采用电容触控技术简化智能音箱的人机界面

概述

不久的将来，智能音箱和家庭助手将随处可见。根据朱尼普研究公司的数据显示，在2022年前，将有超过7000万的美国家庭安装至少一台智能音箱。

自从2015年首次推出以来，智能音箱的功能已经有了显著提升。音箱可向用户传递音频内容，这仍是消费者为他们的家庭添置一台（或多台）音箱的主要原因。这些音箱配有声控数字助手，可与用户保持“通信”。音箱上的其他物理控制装置必须既保持简单的特性，同时仍可以启用所需的功能。这些控制装置包括简单的电源ON/OFF按钮，音量控制滑块/滚轮，跳过或重复音轨的按钮，麦克风静音按钮等。

感谢“Alexa”、“Hey Siri”和“OK Google”等语音唤醒指令，语音作为与设备互动的手段变得十分流行。智能音箱之所以能迅速受到消费者的追捧，主要原因之一就是它可以从根本上简化与其互动的过程。基本功能的按钮非常少，大部分都是通过语音指令进行互动。

莱昂纳多·达芬奇曾经说过“至繁归于至简。”在21世纪运用这种设计理念，即意味着应该尽可能简化人机界面，并且需要保持直观的设计风格。此外，由于语音是首选界面，因此设计人员必须在界面设计过程中凸显出明显的差异性。图1是传统的智能扬声器HMI。

电容触控功能可使设计人员在产品设计中采用独特的功能并使产品充满竞争激烈的市场中脱颖而出。本文将介绍如何使用带CapTIvate™触控技术的德州仪器（TI）MSP430™微控制器（MCU）实现差异化功能。

图1.具有基本HMI的典型智能音箱。

采用CapTIvate技术的MSP430™电容触控传感MCU

TI MSP430 MCU采用CapTIvate 技术，使得触控设计具有一个集成的功能丰富的电容传感外设。该外设采用高度可靠的超低功耗设计，且不会影响触控功能，使其成为具有流畅HMI的电池供电应用的理想选择。可配置的CapTIvate 外设同样也支持自电容和交互电容的测量拓扑结构，使设计人员可在带单一MCU的同一个独特界面的设计中利用每种拓扑的优点。可耐高分贝噪音的全功能可编程MCU和全面的生态系统使得带CapTIvate技术的MSP430 MCU从众多电容触控控制器中脱颖而出。

MSP430 CapTIvate MCU可通过以下方式显著提高智能扬声器中的潜在功能：

l 机械按钮替换。随着消费者越来越适应产品上的电容触控按钮，嵌入式系统设计人员开始意识到使用电容触控按钮代替机械按钮的好处。例如，你可以使用电容触控按钮代替智能扬声器上的四个按钮，使用单个MSP430 CapTIvate MCU可感知每个电容触控按钮。这可以大大节省按钮成本，制造剪切按钮的顶部表面的成本，及简化装配流程的成本。

l 高级输入，例如滑块和滚轮MSP430 CapTIvate MCU使系统设计人员能够采用先进的输入机制，如滑块和滚轮，控制设备上的不同功能。例如，敲击可以打开和关闭麦克风，滑动滑块可以跳过或倒回音轨，轮式传感器上的旋转触控动作可以增加或减小音量。如果没有电容感应控制器，则无法为这些手势机制提供支持。该培训视频介绍了MSP430 CapTIvate MCU上一些3-D手势。

l 近距离检测。MSP430 CapTIvate MCU还具有近距离检测功能，使得只要用户将手放在设备附近，LED环就可以开启和/或问候用户。这项技术为智能音箱设计提供了一个令人惊叹的增强功能。

l 提升美学效果。无需切割顶面上的按钮孔是另一项显著的优点：设计人员可以灵活设计，使得表面呈现出更加美观的效果。它甚至不需要保持表面完全平坦；富有创意的设计人员可以尝试不同的形状和材料，从而采取可提升功能和吸引力的设计，以最大程度获得市场的青睐。MSP430 CapTIvate MCU可实现金属触控、玻璃触控、木材触控和塑料触控。

