在工業自動化領域，人機界面（HMI）正快速向觸摸屏過渡。然而，工廠對于觸摸屏有著特殊要求，觸摸屏必須達到這些要求才能獲得出色（能夠安全讀取）的操作體驗，同時提高生產力和產量。其中包括防水性、抗擾性和先進的觸控功能（如手套觸控和/或接近感應）三項要求。

IMSResearch市場研究報告稱，隨著越來越多的國家希望通過制造業來推動經濟增長，工業自動化市場規模預計將從2012年的1590億美元擴大到2015年的2000億美元。

近十年來，工業自動化市場經歷了一場關于用戶界面的轉變。現在，人們與自動化設備之間的互動（現在稱為“人機界面”）通過3.5-10英寸觸摸屏完成，而非開關和杠桿。

弗若斯特沙利文公司（Frost&Sullivan）預計，將來工廠中的很多操作控制都將通過與機器無線連接的手持設備來完成。隨著觸控方式在用戶界面上的快速采用，為手持設備配備觸摸屏已經成為必然。另外，考慮到性能要求，觸摸屏將使用投射電容技術而不是電阻技術。

現在，各個工廠越來越關注用戶界面的質量。如今的人機界面已經不再是后臺控制界面，而是機器和流程的象征。設計不良的人機界面會導致輸入錯誤和延遲，從而造成流程錯誤以及設備或產品損壞，甚至對操作人員造成人身傷害。在最壞的情況下，觸摸屏實施不當會困擾操作人員。與之相反，穩定的人機界面可提高生產力、增加產量，從而帶來更高利潤。

工廠環境會給人機界面和觸摸屏的設計帶來獨特挑戰。其中三大挑戰包括：

1)防水性：防止因水、手指穿過水滴或濕手指而引起的意外觸控。

2)抗擾性：提供無縫觸控體驗，防止在極端干擾脈沖下出現誤觸。

3)先進的觸摸技術：允許佩戴手套進行操作，且能夠檢測到靠近屏幕的手指。

1.防水性

防水性經常被忽略，但對于實現穩定、可靠的用戶界面來說非常重要。很多生產環境的濕度都很大，操作人員可能需要在手指或屏幕沾水的情況下進行操作。觸摸屏必須工作順暢且不會因此發生誤觸。

對于觸摸屏的防水性，已有多項國際標準做出詳細規定。比如，國際電工委員會（IEC）的IEC-60529標準就對防護等級(IP等級)進行了界定。其中，一件產品可達到的最高級別為IP-67，也就是說，它可以在存在大量灰塵（灰塵等級為6）的環境下工作，且可以浸入水中1米（防水等級為7）而不會發生損壞。在多數工業應用中，防水性都是必要條件。

從觸摸屏控制器的角度來說，“防水性”（適用于屏幕上各種形式的液體或導電粒子）可進一步細分為兩個要求：防水和濕手指追蹤功能。

1)防水：

a.防止觸摸屏對液體的存在做出意外反應。

b.將液體從屏幕擦除后可繼續流暢操作。

2)濕手指追蹤：

a.當屏幕上存在液體時也能準確感知手指的觸控。適用于因潮濕造成的液膜、濺出的液體或多處液滴。

b.用汗濕或油膩的手指觸碰屏幕。

投射電容會在導體從金屬（通常為氧化銦錫（ITO））導線網格偷走電荷時感知電容的變化，這些網格相互獨立，會在有電流通過時起到傳感器的作用。這些金屬線被排列為Tx（發射電流位置）和Rx（接收電流位置），Tx導線與Rx導線之間會形成電容。

投射電容存在兩種形式。

（1）自電容感應：檢測傳感器網格行和列（X+Y）上的電荷變化。特定行的電荷變化可歸因于多個列的電荷變化，自電容感應適用于單點觸控式應用。

（2）互電容感應：檢測網格每個交互點的電荷變化（X*Y）。因此，它可以精確感應多點觸控。見圖1

圖1：自電容傳感器網格如左圖所示，互電容網格如右圖所示。由于掃描方式的區別，自電容網格無法可靠追蹤屏幕上的多個手指，而互電容網格可以。

手指觸控動作在自電容和互電容感應模式下的表現形式截然不同。在自電容模式下，單次觸控會在電荷轉移到地面后表現為電流的增加；而互電容模式下，觸控的檢測結果是交叉點上兩個傳感器之間的整體互電容降低。

