#关键词：触觉反馈, HMI, 致動器, ERM, LRA, 压电式致动器
触觉反馈技术为HMI增添新价值
当我们和电子设备“打交道”时，需要有一个人机交互的界面（HMI）——通过HMI，人可以将指令发出去，机器会根据指令做出反馈，并让用户感知到。在大多数的情况下，人们感知机器反馈的主要途经是视觉和听觉，也就是获取机器发出的图像和声音信息。
但有时机器也会用其他形式向人们“传情达意”，比如触觉。对机器的这种反馈方式我们并不陌生，比如：手机静音时有来电，手机会通过一个振动让用户知晓；或者当我们点击触控屏幕上的一个虚拟按键时，会有一种按下实体机械按键的感觉……为我们提供这种触感体验的，就是触觉反馈（Haptics）技术。
简单地讲，触觉反馈技术就是通过电子部件产生一个受控的振动信号，让用户获得一种触觉体验。图1展示了一个典型的触觉反馈系统：通过向电子设备发送信号触发一个事件——这个信号可能是用户输入的，也可以来自传感器——主控芯片根据该事件向触觉反馈驱动IC发出指令，由其驱动致动器（传动器）在电子设备中产生相应的振动信号，并被用户感受到。
图1. 典型的触觉反馈系统（图片来源：Taxes Instruments）
可见，触觉反馈系统并不复杂，但是随着用户需求的“口味”越来越高，比如他们会要求对触发事件有更及时地响应，且不同触发事件要产生不同的波形，带来不同的触觉……不断提升的用户体验，对触觉反馈方案设计要求也越来越高，特别是其中致动器和驱动IC两个核心元器件的选型和应用，更需要根据最终应用仔细斟酌。
致动器的选择
“触觉”是由致动器产生的。虽说只是一个振动信号，可由于产生振动的方式不同，触觉反馈在强度、波形、响应时间、系统功耗、噪声等方面却有很大的差异。
目前触觉反馈设计中常用的致动器有三种，我们分别来介绍一下。
第一种是偏转质量马达（ERM），它的原理是通过驱动一个偏心旋转的马达来产生振动。其技术成熟，成本优势明显，因此应用也非常广泛。但是由于ERM是一个惯性元件，启动有明显的时间延迟（通常要100ms以上），因此响应速度较慢，而且功耗较高，工作时噪音大，只能产生简单的波形，这些都是其先天不足。
线性共振致动器（LRA）是第二种类型。LRA的结构是一个安装在弹簧上的磁铁，通过对环绕在其周围的线圈施加驱动信号，来控制磁铁以线性方式运动达到共振频率，开发者可通过调制共振幅度来控制波形的变化。虽然LRA和ERM都属于惯性触觉致动器，但是LRA具有更快的响应速度，可以实现更多样化的波形，功耗也更低，所以被应用在智能手机等便携设备中。LRA主要的弱点在于工作带宽较窄，环境抗绕性弱，长期使用一致性会发生改变。
第三种压电式致动器（Piezo）是近年发展起来的一种新技术，顾名思义，它是通过压电效应产生振动，在压电致动器两端施加电压时，它会弯曲变形，进而产生振动。正是由于这种非惯性的致动机理，让其与ERM和LRA相比具有很多明显的优势：
- 启动快：通常可以达到10mS，甚至更低。
- 波形丰富：具有更高的带宽，可实现更多的触觉反馈效果。
- 振动强：可产生更高的峰值到峰值加速度，提供更强触感。
- 噪声低：没有ERM马达产生的嗡嗡噪声。
- 体积小：外形可以做到很轻薄，便于集成到空间受限应用中。
不过，压电式致动器驱动峰值电压Vpp更高（通常为50-200V），需要专门的驱动电路，其工作时的功耗较LRA也会高些，这是其弱点。但由于它可以为用户提供更为及时而细腻的“高清”触觉体验，受到了越来越多的关注，产品也在不断优化升级。
| ERM | LRA | 压电 | |
| 运动类型 | 旋转 | 线性 | 线性 |
| 控制方法 | DC | 幅度调制 | 大带宽 |
| 成本 | 低 | 较高 | 较高 |
| 支持高清触觉 | 否 | 否 | 支持 |
| 功耗表现 | 高 | 低 | 中等 |
| 本地化触觉 | 否 | 否 | 支持 |
| 整设备触觉 | 支持 | 支持 | 支持 |
| 驱动电压 | 2.5V-5.5V(峰值) | 2V(RMS) | 50V-200V(峰至峰) |
