工业iot场景（iot工厂）

创建物联网的思路之一就是缩短人与技术的距离，实现人机技术的发展。自动化程度的提高无疑是物联网的一大优势，但这并不意味着不再需要操作员。在家里，“事物”可能会变得更加直观，但也更需要通过不造成障碍的界面为这种直觉提供基础。

用户界面在图形方面的演变是显而易见的。随着更高分辨率的显示器集成到日常设备中，用户可以获得更丰富的图形体验。界面的物理方面也在不断发展，让用户以更直观的方式更接近机器。键盘可能是当今使用最广泛的用户界面形式，但它本质上是抽象的。最新的技术正在消除这种抽象，使人与机器之间的联系比以往任何时候都更加亲密。

感知反馈

如果不分析电容式触摸感应，对用户界面技术的讨论就不完整。从技术上来说，它是智能手机革命的代名词，并且在一定程度上也受到了智能手机革命的影响。除了手机、平板电脑和汽车导航之外，使用电容式触摸感应作为通用用户界面的技术尚未充分发挥其潜力。

电容式触摸感应是一个适用于多种媒体而不仅仅是显示器的概念。然而，缺乏触觉反馈可能是其响应缓慢的部分原因，至少在某些应用中是这样。然而，这种情况也在发生变化。这里所说的触觉反馈是指模拟按下机械按钮的感觉的人工机械传感。

产生这种效果的一种方法是使用一种称为线性谐振执行器(LRA) 的设备，该设备在以其自然谐振频率驱动时会振动。谐振频率可能会根据温度、寿命或简单的生产变化而变化，这在驱动LRA 时是一个挑战。 Texas Instruments 的DRV2605L-Q1 是一款符合汽车标准的触觉驱动器，LRA 和偏心旋转质量(ERM) 可以使用它在用户界面中产生振动。该设备附带由Immersion Corporation 授权的库，其中包含100 多种效果。它集成了应用和控制超速和制动的电路，这两种技术都用于增强触觉体验。图1 是该器件的简化框图。

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

该设备通过I2C 接口或PWM 信号进行管理，使用执行器的反电动势作为闭环控制系统的一部分，提供极其灵活的控制。 TI 表示，该器件正在申请专利的智能环路控制算法可简化输入波形，同时在所使用的LRA 不产生反电动势时自动转换为开环操作。当使用开环控制时，PWM 驱动器波形是在内部生成的。除此之外，它将音频波形转换为有意义的触觉效果。

消噪技术

电容式触摸感应接口开发的另一个方面是电噪声引起的干扰。测量的电容可能在皮法范围内变化（取决于所使用的方法），使得该过程极易受到噪声的影响。该解决方案通常是专用电路和高级算法的组合。

尽管在技术上可以使用“通用”外设来生成信号并检测电容变化，但许多针对电容式触摸应用的微控制器现在都提供包含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与MCU 中使用的方法是互补的，因为Cypress Semiconductor 的CapSense 技术用于其可编程片上系统(PSoC) 器件（图2 显示了PSoC 架构）。这些可编程器件可配置为创建数字和模拟外设，从而提高设计灵活性。赛普拉斯利用这一点创建了CapSense，它将开关电容器技术与- 调制器相结合，并使用赛普拉斯的电容式- (CSD) 感应算法将感测到的电流转换为数字代码。该专利方法即使在嘈杂的环境中也能实现高灵敏度，近距离可达30 厘米。

图2：Cypress Semiconductor 的可编程片上系统概念支持同一器件上的可配置数字和模拟功能。

PSoC 5LP 基于ARM Cortex-M3 内核，提供多达62 个CapSense 传感器，并采用该公司的SmartSense 自动调节技术。 PSoC 5LP 具有低功耗模式，功耗仅为300 nA，可用于为各种设备（包括电池供电设备）添加电容式触摸感应功能。该视频演示了CapSense。

三维感测

尽管电容式触摸感应在技术上不需要用户接触感应表面，但两者之间的接近度仍然很重要。下一波用户界面创新将超越接近传感，增加用户与传感表面之间的距离。该领域最有前途的开发成果之一来自Microchip，其形式是基于该公司专利GestIC 技术的三维手势控制器。它基于近场传感原理，结合运动跟踪和接近检测来实现三维手势识别。 MGC3030/3130（图3）总共使用五个接收电极，通过测量电场变化来检测三维运动，并由执行Colibri Gesture Suite 的信号处理单元进行分析。这种高集成度为3D 手势识别提供了单芯片解决方案。

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低于1 fF，空间分辨率高达150 dpi，移位速率为200 个位置/秒，非常适合各种应用。或者，可以使用“基本”电极材料（例如PCB 迹线、导电箔或导电涂料，甚至标准触敏显示器中使用的材料）开发系统。

Microchip GestIC 技术的一个显着优势是具有良好的抗噪性，并且不受手套等衣物的影响。该技术可能会导致“传统”电容式触摸传感技术的衰落，使其不适合工业应用。 Colibri 软件套件包括接近检测、位置跟踪以及滑动、圆圈和符号手势的手势识别。设备中嵌入的库有助于实现实时和连续操作。这种“始终在线”的传感方法将设备的适用性扩展到更广泛的应用，包括那些必须快速响应的应用。 Microchip 表示，GestIC 控制器的低功耗特性意味着它可以用于电池供电的设备。该视频提供了该技术的概述。

Microchip 结合其GestIC 技术和投射电容传感技术开发了一款三维触摸板。触摸板附带用于应用程序和驱动程序开发的SDK（软件开发套件）和API，以及用于开发过程的GUI。该套件配备了“开箱即用”的功能集，用于光标和点击检测、捏合缩放和向上/向下滚动以及3D 手势识别。此外，该SDK 还支持新手势的开发。

手势成像

除了语音识别之外，在与智能设备交互时，身体手势可以提供很大程度上独立于技术限制的非接触式控制，因此可能是最自然的交互途径。除了电容式传感之外，希望实现手势识别的原始设备制造商现在正在使用基于视觉的系统。有些系统更加复杂，使用高清摄像头和在强大的处理器上运行的大型算法。目前许多汽车配备的高级驾驶员辅助系统就是一个例子。然而，简单的手势识别并不一定需要高规格的摄像头和大量的处理能力。

Broadcom Limited 现在提供一种特别优雅的解决方案：APDS-9500。这款小型18 引脚表面贴装传感器（尺寸仅为6.87 x 3.76 x 2.86 毫米）不仅可以检测接近度，还可以识别九种不同的手势，包括上、下、左、右、接近和后退以及顺时针/逆时针。该设备基于图像，因此不依赖于检测物体来改变电容场，这意味着该设备还可以用于检测门窗等物体的移动。

它集成了一个基于光电二极管的传感器，通过I2C 接口进行配置和控制，其输出反馈到状态机，然后状态机对从传感器接收到的数据进行解码并将其记录为手势（图4）。记录的数据可通过SPI 接口访问，可选手势更新率为120 Hz（正常模式）或240 Hz（游戏模式）。记录的手势数据可以通过中断机制来访问，或者通过不断轮询手势检测中断标志来访问。接近检测模式以10 Hz 更新速率运行，并使用8 s 脉冲、峰值电流为760 mA 的LED。

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

结论

随着自动化继续包含更多传统操作员功能，“用户体验”(UX) 在工业物联网中变得越来越重要。与机器高效通信的需求不会消失，但它正在彻底改变。

目前可用的新技术得到了全面的生态系统和开发环境的支持，有助于成功完成这一转变。微控制器仍然是系统的核心，现在的任务是塑造下一代人机界面(HMI) 的用户界面。