采用電容觸控技術(shù) 簡化智能音箱的人機界面

　　概述

　　不久的將來，智能音箱和家庭助手將隨處可見。根據(jù)朱尼普研究公司的數(shù)據(jù)顯示，在2022年前，將有超過7000萬的美國家庭安裝至少一臺智能音箱。

　　自從2015年首次推出以來，智能音箱的功能已經(jīng)有了顯著提升。音箱可向用戶傳遞音頻內(nèi)容，這仍是消費者為他們的家庭添置一臺(或多臺)音箱的主要原因。這些音箱配有聲控數(shù)字助手，可與用戶保持“通信”。音箱上的其他物理控制裝置必須既保持簡單的特性，同時仍可以啟用所需的功能。這些控制裝置包括簡單的電源ON/OFF按鈕，音量控制滑塊/滾輪，跳過或重復(fù)音軌的按鈕，麥克風靜音按鈕等。

　　感謝“Alexa”、“Hey Siri”和“OK Google”等語音喚醒指令，語音作為與設(shè)備互動的手段變得十分流行。智能音箱之所以能迅速受到消費者的追捧，主要原因之一就是它可以從根本上簡化與其互動的過程?；竟δ艿陌粹o非常少，大部分都是通過語音指令進行互動。

　　萊昂納多·達芬奇曾經(jīng)說過“至繁歸于至簡?！痹?1世紀運用這種設(shè)計理念，即意味著應(yīng)該盡可能簡化人機界面，并且需要保持直觀的設(shè)計風格。此外，由于語音是首選界面，因此設(shè)計人員必須在界面設(shè)計過程中凸顯出明顯的差異性。圖1是傳統(tǒng)的智能揚聲器HMI。

　　電容觸控功能可使設(shè)計人員在產(chǎn)品設(shè)計中采用獨特的功能并使產(chǎn)品充滿競爭激烈的市場中脫穎而出。本文將介紹如何使用帶CapTIvate?觸控技術(shù)的德州儀器(TI)MSP430?微控制器(MCU)實現(xiàn)差異化功能。

　　圖1.具有基本HMI的典型智能音箱。

　　采用CapTIvate技術(shù)的MSP430?電容觸控傳感MCU

　　TI MSP430 MCU采用CapTIvate 技術(shù)，使得觸控設(shè)計具有一個集成的功能豐富的電容傳感外設(shè)。該外設(shè)采用高度可靠的超低功耗設(shè)計，且不會影響觸控功能，使其成為具有流暢HMI的電池供電應(yīng)用的理想選擇?？膳渲玫腃apTIvate 外設(shè)同樣也支持自電容和交互電容的測量拓撲結(jié)構(gòu)，使設(shè)計人員可在帶單一MCU的同一個獨特界面的設(shè)計中利用每種拓撲的優(yōu)點?？赡透叻重愒胍舻娜δ芸删幊蘉CU和全面的生態(tài)系統(tǒng)使得帶CapTIvate技術(shù)的MSP430 MCU從眾多電容觸控控制器中脫穎而出。

　　MSP430 CapTIvate MCU可通過以下方式顯著提高智能揚聲器中的潛在功能：

　　 機械按鈕替換。隨著消費者越來越適應(yīng)產(chǎn)品上的電容觸控按鈕，嵌入式系統(tǒng)設(shè)計人員開始意識到使用電容觸控按鈕代替機械按鈕的好處。例如，你可以使用電容觸控按鈕代替智能揚聲器上的四個按鈕，使用單個MSP430 CapTIvate MCU可感知每個電容觸控按鈕。這可以大大節(jié)省按鈕成本，制造剪切按鈕的頂部表面的成本，及簡化裝配流程的成本。

　　 高級輸入，例如滑塊和滾輪MSP430 CapTIvate MCU使系統(tǒng)設(shè)計人員能夠采用先進的輸入機制，如滑塊和滾輪，控制設(shè)備上的不同功能。例如，敲擊可以打開和關(guān)閉麥克風，滑動滑塊可以跳過或倒回音軌，輪式傳感器上的旋轉(zhuǎn)觸控動作可以增加或減小音量。如果沒有電容感應(yīng)控制器，則無法為這些手勢機制提供支持。該培訓視頻介紹了MSP430 CapTIvate MCU上一些3-D手勢。

　　 近距離檢測。MSP430 CapTIvate MCU還具有近距離檢測功能，使得只要用戶將手放在設(shè)備附近，LED環(huán)就可以開啟和/或問候用戶。這項技術(shù)為智能音箱設(shè)計提供了一個令人驚嘆的增強功能。

　　 提升美學效果。無需切割頂面上的按鈕孔是另一項顯著的優(yōu)點：設(shè)計人員可以靈活設(shè)計，使得表面呈現(xiàn)出更加美觀的效果。它甚至不需要保持表面完全平坦;富有創(chuàng)意的設(shè)計人員可以嘗試不同的形狀和材料，從而采取可提升功能和吸引力的設(shè)計，以最大程度獲得市場的青睞。MSP430 CapTIvate MCU可實現(xiàn)金屬觸控、玻璃觸控、木材觸控和塑料觸控。

