触摸屏人机界面在工业自动化领域的标准
发布时间：2013-8-1 20:37
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在工业自动化领域，人机界面（HMI）正快速向触摸屏过渡。然而，工厂对于触摸屏有着特殊要求，触摸屏必须达到这些要求才能获得出色（能够安全读取）的操作体验，同时提高生产力和产量。其中包括防水性、抗扰性和先进的触控功能（如手套触控和/或接近感应）三项要求。 IMSResearch市场研究报告称，随着越来越多的国家希望通过制造业来推动经济增长，工业自动化市场规模预计将从2012年的1590亿美元扩大到2015年的2000亿美元。 近十年来，工业自动化市场经历了一场关于用户界面的转变。现在，人们与自动化设备之间的互动（现在称为“人机界面”）通过3.5-10英寸触摸屏完成，而非开关和杠杆。 弗若斯特沙利文公司（Frost&Sullivan）预计，将来工厂中的很多操作控制都将通过与机器无线连接的手持设备来完成。随着触控方式在用户界面上的快速采用，为手持设备配备触摸屏已经成为必然。另外，考虑到性能要求，触摸屏将使用投射电容技术而不是电阻技术。 现在，各个工厂越来越关注用户界面的质量。如今的人机界面已经不再是后台控制界面，而是机器和流程的象征。设计不良的人机界面会导致输入错误和延迟，从而造成流程错误以及设备或产品损坏，甚至对操作人员造成人身伤害。在最坏的情况下，触摸屏实施不当会困扰操作人员。与之相反，稳定的人机界面可提高生产力、增加产量，从而带来更高利润。 工厂环境会给人机界面和触摸屏的设计带来独特挑战。其中三大挑战包括： 1)防水性：防止因水、手指穿过水滴或湿手指而引起的意外触控。 2)抗扰性：提供无缝触控体验，防止在极端干扰脉冲下出现误触。 3)先进的触摸技术：允许佩戴手套进行操作，且能够检测到靠近屏幕的手指。 1.防水性 防水性经常被忽略，但对于实现稳定、可靠的用户界面来说非常重要。很多生产环境的湿度都很大，操作人员可能需要在手指或屏幕沾水的情况下进行操作。触摸屏必须工作顺畅且不会因此发生误触。 对于触摸屏的防水性，已有多项国际标准做出详细规定。比如，国际电工委员会（IEC）的IEC-60529标准就对防护等级(IP等级)进行了界定。其中，一件产品可达到的最高级别为IP-67，也就是说，它可以在存在大量灰尘（灰尘等级为6）的环境下工作，且可以浸入水中1米（防水等级为7）而不会发生损坏。在多数工业应用中，防水性都是必要条件。 从触摸屏控制器的角度来说，“防水性”（适用于屏幕上各种形式的液体或导电粒子）可进一步细分为两个要求：防水和湿手指追踪功能。 1)防水： a.防止触摸屏对液体的存在做出意外反应。 b.将液体从屏幕擦除后可继续流畅操作。 2)湿手指追踪： a.当屏幕上存在液体时也能准确感知手指的触控。适用于因潮湿造成的液膜、溅出的液体或多处液滴。 b.用汗湿或油腻的手指触碰屏幕。 投射电容会在导体从金属（通常为氧化铟锡（ITO））导线网格偷走电荷时感知电容的变化，这些网格相互独立，会在有电流通过时起到传感器的作用。这些金属线被排列为Tx（发射电流位置）和Rx（接收电流位置），Tx导线与Rx导线之间会形成电容。 投射电容存在两种形式。 （1）自电容感应：检测传感器网格行和列（X+Y）上的电荷变化。特定行的电荷变化可归因于多个列的电荷变化，自电容感应适用于单点触控式应用。 （2）互电容感应：检测网格每个交互点的电荷变化（X*Y）。因此，它可以精确感应多点触控。见图1 
