家電觸摸屏控制面板設計的新方案

“攻下海爾，就等于拿到了進入中國家電制造業的一塊敲門磚。”6月9日，山東青島，設計精巧別致的海爾大學內，同樣匠心獨具的賽普拉斯CapSense電容式觸摸感應技術吸引了眾多海爾的研發人員。在賽普拉斯半導體公司（以下簡稱Cypress）北京辦事處組織的此次名為“海爾日”的技術研討會上，Cypress的技術人員顯得十分興奮。

　　“經過近兩年時間的考驗，CapSense終于得到了海爾的認可。”Cypress北中國區域經理王錦鎖說。而直接負責海爾各類產品開發和技術支持的Cypress代理商富昌電子（FutureElectronics）市場經理彭守明則對《電器》記者表示，目前僅用在海爾洗衣機上的CapSense已經實現了每月1000片的出貨量。據介紹，Cypress與海爾合作的其他項目還包括微波爐（已量產）、電熱水器（已量產）和吸油煙機（研發中）等。

　　性能更優異

　　“在觸摸式按鍵設計方面，海爾也接觸過很多供應商和解決方案。”剛參加完技術交流的海爾研發推進本部科技公司開發部工程師姜德志介紹說，“每種產品的設計
都選擇了三種以上的方案進行整機試驗，最終留下了我們認為綜合性能最優的。”

　　根據Cypress提供的資料，CapSense電容式觸摸感應技術是Cypress使用PSoC芯片開發的，用于觸摸式按鍵、觸摸式滾動條（Slider）、觸摸式平板(Touchpad)的觸摸感應技術。而PSoC是由Cypress推出的具有數字和模擬混合處理能力的“可編程片上系統”芯片，它集成了一個8位MCU、可編程模擬模塊、可編程數字模塊和FlashMemory等。這使得它可以很容易地實現電容式觸摸感應功能，僅需少量的幾個外置分立元件，可以將每一個通用的I/O都配置為電容感應輸入。據王錦鎖介紹，這一芯片開發出來已經三年，推出了多個系列的產品，在蘋果公司IPod上的使用，令PSoC有了質的飛躍，而Cypress目前正在推廣它在家電和消費類電子產品上的應用。

　　CapSense就是利用PSoC的特殊資源，根據電容感應的原理和松弛震蕩器的技術實現觸摸感應。與其他觸摸感應技術不同的是，CapSense幾乎不需要外圍元件，每一個按鍵的靈敏度可單獨調整，一個芯片可同時實施多個觸摸式按鍵和觸摸式滾動條。因此可用于各種家電產品代替傳統的輕觸按鍵和薄膜鍵盤。

　　據了解，當前有多種觸摸屏技術，如電阻膜傳感和電場傳感等，每種都有其優點和缺點。最流行的傳感技術是電阻膜傳感，它的基本結構是兩塊導電電阻板被一個空間所分開。這種傳感技術的一個缺點就是，它依賴于膜的彈性屬性感知接觸壓力消除狀態。薄膜的彈性會逐漸減弱進而導致傳感器不能使用。而在電場傳感中，系統通過天線發射出一個弱電場，然后從一個或者多個接收器檢測電流變化。實際系統中需要有多個收發器，而這會導致基于電場傳感的系統成本增加。

　　電容傳感器則是很簡單的一對相鄰極板（電極）。當一個導體（如手指）接近這些電極時，在這些電極和導體之間就會產生電容。最常見的電容傳感器陣列就是一組電容，每個電容的一側都接地。導體的出現增加了開關與接地之間的電容容量，這樣只需要檢測電容的變化就可以知道哪個傳感器被激活了。

　　而基于PSoC的電容傳感器，通過在PSoC內部搭建電路并用內建8位MCU的程序來控制電路的運作，就可以把電容的變化轉化成計數值的變化，進而轉化成按鍵動作所需要的開關量。這種架構和Cypress開發的一些特殊算法，可以幫助設計人員將多個電容傳感設計元素集中到一個應用中，從而利用集成電路中的同一個器件，就可以同時支持按鈕、滑動器、觸摸板、觸摸屏以及接近檢測器。


　　因此，應用Capsense的家電產品觸摸屏控制面板，由于不需要機械結構，不但使用壽命可以大大延長，而且為工業設計師們在用戶操作界面上留下了廣闊的想象空間。因為電容式開關可以隱藏在一塊完整的表面下邊，不需要像機械按鍵那樣需要預留機械部件運動的空間。

