超越电容触摸用户界面面板:如何在不增加成本的情况下区分工业系统-第1部分

工业市场开始采用电容触摸传感技术，以利用更时尚的设计和更可靠的抗磨损比传统机械按钮。此外，电容式触摸技术除了提供机械按钮替换(MBR)之外，还提供了许多功能，包括液位感知、无钥匙门禁控制、物体检测、触觉反馈、用户界面中的手势支持和邻近应用。这些特性不仅允许原始设备制造商区分产品设计，他们还可以通过使用片上系统架构集成多个特性来降低系统设计成本。

然而，工业系统必须在严格的工作环境中可靠地运行，这些环境包括灰尘、潮湿、极端温度和高速等因素。在这篇由两部分组成的文章中，我们将探讨如何在各种工业应用中使用电容触摸传感技术。此外，我们还介绍了与工业系统设计相关的设计挑战和克服这些挑战的技术。

电容式液位传感在工业中的应用

液位传感是各种工业应用中测量的重要参数。应用包括测量打印墨盒的液位，废水处理系统中的提升站，储罐中的液位，等等。有各种类型的液位传感器，包括机械和电子传感器。今天的应用需要资源和节能系统，这就是为什么许多设计师更喜欢电子和机电液位传感器，而不是机械传感器。

不同类型的电子液位传感器有电阻式、电容式、光学式和超声波式。电子传感器提供额外的功能和集成层，如可编程模拟、数字和混合信号功能。市场上有许多嵌入式微控制器支持这些类型的电子液位传感，具有完整的嵌入式资源，以构建健壮的系统设计。

图1:液位传感(机械Vs电容)

电容式液位传感是一种常用的电子液位传感方法。与传统机械传感器相比，它具有各种优点，包括但不限于:

• 无运动机械零件的磨损
• 减少外形因素与圆滑，紧凑的设计
• 通过取消磁浮和多个机械部件，降低了材料成本
• 可靠性高，功耗低
• 优化的分辨率和精度，以支持不同的价格点与单一基础系统
• 同一芯片上的额外模拟和数字资源
• 灵活的通信接口- I2C, SPI, LIN, CAN, UART, BLE, Wi-Fi
• 大量的设备组合，具有广泛的传感器选项

电容式传感器通过测量介电材料在探头和参考接地电极(如罐壁)之间的移动所引起的探头电容的变化来确定液位。

虽然它们的传感器结构和操作原理是相同的，但电容式液位传感器不同于传统的按键触摸应用。液位传感器材料可以是嵌入在非导电材料(如PCB)上的简单导电垫(如铜)。液位传感器结构截面图如图2所示。电磁场与导电物体结合，如手指或液体，在这种情况下是水。这将导致在基本系统电容(C_P)，表示为液体电容_l在图3中。这种电容的变化由系统测量，并报告为水的存在，以确定液位。

用于液体传感的电容式传感系统的一个优点是没有像浮子或机械触点这样的移动部件(见图4)。这消除了磨损，延长了产品寿命，并允许更紧凑的传感器设计。许多mcu集成了电容式传感器，用一个芯片支持多个传感器。这使得水平传感的分辨率大大提高，而不会对系统成本产生不利影响。图4所示的传感器结构使整个槽的液位都能感知。然而，如果应用程序只需要在水箱是空的或满的时候进行传感，则只需要两个传感器:一个在顶部，一个在底部。因为mcu有处理能力，它们有智能和内存来适应固件算法。因此，电容系统可以直接提供体积输出(液体量)，而不仅仅是液位。此外，设计者还可以选择添加外部非易失性存储器，以保证停电时的数据完整性。

微处理器的电容感应系统可以通过附加的外设(如可编程模拟和数字)在同一芯片上与其他传感器集成。mcu通常还提供一组灵活的通信接口，如BLE、Wi-Fi、SPI和/或I2C，以与主机处理器通信。一个集成了许多其他外设的嵌入式控制器电容式液位传感系统的示例如图5所示。如需更多细节，理解电容式液位传感演示如何使用电容式传感器测量非导电容器中水基液体的深度或存在性。