| 响应时间 | 40-100mS | 20-30mS | <10mS |
表1. 触觉反馈致动器性能比较
比如TDK 的PiezoHapt系列超薄型致动器（PHUA8060-35A-33-000）采用单层压电设计，厚度仅为0.35mm，具有4ms的极短响应时间，同时支持≤24V的低电压驱动。在 200Hz（正弦波）频率和24V峰值电压下，典型振动位移为55µm，并且可以通过驱动电压的变化控制振动的幅度，进而生成更富于变化的波形，是在智能手机和平板电脑上实现触控反馈的理想选择。TDK还提供了一个PiezoHapt Kit评估开发工具，方便开发者快速上手做Design-in。
图2. TDK 的PHUA8060-35A-33-000 PiezoHapt超薄型致动器
图3. TDK 的PiezoHapt系列超薄型致动器（右）与ERM（做）相比可以产生更丰富的振动波形（图片来源：TDK）
当然，在设计中究竟需要选择哪种类型的触觉反馈致动器，还需要根据最终应用做一个综合的评估。在Digi-Key.cn上，你可以通过元器件搜索和参数选型工具快速筛选出合适的元器件。
触觉反馈驱动IC
选对了触觉反馈的致动器，下一步就是要为其搭配合适的驱动器IC。触觉反馈驱动器的作用，就是桥接主控制器和致动器，提供必要的模拟功能以及数字接口，将主控制器的指令转化为致动器的驱动信号。
在触觉反馈驱动器IC的选型上，需要考虑以下一些因素：
- 驱动能力：需要满足致动器所需的驱动电压和电流，比如ERM和LRA驱动电压通常只有2V-5.5V，而压电致动器则需要几十伏甚至上百伏。
- 控制精度：产品是否提供独特的功能，以提升控制的精度，提供更细腻的触觉。
- 数字接口：如果需要与主控制器进行通信，驱动器通常需要具备I2C等数据接口。
- 功耗：由于致动器大多数时间处于待机模式，待机功耗大小不能忽略。
- 设计资源：能否提供与硬件配套的软件算法、波形库等资源，以及开发环境。
当然，由于驱动的对象（致动器）不同，应用场景不同，上述的功能不会在一颗芯片中全部实现，所以更需要按需选择，择优录用。
ERM和LRA技术应用历史比较长，可选的产品方案也较多。Dialog Semiconductor最新推出的三款触觉控制驱动IC（DA7280、DA7281和DA7282）就是比较有代表性的产品。其中的DA7280，是一款低功耗触觉控制驱动IC，具有高达1kHz的驱动能力，驱动电流可达500mA，360nA的空载功耗比竞品低76%。
如果说DA7280是一个“基本型”产品，各方面综合表现比较均衡，那么与其同门的另外两颗器件则在特性上各有侧重，以满足特定应用所需。DA7281使用两个原始触发器引脚作为I2C寻址引脚，可以在同一系统中同时集成多达4个驱动器，适用于多驱动系统。DA7282具有一个特殊的全休眠的模式，在此模式下的待机电流仅有5nA，在需要超低待机功耗的场合更为适用。可见，在满足基本设计需求的前提下，提供更具“个性”的全面的产品组合，这也是触觉反馈驱动器发展的一个趋势。
在压电式触觉驱动上，TI公司涉足较早，目前已经形成了很丰富的产品组合。比如DRV2667 就是一款针对压电式触觉方案的高度集成的驱动器。由于内置可配置的升压转换器和高电压放大器，DRV2667不需要昂贵且大体积的变压器，即可生成最高200Vpp的输出电压。同时，该驱动器还集成有数字接口、可存储波形的2kB RAM内存，支持2mS的启动时间，这都有助于实现高清、逼真的触感体验。
除了DVR2667，TI还提供其他压电式触觉驱动器产品的选项：DRV2665 与DVR2667相比基本模拟和数字特性相同，只是没有用于波形存储的2kB RAM；DRV8662同样集成有高电压升压和压电驱动器，但是不带数字接口。丰富的产品组合无疑给开发者提供了更多的选型空间。
如果需要，TI也有覆盖三种致动器类型、更全面的触觉驱动器供你选择。特别值得一提的是，TI还在DVR2605驱动器中预装载了由 Immersion 设计并许可的免专利费触觉波形，对于开发者来说这可以算是一个很大的“福利”。
