HMI: Was beim Entwurf kapazitiver Touch-Sensing-Schnittstellen wichtig ist

Füllstandsregelung Level Control Arduino (Messung HC_SR04) und Labview (Regelung,Visu) (March 2019).

Anonim

Hier finden Sie einige Design-Tipps zum Erstellen von Touch-Oberflächen für Haushaltsgeräte, Gebäudeautomatisierung und Verbraucher

Von YIDING LUO, Systemanwendungsingenieur
Texas Instruments Inc.
www.ti.com
Das IoT beeinflusst und modernisiert weiterhin Produkte für die Haus- und Gebäudeautomation. Obwohl dieser Markt voraussichtlich stark wachsen wird, hängt sein Potenzial davon ab, wie Anwender diese Produkte einführen. Daher konzentrieren sich die Hersteller darauf, ihre Produkte mit eleganteren Benutzeroberflächen zu gestalten, um mehr Nutzer zu gewinnen.
Mensch-Maschine-Schnittstelle (HMI) ist eine häufige Eigenschaft, die in fast jedem elektronischen System für Produkte wie Smart-Home-Controls, Sicherheits-Access-Panels, Geräte und Audiogeräte vorhanden ist. HMI ist ein intuitives und interaktives Subsystem, das ein Produkt wirklich differenzieren kann, indem es die Benutzererfahrung verbessert und somit die Aufmerksamkeit der Benutzer fesselt. Die Integration der kapazitiven Berührungssensorik ist eine neue Möglichkeit, die HMI-Funktionen zu verbessern und auf dem Markt wettbewerbsfähig zu bleiben.
Die kapazitive Touch-Sensing-Technologie ermöglicht im Vergleich zu herkömmlichen mechanischen Tasten eine elegantere Touch-Oberfläche. Die Betriebsumgebung, die Systemkomplexität, die Designflexibilität und der Stromverbrauch setzen Produktdesigner unter Druck. In diesem Artikel wird erläutert, wie Sie elegante HMI-Designs ermöglichen und gleichzeitig kritische Herausforderungen sowie Systemlösungen im Zusammenhang mit kapazitiver Touch-Sensing-Technologie ausarbeiten.
Tippen Sie auf die Betriebsumgebung
Ein zuverlässiges Produkt sollte eine Benutzeroberfläche haben, die in allen erwarteten Umgebungen funktioniert. In manchen Fällen können kapazitive Berührungssensoren und -steuerungen erheblich von rauen Umgebungen, extremen Temperaturen, Feuchtigkeit und Feuchtigkeitsansammlungen beeinflusst werden.
Mechanische Tasten verwenden physische Bewegung, um ein Berührungsereignis auszulösen, aber die kapazitive Berührung unterscheidet sich grundlegend, da sie Veränderungen des elektrischen Feldes und der Kapazität der Sensoren im Laufe der Zeit erkennt. Dieses Funktionsprinzip macht die kapazitive Berührung anfälliger für Feuchtigkeitseinflüsse. Für Anwendungen im Außenbereich und in der Küche ist die Feuchtigkeitstoleranz von entscheidender Bedeutung, da von diesen Produkten erwartet wird, dass sie in der Nähe von Wasser funktionieren.
Um die Prozessortemperatur und das Feuchtigkeitsdriften zu verarbeiten, muss Ihr System in der Lage sein, die Basis der kapazitiven Berührungssensoren der Umgebung nachzuverfolgen. Dies kann durch Verwendung eines Softwarealgorithmus, der den Langzeitdurchschnitt berechnet, und eines Filtermechanismus für den Referenzwert erreicht werden. Dies stellt wiederum sicher, dass die kapazitive Berührungsschnittstelle eine konsistente Benutzererfahrung bereitstellt.
Ein kapazitives Touch-Design mit 12 Tasten ist ein typisches Beispiel dafür. Es besteht die volle Funktionsfähigkeitsprüfung unter der IPX5-Wassereintrittstestbedingung. Dieser Entwurf verwendet eine Gegenkapazitäts-Messtopologie mit einer aktiv angesteuerten Abschirmung, um das Übersprechen zwischen den Sensoren zu begrenzen und somit den Massekopplungseffekt zu minimieren. Neben dem Sensor-Design trägt auch die auf dem Mikrocontroller (MCU) laufende Firmware für die Feuchtigkeitstoleranz zur Erhöhung der Zuverlässigkeit bei.
Touch-Sensing-Interface-Design
Die Hardware- und Softwareentwicklung eines kapazitiven Touch-Sensing-Interface-Designs kann komplexer sein als ein Design mit herkömmlichen mechanischen Tasten. Bei der Hardware müssen Sie das Leiterplatten-Routing mit Sensor-Elektroden-Layout sowie die mechanische Struktur berücksichtigen. Für Software ist zusätzliche Firmware erforderlich, um die Sensoren zu scannen und Messdaten zu verarbeiten.
Um die Markteinführungszeit zu verkürzen, stellen Chiplieferanten Tools bereit, um den Entwurfs- und Prototypprozess zu beschleunigen. TI bietet beispielsweise ein kapazitives Touch-Sensing-Design-Handbuch, das die Herausforderungen auf Systemebene anspricht und Lösungen sowie Best Practices für die Herstellbarkeit präsentiert. Der Chip-Hersteller hat auch ein Design-Tool entwickelt, das basierend auf Ihrer Systemkonfiguration den Firmware-Code generieren kann.