水作為導體會增強臨近傳感器之間的邊際電場，并使電容增大。這可能會造成觸摸屏將水識別為自電容模式下的輕手指觸控。這可以通過感應臨近傳感器中的復制電場來解決，從而有效消除臨近傳感器之間產生的邊際電場。然而，自電容不支持多點觸控。

在互電容網格中，水的表現形式相同，但會被感知為電荷的增加，并與手指觸碰效果的極性相反。這樣，當擦拭屏幕上的水時可能會被傳感器記錄為一次手指誤觸。

自電容感應與互電容感應的結合（如賽普拉斯TrueTouch控制器中所實施的那樣）可提供穩定可靠的防水解決方案。能夠在Tx和Rx線之間進行切換以準確掌握水滴輪廓也非常重要。

當屏幕上覆蓋一層水膜或大水滴時，其產生的效果可能與拇指或手掌等大物體（取決于水滴/薄膜的大小）類似。需要以特殊算法精準確定水體的位置并追蹤手指的移動。

2.抗擾性

對于觸摸屏來說，一般存在兩種干擾源：

1)直接耦合干擾：這種干擾來自鄰近的機器、高壓交流電以及節能燈的電子鎮流器。這些干擾都存在于制造工廠，可以耦合到人體中并通過手指觸控注入到系統中。

2)共模干擾：這種干擾來自于觸摸屏設備內部（如電源、質量不好的充電器）并通過手指釋放到地面。

干擾包括寬帶與窄帶噪聲，通常振幅較高。我們看到，共模干擾的頻率最高可達500kHz，振幅可達40Vpp。見圖2

圖2：窄帶和寬帶充電器干擾圖

在兩種情況下，用戶都會看到誤觸的情況；包括報告誤觸坐標或造成觸摸傳感器過載（觸控會顯示為沿Rx傳感器伸展的長線條）。這會導致流水線收到錯誤指令并造成延遲。在很多情況下，干擾脈沖會充滿接收電容器，從而遺漏本應記錄在該交叉點上的觸控信號并影響整體觸控體驗。良好的信噪比（SNR）是觸摸屏控制器抵抗各種干擾的必要條件之一。

可通過多種方式抵抗干擾。

a)提高Tx電壓：提高SNR的最有效方式之一就是增大信號電壓。這是一種簡單有效的SNR改善方式。有些賽普拉斯半導體觸摸屏控制器會提供內置10VTx，用以提高SNR同時避免增加額外的物料成本。

b)跳頻：Rx通道可動態改變頻率以回避干擾波及其諧波。在干擾強烈的環境下，必須啟用跳頻，且觸摸屏控制器必須內置特殊算法以便不斷跳過干擾頻率。

除上述方式外，還存在很多抑制干擾技術。其中有些新方法可以有效防止頻道飽和，同時利用片上DSP實現的開窗法來有效恢復信號。

3.先進的觸控技術：手套以及近接感應

對于手機來說，市場上已存在用于檢測觸控的傳導手套。而在工廠中，這種解決方案并非有效，因為操作人員在操作其它機器時可能需要佩戴特殊手套。而要求操作人員脫掉手套再來操作觸摸屏會很不方便。

對于主機CPU來說，佩戴手套觸摸和用手指輕輕觸摸并無分別。因此，可以提高觸摸屏控制器的靈敏度，降低手指觸摸的記錄閥值。然而，這樣可能會帶來以下問題：

a)懸空的手指可能會被檢測為一次觸控，而這并非使用者的意圖。

b)共模干擾可能會觸發誤觸。

c)手套的厚度不同，其性能也會有所不同。

除手套觸控外，觸摸屏控制器可能需要在24-30毫米距離內感知正在接近的手指。這需要觸發液晶顯示屏（LCD）啟動事件以獲得最佳用戶體驗。

我們可以使用不同的感應方式、特殊算法、觸摸屏微調或綜合使用這幾種方式來實現各種先進的觸控功能。

隨著觸摸屏在人機界面中的廣泛使用，對觸摸屏控制器的要求也要具體針對該市場進行不斷變化。工業用戶希望他們的觸摸屏能夠在各種干擾條件以及水、手套等導電材料的情況下工作。能滿足這些要求的觸摸屏設計可以確保提供良好的用戶體驗，并提高工人的生產力，從而增加工廠的總體產量。