電容式感應(yīng)照明控制用戶界面

        智能照明控制技術(shù)已經(jīng)越來越多的應(yīng)用于消費(fèi)領(lǐng)域。餐廳、酒吧、辦公室、電影院、家庭、飛機(jī)、汽車等，這些只是成熟照明控制方案中的一小部分例子，其增強(qiáng)了整體氛圍和用戶體驗(yàn)。粗大的照明控制面板和數(shù)以百計(jì)按鈕的日子一去不復(fù)返了。今天的照明系統(tǒng)更智能，可以對光強(qiáng)度、色調(diào)和飽和度進(jìn)行控制，只需一個(gè)觸摸按鈕即可。

        圖1顯示了一個(gè)基本照明控制技術(shù)應(yīng)用的框圖。它有一個(gè)用戶界面，其可以選擇預(yù)設(shè)的照明選項(xiàng)，或直接控制燈具。一些系統(tǒng)還有環(huán)境光感應(yīng)器，其可以根據(jù)當(dāng)前環(huán)境自動(dòng)控制室內(nèi)燈光。根據(jù)用戶/環(huán)境傳感器的輸入，控制器將控制數(shù)據(jù)傳輸?shù)奖O(jiān)測LED /燈具特性的光控制器。

        本文將重點(diǎn)介紹高效照明控制用戶界面設(shè)計(jì)。市場上有很多照明控制系統(tǒng)，用戶界面通常是決定系統(tǒng)和產(chǎn)品成功與否的關(guān)鍵。

        我們的想法是要提高用戶控制，設(shè)計(jì)不再需要大量的選擇按鍵和面積占用，可以用更獨(dú)特更智能的電容式觸摸感應(yīng)按鈕或滑條控制。使用電容式感應(yīng)界面不僅可以提供吸引眼球的面板設(shè)計(jì)，而且使系統(tǒng)具有更強(qiáng)的魯棒性，沒有抖動(dòng)，性價(jià)比高。此外，電容式傳感器的可編程檢測距離能力在接口方面引入了一個(gè)全新的維度。這篇文章的關(guān)鍵議題包括，電容式傳感技術(shù)，用戶界面，徑向滑條，LED背光和接近感應(yīng)。

電容式感應(yīng)

        PCB上的每一條銅線都有一定的相關(guān)寄生電容。利用該屬性，電容式傳感器可以由PCB上的銅泊實(shí)現(xiàn)。傳感器上面有一層絕緣覆蓋物，可以保護(hù)每個(gè)傳感器不受ESD和和用戶電氣影響。當(dāng)用戶觸摸傳感器上的覆蓋物時(shí)，該傳感器的電容會(huì)發(fā)生變化。這是由于手指引入的電容與傳感器的電容并聯(lián)在一起。該技術(shù)用于測量或檢測電容傳感器的變化，稱為電容式感應(yīng)。圖2顯示了一個(gè)簡單的檢測傳感器電容變化的實(shí)現(xiàn)方式。

 

該電路主要使用開關(guān)電容技術(shù)等效成一個(gè)電阻。等效電阻的值是:

       方程1

        根據(jù)方程1，傳感器電容增加。等效電阻減少。電阻值的變化使電流Isensor也發(fā)生變化。該電流變大，轉(zhuǎn)換為電壓信號然后進(jìn)一步處理。快速ADC（通常是SAR ADC）可用于將電壓信號進(jìn)行數(shù)字化處理。通過在固件中跟蹤數(shù)字化數(shù)據(jù)和相關(guān)電壓信號，我們可以探測到手指電容帶來的電容變化。

        圖2顯示了SOC實(shí)現(xiàn)的電容式傳感器。雖然基于SOC的設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)很簡單，但實(shí)現(xiàn)電容式觸摸感應(yīng)時(shí)仍需要考慮很多因素，包括:

 1. 寬電容范圍 —— 這可以使用高分辨率ADC和精確TIA達(dá)到。然而，使用高精度模擬元件，就會(huì)增加系統(tǒng)成本。

2. 環(huán)境噪聲—— 由于手指引入的電容變化是很小的（通常是，< 0.5 pf ），甚至環(huán)境里很的噪聲都可以引入寄生電容，有可能導(dǎo)致誤檢測。

3. 環(huán)境的改變——電容是濕度和溫度的函數(shù)。因此，電路和固件應(yīng)當(dāng)在終端應(yīng)用中設(shè)計(jì)成可以處理它們影響的方式。

        圖3所示為一個(gè)使用賽普拉斯PSoC CY8C21x34 電容式感應(yīng)Sigma Delta(CSD)方法實(shí)現(xiàn)的高性能電容傳感器。由于控制器的設(shè)計(jì)是基于SoC的，它可以根據(jù)具體應(yīng)用要求進(jìn)行配置。內(nèi)置的CSD模塊也可以用于實(shí)現(xiàn)接近傳感或集合傳感器。

        該實(shí)現(xiàn)類似于圖2所示的框圖。這種實(shí)現(xiàn)增加了模塊和部件，有助于解決上面列出的那些問題。

        在這種技術(shù)中，調(diào)制電容CMOD將通過等效電阻充電。當(dāng)集成的電容電壓達(dá)到參考電壓(VREF)時(shí)，比較器輸出轉(zhuǎn)換為高，連接RB(放電電阻)到地。這就形成了CMOD放電回路。當(dāng)電容式電壓低于VREF，比較器輸出回到低，斷開RB 開關(guān)。這一行為不斷重復(fù)，比較器輸出形成了脈沖流，其使能計(jì)數(shù)器。

        傳感器電容變化將改變CMOD充電電流。由于CMOD 變化的充電速率(REQ*CMOD )和固定的放電速率(RB*CMOD )，比較器輸出的脈沖流占空比將會(huì)改變。這一脈沖流占空比的變化可以通過讀出計(jì)數(shù)器來檢測到。

