HMI与电容式感应MCU的结合

HMI人机界面在工业中常用来控制和监视设备，没有HMI，很难实现工业自动化控制。在机器人行业中，控制器示教器本质上其实就是一个HMI。任何HMI的主要特性都是允许控制机器，如果接口不控制机器，它就不能称之为HMI。机器人的人机界面种类各式各样，而且不断有新的类型出现。
 
整个工业HMI随着自动化需求的与日俱增，HMI电子器件开始面对一个共同的趋势，就是需要适应越来越多新的和非常规的应用场景。如何在受限的空间尺寸中满足电子元件的配置成为HMI应用中经常出现的一类问题。
 
电容式感应成推动HMI发展关键因素
 
在HMI发展升级的过程中，电容式感应成为了极为关键的推动因素之一。从技术角度来看，电容感应算不上什么新鲜技术，电容式的电子器件已经有了很广泛的应用。电容技术将机械HMI类型的设计推向了更简单、更直接、更光滑的设计，电容感应在恶劣工况下的可靠性也是很关键的原因，它可以在任何介质上（金属、玻璃、塑料和其他材料覆盖层）适应许多不同的形状和尺寸。
 

（电容感应MCU，TI）

 
但将该技术应用至HMI并不是想象中那么容易，不论是功耗、通讯还是噪声都是将电容技术完美融合HMI不可忽视的难点。在电容技术与MCU的结合上，比较出名的是TI的CapTIvate技术。经典款MCU MSP430在通过CapTIvate技术与电容式触控感应结合，时至今日都是很多HMI设计的首选MCU。
 
领先的电容式触控技术会在同一设计中同时使用自电容式和互电容式电极，以最大限度地提高灵活性。仍旧以CapTIvate技术为例，在技术加持下，四路同步快速电极扫描能支持点数高达1024的高分辨率。自电容式和互电容式的同时使用可以大大提高宽电容检测范围，将最大范围提升至300pF左右，体现在HMI上是整个界面在触控上的灵敏，用户体验会随之提高。
 
电容式HMI绕不开的困难
 
1. 尺寸
 
第一个绕不开的问题就是我们最先说到的尺寸问题。不止在工业控制中，在任何HMI的应用里更轻薄的界面都是更受青睐的。即便不考虑传感器的因素，小的PCB设计都是大家首先选择的；考虑到非常小的传感器类型解决方案，空间将更加受限。
 
2. 噪声与功耗
 
感应式的HMI必须够可靠地检测到触摸，当噪音干扰过大时，触摸就无法被准确地检测到。这也是为什么CapTIvate技术会同时采用自电容式和互电容式电极。噪声的存在需要整个器件必须具有在自电容和互电容传感器节点之间进行选择的灵活性，或者根据场景需求灵活配置节点的合适组合。有些则采用集成特殊的电容数字转换器（CDC）的办法，这样能够进行高精度的电容数字转换从而实现灵活的触摸感应。
 
而且如果MCU无法区分实际触摸和噪声干扰，也无法实现低功耗。滤波器在这个环节起到了相当关键的作用。在电容式触控感应MCU中会集成一套可编程混合信号滤波器，整个任务流程都会较快，对实际触摸坐标的响应也会随之加快。在尽可能控制噪声之余还能顺便降低整个系统的资源消耗。
 
功耗是每一类MCU，每一类HMI IC都会碰到的问题，低功耗是大趋势。电容式触摸MCU应该尽可能避免选择会消耗额外电流和时钟周期的硬件。目前电容式感应MCU在功耗上其实都做得比较低了，有功电流的级别在150 µA/MHz已经较为常见，各种睡眠模式的加入进一步降低了整个设计的功耗水品。
 

（图源：Silicon Labs）

 
3. 手势识别
 
手势识别是HMI进一步的功能提升，一般工业控制中的HMI单点触控已经足够了，手势识别在物联网应用中更多。电容式感应MCU可以识别一些简单的手势，并将触控信息在内部直接进行处理，处理算法相对简单。如果是需要额外手势识别的功能，会额外增加一个专用引擎，虽然能降低MCU一点点带宽处理负荷但会增加功耗。
 
小结
 
在受限的空间尺寸里，电容式触控HMI展现了旺盛的生命力，随着功耗、噪声乃至通讯上的性能提升，在工业自动控制中各种形态样式的HMI需求得以实现。这一改变也推动了工业自动化控制对更小更低功耗的IC和HMI的实现。