如何将 LED、电子纸和手势识别结合起在企业连接中实现低功耗的 HMI

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) 企业连接的一个重要元素。人机界面的范围涵盖增强现实眼镜到触摸屏和简易视觉指示器。虽然增强现实眼镜上了很多头条，触摸屏带来了很多功能，但越来越多的边缘设备需要的是简单、低成本、小型化和低功耗的视觉指示器和控制功能。

设计人员可以将 LED 点阵或电子纸 (EPD) 显示屏与具有手势识别和近距离感应能力的红外 (IR) 光角度传感器控制装置相结合，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。然后介绍了 Broadcom 和 Lumex 的代表性 LED 显示屏、E Ink 的EPD、Pervasive Displays 的 EPD 开发平台和 Analog Devices 用于手势识别的红外感应 IC，以及用于加速高性能、低功耗、小型人机界面设计和集成过程的开发平台。

字母数字 LED

字母数字 LED 显示屏可接受并行和串行数据输入，并有一系列的字符数、尺寸和显示宽度。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。这些显示屏集成了字符集，如美国信息交换标准代码 (ASCII) 字符、可在 ASCII 字符集中编码的 ISO 15924 日本片假名脚本字符集，以及特定国家的字符和用于特殊使用情况的自定义用户定义字符（图 1）。它们可以在日光下可读，并且可承受恶劣的环境。

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：Broadcom）

可视化 LED 显示屏

LED 点阵显示屏不是用来形成单个字符的，而是使用排列成矩阵结构的 LED 来传递图形。它们也可以显示标准的 ASCII、片假名和其他文本格式。就性能而言，它们介于上述点阵显示屏和视频 LED 显示屏之间。它们有各种各样的尺寸，可以是单色显示屏，如红、绿或红绿蓝 (RGB) 多色显示屏。然而，与视频显示屏相比，它们的调色板更有限，刷新率更慢（图 2）。其 LED 通常排列成网格状，LED 的负极或正极被绑在一起作为一个公共电路节点。可视化 LED 显示屏可使用 I2C、8 位并行、串行和其他接口操作。有些会包括板载的微控制器单元 (MCU)，其他则使用系统处理器。

图 2：RGB LED 显示屏的调色板实例。（图片来源：Lumex）

什么是电子纸，它是如何工作的？

LED 需要持续的驱动电流才能保持开启状态，而电子纸是一种双稳态技术，不需要持续的驱动，且可以做到极低的功耗。当低功耗优先，低刷新率低，并且不需要全彩时，电子纸显示屏 (EPD) 可以为 LED 和液晶显示屏 (LCD) 提供一个可行的替代。在 EPD 上渲染图像只需要很少的电力；图像一经渲染，就不需要电力来维持它。EPD 对比度像真实墨水和纸张一样。虽然大多数是黑色和白色，但有些则增加了另一种颜色，如红色。

EPD 将薄膜晶体管 (TFT) 技术与一层电子墨水结合在一起。这种墨水由数百万个含有带电颜料颗粒的小胶囊组成。墨水位于两个电极之间（图 3）。将所需的驱动施加到 TFT 矩阵上，就会使颜料颗粒形成一个详细的图像。一旦颜料颗粒移动到合适的位置，它们就会在没有电源的情况下保持在那里。驱动 EPD 可能有点棘手。前面板层压板 (FPL) 在不同批次中略有不同，需要手动调整驱动波形。此外，在不同的工作温度下，可能需要不同的驱动波形。

图 3：电子墨水由数以百万计的小胶囊组成，其中含有带电的颜料颗粒，置于两个电极之间。（图片来源：Pervasive Displays）

手势识别

LED 和 EPD 可以为系统用户和操作员提供信息。但这只是一个完整 HMI 装置的一半。用户和操作人员也需要向系统提供输入和控制信号的能力。在一些应用中，近距离感应提醒系统注意到操作者的存在，显示屏自动打开以提供状态信息。虽然这对发送状态信息很有用，但它没有提供一个向设备发送输入和命令的机制。使用传统的键盘、开关和其他机制可以是一种选择，但会导致方案相对较大且很耗电。相反，设计者可以转而使用接近传感器的手势识别界面，它可检测并将手部动作和模式转化为命令。手势识别对嘈杂的环境特别有用，因为背景噪音和环境声音使之难以使用语音识别。实现基本的手势识别需要三项活动：

• 识别到一个手势的开始和结束
• 在整个手势过程中跟踪手的运动
• 利用前两个步骤的信息来理解手势

手势识别开发平台

要开发一个手势识别系统，设计人员可以使用 Analog Devices 基于 ADPD2140 红外光角度传感器的 EVAL-CN0569-PMDZ 参考设计。该电路会发射一个红外脉冲串，然后传感器捕捉反射光。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 个样本的采样率能够让设计者调整噪声抑制和响应时间，以便更好地适应应用和环境。同样值得注意的是，ADPD2140 不需要精确对准；其传感器在 ±35° 角的视场内具有线性响应（图 4）。ADPD2140 封装中的集成滤光片可以完全切断可见光，通过消除对外部透镜或滤光片的需要，进一步简化了系统设计，同时在明亮的室内照明或阳光下保持传感器的动态范围。

