使用電容和紅外線接近感應(yīng)開發(fā)新一代人機(jī)界面

現(xiàn)在，人們對綠色、節(jié)能型電器日益關(guān)注。不僅是便攜式電器，所有電器設(shè)備都開始考慮將節(jié)能環(huán)保理念應(yīng)用于設(shè)計(jì)中。高效低功耗策略之一是最小化 CPU運(yùn)行時(shí)間，最大化系統(tǒng)內(nèi)盡可能多組件的休眠時(shí)間。通過采用下列機(jī)制，Silicon Labs降低了電容觸摸感應(yīng)MCU的整體系統(tǒng)功耗 ：

背景掃描：即使CPU處于節(jié)能掛起模式時(shí)，由于CDC采用硬件實(shí)現(xiàn)，因此電容測量通道掃描可以完全自動(dòng)運(yùn)行。

自治式自動(dòng)掃描：僅掃描和轉(zhuǎn)換活動(dòng)通道，而不是所有電容感應(yīng)通道。

通道綁定：使用單一輸入同時(shí)掃描多個(gè)通道的功耗，低于分別處理多個(gè)通道所需的功耗。例如，系統(tǒng)能夠使用單一輸入掃描整個(gè)滑動(dòng)條，如果檢測到任一活動(dòng)通道被觸摸則喚醒CPU。CPU一旦被喚醒，則分別掃描每個(gè)通道，判斷哪個(gè)通道被觸摸并開始識(shí)別手勢。

集成LDO調(diào)節(jié)器：F99x MCU所集成的LDO電壓調(diào)節(jié)器提供線性響應(yīng)，同時(shí)維持所有電壓下的恒定、超低有效電流。此外，F(xiàn)99x具備特殊電路，在LDO調(diào)節(jié)器處于睡眠模式下時(shí)，可以保持RAM內(nèi)容。

靈活的工作電壓：對于許多MCU而言，當(dāng)工作電壓降低時(shí)CPU也必須在較低頻率下運(yùn)行。因此增加運(yùn)行時(shí)間和功耗。如果使用AA/AAA電池，即使MCU可 在最低2.2V下工作，也會(huì)浪費(fèi)掉20%的電池壽命。由于在25MHz全功能運(yùn)行條件下工作電壓可降到1.8V ，F(xiàn)99x可在不同應(yīng)用下實(shí)現(xiàn)最大化的電池壽命。

大多數(shù)MCU旨在優(yōu)化運(yùn)行或休眠時(shí)的功率效率。F99x架構(gòu)在運(yùn)行和休眠兩種模式下都具有業(yè)內(nèi)最低功率（見表1）。內(nèi)部電源管理單元（PMU）限制了漏電，使運(yùn)行和休眠模式下的電流不到F99x競爭產(chǎn)品的一半。

*在0.9 to 1.8 V下運(yùn)行時(shí)，通過采用內(nèi)部升壓轉(zhuǎn)換器，C8051F99x MCU獲得更大平均功率效率。

表1：F99x運(yùn)行和休眠模式功耗

快速觸摸喚醒

降低功耗的一個(gè)重要方法是關(guān)閉不再使用的設(shè)備顯示屏和控制界面，并使整個(gè)系統(tǒng)處于休眠模式。界面設(shè)計(jì)的一個(gè)關(guān)鍵因素是系統(tǒng)在休眠和運(yùn)行模式之間 轉(zhuǎn)換 時(shí)系統(tǒng)如何對用戶響應(yīng)，即如何更快被喚醒。在電容式感應(yīng)系統(tǒng)中，系統(tǒng)處于休眠狀態(tài)時(shí)，沒有背光為用戶指示電容按鈕或滑動(dòng)條的功能。因此，第一次按鍵僅用于 喚醒系統(tǒng)

采用接近傳感技術(shù)，系統(tǒng)可以檢測最遠(yuǎn)位于1米的用戶。這使得用戶在接近或到達(dá)設(shè)備時(shí)，接近傳感器能夠喚醒系統(tǒng)，并在用戶準(zhǔn)備按鍵時(shí)使顯示器準(zhǔn)備 就緒。在實(shí)際應(yīng)用中，這改變了用戶與設(shè)備進(jìn)行交互的方式，使得系統(tǒng)更加智能和友好。例如，汽車音響或機(jī)頂盒等設(shè)備能夠在不使用時(shí)關(guān)閉控制面板，而當(dāng)用戶靠 近時(shí)完全打開。

