Кратное снижение BOM и новый уровень дизайна: Multi-Sense в действии

Введение: сенсорная революция на пороге

Мы привыкли, что техника реагирует на прикосновения. Но сегодня этого уже недостаточно. Производители хотят, чтобы устройства чувствовали приближение руки ещё до касания, работали через толстый металл, определяли уровень жидкости без контакта с ней и делали всё это с минимальным энергопотреблением. Одновременно с этим робототехника ставит новые задачи: рука робота должна ощущать предмет почти как человеческая – различать давление, вибрацию, скольжение и температуру.

Infineon предлагает единое решение для обоих миров – платформу PSOC™ 4 Multi-Sense. Один микроконтроллер, пять сенсорных модальностей, одна экосистема разработки. Давайте разберёмся, как это работает и что даёт инженерам.

Часть 1. Эволюция: от одной кнопки к целому букету ощущений

Долгие годы ёмкостное сенсорное управление было бесспорным королём HMI (интерфейсов человек-машина). Но времена меняются:

С чем столкнулись разработчики:

• Металлические панели – ёмкость не пробивает толстый слой металла.
• Влажные среды – вода на поверхности вызывает ложные срабатывания.
• Герметичные корпуса – нельзя делать отверстия под кнопки.
• Безрамочные дизайны – кнопки должны быть невидимыми, но работающими.

Раньше каждую проблему решали отдельным компонентом: один чип для касания, второй для приближения, третий для измерения жидкости, четвёртый для индуктивного зондирования. Это увеличивало стоимость печатной платы, занимало место и усложняло прошивку.

Новый подход – Multi-Sense:

Вместо набора разрозненных датчиков – один программируемый аналоговый фронтенд, который может переключаться между режимами:

• ёмкостное зондирование (касание),
• обнаружение наведения (hover) – до 2 см,
• индуктивное зондирование (через металл),
• бесконтактное измерение уровня жидкости,
• детекция приближения.

И всё это обрабатывается одним конвейером сигналов, а в режиме глубокого сна устройство потребляет микроамперы, но продолжает «слышать» окружающий мир.

Что даёт обработка всех данных вместе:

Когда чип одновременно видит приближение, наведение и само касание, прошивка может построить гораздо более умную модель поведения пользователя:

• отличить случайное движение от осознанного жеста,
• предугадать намерение до касания,
• с помощью встроенного машинного обучения различать типы жидкостей, скорость заполнения, пену и отложения.

Часть 2. Multi-Sense в бытовой технике: экономично, надёжно, красиво

Бытовая техника – это идеальный полигон для новых сенсорных технологий. Здесь важны три вещи: массовость, надёжность и цена. Один универсальный чип вместо нескольких – это прямая экономия и упрощение сборки.

2.1. Сенсорное управление с наведением – спасение для варочных панелей

Проблема: современные индукционные и керамические панели – это гладкое стекло без выступающих ручек. Между стеклом и печатной платой есть воздушный зазор, который меняется из-за теплового расширения. Обычные ёмкостные датчики теряют чувствительность, начинают ложно срабатывать или пропускать нажатия.

Решение: датчик CAPSENSE™ настраивается на обнаружение пальца с расстояния до двух сантиметров. Точный размер зазора больше не важен. Инженеры могут выбросить пружины, прокладки и распорки, которые раньше механически компенсировали этот зазор.

Результат:

• панель проще и дешевле производить,
• она становится полностью гладкой и герметичной – жидкость не проникает внутрь,
• легко чистить,
• выше надёжность в условиях перепадов температур.

2.2. Бесконтактное измерение жидкости – гигиена и точность

Где нужно: кофемашины, стиральные и посудомоечные машины, увлажнители воздуха – везде, где нужен контроль уровня воды или другой жидкости.

Старый подход: поплавковые датчики или электроды, которые контактируют с жидкостью. Они загрязняются, подвержены коррозии, дают неточные показания при образовании пены или налёта.

