如何將 LED、電子紙和手勢識別結合起在企業連接中實現低功耗的 HMI

作者：Jeff Shepard

投稿人：DigiKey 北美編輯

人機界面 (HMI) 是支持工業 4.0 自動化和過程控制以及汽車和醫療系統中工業物聯網 (IIoT) 企業連接的一個重要元素。人機界面的范圍涵蓋增強現實眼鏡到觸摸屏和簡易視覺指示器。雖然增強現實眼鏡上了很多頭條，觸摸屏帶來了很多功能，但越來越多的邊緣設備需要的是簡單、低成本、小型化和低功耗的視覺指示器和控制功能。

設計人員可以將 LED 點陣或電子紙 (EPD) 顯示屏與具有手勢識別和近距離感應能力的紅外 (IR) 光角度傳感器控制裝置相結合，在工業 4.0 的 IIoT 邊緣節點以及一系列企業、醫療和汽車應用中實現低功耗、低成本和功能豐富的 HMI。

本文首先回顧了字母數字和點陣 LED 顯示屏和 EPD 的操作和功能，然后詳細介紹了紅外光角度傳感器 IC 在手勢識別和接近感應中的應用。然后介紹了 [Broadcom] 和 [Lumex] 的代表性 LED 顯示屏、[E Ink]的EPD、[Pervasive Displays]的 EPD 開發平臺和 [Analog Devices] 用于手勢識別的紅外感應 IC，以及用于加速高性能、低功耗、小型人機界面設計和集成過程的開發平臺。

字母數字 LED

字母數字 LED 顯示屏可接受并行和串行數據輸入，并有一系列的字符數、尺寸和顯示寬度。每個字符由 5 x 7 像素陣列組成——通常使用紅色或綠色等單一 LED 顏色。這些顯示屏集成了字符集，如美國信息交換標準代碼 (ASCII) 字符、可在 ASCII 字符集中編碼的 ISO 15924 日本片假名腳本字符集，以及特定國家的字符和用于特殊使用情況的自定義用戶定義字符（圖 1）。它們可以在日光下可讀，并且可承受惡劣的環境。

圖 1：使用 5 x 7 像素字母數字 LED 顯示屏形成的 ASCII 字符集。（圖片來源：Broadcom）

可視化 LED 顯示屏

LED 點陣顯示屏不是用來形成單個字符的，而是使用排列成矩陣結構的 LED 來傳遞圖形。它們也可以顯示標準的 ASCII、片假名和其他文本格式。就性能而言，它們介于上述點陣顯示屏和視頻 LED 顯示屏之間。它們有各種各樣的尺寸，可以是單色顯示屏，如紅、綠或紅綠藍 (RGB) 多色顯示屏。然而，與視頻顯示屏相比，它們的調色板更有限，刷新率更慢（圖 2）。其 LED 通常排列成網格狀，LED 的負極或正極被綁在一起作為一個公共電路節點?？梢暬?LED 顯示屏可使用 I2C、8 位并行、串行和其他接口操作。有些會包括板載的微控制器單元 (MCU)，其他則使用系統處理器。

圖 2：RGB LED 顯示屏的調色板實例。（圖片來源：Lumex）

什么是電子紙，它是如何工作的？

LED 需要持續的驅動電流才能保持開啟狀態，而電子紙是一種雙穩態技術，不需要持續的驅動，且可以做到極低的功耗。當低功耗優先，低刷新率低，并且不需要全彩時，電子紙顯示屏 (EPD) 可以為 LED 和液晶顯示屏 (LCD) 提供一個可行的替代。在 EPD 上渲染圖像只需要很少的電力；圖像一經渲染，就不需要電力來維持它。EPD 對比度像真實墨水和紙張一樣。雖然大多數是黑色和白色，但有些則增加了另一種顏色，如紅色。

EPD 將薄膜晶體管 (TFT) 技術與一層電子墨水結合在一起。這種墨水由數百萬個含有帶電顏料顆粒的小膠囊組成。墨水位于兩個電極之間（圖 3）。將所需的驅動施加到 TFT 矩陣上，就會使顏料顆粒形成一個詳細的圖像。一旦顏料顆粒移動到合適的位置，它們就會在沒有電源的情況下保持在那里。驅動 EPD 可能有點棘手。前面板層壓板 (FPL) 在不同批次中略有不同，需要手動調整驅動波形。此外，在不同的工作溫度下，可能需要不同的驅動波形。

圖 3：電子墨水由數以百萬計的小膠囊組成，其中含有帶電的顏料顆粒，置于兩個電極之間。（圖片來源：Pervasive Displays）

手勢識別

LED 和 EPD 可以為系統用戶和操作員提供信息。但這只是一個完整 HMI 裝置的一半。用戶和操作人員也需要向系統提供輸入和控制信號的能力。在一些應用中，近距離感應提醒系統注意到操作者的存在，顯示屏自動打開以提供狀態信息。雖然這對發送狀態信息很有用，但它沒有提供一個向設備發送輸入和命令的機制。使用傳統的鍵盤、開關和其他機制可以是一種選擇，但會導致方案相對較大且很耗電。相反，設計者可以轉而使用接近傳感器的手勢識別界面，它可檢測并將手部動作和模式轉化為命令。手勢識別對嘈雜的環境特別有用，因為背景噪音和環境聲音使之難以使用語音識別。實現基本的手勢識別需要三項活動：

