作者：Jeff Shepard

　　人機界面 (HMI) 是支持工業 4.0 自動化和過程控制以及汽車和醫療系統中工業物聯網 (IIoT) 企業連接的重要元素。HMI的范圍從增強現實護目鏡到觸摸屏和簡單的視覺指示器。雖然增強現實護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備需要簡單、低成本、微型和低功耗的視覺指示器和控制。

　　設計人員可以將 LED 點陣或電子紙 (e-paper) 顯示器 (EPD) 與手勢識別和接近感應紅外 (IR) 光角度傳感器控制相結合，在工業 4.0 的 IIoT 邊緣節點以及一系列企業、醫療和汽車應用中實現低功耗、低成本和功能豐富的 HMI。

　　本文首先回顧了字母數字和點陣LED顯示屏和EPD的操作和功能，然后詳細介紹了紅外光角度傳感器IC在手勢識別和接近感應中的應用。然后，它展示了來自 博通 和 盧美斯，來自 電子墨水，來自 EPD 的開發平臺 無處不在的顯示器， 以及用于手勢識別的紅外傳感 IC ADI公司， 以及開發平臺，以加快高性能、低功耗、微型 HMI 的設計和集成過程。

　　字母數字指示燈

　　字母數字 LED 顯示屏可接受并行和串行數據輸入以及一系列字符數、大小和顯示寬度。每個字符由 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，如美國信息交換標準代碼 (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固耐用。

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

　　可視顯示屏

　　LED 點陣顯示器不是用于形成單個字符，而是使用以矩陣布局排列的 LED 來提供圖形。它們還可以顯示標準 ASCII、片假名和其他文本格式。在性能方面，它們介于上述點陣顯示器和視頻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 (RGB) 多色顯示器。但是，與視頻顯示器相比，它們的調色板通常更有限，刷新率更慢(圖2)。LED通常以網格模式排列，LED的負極或正極端子作為公共電路節點連接在一起?？梢? LED 顯示屏可與 I2C、8 位并行、串聯和其他接口配合使用。 有些包括板載微控制器單元(MCU)，有些則使用系統處理器。

　　圖 2：RGB LED 顯示屏的調色板示例。(圖片來源：Lumex)

　　什么是電子紙，它是如何工作的?

　　雖然LED需要連續的驅動電流才能保持導通，但電子紙是一種雙穩態技術，不需要連續驅動，并且可以具有極低的功耗。當低功耗是優先事項、刷新率低且不需要全彩色時，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，無需電源即可對其進行維護。EPD具有與墨水和紙張一樣的對比度。雖然大多數是黑色和白色的，但有些添加了另一種顏色，如紅色。

　　EPD 將薄膜晶體管 (TFT) 技術與一層電子墨水相結合。墨水由數百萬個含有帶電顏料顆粒的微小膠囊組成。墨水位于兩個電極之間(圖3)。將所需的驅動器應用于TFT矩陣會使顏料顆粒形成詳細的圖像。一旦顏料顆粒移動到位，它們就會停留在那里，無需施加任何動力。驅動 EPD 可能有點棘手。前面板層壓板(FPL)因批次而異，需要手動調諧驅動波形。此外，在不同的工作溫度下可能需要不同的驅動波形。

　　圖 3：電子墨水由數百萬個微小的膠囊組成，其中包含放置在兩個電極之間的帶電顏料顆粒。(圖片來源：普適顯示器)

　　手勢識別

　　LED 和 EPD 可以為系統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提供輸入和控制信號。在某些應用中，接近感應會提醒系統操作員在場，顯示屏會自動打開以提供狀態信息。雖然這對于發送狀態信息很有用，但它不提供向設備發送輸入和命令的機制。使用傳統的鍵盤、開關和其他機制可能是一種選擇，但可能會導致相對較大且耗電的解決方案。相反，設計人員可以轉向接近傳感器的手勢識別接口，以檢測手部動作和模式并將其轉換為命令。 手勢識別對于嘈雜的環境特別有用，在這些環境中，背景噪音和環境聲音使語音識別難以使用。實現基本手勢識別需要三個活動：

