作者：Jeff Shepard

　　人機(jī)界面 (HMI) 是支持工業(yè) 4.0 自動(dòng)化和過程控制以及汽車和醫(yī)療系統(tǒng)中工業(yè)物聯(lián)網(wǎng) (IIoT) 企業(yè)連接的重要元素。HMI的范圍從增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)護(hù)目鏡到觸摸屏和簡(jiǎn)單的視覺指示器。雖然增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)護(hù)目鏡成為了很多頭條新聞，觸摸屏帶來了很多功能，但越來越多的邊緣設(shè)備需要簡(jiǎn)單、低成本、微型和低功耗的視覺指示器和控制。

　　設(shè)計(jì)人員可以將 LED 點(diǎn)陣或電子紙 (e-paper) 顯示器 (EPD) 與手勢(shì)識(shí)別和接近感應(yīng)紅外 (IR) 光角度傳感器控制相結(jié)合，在工業(yè) 4.0 的 IIoT 邊緣節(jié)點(diǎn)以及一系列企業(yè)、醫(yī)療和汽車應(yīng)用中實(shí)現(xiàn)低功耗、低成本和功能豐富的 HMI。

　　本文首先回顧了字母數(shù)字和點(diǎn)陣LED顯示屏和EPD的操作和功能，然后詳細(xì)介紹了紅外光角度傳感器IC在手勢(shì)識(shí)別和接近感應(yīng)中的應(yīng)用。然后，它展示了來自 博通 和 盧美斯，來自 電子墨水，來自 EPD 的開發(fā)平臺(tái) 無處不在的顯示器， 以及用于手勢(shì)識(shí)別的紅外傳感 IC ADI公司， 以及開發(fā)平臺(tái)，以加快高性能、低功耗、微型 HMI 的設(shè)計(jì)和集成過程。

　　字母數(shù)字指示燈

　　字母數(shù)字 LED 顯示屏可接受并行和串行數(shù)據(jù)輸入以及一系列字符數(shù)、大小和顯示寬度。每個(gè)字符由 5 x 7 像素陣列組成，通常使用紅色或綠色等單一 LED 顏色。這些顯示器集成了字符集，如美國信息交換標(biāo)準(zhǔn)代碼 (ASCII) 字符、可以用 ASCII 字符集編碼的 ISO 15924 日語片假名腳本字符集，以及針對(duì)特殊用例的國家特定字符和自定義用戶定義字符(圖 1)。它們可以在日光下可讀且堅(jiān)固耐用。

　　圖 1：使用 5 x 7 像素字母數(shù)字 LED顯示屏形成的 ASCII 字符集。(圖片來源：博通)

　　可視顯示屏

　　LED 點(diǎn)陣顯示器不是用于形成單個(gè)字符，而是使用以矩陣布局排列的 LED 來提供圖形。它們還可以顯示標(biāo)準(zhǔn) ASCII、片假名和其他文本格式。在性能方面，它們介于上述點(diǎn)陣顯示器和視頻LED顯示器之間。它們有多種尺寸可供選擇，可以是單色顯示器，如紅色、綠色或紅綠藍(lán) (RGB) 多色顯示器。但是，與視頻顯示器相比，它們的調(diào)色板通常更有限，刷新率更慢(圖2)。LED通常以網(wǎng)格模式排列，LED的負(fù)極或正極端子作為公共電路節(jié)點(diǎn)連接在一起。可視 LED 顯示屏可與 I2C、8 位并行、串聯(lián)和其他接口配合使用。 有些包括板載微控制器單元(MCU)，有些則使用系統(tǒng)處理器。

　　圖 2：RGB LED 顯示屏的調(diào)色板示例。(圖片來源：Lumex)

　　什么是電子紙，它是如何工作的?

　　雖然LED需要連續(xù)的驅(qū)動(dòng)電流才能保持導(dǎo)通，但電子紙是一種雙穩(wěn)態(tài)技術(shù)，不需要連續(xù)驅(qū)動(dòng)，并且可以具有極低的功耗。當(dāng)?shù)凸氖莾?yōu)先事項(xiàng)、刷新率低且不需要全彩色時(shí)，電子紙顯示器 (EPD) 可以提供 LED 和液晶顯示器 (LCD) 的可行替代方案。在 EPD 上渲染圖像只需要很少的功率;渲染圖像后，無需電源即可對(duì)其進(jìn)行維護(hù)。EPD具有與墨水和紙張一樣的對(duì)比度。雖然大多數(shù)是黑色和白色的，但有些添加了另一種顏色，如紅色。

