就在不久前，那些“恐惧因素(fear-factor)”专家还在预言由于过度、无休止地使用QWERTY键盘，将会有一种被称为腕管综合征的“流行病”的发生(是的，曾一度流行过这一说法)。但现在不用担心了，这倒不是因为人机界面(HMI)的需求减少了。
相反是出现了一些其他选择，QWERTY键盘在消费电子产品中的角色将逐渐被其他界面所取代。一种方法就是使用一组定制化配置的专业触摸按键，并借助于一个塑料膜，让一切都保持干净并可清洗，比如很多微波炉上所使用的按键。另一种方法是使用现在流行的触摸屏界面，它正在很多新型应用中被不断列入设计考量之中。
有两方面的原因促进了触摸屏的发展。首先，由于智能手机和汽车控制台应用带来的大批量生产和技术进步，成本得到降低。其次是灵活性，因为屏幕显示器可以进行动态重配置，以在每一步用户输入过程中显示不同的软按键。这为初始设计带来了更大的灵活性并提升了用户交互性。此外，用户已非常习惯于使用触摸屏，并将其广泛用于平板电脑、ATM、气泵等领域，因此它成为了安防系统控制面板、智能温控界面甚至是集成智能家居控制器等各种家庭自动化装置的热门之选(图1)。
图1：布满传感器和控制器的智能家居借助于多方技术的进步已成为现实;即使支持远程智能手机控制的系统也都依赖于专用控制面板来实现室内应用和设置。
当然，用户界面并不受限于触摸屏技术。一些供应商正在极力投入到其他技术的研发中，例如用户声音命令和手势/触觉。但迄今为止，这些技术尚不具备足够的功能、一致性、效益或成本优势，使其可跻身大众化家居应用。不过，可能在一些特殊场合下它们还是具有一定优势的，例如针对一些特殊的残障人士。
电阻屏还是电容屏?
触摸屏可采用电阻或电容技术。简单来说，电阻传感使用薄型、弹性材料的透明导电塑料顶层，而与导电的玻璃层相分离(见图2)。在用户按压顶层时，两个导电面便会发生接触，而电阻路径由触摸屏控制器沿X轴和Y轴进行测量，以确定按压点。
图2：电阻触摸屏使用一对导电透明层;按下有弹性的顶层将在两个层之间产生一个导电路径，可通过测量所产生的电阻来确定手指的接触点。
电容触摸屏同样也是由两个分离的导电层组成，但这两层均为非弹性玻璃;有一种变化形式是，底层被一组导电网格线所覆盖(见图3)。当用户手指触摸容性表面的玻璃时，手指自身的电容将会导致局部静电场产生失真(因为人体是一个电荷导体)。触摸屏控制器将监测失真所造成的电容变化，同样是测量X和Y两个方向，以确定手指触摸屏幕的位置。
图3：对于电容触摸屏，手指接近将使绝缘层与导电层之间形成的电磁场发生失真。
每一种方法都根据要求，在性能、用户体验和成本之间进行权衡。一般来说，电容技术对于中小型屏幕(最大约10英寸)而言更加合算，因为其成本会随着尺寸而明显增大。它支持多指操作、高级手势以及放大/缩小等操作，但对于家庭自动化或智能设备的用户体验而言，这些操作往往并不需要。
相较于电阻显示屏，电容显示屏的亮度更高，这是因为底层图形源与顶层之间相隔的层数较少。同样，这个特性对于大多数光线较好的家居环境而言并不是关键因素。不同于电阻触摸屏顶层较薄而且要用手指按压，电容触摸屏顶层较厚且采用防刮玻璃，因而也更坚固耐用。
最后，对于同样的尺寸，电容技术比电阻技术对功率的要求更低。虽然低功耗往往是一个正指标，但对于采用交流电源的家庭自动化系统或触摸屏只是更大装置一部分的应用场合而言，低功耗所凸显出来的优势就不如在现场手持设备中的重要了。对于大多数家庭自动化控制器和电器设计，电阻触摸屏凭借着工艺特性与成本优势，在未来一段时间里将成为首选。
对于家用电器，我们应牢记其预定义、功能受限需求的含义。不同于智能手机中用户触摸屏界面必须要能够处理web页面、电子邮件和视频等随机和不确定情况，家用电器或家庭控制器的人机界面(HMI)功能更加受限。它只需要支持一组有限的特性、功能和用户软键，所有这些都是可以预先定义好的。这意味着，对于缩放或手指拖放等额外特性，并不需要有更加复杂、具有附加功能的触摸屏解决方案。
ROHM BU21021GUL触摸屏控制器是一种典型的电阻界面(见图4)。该芯片可与各种传统的4线制电阻触摸屏搭配使用，能够检测X/Y坐标，包括单点检测模式下的触摸压力以及两点检测模式下的一对X/Y坐标。它搭载了一个专用的嵌入式CPU进行噪声滤除、坐标计算以及手势检测，从而减轻了系统处理器的工作(及相关编码/调试操作)。
