使用電容和紅外線接近感應(yīng)開(kāi)發(fā)新一代人機(jī)界面

簡(jiǎn)介

預(yù)計(jì)2010年具有先進(jìn)人機(jī)界面的電子產(chǎn)品出貨量將超過(guò)十億。這些人機(jī)界面利用電容和紅外線接近感應(yīng)等技術(shù)使終端用戶體驗(yàn)顯著改善，同時(shí)增加了 系統(tǒng)可靠性、降低了總體成本。除了使產(chǎn)品更易使用、更具視覺(jué)吸引力之外，這些人機(jī)界面屏蔽掉了電子產(chǎn)品日益增長(zhǎng)的復(fù)雜性，使得制造商能夠把具有先進(jìn)功能的 產(chǎn)品更快推向市場(chǎng)。

先進(jìn)傳感器人機(jī)界面比傳統(tǒng)的機(jī)械式界面更可靠，因?yàn)樗鼈儧](méi)有與按鍵和轉(zhuǎn)盤(pán)相連的活動(dòng)部件，這些部件隨著時(shí)間的推移更易失效?；趥鞲衅鞯目刂泼?板和顯示器也變得更加靈活，允許單套控制組件根據(jù)應(yīng)用程序環(huán)境重新配置，以便客戶在現(xiàn)有功能的基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)自己的應(yīng)用。手勢(shì)識(shí)別和“非接觸”技術(shù)相結(jié)合后， 開(kāi)發(fā)人員可以使設(shè)備界面變得更加智能，預(yù)測(cè)用戶所需、創(chuàng)新使用模式，從而使產(chǎn)品更加友好、直觀易用。固件可以根據(jù)市場(chǎng)需求快速方便的靈活調(diào)整，從而無(wú)需完 全重新構(gòu)建系統(tǒng)或重新設(shè)計(jì)設(shè)備外觀。

新一代人機(jī)界面

新產(chǎn)品呼喚新人機(jī)界面的產(chǎn)生，從而使自己在市場(chǎng)中脫穎而出。通過(guò)使電子設(shè)備更了解其運(yùn)行環(huán)境，新功能增強(qiáng)了易用性、提高功效和降低系統(tǒng)成本。此外，其高靈敏度、低噪音，耐潮濕的特性，即使在最具挑戰(zhàn)性的環(huán)境中也能確保其可靠性。

驅(qū)動(dòng)新一代人機(jī)界面開(kāi)發(fā)的兩種主流技術(shù)是電容和接近感應(yīng)。電容感應(yīng)器通過(guò)感應(yīng)器件的電容值變化判斷使用者的手指的存在。它可實(shí)現(xiàn)高級(jí)控件，如滑 動(dòng)條和滾輪，并且能更好的識(shí)別用戶過(guò)去常采用的物理反饋式近距離界面操作，如按下按鈕。接近感應(yīng)使用紅外線傳感器（利用紅外線反射技術(shù)）測(cè)量與物體間的距 離，最遠(yuǎn)可達(dá)1米。接近傳感器也可以辨認(rèn)空中物體，進(jìn)行“非接觸式”手勢(shì)跟蹤。

以上兩種技術(shù)相結(jié)合能夠?qū)τ脩艚缑孢M(jìn)行更好的調(diào)控。許多最終用戶已經(jīng)從一些消費(fèi)類(lèi)產(chǎn)品使用中熟悉了電容感應(yīng)技術(shù)，最有代表性的是iPod和iPhone。到目前為止，接近感應(yīng)通常被用來(lái)進(jìn)行簡(jiǎn)單的任務(wù)，如手機(jī)上的面頰檢測(cè)。然而，其應(yīng)用領(lǐng)域遠(yuǎn)非局限于此：

用戶檢測(cè)：例如，接近感應(yīng)可以檢測(cè)到最終用戶當(dāng)前是否在電腦前，并能夠在用戶離開(kāi)時(shí)關(guān)閉顯示器?？紤]到LCD背光非常耗電，因此即使是簡(jiǎn)單的用戶檢測(cè)也能 為整個(gè)企業(yè)節(jié)省大量能耗。用戶檢測(cè)也可以用于USB充電器/驅(qū)動(dòng)器等設(shè)備，以便設(shè)備可以做好被突然拔出的準(zhǔn)備。

