觸摸屏控件已在業(yè)內(nèi)廣泛采用，作為一種便捷、穩(wěn)健的介質(zhì)，用戶可以通過(guò)它與設(shè)計(jì)用于自動(dòng)化流程和開(kāi)展人類無(wú)法開(kāi)展的工作的復(fù)雜設(shè)備交互。但是，觸摸屏并不適用于食品行業(yè)或保健等優(yōu)先考慮衛(wèi)生狀況的情形，或者需要戴手套進(jìn)行防護(hù)的情形。

　　當(dāng)工人必須與食品生產(chǎn)設(shè)備交互時(shí)，觸摸屏幕表面會(huì)傳播污染。類似地，在設(shè)置透析機(jī)等醫(yī)療設(shè)備時(shí)，用戶在每次使用觸摸屏后可能需要更換手套。在必須佩帶厚防護(hù)手套的工業(yè)場(chǎng)景中，傳統(tǒng)電容式觸摸屏可能無(wú)法正確響應(yīng)，或者可能有觸摸錯(cuò)誤按鈕的風(fēng)險(xiǎn)。如果必須取下手套才能使用設(shè)備，這樣會(huì)影響安全和生產(chǎn)力。

　　手部跟蹤和接近檢測(cè)等三維 （3D） 手勢(shì)識(shí)別功能可以解釋指令，而無(wú)需用戶觸摸傳感器表面。通過(guò)手部和手指在自由空間的自然移動(dòng)來(lái)控制設(shè)備的這一功能，有助于設(shè)備設(shè)計(jì)師克服傳統(tǒng)電容式觸摸屏的不足。

　　利用模型分析或飛行時(shí)間測(cè)量等技術(shù)實(shí)現(xiàn)的光學(xué)手勢(shì)識(shí)別功能，可幫助游戲控制器檢測(cè)整個(gè)身體的移動(dòng)，并可用于近距離范圍的 3D 手勢(shì)識(shí)別，以作為觸摸屏替代品。但是，如果在控制面板中實(shí)施光學(xué)手勢(shì)識(shí)別，光源和檢測(cè)器可能需要孔洞或開(kāi)口。而且，可能需要多個(gè)光源和/或接收器，這會(huì)增加成本和復(fù)雜度。

　　電氣近場(chǎng)（電場(chǎng)）感測(cè)是一種利用前面板嵌入式電極或顯示屏集成電極的備選方式。可以檢測(cè)各種手勢(shì)，例如接近手部、滑動(dòng)或邊緣輕彈可用于控制移動(dòng)或選擇下一個(gè)/上一個(gè)選項(xiàng)，以及圓形手勢(shì)可用作控制順時(shí)針/逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)的指令。

　　簡(jiǎn)化電場(chǎng)感測(cè)

　　Microchip MGC3030 手勢(shì)控制器是一個(gè)電場(chǎng)感測(cè)片上系統(tǒng) （SoC），帶有 3D 手勢(shì)識(shí)別和手部位置追蹤板載處理功能。它采用 Microchip 的 GestIC? 技術(shù)，采用約 100 kHz 的交流電壓為電極上電，以設(shè)置準(zhǔn)靜電近場(chǎng)，當(dāng)用戶手部或手指進(jìn)入感測(cè)區(qū)域時(shí)電場(chǎng)將扭曲。等電位線的最終壓縮（圖 1）可降低傳感器陣列的信號(hào)電平。GestIC 算法分析這些轉(zhuǎn)變，以檢測(cè)接近行為并解釋手勢(shì)，并使用統(tǒng)計(jì)建模區(qū)分刻意手勢(shì)和一般手部移動(dòng)。

　　圖 1： GestIC 算法通過(guò)分析準(zhǔn)靜電場(chǎng)扭曲來(lái)識(shí)別手勢(shì)。

　　MGC3030 在 32 位 DSP 內(nèi)核上運(yùn)行 GestIC 算法，并使用模擬濾波和跳頻來(lái)最小化干擾。算法需要的集中處理比光學(xué)手勢(shì)識(shí)別少，并且結(jié)合 MGC3030 的電源管理模式，包括接近時(shí)自動(dòng)喚醒，實(shí)現(xiàn)了高性價(jià)比的低功耗解決方案，甚至在電池供電設(shè)備中也允許隨時(shí)感測(cè)。

　　除了典型手勢(shì)外，GestIC 套件允許觸摸檢測(cè)，包括點(diǎn)擊或雙擊。也支持“airwheel”圓形手勢(shì)，其調(diào)節(jié)水平分辨率高達(dá)毎圈 32 次計(jì)數(shù)，而 x-y-z 位置追蹤允許自定義手勢(shì)或輸入感測(cè)。

　　傳感器設(shè)計(jì)指南

　　發(fā)射器和接收器電極的設(shè)計(jì)和布局通常會(huì)影響手勢(shì)識(shí)別范圍、精度和可重復(fù)性。MGC3030 為最多五個(gè)接收電極和一個(gè)發(fā)射電極提供了引腳。電極可采用任何導(dǎo)電材料制成，例如織物狀實(shí)心銅網(wǎng)、金屬網(wǎng)或氧化銦錫 （ITO）。發(fā)射和接收電極由非導(dǎo)電隔離層分隔，可由 PCB 基底、玻璃、聚碳酸酯或類似材料制成。還可添加非導(dǎo)電覆蓋層。

　　IC 的發(fā)射器輸出信號(hào)幅度為 2.85 V，適合于尺寸不超過(guò)約 140 mm x 140 mm 的傳感器。對(duì)于尺寸不超過(guò)約 200 mm x 200 mm 的更大傳感器，可以使用電平位移器提高輸出，工作電壓為系統(tǒng)電源軌或?qū)Ｓ蒙龎?a target="_blank">轉(zhuǎn)換器提供的 5 V 到 18 V。

