基于接近檢測(cè)傳感器的手持式觸摸屏系統(tǒng)設(shè)計(jì)

本文討論了Maxim MAX44000接近檢測(cè)傳感器在手持式觸摸屏應(yīng)用中的優(yōu)勢(shì)，介紹了設(shè)計(jì)中的注意事項(xiàng)。包括如何降低系統(tǒng)中的串?dāng)_、改善噪聲抑制、減輕應(yīng)用處理器的負(fù)荷。

為什么使用接近檢測(cè)傳感器?

觸摸屏已普遍用于各種手持式電子設(shè)備，不僅僅局限于智能手機(jī)。觸摸屏在大大改善設(shè)備功能性的同時(shí)，也帶來(lái)了諸多新的挑戰(zhàn)，包括知道如何以及何時(shí)響應(yīng)觸摸屏操作。例如，當(dāng)手機(jī)靠近用戶(hù)臉頰時(shí)，屏幕必須了解如何對(duì)其做出反應(yīng);否則，觸摸屏無(wú)意接觸到人耳或臉頰時(shí)，可能會(huì)被錯(cuò)誤地解析成用戶(hù)輸入。

為了避免這一問(wèn)題，最常見(jiàn)的方法是在手機(jī)上集成一個(gè)接近檢測(cè)傳感器(同時(shí)也增加了設(shè)備功能)。當(dāng)接近檢測(cè)傳感器的讀數(shù)達(dá)到一定的門(mén)限要求，而且用戶(hù)正在通電話(huà)時(shí)，傳感器可以關(guān)閉觸摸屏。

相對(duì)于分立式解決方案，提供數(shù)字輸出的紅外接近檢測(cè)傳感器芯片(例如MAX44000)大大簡(jiǎn)化了這一功能的實(shí)施。

Maxim接近檢測(cè)傳感器的關(guān)鍵優(yōu)勢(shì)

Maxim的接近檢測(cè)傳感器具有眾多優(yōu)勢(shì)。舉例來(lái)說(shuō)，紅外發(fā)射器配置為吸電流，而非源出電流。便于用戶(hù)合理選擇LED的供電電壓，優(yōu)化LED性能和功耗(圖1)。

由于MAX44000系列產(chǎn)品提供I?C接口，可以方便地通過(guò)這一靈活的總線(xiàn)將傳感器集成到多數(shù)嵌入式系統(tǒng)。此外，器件支持硬件中斷。這兩項(xiàng)功能可確保傳感器無(wú)縫集成到大多數(shù)手持設(shè)備，同時(shí)也將傳感器信息處理所占用的處理器資源降至最少。

圖1. MAX44000典型電路，包括LED。

不僅如此，Maxim的接近檢測(cè)傳感器還內(nèi)置了更多功能。例如，MAX44000在6引腳單芯片內(nèi)集成了環(huán)境光檢測(cè)傳感器和接近檢測(cè)傳感器。諸如此類(lèi)的解決方案避免了在實(shí)現(xiàn)全部光傳感器功能是使用多個(gè)傳感器。

設(shè)計(jì)考慮

MAX44000采用小尺寸、2mm x 2mm x 0.6mm、UDFN-Opto封裝，有助于用戶(hù)節(jié)省尺寸敏感應(yīng)用的空間。此外，傳感器提供LED驅(qū)動(dòng)電路，但需要用戶(hù)提供發(fā)射二極管的供電電源。吸電流配置下，該電路可驅(qū)動(dòng)0mA至110mA電流流過(guò)發(fā)射二極管，無(wú)需外部電路既可完成這一任務(wù)。

使用該功能時(shí)需要謹(jǐn)慎設(shè)計(jì)，特別是當(dāng)驅(qū)動(dòng)電流較大時(shí)。短時(shí)間的大電流驅(qū)動(dòng)脈沖使得電源上出現(xiàn)尖峰電流，可能在MAX44000周?chē)a(chǎn)生噪聲。有兩種方式解決這一問(wèn)題：對(duì)發(fā)射二極管進(jìn)行去耦，或?qū)AX44000的電源與發(fā)射二極管電源隔離開(kāi)。

