。通過在該設(shè)計(jì)中配備一個(gè)與標(biāo)準(zhǔn)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(qiáng)板可防止連接器內(nèi)部包含觸點(diǎn)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(jī)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(jì)后期才會(huì)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(jìn)步也使得將觸摸顯示器、單獨(dú)的觸摸開關(guān)（如果需要）與實(shí)際控制電子器件結(jié)合起來更加實(shí)際和方便。這簡化了用戶能看到的設(shè)計(jì)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(gè)電路板，而非多個(gè)電路板或多個(gè)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(jī)或冰箱中的大功率電機(jī)控制和高壓電子元器件通常采用的方式，設(shè)計(jì)人員在配置和封裝時(shí)也有了更大的靈活性。當(dāng)然，這是一個(gè)不斷反復(fù)的情況，因?yàn)樗麄冞€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。
推薦閱讀：
