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為廚房電器增加觸摸功能


作者:    時間:2019/6/23 10:09:21  來源:   
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,目的是吸引與會者及展現公司的遠見卓識。如今,至少對于少數高端電器而言,帶觸摸屏的白色家電產品已成為現實。隨著物聯網(IoT)的興起,未來的趨勢是將觸摸屏逐漸融入更多更低成本的電器當中。對于用戶而言,在互聯網連接和支持應用程序的功能的推動下,觸摸屏人機界面(HMI)可以解決多種工作環境問題,同時還能保證美觀的造型。


在電器中使用電容式觸摸技術

電容式觸摸技術主要適用于觸摸按鈕、滑動條和滾輪,作為機械按鈕和旋鈕的換代產品,廣泛應用于各種白色家電。除了降低系統成本外,電容式觸摸技術還能夠提高可靠性,因為隨著時間的推移,機械按鈕或旋鈕更容易損壞,還會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,同時支持各種時尚的設計。(見圖1)


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


圖1(a)

 


圖1(b)

 

觸摸按鈕和滑動條的這些共同優勢適用于電容式觸摸HMI觸摸屏,使用戶能夠與電器以及互聯網進行通信。此外,與互聯網相連的物聯網家電為電器制造商帶來了關鍵優勢,包括:

1.遠程維護

2.供應商通過數據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尖峰

4.針對遠程缺陷修復和產品改進的固件更新


同時,物聯網連接為用戶帶來了諸多優勢,有助于制造商推廣和銷售支持觸摸屏的家電,包括:

 

1.某些產品的烹飪說明、菜譜和最佳做法下載

2.洗衣粉及用量、設定洗衣機(甚至可根據洗衣粉或洗衣液的類型設定)和處理故障

3.為添加新功能和提高性能而進行的固件更新

4.天氣、新聞和股票更新


不過,要想為供應商和用戶提供上述優勢,必須解決一些設計問題。


解決白色家電應用問題

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


在抗噪性方面,我們的專利技術可幫助控制器提高抵抗電源線噪聲的能力。這對于美國以外因未接地或接地不良而導致電源線噪聲極其嚴重的地區來說尤為重要。噪聲通過電源線傳導到電源,然后傳輸到觸摸控制器IC。


觸摸控制器是一種極其敏感的元件,可測量納庫倫級的電荷。只需用手指輕輕觸碰觸摸屏,就能從屏幕上帶走少量電荷,對此需要進行一致的正確解讀。噪聲會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。


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

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立元素,而是測量傳感線路對之間的差值;這樣就消除了兩條線路共有的噪聲。如果顯示屏的相似區域出現相同的噪聲,則該噪聲將被消除,僅保留有效信號。這種差分觸摸傳感提供了非常有效的噪聲消除/抑制能力。


在電器內部,洗衣機電機、冰箱壓縮機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,這樣便可為這些電器上的觸摸屏提供可靠、穩健的性能。因此,這可避免誤觸摸事件。然而,還有一點也同樣重要:檢測合法觸摸并向主控制器報告以避免因噪聲而錯過觸摸事件,否則會出現用戶預計會發生某事件但實際未發生的情況。


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,當爐子上鍋里的液體因沸騰而飛濺到觸摸屏上時,不應發生誤觸摸事件。不過,霧或液滴也可能導致問題。因此,能夠在潮濕或有水的情況下檢測觸摸應當是每個設計人員研究電器的觸摸屏HMI時的關鍵要求。 


屏幕上有薄霧或小液滴,則應支持多點觸摸操作。電器應用通常支持兩點觸摸,但電器設計人員可通過大型顯示屏提供十點或十點以上觸摸的支持,以便多個用戶可

 

 

以同時觸摸。如果用戶觸摸屏幕時水匯集到一起或者較大的水滴落在水平屏幕上,則應該抑制由水引起的誤觸摸并且支持正常的單指操作。設計人員應該避免使用鹽水等高導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中有一系列驅動電極、接收電極以及相應電路,能夠準確可靠地檢測用戶觸摸。


觸摸屏HMI技術的另一個優勢是支持戴手套操作。在廚房里,通常會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值,但卻經常被忽視且不被采用。


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


更常見的是,烹飪時會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提供準確的輸入。這可以自動發生而無需進入單獨的模式,并且可在不使用手套時返回到正常感測水平,因此系統不會過度敏感,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行選擇,無法實時自動檢測和調整設置以在所有環境下完成自然且直觀的用戶交互。


在這些應用中,使用較大按鈕時,用戶界面往往也更加簡單,在設計電器的觸摸屏時也應考慮支持手套。


選擇合適的觸摸控制器/傳感器/屏幕


對于廚房電器和洗衣間電器,將根據電器的尺寸使用各種屏幕尺寸。例如,咖啡機顯示屏為3英寸,微波爐、爐灶和洗衣機的顯示屏為5英寸,冰箱和冰柜的顯示屏則可達到22英寸或更大。

 

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

圖3


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


標準IC工作在-40至85°C的工業溫度范圍內,具有標準固件,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的屏幕尺寸選項,可提高電器觸摸屏設計的可擴展能力,最終縮短設計時間以及降低系統和開發成本。表1顯示了工業級電器顯示屏的一些設計參數。

典型屏幕尺寸

器件

觸摸傳感器節點數
(最大值)

封裝

接口

HID(Windows)

被動式手寫筆

1”–4”

MXT144U

144(12X × 12Y)

QFN38和WLCSP36

I2C

3”–7”

MXT336U

336(14X × 24Y)

QFN56

5”–10”

MXT640U

640(32X × 20Y)

UFBGA88

8”–12”

MXT1066T2

1,066 (41X × 26Y)

UFBGA144和UFBGA117

10”–16”

MXT1664T3

1,664(32X × 52Y)

UFBGA162和UFBGA136

I2C和USB

13”–24”

MXT2952T2

2,911(41X × 71Y)

UFBGA162

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


最后一個考慮因素是電磁兼容性(EMC)。顯然,設計必須支持EMC。隨后,必須通過測試驗證設計是否達到了理想的傳導發射和輻射發射結果。


觸摸設計的各個方面

為了盡早了解并提高對觸摸屏功能的認識,為電器觸摸屏系列中的每個控制器提供指定的評估工具包。該工具包中包括一個帶觸摸屏控制器的印刷電路板(PCB)、一個無源柔性印刷電路(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PC,包括所有必需的電纜、軟件和文檔。


該評估工具包與一個完整的軟件開發環境(可從網上免費下載),即maXTouch Studio開發系統集成開發平臺(IDP)一起使用,使電器設計人員能夠開發和調試電器觸摸控制器。圖4為電器制造商可以在評估工具包中找到的內容。

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


觸摸總結

電器制造商計劃利用物聯網的功能。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。為了成功地從當今的方法過渡到先進的觸摸屏技術,電器制造商需要與IC供應商,或者與和IC供應商合作的觸摸屏或模塊供應商協同工作,為電器應用專門設計觸摸控制器。使用合適的觸摸控制器,電器可以提供互聯網連接,并實現抗噪性、防潮性以及手套操作。

 

參考資料

www.microchip.com/maXTouch

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