Новое решение: на внешнюю стенку пластикового или стеклянного резервуара крепится печатный сенсор – полоска измерительных электродов. Чип измеряет ёмкостную связь через стенку без всякого контакта с содержимым.

Главный секрет – алгоритмы с искусственным интеллектом

Встроенная модель машинного обучения умеет:

• отличать жидкость от пены (чтобы кофемашина не думала, что бак полон, если там одна пена),
• игнорировать отложения и осадок на стенках,
• определять уровень с точностью до 0,1 мм (в подходящей геометрии),
• работать без калибровки, несмотря на изменения температуры и влажности.

Инструмент разработчика: в среде ModusToolbox™ Sensor Designer инженер задаёт форму бака и тип жидкости, а программа сама рассчитывает оптимальную топологию датчика, обучает ML-модель и выдаёт готовый DXF-файл для встраивания в печатную плату.

Где это уже применяется:

Вот типичные примеры использования технологии в бытовой технике:

• кофемашины – контроль остатка воды и молока,
• стиральные машины – уровень пены и воды,
• посудомоечные машины – наличие моющего средства,
• увлажнители воздуха – автоматическое отключение при низком уровне воды,
• системы полива и дозаторы – точная порционная подача.

Важный плюс: решение имеет низкую температурную зависимость и нечувствительно к вариациям сборки – то есть работает одинаково хорошо в любом экземпляре устройства.

2.3. Сенсорное управление через металл – для премиум-дизайна

Тренд: всё больше бытовой техники делают с металлическими панелями – щёточный алюминий, нержавейка, матовый металл. Это выглядит дорого и солидно.

Проблема: ёмкостные датчики не работают через сплошной металл. Раньше приходилось делать отверстия или вставлять пластиковые вставки – это портило вид и снижало влагозащиту.

Решение: индуктивное зондирование. В основе – плоская катушка на печатной плате. Когда палец приближается к металлической поверхности, меняется индуктивность катушки, и чип это регистрирует.

Особенности реализации Infineon:

• используется запатентованная flyback-архитектура: катушка получает короткий импульс тока, а затем измеряется время резонансного затухания,
• такая схема даёт высокую чувствительность и устойчивость к внешним электромагнитным помехам,
• поддерживаются дифференциальный и референсный режимы измерения для гибкой работы с разными индуктивностями и частотами.

Что получает производитель:

• цельная металлическая панель без вырезов,
• кнопки можно сделать гладкими, тиснёными или с лазерной гравировкой символов,
• максимальный класс защиты от воды и пыли (IP-рейтинг),
• премиальный внешний вид без компромиссов.

Гибкость: в одном чипе сочетаются ёмкостное и индуктивное зондирование. Прошивка может переключаться между режимами без изменения аппаратной части – например, использовать ёмкость для обнаружения приближения, а индукцию – для подтверждения касания через металл.

Часть 3. Роботизированные руки – новый рубеж для тактильных сенсоров

Пока мы говорили о бытовой технике, но самое интересное впереди. Гуманоидная робототехника сегодня – это уже не фантастика, а реальность. Роботы выходят из лабораторий на заводы и в сервис. И главная проблема сейчас – не в том, как робот ходит, а в том, как он хватает предметы.

Сложность задачи

Человеческая рука – это шедевр инженерии. На кончике пальца площадью всего 4 см² находятся тысячи механорецепторов, которые чувствуют:

• давление (силу сжатия),
• касательную нагрузку (сдвиг),
• вибрацию (текстуру и начало скольжения),
• температуру,
• деформацию кожи.

Это позволяет нам взять хрупкое яйцо, не раздавив его, и в тот же момент крепко удержать гаечный ключ. Мы чувствуем, когда предмет начинает скользить, и мгновенно усиливаем захват – за миллисекунды.