無(wú)指紋顯示：許多便攜式設(shè)備需要用戶觸摸屏幕上的按鈕，遺留的印跡即不利于識(shí)別，也很難清除。具有非接觸式界面的便攜式多媒體播放器使用戶在觀看視頻時(shí)無(wú) 需觸摸屏幕。類(lèi)似的應(yīng)用包括：使用戶無(wú)需觸摸屏幕即可輕松實(shí)現(xiàn)電子書(shū)翻頁(yè)；允許醫(yī)生在手術(shù)中直接與觸摸屏系統(tǒng)交互，而無(wú)需觸摸電子屏幕。

自動(dòng)背光控制：接近感應(yīng)信號(hào)通道一部分利用環(huán)境光傳感器（ALS）消除外部光源帶來(lái)的噪聲。同樣的傳感器也能夠用于監(jiān)視背景照明條件，自動(dòng)調(diào)整顯示器背光以減少能量消耗。

隱形入侵檢測(cè)：可反射射向系統(tǒng)內(nèi)門(mén)表面的紅外光，開(kāi)發(fā)人員可以實(shí)施“隱形”入侵檢測(cè)機(jī)制，避免具有相同功能的機(jī)械開(kāi)關(guān)的不可靠性和損耗。

健康和安全考慮：多媒體信息站(kiosk)、檢驗(yàn)臺(tái)和其他公共計(jì)算機(jī)存在通過(guò)鍵盤(pán)和屏幕傳播疾病的風(fēng)險(xiǎn)。例如，在中國(guó)的一些地區(qū)，法律規(guī)定電梯控制面板 每小時(shí)消毒一次，以防止SARS的蔓延。非接觸式面板避免和減輕了這些公共健康所帶來(lái)的問(wèn)題。

移除界面控制

嵌入式設(shè)計(jì)中的一個(gè)趨勢(shì)是從主應(yīng)用處理器中去除用戶界面管理，將其分配給專(zhuān)用的8位微控制器（MCU）。對(duì)于應(yīng)用處理器來(lái)說(shuō)，觸摸是一個(gè)相對(duì)較慢的動(dòng)作，使用整個(gè)系統(tǒng)去檢測(cè)用戶是否移動(dòng)手指比使用專(zhuān)用8位MCU實(shí)現(xiàn)相同功能所消耗的能量要多得多。

電容式觸摸感應(yīng)MCU，如Silicon Labs的F99x系列產(chǎn)品非常適合用于管理新一代用戶界面。通過(guò)為任務(wù)提供高達(dá)25 MHz的運(yùn)行性能以及最優(yōu)化的外設(shè)，F(xiàn)99x MCU提供智能和精確感應(yīng)所需的處理和輸入能力。與Si11xx接近感應(yīng)系列產(chǎn)品相結(jié)合，開(kāi)發(fā)者可在單一開(kāi)發(fā)環(huán)境中實(shí)現(xiàn)高效人機(jī)界面。

F99x MCU的電容感應(yīng)性能通過(guò)硬件實(shí)現(xiàn)的電容數(shù)字轉(zhuǎn)換器（CDC）得到進(jìn)一步增強(qiáng)。Silicon Labs的CDC包含兩路電流輸入（數(shù)字模擬轉(zhuǎn)換器或DAC）。第一路為可變DAC，用于測(cè)量到外部感應(yīng)電容的電流；第二路是恒定電流源，用于內(nèi)部參考電 容（見(jiàn)圖1）。電容測(cè)量使用逐次逼近方式（SAR），該高效處理過(guò)程消除了直流（DC）偏移帶來(lái)的影響，且無(wú)需外部組件。

圖1：硬件實(shí)現(xiàn)的CDC提供高性能、16位精度、高可靠性和DC偏移抑制—無(wú)需外部組件

F99x MCU的16位CDC具有高可靠性和準(zhǔn)確性。通過(guò)執(zhí)行兩階段外部電容放電，CDC能夠消除放電過(guò)程中傳入的環(huán)境噪聲。相比之下，其他方法需要額外的外部元件（例如串聯(lián)電阻等）和一個(gè)以上I/O/每通道（因而增加了MCU尺寸和布線難度）。

