工業(yè)自動化觸摸感應(yīng)

物聯(lián)網(wǎng) (IoT) 發(fā)展的一個主要動力就是網(wǎng)絡(luò)的簡化。具有無線鏈路的傳感器節(jié)點可以連接數(shù)以百萬計的器件，從而大幅提高監(jiān)控水平并實現(xiàn)遠(yuǎn)程控制，且這一切都無需人工干預(yù)。但是有些時候仍然需要人工介入。監(jiān)控可以提供數(shù)據(jù)，但通常需要人員親臨現(xiàn)場調(diào)整并檢查設(shè)備的工作情況。

工廠車間的設(shè)備可能處于存在污垢和水的惡劣環(huán)境中，給操作人員的安全帶來風(fēng)險，因此必需采用密封接口。這種情況推動了對觸控界面的需求，其實現(xiàn)方式可以有多種。

實現(xiàn)

對于不使用容易發(fā)生故障的傳統(tǒng)鍵盤或機(jī)械按鈕的物聯(lián)網(wǎng)環(huán)境，構(gòu)建物理接口有許多不同的方式。從防護(hù)等級達(dá)到 IP65 的密封觸摸屏，到適合特定類型設(shè)備的較小屏幕，再到可重新配置的全密封電容式按鈕，不一而足。

簡單的解決方案是獨立的觸摸屏，例如 Crouzet 的 CT104。這款 4.3 英寸的屏幕是一款分辨率為 480 x 272 像素、亮度為 400 cd/m² 的電阻式觸摸屏。該裝置采用 600 MHz 32 位 ARM® Cortex®-A8 處理器和 128 MB RAM。 為使其能夠輕松裝入 IoT 應(yīng)用，廠家針對 Modbus RTU、Modbus TCP/IP（以太網(wǎng)）和 SLin/SLout 工業(yè)協(xié)議提供預(yù)配置驅(qū)動程序。通過該裝置的 2 線和 4 線 COM 連接器，可以輕松地將其他設(shè)備和傳感器加入到系統(tǒng)中。 

圖 1：CT104 是一款適用于人機(jī)接口 (HMI) 應(yīng)用的全電阻式觸摸屏。

對于工業(yè)環(huán)境而言，電阻式觸摸屏實現(xiàn)了性能與可靠性的平衡。觸摸屏涂有網(wǎng)格狀銦錫氧化物透明線，通過電阻變化來識別觸摸點。操作人員可在惡劣的環(huán)境中戴著手套使用這些觸摸屏，并且網(wǎng)格中使用的線數(shù)越多（4、5 或 8），分辨率越高。數(shù)據(jù)捕獲速度決定了用戶界面的另一個關(guān)鍵要素，即響應(yīng)性。

Analog Devices 的 AD7873 是一款具有同步串行接口和低導(dǎo)通電阻開關(guān)的 12 位逐次逼近模數(shù)轉(zhuǎn)換器 (ADC)，用于驅(qū)動 4 線電阻式觸摸屏。

在使用 3 伏或 5 伏電源工作且時鐘速率為 2 MHz 時，吞吐率將達(dá)到 12.5 萬次采樣/秒。這款轉(zhuǎn)換器提供溫度測量功能，在工業(yè)環(huán)境中可協(xié)助補(bǔ)償經(jīng)常出現(xiàn)的電阻變化。此外，它還集成了觸摸壓力測量功能，并具有可用于輔助輸入、電池監(jiān)視器和溫度測量模式的板載 2.5 V 電壓基準(zhǔn)。

同時也可以施加一個 1 V 到 VCC 的外部電壓基準(zhǔn)，為測量 X、Y 和 Z 面板坐標(biāo)中任意一點或測量芯片溫度建立一個 0 V 至 VREF 的模擬輸入范圍。多路復(fù)用器配置了低電阻開關(guān)，此類開關(guān)既可讓未選定的 ADC 輸入通道提供電力，也可讓附帶的引腳為外部器件提供接地。然而，對于一些測量而言，開關(guān)的導(dǎo)通電阻可能會造成誤差。使用轉(zhuǎn)換器差分輸入和差分基準(zhǔn)架構(gòu)可避免此問題。

該零件提供三種封裝：16 引腳 0.15 英寸的四分之一大小外形封裝 (QSOP)、16 引腳超薄緊縮小型封裝 (TSSOP) 和 16 引腳引線框架芯片級封裝 (LFCSP)。

圖 2：在電阻式觸摸屏設(shè)計中采用 AD7873。

圖 2 顯示 AD7873 在觸摸屏控制應(yīng)用中的典型連接原理圖?；鶞?zhǔn)電壓的值設(shè)定了轉(zhuǎn)換器的輸入范圍，轉(zhuǎn)換結(jié)果首先是輸出 MSB，隨后是剩下的 11 位和三個尾隨零，具體取決于每次轉(zhuǎn)換所使用的時鐘個數(shù)。