Что требуется от роботизированного пальца

Чтобы повторить хотя бы часть этих возможностей, сенсорная система должна обеспечивать:

• Пространственное разрешение – понимать, где именно происходит касание, и определять нормальную и касательную компоненты силы.
• Динамический диапазон – работать и с лёгкими прикосновениями (для яйца), и с сильными сжатиями (для инструмента).
• Временную скорость – обнаруживать начало скольжения за миллисекунды, чтобы успеть скорректировать захват.
• Надёжность – датчики на пальцах будут царапаться, сжиматься, нагреваться и охлаждаться сотни тысяч раз.
• Компактность – вся электроника должна поместиться в объём, сопоставимый с человеческим пальцем.

Почему мультимодальность критична

Самые ценные сигналы для управления захватом приходят не по одному каналу, а в комбинации:

• перепад температуры + лёгкое нажатие = предмет нагрет, нужна осторожность,
• высокочастотная вибрация в касательной силе = начинается скольжение, надо сжимать.

Именно поэтому многосенсорный подход – не роскошь, а необходимость для настоящего тактильного интеллекта.

Часть 4. Как технологии Multi-Sense вписываются в робототехнику

Ёмкостные датчики оказались идеальными для роботизированных пальцев по нескольким причинам:

Во-первых, электроды можно сделать тонкими и гибкими – они легко ложатся на изогнутую поверхность кончика пальца.

Во-вторых, они чувствительны к малым усилиям – это важно для деликатных операций.

В-третьих, они видят не только момент касания, но и фазу приближения – робот знает, что палец близко к объекту, ещё до контакта.

В-четвёртых, тот же самый аппаратный блок, который в кухонной панели чувствует парящий палец, в роботе может измерять топологию поверхности захваченного предмета – достаточно поменять геометрию электродов и настройки обработки сигнала.

Архитектура мультисенсорного пальца:

Один микроконтроллер PSOC™ обеспечивает весь конвейер:

1. Обнаружение приближения – когда рука движется к объекту.
2. Определение момента касания и оценка силы захвата.
3. Мониторинг проскальзывания во время удержания.

Что это даёт инженеру:

• резкое сокращение проводки – внутри кисти робота каждый провод на счету,
• маломощный режим Always-On – робот может постоянно «слушать» свои пальцы, не расходуя батарею,
• единая программная модель – не нужно интегрировать три разных чипа с тремя разными SDK.

Стратегическое направление Infineon:

Компания активно инвестирует в гуманоидную робототехнику. Уже есть демонстрационные платформы – например, роботизированная голова с круговым обзором на 360°, где используются датчики XENSIV™ (радар и времяпролётные дальномеры) в связке с MCU PSOC™.

Кроме того, Infineon объявил о сотрудничестве с NVIDIA: их микроконтроллеры и драйверы для моторов объединяются с вычислительными ускорителями NVIDIA для создания масштабируемых и энергоэффективных систем управления гуманоидами – от чувствительных пальцев до согласованных движений всего тела.

Часть 5. Платформа PSOC™ 4 Multi-Sense: технический фундамент

Теперь – о самом железе. PSOC™ 4000T – это первый микроконтроллер Infineon, который объединяет все пять модальностей Multi-Sense в одном кристалле. Построен на ядре ARM Cortex-M0+, но при этом обладает достаточно мощным аналоговым фронтендом для сложной сенсорной обработки.

5.1. CAPSENSE™ пятого поколения – рывок в производительности

Подсистема CAPSENSE™ реализована на новой архитектуре MSCLP (Multi-Sense Converter Low Power). В сравнении с предыдущим поколением:

• Соотношение сигнал/шум (SNR) – выше в 10 раз. Это означает, что датчик может работать через более толстые материалы и в более сложных условиях, при этом ложных срабатываний практически нет.
• Энергопотребление – ниже в 10 раз. И это не компромисс – оба показателя достигнуты одновременно.

Режим Always-On:

Самое впечатляющее – чип умеет постоянно мониторить приближение и касания, даже когда основное ядро Cortex-M0+ находится в глубоком сне. При этом ток потребления измеряется микроамперами. Для батарейных устройств и роботов, которые должны быть постоянно настороже, это критически важно.

