如何在企業連線中結合 LED、電子紙和手勢識別以達到低功耗 HMI

人機介面 (HMI) 在工業 4.0 自動化和製程控制，以及汽車和醫療系統中，是支援工業物聯網 (IIoT) 企業連線的重要元素。HMI 涵蓋擴增實境眼鏡、觸控螢幕到簡易的視覺指示器。雖然擴增實境眼鏡登上許多頭條版面，觸控螢幕也帶來很多功能，但也有越來越多的邊緣裝置需要簡易、低成本、微型且低功耗的視覺指示器和控制項目。

設計人員可以將 LED 點陣顯示器或電子紙顯示器 (EPD)，結合手勢識別和接近感應紅外線 (IR) 光角度感測器，在工業 4.0 的 IIoT 邊緣節點，以及一系列企業、醫療和汽車應用中達到低功耗、低成本且功能豐富的 HMI。

本文首先會回顧字母數字與點陣 LED 顯示器和 EPD 的操作和功能，然後詳細介紹 IR 光角度感測器 IC 在手勢識別和接近感應中的用途。接著會介紹 Broadcom 和 Lumex 的代表性 LED 顯示器、E Ink 的 EPD、Pervasive Displays 的 EPD 開發平臺、Analog Devices 的手勢識別用紅外線感測 IC，以及可加速設計與整合流程的開發平台，以達到高效能、低功耗且小巧的 HMI。

字母數字 LED

字母數字 LED 顯示器可接受平行與序列的資料輸入，以及多種字元數、大小和顯示寬度。每個字元由 5 x 7 像素陣列組成，通常使用紅色或綠色等單一 LED 顏色。這些顯示器整合了字元集，如美國資訊交換標準代碼 (ASCII) 字元、可以用 ASCII 字元集編碼的 ISO 15924 日語片假名腳本字元集，以及限定國家的字元，以及特殊用途的使用者自訂字元(圖 1)。可以在陽光下判讀且具有環境耐受性。

圖 1：使用 5 x 7 像素字母數字 LED 顯示器顯現的 ASCII 字元集。(圖片來源：Broadcom)

LED 視覺顯示器

LED 點陣顯示器不會用來顯現單獨字元，而是使用矩陣排列的 LED 來呈現圖形。還可以顯示標準 ASCII、片假名和其他文字格式。在效能方面，則介於上述點陣顯示器和視訊 LED 顯示器之間。有多種尺寸可供選擇，也可選擇紅色或綠色的單色顯示器，或是紅綠藍 (RGB) 的彩色顯示器。但是，與視訊顯示器相比，其調色板通常更受限，且重新整理率較慢 (圖 2)。LED 通常是以網格模式排列，且會將 LED 的負極或正極端子綁在一起當作共用的電路節點。視覺化 LED 顯示器可搭配 I2C、8 位平行、序列和其他介面使用。有些顯示器含有板載微控制器單元 (MCU)，有些則使用系統處理器。

圖 2：RGB LED 顯示器的調色板範例。(圖片來源： Lumex)

電子紙是什麼？如何運作？

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，因此可達到極低功耗。當低功耗是優先考量、刷新率低且不需要全彩時，電子紙顯示器 (EPD) 可成為 LED 和液晶顯示器 (LCD) 的可行替代方案。在 EPD 上渲染影像只需要很少的電力；圖像渲染後，就不需要電力即可進行維護。EPD 具有與墨水和紙張一樣的對比度。雖然大多數 EPD 只顯示黑色和白色，但有些則添加另一種顏色，如紅色。

EPD 結合了薄膜電晶體 (TFT) 技術與一層電子墨水。墨水由數百萬個含有帶電顏料顆粒的微小膠囊組成。墨水位於兩個電極之間 (圖 3)。將所需的驅動力施加在 TFT 矩陣上，就可讓顏料顆粒呈現細緻圖形。一旦顏料顆粒移動到位，就會停留在那裡，不用再施加任何電力。EPD 的驅動可能有點棘手。前面板層壓板 (FPL) 會因批次而異，因此需要手動微調驅動波形。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，其中含有帶電的顏料顆粒，並放在兩個電極之間。(圖片來源：Pervasive Displays)

手勢辨識

LED 和 EPD 可以為系統使用者和操作人員提供資訊。這僅發揮完整 HMI 設置的一半功能。使用者和操作人員還需具備向系統提供輸入和控制訊號的能力。在某些應用中，接近感測會提醒系統有操作人員在場，顯示器就會自動啟動以提供狀態資訊。雖然這對於發送狀態資訊很有用，但並未發送輸入和命令設備的機制。也可以選擇使用傳統的鍵盤、開關和其他機制，但可能會讓解決方案變得相對耗電。設計人員可以轉用接近感測器的手勢識別介面，即可偵測手部動作和模式並將其轉換為命令。手勢識別在吵雜環境中特別有用，因為此時的背景噪音和環境聲音會讓語音辨識難以發揮。達成基本手勢識別需要三個活動：