l 提升可靠性。触控和接近探测的可靠性是保持智能扬声器HMI的简单朴素特性的关键要素。

图2.优雅的HMI可在市场上脱颖而出。

许多噪声源对可靠地检测电容触控构成严重挑战。智能扬声器通常具有Wi-Fi®和/或蓝牙®连接，这会增加电磁噪声。MSP430 CapTIvate MCU结合信号处理算法，低噪声硬件设计和噪声避免技术，确保产品具有出色的抗噪能力。CapTIvate技术采用配备了跳频振荡器的基于积分器的电荷转移引擎，及寄生电容校正和扩频时钟调制来提高抗噪能力。CapTIvate软件库可提供了几种信号处理算法，用以提高触控或接近探测的稳健性。这包括多频算法，无限脉冲响应（IIR）滤波器，防回跳机制和动态阈值调整。此参考设计展示了一种耐噪声电容触摸HMI设计，同时该视频还介绍了CapTIvate MCU的所有抗噪特性。

l 防潮湿功能。人们在浴室，厨房和泳池边使用传统的蓝牙扬声器已经有段时间了。我们期望智能扬声器能够效法，但这意味着要增加智能扬声器的耐湿性。完全密封电容触控控制器的顶面确实有效，因此带有机械按钮的设备必须采取成本高昂的措施才能具有耐湿性。MSP430 CapTIvate MCU可以在有湿气的环境中可靠地进行触控探测或接近探测。该酷炫的视频展示了MSP430 CapTIvate MCU的耐湿性。

l 低功耗。具有Wi-Fi连接的智能扬声器通常采用墙上插座供电，因此它们通常不满足低功耗的要求。但是，从用户的角度来看，这限制了扬声器的便携性。智能扬声器采用电池供电，需要重新设计设备架构，同时采取更复杂的电源管理方案以延长电池寿命。事实上，部分制造商生产的便携式智能扬声器，其充电电池的运行时间大约为10到12小时。

这些设备中的电容触控控制器需要尽可能降低功耗，同时仍能进行触控探测或近距离探测。采用CapTIvate技术的MSP430 MCU是功耗最低的电容触控传感解决方案，每个按键电流小于2μA/ avg。MCU还支持唤醒触控或唤醒近距离探测，因此您可以将大多数耗电处理器设置成深度低功耗模式，直到被触控或近距离事件激活。查看该参考设计，它展示了玻璃低功耗触控。

此外，我们新推出的CapTIvate MCU产品线将电容传感功能引入成本敏感的应用之中。带有集成电容触控的全新MSP430FR2522和MSP430FR2512 MCU可为语音激活的家庭自动化系统，音频应用等提供多达16个按钮和近距离感应功能。该设备专为对成本敏感的应用而设计。

新型CapTIvate 触控MCU的主要特点和优势：

l 经济实惠的电容触控MCU：设计人员现在可以使用MSP430FR2522 / MSP430FR2512 MCU将电容触控和近距离感应的优点添加到成本敏感的应用中。

l 缩短上市的时间：开发人员可以通过在线CapTIvate技术指南和TI E2E™社区支持，借助众多的MCU，易于使用的工具，软件，参考设计和文档，快速评估其应用的电容传感。头脑风暴你自己的应用程序。运用自己的创造力，只需5分钟，就可使用CapTIvate设计中心创建自己的杰作。为了进行快速评估，现在可以使用CAPKEYPAD BoosterPack™插件模块。BoosterPack模块可与LaunchPad™开发套件，CapTIvate开发套件（MSP-CAPTFR2633）或CapTIvate编程器板（CAPTIVATE-PGMR）一起使用，从而实现最大程度的灵活性。

集成电容传感技术是芯片上10位SAR ADC，GPIO，定时器，多个串行接口（I2C，SPI，UART）的完整MCU的一部分，可采用TSSOP和QFN封装。

结论

具有CapTIvate技术的TI MSP430 MCU采用了目前最具抗噪性的电容传感技术。MCU将按钮，滑块，滚轮和近距离感应接口配置组合在一起，同时具有超低功耗，可打造出引人注目但又简单的接口。富有创意的设计人员可以使用这项技术，以增强他们即将推出的智能扬声器的设计，从而在已经取得巨大成功的基础上进一步提高其在全球的覆盖范围。