对于很多家庭自动化和家用电器等不需要触摸屏可以提供的所有功能的应用，采用一组触摸感应按钮即可满足其对用户界面的要求。这降低了BOM成本和物理连接数，所带来的密封表面相较于分立式机械开关具有更大的可靠性。针对这类设计，Cypress Semiconductor推出的CY8CMBR2016 CapSense Express 16键矩阵控制器(见图5)，可轻松搭配电容触摸用户面板使用。这是一款硬件可配置IC，不需要任何的软件工具、固件编码或器件编程操作。
Cypress CapSense控制器采用Cypress的SmartSense自动调校算法，因而无需手动“调节”其响应，并对按键和相关印刷电路板中不可避免的电容变化进行补偿。这也就缩短了开发和生产周期。此器件支持多达16个可以任意布局(如线性或矩阵阵列)的电容触摸按键。借助于其向后兼容的按键扫描界面，设计人员可替换掉机械开关，或快速升级并改良火灾报警器控制面板、安防系统甚至是门锁上的现有的键盘式应用。
图4：ROHM BU21021GUL电阻触摸屏控制器搭载一个专用处理器，通过嵌入式算法来执行噪声滤除和触摸评估等操作，进而可避免系统处理器处理这些专门的繁重工作。
图5：Cypress Semiconductor CY8CMBR2016 CapSense Express 16键矩阵控制器设计用来将分立式机电开关轻松升级到密封式电容开关，非常适用于需要有限功能的应用场合，如微波炉或洗碗机。
有线还是无线HMI连接?
当然，用户界面需要连接到更大的系统才能发挥其用途。这可通过专用硬件连接、USB端口等标准硬件接口或无线连接等来实现。具体的选择多取决于应用、位置、用户与界面的交互方式，以及成本和物理兼容性问题等常见因素。
在很多情况下，无线连接都不仅是首选，也是必需的选择。例如，智能家居控制面板/房屋入口处的用户界面需与家庭范围内的无线系统进行交互。其与系统控制器的连接本身也需要是无线形式的，这是因为在墙内进行网络布线不仅成本高昂，而且安装起来也是一件头疼的事。此外，控制面板可能还需要支持多个标准协议，如蓝牙、WiFi以及供应商定义的专用协议。对于Wi-Fi接口，Murata Electronics推出的SN820X系列Wi-Fi网络控制器模块(图6)包含一系列小型(20mm × 30mm × 2.8mm)、低功耗、独立完整的模块，能够为互联网(2.4GHz IEEE 802.11b/g/n)提供简单的串行至网络连接。
这些模块采用Broadcom公司的“嵌入式设备无线互联网连接”( WICED)架构，并具有Wi-Fi、TCP/IP网络栈、安全固件以及其他网络应用特性。在进行开发时，模块还支持Murata的简单网络接口连接(SNIC)软件和EZ Web Wizzard软件。
图6：对于即插即用的串行至Wi-Fi连接，Murata的SN820X系列网络控制器模块在一个20mm × 30mm × 2.8mm的电路板可安装模块中集成了所有必需的功能和I/O。
某些用户控制面板还需要为警报系统节点(比如门、窗和温度传感器)等专用外部点提供无线接口。这些无线连接可能会使用与Wi-Fi、Zigbee或 Bluetooth不相关的协议或频率，来节省功率并降低成本，或者保持其专有市场地位。例如，很多用于家庭自动化、智能楼宇或报警系统的传感器都采用低于1 GHz的RF频率。
对于这些情况，我们可以选择使用Analog Devices的ADF7024低功耗sub-GHz收发器之类的IC(图7)。这款5mm × 5mm的收发器支持以431 MHz至 435 MHz及 862 MHz至 928 MHz的频带、两级频移键控(FSK)和高斯频移键控(GFSK)调制及9.6 kbps至300 kbps适中的数据速率工作。因为此器件主要用于由电池或能量收集电源供电、家庭或办公场合下使用的远程传感器，所以非常需要低功耗操作，尤其是在这些场合下经常出现的长期休眠期间。