在為物聯(lián)網(wǎng)提供有效用戶界面這一方面，電容式技術(shù)也能發(fā)揮作用。雖然全觸摸屏在戴手套操作或存在污垢的情況下效果不理想，但可以將電容式技術(shù)用于按鈕來避免這些問題。配合簡單的黑白 LCD（例如 Matrix Orbital 的 LK162A），就能使用 Cypress Semiconductor 的 PSoC 系列器件輕松實現(xiàn)可重新配置的按鈕系統(tǒng)。

單芯片可編程控制器（例如 CY8C20336A）用于替換多個基于傳統(tǒng)微控制器裝置 (MCU) 的元器件，旨在減少 HMI 設(shè)計的成本和尺寸。

圖 3：Matrix Orbital 的 LK162A LCD 模塊可與電容式 HMI 控制器組合使用。

PSoC 器件包含可配置的模擬和數(shù)字模塊以及可編程互連器件，設(shè)計人員可以通過該互連器件為每種應(yīng)用創(chuàng)建定制化外設(shè)配置。CPU 內(nèi)核、閃存程序存儲器、SRAM 數(shù)據(jù)存儲器和可配置 I/O 為 HMI 應(yīng)用提供了基本處理能力。

此外還要加上 CapSense 技術(shù)，這項技術(shù)可以處理電容感應(yīng)和掃描而無需外部元器件。這也可以用作密封按鈕下的傳感器，在工業(yè)設(shè)計中提供用戶界面。LCD 顯示屏可以顯示按鈕功能，且按鈕功能可根據(jù)顯示屏所接收的數(shù)據(jù)重新配置。

如圖 4 所示，該架構(gòu)主要包含三個區(qū)域，由 PSoC 內(nèi)核、CapSense 系統(tǒng)和系統(tǒng)資源組成。常見的通用總線可以實現(xiàn) I/O 與模擬系統(tǒng)之間的連接。

圖 4：Cypress Semiconductor 的 PSoC 器件將 CapSense 控制器與 CPU 和靈活的模擬多路復(fù)用器結(jié)合。

每個 CY8C20336A 器件都包含為電容感應(yīng)應(yīng)用提供感應(yīng)和掃描控制電路的 CapSense 模塊。模擬系統(tǒng)則包含內(nèi)部 1 V 或 1.2 V 模擬基準(zhǔn)的電容感應(yīng)硬件，可與 PSoC 內(nèi)核一起共同支持多 28 個輸入的電容感應(yīng)。

該芯片支持的算法之一是 SmartSense，它消除了手動微調(diào) CapSense 應(yīng)用的需要。這樣就可建立、監(jiān)控并維持所需的全部微調(diào)參數(shù)。此外它還具有強(qiáng)大的抗噪能力，讓設(shè)計人員從原型開發(fā)到大批量生產(chǎn)全程無需對 PCB 的制造差異和/或覆面材料特性重新進(jìn)行微調(diào)。

相較于 24 MHz M8C CPU 內(nèi)核，PSoC 內(nèi)核結(jié)合了數(shù)據(jù)存儲 SRAM、中斷控制器以及休眠和看門狗定時器。該 CPU 內(nèi)核是一款 4 MIPS 的 8 位 Harvard 架構(gòu)微處理器，能夠處理控制算法并引腳上電壓讀數(shù)轉(zhuǎn)換為電容值。

設(shè)計的第三個要素是靈活的連接到每個 GPIO 引腳的模擬多路復(fù)用器。引腳既可單獨連接到總線，也可任意組合后連接到總線。 總線還會連接到模擬系統(tǒng)，用于使用 CapSense 模塊比較器進(jìn)行分析。

該多路復(fù)用器也可用于滑塊和觸控板等更加復(fù)雜的電容感應(yīng)界面，并實現(xiàn)任何 I/O 引腳的模擬輸入。經(jīng)過設(shè)置后，它還可以提供任意 I/O 引腳組合之間的交叉點連接。這樣可避免器件受制于特定的引腳配置，從而提高電路板開發(fā)的靈活性。

為了提供按鈕受到按壓的反饋信息，CY8C20336A 采用具備 14 種不同效果的觸覺控制器。這些效果可與三種不同的可選偏心旋轉(zhuǎn)電機(jī) (ERM) 模塊配合使用，提供反饋信息。

結(jié)論

為物聯(lián)網(wǎng)構(gòu)建設(shè)備界面有許多方式。可以通過集成方式為電容式按鈕組合多個控制器，也可以添加觸覺電機(jī)向用戶提供反饋。性能更高的 ADC 為傳統(tǒng)電阻式觸摸屏提供了更高的靈敏度和響應(yīng)性。設(shè)計人員可以構(gòu)建自己的界面、組合按鈕和 LCD，并實現(xiàn)分立式觸摸屏或集成式模塊來顯示物聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)。

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