CDC的動(dòng)態(tài)范圍通過(guò)使用可調(diào)增益得到進(jìn)一步提升。同時(shí)，動(dòng)態(tài)范圍也通過(guò)以下方式得到增強(qiáng)：減少源電流以改變充電時(shí)間；當(dāng)源電流和串聯(lián)阻抗都很 高時(shí)（例如當(dāng)使用觸摸面板或ESD保護(hù)電容按盤(pán)時(shí)）更直接反映電容傳感器電壓。更高靈敏度為開(kāi)發(fā)人員提供更大的信號(hào)冗余度，允許他們使用較厚的塑料、更小 的電極，即使在嘈雜環(huán)境中仍能確保操作可靠性。 CDC也可使用引腳監(jiān)視功能動(dòng)態(tài)調(diào)整轉(zhuǎn)換時(shí)間，消除附近引腳上高電流開(kāi)關(guān)轉(zhuǎn)換所帶來(lái)的干擾。總之，CDC具有極好的信噪比（SNR），在典型的電容感應(yīng)實(shí) 現(xiàn)中SNR為50-100。

無(wú)與倫比的系統(tǒng)響應(yīng)性

接近傳感采用了紅外線感應(yīng)器和一個(gè)或更多的紅外發(fā)光二極管（LED）。其基本工作原理是通過(guò)照亮物體，然后測(cè)量反射光的強(qiáng)度。所需LED的數(shù)量 取決于應(yīng)用以及是否需要三維信息。例如，紙巾分配傳感器，只需要一個(gè)LED來(lái)檢測(cè)是否有人站在分配器前。為了檢測(cè)左/右或上/下的手勢(shì)，需要兩個(gè)LED。 為了支持三維導(dǎo)航，需要三個(gè)LED。在每一種情況下，只需一個(gè)物理傳感器。然而，每個(gè)附加的傳感器增加了識(shí)別來(lái)自每個(gè)LED信號(hào)強(qiáng)度的所需處理，并且可利 用三角定位方法判斷被檢測(cè)對(duì)象的位置。

處理也需要過(guò)濾接收信號(hào)中的噪聲（即背景光）。處理器或嵌入式控制器越強(qiáng)大，所能獲得的采樣值就越多，過(guò)濾效果也就越好。增加采樣率提高了系統(tǒng)的分辨率，同時(shí)更好的過(guò)濾也提高了準(zhǔn)確性?？焖俨蓸雍透呔冗^(guò)濾需要一個(gè)穩(wěn)健的接口，開(kāi)發(fā)人員必須權(quán)衡每一種方法來(lái)優(yōu)化其應(yīng)用。

通常情況下，與低靈敏度光電二極管相關(guān)的是擴(kuò)展采集時(shí)間，允許光源（例如熒光燈）閃爍降低精度。Silicon Labs高靈敏度的光電二極管技術(shù) — 10余年來(lái)已在行業(yè)得到驗(yàn)證 — 具有良好的抗電磁干擾（EMI）和抗閃爍特性，且能可靠檢測(cè)高達(dá)50厘米遠(yuǎn)的物體，而無(wú)需使用外部鏡頭或過(guò)濾器?；诜€(wěn)健的光電二極管技術(shù)，Si11xx 傳感器系列產(chǎn)品可以選擇集成環(huán)境光傳感器。

接近感應(yīng)子系統(tǒng)的功耗主要是紅外線發(fā)光二極管（LED）。Silicon Labs的QuickSense™開(kāi)發(fā)環(huán)境可協(xié)助開(kāi)發(fā)者定義配置參數(shù)，優(yōu)化精度、檢測(cè)范圍和功耗。例如，高級(jí)控制能力允許開(kāi)發(fā)人員為特定應(yīng)用和檢測(cè)范圍動(dòng) 態(tài)調(diào)整LED電流。對(duì)于超低功耗操作，開(kāi)發(fā)者能夠使用創(chuàng)新的單脈沖接近感應(yīng)最小化LED打開(kāi)時(shí)間，可以使功耗效率最大提高4000倍，如圖2所示。

圖2：QuickSense MCU具有創(chuàng)新的單脈沖接近傳感，最小化LED打開(kāi)時(shí)間，

功耗效率最大提高4000倍

降低系統(tǒng)功耗