Abb. 1: Die wichtigsten Bausteine ​​der kapazitiven Touch-Sensing-Design-Wertschöpfungskette.
Industrielle Designs werden zu einem wichtigen Faktor für den Erfolg von IoT-Produkten, insbesondere in den Märkten für Smart Home und Consumer Electronics, und der Wechsel von mechanischen Tasten zu kapazitiven Berührungen ermöglicht es Produktdesignern, innovativere Industriedesigns zu liefern. Der Gewinner ist offensichtlich, wenn sich der Verbraucher zwischen einem sperrigen Türschloss mit mechanischer Tastenfeldtastatur und einem modernen Smart-Türschloss mit einer eleganten kapazitiven Touch-Panel-Tastatur und LED-Hintergrundbeleuchtung entscheiden muss.
Die kapazitiven Berührungssensoren können in einer Vielzahl von Formen, Größen, Konfigurationen und Materialien entworfen werden, um zu verschiedenen Produktgehäusen und unterschiedlichen Schnittstellenfunktionen zu passen. Ihre Flexibilität vereinfacht auch die mechanische Montage und eliminiert bewegliche Teile, was letztendlich die Herstellungskosten reduziert. Innovative Ideen sind jedoch nicht genug. Sie benötigen auch einen flexiblen Controller - alias MCU -, um alle Design-Möglichkeiten freizuschalten. Abb. 2 zeigt einige Sensor-Layout-Beispiele.

Abb. 2: Sensor-Layout-Beispiele in einem kapazitiven Touch-Design.
Energieverbrauch
Extrem niedrige Stromaufnahme ist eine wichtige Voraussetzung für eine Touch-Interface-Lösung in batteriebetriebenen Smart-Home-Produkten und Geräten der Unterhaltungselektronik wie elektronischen Türschlössern, drahtlosen Lichtsteuerungen und Bluetooth-Kopfhörern.
Im Gegensatz zu herkömmlichen mechanischen Tasten, die das System bis zur Erkennung eines Berührungsereignisses ruhig halten, muss ein kapazitiver Berührungscontroller periodisch aufwachen, um die Sensoren abzutasten, um Benutzerinteraktionen zu erkennen, die Berührungsereignisse darstellen. Abb. 3 zeigt den typischen Prozessablauf eines kapazitiven Touch-Controllers.

Abb. 3: Ansicht eines typischen Touch-Controller-Scan-Flusses.
Um einen niedrigen Stromverbrauch zu erreichen, können Sie die Scan-Rate optimieren, dh wie oft der Controller zum Scannen der Sensoren aufwacht. Je niedriger die Abtastrate ist, desto geringer ist der Stromverbrauch - jedoch mit dem Kompromiss der Reaktionszeit. Die typische Abtastrate für eine kapazitive Berührungsschnittstelle in der Unterhaltungselektronik liegt im Bereich von 8 Hz bis 100 Hz.
Der Stromverbrauch der aktiven Periode ist ein kritischer Beitrag zum gesamten Energieverbrauch. Es gibt viele kapazitive Touch-Lösungen auf dem Markt, aber die meisten Controller benötigen den Hauptprozessor in der aktiven Periode, um die Sensoren zu scannen und die Messdaten zu verarbeiten. Dieser Ansatz führt unweigerlich zu einem höheren Systemleistungsverbrauch. Sie können beispielsweise Ihren Bluetooth-Lautsprecher ein- und ausschalten und die Lautstärke zehnmal am Tag einstellen. Aber auch wenn Sie nicht mit dem Produkt interagieren, muss der Hauptprozessor noch aktiv sein und die Sensordaten verarbeiten.
Niedrige Leistung ist jedoch eine solch essentielle Anforderung, weshalb einige IC-Hersteller nun digitale Zustandsautomaten in ihre kapazitiven Berührungssteuerungen integrieren, um den Sensor abzutasten und Messdaten während aktiver Perioden zu verarbeiten. Bei diesem Ansatz muss der Hauptprozessor, der den größten Teil der Leistung verbraucht, überhaupt nicht aufwachen, bis ein Berührungsereignis erkannt wird.
Wenn also der Stromverbrauch Sie davon abhält, auf kapazitive Berührungen umzuschalten, stellen Sie sicher, dass Sie eine MCU wählen, die die automatisierte Scan-Technik auf der Grundlage von Zustandsautomaten implementiert.
Fazit
Da die Benutzererfahrung bei modernen Produktdesigns immer kritischer wird, wird die kapazitive Berührungssensorik zunehmend zu einer beliebten Technologie für die Gestaltung kreativer, hochentwickelter und kosteneffektiver Benutzeroberflächen. In der Folge motiviert die Nachfrage nach robusten kapazitiven Touch-Controllern die Chiphersteller, ihre IC-Lösungen weiter zu entwickeln und Systemanforderungen wie Stromverbrauch, Designflexibilität, Systemkomplexität und Widerstandsfähigkeit gegen Umwelteinflüsse zu erfüllen.
Anmerkung der Redaktion: Dies ist der zweite Artikel in einer Serie über HMI-Design. Der erste Artikel mit dem Titel " Was Sie bei der Entwicklung von HMI für die Fabrikautomation beachten sollten ", wurde in der Februarausgabe 2018 von Electronic Products veröffentlicht.