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在工業(yè)自動(dòng)化領(lǐng)域，人機(jī)界面（HMI）正快速向觸摸屏過(guò)渡。然而，工廠對(duì)于觸摸屏有著特殊要求，觸摸屏必須達(dá)到這些要求才能獲得出色（能夠安全讀取）的操作體驗(yàn)，同時(shí)提高生產(chǎn)力和產(chǎn)量。其中包括防水性、抗擾性和先進(jìn)的觸控功能（如手套觸控和/或接近感應(yīng)）三項(xiàng)要求。 IMSResearch市場(chǎng)研究報(bào)告稱，隨著越來(lái)越多的國(guó)家希望通過(guò)制造業(yè)來(lái)推動(dòng)經(jīng)濟(jì)增長(zhǎng)，工業(yè)自動(dòng)化市場(chǎng)規(guī)模預(yù)計(jì)將從2012年的1590億美元擴(kuò)大到2015年的2000億美元。 近十年來(lái)，工業(yè)自動(dòng)化市場(chǎng)經(jīng)歷了一場(chǎng)關(guān)于用戶界面的轉(zhuǎn)變。現(xiàn)在，人們與自動(dòng)化設(shè)備之間的互動(dòng)（現(xiàn)在稱為“人機(jī)界面”）通過(guò)3.5-10英寸觸摸屏完成，而非開(kāi)關(guān)和杠桿。 弗若斯特沙利文公司（Frost&Sullivan）預(yù)計(jì)，將來(lái)工廠中的很多操作控制都將通過(guò)與機(jī)器無(wú)線連接的手持設(shè)備來(lái)完成。隨著觸控方式在用戶界面上的快速采用，為手持設(shè)備配備觸摸屏已經(jīng)成為必然。另外，考慮到性能要求，觸摸屏將使用投射電容技術(shù)而不是電阻技術(shù)。 現(xiàn)在，各個(gè)工廠越來(lái)越關(guān)注用戶界面的質(zhì)量。如今的人機(jī)界面已經(jīng)不再是后臺(tái)控制界面，而是機(jī)器和流程的象征。設(shè)計(jì)不良的人機(jī)界面會(huì)導(dǎo)致輸入錯(cuò)誤和延遲，從而造成流程錯(cuò)誤以及設(shè)備或產(chǎn)品損壞，甚至對(duì)操作人員造成人身傷害。在最壞的情況下，觸摸屏實(shí)施不當(dāng)會(huì)困擾操作人員。與之相反，穩(wěn)定的人機(jī)界面可提高生產(chǎn)力、增加產(chǎn)量，從而帶來(lái)更高利潤(rùn)。 工廠環(huán)境會(huì)給人機(jī)界面和觸摸屏的設(shè)計(jì)帶來(lái)獨(dú)特挑戰(zhàn)。其中三大挑戰(zhàn)包括： 1)防水性：防止因水、手指穿過(guò)水滴或濕手指而引起的意外觸控。 2)抗擾性：提供無(wú)縫觸控體驗(yàn)，防止在極端干擾脈沖下出現(xiàn)誤觸。 3)先進(jìn)的觸摸技術(shù)：允許佩戴手套進(jìn)行操作，且能夠檢測(cè)到靠近屏幕的手指。 1.防水性 防水性經(jīng)常被忽略，但對(duì)于實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定、可靠的用戶界面來(lái)說(shuō)非常重要。很多生產(chǎn)環(huán)境的濕度都很大，操作人員可能需要在手指或屏幕沾水的情況下進(jìn)行操作。觸摸屏必須工作順暢且不會(huì)因此發(fā)生誤觸。 對(duì)于觸摸屏的防水性，已有多項(xiàng)國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)做出詳細(xì)規(guī)定。