相反出現了一些新的選擇，比如使用一組定制化配置的專(zhuān)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在流行的觸摸屏界面，它們在很多新型應用中被不斷列入設計考量之中。

 

有兩方面的原因促進(jìn)了觸摸屏的發(fā)展。首先，由于智能手機和汽車(chē)控制臺應用帶來(lái)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，因為屏幕顯示器可以進(jìn)行動(dòng)態(tài)重配置，以在每一步用戶(hù)輸入過(guò)程中顯示不同的軟按鍵。這為初始設計帶來(lái)了更大的靈活性并提升了用戶(hù)交互性。此外，用戶(hù)已非常習慣于使用觸摸屏，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(mén)之選（圖1）。

 

圖1：布滿(mǎn)傳感器和控制器的智能家居借助于多方技術(shù)的進(jìn)步已成為現實(shí)；即使支持遠程智能手機控制的系統也都依賴(lài)于專(zhuān)用控制面板來(lái)實(shí)現室內應用和設置。

 

當然，用戶(hù)界面并不受限于觸摸屏技術(shù)。一些供應商正在極力投入到其他技術(shù)的研發(fā)中，例如用戶(hù)聲音命令和手勢/觸覺(jué)。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用。不過(guò)，可能在一些特殊場(chǎng)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。

 

 

觸摸屏可采用電阻或電容技術(shù)。簡(jiǎn)單來(lái)說(shuō)，電阻傳感使用薄型、彈性材料的透明導電塑料頂層，而與導電的玻璃層相分離（見(jiàn)圖2）。在用戶(hù)按壓頂層時(shí)，兩個(gè)導電面便會(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)導電路徑，可通過(guò)測量所產(chǎn)生的電阻來(lái)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，底層被一組導電網(wǎng)格線(xiàn)所覆蓋（見(jiàn)圖3）。當用戶(hù)手指觸摸容性表面的玻璃時(shí)，手指自身的電容將會(huì )導致局部靜電場(chǎng)產(chǎn)生失真（因為人體是一個(gè)電荷導體）。觸摸屏控制器將監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電層之間形成的電磁場(chǎng)發(fā)生失真。

 

每一種方法都根據要求，在性能、用戶(hù)體驗和成本之間進(jìn)行權衡。一般來(lái)說(shuō)，電容技術(shù)對于中小型屏幕（最大約10英寸）而言更加合算，因為其成本會(huì )隨著(zhù)尺寸而明顯增大。它支持多指操作、高級手勢以及放大/縮小等操作，但對于家庭自動(dòng)化或智能設備的用戶(hù)體驗而言，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，這是因為底層圖形源與頂層之間相隔的層數較少。同樣，這個(gè)特性對于大多數光線(xiàn)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，但對于采用交流電源的家庭自動(dòng)化系統或觸摸屏只是更大裝置一部分的應用場(chǎng)合而言，低功耗所凸顯出來(lái)的優(yōu)勢就不如在現場(chǎng)手持設備中的重要了。對于大多數家庭自動(dòng)化控制器和電器設計，電阻觸摸屏憑借著(zhù)工藝特性與成本優(yōu)勢，在未來(lái)一段時(shí)間里將成為首選。

 

對于家用電器，我們應牢記其預定義、功能受限需求的含義。不同于智能手機中用戶(hù)觸摸屏界面必須要能夠處理web頁(yè)面、電子郵件和視頻等隨機和不確定情況，家用電器或家庭控制器的人機界面（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(hù)軟鍵，所有這些都是可以預先定義好的。這意味著(zhù)，對于縮放或手指拖放等額外特性，并不需要有更加復雜、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(jiàn)圖4）。該芯片可與各種傳統的4線(xiàn)制電阻觸摸屏搭配使用，能夠檢測X/Y坐標，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。它搭載了一個(gè)專(zhuān)用的嵌入式CPU進(jìn)行噪聲濾除、坐標計算以及手勢檢測，從而減輕了系統處理器的工作（及相關(guān)編碼/調試操作）。

 

