電容式觸控
加上觸控式人機介面 廚房電器更美觀/易操作
電容式觸控技術具低成本/可靠性優勢
電容式觸控技術主要適用於觸控按鈕、滑動條和滾輪,作為機械按鈕和旋鈕的取代產品,廣泛應用於各種白色家電。除了降低系統成本外,電容式觸控技術還能夠提高可靠性,因為隨著時間的推移,機械按鈕或旋鈕更容易損壞,還會粘上廚房和洗衣間裡常見的水、油脂。然而觸控感測器表面覆蓋玻璃或塑膠,清潔起來很容易,同時支援各種時尚的設計(圖1)。
圖1 (a)觸控式螢幕按鈕和滑動條,已在電器上廣泛應用;(b)可連接至互聯網的帶有大顯示幕的冰箱,則可使用觸控式螢幕技術提供整潔而極具吸引力的外觀。
觸控按鈕和滑動條的這些共同優勢適用於電容式觸控HMI觸控式螢幕,使用戶能夠與電器以及互聯網進行通訊。此外,與互聯網相連的物聯網家電為電器製造商帶來了關鍵優勢,包括:
.遠程維護。
.供應商透過資料採擷瞭解使用者模式。
.功耗管理:同步高電流電器以避免電源線出現尖峰。
.針對遠端缺陷修復和產品改進的韌體更新。
同時,物聯網連接為用戶帶來了諸多優勢,有助於製造商推廣和銷售支援觸控式螢幕的家電,包括:
.某些產品的烹飪說明、食譜和最佳做法下載。
.洗衣粉及用量、設定洗衣機(甚至可根據洗衣粉或洗衣精的類型設定)和處理故障。
.為添加新功能和提高效能而進行的韌體更新。
.天氣、新聞和股票更新。
不過,要想為供應商和用戶提供上述優勢,必須解決一些設計問題。
抗噪/防潮/識別 為三大設計挑戰
與現代智慧手機和汽車類似(但重要程度不同),觸控式螢幕HMI在白色家電應用中最常見的三個問題是抗噪性、防潮性以及在用戶戴手套時識別觸控命令。如何妥善解決這些問題端賴於觸控式螢幕控制IC的差異。
在抗噪性方面,微控制供應商如Microchip透過專利技術,幫助控制器提高抵抗電源線雜訊的能力。這對於美國以外因未接地或接地不良而導致電源線雜訊極其嚴重的地區來說尤為重要;雜訊透過電源線傳導到電源,然後傳輸到觸控控制器IC。
觸控控制器是一種極其敏感的元件,可測量奈庫倫(Nanocoulomb)級的電荷。只需用手指輕輕觸碰觸控式螢幕,就能從螢幕上帶走少量電荷,對此需要進行一致的正確解讀。雜訊會向感測器注入大量電荷,擾亂控制器,尤其是沒有足夠抗噪能力的控制器。
出現誤觸控事件或幽靈觸控時,按鈕可能會被隨機地自行按下。對於烤箱而言,這可能非常危險。例如,誤觸控事件可能在使用者不需要的情況下啟動自我清潔進程,存放在其中的物品可能給用戶帶來安全問題,造成危險。這是每個電容式觸控控制器都存在的問題,目前已有半導體廠的專利技術可避免傳導雜訊並控制問題。
為了解決雜訊問題,控制器將過濾共模(Common-mode)雜訊,並透過跳頻方案避免雜訊問題。該專利方法利用自容觸控以及互容觸控掃描,並涉及差分觸控感測。IC不是將每條感測線路視為其自身的獨立元素,而是測量感測線路對之間的差值;這樣就消除了兩條線路共有的雜訊。如果顯示幕的相似區域出現相同的雜訊,則該雜訊將被消除,僅保留有效訊號。這種差分觸控感測提供了非常有效的雜訊消除/抑制能力。
在電器內部,洗衣機馬達、冰箱壓縮機以及電磁爐上,燃燒器輻射的雜訊處於雜訊消除頻寬範圍內,這樣便可為這些電器上的觸控式螢幕提供可靠、穩健的效能。因此,這可避免誤觸控事件。然而,還有一點也同樣重要:檢測合法觸控並向主控制器報告以避免因雜訊而錯過觸控事件,否則會出現用戶預計會發生某事件但實際未發生的情況。
由於水和其他液體在廚房和洗衣間中十分常見,因此需要防潮功能。例如,當爐子上鍋裡的液體因沸騰而飛濺到觸控式螢幕上時,不應發生誤觸控事件。不過,霧或水滴也可能導致問題。因此,能夠在潮濕或有水的情況下檢測觸控應當是每個設計人員研究電器的觸控式螢幕HMI時的關鍵要求。
如果螢幕上有薄霧或小水滴,則應支援多點觸控操作。電器應用通常支援兩點觸控,但電器設計人員可透過大型顯示幕提供10點或10點以上觸控的支援,以便多個用戶可以同時觸控。如果用戶觸控螢幕時水匯集到一起或者較大的水滴落在水平螢幕上,則應該抑制由水引起的誤觸控並且支援正常的單指操作。設計人員應該避免使用鹽水等高導電性液體甚至漂白劑等清潔溶液引起的誤觸控事件,圖2簡要介紹了顯示面板背後的情況。觸控式螢幕HMI技術的另一個優勢是支援戴手套操作。在廚房裡,通常會戴上或薄或厚的手套。在目前上市的電器中,有幾種功能未被用於觸控式螢幕IC,這些功能本可為最終用戶提供重要價值,但卻經常被忽視且不被採用。
圖2 觸控式螢幕後面的觸控IC中有一系列驅動電極、接收電極以及相應電路,能夠準確可靠地檢測用戶觸控。
在開發過程中打開和調整後,控制器中可選的支援戴手套操作功能可針對廚房裡常用的手套(約1.5mm厚)提供多點觸控(最多10點觸控)。如果用戶戴手套站在廚房水槽旁,又須要與冰箱或爐子觸控式螢幕連接時,就可能會用到手套支援功能。
更常見的是,烹飪時會使用通常由矽樹脂製成的厚(最多5mm)手套或烤箱手套,由於支援戴手套操作,控制器仍然可以向HMI提供準確的輸入。這可以自動發生而毋須進入單獨的模式,並且可在不使用手套時返回到正常感測水準,因此系統不會過度敏感,因此可避免誤觸控事件。相比之下,一些控制器要求用戶在潮濕、裸露手指、手寫筆和手套等模式之間進行選擇,無法即時自動檢測和調整設置,以在所有環境下完成自然且直覺的使用者體驗。在這些應用中,使用較大按鈕時,使用者介面往往也更加簡單,在設計電器的觸控式螢幕時也應考慮支援手套。
選擇合適的觸控控制器/感測器/螢幕
對於廚房電器和洗衣間電器,將根據電器的尺寸使用各種螢幕尺寸。例如,咖啡機顯示幕為3英寸,微波爐、爐灶台和洗衣機的顯示幕為5英寸,冰箱和冰櫃的顯示幕則可達到22英寸或更大。
在電器供應鏈中,晶片供應商與感測器供應商合作提供晶片和感測器設計。他們共同完成系統整合:通常,模組/顯示幕製造商會整合包括觸控感測器和觸控介面的系統,然後將其提供給電器製造商(圖3)。這個例子說明了當今的半導體供應商如何在提供晶片之餘,另外提供調整和完善系統的服務,使晶片在供應鏈中更易用。
圖3 除了觸控IC外,觸控IC提供商還額外執行許多功能,以將觸控式螢幕成功推向市場。
標準IC工作在-40~85℃的工業溫度範圍內,具有標準韌體,能夠滿足各種顯示幕尺寸和不同電器製造商的要求。電器觸控式螢幕控制器系列提供各種適當的螢幕尺寸選項,可提高電器觸控式螢幕設計的擴充能力,最終縮短設計階段以及降低系統和開發成本。表1顯示了工業級電器顯示幕的一些設計參數。最後一個考慮因素是電磁相容性(EMC)。顯然,設計必須支援EMC;隨後,必須透過測試,驗證設計是否達到了理想的傳導發射和輻射發射結果。
觸控設計為閱讀/輸入理想方案
另外,為儘早瞭解並提高對觸控式螢幕功能的認識,有些觸控方案供應商會為電器觸控式螢幕系列中的每個控制器,提供指定的評估工具包。該工具包中包括一個帶觸控式螢幕控制器的印刷電路板、一個被動柔性印刷電路的尾部,此尾部可將觸控IC連接到玻璃/塑膠透鏡上的觸控感測器。該工具包透過USB連接到主機PC,包括所有必需的纜線、軟體和文件。該評估工具包可與一個完整的軟體發展環境一起使用,使電器設計人員能夠開發和調整電器觸控控制器。圖4為電器製造商可以在評估工具包中找到的內容。總而言之,電器製造商計畫利用物聯網的功能。為此必須提供一種可供閱讀和輸入資訊的方法,而觸控顯示幕則是最理想的解決方案。為成功從當今的方法過渡到先進的觸控式螢幕技術,電器製造商須與IC供應商合作,為電器應用專門設計觸控控制器。使用合適的觸控控制器,電器可以提供互聯網連接,並實現抗噪性、防潮性以及手套操作。
圖4 評估工具包中包含一個帶柔性連接器的專用感測器和一個電子控制板。
(本文作者皆任職於Microchip)