作者：Jeff Shepard

　　人机界面 (HMI) 是支持工业 4.0 自动化和过程控制以及汽车和医疗系统中工业物联网 (IIoT) 企业连接的重要元素。HMI的范围从增强现实护目镜到触摸屏和简单的视觉指示器。虽然增强现实护目镜成为了很多头条新闻，触摸屏带来了很多功能，但越来越多的边缘设备需要简单、低成本、微型和低功耗的视觉指示器和控制。

　　设计人员可以将 LED 点阵或电子纸 (e-paper) 显示器 (EPD) 与手势识别和接近感应红外 (IR) 光角度传感器控制相结合，在工业 4.0 的 IIoT 边缘节点以及一系列企业、医疗和汽车应用中实现低功耗、低成本和功能丰富的 HMI。

　　本文首先回顾了字母数字和点阵LED显示屏和EPD的操作和功能，然后详细介绍了红外光角度传感器IC在手势识别和接近感应中的应用。然后，它展示了来自 博通 和 卢美斯，来自 电子墨水，来自 EPD 的开发平台 无处不在的显示器， 以及用于手势识别的红外传感 IC ADI公司， 以及开发平台，以加快高性能、低功耗、微型 HMI 的设计和集成过程。

　　字母数字指示灯

　　字母数字 LED 显示屏可接受并行和串行数据输入以及一系列字符数、大小和显示宽度。每个字符由 5 x 7 像素阵列组成，通常使用红色或绿色等单一 LED 颜色。这些显示器集成了字符集，如美国信息交换标准代码 (ASCII) 字符、可以用 ASCII 字符集编码的 ISO 15924 日语片假名脚本字符集，以及针对特殊用例的国家特定字符和自定义用户定义字符(图 1)。它们可以在日光下可读且坚固耐用。

　　图 1：使用 5 x 7 像素字母数字 LED显示屏形成的 ASCII 字符集。(图片来源：博通)

　　可视显示屏

　　LED 点阵显示器不是用于形成单个字符，而是使用以矩阵布局排列的 LED 来提供图形。它们还可以显示标准 ASCII、片假名和其他文本格式。在性能方面，它们介于上述点阵显示器和视频LED显示器之间。它们有多种尺寸可供选择，可以是单色显示器，如红色、绿色或红绿蓝 (RGB) 多色显示器。但是，与视频显示器相比，它们的调色板通常更有限，刷新率更慢(图2)。LED通常以网格模式排列，LED的负极或正极端子作为公共电路节点连接在一起。可视 LED 显示屏可与 I2C、8 位并行、串联和其他接口配合使用。 有些包括板载微控制器单元(MCU)，有些则使用系统处理器。

　　图 2：RGB LED 显示屏的调色板示例。(图片来源：Lumex)

　　什么是电子纸，它是如何工作的?

　　虽然LED需要连续的驱动电流才能保持导通，但电子纸是一种双稳态技术，不需要连续驱动，并且可以具有极低的功耗。当低功耗是优先事项、刷新率低且不需要全彩色时，电子纸显示器 (EPD) 可以提供 LED 和液晶显示器 (LCD) 的可行替代方案。在 EPD 上渲染图像只需要很少的功率;渲染图像后，无需电源即可对其进行维护。EPD具有与墨水和纸张一样的对比度。虽然大多数是黑色和白色的，但有些添加了另一种颜色，如红色。

　　EPD 将薄膜晶体管 (TFT) 技术与一层电子墨水相结合。墨水由数百万个含有带电颜料颗粒的微小胶囊组成。墨水位于两个电极之间(图3)。将所需的驱动器应用于TFT矩阵会使颜料颗粒形成详细的图像。一旦颜料颗粒移动到位，它们就会停留在那里，无需施加任何动力。驱动 EPD 可能有点棘手。前面板层压板(FPL)因批次而异，需要手动调谐驱动波形。此外，在不同的工作温度下可能需要不同的驱动波形。

　　图 3：电子墨水由数百万个微小的胶囊组成，其中包含放置在两个电极之间的带电颜料颗粒。(图片来源：普适显示器)

　　手势识别

　　LED 和 EPD 可以为系统用户和操作员提供信息。这只是完整HMI安装的一半。用户和操作员还需要能够向系统提供输入和控制信号。在某些应用中，接近感应会提醒系统操作员在场，显示屏会自动打开以提供状态信息。虽然这对于发送状态信息很有用，但它不提供向设备发送输入和命令的机制。使用传统的键盘、开关和其他机制可能是一种选择，但可能会导致相对较大且耗电的解决方案。相反，设计人员可以转向接近传感器的手势识别接口，以检测手部动作和模式并将其转换为命令。 手势识别对于嘈杂的环境特别有用，在这些环境中，背景噪音和环境声音使语音识别难以使用。实现基本手势识别需要三个活动：