| 制动器类型 | 触觉驱动器IC |
| ERM | DRV2604、DRV2605、DRV8601 |
| LRA | DRV2604、DRV2605、DRV8601、DRV2603 |
| 压电式 | DRV2665、DRV8662、DRV2667 |
表2. TI触觉反馈驱动器产品选型一览
触觉反馈方案设计
根据最终应用的需要选好致动器和触觉驱动IC等核心元器件后，我们就可以开始触觉反馈方案的设计了。与其他电子设计方案相比，触觉反馈系统不算复杂，不过设计之初还是需要做好硬件和软件两方面的准备。下面我们仍然以TI的产品为例，做简要说明。
首先，开发者需要准备一块基于所选触觉驱动IC的评估/开发板。以TI的压电触觉驱动器DVR2667为例，它对应的评估板是DRV2667EVM-CT，其板载资源包括微控制器、压电致动器、波形样例以及电容触控按键，可以全面地演示和评估DVR2667的功能特性。（有关该开发板的详细介绍，可以点击这里获取）
图6. 针对DVR2667压电触觉驱动器的评估板DRV2667EVM-CT
与硬件评估/开发工具相配套，芯片厂商还会提供相应的软件开发环境，支持触觉反馈方案的开发。比如TI提供的Haptic Control Console（HCC）就是一个具有可视化图形界面的软件开发环境，通过这个软件工具，开发者可以对TI的一系列触控反馈产品进行评估、调试和应用开发。
图7. Haptic Control Console图形化用户界面（图片来源：Taxes Instruments）
以DVR2667为例，开发者从TI的网站下载HCC并在电脑上安装后，通过一个适配器USB2ANY与DRV2667EVM-CT评估板相连，这时点击电脑上HCC界面中的【Connect（连接）】按钮，就可以连通评估版，通过HCC图形化界面进行开发了。
HCC的视窗界面分为两个部分：【Setting(设置)】和【Work Mode(工作模式)】。在【Setting】界面中，开发者可以通过调整增益改变驱动致动器的输出电压。在【Work Mode】界面中，包括三种模式可选：
- Internal Trigger（内部触发）：开发者通过RAM Manager将波形文件上传至驱动器内置的RAM，同时支持用户自定义波形。
- External Analog（外部模拟输入）：此模式支持接收通过模拟或PWM输入的信号。
- FIFO Playback：用户可实时对致动器进行控制，输出一个200Hz的正弦波或自定义的波形到致动器，持续时间为5-20mS.
如此丰富灵活的功能选项，让开发者得以充分挖掘触觉反馈产品的潜力，探索更多的应用可能性。访问TI的网站，可以下载并了解HCC详细的使用指南，及其对不同触觉反馈方案的支持。
除了芯片厂商，我们还可以找到不少第三方的触觉反馈开发套件，如Adafruit 2305和 Seeed 102990020，这些日臻完善的软硬件开发工具，让今天的触觉反馈应用开发更简单易行。
创新的应用
随着技术的计步，从元器件到开发工具丰富的设计资源，让触觉反馈的创新应用成为可能，这也让我们所熟悉各个领域的HMI体验上一个新台阶。
- 在移动通信领域，触觉反馈不仅有利于实现更大的手机屏占比，而且可以为APP带来个性化的功能体验。
- 在工业领域，触觉反馈与触控屏相结合，替代实体按键，可实现HMI图像化的升级。
- 在自动驾驶领域，触觉反馈可以成为一种新的人车“对话”方式，确保行车安全——比如当车辆偏离车道时，触觉反馈系统会通过方向盘或座椅发出振动提醒。
- 在新兴的VR/AR领域，触觉反馈更是可以在“虚拟”的世界中给用户带来更逼真的现实感，我们已经能够看到不少游戏开始试水。
所有这些憧憬都正在一步步变为现实。现在是时候考虑如何让触觉反馈为你的设计带来增值了！
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