图7：工作频率低于1GHz的Analog Devices ADF7024低功耗收发器为5 mm× 5 mm IC，用于431 MHz至435 MHz及862 MHz至 928 MHz的免许可(但仍受法规约束)ISM频段，适合智能家居和楼宇中的各式各样本地传感器。
为了满足这些需求，ADF7024提供了多种休眠模式，包括电流低至0.33μA的深度休眠模式，内部32 kHz振荡器工作且0.33μA稍高电流的休眠模式，以及自主接收器“监听与智能唤醒”模式——在该模式下，ADF7024以高达300 kbps的速率检测并接收数据包，且仅需11.75μA的电流。请注意，即使无线收发器不需要满足Wi-Fi、ZigBee或 Bluetooth等标准所设定的技术要求，它仍需满足各种免许可运营的法规要求。ADF7024满足美国FCC第15部分(15.231、15.247和15.249部分)以及欧洲ETSI EN 300 220的要求。
在无线连接与相关移动技术进步备受关注的同时，其固有属性与本质特征使其可能不太适合将用户触摸屏连接到设备等情况。其中一些原因包括成本、不必要的复杂度、EMI/RFI敏感性问题(设备本身是主要噪声源，尤其在具有电机和需要瞬时打开/关闭时)、附近同频段无线设备可能的通道干扰，以及协议和设置问题。
如果控制面板在物理上是洗碗机等装置(即使装置是智能/IoT装置并具有互联网连接)的基本组成部分，建立无线内部链接也许是解决潜在的设计难题、高成本以及性能一致性问题的解决方案。设计上可通过一小段电线或电缆实现，因为互连介质通常是实现高性能、低成本及可靠操作的最简单直接的方法。
将标准USB接口用作互连将提供某些产品设计优势。市面上提供了多种开发工具，允许独立于产品其他功能的开发或与之同时进行用户面板的编程和调试。使用标准端口还能将产品系列模块化，从而能轻松提供各种设备用户界面。因此，一个用户面板硬件便可满足一个家庭中具有不同屏幕交互和软键需求的各种设备。
此外，标准USB接口允许现场服务人员断开工厂提供的用户面板，然后与具有高级诊断功能的笔记本电脑相连。在发现原始操作固件发生问题(又名bug)时，这个能力可简化现场设备固件升级操作。这类升级的潜在需求正日益成为一个扰人问题，因为就连基本设备也具备基于软件的复杂特性。即使设备在安装时没有可用的互联网连接来下载更新固件，也必须进行现场修复;因此可选择通过USB端口和服务代表来访建立物理连接。
然而，对于洗碗机和冰箱等设备，基本的USB连接器可能不够坚固耐用。即使在很多情况下家庭是一个相当温和的环境，但连接器仍可能处于振动、潮湿、布满灰尘或其他恶劣环境中。当连接器处在排水和通风不够充足的地方时，这种情况经常是免不了的。
这种情况可以使用TE Connectivity 推出的IP68防水型micro-USB 2.0连接器(见图8)。采用金属注射成型(MIM)外壳的母连接器可防止由于浸没于水下和灰尘环境下而导致的损坏。通过在该设计中配备一个与标准插头插销相匹配的凹槽，此连接器便能够如同常规Micro USB连接器始终保持与插头匹配。此外，其金属加强板可防止连接器内部包含触点的塑料片损坏，帮助避免电气短路，而这通常表现为令人懊恼的间歇性故障。螺丝式安装耳更容易将连接器整合并安装在终端应用中。这种安装方式在机械完整性方面优于依赖于引线与过孔电路板安装方式或通过表面凸块和PCB焊盘的连接方式。
图8：连接器需求往往在设计后期才会考虑，但TE Connectivity的这种耐用型micro-USB 2.0母连接器提供了在意外恶劣设备安装环境中所需的互联与安装完整性。
除了用户接口，整合性与功能上的进步也使得将触摸显示器、单独的触摸开关(如果需要)与实际控制电子器件结合起来更加实际和方便。这简化了用户能看到的设计部分与用户无法看到的电路之间的封装与连接问题。用于显示屏与前面板的接口电子器件以及系统用工作电子器件都可以是一个电路板，而非多个电路板或多个外壳，这样对于应用和安装方才有用。
即使用户接口面板与其他电子元器件在物理上是隔离的，这也是洗碗机或冰箱中的大功率电机控制和高压电子元器件通常采用的方式，设计人员在配置和封装时也有了更大的灵活性。当然，这是一个不断反复的情况，因为他们还想再添加一些其他功能和特性，这相应也就需要有更新的灵活性。
