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再见,QWERTY键盘:智能家居用户界面迎来触摸屏时代

Bill Schweber?? 2015年11月27日 ?? 收藏0
就在不久前,那些“恐惧因素(fear-factor)”专家还在预言由于过度、无休止地使用QWERTY键盘,将会有一种被称为腕管综合征的“流行病”的发生(是的,曾一度流行过这一说法)。但现在不用担心了,这倒不是因为人机界面(HMI)的需求减少了。

相反是出现了一些其他选择,QWERTY键盘在消费电子产品中的角色将逐渐被其他界面所取代。一种方法就是使用一组定制化配置的专业触摸按键,并借助于一个塑料膜,让一切都保持干净并可清洗,比如很多微波炉上所使用的按键。另一种方法是使用现在流行的触摸屏界面,它正在很多新型应用中被不断列入设计考量之中。

有两方面的原因促进了触摸屏的发展。首先,由于智能手机和汽车控制台应用带来的大批量生产和技术进步,成本得到降低。其次是灵活性,因为屏幕显示器可以进行动态重配置,以在每一步用户输入过程中显示不同的软按键。这为初始设计带来了更大的灵活性并提升了用户交互性。此外,用户已非常习惯于使用触摸屏,并将其广泛用于平板电脑、ATM、气泵等领域,因此它成为了安防系统控制面板、智能温控界面甚至是集成智能家居控制器等各种家庭自动化装置的热门之选(图1)。

图1:布满传感器和控制器的智能家居借助于多方技术的进步已成为现实;即使支持远程智能手机控制的系统也都依赖于专用控制面板来实现室内应用和设置。
图1:布满传感器和控制器的智能家居借助于多方技术的进步已成为现实;即使支持远程智能手机控制的系统也都依赖于专用控制面板来实现室内应用和设置。

当然,用户界面并不受限于触摸屏技术。一些供应商正在极力投入到其他技术的研发中,例如用户声音命令和手势/触觉。但迄今为止,这些技术尚不具备足够的功能、一致性、效益或成本优势,使其可跻身大众化家居应用。不过,可能在一些特殊场合下它们还是具有一定优势的,例如针对一些特殊的残障人士。

电阻屏还是电容屏?

触摸屏可采用电阻或电容技术。简单来说,电阻传感使用薄型、弹性材料的透明导电塑料顶层,而与导电的玻璃层相分离(见图2)。在用户按压顶层时,两个导电面便会发生接触,而电阻路径由触摸屏控制器沿X轴和Y轴进行测量,以确定按压点。

图2:电阻触摸屏使用一对导电透明层;按下有弹性的顶层将在两个层之间产生一个导电路径,可通过测量所产生的电阻来确定手指的接触点。
图2:电阻触摸屏使用一对导电透明层;按下有弹性的顶层将在两个层之间产生一个导电路径,可通过测量所产生的电阻来确定手指的接触点。

电容触摸屏同样也是由两个分离的导电层组成,但这两层均为非弹性玻璃;有一种变化形式是,底层被一组导电网格线所覆盖(见图3)。当用户手指触摸容性表面的玻璃时,手指自身的电容将会导致局部静电场产生失真(因为人体是一个电荷导体)。触摸屏控制器将监测失真所造成的电容变化,同样是测量X和Y两个方向,以确定手指触摸屏幕的位置。

图3:对于电容触摸屏,手指接近将使绝缘层与导电层之间形成的电磁场发生失真。
图3:对于电容触摸屏,手指接近将使绝缘层与导电层之间形成的电磁场发生失真。

每一种方法都根据要求,在性能、用户体验和成本之间进行权衡。一般来说,电容技术对于中小型屏幕(最大约10英寸)而言更加合算,因为其成本会随着尺寸而明显增大。它支持多指操作、高级手势以及放大/缩小等操作,但对于家庭自动化或智能设备的用户体验而言,这些操作往往并不需要。

相较于电阻显示屏,电容显示屏的亮度更高,这是因为底层图形源与顶层之间相隔的层数较少。同样,这个特性对于大多数光线较好的家居环境而言并不是关键因素。不同于电阻触摸屏顶层较薄而且要用手指按压,电容触摸屏顶层较厚且采用防刮玻璃,因而也更坚固耐用。

最后,对于同样的尺寸,电容技术比电阻技术对功率的要求更低。虽然低功耗往往是一个正指标,但对于采用交流电源的家庭自动化系统或触摸屏只是更大装置一部分的应用场合而言,低功耗所凸显出来的优势就不如在现场手持设备中的重要了。对于大多数家庭自动化控制器和电器设计,电阻触摸屏凭借着工艺特性与成本优势,在未来一段时间里将成为首选。

对于家用电器,我们应牢记其预定义、功能受限需求的含义。不同于智能手机中用户触摸屏界面必须要能够处理web页面、电子邮件和视频等随机和不确定情况,家用电器或家庭控制器的人机界面(HMI)功能更加受限。它只需要支持一组有限的特性、功能和用户软键,所有这些都是可以预先定义好的。这意味着,对于缩放或手指拖放等额外特性,并不需要有更加复杂、具有附加功能的触摸屏解决方案。

ROHM BU21021GUL触摸屏控制器是一种典型的电阻界面(见图4)。该芯片可与各种传统的4线制电阻触摸屏搭配使用,能够检测X/Y坐标,包括单点检测模式下的触摸压力以及两点检测模式下的一对X/Y坐标。它搭载了一个专用的嵌入式CPU进行噪声滤除、坐标计算以及手势检测,从而减轻了系统处理器的工作(及相关编码/调试操作)。

对于很多家庭自动化和家用电器等不需要触摸屏可以提供的所有功能的应用,采用一组触摸感应按钮即可满足其对用户界面的要求。这降低了BOM成本和物理连接数,所带来的密封表面相较于分立式机械开关具有更大的可靠性。针对这类设计,Cypress Semiconductor推出的CY8CMBR2016 CapSense Express 16键矩阵控制器(见图5),可轻松搭配电容触摸用户面板使用。这是一款硬件可配置IC,不需要任何的软件工具、固件编码或器件编程操作。

Cypress CapSense控制器采用Cypress的SmartSense自动调校算法,因而无需手动“调节”其响应,并对按键和相关印刷电路板中不可避免的电容变化进行补偿。这也就缩短了开发和生产周期。此器件支持多达16个可以任意布局(如线性或矩阵阵列)的电容触摸按键。借助于其向后兼容的按键扫描界面,设计人员可替换掉机械开关,或快速升级并改良火灾报警器控制面板、安防系统甚至是门锁上的现有的键盘式应用。

图4:ROHM BU21021GUL电阻触摸屏控制器搭载一个专用处理器,通过嵌入式算法来执行噪声滤除和触摸评估等操作,进而可避免系统处理器处理这些专门的繁重工作。
图4:ROHM BU21021GUL电阻触摸屏控制器搭载一个专用处理器,通过嵌入式算法来执行噪声滤除和触摸评估等操作,进而可避免系统处理器处理这些专门的繁重工作。

图5:Cypress Semiconductor CY8CMBR2016 CapSense Express 16键矩阵控制器设计用来将分立式机电开关轻松升级到密封式电容开关,非常适用于需要有限功能的应用场合,如微波炉或洗碗机。
图5:Cypress Semiconductor CY8CMBR2016 CapSense Express 16键矩阵控制器设计用来将分立式机电开关轻松升级到密封式电容开关,非常适用于需要有限功能的应用场合,如微波炉或洗碗机。

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《电子技术设计》12月刊版权所有,谢绝转载。


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