實(shí)現(xiàn)高性價(jià)比家電人機(jī)接口

帶有交互式圖形用戶接口(GUI) 功能的液晶顯示屏(LCD) 成為目前大部分家電中傳統(tǒng)“機(jī)械式” HMI 的高性價(jià)比替代方案。本白皮書介紹這些技術(shù)，以及Altera、Altia 和Echelon 為幾乎所有家電或者消費(fèi)類產(chǎn)品的低成本、高性能HMI 提供的創(chuàng)新解決方案體系結(jié)構(gòu)。
引言
傳統(tǒng)上，家電人機(jī)接口 (HMI) 由按鍵和旋鈕等機(jī)械器件以及顯示指示器組成，這些指示器包括發(fā)光二極管(LED) 和真空熒光顯示屏(VFD) 等?，F(xiàn)在，家電和消費(fèi)類產(chǎn)品市場(chǎng)發(fā)生了很大變化。隨著液晶顯示屏(LCD)技術(shù)在電視、計(jì)算機(jī)、汽車和移動(dòng)設(shè)備上的廣泛應(yīng)用，其成本不斷下降，帶有交互式圖形用戶接口(GUI)功能的LCD 成為目前大部分家電中傳統(tǒng)“機(jī)械式” HMI 的高性價(jià)比替代方案。
HMI 在家電中的作用
消費(fèi)者總是希望有更簡(jiǎn)單的方式實(shí)現(xiàn)和家庭中大量家電的交互，顯示屏，特別是數(shù)字顯示HMI，在這方面的作用越來越重要。最近， Apple iPhone 等產(chǎn)品進(jìn)一步推動(dòng)了向圖形交互產(chǎn)品的發(fā)展。iPhone 從根本上重新定義了消費(fèi)者對(duì)大批量市場(chǎng)產(chǎn)品的預(yù)期，導(dǎo)致現(xiàn)在的消費(fèi)者習(xí)慣于觸摸虛擬按鍵，在屏幕上滑動(dòng)手指來調(diào)整設(shè)置，甚至使用手勢(shì)來代替復(fù)雜的HMI 動(dòng)作。此外，消費(fèi)者還希望產(chǎn)品是“智能”的，能夠輕松獲得豐富的信息，不出錯(cuò)，在很多情況下，消費(fèi)者都不用打開手冊(cè)尋找?guī)椭?br />在當(dāng)今競(jìng)爭(zhēng)激烈的消費(fèi)類產(chǎn)品和家電市場(chǎng)上，生產(chǎn)商必須以最小的成本突出產(chǎn)品優(yōu)勢(shì)，吸引消費(fèi)者，從而提高市場(chǎng)份額。一項(xiàng)新技術(shù)一般總是首先應(yīng)用在高端產(chǎn)品上，然后過渡到中端產(chǎn)品，最后幾乎成為所有產(chǎn)品的標(biāo)準(zhǔn)功能。最近新出現(xiàn)的技術(shù)包括電冰箱和網(wǎng)絡(luò)家電使用的集成HDTV，以及洗衣機(jī)和甩干機(jī)的智能電源方案等( 圖1)。

圖1. 具有能源監(jiān)控新功能的洗衣機(jī)實(shí)例
這些功能都有一個(gè)共同點(diǎn)：它們需要更高級(jí)的顯示技術(shù)來實(shí)現(xiàn)人機(jī)交互。在很多情況下，通過觸摸屏來實(shí)現(xiàn)這一點(diǎn)。OEM 采用觸摸屏來實(shí)現(xiàn)對(duì)現(xiàn)代家電的平滑控制，突出自己的品牌優(yōu)勢(shì)，滿足當(dāng)前消費(fèi)者的需求。使用數(shù)字顯示屏技術(shù)替代機(jī)械HMI 最終加速了開發(fā)，而且能夠重新利用體系結(jié)構(gòu)，從長遠(yuǎn)看，由于GUI 軟件和可編程邏輯器件(PLD) 技術(shù)的進(jìn)步，設(shè)計(jì)成本會(huì)越來越低。家電觸摸屏是目前消費(fèi)類產(chǎn)品的必然方向，不斷推動(dòng)“數(shù)字生活方式”市場(chǎng)的發(fā)展。
實(shí)現(xiàn)高性價(jià)比家電人機(jī)接口Altera 公司
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觸摸屏技術(shù)
觸摸屏這種顯示設(shè)備能夠探測(cè)到顯示區(qū)域一定范圍內(nèi)“觸點(diǎn)”的出現(xiàn)及其位置。這一般通過手指或者塑料觸摸筆來實(shí)現(xiàn)。最新的觸摸技術(shù)使用“多觸點(diǎn)”傳感技術(shù)，一個(gè)人使用兩個(gè)手指來操作一個(gè)目標(biāo)，例如Apple iPhone，或者多人在一個(gè)屏幕上相互協(xié)作，進(jìn)行交互，例如微軟的表面計(jì)算技術(shù)。