　　EPD 將薄膜晶體管 (TFT) 技術(shù)與一層電子墨水相結(jié)合。墨水由數(shù)百萬個(gè)含有帶電顏料顆粒的微小膠囊組成。墨水位于兩個(gè)電極之間(圖3)。將所需的驅(qū)動(dòng)器應(yīng)用于TFT矩陣會(huì)使顏料顆粒形成詳細(xì)的圖像。一旦顏料顆粒移動(dòng)到位，它們就會(huì)停留在那里，無需施加任何動(dòng)力。驅(qū)動(dòng) EPD 可能有點(diǎn)棘手。前面板層壓板(FPL)因批次而異，需要手動(dòng)調(diào)諧驅(qū)動(dòng)波形。此外，在不同的工作溫度下可能需要不同的驅(qū)動(dòng)波形。

　　圖 3：電子墨水由數(shù)百萬個(gè)微小的膠囊組成，其中包含放置在兩個(gè)電極之間的帶電顏料顆粒。(圖片來源：普適顯示器)

　　手勢(shì)識(shí)別

　　LED 和 EPD 可以為系統(tǒng)用戶和操作員提供信息。這只是完整HMI安裝的一半。用戶和操作員還需要能夠向系統(tǒng)提供輸入和控制信號(hào)。在某些應(yīng)用中，接近感應(yīng)會(huì)提醒系統(tǒng)操作員在場(chǎng)，顯示屏?xí)詣?dòng)打開以提供狀態(tài)信息。雖然這對(duì)于發(fā)送狀態(tài)信息很有用，但它不提供向設(shè)備發(fā)送輸入和命令的機(jī)制。使用傳統(tǒng)的鍵盤、開關(guān)和其他機(jī)制可能是一種選擇，但可能會(huì)導(dǎo)致相對(duì)較大且耗電的解決方案。相反，設(shè)計(jì)人員可以轉(zhuǎn)向接近傳感器的手勢(shì)識(shí)別接口，以檢測(cè)手部動(dòng)作和模式并將其轉(zhuǎn)換為命令。 手勢(shì)識(shí)別對(duì)于嘈雜的環(huán)境特別有用，在這些環(huán)境中，背景噪音和環(huán)境聲音使語音識(shí)別難以使用。實(shí)現(xiàn)基本手勢(shì)識(shí)別需要三個(gè)活動(dòng)：

　　識(shí)別手勢(shì)的開始和結(jié)束

　　在整個(gè)手勢(shì)中跟蹤手部運(yùn)動(dòng)

　　使用前兩個(gè)步驟中的信息來理解手勢(shì)

　　手勢(shì)識(shí)別開發(fā)平臺(tái)

　　要開發(fā)手勢(shì)識(shí)別系統(tǒng)，設(shè)計(jì)人員可以求助于ADI公司的 EVAL-CN0569-PMDZ 參考設(shè)計(jì)基于 ADPD2140 紅外光角度傳感器。電路發(fā)出紅外脈沖序列，傳感器捕獲反射光。該設(shè)計(jì)支持距離電路板約 20 厘米 (cm) 的手勢(shì)感應(yīng)。高達(dá)每秒 512 個(gè)樣本的采樣率使設(shè)計(jì)人員能夠調(diào)整噪聲抑制和響應(yīng)時(shí)間，以最適合應(yīng)用和環(huán)境。同樣值得注意的是，ADPD2140不需要精確對(duì)準(zhǔn);其傳感器在 ±35° 角視場(chǎng)內(nèi)具有線性響應(yīng)(圖 4)。ADPD2140封裝中的集成光學(xué)濾光片可清晰切斷可見光，無需外部透鏡或?yàn)V光片，同時(shí)在明亮的室內(nèi)照明或陽光下保持傳感器的動(dòng)態(tài)范圍，從而進(jìn)一步簡(jiǎn)化了系統(tǒng)設(shè)計(jì)。

　　圖 4：ADPD2140 紅外光角度傳感器在 ±35° 角視場(chǎng)內(nèi)具有線性響應(yīng)。(圖片來源：ADI公司)

　　字母數(shù)字 LED 顯示屏

　　需要明亮而堅(jiān)固的字母數(shù)字LED顯示屏的應(yīng)用可以轉(zhuǎn)向具有以下設(shè)計(jì)： 并行接口 或 串行接口 來自博通。帶并行接口的顯示器有 4 或 8 個(gè)字符(圖 5)。它們有多種封裝樣式、顏色和尺寸可供選擇，例如 8 個(gè)字符、5 毫米 (mm) HDSP-2533 帶綠色 LED 和 4 個(gè)字符的 3.7 mm HDLU-1414 帶高效紅色 LED，均采用塑料封裝?；?8 個(gè)字符，5 毫米， HDSP-2131 帶有采用堅(jiān)固玻璃/陶瓷封裝的黃色 LED。所有產(chǎn)品均集成了ASIC驅(qū)動(dòng)器，簡(jiǎn)化了設(shè)計(jì)工作。這些并行接口顯示器的功能包括：