　　開發更靈活

　　“與Cypress合作開發產品也不是一兩次就成功了。”海爾洗衣機產品本部技術發展部部長許升說。

　　由于洗衣機產品的工作環境惡劣，對控制面板的防潮、防高溫、抗振等性能要求都比較苛刻。除此之外，3C化的家電產品還要考慮可能受到手機等信號干擾的問題，可以說，在開發電容式觸摸感應按鍵產品上，洗衣機比熱水器、微波爐、吸油煙機、電磁爐和冰箱等產品都要復雜。而Cypress也是第一次接觸白色家電產品的開發工作，對很多問題并不熟悉。“發現問題后，Cypress和富昌電子的技術人員協助我們不分晝夜地解決，這才保證了產品的最終成功。”許升說。

　　“產品內部功能通過軟件調整實現，這種技術開發模式還是有特殊性的。”姜德志說。海爾的技術人員建造了一個干擾模型，“大電流、小電流和控制信號等，都需要怎么隔離，才能不互相干擾”，把每一種可能出現的干擾情況都設計在其中，然后讓PSoC依據模型逐個解決這些問題。經過多次試驗，其他供應商的方案在防潮、抗振和抗干擾方面的性能顯得不如CapSense好，因此海爾最終選擇了Cypress。而Cypress之所以能夠快速調整產品性能，滿足海爾的要求，與PSoC靈活的代碼編輯功能不無關系。原來，PSoC內部有幾種預先設計好的電容感應用戶模塊，用戶模塊可以看作是硬件電路配置與軟件庫函數（API）的集合，用戶所需要做的就是在PSoC開發環境（PSoCdesigner）中將用戶模塊配置到數字和模擬陣列中，開發環境會自動生成硬件寄存器配置及庫函數，剩下的工作就是一些用戶模塊參數的調整，以及應用代碼的編寫。整個開發過程非常直觀、流暢，對于有嵌入式系統開發經驗的工程師來說，很快就會得心應手。

　　通俗一點說就是，海爾的研發人員只要提出產品應用想要實現的功能，PSoC就能根據這些定義的功能自動處理，完成設計，而不需要半導體供應商重新開發芯片。這樣就大大節省產品開發時間和成本
，也加強了設計與應用的匹配性。PSoC和CapSense的靈活性使設計人員可以跨平臺操作并且快速適應設計變化。所有的校準工作都是通過簡單易用的、圖形開發環境的軟件來實現的。因為PSoC具有高度可配置性，所以在具體應用發生變化時不需要移植到其他器件。

　　此外，通過PSoC的數字和模擬資源，非CapSense應用也可以輕松地完成。可以使用PSoC掃描開關，并使用激活狀態驅動LED、控制馬達、驅動揚聲器等。所以姜德志說，觸摸按鍵功能只是海爾與Cypress合作的一個開始。

　　據他介紹，海爾A8熱水器目前就應用了CapSense，并且“很好地解決了高溫的問題”，而“冰箱也有少量應用CapSense的產品投放市場”。姜德志說：“從長遠看，這是解決附加智能操作問題的理想方案。”


　　許升則介紹說，下一步雙方還將共同研究在洗衣機上的改進方向，爭取在連續工作和動態滑動方面有所突破。“其實，海爾即將推出配置動態滑動控制面板的產品了。”

　　市場有前景

　　“我們在北京、上海和廣州等城市進行了市場調查，對于新觸摸屏的產品，消費者普遍反映感覺上比一般產品檔次有所提高，他們愿意因此為產品多支付200元。”許升說。據他介紹，新型觸摸按鍵的海爾不用洗衣粉洗干一體機市場售價在1萬元左右，這款洗衣機還獲得了紅點家電設計大獎。而除了這款定位高端的產品，海爾還推出了2000元至3000元的中端價位產品來滿足消費者的需求，許升表示，“隨著成本的降低，新產品比例會不斷加大”。

　　對于應用CanSense的成本問題，海爾只是表示“是雙方都認為合理的價格”。據介紹，在洗衣機產品中，所有的電子器件成本約占總成本的30%至40%。《電器》記者了解到，CanSense的芯片售價只有不到2美元，而且由于其特殊強大的功能，家電產品的控制面板只需要一塊芯片就能實現所有按鍵控制的功能，這是很多其他方案不能達到的，所以綜合成本反而比應用多個芯片的方案要低。

　　“我們的產品可以有效地幫助家電廠商擺脫價格戰。”王錦鎖說。而且，電容式觸摸感應技術很符合人性化潮流。“最大的感應距離可達到30厘米，我們完全可以實現出當用戶走近冰箱或其他家電產品，不需要接觸，控制面板就自動亮起來。”王錦鎖說，這樣的產品一定會讓人覺得非常與眾不同。

　　“海爾是全球首家在波輪洗衣機上使用CanSense觸摸式按鍵的企業，歐洲有一家企業正在研發當中。”許升說，“目前我們還沒有出口產品，但是不排除下半年可能會有。”他還介紹說，目前海爾已經生產了10多萬臺CanSense觸摸式按鍵洗衣機，而去年海爾洗衣機銷量達700萬臺，今年則計劃實現800萬臺。