Автокалибровка SmartSense:

CAPSENSE™ пятого поколения автоматически подстраивает пороги чувствительности, компенсируя:

• изменения температуры,
• колебания влажности,
• механическое старение компонентов.

Всё это происходит без участия разработчика. Инженеру не нужно писать сложные алгоритмы адаптации – чип делает это сам, что резко сокращает время разработки и снижает процент возвратов готовых устройств по гарантии.

5.2. Три специальных режима в деталях

Теперь подробнее о трёх ключевых возможностях, которые отличают эту платформу.

Режим 1: Сенсорное управление с наведением (Hover Touch)

• Диапазон обнаружения – до 2 сантиметров.
• Алгоритмы различают преднамеренное движение пальца и случайное приближение (например, если рука просто проходит мимо).
• Основная польза: устранение механических компонентов, которые компенсировали воздушный зазор – пружин, прокладок, распорок. Прямая экономия на комплектующих и сборке.

Режим 2: Индуктивное зондирование

• Используется запатентованная flyback-топология: чип подаёт короткий импульс тока на катушку, а затем измеряет время затухания резонанса.
• Преимущества: высокая чувствительность, отличная помехозащищённость (в отличие от многих конкурентных решений).
• Поддерживаются дифференциальный и референсный методы измерения – инженер может подобрать оптимальный под свою катушку и рабочую частоту.
• Главная задача: работа через сплошной металл без отверстий.

Режим 3: Бесконтактное измерение уровня жидкости

• Сенсор выполняется в виде печатной полоски, которая приклеивается снаружи резервуара.
• Измеряется ёмкостная связь между электродами и жидкостью через стенку.
• Встроенный ML-алгоритм:

- отбрасывает сигналы от пены и отложений,

- работает при любых температуре и влажности,

- даёт точность до 0,1 мм изменения уровня (в подходящей геометрии).

• Инструмент ModusToolbox™ Sensor Designer автоматизирует всю разработку: инженер вводит параметры бака и жидкости, получает готовую модель и файл для производства печатной платы.

5.3. Семейство устройств и экосистема

PSOC™ 4000T не существует в вакууме. Это часть большого семейства микроконтроллеров, которое охватывает разные уровни производительности и объёма памяти, сохраняя при этом программную и аппаратную совместимость.

Две ключевые модели в линейке Multi-Sense

Модель 1: PSOC™ 4000T – компактное решение для массовых приложений

Этот микроконтроллер ориентирован на задачи, где важна экономия места и энергопотребления. Он построен на ядре ARM Cortex-M0+ и оснащён следующим набором ресурсов:

• Объём флэш-памяти – до 32 КБ, что достаточно для хранения прошивки сенсорного интерфейса и алгоритмов обработки сигналов.
• Объём SRAM – до 4 КБ под рабочие данные и буферы.
• Количество выводов – ограниченное, рассчитанное на компактные корпуса для носимой электроники и бюджетных устройств.
• Потребление в режиме глубокого сна с активным сенсором – измеряется микроамперами, что позволяет работать от батарей долгие месяцы.

Для каких задач подходит:

• простые сенсорные панели в недорогой бытовой технике (чайники, микроволновки, мелкая кухонная электроника),
• носимые устройства (фитнес-браслеты, умные часы с сенсорным управлением),
• датчики приближения и уровня жидкости в компактных корпусах,
• любые проекты, где критичны цена и энергоэффективность.

