運(yùn)用傳感器共連優(yōu)化電容式感應(yīng)系統(tǒng)中的電源功耗

在消費(fèi)、家用電器、汽車、工業(yè)等眾多電子產(chǎn)品中，電容式觸摸按鍵正在快速替代傳統(tǒng)的機(jī)械按鍵。雖然電容式按鍵擁有優(yōu)于機(jī)械按鍵的諸多優(yōu)勢，但是系統(tǒng)設(shè)計(jì)工程師在創(chuàng)建電容式感應(yīng)系統(tǒng)時(shí)需要權(quán)衡某些參數(shù)。其中包括信噪比(SNR)、響應(yīng)時(shí)間和功耗。

由于電容式傳感器容易受到控制器內(nèi)部及外部噪聲的影響，因此SNR對于確保電容式感應(yīng)系統(tǒng)的可靠性能至關(guān)重要。本文重點(diǎn)將探討另外兩個(gè)參數(shù)。

響應(yīng)時(shí)間能夠代表電容式傳感器響應(yīng)觸摸的速度。通常需要在功耗與響應(yīng)時(shí)間之間做出權(quán)衡。我們在本文中會探討設(shè)計(jì)人員優(yōu)化功耗過程中需要考慮的響應(yīng)時(shí)間問題。

系統(tǒng)需要根據(jù)寄生電容、觸摸靈敏度等傳感器特征在特定時(shí)間(稱為掃描時(shí)間)內(nèi)對電容式傳感器進(jìn)行掃描。掃描時(shí)間是電容式感應(yīng)控制器的功耗主因。功耗優(yōu)化對于電池驅(qū)動的設(shè)備(手機(jī)以及包括心率監(jiān)視器在內(nèi)的可穿戴設(shè)備等)尤為重要。功耗優(yōu)化可以采用多種方法，其中包括優(yōu)化掃描時(shí)間以及傳感器掃描頻率。我們在本文中會介紹并且說明比較突出的電容式感應(yīng)系統(tǒng)功耗優(yōu)化方法之一，其稱為傳感器共連(ganging)。

功耗優(yōu)化

決定功耗的關(guān)鍵因素是傳感器的掃描時(shí)間和傳感器的掃描頻率。休眠電流值一般遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于工作電流值。因此，在不使用電容式感應(yīng)系統(tǒng)時(shí)，可以讓電容式感應(yīng)控制器進(jìn)入休眠模式，以便降低平均電流消耗。優(yōu)化電容式感應(yīng)系統(tǒng)電源時(shí)經(jīng)常采用掃描-休眠-掃描-休眠的方法(參見圖1)。此方法會掃描全部傳感器，然后使控制器進(jìn)入低功率休眠模式。此為一個(gè)周期，隨后不斷重復(fù)此周期。一個(gè)掃描-休眠周期稱為一個(gè)刷新間隔。每個(gè)刷新間隔都包含工作時(shí)間與休眠時(shí)間。工作時(shí)間包括掃描時(shí)間、傳感器數(shù)據(jù)處理和后期傳感器掃描活動，如：LED及蜂鳴器等控制反饋機(jī)制。傳感器掃描時(shí)間占用了大部分的工作時(shí)間。

圖1 使用掃描-休眠-掃描-休眠的方法時(shí)的電流曲線

可以通過以下方法降低功耗：

a)縮短工作時(shí)間，即縮短掃描時(shí)間或后期傳感器掃描的處理時(shí)間

b)降低給定工作時(shí)間的工作電流

c)延長休眠時(shí)間

傳感器共連

傳感器共連是一種通過減少電容式感應(yīng)控制器工作時(shí)間而降低控制器功耗的方法。隨著電容式傳感器的數(shù)量增加，給定刷新間隔的功耗會隨之增加;如果刷新間隔降低，則功耗提高。對于一定數(shù)量的傳感器，降低功率就需要增加刷新間隔。但是，這會影響傳感器的響應(yīng)時(shí)間。為了實(shí)現(xiàn)響應(yīng)時(shí)間和功耗的良好平衡，我們可以把所有傳感器結(jié)合在一起當(dāng)做單個(gè)傳感器進(jìn)行掃描。這就稱為傳感器共連。傳感器組可被視為單個(gè)傳感器，而電容式感應(yīng)算法會把共連的獨(dú)立傳感器當(dāng)做單個(gè)傳感器進(jìn)行掃描。在檢測并確認(rèn)有觸摸操作時(shí)，則斷開傳感器并進(jìn)行單獨(dú)掃描。

