带有交互式图形用户接口(GUI) 功能的液晶显示屏(LCD) 成为目前大部分家电中传统“机械式” HMI 的高性价比替代方案。本白皮书介绍这些技术，以及Altera、Altia 和Echelon 为几乎所有家电或者消费类产品的低成本、高性能HMI 提供的创新解决方案体系结构。
引言
  传统上，家电人机接口 (HMI) 由按键和旋钮等机械器件以及显示指示器组成，这些指示器包括发光二极管(LED) 和真空荧光显示屏(VFD) 等。现在，家电和消费类产品市场发生了很大变化。随着液晶显示屏(LCD)技术在电视、计算机、汽车和移动设备上的广泛应用，其成本不断下降，带有交互式图形用户接口(GUI)功能的LCD 成为目前大部分家电中传统“机械式” HMI 的高性价比替代方案。
HMI 在家电中的作用
  消费者总是希望有更简单的方式实现和家庭中大量家电的交互，显示屏，特别是数字显示HMI，在这方面的作用越来越重要。最近， Apple iPhone 等产品进一步推动了向图形交互产品的发展。iPhone 从根本上重新定义了消费者对大批量市场产品的预期，导致现在的消费者习惯于触摸虚拟按键，在屏幕上滑动手指来调整设置，甚至使用手势来代替复杂的HMI 动作。此外，消费者还希望产品是“智能”的，能够轻松获得丰富的信息，不出错，在很多情况下，消费者都不用打开手册寻找帮助。
 在当今竞争激烈的消费类产品和家电市场上，生产商必须以最小的成本突出产品优势，吸引消费者，从而提高市场份额。一项新技术一般总是首先应用在高端产品上，然后过渡到中端产品，最后几乎成为所有产品的标准功能。最近新出现的技术包括电冰箱和网络家电使用的集成HDTV，以及洗衣机和甩干机的智能电源方案等( 图1)。

图1. 具有能源监控新功能的洗衣机实例
  这些功能都有一个共同点：它们需要更高级的显示技术来实现人机交互。在很多情况下，通过触摸屏来实现这一点。OEM 采用触摸屏来实现对现代家电的平滑控制，突出自己的品牌优势，满足当前消费者的需求。使用数字显示屏技术替代机械HMI 最终加速了开发，而且能够重新利用体系结构，从长远看，由于GUI 软件和可编程逻辑器件(PLD) 技术的进步，设计成本会越来越低。家电触摸屏是目前消费类产品的必然方向，不断推动“数字生活方式”市场的发展。
实现高性价比家电人机接口Altera 公司
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触摸屏技术
  触摸屏这种显示设备能够探测到显示区域一定范围内“触点”的出现及其位置。这一般通过手指或者塑料触摸笔来实现。最新的触摸技术使用“多触点”传感技术，一个人使用两个手指来操作一个目标，例如Apple iPhone，或者多人在一个屏幕上相互协作，进行交互，例如微软的表面计算技术。
  触摸技术发明于上个世纪60 年代后期，最先应用于企业研究实验室计算机辅助学习终端以及商用电话系统中。然而，这一技术并没有得到广泛的市场应用，直到最近某些产品的推出，这一技术才逐渐流行起来，主要应用在移动电话市场。消费者最先接触这一技术是在个人数字助理(PDA) 上，例如Palm Pilot，而随着Apple iPhone 的出现，对这一技术的需求越来越大。Apple iPhone 无缝结合了触摸交互功能和引人注目的动态图形技术。
  触摸屏主要由三种集成组件构成：传感器、模块和显示屏。触摸屏传感器是产品的关键组成，它能够找到手指或者触摸笔的触摸位置，然后与底层系统进行通信。触摸屏模块包括触摸屏传感器、控制器IC 和软件。触摸屏含有集成了显示面板的模块。
  目前使用的触摸屏传感器有各种类型的，包括应变、光学成像、散射信号、声脉冲、表面声波、电容和电阻传感器等。其中，电阻传感器由于成本低，是目前应用最广泛的，三分之二的触摸屏元件生产商生产基于电阻传感器的触摸屏。电阻触摸屏不受水、光或者灰尘等外部因素的影响，能够实现分辨率较高的图像， 支持精确的小目标移动。电阻触摸屏使用铟锡氧化物(ITO) 玻璃或者显示屏表面塑料薄膜上的控制器来产生触摸连接。在激活触摸屏时，手指或者触摸笔按压塑料薄膜和基底之间的气隙，从而在ITO 薄膜和玻璃之间产生电压差。 控制器IC 计算触摸位置，确定用户在传感器上的实际位置，然后，底层应用软件利用这一信息确定用户意图，完成相应的动作。
采用FPGA 实现触摸屏
  具有较强交互功能GUI 的发展推动了对高性能处理器的需求。然而，目前市场上的很多低成本微控制器单元(MCU) 不能满足在LCD 屏上实现生动的交互式GUI 的性能需求。而且，现有的MCU 不包括对外设、图形加速或者LCD 显示屏的片内支持，因此，将所有分立元件组装起来后，其总成本非常高。
  FPGA 器件由逻辑单元阵列组成，可以配置完成各种功能，相对于MCU，其性能和灵活性更强，是LCD 触摸屏更好的选择方案。结合嵌入式软核处理器， FPGA 很容易支持实现MCU 通用处理功能以及其他外部器件功能。这些器件能够动态适应不同的屏幕尺寸、图像分辨率、外设和GUI，非常灵活。
  由于具有可编程能力， FPGA 以前主要用于验证设计概念，构建最初的产品原型。然而，随着半导体亚微米技术的发展，低成本FPGA，例如Altera® Cyclone® 产品系列， 广泛应用在大量的消费类电子产品中，包括数字电视、机顶盒以及DVD 解码器等。这一趋势的自然发展导致FPGA 在家电设计中得到进一步应用。
  图2 所示为65-nm 低功耗、低成本Cyclone III FPGA 实现的LCD 触摸屏。Cyclone III FPGA 具有内置LCD控制器和触摸屏接口，因此，不需要其他的LCD 控制器和图形处理器，否则，实现这类设计还得采用这些器件。
Altera 公司 实现高性价比家电人机接口
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图2. 采用Cyclone III FPGA 实现的触摸屏
采用下一代技术简化GUI 开发
  传统的GUI 应用程序开发很容易出错，需要大量的投入，OEM 宣称高达70％的质量问题来自GUI。这些缺点主要来源于效率低下的工作流程、时间和成本压力导致的折衷方案以及在嵌入式系统上开发非常复杂的高性能图形软件。