Модель 2: PSOC™ 4100T Plus – производительная платформа для сложных задач

Для приложений, которые требуют больше вычислительной мощности, памяти и периферии, существует расширенная версия. Она также работает на ядре Cortex-M0+, но с существенно увеличенными характеристиками:

• Объём флэш-памяти – 128 КБ, что позволяет хранить не только сенсорную прошивку, но и сложные алгоритмы машинного обучения, несколько сценариев работы интерфейса и обновления по воздуху.
• Объём SRAM – 32 КБ, достаточно для работы с буферами данных высокого разрешения, хранения промежуточных результатов ML-вычислений и многозадачной обработки сенсорных событий.
• Количество выводов ввода/вывода – больше, чем у 4000T. Это позволяет подключать больше сенсорных электродов, дополнительные индикаторы, внешнюю память или интерфейсы связи.
• Потребление в режиме глубокого сна с активным сенсором – всего 8 мкА. При таком энергопотреблении устройство может месяцами «слушать» сенсоры, не выходя из сна, и мгновенно просыпаться при касании или приближении.

Для каких задач подходит:

• сложные панели управления бытовой техникой премиум-класса (духовки, варочные панели, стиральные машины с дисплеями),
• контроллеры, где требуется встроенный вывод на основе машинного обучения прямо на периферии,
• роботизированные сенсорные модули – например, тактильные датчики на кончиках пальцев, которым нужно одновременно обрабатывать приближение, силу и вибрацию,
• любые системы, где сенсорная обработка сочетается с дополнительными функциями управления и коммуникации.

Ключевые преимущества единого семейства:

Независимо от того, какую модель вы выберете, вы получаете три важных бонуса:

• Совместимость по корпусам – можно спроектировать плату под одну модель, а при необходимости заменить на другую без изменения топологии печатной платы. Это даёт гибкость в управлении запасами и производством.
• Программная совместимость – код, написанный для PSOC™ 4000T, без изменений работает на PSOC™ 4100T Plus. Переход на старшую модель не требует переписывания прошивки, а лишь открывает доступ к дополнительным ресурсам.
• Единый путь обновления – разработчик может начать проект с младшей модели, а если в процессе выяснится, что нужно больше памяти или выводов, легко «переехать» на старшую без потери времени и переделки уже написанного кода.

Полная экосистема разработки ModusToolbox™:

Обе модели поддерживаются единой средой разработки ModusToolbox™, которая доступна для Windows, Linux и macOS. В неё входит:

• Пакеты поддержки плат (BSP) – готовые конфигурации для всех отладочных плат Infineon.
• Библиотека периферийных драйверов (PDL) – стандартизированный API для работы с таймерами, портами, АЦП и другими блоками.
• Промежуточное ПО CAPSENSE™ – готовые алгоритмы автонастройки, фильтрации и обработки сенсорных сигналов, которые не нужно писать с нуля.
• ModusToolbox™ Sensor Designer – отдельный инструмент, который позволяет разработчику вводить параметры своего датчика (геометрию, материал, тип жидкости), а система автоматически генерирует оптимизированную топологию печатного проводника, обучает модель машинного обучения и выдаёт готовые файлы для производства.

Итог: два фронта, одна платформа

Технологии Multi-Sense находятся на пересечении двух больших волн:

Ближняя перспектива (здесь и сейчас):

• Бытовая техника становится красивее, герметичнее и надёжнее.
• Сенсорное управление с наведением убирает лишние детали.
• Индукция позволяет делать металлические панели без вырезов.
• Бесконтактный контроль жидкости заменяет грязные поплавки и электроды.

Дальняя перспектива (ближайшие 5–10 лет):

• Роботизированные руки обретают тактильный интеллект, сравнимый с человеческим.
• Один чип обеспечивает и приближение, и контакт, и силу, и скольжение.
• Роботы смогут работать с хрупкими, скользкими и нестандартными предметами в реальном мире – от яиц до инструментов.

Для инженеров, которые проектируют технику завтрашнего дня, это означает одно: можно смело выбирать одну платформу, которая закроет и сегодняшние нужды, и оставит задел на будущее – без необходимости переучиваться, перепаивать платы и переписывать прошивку.

Ссылка на первоисточник: https://www.eetimes.com/how-multi-sense-technologies-are-redefining-human-machine-interfaces-and-dexterous-robotics/

Вас также могут заинтересовать: