工业IoT的下一代人机界面(HMI)塑造

Duke 2018-07-06 09:23 次阅读

创造物联网的其中一个设想就是拉近人类与技术之间的距离,实现人机技术的发展。自动化水平的提高无疑是物联网的一项主要优势,但这并不意味着不再需要操作人员。在家庭中,“物”可能变得更加直观,但也更加需要通过不会造成障碍的界面为这种直观提供基础。

用户界面在图形方面的发展显而易见。随着分辨率更高的显示屏集成到日常设备中,用户获得了更加丰富的图形体验。界面的物理方面也在不断发展,以更直观的方式为用户拉近人机距离。在如今使用的用户界面中,键盘可能是部署最为广泛的一种形式,但它存在固有的抽象性。最新技术正在消除这种抽象性,让人机联系变得前所未有的紧密。 

感知反馈

对用户界面技术的讨论肯定少不了对电容式触摸感应的分析。它是智能手机革命在技术上的代名词,同时也在一定程度上受到这场革命的影响。除了电话、平板电脑和车载导航之外,采用电容式触摸感应作为通用用户界面的技术尚未发挥出全部潜能。

电容式触摸感应是一种概念,可以跨多种介质工作,而非仅仅用于显示屏。不过,缺少触觉反馈可能是其反应缓慢的部分原因,至少在某些应用中是这样。但是,这一点也在改变。这里所说的触觉反馈指的是一种人造机械感测,用于模拟按下机械按钮的感觉。

产生这种效果的一个办法是采用名为线性谐振致动器 (LRA) 的设备,这款设备在以固有共振频率驱动时会振动。共振频率可能因温度、使用年限或简单的生产浮动性而有所不同,这是驱动 LRA 所面临的一个挑战。Texas Instruments 的 DRV2605L-Q1 是一款符合汽车认证的触觉驱动器,可供 LRA 和偏心旋转质量 (ERM) 用于在用户界面中产生振动。该设备配有已获得 Immersion Corporation 许可的库,其中包含 100 多种效果。它集成了应用和控制过驱与制动的电路,这两项技术均用于提高触觉体验。图 1 为设备的简化框图。

Texas Instruments DRV2605L-Q1 触觉驱动器的简化框图

图 1: Texas Instruments DRV2605L-Q1 触觉驱动器的简化框图。

这款设备通过 I2C 界面或 PWM 信号进行管理,将致动器的反电动势用作闭环控制系统的一部分,从而提供极其灵活的控制。TI 表示,该设备正在申请专利的智能环路控制算法简化了输入波形,同时还能在所用 LRA 不生成反电动势的情况下自动转换到开环操作。使用开环控制时,在内部生成 PWM 驱动器波形。除此之外,它还能将音频波形转换为有意义的触感效果。

消噪技术

电容式触摸感应界面开发的另一个方面是电气噪声造成的干扰。测量的电容可在微微法拉范围内变化(具体取决于使用的方法),这让工艺极易受到噪声的影响。其解决办法通常是结合使用专用电路和高级算法。

尽管使用“通用”外设生成信号并检测电容变化在技术上是可行的,但是许多面向电容式触摸应用的微控制器现在都推出了包括触摸感应专用硬件的版本。在某些情况下,电容感应技术中使用的方法是对 MCU 所用技术的补充,正如 Cypress Semiconductor 的 CapSense 技术就被用于其可编程片上系统 (PSoC) 设备中(图 2 显示了 PSoC 架构)。这些可编程设备经过配置,可创建数字和模拟两种外设,从而提高了设计灵活性。Cypress 利用这一点创造出了 CapSense,这项技术将开关电容器技术与三角积分调制器相结合,并使用 Cypress 的电容三角积分 (CSD) 感应算法将感应电流转换为数字码。这种专利方法即使在噪声环境中也可实现高灵敏度,接近距离长达 30 cm。

Cypress Semiconductor 的可编程片上系统概念示意图

图 2: Cypress Semiconductor 的可编程片上系统概念可在同一台设备上同时支持可配置的数字和模拟功能。

基于 ARM® Cortex®-M3 内核的 PSoC 5LP 最多可提供 62 个 CapSense 传感器,并采用该公司的 SmartSense 自动微调技术。PSoC 5LP 采用仅消耗 300 nA 电流的低功耗模式,可用于为包括电池供电设备在内的各种设备增加电容式触摸感应功能。此视频将演示 CapSense。