　　7 到 8 條總線數(shù)據(jù)線路

　　字符映射表，128 個(gè) ASCII 和 16 個(gè)用戶可定義字符存儲(chǔ)在可編程 ROM 中

　　單個(gè)字符閃爍和閃爍所有字符

　　滾動(dòng)功能

　　八個(gè)亮度級(jí)別

　　可在 x 和 y 方向堆疊，以滿足更大的顯示需求

　　圖 5：帶并行接口的字母數(shù)字 LED 顯示屏提供 4 或 8 個(gè)字符。(圖片來源：數(shù)碼鑰匙)

　　Broadcom 提供串行接口 LED 字母數(shù)字顯示屏，有 4、8 和 16 個(gè)字符，如 8 個(gè)字符、5 毫米綠色 HCMS-3977 和 8 個(gè)字符的 3.8 毫米紅色 HCMS-2912，塑料包裝和 4 個(gè)字符的 0.2 英寸黃綠色 HCMS-2333 采用擴(kuò)展溫度范圍的玻璃/陶瓷封裝。這些串行 LED 顯示屏的功能包括：

　　128 ASCII、ISO 15924 日語片假名腳本和自定義字體

　　串行接口，支持高字符數(shù)顯示，數(shù)據(jù)線最少

　　可直接與MCU接口，簡(jiǎn)化系統(tǒng)設(shè)計(jì)

　　設(shè)備處于待機(jī)狀態(tài)時(shí)的睡眠模式

　　64 種亮度級(jí)別

　　可在 x 和 y 方向上堆疊，支持高字符數(shù)顯示

　　LED點(diǎn)陣顯示

　　當(dāng)應(yīng)用需要可視化LED顯示屏來獲取更復(fù)雜的信息時(shí)，設(shè)計(jì)人員可以使用 LDM-6432-P3-UR-1 來自Lumex Opto。這款 64 x 32 像素 RGB 顯示屏具有 3 mm LED 間距(圖 6)。該顯示器包括一個(gè)UART接口、USB電源插座和1.5 A電流保護(hù)器和BLE 4.0模塊。開發(fā)人員可以使用個(gè)人計(jì)算機(jī)來開發(fā)顯示軟件。功能包括：

　　可以處理HEX或Arduino AT命令

　　內(nèi)置字體和基本形狀

　　可以在混合字符和圖形模式下運(yùn)行

　　多個(gè)顯示模塊可以堆疊用于更大的顯示器

　　可與任何MCU集成

　　無需驅(qū)動(dòng)程序或庫

　　可以顯示動(dòng)畫

　　可根據(jù)要求提供不同的語言

　　圖 6：這款 64 x 32 像素 RGB LED 顯示屏可用于顯示更復(fù)雜的信息。(圖片來源：Lumex Opto)

　　電子紙展示和開發(fā)板

　　受惠于環(huán)保署的申請(qǐng)可向 ED078KC2 來自E Ink。它是有源矩陣TFT基板上的反射電泳EPD模塊。它在 1404 英寸的有效區(qū)域中具有 1872 x 7.8 像素。根據(jù)控制器的不同，此 EPD 可以顯示多達(dá) 16 個(gè)灰度級(jí)別(圖 7)。

　　普適顯示器提供 B3000MS044、ext3 和 B3000MS037，ext3巨人，EPD擴(kuò)展板，將EPD集成到系統(tǒng)中。基本的 ext3 套件可以驅(qū)動(dòng) 1.54“ 至 12” EPD。對(duì)于 9.7 英寸和 12 英寸的大型 EPD，還需要 ext3 巨人。該開發(fā)平臺(tái)具有板載驅(qū)動(dòng)電路，可簡(jiǎn)化EPD應(yīng)用的開發(fā)。此外，Pervasive Display還提供擴(kuò)展選項(xiàng)、多個(gè)開源駕駛代碼、設(shè)計(jì)資源以及用于圖形和交互功能的開發(fā)庫。

　　圖 7：這款雙穩(wěn)態(tài) EPD 在 7.8 英寸的有效區(qū)域內(nèi)具有 1404 x 1872 像素，具有非常低的功耗。(圖片來源：數(shù)碼鑰匙)

　　總結(jié)

　　需要HMI的IIoT邊緣設(shè)備可以從一系列緊湊和低功耗技術(shù)中受益。手勢(shì)識(shí)別提供了一種即使在具有挑戰(zhàn)性的環(huán)境中也能提供命令和控制的方法。字母數(shù)字 LED 顯示屏堅(jiān)固耐用，可以在高光環(huán)境中看到，并且可以堆疊以支持更大的信息需求。LED點(diǎn)陣顯示器和EPD可以呈現(xiàn)更復(fù)雜的信息。LED 點(diǎn)陣可以呈現(xiàn) RGB 彩色顯示器和動(dòng)畫，而 EPD 可用于需要很少功率的高對(duì)比度灰度顯示器。