LK162A LCD模块与电容式HMI工业控制组合

物联网 (IoT) 发展的一个主要动力就是网络的简化。具有无线链路的传感器节点可以连接数以百万计的器件，从而大幅提高监控水平并实现远程控制，且这一切都无需人工干预。但是有些时候仍然需要人工介入。监控可以提供数据，但通常需要人员亲临现场调整并检查设备的工作情况。

工厂车间的设备可能处于存在污垢和水的恶劣环境中，给操作人员的安全带来风险，因此必需采用密封接口。这种情况推动了对触控界面的需求，其实现方式可以有多种。

实现

对于不使用容易发生故障的传统键盘或机械按钮的物联网环境，构建物理接口有许多不同的方式。从防护等级达到 IP65 的密封触摸屏，到适合特定类型设备的较小屏幕，再到可重新配置的全密封电容式按钮，不一而足。

最简单的解决方案是独立的触摸屏，例如 Crouzet 的 CT104。这款 4.3 英寸的屏幕是一款分辨率为 480 x 272 像素、亮度为 400 cd/m² 的电阻式触摸屏。该装置采用 600 MHz 32 位 ARM® Cortex®-A8 处理器和 128 MB RAM。 为使其能够轻松装入 IoT 应用，厂家针对 Modbus RTU、Modbus TCP/IP（以太网）和 SLin/SLout 工业协议提供预配置驱动程序。通过该装置的 2 线和 4 线 COM 连接器，可以轻松地将其他设备和传感器加入到系统中。 

图 1：CT104 是一款适用于人机接口 (HMI) 应用的全电阻式触摸屏。

对于工业环境而言，电阻式触摸屏实现了性能与可靠性的平衡。触摸屏涂有网格状铟锡氧化物透明线，通过电阻变化来识别触摸点。操作人员可在恶劣的环境中戴着手套使用这些触摸屏，并且网格中使用的线数越多（4、5 或 8），分辨率越高。数据捕获速度决定了用户界面的另一个关键要素，即响应性。

Analog Devices 的 AD7873 是一款具有同步串行接口和低导通电阻开关的 12 位逐次逼近模数转换器 (ADC)，用于驱动 4 线电阻式触摸屏。

在使用 3 伏或 5 伏电源工作且时钟速率为 2 MHz 时，吞吐率将达到 12.5 万次采样/秒。这款转换器提供温度测量功能，在工业环境中可协助补偿经常出现的电阻变化。此外，它还集成了触摸压力测量功能，并具有可用于辅助输入、电池监视器和温度测量模式的板载 2.5 V 电压基准。

同时也可以施加一个 1 V 到 VCC 的外部电压基准，为测量 X、Y 和 Z 面板坐标中任意一点或测量芯片温度建立一个 0 V 至 VREF 的模拟输入范围。多路复用器配置了低电阻开关，此类开关既可让未选定的 ADC 输入通道提供电力，也可让附带的引脚为外部器件提供接地。然而，对于一些测量而言，开关的导通电阻可能会造成误差。使用转换器差分输入和差分基准架构可避免此问题。

该零件提供三种封装：16 引脚 0.15 英寸的四分之一大小外形封装 (QSOP)、16 引脚超薄紧缩小型封装 (TSSOP) 和 16 引脚引线框架芯片级封装 (LFCSP)。

图 2：在电阻式触摸屏设计中采用 AD7873。

图 2 显示 AD7873 在触摸屏控制应用中的典型连接原理图。基准电压的值设定了转换器的输入范围，转换结果首先是输出 MSB，随后是剩下的 11 位和三个尾随零，具体取决于每次转换所使用的时钟个数。

在为物联网提供有效用户界面这一方面，电容式技术也能发挥作用。虽然全触摸屏在戴手套操作或存在污垢的情况下效果不理想，但可以将电容式技术用于按钮来避免这些问题。配合简单的黑白 LCD（例如 Matrix Orbital 的 LK162A），就能使用 Cypress Semiconductor 的 PSoC 系列器件轻松实现可重新配置的按钮系统。

单芯片可编程控制器（例如 CY8C20336A）用于替换多个基于传统微控制器装置 (MCU) 的元器件，旨在减少 HMI 设计的成本和尺寸。

图 3：Matrix Orbital 的 LK162A LCD 模块可与电容式 HMI 控制器组合使用。

PSoC 器件包含可配置的模拟和数字模块以及可编程互连器件，设计人员可以通过该互连器件为每种应用创建定制化外设配置。CPU 内核、闪存程序存储器、SRAM 数据存储器和可配置 I/O 为 HMI 应用提供了基本处理能力。

此外还要加上 CapSense 技术，这项技术可以处理电容感应和扫描而无需外部元器件。这也可以用作密封按钮下的传感器，在工业设计中提供用户界面。LCD 显示屏可以显示按钮功能，且按钮功能可根据显示屏所接收的数据重新配置。

如图 4 所示，该架构主要包含三个区域，由 PSoC 内核、CapSense 系统和系统资源组成。常见的通用总线可以实现 I/O 与模拟系统之间的连接。

图 4：Cypress Semiconductor 的 PSoC 器件将 CapSense 控制器与 CPU 和灵活的模拟多路复用器完美结合。

每个 CY8C20336A 器件都包含为电容感应应用提供感应和扫描控制电路的专用 CapSense 模块。模拟系统则包含内部 1 V 或 1.2 V 模拟基准的电容感应硬件，可与 PSoC 内核一起共同支持最多 28 个输入的电容感应。

该芯片支持的算法之一是 SmartSense，它消除了手动微调 CapSense 应用的需要。这样就可建立、监控并维持所需的全部微调参数。此外它还具有强大的抗噪能力，让设计人员从原型开发到大批量生产全程无需对 PCB 的制造差异和/或覆面材料特性重新进行微调。

相较于 24 MHz M8C CPU 内核，PSoC 内核结合了数据存储 SRAM、中断控制器以及休眠和看门狗定时器。该 CPU 内核是一款 4 MIPS 的 8 位 Harvard 架构微处理器，能够处理控制算法并引脚上电压读数转换为电容值。

设计的第三个要素是灵活的连接到每个 GPIO 引脚的模拟多路复用器。引脚既可单独连接到总线，也可任意组合后连接到总线。 总线还会连接到模拟系统，用于使用 CapSense 模块比较器进行分析。

该多路复用器也可用于滑块和触控板等更加复杂的电容感应界面，并实现任何 I/O 引脚的模拟输入。经过设置后，它还可以提供任意 I/O 引脚组合之间的交叉点连接。这样可避免器件受制于特定的引脚配置，从而提高电路板开发的灵活性。

为了提供按钮受到按压的反馈信息，CY8C20336A 采用具备 14 种不同效果的触觉控制器。这些效果可与三种不同的可选偏心旋转电机 (ERM) 模块配合使用，提供反馈信息。

结论

为物联网构建设备界面有许多方式。可以通过集成方式为电容式按钮组合多个控制器，也可以添加触觉电机向用户提供反馈。性能更高的 ADC 为传统电阻式触摸屏提供了更高的灵敏度和响应性。设计人员可以构建自己的界面、组合按钮和 LCD，并实现分立式触摸屏或集成式模块来显示物联网数据。