喚醒時(shí)間是指確認(rèn)喚醒與執(zhí)行首條指令之間的時(shí)間間隔。喚醒時(shí)間取決于許多因素，包括調(diào)節(jié)器穩(wěn)定性和模擬設(shè)備建立時(shí)間。在讀取電容或接近傳感器 時(shí)，CPU首先要執(zhí)行的是模擬測量。如果模擬外圍設(shè)備還未準(zhǔn)備就緒，則會(huì)延長有效喚醒時(shí)間。喚醒時(shí)間不僅影響系統(tǒng)響應(yīng)，也影響功效。在喚醒期間，MCU不 工作但仍然耗電。因此，縮短喚醒時(shí)間可以降低CPU喚醒過程中的功耗。

評估喚醒時(shí)間比較復(fù)雜，不同供應(yīng)商采用不同的標(biāo)準(zhǔn)測量喚醒時(shí)間。有些MCU喚醒會(huì)觸發(fā)中斷服務(wù)例程（ISR），且必須等待直到模擬檢測完成。在 這種情況下，喚醒時(shí)間是指從喚醒事件開始時(shí)到MCLK在適合的引腳上有效時(shí)，或到中斷向量被取指令時(shí)。為了在首條代碼指令執(zhí)行前獲得相同喚醒時(shí)間，開發(fā)人 員必須添加幾個(gè)µs/CPU周期到測量中。

F99x MCU喚醒時(shí)間已經(jīng)被優(yōu)化，休眠到喚醒僅需2us。此外，它的模擬設(shè)備建立時(shí)間僅為1.7us，比競爭對手的MCU快了15倍。因此，從事件發(fā)生到首個(gè)模擬測量的有效喚醒時(shí)間不到4us，比最接近的競爭對手最高快7倍。

除了快速響應(yīng)，F(xiàn)99x MCU具有市場上業(yè)內(nèi)最低功耗的電容式觸摸感應(yīng)。它們具有在工作電壓范圍1.8-3.6V內(nèi)150uA/MHz的出色性能，以及不到1uA的業(yè)內(nèi)最低功耗 觸摸喚醒電流。14個(gè)CDC通道具有超快速的40us獲取時(shí)間、16位精度和內(nèi)置的平均化處理，增加了可靠性；且對低頻噪聲和DC偏移干擾具有免疫能力。 F99x MCU的CDC是當(dāng)前可用的最快最靈敏的電容數(shù)字轉(zhuǎn)換器，而其他有相同靈敏度的產(chǎn)品需要超過1000倍長的采樣時(shí)間。為了實(shí)現(xiàn)更高的感應(yīng)可靠性，高度可編 程F99x MCU可使開發(fā)人員能夠動(dòng)態(tài)調(diào)整活動(dòng)和非活動(dòng)門限，以適應(yīng)環(huán)境因素的變化（見圖3）。

圖3：為了實(shí)現(xiàn)更高感應(yīng)可靠性，

開發(fā)者可以動(dòng)態(tài)調(diào)整活動(dòng)和非活動(dòng)門限以適應(yīng)環(huán)境因素的變化

Silicon Labs的QuickSense產(chǎn)品組合包括多種的感應(yīng)器件。除了F99x MCU之外，Silicon Labs的F8xx和F7xx MCU系列產(chǎn)品也為多種應(yīng)用提供高級(jí)的電容感應(yīng)、最優(yōu)的性能、高效的功耗以及較低的成本。對于接近傳感而言，開發(fā)人員能夠選擇業(yè)內(nèi)領(lǐng)先的Si1102紅外 線接近傳感器或者Si1120紅外線接近感應(yīng)和環(huán)境光傳感器。兩款器件都支持節(jié)能、單脈沖技術(shù)和非接觸式手勢識(shí)別。 Silicon Labs的紅外線接近傳感器是市場上感應(yīng)速度最快的感應(yīng)器件，提供最長的感應(yīng)距離，且不會(huì)降低功效。

