為提升消費者在各種裝置上的使用體驗，利用碰觸、語音、光學與動作感測等技術所實現的人機介面已日益普及，並成為使用者與電子裝置溝通的重要途徑；其中，又以電容式觸控技術尤其受到市場青睞。為滿足未來人機介面技術多功能整合的設計需求，兼具數位及類比訊號處理能力，且可彈性調整設計的可編程混合訊號SoC已逐漸受到業界重視。
由於市面上出現各種創新的直覺化操作產品，如智慧型手機與平板電腦，以致消費者對於使用者經驗的期盼出現顯著的改變。使用者介面是人類與機器間的溝通媒介或語言，如今最受歡迎的「語言」就屬觸控，在任何通訊系統中，人類與機器都必須說相同的語言，這就等同於在機器世界中的「編碼」以及「解碼」。本文闡述人機介面的基本原理，以及人機介面裝置(HID)的各項元素。
使用者介面的效率取決於人機介面裝置能多迅速從使用者收集到輸入訊號，以及系統向使用者發出回應的速率。請注意本文中使用的HID是本質的意義，而非指通用序列匯流排(USB)通訊協定中的HID裝置類型。
在真實世界中，所有訊號都屬於類比性質。即使世界正快速進行數位化，系統所接收到的輸入訊號本質上仍將會是類比性質。因此，系統必須透過如HID等元件，把訊號從類比轉換成數位格式，以便接收使用者的指令。HID扮演人類與機器之間的橋樑，負責把人類的動作如觸碰、手勢等轉換成機器能了解的指令。
感測器/ADC擔任要角
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| 圖1 人機介面運作步驟 |
所有人機介面都會依循以下幾個步驟運作，包括使用者做出動作、辨識並解讀使用者動作的意圖、把使用者的動作轉換成機器控制參數，以及機器發出確認/回饋(圖1)。
感測器是任何人機介面裝置把使用者的訊號轉換成機器能辨識的電子訊號的基本元素，感測器的輸出訊號本質上大多是類比形態，而且絕大多數都需要如濾波/放大等調節步驟，然後再把訊號轉換成數位格式。類比數位轉換器(ADC)必須區分真正的訊號和雜訊，而且也是人機介面裝置的重要元件，世上最簡單的類比數位轉換器是機械式開關。機械式開關把類比的手指動作(按壓、切換等)轉換成數位的「開」或「關」訊號。
數位終端元件負責接收數位資料，然後送出系統期預且了解的訊號格式給中央處理器(CPU)(圖2)。CPU之後以某種形式回饋給使用者。人機介面裝置在人類與機器之間所處的物理位置，在HID架構中有極重要的地位，例如，在平板電腦中，HID是觸控螢幕，也是系統本身的一部分。在包括像任天堂Wii等遊樂器中，Wii Remote被握在使用者的手中，而且和遊樂器之間隔著一段距離。
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| 圖2 HID原生架構 |
感測技術涵蓋多種
在設計使用者操作介面/HID時，必須考量幾項重要參數，包括容易使用、容易設計、容易製造、功率、外型規格、精確性、尺寸、成本、速度、解析度、擴充性以及精準度。以下將介紹各種HID感測技術原理。
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人類觸碰代表使用者的動作指令以及實體上與HID的聯繫。HID會偵測出使用者動作所造成的電容異動。電容的改變會被轉換成數位數值，再經過進一步的處理後，可判斷是否真的有手指的觸碰動作。經過處理後的輸出內容，再透過序列周邊介面(SPI)、I2C、USB等介面傳到主控制器以進行後續的各項動作(圖3)。 |
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| 圖3 電容觸控型HID運作架構 |
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感測器偵測到的人體動作，也代表著使用者的動作指令以及與HID的實際聯繫。HID會偵測到因人體移動造成的光線反射，然後轉換成(X,Y)座標值。之後根據系統的設計，透過像是紅外線、專利射頻(RF)或藍牙(Bluebooth)等無線通訊協定，把這些座標值傳送到中央控制台(圖4)。 |
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| 圖4 光線感測式HID運作架構 |
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語音訊號經過處理與取樣後，產生經過加密/未加密的位元串流，並傳送到CPU進行進一步處理(圖5)。 |
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| 圖5 語音式HID運作架構 |
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一個加速儀能偵測到使用者的三軸向動作，並依據三個軸向偵測到的動作產生類比輸出數值，之後再透過適合的ADC進行調節與轉換。未經處理的數位(X,Y,Z)座標值，或經過處理的動作/控制數值，再經由紅外線/射頻技術傳送到中央控制元件進行後續的處理(圖6)。 |
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| 圖6 偵測動作式HID運作架構 |
電容式觸控為主流
基於不同的原因，各種使用者操作介面成為各個時期最受歡迎的介面，目前當紅的趨勢就屬電容式觸控感測。從上述提及的感測器中，可看出任何種類的HID都需要一個混合訊號平台。對於這樣的平台而言，可編程亦是其中一項關鍵要素，以便能快速調整平台來支援不同類型的使用者介面。
可編程的混合訊號系統單晶片平台，例如賽普拉斯(Cypress)的可程式化系統單晶片(PSoC)，能提供類比與數位模塊、業界標準處理器以及有線/無線介面，藉以建構出符合特定HID設計所需的晶片。混合訊號SoC亦排除混合功能微控制器所面臨的各種障礙，並提供分立式的類比與數位元件，不僅帶來彈性、整合以及類比功能，還透過單一元件提供HID所需的功能。
(本文作者任職於賽普拉斯)