　　识别手势的开始和结束

　　在整个手势中跟踪手部运动

　　使用前两个步骤中的信息来理解手势

　　手势识别开发平台

　　要开发手势识别系统，设计人员可以求助于ADI公司的 EVAL-CN0569-PMDZ 参考设计基于 ADPD2140 红外光角度传感器。电路发出红外脉冲序列，传感器捕获反射光。该设计支持距离电路板约 20 厘米 (cm) 的手势感应。高达每秒 512 个样本的采样率使设计人员能够调整噪声抑制和响应时间，以最适合应用和环境。同样值得注意的是，ADPD2140不需要精确对准;其传感器在 ±35° 角视场内具有线性响应(图 4)。ADPD2140封装中的集成光学滤光片可清晰切断可见光，无需外部透镜或滤光片，同时在明亮的室内照明或阳光下保持传感器的动态范围，从而进一步简化了系统设计。

　　图 4：ADPD2140 红外光角度传感器在 ±35° 角视场内具有线性响应。(图片来源：ADI公司)

　　字母数字 LED 显示屏

　　需要明亮而坚固的字母数字LED显示屏的应用可以转向具有以下设计： 并行接口 或 串行接口 来自博通。带并行接口的显示器有 4 或 8 个字符(图 5)。它们有多种封装样式、颜色和尺寸可供选择，例如 8 个字符、5 毫米 (mm) HDSP-2533 带绿色 LED 和 4 个字符的 3.7 mm HDLU-1414 带高效红色 LED，均采用塑料封装。或 8 个字符，5 毫米， HDSP-2131 带有采用坚固玻璃/陶瓷封装的黄色 LED。所有产品均集成了ASIC驱动器，简化了设计工作。这些并行接口显示器的功能包括：

　　7 到 8 条总线数据线路

　　字符映射表，128 个 ASCII 和 16 个用户可定义字符存储在可编程 ROM 中

　　单个字符闪烁和闪烁所有字符

　　滚动功能

　　八个亮度级别

　　可在 x 和 y 方向堆叠，以满足更大的显示需求

　　图 5：带并行接口的字母数字 LED 显示屏提供 4 或 8 个字符。(图片来源：数码钥匙)

　　Broadcom 提供串行接口 LED 字母数字显示屏，有 4、8 和 16 个字符，如 8 个字符、5 毫米绿色 HCMS-3977 和 8 个字符的 3.8 毫米红色 HCMS-2912，塑料包装和 4 个字符的 0.2 英寸黄绿色 HCMS-2333 采用扩展温度范围的玻璃/陶瓷封装。这些串行 LED 显示屏的功能包括：

　　128 ASCII、ISO 15924 日语片假名脚本和自定义字体

　　串行接口，支持高字符数显示，数据线最少

　　可直接与MCU接口，简化系统设计

　　设备处于待机状态时的睡眠模式

　　64 种亮度级别

　　可在 x 和 y 方向上堆叠，支持高字符数显示

　　LED点阵显示

　　当应用需要可视化LED显示屏来获取更复杂的信息时，设计人员可以使用 LDM-6432-P3-UR-1 来自Lumex Opto。这款 64 x 32 像素 RGB 显示屏具有 3 mm LED 间距(图 6)。该显示器包括一个UART接口、USB电源插座和1.5 A电流保护器和BLE 4.0模块。开发人员可以使用个人计算机来开发显示软件。功能包括：

　　可以处理HEX或Arduino AT命令

　　内置字体和基本形状

　　可以在混合字符和图形模式下运行

　　多个显示模块可以堆叠用于更大的显示器

　　可与任何MCU集成

　　无需驱动程序或库

　　可以显示动画

　　可根据要求提供不同的语言

　　图 6：这款 64 x 32 像素 RGB LED 显示屏可用于显示更复杂的信息。(图片来源：Lumex Opto)

　　电子纸展示和开发板

　　受惠于环保署的申请可向 ED078KC2 来自E Ink。它是有源矩阵TFT基板上的反射电泳EPD模块。它在 1404 英寸的有效区域中具有 1872 x 7.8 像素。根据控制器的不同，此 EPD 可以显示多达 16 个灰度级别(图 7)。

　　普适显示器提供 B3000MS044、ext3 和 B3000MS037，ext3巨人，EPD扩展板，将EPD集成到系统中。基本的 ext3 套件可以驱动 1.54“ 至 12” EPD。对于 9.7 英寸和 12 英寸的大型 EPD，还需要 ext3 巨人。该开发平台具有板载驱动电路，可简化EPD应用的开发。此外，Pervasive Display还提供扩展选项、多个开源驾驶代码、设计资源以及用于图形和交互功能的开发库。

　　图 7：这款双稳态 EPD 在 7.8 英寸的有效区域内具有 1404 x 1872 像素，具有非常低的功耗。(图片来源：数码钥匙)

　　总结

　　需要HMI的IIoT边缘设备可以从一系列紧凑和低功耗技术中受益。手势识别提供了一种即使在具有挑战性的环境中也能提供命令和控制的方法。字母数字 LED 显示屏坚固耐用，可以在高光环境中看到，并且可以堆叠以支持更大的信息需求。LED点阵显示器和EPD可以呈现更复杂的信息。LED 点阵可以呈现 RGB 彩色显示器和动画，而 EPD 可用于需要很少功率的高对比度灰度显示器。