在Cypress PSoC等器件中可以實(shí)現(xiàn)傳感器共連，因?yàn)槠渲械膯为?dú)傳感器能夠連接到全局模擬多路復(fù)用總線。在PSoC 4等混合信號器件中，可以采用一條內(nèi)部模擬多路復(fù)用總線把多個(gè)傳感器連接到固件內(nèi)部的CapSense模塊。本文末尾提供了包含模擬多路復(fù)用總線的參考設(shè)計(jì)指南，并且介紹如何把電容式傳感器連接到模擬多路復(fù)用總線。

圖2 單獨(dú)掃描傳感器傳感器相連之后再掃描

傳感器共連用例

1)按鍵/滑塊共連

在僅包含按鍵或滑塊的應(yīng)用中，在用戶觸摸任何按鍵或滑塊之前，我們可以把所有按鍵或滑塊共連，然后作為單個(gè)傳感器進(jìn)行掃描。為了獲得良好的系統(tǒng)響應(yīng)時(shí)間，通過把靈敏度設(shè)置為超高值能夠把共連的傳感器作為接近傳感器進(jìn)行調(diào)校。傳感器的靈敏度表示傳感器能夠檢測到的、由觸摸產(chǎn)生的最小電容變化。由于采用接近感應(yīng)，只要用戶靠近設(shè)備，系統(tǒng)在用戶觸摸實(shí)際功能按鍵之前就能夠做出響應(yīng)，從而縮短系統(tǒng)的響應(yīng)時(shí)間。

例如，在沒有活動時(shí)可以關(guān)閉增強(qiáng)按鍵可見度的背光LED。當(dāng)用戶靠近設(shè)備時(shí)，接近傳感器能夠探測到接近的手部并打開背光LED，從而幫助用戶操作相應(yīng)按鍵。不過，由于接近傳感器極其靈敏，因此其需要更長的掃描時(shí)間，從而會增加功耗。為了進(jìn)一步降低功率，可以把共連的傳感器調(diào)校到更低的靈敏度，以便其可作為按鍵進(jìn)行操作。這意味著共連的傳感器僅探測用戶觸摸動作，而在用戶觸摸后所有傳感器全部單獨(dú)掃描。這種方法的系統(tǒng)響應(yīng)時(shí)間比共連傳感器作為接近傳感器進(jìn)行調(diào)校的方法要長。

圖3 有按鍵及滑塊的PCB

2)接近共連

當(dāng)應(yīng)用中包含多個(gè)接近傳感器時(shí)-如：手勢識別，所有接近傳感器可以共連在一起并作為單個(gè)接近傳感器進(jìn)行掃描，以便在Z軸方向(從電路板來看)探測人手的接近。在探測到手部之后，單獨(dú)掃描所有接近傳感器，以探測X和Y軸方向的手勢。這種方法的另外一個(gè)優(yōu)勢是系統(tǒng)可以快速響應(yīng)人手接近，因?yàn)樵诮咏鼈鞲衅鞴策B后可以提高接近探測距離，因此與單獨(dú)掃描接近傳感器相比，其能夠在更遠(yuǎn)距離內(nèi)探測人手。

圖4：有多個(gè)接近傳感器的PCB

3)矩陣或觸摸板設(shè)計(jì)中的行/列共連

在包含矩陣按鍵或觸摸板的應(yīng)用中，在用戶觸摸矩陣按鍵或觸摸板之前，所有行或列可以共連在一起作為單個(gè)傳感器進(jìn)行掃描。并不需要同時(shí)共連行與列，原因是：

a)這樣會提高共連傳感器的寄生電容。寄生電容必須不超過電容式感應(yīng)控制器所支持的上限。

b)觸摸板或矩陣的布局是僅共連行或列可以探測整個(gè)傳感器區(qū)域的觸摸。

4)混合傳感器共連

我們來看一個(gè)其中四個(gè)按鍵周圍有一個(gè)接近環(huán)路的應(yīng)用實(shí)例。在本例中接近傳感器和按鍵可以共連在一起作為單個(gè)傳感器進(jìn)行掃描。這樣的話接近探測范圍可以超過單獨(dú)掃描接近傳感器的情況。當(dāng)電路板尺寸有限制、因而無法提高接近傳感器大小時(shí)，可以采用此方法。

圖5：有按鍵及接近傳感器的PCB

本文簡要介紹了針對于電容式感應(yīng)控制器，如何利用傳感器共連方式優(yōu)化電容式感應(yīng)系統(tǒng)功耗的方法，同時(shí)還介紹了傳感器共連的用例。