应用于人机界面触摸屏设计的各类传感器技术介绍

在工业环境中提供更多计算能力，人机界面有更多选择。用于触摸传感器和触摸屏的多种传感器技术正变得越来越流行，而电容式触摸轮和接近传感器等其他技术的应用越来越多。

越来越多的工业设备需要更复杂的界面，按钮和开关被滑杆，控制轮和触摸屏取代。提供坚固的接口，可以轻松集成到更复杂的控制系统中，并且仍然可以在车间快速使用，这对于各种设备至关重要。

有多种不同的触摸屏控制器可供选择，对于工业应用而言，功耗并不一定与便携式消费类设备一样重要。但是，保持低功耗可以降低温度，提高可靠性，并可能降低运行成本。工厂车间也使用各种便携式设备，特别是在测试中，功耗非常关键。类似地，设备的电磁性能对于消费者设备可能不是问题，但在嘈杂的工业环境中是至关重要的。降低EMI敏感性和最小化界面发射的技术都是关键的设计因素。

随着Apple iPod控制轮的出现，电容控制器变得越来越受欢迎，其中一些基于赛普拉斯半导体的技术。由于可以覆盖传感器，因此电容技术有助于工业环境。该技术通过检测由诸如手指的另一场的存在引起的电场变化来起作用。然而，这些传感器可能会戴着戴手套的手指，因此在这些情况下，电阻式触点可能会有所帮助。触摸屏继续这种区别。电容屏幕通常可达10英寸，但电阻屏幕可以处理更大的屏幕尺寸甚至手套。

简单线性或旋转滑块中的接近式电容式触摸传感器为工业界面提供了显着优势。由于没有可移动部件磨损且易于密封以提供对恶劣环境的保护，因此它们更可靠，更节能，并且更容易集成以创建智能系统。

飞思卡尔的MPR031接近电容式触摸传感器控制器是一款基于CMOS的状态机，可简化多种触摸应用的设计。它可用于替换最多三个触摸板和开关更换，并通过I2C总线进行通信。它经过优化，可以管理具有中断功能的两个电极，或者中断禁用的三个电极，并且由于灵敏度提高和专用功能集，可以适应各种实现。

STMicroelectronics的STMPE16M31QTR触摸传感器是电容式触摸键控制器，可在单个芯片中提供高度通用和灵活的电容式感应功能（图1）。这些器件集成了多达24个电容式传感通道，具有高灵敏度和高噪声容限。两个单元的硬连线比率引擎可以实现滑块/滚轮而无需外部计算。 8个独立的PWM控制器可控制多达16个LED，具有亮度控制，斜坡和闪烁功能。 I2C接口支持与系统主机进行高达400 kHz的通信。非常宽的动态范围允许大多数应用程序无需硬件调整即可工作。

图1：ST的电容式触摸键控制器。 IDT的PureTouch技术用于LDS6000系列设备，支持一系列传感器输入来控制按钮和滑块。这是一种可编程电容数字转换器（CDC），设计用于实现基于触摸的输入控制的电容传感器阵列，包括滑块，滚轮和按钮。 LDS6000具有15个传感器输入，可通过单个控制器灵活地实现多个触摸输入。

电容式传感器输入通过集成开关矩阵导向500 kHz sigma-delta CDC，可检测外部传感器阵列的变化。当发生足够大的电容变化时，记录传感器激活并通知主处理器。

片上校准逻辑可持续监控环境并自动调整开关阈值电平，以防止错误的传感器激活。 LDS6000提供SPI兼容和I2C兼容接口（由I/F选择引脚选择的有源接口），具有通用输入/输出（GPIO）和中断输出，用于与主处理器进行额外通信（图.2）。

图2：IDT的PureTouch LDS6000。

Atmel的Qtouch技术是一种数字突发模式电荷转移（因此为QT）电容式传感器驱动器，适用于任何触摸按键应用。这些按键可以构造成不同的形状和尺寸，以满足接口设计的要求，并且该设备包含在各种变化条件下稳定感应所需的所有信号处理，并具有完全去抖动的输出。

