為廚房電器增加觸摸功能

五年前，為廚房電器和洗衣電器配備觸摸屏還只是CES上提出的概念，目的是吸引與會(huì)者及展現(xiàn)公司的遠(yuǎn)見卓識(shí)。如今，至少對(duì)于少數(shù)高端電器而言，帶觸摸屏的白色家電產(chǎn)品已成為現(xiàn)實(shí)。隨著物聯(lián)網(wǎng)(IoT)的興起，未來的趨勢(shì)是將觸摸屏逐漸融入更多更低成本的電器當(dāng)中。對(duì)于用戶而言，在互聯(lián)網(wǎng)連接和支持應(yīng)用程序的功能的推動(dòng)下，觸摸屏人機(jī)界面(HMI)可以解決多種工作環(huán)境問題，同時(shí)還能保證美觀的造型。

在電器中使用電容式觸摸技術(shù)

電容式觸摸技術(shù)主要適用于觸摸按鈕、滑動(dòng)條和滾輪，作為機(jī)械按鈕和旋鈕的換代產(chǎn)品，廣泛應(yīng)用于各種白色家電。除了降低系統(tǒng)成本外，電容式觸摸技術(shù)還能夠提高可靠性，因?yàn)殡S著時(shí)間的推移，機(jī)械按鈕或旋鈕更容易損壞，還會(huì)粘上廚房和洗衣間里常見的水、油脂。然而觸摸傳感器表面覆蓋玻璃或塑料，清潔起來很容易，同時(shí)支持各種時(shí)尚的設(shè)計(jì)。(見圖1)

圖1：觸摸屏按鈕和滑動(dòng)條 (a)已在電器上廣泛應(yīng)用;可連接至互聯(lián)網(wǎng)的帶有大顯示屏的冰箱 (b)則可使用觸摸屏技術(shù)提供整潔而極具吸引力的外觀。

圖1(a)

圖1(b)

觸摸按鈕和滑動(dòng)條的這些共同優(yōu)勢(shì)適用于電容式觸摸HMI觸摸屏，使用戶能夠與電器以及互聯(lián)網(wǎng)進(jìn)行通信。此外，與互聯(lián)網(wǎng)相連的物聯(lián)網(wǎng)家電為電器制造商帶來了關(guān)鍵優(yōu)勢(shì)，包括：

1. 遠(yuǎn)程維護(hù)

2. 供應(yīng)商通過數(shù)據(jù)挖掘來了解用戶的模式

3. 功耗管理——同步高電流電器以避免電源線出現(xiàn)尖峰

4. 針對(duì)遠(yuǎn)程缺陷修復(fù)和產(chǎn)品改進(jìn)的固件更新

同時(shí)，物聯(lián)網(wǎng)連接為用戶帶來了諸多優(yōu)勢(shì)，有助于制造商推廣和銷售支持觸摸屏的家電，包括：

1. 某些產(chǎn)品的烹飪說明、菜譜和最佳做法下載

2. 洗衣粉及用量、設(shè)定洗衣機(jī)(甚至可根據(jù)洗衣粉或洗衣液的類型設(shè)定)和處理故障

3. 為添加新功能和提高性能而進(jìn)行的固件更新

4. 天氣、新聞和股票更新

不過，要想為供應(yīng)商和用戶提供上述優(yōu)勢(shì)，必須解決一些設(shè)計(jì)問題。

解決白色家電應(yīng)用問題

與現(xiàn)代智能手機(jī)和汽車類似(但重要程度不同)，觸摸屏HMI在白色家電應(yīng)用中最常見的三個(gè)問題是抗噪性、防潮性以及在用戶戴手套時(shí)識(shí)別觸摸命令。觸摸屏控制器或IC以何種質(zhì)量解決這些問題因器件而異。

在抗噪性方面，我們的專利技術(shù)可幫助控制器提高抵抗電源線噪聲的能力。這對(duì)于美國(guó)以外因未接地或接地不良而導(dǎo)致電源線噪聲極其嚴(yán)重的地區(qū)來說尤為重要。噪聲通過電源線傳導(dǎo)到電源，然后傳輸?shù)接|摸控制器IC。

觸摸控制器是一種極其敏感的元件，可測(cè)量納庫倫級(jí)的電荷。只需用手指輕輕觸碰觸摸屏，就能從屏幕上帶走少量電荷，對(duì)此需要進(jìn)行一致的正確解讀。噪聲會(huì)向傳感器注入大量電荷，擾亂控制器，尤其是沒有足夠抗噪能力的控制器。