比如，國(guó)際電工委員會(huì)（IEC）的IEC-60529標(biāo)準(zhǔn)就對(duì)防護(hù)等級(jí)(IP等級(jí))進(jìn)行了界定。其中，一件產(chǎn)品可達(dá)到的最高級(jí)別為IP-67，也就是說(shuō)，它可以在存在大量灰塵（灰塵等級(jí)為6）的環(huán)境下工作，且可以浸入水中1米（防水等級(jí)為7）而不會(huì)發(fā)生損壞。在多數(shù)工業(yè)應(yīng)用中，防水性都是必要條件。 從觸摸屏控制器的角度來(lái)說(shuō)，“防水性”（適用于屏幕上各種形式的液體或?qū)щ娏Ｗ樱┛蛇M(jìn)一步細(xì)分為兩個(gè)要求：防水和濕手指追蹤功能。 1)防水： a.防止觸摸屏對(duì)液體的存在做出意外反應(yīng)。 b.將液體從屏幕擦除后可繼續(xù)流暢操作。 2)濕手指追蹤： a.當(dāng)屏幕上存在液體時(shí)也能準(zhǔn)確感知手指的觸控。適用于因潮濕造成的液膜、濺出的液體或多處液滴。 b.用汗?jié)窕蛴湍伒氖种赣|碰屏幕。 投射電容會(huì)在導(dǎo)體從金屬（通常為氧化銦錫（ITO））導(dǎo)線網(wǎng)格偷走電荷時(shí)感知電容的變化，這些網(wǎng)格相互獨(dú)立，會(huì)在有電流通過(guò)時(shí)起到傳感器的作用。這些金屬線被排列為Tx（發(fā)射電流位置）和Rx（接收電流位置），Tx導(dǎo)線與Rx導(dǎo)線之間會(huì)形成電容。 投射電容存在兩種形式。 （1）自電容感應(yīng)：檢測(cè)傳感器網(wǎng)格行和列（X+Y）上的電荷變化。特定行的電荷變化可歸因于多個(gè)列的電荷變化，自電容感應(yīng)適用于單點(diǎn)觸控式應(yīng)用。 （2）互電容感應(yīng)：檢測(cè)網(wǎng)格每個(gè)交互點(diǎn)的電荷變化（X*Y）。因此，它可以精確感應(yīng)多點(diǎn)觸控。見(jiàn)圖1 
圖1：自電容傳感器網(wǎng)格如左圖所示，互電容網(wǎng)格如右圖所示。由于掃描方式的區(qū)別，自電容網(wǎng)格無(wú)法可靠追蹤屏幕上的多個(gè)手指，而互電容網(wǎng)格可以。 手指觸控動(dòng)作在自電容和互電容感應(yīng)模式下的表現(xiàn)形式截然不同。在自電容模式下，單次觸控會(huì)在電荷轉(zhuǎn)移到地面后表現(xiàn)為電流的增加；而互電容模式下，觸控的檢測(cè)結(jié)果是交叉點(diǎn)上兩個(gè)傳感器之間的整體互電容降低。水作為導(dǎo)體會(huì)增強(qiáng)臨近傳感器之間的邊際電場(chǎng)，并使電容增大。這可能會(huì)造成觸摸屏將水識(shí)別為自電容模式下的輕手指觸控。這可以通過(guò)感應(yīng)臨近傳感器中的復(fù)制電場(chǎng)來(lái)解決，從而有效消除臨近傳感器之間產(chǎn)生的邊際電場(chǎng)。然而，自電容不支持多點(diǎn)觸控。 在互電容網(wǎng)格中，水的表現(xiàn)形式相同，但會(huì)被感知為電荷的增加，并與手指觸碰效果的極性相反。這樣，當(dāng)擦拭屏幕上的水時(shí)可能會(huì)被傳感器記錄為一次手指誤觸。 自電容感應(yīng)與互電容感應(yīng)的結(jié)合（如賽普拉斯TrueTouch控制器中所實(shí)施的那樣）可提供穩(wěn)定可靠的防水解決方案。能夠在Tx和Rx線之間進(jìn)行切換以準(zhǔn)確掌握水滴輪廓也非常重要。 當(dāng)屏幕上覆蓋一層水膜或大水滴時(shí)，其產(chǎn)生的效果可能與拇指或手掌等大物體（取決于水滴/薄膜的大小）類似。需要以特殊算法精準(zhǔn)確定水體的位置并追蹤手指的移動(dòng)。 2.