抗噪声 - 电磁干扰是关键问题的工业环境中的一个重要因素 - 来自使用扩频协议调制的信号。这样可以抵抗外部干扰，并最大限度地减少任何排放。

QT1110有两种基本配置可以处理11个按键或7个按键，每个按键都有一个独立的输出。其中一个关键问题是将控制器调整到触摸传感器，这可能非常耗时。赛普拉斯半导体正在申请专利的SmartSense自动调谐算法（图3）通过自动调谐十多个参数来消除对系统调谐的要求，以实现最佳的触摸感应性能和最佳的用户响应。如果PCB技术或供应商发生变化，这是有利的，因为不需要重新调整，也不需要重叠材料或厚度。

图3：赛普拉斯SmartSense技术。

PSoC 5系列，例如赛普拉斯的CY8C5247，已将CapSense和SmartSense技术与微控制器和一系列可配置外设集成，以支持传感器设计。 CY8C52系列提供了一种现代的信号采集，信号处理和控制方法，具有高精度，高带宽和高灵活性。模拟功能涵盖从热电偶（近直流电压）到超声波信号的范围，可以处理每个GPIO引脚上的数十个数据采集通道和模拟输入。

该系列还包括具有USB和多主机I2C等接口的部件。这使设计人员可以使用PSoC Creator（一种分层的原理图设计输入工具）通过预构建组件库和布尔基元轻松创建系统级设计（图4）。

图4：赛普拉斯CapSense控制器评估套件。

32位ARM Cortex-M3 CPU内核运行速度高达40 MHz，闪存程序内存高达256 KB，写入周期为100，000次，保留时间为20年，非常适合长寿命的工业设计。 I/O系统具有46至70个引脚（60个GPIO，8个SIO和2个USBIO），并且可以从任何GPIO路由到任何数字或模拟外设。 LCD显示器可以直接从任何GPIO驱动，最高可达46×16段，并且可以从任何GPIO获得CapSense支持。该器件在多达四个域上具有1.2 V至5.5 V I/O接口电压，可在任何引脚或端口以及施密特触发晶体管 - 晶体管逻辑（TTL）输入上支持可屏蔽的独立IRQ中断。

触摸屏

触摸轮和触摸屏对机器控制很有用，有时需要更大的显示屏。触摸屏在过去几年中得到了显着发展，通过利用新的电阻和电容设计降低了成本。

3M的MicroTouch系统SCT3250EX旨在满足5.7至32英寸显示应用的性能要求。作为全玻璃设计，SCT3250EX触摸系统的透光率比典型的电阻式传感器高出11.5％，比典型的表面电容式传感器高出3.5％。它采用专有的硬涂层和防刮面漆，称为ClearTek，以支持重用应用（图5）。

图5：3M的MicroTouch屏幕。

3M拥有自己的专用定制ASIC控制器，具有专有固件和专利算法，可动态适应应用环境的变化，有助于在产品生命周期内保持显示器的初始视频对齐。正是这种专用ASIC使触摸系统的“最小触摸持续时间”比典型的表面声波和表面电容解决方案快50％。

为了便于集成，IRTouch的E-84-C电阻式触摸屏（如图6所示）可通过USB或PS/2接口供电，最大功率纹波为200 mV rms。标准系列支持6.4英寸到24英寸的屏幕，5.7英寸的自定义版本和4096 x 4096像素的分辨率。响应速度小于16毫秒，可以与手指，戴手套的手或不透明物体一起使用。由于屏幕是电阻性的，因此不需要最小的触摸激活力，并且表面耐久性是莫氏硬度等级为7的玻璃，以满足工业要求。

图6：IR Touch的触摸屏可以通过USB端口供电。

结论

工业应用中有多种可用于触摸界面的技术。从电容式传感到电阻式传感，不同的格式可以以多种不同的方式使用，以提供适当的控制水平。平衡响应速度和调整传感器的简易性带来了一系列设计选择，并且不断提高的集成度可以更灵活地控制软件中的传感器。新算法使传感器调整过程更加容易，降低了开发设备的成本。此外，还提供了更多设计选项，以帮助开发适用于工业环境的坚固接口。