出現(xiàn)誤觸摸事件或幽靈觸摸時(shí)，按鈕可能會(huì)被隨機(jī)地自行按下。對(duì)于烤箱而言，這可能非常危險(xiǎn)。例如，誤觸摸事件可能在用戶不需要的情況下啟動(dòng)自清潔進(jìn)程，存放在其中的物品可能給用戶帶來安全問題，造成危險(xiǎn)。這是每個(gè)電容式觸摸控制器都存在的問題，但我們的專利技術(shù)可以避免傳導(dǎo)噪聲并控制問題。

為了解決噪聲問題，控制器將濾除共模噪聲，并通過跳頻方案避免噪聲問題。該專利方法利用自電容觸摸以及互電容觸摸掃描，并涉及差分觸摸傳感。IC不是將每條傳感線路視為其自身的獨(dú)立元素，而是測(cè)量傳感線路對(duì)之間的差值;這樣就消除了兩條線路共有的噪聲。如果顯示屏的相似區(qū)域出現(xiàn)相同的噪聲，則該噪聲將被消除，僅保留有效信號(hào)。這種差分觸摸傳感提供了非常有效的噪聲消除/抑制能力。

在電器內(nèi)部，洗衣機(jī)電機(jī)、冰箱壓縮機(jī)以及電磁爐上的燃燒器輻射的噪聲處于噪聲消除頻帶范圍內(nèi)，這樣便可為這些電器上的觸摸屏提供可靠、穩(wěn)健的性能。因此，這可避免誤觸摸事件。然而，還有一點(diǎn)也同樣重要：檢測(cè)合法觸摸并向主控制器報(bào)告以避免因噪聲而錯(cuò)過觸摸事件，否則會(huì)出現(xiàn)用戶預(yù)計(jì)會(huì)發(fā)生某事件但實(shí)際未發(fā)生的情況。

由于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(dāng)爐子上鍋里的液體因沸騰而飛濺到觸摸屏上時(shí)，不應(yīng)發(fā)生誤觸摸事件。不過，霧或液滴也可

能導(dǎo)致問題。因此，能夠在潮濕或有水的情況下檢測(cè)觸摸應(yīng)當(dāng)是每個(gè)設(shè)計(jì)人員研究電器的觸摸屏HMI時(shí)的關(guān)鍵要求。

如果屏幕上有薄霧或小液滴，則應(yīng)支持多點(diǎn)觸摸操作。電器應(yīng)用通常支持兩點(diǎn)觸摸，但電器設(shè)計(jì)人員可通過大型顯示屏提供十點(diǎn)或十點(diǎn)以上觸摸的支持，以便多個(gè)用戶可

以同時(shí)觸摸。如果用戶觸摸屏幕時(shí)水匯集到一起或者較大的水滴落在水平屏幕上，則應(yīng)該抑制由水引起的誤觸摸并且支持正常的單指操作。設(shè)計(jì)人員應(yīng)該避免使用鹽水等高導(dǎo)電性液體甚至漂白劑等清潔溶液引起的誤觸摸事件。圖2簡(jiǎn)要介紹了顯示面板背后的情況。

圖2

圖2觸摸屏后面的觸摸IC中有一系列驅(qū)動(dòng)電極、接收電極以及相應(yīng)電路，能夠準(zhǔn)確可靠地檢測(cè)用戶觸摸。

觸摸屏HMI技術(shù)的另一個(gè)優(yōu)勢(shì)是支持戴手套操作。在廚房里，通常會(huì)戴上或薄或厚的手套。在目前交付的電器中，有幾種功能未被用于觸摸屏IC，這些功能本可為最終用戶提供重要價(jià)值，但卻經(jīng)常被忽視且不被采用。

在開發(fā)過程中打開和調(diào)整后，控制器中可選的支持戴手套操作功能可針對(duì)廚房里常用的手套(約1.5 ?mm厚)提供多點(diǎn)觸摸(最多10點(diǎn)觸摸)。如果用戶戴手套站在廚房水槽旁時(shí)需要與冰箱或爐子觸摸屏連接，就可能會(huì)用到手套支持功能。

更常見的是，烹飪時(shí)會(huì)使用通常由硅樹脂制成的厚(最多 5 ?mm)手套或烤箱手套，由于支持戴手套操作，控制器仍然可以向HMI提供準(zhǔn)確的輸入。這可以自動(dòng)發(fā)生而無需進(jìn)入單獨(dú)的模式，并且可在不使用手套時(shí)返回到正常感測(cè)水平，因此系統(tǒng)不會(huì)過度敏感，從而避免誤觸摸事件。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(jìn)行選擇，無法實(shí)時(shí)自動(dòng)檢測(cè)和調(diào)整設(shè)置以在所有環(huán)境下完成自然且直觀的用戶交互。