图 4：ADPD2140 红外光角度传感器在 ±35° 的角度视场内有一个线性响应。（图片来源：Analog Devices）

字母数字 LED 显示屏

需要明亮、坚固的字母数字 LED 显示屏的应用设计时可以使用 Broadcom 的并行接口或串行接口。带有并行接口的显示屏有 4 或 8 个字符（图 5）。它们有多种封装方式、颜色和尺寸选择，如带有绿色 LED 的 8 字符、5 毫米的 HDSP-2533 和带有高效红色 LED 的 4 字符、3.7 mm 的 HDLU-1414，两者均采用塑料封装。或 8 字符、5 mm 的 HDSP-2131，带黄色 LED，采用坚固的玻璃/陶瓷封装。所有这些都包括一个集成的 ASIC 驱动器，简化了设计难度。这些并行接口显示屏的特性包括：

• 七到八条数据总线
• 存储在可编程 ROM 中的 128 个 ASCII 和 16 个用户可定义字符的字符图
• 单个字符闪动和所有字符闪动
• 滚动功能
• 八个亮度级别
• 可在 X 方向和 Y 方向上叠接，以满足更大的显示需求

图 5：采用并行接口的字母数字 LED 显示屏有 4 或 8 个字符。（图片来源：DigiKey）

Broadcom 提供具有 4、8 和 16 个字符的串行接口 LED 字母数字显示屏，如 8 字符、5 mm 的绿色 HCMS-3977 和 8 字符、3.8 mm 的红色 HCMS-2912，这两者均采用塑料封装，以及 4 字符、0.2 英寸的黄绿色 HCMS-2333，采用扩展温度范围玻璃/陶瓷封装。这些串行 LED 显示屏的特性包括：

• 128 ASCII、ISO 15924 日本片假名文字和自定义字体
• 以最少的数据线路支持高字符数显示的串行接口
• 可以直接与 MCU 对接，简化系统设计
• 设备处于待机状态时的休眠模式
• 64 个亮度级别
• 可在 X 方向和 Y 方向叠接，支持高字符数显示

LED 点阵显示屏

当应用需要一个可视化的 LED 显示屏来显示更复杂的信息时，设计人员可以使用 Lumex Opto 的 LDM-6432-P3-UR-1。这个 64 x 32 像素 RGB 显示屏有 3 mm 的 LED 间距（图 6）。该显示屏包括一个 UART 接口，USB 电源插座加上 1.5 A 的电流保护器，以及 BLE 4.0 模块。开发人员可以使用个人电脑来开发显示软件。特性包括：

• 可以处理 HEX 或 Arduino AT 命令
• 内置字体和基本形状
• 可在字符和图形混合模式下运行
• 多个显示模块可以叠接在一起，实现更大的显示效果
• 可与任何 MCU 集成
• 不需要驱动程序或库
• 可以显示动画
• 可根据要求提供不同的语言

图 6：这个 64 x 32 像素的 RGB LED 显示屏可用于呈现更复杂的信息。（图片来源：Lumex Opto）

电子纸显示屏和开发板

适合 EPD 的应用可以使用 E Ink 的 ED078KC2。这是一个采用有源矩阵 TFT 基板的反射式电泳 EPD 模块。它有 1404 x 1872 像素，有效面积为 7.8"。根据控制器的不同，这个 EPD 可以显示多达 16 级灰度（图 7）。

Pervasive Displays 提供 B3000MS044 (ext3) 和 B3000MS037 (ext3 giant) EPD 扩展板，可将 EPD 集成到系统中。基本 ext3 套件可以驱动 1.54" 到 12" 的 EPD。对于 9.7" 到 12" 的大屏 EPD，则需要使用 ext3 giant。这个开发平台有一个板载驱动电路，可简化 EPD 应用的开发。此外，Pervasive Displays 还提供扩展选件、多个开源驱动代码、设计资源以及图形和互动功能开发库。

图 7：这个双稳态 EPD 在 7.8" 的活动区域内有 1404 x 1872 个像素，具有非常低的功耗。（图片来源：DigiKey）

结语

市面上有一系列紧凑和低功耗技术可以提升需要 HMI 的 IIoT 边缘设备的性能。手势识别是其中的一种方法，即使在具有挑战性的环境中也能提供命令和控制。字母数字 LED 显示屏坚固耐用，可以在高光环境下看到，并且可以叠接起来以支持更多的信息显示需求。LED 点阵显示屏和 EPD 可以呈现更复杂的信息。LED 点阵可以呈现 RGB 彩色显示和动画，而 EPD 可以用于高对比度的灰度显示，只需要非常少的电力。