觸摸技術(shù)發(fā)明于上個(gè)世紀(jì)60 年代后期，最先應(yīng)用于企業(yè)研究實(shí)驗(yàn)室計(jì)算機(jī)輔助學(xué)習(xí)終端以及商用電話系統(tǒng)中。然而，這一技術(shù)并沒有得到廣泛的市場(chǎng)應(yīng)用，直到最近某些產(chǎn)品的推出，這一技術(shù)才逐漸流行起來，主要應(yīng)用在移動(dòng)電話市場(chǎng)。消費(fèi)者最先接觸這一技術(shù)是在個(gè)人數(shù)字助理(PDA) 上，例如Palm Pilot，而隨著Apple iPhone 的出現(xiàn)，對(duì)這一技術(shù)的需求越來越大。Apple iPhone 無縫結(jié)合了觸摸交互功能和引人注目的動(dòng)態(tài)圖形技術(shù)。
觸摸屏主要由三種集成組件構(gòu)成：傳感器、模塊和顯示屏。觸摸屏傳感器是產(chǎn)品的關(guān)鍵組成，它能夠找到手指或者觸摸筆的觸摸位置，然后與底層系統(tǒng)進(jìn)行通信。觸摸屏模塊包括觸摸屏傳感器、控制器IC 和軟件。觸摸屏含有集成了顯示面板的模塊。
目前使用的觸摸屏傳感器有各種類型的，包括應(yīng)變、光學(xué)成像、散射信號(hào)、聲脈沖、表面聲波、電容和電阻傳感器等。其中，電阻傳感器由于成本低，是目前應(yīng)用最廣泛的，三分之二的觸摸屏元件生產(chǎn)商生產(chǎn)基于電阻傳感器的觸摸屏。電阻觸摸屏不受水、光或者灰塵等外部因素的影響，能夠?qū)崿F(xiàn)分辨率較高的圖像， 支持精確的小目標(biāo)移動(dòng)。電阻觸摸屏使用銦錫氧化物(ITO) 玻璃或者顯示屏表面塑料薄膜上的控制器來產(chǎn)生觸摸連接。在激活觸摸屏?xí)r，手指或者觸摸筆按壓塑料薄膜和基底之間的氣隙，從而在ITO 薄膜和玻璃之間產(chǎn)生電壓差。 控制器IC 計(jì)算觸摸位置，確定用戶在傳感器上的實(shí)際位置，然后，底層應(yīng)用軟件利用這一信息確定用戶意圖，完成相應(yīng)的動(dòng)作。
采用FPGA 實(shí)現(xiàn)觸摸屏
具有較強(qiáng)交互功能GUI 的發(fā)展推動(dòng)了對(duì)高性能處理器的需求。然而，目前市場(chǎng)上的很多低成本微控制器單元(MCU) 不能滿足在LCD 屏上實(shí)現(xiàn)生動(dòng)的交互式GUI 的性能需求。而且，現(xiàn)有的MCU 不包括對(duì)外設(shè)、圖形加速或者LCD 顯示屏的片內(nèi)支持，因此，將所有分立元件組裝起來后，其總成本非常高。
FPGA 器件由邏輯單元陣列組成，可以配置完成各種功能，相對(duì)于MCU，其性能和靈活性更強(qiáng)，是LCD 觸摸屏更好的選擇方案。結(jié)合嵌入式軟核處理器， FPGA 很容易支持實(shí)現(xiàn)MCU 通用處理功能以及其他外部器件功能。這些器件能夠動(dòng)態(tài)適應(yīng)不同的屏幕尺寸、圖像分辨率、外設(shè)和GUI，非常靈活。
由于具有可編程能力， FPGA 以前主要用于驗(yàn)證設(shè)計(jì)概念，構(gòu)建最初的產(chǎn)品原型。然而，隨著半導(dǎo)體亞微米技術(shù)的發(fā)展，低成本FPGA，例如Altera® Cyclone® 產(chǎn)品系列， 廣泛應(yīng)用在大量的消費(fèi)類電子產(chǎn)品中，包括數(shù)字電視、機(jī)頂盒以及DVD 解碼器等。這一趨勢(shì)的自然發(fā)展導(dǎo)致FPGA 在家電設(shè)計(jì)中得到進(jìn)一步應(yīng)用。
圖2 所示為65-nm 低功耗、低成本Cyclone III FPGA 實(shí)現(xiàn)的LCD 觸摸屏。Cyclone III FPGA 具有內(nèi)置LCD控制器和觸摸屏接口，因此，不需要其他的LCD 控制器和圖形處理器，否則，實(shí)現(xiàn)這類設(shè)計(jì)還得采用這些器件。
Altera 公司 實(shí)現(xiàn)高性價(jià)比家電人機(jī)接口
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圖2. 采用Cyclone III FPGA 實(shí)現(xiàn)的觸摸屏
采用下一代技術(shù)簡(jiǎn)化GUI 開發(fā)
傳統(tǒng)的GUI 應(yīng)用程序開發(fā)很容易出錯(cuò)，需要大量的投入，OEM 宣稱高達(dá)70％的質(zhì)量問題來自GUI。這些缺點(diǎn)主要來源于效率低下的工作流程、時(shí)間和成本壓力導(dǎo)致的折衷方案以及在嵌入式系統(tǒng)上開發(fā)非常復(fù)雜的高性能圖形軟件。