• 識別到一個手勢的開始和結束
• 在整個手勢過程中跟蹤手的運動
• 利用前兩個步驟的信息來理解手勢

手勢識別開發平臺

要開發一個手勢識別系統，設計人員可以使用 Analog Devices 基于 [ADPD2140] 紅外光角度傳感器的 [EVAL-CN0569-PMDZ]參考設計。該電路會發射一個紅外脈沖串，然后傳感器捕捉反射光。該設計支持距離電路板約 20 厘米 (cm) 的手勢感應。高達每秒 512 個樣本的采樣率能夠讓設計者調整噪聲抑制和響應時間，以便更好地適應應用和環境。同樣值得注意的是，ADPD2140 不需要精確對準；其傳感器在 ±35° 角的視場內具有線性響應（圖 4）。ADPD2140 封裝中的集成濾光片可以完全切斷可見光，通過消除對外部透鏡或濾光片的需要，進一步簡化了系統設計，同時在明亮的室內照明或陽光下保持傳感器的動態范圍。

圖 4：ADPD2140 紅外光角度傳感器在 ±35° 的角度視場內有一個線性響應。（圖片來源：Analog Devices）

字母數字 LED 顯示屏

需要明亮、堅固的字母數字 LED 顯示屏的應用設計時可以使用 Broadcom 的[并行接口]或[串行接口]。帶有并行接口的顯示屏有 4 或 8 個字符（圖 5）。它們有多種封裝方式、顏色和尺寸選擇，如帶有綠色 LED 的 8 字符、5 毫米的 [HDSP-2533]和帶有高效紅色 LED 的 4 字符、3.7 mm 的 [HDLU-1414]，兩者均采用塑料封裝?；?8 字符、5 mm 的 [HDSP-2131]，帶黃色 LED，采用堅固的玻璃/陶瓷封裝。所有這些都包括一個集成的 ASIC 驅動器，簡化了設計難度。這些并行接口顯示屏的特性包括：

• 七到八條數據總線
• 存儲在可編程 ROM 中的 128 個 ASCII 和 16 個用戶可定義字符的字符圖
• 單個字符閃動和所有字符閃動
• 滾動功能
• 八個亮度級別
• 可在 X 方向和 Y 方向上疊接，以滿足更大的顯示需求

圖 5：采用并行接口的字母數字 LED 顯示屏有 4 或 8 個字符。（圖片來源：DigiKey）

Broadcom 提供具有 4、8 和 16 個字符的串行接口 LED 字母數字顯示屏，如 8 字符、5 mm 的綠色 [HCMS-3977] 和 8 字符、3.8 mm 的紅色 [HCMS-2912]，這兩者均采用塑料封裝，以及 4 字符、0.2 英寸的黃綠色 [HCMS-2333]，采用擴展溫度范圍玻璃/陶瓷封裝。這些串行 LED 顯示屏的特性包括：

• 128 ASCII、ISO 15924 日本片假名文字和自定義字體
• 以最少的數據線路支持高字符數顯示的串行接口
• 可以直接與 MCU 對接，簡化系統設計
• 設備處于待機狀態時的休眠模式
• 64 個亮度級別
• 可在 X 方向和 Y 方向疊接，支持高字符數顯示

LED 點陣顯示屏

當應用需要一個可視化的 LED 顯示屏來顯示更復雜的信息時，設計人員可以使用 Lumex Opto 的 [LDM-6432-P3-UR-1]。這個 64 x 32 像素 RGB 顯示屏有 3 mm 的 LED 間距（圖 6）。該顯示屏包括一個 UART 接口，USB 電源插座加上 1.5 A 的電流保護器，以及 BLE 4.0 模塊。開發人員可以使用個人電腦來開發顯示軟件。特性包括：

• 可以處理 HEX 或 Arduino AT 命令
• 內置字體和基本形狀
• 可在字符和圖形混合模式下運行
• 多個顯示模塊可以疊接在一起，實現更大的顯示效果
• 可與任何 MCU 集成
• 不需要驅動程序或庫
• 可以顯示動畫
• 可根據要求提供不同的語言

圖 6：這個 64 x 32 像素的 RGB LED 顯示屏可用于呈現更復雜的信息。（圖片來源：Lumex Opto）

電子紙顯示屏和開發板

適合 EPD 的應用可以使用 E Ink 的 [ED078KC2]。這是一個采用有源矩陣 TFT 基板的反射式電泳 EPD 模塊。它有 1404 x 1872 像素，有效面積為 7.8"。根據控制器的不同，這個 EPD 可以顯示多達 16 級灰度（圖 7）。

Pervasive Displays 提供 [B3000MS044]和 [B3000MS037] (ext3 giant) EPD 擴展板，可將 EPD 集成到系統中?；?ext3 套件可以驅動 1.54" 到 12" 的 EPD。對于 9.7" 到 12" 的大屏 EPD，則需要使用 ext3 giant。這個開發平臺有一個板載驅動電路，可簡化 EPD 應用的開發。此外，Pervasive Displays 還提供擴展選件、多個開源驅動代碼、設計資源以及圖形和互動功能開發庫。

圖 7：這個雙穩態 EPD 在 7.8" 的活動區域內有 1404 x 1872 個像素，具有非常低的功耗。（圖片來源：DigiKey）

結語

市面上有一系列緊湊和低功耗技術可以提升需要 HMI 的 IIoT 邊緣設備的性能。手勢識別是其中的一種方法，即使在具有挑戰性的環境中也能提供命令和控制。字母數字 LED 顯示屏堅固耐用，可以在高光環境下看到，并且可以疊接起來以支持更多的信息顯示需求。LED 點陣顯示屏和 EPD 可以呈現更復雜的信息。LED 點陣可以呈現 RGB 彩色顯示和動畫，而 EPD 可以用于高對比度的灰度顯示，只需要非常少的電力。