抗擾性 對(duì)于觸摸屏來(lái)說(shuō)，一般存在兩種干擾源： 1)直接耦合干擾：這種干擾來(lái)自鄰近的機(jī)器、高壓交流電以及節(jié)能燈的電子鎮(zhèn)流器。這些干擾都存在于制造工廠，可以耦合到人體中并通過(guò)手指觸控注入到系統(tǒng)中。 2)共模干擾：這種干擾來(lái)自于觸摸屏設(shè)備內(nèi)部（如電源、質(zhì)量不好的充電器）并通過(guò)手指釋放到地面。 干擾包括寬帶與窄帶噪聲，通常振幅較高。我們看到，共模干擾的頻率最高可達(dá)500kHz，振幅可達(dá)40Vpp。見(jiàn)圖2
圖2：窄帶和寬帶充電器干擾圖 在兩種情況下，用戶都會(huì)看到誤觸的情況；包括報(bào)告誤觸坐標(biāo)或造成觸摸傳感器過(guò)載（觸控會(huì)顯示為沿Rx傳感器伸展的長(zhǎng)線條）。這會(huì)導(dǎo)致流水線收到錯(cuò)誤指令并造成延遲。在很多情況下，干擾脈沖會(huì)充滿接收電容器，從而遺漏本應(yīng)記錄在該交叉點(diǎn)上的觸控信號(hào)并影響整體觸控體驗(yàn)。良好的信噪比（SNR）是觸摸屏控制器抵抗各種干擾的必要條件之一。可通過(guò)多種方式抵抗干擾。 a)提高Tx電壓：提高SNR的最有效方式之一就是增大信號(hào)電壓。這是一種簡(jiǎn)單有效的SNR改善方式。有些賽普拉斯半導(dǎo)體觸摸屏控制器會(huì)提供內(nèi)置10VTx，用以提高SNR同時(shí)避免增加額外的物料成本。 b)跳頻：Rx通道可動(dòng)態(tài)改變頻率以回避干擾波及其諧波。在干擾強(qiáng)烈的環(huán)境下，必須啟用跳頻，且觸摸屏控制器必須內(nèi)置特殊算法以便不斷跳過(guò)干擾頻率。 除上述方式外，還存在很多抑制干擾技術(shù)。其中有些新方法可以有效防止頻道飽和，同時(shí)利用片上DSP實(shí)現(xiàn)的開(kāi)窗法來(lái)有效恢復(fù)信號(hào)。 3.先進(jìn)的觸控技術(shù)：手套以及近接感應(yīng) 對(duì)于手機(jī)來(lái)說(shuō)，市場(chǎng)上已存在用于檢測(cè)觸控的傳導(dǎo)手套。而在工廠中，這種解決方案并非有效，因?yàn)椴僮魅藛T在操作其它機(jī)器時(shí)可能需要佩戴特殊手套。而要求操作人員脫掉手套再來(lái)操作觸摸屏?xí)懿环奖恪?br /> 對(duì)于主機(jī)CPU來(lái)說(shuō)，佩戴手套觸摸和用手指輕輕觸摸并無(wú)分別。因此，可以提高觸摸屏控制器的靈敏度，降低手指觸摸的記錄閥值。然而，這樣可能會(huì)帶來(lái)以下問(wèn)題： a)懸空的手指可能會(huì)被檢測(cè)為一次觸控，而這并非使用者的意圖。 b)共模干擾可能會(huì)觸發(fā)誤觸。 c)手套的厚度不同，其性能也會(huì)有所不同。 除手套觸控外，觸摸屏控制器可能需要在24-30毫米距離內(nèi)感知正在接近的手指。這需要觸發(fā)液晶顯示屏（LCD）啟動(dòng)事件以獲得最佳用戶體驗(yàn)。 我們可以使用不同的感應(yīng)方式、特殊算法、觸摸屏微調(diào)或綜合使用這幾種方式來(lái)實(shí)現(xiàn)各種先進(jìn)的觸控功能。 隨著觸摸屏在人機(jī)界面中的廣泛使用，對(duì)觸摸屏控制器的要求也要具體針對(duì)該市場(chǎng)進(jìn)行不斷變化。工業(yè)用戶希望他們的觸摸屏能夠在各種干擾條件以及水、手套等導(dǎo)電材料的情況下工作。能滿足這些要求的觸摸屏設(shè)計(jì)可以確保提供良好的用戶體驗(yàn)，并提高工人的生產(chǎn)力，從而增加工廠的總體產(chǎn)量。(國(guó)際電子商情) |