　　關(guān)于電極一般布局，傳感器外形通常為方形或圓形，但比例不超過(guò) 1:3 的矩形或橢圓形也是可以接受的。如果識(shí)別范圍需要對(duì)稱，那么外形也應(yīng)呈 X 和 Y 軸對(duì)稱。

　　如圖 2 所示，接收電極布置在傳感器周?chē)詈脩?yīng)為相等或類似長(zhǎng)度。通常，電極寬度應(yīng)為長(zhǎng)度的 5 - 7%。增加寬度會(huì)增加靠近手的電容，雖然手勢(shì)識(shí)別范圍減小，但這對(duì)于弱接地系統(tǒng)而言是一個(gè)優(yōu)勢(shì)，如電池供電設(shè)備。

　　圖 2： 增加電極寬度將增加電容，但縮小識(shí)別范圍。

　　使用四個(gè)電極識(shí)別手勢(shì)，如圖 2 所示。可以使用 MGC3030 的第五個(gè)電極輸入來(lái)實(shí)現(xiàn)中間觸摸區(qū)域，而外擋圈電極則用于靠近或接近檢測(cè)，或者用于手勢(shì)感測(cè)區(qū)域外的一個(gè)額外觸摸按鈕。

　　發(fā)射電極可產(chǎn)生電場(chǎng)，位于傳感器堆棧中接收電極下方，如圖 3 所示。這種布置可為接收電極和電氣連接屏蔽傳感器后部的潛在干擾信號(hào)。要達(dá)到最佳屏蔽，發(fā)射電極外形應(yīng)與接收電極重疊。

　　圖 3： 雙層傳感器堆棧的橫截面。

　　要最小化外部噪音的影響，發(fā)射電極應(yīng)覆蓋傳感器的完整區(qū)域。這很重要，例如，如果要在 TFT 顯示屏中添加手勢(shì)檢測(cè)。設(shè)計(jì)師可能?chē)L試將傳感器布置成圍繞顯示屏的環(huán)形，通過(guò)布置透明電極，可以確保更好的性能，如顯示屏上的薄層 ITO。

　　MGC3030 手勢(shì)控制器應(yīng)盡可能靠近電極，盡管這會(huì)遠(yuǎn)離用戶最可能靠近的方向。合適的解決方案是在傳感器 PCB 背側(cè)安裝 IC。這可能位于傳感器區(qū)域內(nèi)，或者靠近外側(cè)邊緣，如圖 4 所示。

　　圖 4： 芯片布置和電極連接。

　　連接接收電極和 IC 輸入引腳的導(dǎo)線對(duì)用戶手部和環(huán)境擾動(dòng)很敏感，因此應(yīng)當(dāng)盡可能短，并遠(yuǎn)離外部干擾源。此外，要確保穩(wěn)定一致的操作，最好選擇連接柔性連接的機(jī)械固定導(dǎo)線，如 PCB 印制線和/或板對(duì)板連接器，例如在操作傳感器時(shí)可能移動(dòng)的電纜。

　　堆棧頂部的接收電極與下方的發(fā)射電極之間存在著隔離層，而隔離層的介電屬性也會(huì)影響傳感器性能。如果使用 PCB 進(jìn)行隔離，標(biāo)準(zhǔn) FR4 （εr = 5） 的相對(duì)磁導(dǎo)率意味著厚度至少達(dá)到 1.0 mm。增加厚度至 1.5 mm - 2.0 mm 將顯著提高性能。玻璃絕緣體 （εr = 6） 厚度至少為 1.2 mm，而塑料（典型 εr 約為 3.0）可以薄至 0.6 mm。

　　除了電極層和隔離層，電池供電系統(tǒng)還需要接地層。在接地系統(tǒng)中，可選擇額外添加一個(gè)接地層，以提高穩(wěn)定性并最小化傳感器后部干擾敏感度。

　　如果使用接地層，應(yīng)當(dāng)作為第三層在發(fā)射電極下實(shí)施。這種情況下，發(fā)射電極和地之間的最大允許電容受到 IC 的發(fā)射輸出能力的限制，并且必須不超過(guò) 1 nF。如有必要，可以采用各種技術(shù)來(lái)降低電容，包括更換為更低磁導(dǎo)率材料的隔離器，增加發(fā)射電極和地之間的間隔距離，使用網(wǎng)狀電極而非實(shí)心電極，或者在 IC 輸出和發(fā)射電極之間插入外部電壓跟隨器作為驅(qū)動(dòng)器。

　　詳細(xì)設(shè)計(jì)協(xié)助

　　盡管 GestIC 技術(shù)有助于快速輕松地實(shí)施手勢(shì)識(shí)別，正確的傳感器設(shè)計(jì)對(duì)工作范圍和傳感器穩(wěn)定性有著關(guān)鍵影響。表 1 說(shuō)明了由于傳感器設(shè)計(jì)不良導(dǎo)致的常見(jiàn)問(wèn)題，以及可能的原因和解決方案。

　　表 1： 電場(chǎng)傳感器故障排除指南。

　　結(jié)論

　　作為觸摸用戶界面的替代方式，電場(chǎng)傳感提供了實(shí)施 3D 手勢(shì)識(shí)別的方便方式。Microchip 的 GestIC 技術(shù)可簡(jiǎn)化實(shí)施，并且能識(shí)別各種適合控制工業(yè)和醫(yī)學(xué)設(shè)備的手勢(shì)。如有需要，可以實(shí)施其他觸摸式傳感器。花時(shí)間了解基本傳感器設(shè)計(jì)指引會(huì)有助于優(yōu)化性能和可靠性，縮短上市時(shí)間。