HMI人機界面在工業中常用來控制和監視設備，沒有HMI，很難實現工業自動化控制。在機器人行業中，控制器示教器本質上其實就是一個HMI。任何HMI的主要特性都是允許控制機器，如果接口不控制機器，它就不能稱之為HMI。機器人的人機界面種類各式各樣，而且不斷有新的類型出現。

整個工業HMI隨著自動化需求的與日俱增，HMI電子器件開始面對一個共同的趨勢，就是需要適應越來越多新的和非常規的應用場景。如何在受限的空間尺寸中滿足電子元件的配置成為HMI應用中經常出現的一類問題。

電容式感應成推動HMI發展關鍵因素

在HMI發展升級的過程中，電容式感應成為了極為關鍵的推動因素之一。從技術角度來看，電容感應算不上什么新鮮技術，電容式的電子器件已經有了很廣泛的應用。電容技術將機械HMI類型的設計推向了更簡單、更直接、更光滑的設計，電容感應在惡劣工況下的可靠性也是很關鍵的原因，它可以在任何介質上（金屬、玻璃、塑料和其他材料覆蓋層）適應許多不同的形狀和尺寸。

（電容感應MCU，TI）

但將該技術應用至HMI并不是想象中那么容易，不論是功耗、通訊還是噪聲都是將電容技術完美融合HMI不可忽視的難點。在電容技術與MCU的結合上，比較出名的是TI的CapTIvate技術。經典款MCU MSP430在通過CapTIvate技術與電容式觸控感應結合，時至今日都是很多HMI設計的首選MCU。

領先的電容式觸控技術會在同一設計中同時使用自電容式和互電容式電極，以最大限度地提高靈活性。仍舊以CapTIvate技術為例，在技術加持下，四路同步快速電極掃描能支持點數高達1024的高分辨率。自電容式和互電容式的同時使用可以大大提高寬電容檢測范圍，將最大范圍提升至300pF左右，體現在HMI上是整個界面在觸控上的靈敏，用戶體驗會隨之提高。

電容式HMI繞不開的困難

1. 尺寸

第一個繞不開的問題就是我們最先說到的尺寸問題。不止在工業控制中，在任何HMI的應用里更輕薄的界面都是更受青睞的。即便不考慮傳感器的因素，小的PCB設計都是大家首先選擇的；考慮到非常小的傳感器類型解決方案，空間將更加受限。

2. 噪聲與功耗

感應式的HMI必須夠可靠地檢測到觸摸，當噪音干擾過大時，觸摸就無法被準確地檢測到。這也是為什么CapTIvate技術會同時采用自電容式和互電容式電極。噪聲的存在需要整個器件必須具有在自電容和互電容傳感器節點之間進行選擇的靈活性，或者根據場景需求靈活配置節點的合適組合。有些則采用集成特殊的電容數字轉換器（CDC）的辦法，這樣能夠進行高精度的電容數字轉換從而實現靈活的觸摸感應。

而且如果MCU無法區分實際觸摸和噪聲干擾，也無法實現低功耗。濾波器在這個環節起到了相當關鍵的作用。在電容式觸控感應MCU中會集成一套可編程混合信號濾波器，整個任務流程都會較快，對實際觸摸坐標的響應也會隨之加快。在盡可能控制噪聲之余還能順便降低整個系統的資源消耗。

功耗是每一類MCU，每一類HMI IC都會碰到的問題，低功耗是大趨勢。電容式觸摸MCU應該盡可能避免選擇會消耗額外電流和時鐘周期的硬件。目前電容式感應MCU在功耗上其實都做得比較低了，有功電流的級別在150 μA/MHz已經較為常見，各種睡眠模式的加入進一步降低了整個設計的功耗水品。

（圖源：Silicon Labs）

3. 手勢識別

手勢識別是HMI進一步的功能提升，一般工業控制中的HMI單點觸控已經足夠了，手勢識別在物聯網應用中更多。電容式感應MCU可以識別一些簡單的手勢，并將觸控信息在內部直接進行處理，處理算法相對簡單。如果是需要額外手勢識別的功能，會額外增加一個專用引擎，雖然能降低MCU一點點帶寬處理負荷但會增加功耗。

小結

在受限的空間尺寸里，電容式觸控HMI展現了旺盛的生命力，隨著功耗、噪聲乃至通訊上的性能提升，在工業自動控制中各種形態樣式的HMI需求得以實現。這一改變也推動了工業自動化控制對更小更低功耗的IC和HMI的實現。