Veel IoT-apparaten zijn begonnen met het opnemen van touchscreeninterfaces als onderdeel van hun gebruikersinterface om de apparaten intuïtiever en gebruiksvriendelijker te maken. Een geweldige interface kan ervoor zorgen dat klanten uw IoT-product echt leuk vinden en willen gebruiken, maar een slechte HMI-interface maakt het apparaat onbruikbaar en schaadt de merkwaarde.

Gezien deze impact die een aanraakinterface kan hebben op uw IoT-apparaat, vroeg ik me af wat de eigenschappen zijn die een aanraakinterface geweldig maken om te gebruiken. Door overleg met experts bij Infineon heb ik geleerd dat een aanraakinterface die betrouwbaar, responsief en laag stroomverbruik is, enkele van de eigenschappen zijn die zorgen voor een geweldige interface voor elk apparaat.

Betrouwbaarheid

Wil een aanraakinterface als betrouwbaar worden beschouwd, dan moet deze consistent en nauwkeurig detecteren wanneer de vinger van een gebruiker het scherm heeft aangeraakt. Om dit resultaat te bereiken heeft een aanraakinterface een capacitieve aanraaksensor die veranderingen in het elektrische veld en de capaciteit detecteert die worden veroorzaakt door de vingeraanraking van een gebruiker. De uitdaging is dat dit werkingsprincipe ervoor zorgt dat de sensor niet alleen menselijke aanrakingen detecteert, maar ook elektrisch geleidende objecten die de sensor beïnvloeden in de vorm van ruis. Ruis kan afkomstig zijn van elektromagnetische bronnen of fysieke objecten zoals insecten, dieren of vloeistoffen als de aanraakinterface nat wordt. Als de ruis hevig genoeg is, kan dit ervoor zorgen dat de interface zich onregelmatig gedraagt ​​met valse triggers en zelfs stopt met werken.

Lawaai van elektromagnetische bronnen kan afkomstig zijn van:

• Uitgestraalde energie van elektronica zoals smartphones en wifi-routers
• Lijnvoeding waarbij het geluid van zware huishoudelijke apparaten via het netsnoer van het apparaat wordt geleid
• Elektrostatische ontlading die fysiek via het product in de sensor wordt gekoppeld tijdens de aanraakgebeurtenis van de gebruiker.

Om de ruis van deze bronnen te verminderen is een benadering op systeemniveau vereist, inclusief het aanleggen van het bord om de impact van elektromagnetische bronnen te minimaliseren. Ook het selecteren van een aanraakcontroller die inherent immuun is voor veelvoorkomende ruisbronnen kan het ontwerpproces aanzienlijk vereenvoudigen. Als er geen rekening wordt gehouden met ruis op systeemniveau, kan dit leiden tot complexe, tijdrovende probleemoplossing waarvoor vaak meerdere wijzigingen aan de hardware van het bord nodig zijn.

Om interferentie door vloeistoffen tegen te gaan, vereist de aanraakinterface vloeistoftolerantie. Vloeistoftolerantie is de maatstaf voor het vermogen van een aanraakinterface om betrouwbaar te werken bij blootstelling aan vloeistoffen. Wanneer vloeistoffen zich in de buurt van de capacitieve sensor bevinden, kunnen ze ervoor zorgen dat de aanraakinterface onbruikbaar wordt vanwege valse positieven op de aanraakinterface. Toepassingen zoals keukenapparatuur, smartwatches en draadloze oordopjes vereisen een zekere mate van vloeistoftolerantie, omdat ze vaak moeten werken in de aanwezigheid van water en zweet.

Responsiviteit

De responsiviteit voor een aanraakinterface kan worden gemeten aan de hand van hoe snel een gebruikersactie wordt gedetecteerd. Als het gaat om reactievermogen, zijn de belangrijke ontwerpfactoren voor een aanraakinterface de vernieuwingsfrequentie, optimalisatie van laag energieverbruik, capacitief sensorontwerp en ontwaaktijd.

De vernieuwingsfrequentie bepaalt hoe snel het scherm wordt bijgewerkt en controleert op nieuwe gebruikersaanrakingen. Een apparaat zal doorgaans elke seconde moeten worden bijgewerkt of vernieuwd, zodat een gebruiker het niet als traag ervaart. Hogere vernieuwingsfrequenties (40 Hz tot 120 Hz) zorgen voor snellere reacties op gebruikersacties en kunnen een betere, vloeiendere gebruikerservaring creëren. Voor apparaten met batterijvoeding helpen lagere vernieuwingsfrequenties ontwerpers een balans te vinden tussen responsiviteit en energie-optimalisatie.

Het capacitieve sensorontwerp heeft ook invloed op de reactiesnelheid van de interface. Eén oorzaak van de trage reactiesnelheid is een slecht capacitief sensorontwerp, waarbij de verandering in de sensorcapaciteit veroorzaakt door een vingeraanraking niet groot genoeg is om gemakkelijk te worden gedetecteerd. Een vingeraanraking op de gebruikersinterface verandert de capaciteit van de sensor die recht evenredig is met de overlap tussen de vinger van de gebruiker en de sensor (honderden attofarads tot verschillende picofarads). Hoe groter de verandering in de sensorcapaciteit, hoe sneller de aanraakcontroller de aanraking van de gebruiker zal detecteren.