图1：自电容传感器网格如左图所示，互电容网格如右图所示。由于扫描方式的区别，自电容网格无法可靠追踪屏幕上的多个手指，而互电容网格可以。 手指触控动作在自电容和互电容感应模式下的表现形式截然不同。在自电容模式下，单次触控会在电荷转移到地面后表现为电流的增加；而互电容模式下，触控的检测结果是交叉点上两个传感器之间的整体互电容降低。水作为导体会增强临近传感器之间的边际电场，并使电容增大。这可能会造成触摸屏将水识别为自电容模式下的轻手指触控。这可以通过感应临近传感器中的复制电场来解决，从而有效消除临近传感器之间产生的边际电场。然而，自电容不支持多点触控。 在互电容网格中，水的表现形式相同，但会被感知为电荷的增加，并与手指触碰效果的极性相反。这样，当擦拭屏幕上的水时可能会被传感器记录为一次手指误触。 自电容感应与互电容感应的结合（如赛普拉斯TrueTouch控制器中所实施的那样）可提供稳定可靠的防水解决方案。能够在Tx和Rx线之间进行切换以准确掌握水滴轮廓也非常重要。 当屏幕上覆盖一层水膜或大水滴时，其产生的效果可能与拇指或手掌等大物体（取决于水滴/薄膜的大小）类似。需要以特殊算法精准确定水体的位置并追踪手指的移动。 2.抗扰性 对于触摸屏来说，一般存在两种干扰源： 1)直接耦合干扰：这种干扰来自邻近的机器、高压交流电以及节能灯的电子镇流器。这些干扰都存在于制造工厂，可以耦合到人体中并通过手指触控注入到系统中。 2)共模干扰：这种干扰来自于触摸屏设备内部（如电源、质量不好的充电器）并通过手指释放到地面。 干扰包括宽带与窄带噪声，通常振幅较高。我们看到，共模干扰的频率最高可达500kHz，振幅可达40Vpp。见图2 
图2：窄带和宽带充电器干扰图 在两种情况下，用户都会看到误触的情况；包括报告误触坐标或造成触摸传感器过载（触控会显示为沿Rx传感器伸展的长线条）。这会导致流水线收到错误指令并造成延迟。在很多情况下，干扰脉冲会充满接收电容器，从而遗漏本应记录在该交叉点上的触控信号并影响整体触控体验。良好的信噪比（SNR）是触摸屏控制器抵抗各种干扰的必要条件之一。可通过多种方式抵抗干扰。 a)提高Tx电压：提高SNR的最有效方式之一就是增大信号电压。这是一种简单有效的SNR改善方式。有些赛普拉斯半导体触摸屏控制器会提供内置10VTx，用以提高SNR同时避免增加额外的物料成本。 b)跳频：Rx通道可动态改变频率以回避干扰波及其谐波。在干扰强烈的环境下，必须启用跳频，且触摸屏控制器必须内置特殊算法以便不断跳过干扰频率。 除上述方式外，还存在很多抑制干扰技术。其中有些新方法可以有效防止频道饱和，同时利用片上DSP实现的开窗法来有效恢复信号。 3.先进的触控技术：手套以及近接感应 对于手机来说，市场上已存在用于检测触控的传导手套。而在工厂中，这种解决方案并非有效，因为操作人员在操作其它机器时可能需要佩戴特殊手套。而要求操作人员脱掉手套再来操作触摸屏会很不方便。 对于主机CPU来说，佩戴手套触摸和用手指轻轻触摸并无分别。因此，可以提高触摸屏控制器的灵敏度，降低手指触摸的记录阀值。然而，这样可能会带来以下问题： a)悬空的手指可能会被检测为一次触控，而这并非使用者的意图。 b)共模干扰可能会触发误触。 c)手套的厚度不同，其性能也会有所不同。 除手套触控外，触摸屏控制器可能需要在24-30毫米距离内感知正在接近的手指。这需要触发液晶显示屏（LCD）启动事件以获得最佳用户体验。 我们可以使用不同的感应方式、特殊算法、触摸屏微调或综合使用这几种方式来实现各种先进的触控功能。 随着触摸屏在人机界面中的广泛使用，对触摸屏控制器的要求也要具体针对该市场进行不断变化。工业用户希望他们的触摸屏能够在各种干扰条件以及水、手套等导电材料的情况下工作。能满足这些要求的触摸屏设计可以确保提供良好的用户体验，并提高工人的生产力，从而增加工厂的总体产量。(国际电子商情) |
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