工業IoT的下一代人機界面(HMI)塑造

創造物聯網的其中一個設想就是拉近人類與技術之間的距離，實現人機技術的發展。自動化水平的提高無疑是物聯網的一項主要優勢，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。

用戶界面在圖形方面的發展顯而易見。隨著分辨率更高的顯示屏集成到日常設備中，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。最新技術正在消除這種抽象性，讓人機聯系變得前所未有的緊密。

感知反饋

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

電容式觸摸感應是一種概念，可以跨多種介質工作，而非僅僅用于顯示屏。不過，缺少觸覺反饋可能是其反應緩慢的部分原因，至少在某些應用中是這樣。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) 的設備，這款設備在以固有共振頻率驅動時會振動。共振頻率可能因溫度、使用年限或簡單的生產浮動性而有所不同，這是驅動 LRA 所面臨的一個挑戰。Texas Instruments 的 DRV2605L-Q1 是一款符合汽車認證的觸覺驅動器，可供 LRA 和偏心旋轉質量 (ERM) 用于在用戶界面中產生振動。該設備配有已獲得 Immersion Corporation 許可的庫，其中包含 100 多種效果。它集成了應用和控制過驅與制動的電路，這兩項技術均用于提高觸覺體驗。圖 1 為設備的簡化框圖。

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

這款設備通過 I2C 界面或 PWM 信號進行管理，將致動器的反電動勢用作閉環控制系統的一部分，從而提供極其靈活的控制。TI 表示，該設備正在申請專利的智能環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換到開環操作。使用開環控制時，在內部生成 PWM 驅動器波形。除此之外，它還能將音頻波形轉換為有意義的觸感效果。

消噪技術

電容式觸摸感應界面開發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合使用專用電路和高級算法。

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

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

基于 ARM? Cortex?-M3 內核的 PSoC 5LP 最多可提供 62 個 CapSense 傳感器，并采用該公司的 SmartSense 自動微調技術。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備在內的各種設備增加電容式觸摸感應功能。此視頻將演示 CapSense。

三維感測

雖然電容式觸摸感應在技術上不要求用戶與感應表面接觸，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。這一領域最具前景的一項開發來自 Microchip，這項三維手勢控制器形式的開發基于該公司的 GestIC 專利技術。它以近場感應的原理為基礎，結合運動跟蹤和接近檢測來實現三維手勢識別。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。

該技術的接收靈敏度小于 1 fF，可實現高達 150 dpi 的空間分辨率和 200 個位置/秒的移位速率，使其成為各種應用的理想之選。此外，還可以開發一種使用“基本”電極材料的系統，此類材料包括 PCB 印制線、導電箔或導電涂料，甚至是用于標準觸摸感應顯示屏的材料。

Microchip GestIC 技術的顯著優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。此技術可導致“傳統”電容式觸摸感應技術的衰落，使其不再適用于工業應用。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。設備內部嵌入的庫可幫助實現實時和連續操作。這種“始終可用”的感知方法將設備的適用范圍擴大到更加廣泛的應用，包括必須快速響應的應用。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備。此視頻概要說明了這項技術。

Microchip 結合使用其 GestIC 技術與投射式電容感應技術，已開發一款三維觸摸板。該觸摸板配有用于應用和驅動程序開發的 SDK（軟件開發套件）和 API，以及可用于開發流程的 GUI。套件具有“開箱即用”功能集，用于檢測光標和點擊檢測、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。

手勢成像

除語音識別外，在與智能設備交互方面，身體手勢可以提供基本上不受技術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，希望實現手勢識別的 OEM 現在還使用基于視覺的系統。有些系統比較復雜，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就是其中一例。但是，簡單的手勢識別并不一定需要高規格的攝像頭和大量處理能力。

Broadcom Limited 現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機，然后由狀態機對從傳感器接收的數據解碼并將其記錄為手勢（圖 4）。記錄的數據可通過 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。記錄的手勢數據可以通過中斷機制訪問，或通過連續輪詢手勢檢測中斷標記來進行訪問。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。

結論

隨著自動化不斷包納更多傳統操作人員的功能，“用戶體驗”(UX) 在工業 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。

目前提供的新技術得到全面的生態系統和開發環境的支持，有助于成功完成這次轉型。微控制器仍然是系統的核心，如今肩負著為下一代人機界面 (HMI) 塑造用戶界面的重任。