三维感测

虽然电容式触摸感应在技术上不要求用户与感应表面接触,但二者之间的接近依然重要。通过增加用户与感应表面之间的距离,下一波用户界面革新浪潮将会超越近距离感应。这一领域最具前景的一项开发来自 Microchip,这项三维手势控制器形式的开发基于该公司的 GestIC 专利技术。它以近场感应的原理为基础,结合运动跟踪和接近检测来实现三维手势识别。MGC3030/3130(图 3)共采用五个接收电极,通过测量电场变化检测三维移动,而电场变化则由执行 Colibri Gesture Suite 的信号处理单元进行分析。这种高度集成为三维手势识别提供了单芯片解决方案。

Microchip 的 MGC3130 GestIC 控制器示意图

图 3: Microchip 的 MGC3130 GestIC 控制器提供三维手势检测。

该技术的接收灵敏度小于 1 fF,可实现高达 150 dpi 的空间分辨率和 200 个位置/秒的移位速率,使其成为各种应用的理想之选。此外,还可以开发一种使用“基本”电极材料的系统,此类材料包括 PCB 印制线、导电箔或导电涂料,甚至是用于标准触摸感应显示屏的材料。

Microchip GestIC 技术的显著优势在于其具有良好的噪声抗扰度,而且不受手套等衣物的影响。此技术可导致“传统”电容式触摸感应技术的衰落,使其不再适用于工业应用。Colibri 软件套件包含接近检测、位置跟踪和手势识别,可识别的手势包括滑动、圆形和符号手势。设备内部嵌入的库可帮助实现实时和连续操作。这种“始终可用”的感知方法将设备的适用范围扩大到更加广泛的应用,包括必须快速响应的应用。Microchip 称,GestIC 控制器的低功耗特性意味着它可用于电池供电的设备。此视频概要说明了这项技术。

Microchip 结合使用其 GestIC 技术与投射式电容感应技术,已开发一款三维触摸板。该触摸板配有用于应用和驱动程序开发的 SDK(软件开发套件)和 API,以及可用于开发流程的 GUI。套件具有“开箱即用”功能集,用于检测光标和点击检测、双指开合缩放和上/下滚动,以及三维手势识别。此外,该 SDK 还能进行新手势的开发。

手势成像

语音识别外,在与智能设备交互方面,身体手势可以提供基本上不受技术限制的非接触式控制,因此可能是最自然的交互途径。除了电容感应,希望实现手势识别的 OEM 现在还使用基于视觉的系统。有些系统比较复杂,采用高清摄像头和运行于强大处理器上的大型算法。目前许多汽车中提供的高级辅助驾驶系统就是其中一例。但是,简单的手势识别并不一定需要高规格的摄像头和大量处理能力。

Broadcom Limited 现在提供一款特别精巧的解决方案,即 APDS-9500。这款 18 引脚表面贴装小型传感器(只有 6.87 x 3.76 x 2.86 mm 大小)不仅可检测接近度,还可识别九种不同的手势,包括向上、向下、向左、向右、靠近和后退,以及顺时针/逆时针。该设备基于图像,因此不依赖于检测对象来改变电容场,这意味着该设备也可用于检测门窗等对象的移动。

它集成了一个基于光电二极管且通过 I2C 界面进行配置和控制的传感器,该传感器的输出将反馈到状态机,然后由状态机对从传感器接收的数据解码并将其记录为手势(图 4)。记录的数据可通过 SPI 界面访问,且可选择 120 Hz(正常模式)或 240 Hz(游戏模式)的手势更新率。记录的手势数据可以通过中断机制访问,或通过连续轮询手势检测中断标记来进行访问。接近检测模式以 10 Hz 的更新率工作,并采用脉冲为 8 µs 的 LED,峰值电流为 760 mA。

Broadcom Limited 的 APDS-9500 示意图

图 4: Broadcom Limited 的 APDS-9500 在微小的外形中集成手势识别功能。

结论

随着自动化不断包纳更多传统操作人员的功能,“用户体验”(UX) 在工业 IoT 中变得日益重要。与机器高效交流的需要并没有消失,而是在彻底改变。

目前提供的新技术得到全面的生态系统和开发环境的支持,有助于成功完成这次转型。微控制器仍然是系统的核心,如今肩负着为下一代人机界面 (HMI) 塑造用户界面的重任。

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