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用，采用一組觸摸感應按鈕即可滿(mǎn)足其對用戶(hù)界面的要求。這降低了BOM成本和物理連接數，所帶來(lái)的密封表面相較于分立式機械開(kāi)關(guān)具有更大的可靠性。針對這類(lèi)設計，Cypress Semiconductor推出的CY8CMBR2016 CapSense Express 16鍵矩陣控制器（見(jiàn)圖5），可輕松搭配電容觸摸用戶(hù)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)調校算法，因而無(wú)需手動(dòng)“調節”其響應，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)行補償。這也就縮短了開(kāi)發(fā)和生產(chǎn)周期。此器件支持多達16個(gè)可以任意布局（如線(xiàn)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，設計人員可替換掉機械開(kāi)關(guān)，或快速升級并改良火災報警器控制面板、安防系統甚至是門(mén)鎖上的現有的鍵盤(pán)式應用。

 

圖4：ROHM BU21021GUL電阻觸摸屏控制器搭載一個(gè)專(zhuān)用處理器，通過(guò)嵌入式算法來(lái)執行噪聲濾除和觸摸評估等操作，進(jìn)而可避免系統處理器處理這些專(zhuān)門(mén)的繁重工作。

 

圖5：Cypress Semiconductor CY8CMBR2016 CapSense Express 16鍵矩陣控制器設計用來(lái)將分立式機電開(kāi)關(guān)輕松升級到密封式電容開(kāi)關(guān)，非常適用于需要有限功能的應用場(chǎng)合，如微波爐或洗碗機。

 

 

當然，用戶(hù)界面需要連接到更大的系統才能發(fā)揮其用途。這可通過(guò)專(zhuān)用硬件連接、USB端口等標準硬件接口或無(wú)線(xiàn)連接等來(lái)實(shí)現。具體的選擇多取決于應用、位置、用戶(hù)與界面的交互方式，以及成本和物理兼容性問(wèn)題等常見(jiàn)因素。

 

在很多情況下，無(wú)線(xiàn)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(hù)界面需與家庭范圍內的無(wú)線(xiàn)系統進(jìn)行交互。其與系統控制器的連接本身也需要是無(wú)線(xiàn)形式的，這是因為在墻內進(jìn)行網(wǎng)絡(luò )布線(xiàn)不僅成本高昂，而且安裝起來(lái)也是一件頭疼的事。此外，控制面板可能還需要支持多個(gè)標準協(xié)議，如藍牙、WiFi以及供應商定義的專(zhuān)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、獨立完整的模塊，能夠為互聯(lián)網(wǎng)(2.4GHz IEEE 802.11b/g/n）提供簡(jiǎn)單的串行至網(wǎng)絡(luò )連接。

 

這些模塊采用Broadcom公司的“嵌入式設備無(wú)線(xiàn)互聯(lián)網(wǎng)連接”( WICED）架構，并具有Wi-Fi、TCP/IP網(wǎng)絡(luò )棧、安全固件以及其他網(wǎng)絡(luò )應用特性。在進(jìn)行開(kāi)發(fā)時(shí)，模塊還支持Murata的簡(jiǎn)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(hù)控制面板還需要為警報系統節點(diǎn)（比如門(mén)、窗和溫度傳感器）等專(zhuān)用外部點(diǎn)提供無(wú)線(xiàn)接口。這些無(wú)線(xiàn)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(lái)節省功率并降低成本，或者保持其專(zhuān)有市場(chǎng)地位。例如，很多用于家庭自動(dòng)化、智能樓宇或報警系統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(lèi)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、兩級頻移鍵控（FSK)和高斯頻移鍵控(GFSK）調制及9.6 kbps至300 kbps適中的數據速率工作。因為此器件主要用于由電池或能量收集電源供電、家庭或辦公場(chǎng)合下使用的遠程傳感器，所以非常需要低功耗操作，尤其是在這些場(chǎng)合下經(jīng)常出現的長(cháng)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(mǎn)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“監聽(tīng)與智能喚醒”模式——在該模式下，ADF7024以高達300 kbps的速率檢測并接收數據包，且僅需11.75μA的電流。請注意，即使無(wú)線(xiàn)收發(fā)器不需要滿(mǎn)足Wi-Fi、ZigBee或 Bluetooth等標準所設定的技術(shù)要求，它仍需滿(mǎn)足各種免許可運營(yíng)的法規要求。ADF7024滿(mǎn)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(wú)線(xiàn)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(hù)觸摸屏連接到設備等情況。其中一些原因包括成本、不必要的復雜度、EMI/RFI敏感性問(wèn)題（設備本身是主要噪聲源，尤其在具有電機和需要瞬時(shí)打開(kāi)/關(guān)閉時(shí)）、附近同頻段無(wú)線(xiàn)設備可能的通道干擾，以及協(xié)議和設置問(wèn)題。