触觉反馈及指标

虽然拥有更流畅、更健壮的设计很重要，但电容式传感也使工业设计师能够创造更好的触感，使系统更容易访问，更吸引用户。特别是对于恶劣的工业操作条件，音频、视觉和物理反馈是必不可少的。让我们来探索如何通过反馈来增强电容触摸系统的工业应用。

触觉是用来描述动态触觉或触摸反馈的术语，由振动产生，提供直接的触摸确认。触觉技术与用户界面面板一起使用，为最终用户创建更直观和吸引人的体验。另外一个好处是由于收到的即时反馈增加了使用设备的准确性。一个很好的例子是GPS设备，用户在按下按钮时需要反馈，但无法将目光从系统正在做的事情上移开。触觉技术提供了一种独特的双向通信通道，使用户界面范式在没有它的情况下是不可能或极其困难的。

触觉技术可以与任何类型的电容式触摸界面集成，无论是一个简单的按钮，还是一个复杂的电容式键盘或滑块。有三种基本的方法可以实现触觉:压电驱动器、线性谐振驱动器(LRA)和偏心旋转质量驱动器(ERM)。压电作动器在两端施加差压时产生振动。振动是通过传感器的弯曲或变形产生的。压电作动器产生独立振幅和频率效应的能力是其相对于LRA和ERM作动器的主要优势。

ERM执行器是一个偏心的旋转质量，其中一个小电机在电压的驱动下旋转，从而产生振动。ERMs对于振动警报非常有效。然而，尝试将ERM用于更常见的触觉应用会很快耗尽电池。LRA执行器的机械结构与erm不同，它由一个安装在弹簧上的物体组成，该物体在线性运动中振动。LRA必须在一个狭窄的共振频率下驱动。它的启动时间也比ERM略好。

有关触觉反馈的更多信息和参考，请参见电容感测入门．

音频和视觉反馈-自动显示/ led显示用户存在

在工业环境中，用户可能在嘈杂和黑暗的条件下工作。对于他们来说，能够识别UI面板的位置或确认触摸是至关重要的。电容触摸传感和相关的LED照明系统可以满足这一需求。举个例子，一个高亮度的LED可以集成在电容式按钮下，只要有触摸，它就会照亮按钮。另一个反馈特性可以通过电容接近感测实现。一旦用户接近系统，它就会打开显示器。例如，当有人在黑暗的环境中使用机器时，当用户的手向屏幕移动时，机器就会照亮屏幕和面板。同样，一个音频蜂鸣器也可以很容易地集成到电容触摸按钮。

智能无钥匙锁门禁

某些应用程序需要安全访问关键区域，如服务器室、实验室和银行储物柜，而不增加最终用户的过程复杂性。智能锁是一种可行的解决方案，通过简单的用户界面抽象出复杂的系统设计。从根本上说，智能锁通过小键盘、设备、RFID或生物识别输入，提供了无钥匙的开门方式。具有电容触摸传感和内置蓝牙低能量(BLE)的现代mcu使得使用单芯片设计设计此类系统成为可能。电容键盘用于输入密码以打开锁，BLE用于从智能手机或可穿戴设备传输密码以打开锁。此外，指纹等生物特征数据可用于解锁。

有了所有这些方法，智能锁基本上不需要物理钥匙来开门。启用无钥匙进门可以消除安全威胁，如钥匙被盗或重复。然而，如果设计不当，电子锁本身也存在安全问题。我们将在本节后面讨论安全性设计注意事项。在无钥匙进门的基础上，智能锁可以提供基于密码的访问控制。他们还可以通过将密码存储在内存中来记录谁访问过这扇门。这使用户能够根据需要生成报告，例如在一段时间内按人输入的数量，每天输入的人数，等等。

电容触摸面板智能锁

如图8所示，电容式触摸板提供了一个小键盘，用于输入打开门的密码。整个系统可以使用单个MCU实现，其中设备处理电容输入传感，通过电机打开/关闭门锁，以及监测/报告活动。使用电容技术带来优雅的美学与小的形式因素和没有移动部件。电容式锁提供了一种流线型和直观的用户体验，比如当用户使用近距离感应接近面板时照亮面板。市场上有mcu(例如:CY8CMBR3108-LQXIT)以低于50美分的价格实现了所有这些功能，并且系统成本很低(参见图8)。