高級(jí)開發(fā)環(huán)境

隨著嵌入式應(yīng)用變得日益復(fù)雜，設(shè)計(jì)一個(gè)健壯的應(yīng)用不僅需要經(jīng)過驗(yàn)證的硬件，也需要產(chǎn)品化的軟件和一流的開發(fā)工具。為了幫助開發(fā) 者，Silicon Labs提供QuickSense Studio開發(fā)套件，它結(jié)合了硬件、軟件和開發(fā)工具，使得開發(fā)人員能夠快速、輕松的把電容和接近感應(yīng)應(yīng)用到項(xiàng)目中。

從應(yīng)用的角度來看，電容和接近傳感器可以被看作系統(tǒng)的簡單輸入。通過API對它們的實(shí)現(xiàn)進(jìn)行抽象處理，開發(fā)人員可以訪問用戶的交互信息，而不考 慮它們的來源。觸摸或手勢可以很容易地映射到特定的功能活動(dòng)，從而大大簡化了應(yīng)用程序和界面的開發(fā)。易于使用的、基于圖形用戶接口（GUI）的 QuickSense配置向?qū)В–onfiguration Wizard）通過生成所需的應(yīng)用程序配置代碼和固件驅(qū)動(dòng)程序加速了開發(fā)進(jìn)程，開發(fā)人員無需理解或編寫用于監(jiān)視傳感器的MCU外設(shè)的底層代碼。業(yè)界驗(yàn)證的 固件控制不同的電容感應(yīng)接口選項(xiàng) — 包括觸摸按鍵、滑動(dòng)條和滾輪 — 和電容接近傳感器。開發(fā)人員可以完全控制重要的感應(yīng)特性，如靈敏度、操作門限、響應(yīng)速度和代碼大小。

QuickSense Studio開發(fā)套件也能自動(dòng)校準(zhǔn)傳感器，提供完整的調(diào)試和性能分析能力，確保產(chǎn)品設(shè)計(jì)響應(yīng)快速、穩(wěn)定可靠。例如，即使有相同尺寸和形狀的開關(guān)，若考慮到 與其他導(dǎo)電元件的遠(yuǎn)近、地平面的影響以及電子干擾的存在，它們在印刷電路板（PCB）上的位置也會(huì)影響其活動(dòng)和非活動(dòng)狀態(tài)的電容量。在開發(fā)和產(chǎn)品化期間， 每個(gè)開關(guān)都需要校準(zhǔn)，并寫入Flash存儲(chǔ)器。此外，如果環(huán)境因素的影響（諸如溫度、濕度、電壓和污染）足夠大，不正確的測量可以導(dǎo)致錯(cuò)誤的感應(yīng)事件。 QuickSense Studio開發(fā)套件通過定期重新配置這些環(huán)境因素，以適應(yīng)它們的動(dòng)態(tài)特性。

QuickSense Studio開發(fā)套件是市場上唯一同時(shí)支持電容和接近感應(yīng)的開發(fā)工具，使開發(fā)人員能夠使用單一開發(fā)環(huán)境設(shè)計(jì)完整的用戶界面。除了配置向?qū)е猓琎uickSense Studio開發(fā)套件也通過以下特性加速產(chǎn)品設(shè)計(jì)：

紅外線接近感應(yīng)

環(huán)境光感應(yīng)

電容按鍵和滑動(dòng)條

電容式接近感應(yīng)

復(fù)雜算法

手勢識(shí)別

MCU控制和通訊

電容式觸摸屏

Silicon Labs也提供多種完整的開發(fā)工具套件，協(xié)助開發(fā)人員把電容和接近感應(yīng)集成到他們的應(yīng)用中。這些資源包括完整的無線開發(fā)套件（WDS）、電池壽命評估器、示例代碼和全面的應(yīng)用筆記。

小結(jié)

有效的人機(jī)界面需要審美學(xué)與創(chuàng)新型電子設(shè)備交互方式相結(jié)合。在對系統(tǒng)成本和功耗影響較小的前提下，尋求產(chǎn)品差異化的制造商能夠轉(zhuǎn)向新一代電容 和接近感應(yīng)界面，提供更易使用、更直觀的用戶體驗(yàn)。通過采用具有電容和接近感應(yīng)能力的器件，如C8051F99x電容式觸摸感應(yīng)MCU和Si1120接近 傳感器，開發(fā)者能夠快速將新一代手勢和非接觸式界面應(yīng)用到任意系統(tǒng)，方便的使用業(yè)界成熟的硬件和固件。