　　 提升可靠性。觸控和接近探測的可靠性是保持智能揚聲器HMI的簡單樸素特性的關(guān)鍵要素。

　　圖2.優(yōu)雅的HMI可在市場上脫穎而出。

　　許多噪聲源對可靠地檢測電容觸控構(gòu)成嚴重挑戰(zhàn)。智能揚聲器通常具有Wi-Fi?和/或藍牙?連接，這會增加電磁噪聲。MSP430 CapTIvate MCU結(jié)合信號處理算法，低噪聲硬件設(shè)計和噪聲避免技術(shù)，確保產(chǎn)品具有出色的抗噪能力。CapTIvate技術(shù)采用配備了跳頻振蕩器的基于積分器的電荷轉(zhuǎn)移引擎，及寄生電容校正和擴頻時鐘調(diào)制來提高抗噪能力。CapTIvate軟件庫可提供了幾種信號處理算法，用以提高觸控或接近探測的穩(wěn)健性。這包括多頻算法，無限脈沖響應(yīng)(IIR)濾波器，防回跳機制和動態(tài)閾值調(diào)整。此參考設(shè)計展示了一種耐噪聲電容觸摸HMI設(shè)計，同時該視頻還介紹了CapTIvate MCU的所有抗噪特性。

　　 防潮濕功能。人們在浴室，廚房和泳池邊使用傳統(tǒng)的藍牙揚聲器已經(jīng)有段時間了。我們期望智能揚聲器能夠效法，但這意味著要增加智能揚聲器的耐濕性。完全密封電容觸控控制器的頂面確實有效，因此帶有機械按鈕的設(shè)備必須采取成本高昂的措施才能具有耐濕性。MSP430 CapTIvate MCU可以在有濕氣的環(huán)境中可靠地進行觸控探測或接近探測。該酷炫的視頻展示了MSP430 CapTIvate MCU的耐濕性。

　　 低功耗。具有Wi-Fi連接的智能揚聲器通常采用墻上插座供電，因此它們通常不滿足低功耗的要求。但是，從用戶的角度來看，這限制了揚聲器的便攜性。智能揚聲器采用電池供電，需要重新設(shè)計設(shè)備架構(gòu)，同時采取更復(fù)雜的電源管理方案以延長電池壽命。事實上，部分制造商生產(chǎn)的便攜式智能揚聲器，其充電電池的運行時間大約為10到12小時。

　　這些設(shè)備中的電容觸控控制器需要盡可能降低功耗，同時仍能進行觸控探測或近距離探測。采用CapTIvate技術(shù)的MSP430 MCU是功耗最低的電容觸控傳感解決方案，每個按鍵電流小于2μA/ avg。MCU還支持喚醒觸控或喚醒近距離探測，因此您可以將大多數(shù)耗電處理器設(shè)置成深度低功耗模式，直到被觸控或近距離事件激活。查看該參考設(shè)計，它展示了玻璃低功耗觸控。

　　此外，我們新推出的CapTIvate MCU產(chǎn)品線將電容傳感功能引入成本敏感的應(yīng)用之中。帶有集成電容觸控的全新MSP430FR2522和MSP430FR2512 MCU可為語音激活的家庭自動化系統(tǒng)，音頻應(yīng)用等提供多達16個按鈕和近距離感應(yīng)功能。該設(shè)備專為對成本敏感的應(yīng)用而設(shè)計。

　　新型CapTIvate 觸控MCU的主要特點和優(yōu)勢：

　　 經(jīng)濟實惠的電容觸控MCU：設(shè)計人員現(xiàn)在可以使用MSP430FR2522 / MSP430FR2512 MCU將電容觸控和近距離感應(yīng)的優(yōu)點添加到成本敏感的應(yīng)用中。

　　 縮短上市的時間：開發(fā)人員可以通過在線CapTIvate技術(shù)指南和TI E2E?社區(qū)支持，借助眾多的MCU，易于使用的工具，軟件，參考設(shè)計和文檔，快速評估其應(yīng)用的電容傳感。頭腦風暴你自己的應(yīng)用程序。運用自己的創(chuàng)造力，只需5分鐘，就可使用CapTIvate設(shè)計中心創(chuàng)建自己的杰作。為了進行快速評估，現(xiàn)在可以使用CAPKEYPAD BoosterPack?插件模塊。BoosterPack模塊可與LaunchPad?開發(fā)套件，CapTIvate開發(fā)套件(MSP-CAPTFR2633)或CapTIvate編程器板(CAPTIVATE-PGMR)一起使用，從而實現(xiàn)最大程度的靈活性。

　　集成電容傳感技術(shù)是芯片上10位SAR ADC，GPIO，定時器，多個串行接口(I2C，SPI，UART)的完整MCU的一部分，可采用TSSOP和QFN封裝。結(jié)論

　　具有CapTIvate技術(shù)的TI MSP430 MCU采用了目前最具抗噪性的電容傳感技術(shù)。MCU將按鈕，滑塊，滾輪和近距離感應(yīng)接口配置組合在一起，同時具有超低功耗，可打造出引人注目但又簡單的接口。富有創(chuàng)意的設(shè)計人員可以使用這項技術(shù)，以增強他們即將推出的智能揚聲器的設(shè)計，從而在已經(jīng)取得巨大成功的基礎(chǔ)上進一步提高其在全球的覆蓋范圍。

　　作者：Sunil Oak  德州儀器(TI)系統(tǒng)應(yīng)用經(jīng)理