许多mcu提供了不同的功能，连同电容触摸传感，如BLE和指纹识别(例如。PSoC4-BLE)用于实现各种类型的门锁与单个MCU(见图10)。

基于智能小工具的数字门锁

物联网技术的使用使得使用智能手机和可穿戴设备制造智能门锁成为可能。只要授权用户的智能手机靠近，这些设备就能开门。这也使用户能够远程锁定和解锁门，或使用各种应用程序与他人共享访问权限。

指纹门禁

工业设计通常需要强大的身份验证来维护安全性。因此，从高安全性的角度来看，仅使用复杂密码的传统方法可能不是一个充分的解决方案。复杂的密码输入起来很麻烦，也不能有效地提高安全性。基于指纹的生物识别传感器可以实现强认证，以满足这种高安全性的需求。对于门锁来说，基于指纹的系统比密码更方便、安全、灵活。有许多MCU供应商提供复杂的软件堆栈，帮助系统设计者更快更容易地集成指纹解决方案，比如Cypress的TrueTouch指纹阅读器．

增加安全性的设计考虑

在电容式键盘的情况下，设计键盘的机械结构是非常必要的，以使用户输入的密码不容易被其他人或闭路电视(CCTV)摄像机看到。对于依赖于BLE的基于小工具的设计，如果BLE的安全特性没有内置到设计中，一个简单的BLE嗅探器可能会窃取密码。BLE协议的最新更新提供了几个安全和隐私功能，以支持加密、信任、数据完整性和用户数据的隐私。例如，BLE链路层提供了各种加密算法，如CRC、AES和其他标准，用于在BLE上进行健壮和安全的数据交换。也有BLE模块可以提供额外的安全和隐私功能，使BLE技术成为更强大的无线解决方案。另外，添加生物计量传感器，如指纹识别器，可以为系统带来更大的安全性。指纹识别器很方便，提供了一种一流的安全方法来打开门锁。它们是高度安全系统的首选。

在本文的第1部分中，我们讨论了使用电容触摸技术的各种工业系统应用。这些包括电容式液位感应、触觉反馈和指示器、智能无钥匙锁入口，以及增加安全性的设计考虑。我们还讨论了如何降低这些设计的成本。在第2部分中，我们将介绍更多使用电容触摸技术的工业应用，如特殊手势、区域内接近X-Y手势、电容对象检测、自动化以及恶劣操作环境下的工业设计挑战。

参考文献

1. 开始使用CapSense®
2. PSoC®4 -电容式液位传感器
3. PSoC®4 BLE入门
4. PSoC 4ble -设计BLE应用程序
5. PSoC®4 CapSense®设计指南
6. PSoC 4 BLE Datasheet (PSoC®4:PSoC 4XX8 BLE 4.2 Family Datasheet)
7. 使用S6AE101A, S6AE102A和S6AE103A进行能量收集的能量计算
8. PSoC®4入门
9. AN204361 -能量收集PMIC混合应用
10. CE202479 -液位传感代码示例
11. PSoC 101培训系列

关于作者

Anbarasu Samiappan是Cypress Semiconductor的高级应用经理。他负责管理PSoC嵌入式系统组，包括客户技术支持和系统验证功能。他是PMI认证的项目管理专业人员，安娜大学电子工程金奖获得者，并获得班加罗尔IIM的综合管理证书。他拥有超过19年的行业经验。安巴的电话是(电子邮件保护)．

Jaya Kathuria是Cypress半导体公司的应用程序经理，她在那里管理使用PSoC平台的嵌入式应用程序组和解决方案开发。她在半导体行业有超过11年的经验。她获得了印度管理学院(IIM)的行政管理证书，并在库鲁克谢特拉大学(Kurukshetra University)获得电子工程学士学位。可以在这里联系到Jaya(电子邮件保护)．

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