• 識別手勢的開始和結束
• 在整個手勢過程中追蹤手部運動
• 使用前兩個步驟中的資訊來理解手勢

手勢識別開發平臺

要開發手勢識別系統，設計人員可以參考　Analog Devices 以 ADPD2140 IR 光角度感測器為基礎所打造的 EVAL-CN0569-PMDZ 參考設計。電路會發射 IR 脈衝序列，再由感測器捕捉反射光。此設計可支援的手勢感測距離，最遠離電路板 20 cm。取樣率每秒高達 512 個樣本，能讓設計人員調整雜訊抑制和反應時間，以完美配合應用和環境的需求。同樣該注意的是，ADPD2140 不需要精確對準；其感測器可在 ±35° 角視野內達到線性回應 (圖 4)。ADPD2140 封裝中的整合式濾光片可明確遮斷可見光，無需外部透鏡或濾光片，同時可在明亮的室內照明或陽光下維持感測器的動態範圍，可進一步簡化系統設計。

圖 4：ADPD2140 IR 光角度感測器可在±35° 角視野內達到線性反應。(圖片來源：Analog Devices)

LED 字母數字顯示器

若應用需要明亮耐用的 LED 字母數字顯示器，可以改用 Broadcom 搭載平行介面或序列介面的設計。帶有平行介面的顯示器可顯示 4 或 8 個字元 (圖 5)。具有多種封裝樣式、顏色和尺寸可供選擇，例如帶綠色 LED 的 8 字元、5 mm HDSP-2533，以及帶高效紅色 LED 的 4 字元、3.7 mm HDLU-1414，兩者均採用塑膠封裝。或是帶黃色 LED 的 8 字元、5 mm HDSP-2131，則採用堅固的玻璃／陶瓷封裝。均整合在 ASIC 驅動器中，因此可簡化設計工作。這些平行介面顯示器的特點包括：

• 七至八條數據用匯流排線路
• 字元可對應 128 ASCII，可編程 ROM 中可儲存 16 個使用者定義的字元
• 可單獨字元閃爍或全部字元閃爍
• 滾動功能
• 八個亮度等級
• 能以 X 和 Y 軸方向堆疊，以滿足更大的顯示需求

圖 5：含平行介面的字母數字 LED 顯示器可顯示 4 或 8 個字元。(圖片來源：DigiKey)

Broadcom 提供 4、8 和 16 個字元的序列介面 LED 字母數字顯示器，如 8 字元、5 mm、綠色的 HCMS-3977；8 字元、3.8 mm、紅色的 HCMS-2912，兩者均採用塑膠封裝；以及 4 字元、0.2 in、黃綠色的 HCMS-2333，則採用延伸溫度範圍的玻璃／陶瓷封裝。這些序列 LED 顯示器的特點包括：

• 128 ASCII、ISO 15924 日語片假名腳本和自訂字型
• 序列介面能以最少的數據線路支援多個字元數的顯示
• 可直接介接 MCU，可簡化系統設計
• 設備處於待機狀態時可進入睡眠模式
• 64 個亮度等級
• 能以 X 和 Y 軸方向堆疊，支援多個字元數的顯示

LED 點陣顯示器

若應用需要視覺化 LED 顯示器來顯示更複雜的資訊，設計人員可以使用 Lumex Opto 的 LDM-6432-P3-UR-1。這款 64 x 32 像素 RGB 顯示器採用 3 mm LED 間距 (圖 6)。此顯示器含有一個 UART 介面、USB 電源插槽、1.5 A 電流保護器和 BLE 4.0 模組。開發人員可以使用個人電腦來開發顯示軟體。特點包括：

• 可以處理 HEX 或 Arduino AT 命令
• 內建字型和基本形狀
• 能以字元和圖形混合的模式運行
• 可堆疊多個顯示器模組形成更大的顯示器
• 可整合任何 MCU
• 無需驅動程式或函式庫
• 可以顯示動畫
• 可申請提供不同的語言

圖 6：這款 64 x 32 像素 RGB LED 顯示器可用於呈現更複雜的資訊。(圖片來源：Lumex Opto)

電子紙顯示器和開發板

可受益於 EPD 的應用，可以轉用 E Ink 的 ED078KC2。這是一款在主動式矩陣 TFT 基板上的反射電泳 EPD 模組。在 7.8" 有效區域內可顯示 1404 x 1872 像素。根據控制器的不同，此 EPD 可以顯示多達 16 個灰階 (圖 7)。

Pervasive Displays 提供 B3000MS044 EXT3 和 B3000MS037 EXT3 Giant 兩款 EPD 擴充板，可將此 EPD 整合到系統中。基本的 EXT3 套件可以驅動 1.54" 至 12" EPD。若是 9.7" 和 12" 的大型 EPD，則需要使用 EXT3 Gaint。此開發平台具有板載驅動電路，可簡化 EPD 應用的開發。此外，Pervasive Display 還提供擴充選項、多個開源驅動程式碼、設計資源，以及用於圖形和互動功能的開發函式庫。

圖 7：這款雙穩態 EPD 可在 7.8" 有效區域內呈現 1404 x 1872 像素，且具有超低功耗。(圖片來源：DigiKey)

結論

需要 HMI 的 IIoT 邊緣裝置可以從多種小巧且低功耗的技術受益。手勢識別可在有難度的環境中提供命令並進行控制。字母數字 LED 顯示器堅固耐用，可以在高光環境中判讀，更可彼此堆疊以支援更大的資訊需求。LED 點陣顯示器和 EPD 可以呈現更複雜的資訊。LED 點陣可以呈現 RGB 彩色顯示內容和動畫，而 EPD 可用於高對比度的灰階顯示，且僅消耗相當少的電力。