用戶界面

         一個(gè)用于房間照明控制應(yīng)用的典型用戶界面，可以提供可選擇的預(yù)定義照明亮度選項(xiàng)。先進(jìn)的用戶界面可以使用戶控制個(gè)性化的顏色組成及光亮強(qiáng)度。圖4顯示了這樣的用戶界面。

 

        圖4顯示的界面有四個(gè)電容式按鈕，它們用來選擇燈光的特定組合?？梢允褂脧较蚧瑮l來增加或減少選擇的屬性，如光亮強(qiáng)度(如果觸摸強(qiáng)度按鈕)或飽和度(如果觸摸任何的基本顏色按鈕)。除了徑向滑動(dòng)這一功能，徑向傳感器還可通過預(yù)定義的照明級別用于導(dǎo)航瀏覽?？梢酝ㄟ^滑條固件編寫將滑條中央當(dāng)作一個(gè)特別的按鈕。這個(gè)“額外”按鈕可以實(shí)現(xiàn)一個(gè)“菜單”或“選擇”按鈕。除了電容式傳感器，照明控制界面還有一個(gè)LCD，它用來顯示光強(qiáng)度，色彩飽和度，或照明選項(xiàng)。
LED用來照亮用戶界面上激活的傳感器。這些通常稱為“背光LED”。 PCB上有一些小孔，使用這種方式，無論用戶觸摸傳感器或滑條，LED都會(huì)從底層照亮相應(yīng)的傳感器或滑條，從而反饋給用戶該傳感器被激活了。

徑向滑動(dòng)-向里和向外

        PCB上的徑向滑條設(shè)計(jì)相對簡單。它可以視為一組種電容式傳感器，排成一個(gè)圓形。除了形狀，線性滑條和圓形滑條的唯一區(qū)別是，線性滑條有固定的起點(diǎn)和終點(diǎn)，而圓形滑條沒有，因?yàn)樗菆A形的。從應(yīng)用程序的角度來看，手指從線性滑條最左端滑向最右端，分辨率將會(huì)從0%提高到100%。使用圓形滑條，應(yīng)用程序還需考慮要達(dá)到100%的分辨率要完成多少圈。

        為了確定手指在滑條的確切位置，需要一個(gè)單獨(dú)立方法(例如:質(zhì)心計(jì)算法)來檢測。這是因?yàn)楫?dāng)手指放置在滑條上時(shí)，它觸摸到了多個(gè)傳感器。根據(jù)手指覆蓋的傳感器區(qū)域，通過計(jì)算質(zhì)心傳感器可以計(jì)算手指的確切位置，其具有最高響應(yīng)。質(zhì)心計(jì)算法還很好的綜合了相鄰傳感器的響應(yīng)，因?yàn)樗麄円脖皇种赣|摸到了。舉例來說，如果1傳感器有最大響應(yīng)，那么用于質(zhì)心計(jì)算的傳感器有0、1和2傳感器；同樣地，如果傳感器0有最大響應(yīng)，那么只會(huì)考慮0和1傳感器。對于徑向滑條，相鄰的傳感器不僅僅是一個(gè)傳感器向上一個(gè)傳感器向下。下面的算法為如何識別鄰近的傳感器。

背光LED

        背光LED用于增加界面在黑暗環(huán)境下的可見度。他們可以是單色LED或三色LED（其可以結(jié)合環(huán)境光給出精確的顏色）。對于三色LED（取決于當(dāng)前的要求），可以使用buck/boost配置形成一個(gè)閉環(huán)系統(tǒng)來控制顏色和強(qiáng)度。

接近傳感集合和背光

        接近感應(yīng)天線不再使用單獨(dú)的線跡，滑條的所有段都可以連接起來，形成一個(gè)大感應(yīng)塊或天線，其可以實(shí)現(xiàn)接近傳感功能。這種使用一組傳感器實(shí)現(xiàn)接近傳感的方法稱為接近傳感集合。接近傳感集合和背光可以為設(shè)計(jì)增加特色。總之，這些特色可以使當(dāng)手接近設(shè)備時(shí)點(diǎn)亮背光燈，從而使用戶在黑暗中也能找到相應(yīng)位置。接近傳感集合技術(shù)實(shí)現(xiàn)可以通過將徑向滑條的所有段連接到模擬Mux來簡化。使用數(shù)模混合信號器件，例如CY8C21x34、內(nèi)部模擬Mux總線可以用于連接外部傳感器接口不同引腳到內(nèi)部CSD模塊。可以在固件連接或斷開傳感器和模擬Mux 總線:

         當(dāng)傳感器集合天線檢測到某個(gè)物體(如人手)接近時(shí)，固件點(diǎn)亮背光LED，用戶就可以看清控制界面。當(dāng)LED切換到開的狀態(tài)，徑向滑條塊可以換回到其正常功能，將傳感器從模擬Mux總線斷開。如果目標(biāo)物體/或手已經(jīng)離開一定時(shí)間了，Timeout功能可以關(guān)掉LED。

        對接近傳感器集合可以進(jìn)行適當(dāng)?shù)恼{(diào)節(jié)，可以改變天線的強(qiáng)度。這確定了接近傳感器能成功檢測到目標(biāo)靠近用戶接口板并把背光LED打開的距離。

        本文介紹了使用電容式感應(yīng)方法實(shí)現(xiàn)照明控制用戶界面的典型方式。開發(fā)人員可以進(jìn)一步提升自己的設(shè)計(jì)，可以提供一系列顏色，使用戶能夠自己選擇一種顏色進(jìn)行照明控制。照明控制用戶界面和控制單元使用無線通訊是另一種不同于照明控制的方式。