Kleinere aanraaksensoren op apparaten zoals oordopjes zullen een kleinere verandering in de sensorcapaciteit veroorzaken door de aanraking van een gebruiker, omdat het overlappende gebied tussen de sensor en de vinger van de gebruiker kleiner is. Bij oordopjes moet de aanraaksensor vaak passen in een gebied van 2 mm tot 4 mm groot. Dit niveau van capaciteitsverandering is soms te klein om betrouwbaar te kunnen worden onderscheiden van ruisbronnen. Voor deze kleinere aanraaksensoren is het belangrijk om een ​​krachtige controller te gebruiken die capaciteitsveranderingen van een paar honderd attofarads kan detecteren.

Een ander element van reactievermogen is hoe snel het apparaat kan reageren op een aanraking van een gebruiker nadat het apparaat een tijdje inactief is geweest. Om de aanraakinterface responsief te houden, moet deze snel ontwaken wanneer een aanraking van de gebruiker wordt gedetecteerd. Eén manier om de wake-up touch-detectie te versnellen, is door de sensor zo te ontwerpen dat deze gemakkelijk de capaciteitsveranderingen kan bepalen die worden veroorzaakt door een aanraking van de gebruiker in verhouding tot de parasitaire capaciteit. Parasitaire capaciteit is de basiscapaciteit van de sensor die altijd aanwezig is wanneer de interface is ingeschakeld. Het minimaliseren van de parasitaire capaciteit van de sensor en het verhogen van het niveau van de aanraakcapaciteit zal de responsiviteit van de interface vergroten.

Laag vermogen

Aanraakinterfaces moeten een laag stroomverbruik hebben, omdat het een subsysteem is dat actief blijft om te controleren op gebruikersaanrakingen. Wanneer de aanraakinterface actief controleert op gebruikersaanrakingen, kan deze tot milliwatt aan stroom verbruiken. Deze hoeveelheid stroomverbruik kan klein zijn in vergelijking met andere subsystemen, maar de vereiste om altijd actief te zijn maakt een laag stroomverbruik tot een belangrijk kenmerk van elke aanraakinterface. Deze energiebesparing is belangrijk voor apparaten zoals wearables of oordopjes die de beperkte batterijcapaciteit optimaal moeten benutten.

Om het stroomverbruik van aanraakinterfaces te minimaliseren, kunt u technieken gebruiken zoals het zo lang mogelijk in een energiezuinige slaapmodus houden en het gebruik van gecombineerde of nabijheidsdetectie om de interface snel te laten ontwaken als reactie op aanrakingen van de gebruiker. Wanneer de aanraakinterface geen enkele aanraking van de gebruiker detecteert, kan deze in een diepe slaapstand met laag vermogen worden geplaatst, waardoor het energieverbruik kan worden verlaagd tot slechts een paar microwatt.

Technieken zoals gecombineerde en nabijheidsdetectie zorgen ervoor dat een aanraakinterface minder tijd in de actieve modus doorbrengt, doordat het aantal sensoringangen dat moet worden gecontroleerd op een ontwaakgebeurtenis wordt verminderd. Bij gecombineerde detectie zijn alle fysieke sensoren die het systeem uit de stand-bymodus kunnen halen, met elkaar verbonden om één enkele virtuele “gebundelde sensor” te vormen. De capacitieve controller blijft langer in de slaapmodus omdat deze alleen de gecombineerde sensor hoeft te scannen in plaats van elke sensor afzonderlijk, waardoor de tijd dat het apparaat actief is en stroom verbruikt, wordt verkort. Nabijheidsdetectie is vergelijkbaar met een gecombineerde sensor, maar omvat het gebruik van een capacitieve nabijheidssensor in plaats van de virtuele gecombineerde sensor. Deze capacitieve nabijheidssensor kan de aanwezigheid van een hand detecteren wanneer deze in de buurt van de sensor is, zonder dat deze de sensor aanraakt.

Start

Met al deze technieken die nodig zijn om een ​​aanraakinterface betrouwbaar, responsief en energiezuinig te maken, kan het lastig zijn om te weten waar of hoe je moet beginnen, tussen de lange lijst met technische uitdagingen die overwonnen moeten worden om een ​​IoT-apparaat te bouwen.

Om het gemakkelijker te maken om aan de slag te gaan wij jaons IoT-ontwerp Infineon heeft een CAPSENSE-ontwerpgids en IoT eenvoudige handleiding maken. De handleidingen bieden oplossingen op systeemniveau om IoT-ontwerpen eenvoudiger en sneller dan ooit tevoren te maken. In de handleidingen vindt u praktische ontwerptips voor het ontwerpen van een aanraakinterface en oplossingen voor consumenten- en industriële besturingen. Alle oplossingen in de handleidingen zullen uw IoT-productontwikkelingstraject versnellen en u helpen sneller op de markt te komen.