　　識別手勢的開始和結束

　　在整個手勢中跟蹤手部運動

　　使用前兩個步驟中的信息來理解手勢

　　手勢識別開發平臺

　　要開發手勢識別系統，設計人員可以求助于ADI公司的 EVAL-CN0569-PMDZ 參考設計基于 ADPD2140 紅外光角度傳感器。電路發出紅外脈沖序列，傳感器捕獲反射光。該設計支持距離電路板約 20 厘米 (cm) 的手勢感應。高達每秒 512 個樣本的采樣率使設計人員能夠調整噪聲抑制和響應時間，以最適合應用和環境。同樣值得注意的是，ADPD2140不需要精確對準;其傳感器在 ±35° 角視場內具有線性響應(圖 4)。ADPD2140封裝中的集成光學濾光片可清晰切斷可見光，無需外部透鏡或濾光片，同時在明亮的室內照明或陽光下保持傳感器的動態范圍，從而進一步簡化了系統設計。

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

　　字母數字 LED 顯示屏

　　需要明亮而堅固的字母數字LED顯示屏的應用可以轉向具有以下設計： 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 個字符、5 毫米 (mm) HDSP-2533 帶綠色 LED 和 4 個字符的 3.7 mm HDLU-1414 帶高效紅色 LED，均采用塑料封裝。或 8 個字符，5 毫米， HDSP-2131 帶有采用堅固玻璃/陶瓷封裝的黃色 LED。所有產品均集成了ASIC驅動器，簡化了設計工作。這些并行接口顯示器的功能包括：

　　7 到 8 條總線數據線路

　　字符映射表，128 個 ASCII 和 16 個用戶可定義字符存儲在可編程 ROM 中

　　單個字符閃爍和閃爍所有字符

　　滾動功能

　　八個亮度級別

　　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字 LED 顯示屏提供 4 或 8 個字符。(圖片來源：數碼鑰匙)

　　Broadcom 提供串行接口 LED 字母數字顯示屏，有 4、8 和 16 個字符，如 8 個字符、5 毫米綠色 HCMS-3977 和 8 個字符的 3.8 毫米紅色 HCMS-2912，塑料包裝和 4 個字符的 0.2 英寸黃綠色 HCMS-2333 采用擴展溫度范圍的玻璃/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，支持高字符數顯示，數據線最少

　　可直接與MCU接口，簡化系統設計

　　設備處于待機狀態時的睡眠模式

　　64 種亮度級別

　　可在 x 和 y 方向上堆疊，支持高字符數顯示

　　LED點陣顯示

　　當應用需要可視化LED顯示屏來獲取更復雜的信息時，設計人員可以使用 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UART接口、USB電源插座和1.5 A電流保護器和BLE 4.0模塊。開發人員可以使用個人計算機來開發顯示軟件。功能包括：

　　可以處理HEX或Arduino AT命令

　　內置字體和基本形狀

　　可以在混合字符和圖形模式下運行

　　多個顯示模塊可以堆疊用于更大的顯示器

　　可與任何MCU集成

　　無需驅動程序或庫

　　可以顯示動畫

　　可根據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雜的信息。(圖片來源：Lumex Opto)

　　電子紙展示和開發板

　　受惠于環保署的申請可向 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 英寸的有效區域中具有 1872 x 7.8 像素。根據控制器的不同，此 EPD 可以顯示多達 16 個灰度級別(圖 7)。

　　普適顯示器提供 B3000MS044、ext3 和 B3000MS037，ext3巨人，EPD擴展板，將EPD集成到系統中?；镜?ext3 套件可以驅動 1.54“ 至 12” EPD。對于 9.7 英寸和 12 英寸的大型 EPD，還需要 ext3 巨人。該開發平臺具有板載驅動電路，可簡化EPD應用的開發。此外，Pervasive Display還提供擴展選項、多個開源駕駛代碼、設計資源以及用于圖形和交互功能的開發庫。

　　圖 7：這款雙穩態 EPD 在 7.8 英寸的有效區域內具有 1404 x 1872 像素，具有非常低的功耗。(圖片來源：數碼鑰匙)

　　總結

　　需要HMI的IIoT邊緣設備可以從一系列緊湊和低功耗技術中受益。手勢識別提供了一種即使在具有挑戰性的環境中也能提供命令和控制的方法。字母數字 LED 顯示屏堅固耐用，可以在高光環境中看到，并且可以堆疊以支持更大的信息需求。LED點陣顯示器和EPD可以呈現更復雜的信息。LED 點陣可以呈現 RGB 彩色顯示器和動畫，而 EPD 可用于需要很少功率的高對比度灰度顯示器。