在這些應(yīng)用中，使用較大按鈕時(shí)，用戶界面往往也更加簡(jiǎn)單，在設(shè)計(jì)電器的觸摸屏?xí)r也應(yīng)考慮支持手套。

選擇合適的觸摸控制器/傳感器/屏幕

對(duì)于廚房電器和洗衣間電器，將根據(jù)電器的尺寸使用各種屏幕尺寸。例如，咖啡機(jī)顯示屏為3英寸，微波爐、爐灶和洗衣機(jī)的顯示屏為5英寸，冰箱和冰柜的顯示屏則可達(dá)到22英寸或更大。

在電器供應(yīng)鏈中，芯片供應(yīng)商與傳感器供應(yīng)商合作提供芯片和傳感器設(shè)計(jì)。他們共同完成系統(tǒng)集成：通常，模塊/顯示屏制造商會(huì)集成包括觸摸傳感器和觸摸接口的系統(tǒng)，然后將其提供給電器制造商(見圖3)。這個(gè)例子說明了當(dāng)今的半導(dǎo)體供應(yīng)商如何在提供芯片之余，另外提供調(diào)整和完善系統(tǒng)的服務(wù)，使芯片在整個(gè)供應(yīng)鏈中更加易用。

圖3

圖3.除了觸摸IC外，觸摸IC提供商還額外執(zhí)行許多功能，以將觸摸屏成功推向市場(chǎng)。

標(biāo)準(zhǔn)IC工作在-40至85°C的工業(yè)溫度范圍內(nèi)，具有標(biāo)準(zhǔn)固件，能夠滿足各種顯示屏尺寸和不同電器制造商的要求。電器觸摸屏控制器系列提供各種適當(dāng)?shù)钠聊怀叽邕x項(xiàng)，可提高電器觸摸屏設(shè)計(jì)的可擴(kuò)展能力，最終縮短設(shè)計(jì)時(shí)間以及降低系統(tǒng)和開發(fā)成本。表1顯示了工業(yè)級(jí)電器顯示屏的一些設(shè)計(jì)參數(shù)。

表1. 除屏幕尺寸外，其他參數(shù)也可能會(huì)影響所選控制器的選擇，尤其是屏幕尺寸重疊時(shí)。

最后一個(gè)考慮因素是電磁兼容性(EMC)。顯然，設(shè)計(jì)必須支持EMC。隨后，必須通過測(cè)試驗(yàn)證設(shè)計(jì)是否達(dá)到了理想的傳導(dǎo)發(fā)射和輻射發(fā)射結(jié)果。

觸摸設(shè)計(jì)的各個(gè)方面

為了盡早了解并提高對(duì)觸摸屏功能的認(rèn)識(shí)，為電器觸摸屏系列中的每個(gè)控制器提供指定的評(píng)估工具包。該工具包中包括一個(gè)帶觸摸屏控制器的印刷電路板(PCB)、一個(gè)無源柔性印刷電路(FPC)的尾部，此尾部可將觸摸IC連接到玻璃/塑料透鏡上的觸摸傳感器。該工具包通過USB連接到主機(jī)PC，包括所有必需的電纜、軟件和文檔。

該評(píng)估工具包與一個(gè)完整的軟件開發(fā)環(huán)境(可從網(wǎng)上免費(fèi)下載)，即maXTouch ?Studio開發(fā)系統(tǒng)集成開發(fā)平臺(tái)(IDP)一起使用，使電器設(shè)計(jì)人員能夠開發(fā)和調(diào)試電器觸摸控制器。圖4為電器制造商可以在評(píng)估工具包中找到的內(nèi)容。

圖4. Microchip的ATEVK-MXT2952T2評(píng)估工具包中包含一個(gè)帶柔性連接器的專用傳感器和一個(gè)電子控制板。

觸摸總結(jié)

電器制造商計(jì)劃利用物聯(lián)網(wǎng)的功能。為此，必須提供一種可供閱讀和輸入信息的方法，而觸摸顯示屏則是最理想的解決方案。為了成功地從當(dāng)今的方法過渡到先進(jìn)的觸摸屏技術(shù)，電器制造商需要與IC供應(yīng)商，或者與和IC供應(yīng)商合作的觸摸屏或模塊供應(yīng)商協(xié)同工作，為電器應(yīng)用專門設(shè)計(jì)觸摸控制器。使用合適的觸摸控制器，電器可以提供互聯(lián)網(wǎng)連接，并實(shí)現(xiàn)抗噪性、防潮性以及手套操作。