 

如果控制面板在物理上是洗碗機等裝置（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(wú)線(xiàn)內部鏈接也許是解決潛在的設計難題、高成本以及性能一致性問(wèn)題的解決方案。設計上可通過(guò)一小段電線(xiàn)或電纜實(shí)現，因為互連介質(zhì)通常是實(shí)現高性能、低成本及可靠操作的最簡(jiǎn)單直接的方法。

 

將標準USB接口用作互連將提供某些產(chǎn)品設計優(yōu)勢。市面上提供了多種開(kāi)發(fā)工具，允許獨立于產(chǎn)品其他功能的開(kāi)發(fā)或與之同時(shí)進(jìn)行用戶(hù)面板的編程和調試。使用標準端口還能將產(chǎn)品系列模塊化，從而能輕松提供各種設備用戶(hù)界面。因此，一個(gè)用戶(hù)面板硬件便可滿(mǎn)足一個(gè)家庭中具有不同屏幕交互和軟鍵需求的各種設備。

 

此外，標準USB接口允許現場(chǎng)服務(wù)人員斷開(kāi)工廠(chǎng)提供的用戶(hù)面板，然后與具有高級診斷功能的筆記本電腦相連。在發(fā)現原始操作固件發(fā)生問(wèn)題（又名bug）時(shí)，這個(gè)能力可簡(jiǎn)化現場(chǎng)設備固件升級操作。這類(lèi)升級的潛在需求正日益成為一個(gè)擾人問(wèn)題，因為就連基本設備也具備基于軟件的復雜特性。即使設備在安裝時(shí)沒(méi)有可用的互聯(lián)網(wǎng)連接來(lái)下載更新固件，也必須進(jìn)行現場(chǎng)修復；因此可選擇通過(guò)USB端口和服務(wù)代表來(lái)訪(fǎng)建立物理連接。

 

然而，對于洗碗機和冰箱等設備，基本的USB連接器可能不夠堅固耐用。即使在很多情況下家庭是一個(gè)相當溫和的環(huán)境，但連接器仍可能處于振動(dòng)、潮濕、布滿(mǎn)灰塵或其他惡劣環(huán)境中。當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(jiàn)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(méi)于水下和灰塵環(huán)境下而導致的損壞。通過(guò)在該設計中配備一個(gè)與標準插頭插銷(xiāo)相匹配的凹槽，此連接器便能夠如同常規Micro USB連接器始終保持與插頭匹配。此外，其金屬加強板可防止連接器內部包含觸點(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用中。這種安裝方式在機械完整性方面優(yōu)于依賴(lài)于引線(xiàn)與過(guò)孔電路板安裝方式或通過(guò)表面凸塊和PCB焊盤(pán)的連接方式。

 

圖8：連接器需求往往在設計后期才會(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備安裝環(huán)境中所需的互聯(lián)與安裝完整性。

 

除了用戶(hù)接口，整合性與功能上的進(jìn)步也使得將觸摸顯示器、單獨的觸摸開(kāi)關(guān)（如果需要）與實(shí)際控制電子器件結合起來(lái)更加實(shí)際和方便。這簡(jiǎn)化了用戶(hù)能看到的設計部分與用戶(hù)無(wú)法看到的電路之間的封裝與連接問(wèn)題。用于顯示屏與前面板的接口電子器件以及系統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，這樣對于應用和安裝方才有用。

 

即使用戶(hù)接口面板與其他電子元器件在物理上是隔離的，這也是洗碗機或冰箱中的大功率電機控制和高壓電子元器件通常采用的方式，設計人員在配置和封裝時(shí)也有了更大的靈活性。當然，這是一個(gè)不斷反復的情況，因為他們還想再添加一些其他功能和特性，這相應也就需要有更新的靈活性。

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