去耦電容的優(yōu)點(diǎn)是價(jià)格便宜，但缺點(diǎn)是必須非?？拷麺AX44000和發(fā)射二極管安裝。由于這一方式多數(shù)情況下足以解決上述問(wèn)題，終端用戶(hù)應(yīng)首先嘗試這一方案，然后再考慮采用替代方案。圖2所示電路同時(shí)采用了兩種方案，當(dāng)然，實(shí)際應(yīng)用中并不需要這樣。

圖2. MAX44000典型電路，帶有發(fā)射器旁路。

設(shè)計(jì)者必須仔細(xì)考慮玻璃對(duì)接近檢測(cè)傳感器的影響。絕大多數(shù)智能手機(jī)屏幕上都帶有一個(gè)玻璃罩，而且有些手機(jī)使用的是黑色玻璃。玻璃對(duì)光傳感器的影響主要表現(xiàn)在兩個(gè)方面：首先，應(yīng)該考慮入射到IC環(huán)境光傳感器的光強(qiáng)有所衰減;其次，LED的發(fā)射光經(jīng)過(guò)玻璃反射后重新回到傳感器，由此可能引入一定串?dāng)_(圖3)。

圖3. 串?dāng)_示意圖—無(wú)擋光板。

緩解這一問(wèn)題的方法有許多種，一種方式是在發(fā)射器和接收器之間安裝擋光板(圖4)，可大幅降低反射后注入傳感器的光強(qiáng);另一種方式是使發(fā)射器和接收器盡量靠近玻璃，確保電路板沒(méi)有反射。

圖4. 簡(jiǎn)單擋光板的例子。

開(kāi)/關(guān)門(mén)限的設(shè)置

將接近檢測(cè)傳感器集成到系統(tǒng)后，一個(gè)經(jīng)常遇到的問(wèn)題是如何正確選擇接近檢測(cè)的門(mén)限，以便在用戶(hù)通話(huà)期間打開(kāi)或關(guān)閉屏幕。門(mén)限設(shè)置須確保出現(xiàn)錯(cuò)誤判斷的幾率非常低，而且能夠支持絕大多數(shù)使用者的情況。例如，對(duì)于淺色頭發(fā)的用戶(hù)，當(dāng)手機(jī)的接近檢測(cè)傳感器面向頭發(fā)的方向靠近時(shí)，所反射的信號(hào)強(qiáng)度要遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于深色頭發(fā)。

MAX44000的接近檢測(cè)傳感器對(duì)于標(biāo)準(zhǔn)的850nm IR發(fā)射器具有出色的靈敏度(2.7nW/cm?/LSB)。這意味著MAX44000不僅可以在黑色玻璃的下方有效檢測(cè)信號(hào)，對(duì)于深色頭發(fā)的用戶(hù)同樣可以保持有效的信號(hào)檢測(cè)。此外，MAX44000的接近檢測(cè)傳感器能夠抑制高達(dá)100,000 lux的直射太陽(yáng)光強(qiáng)，確保室外環(huán)境下的工作性能。

最后一項(xiàng)需要考慮的因素是對(duì)傳感器增加一個(gè)滯回，采取這一措施的原因與在比較器電路增加滯回的原因相同。當(dāng)輸入信號(hào)恰好位于門(mén)限附近時(shí)，任何噪聲都會(huì)造成輸出信號(hào)的隨機(jī)切換，這是我們不希望發(fā)生的現(xiàn)象。接近檢測(cè)傳感器也是如此。

一種簡(jiǎn)單(但功耗較大)的軟件實(shí)施方案是定期輪詢(xún)傳感器，如果超出門(mén)限的計(jì)數(shù)值達(dá)到一定限值，而且屏幕是打開(kāi)的，則關(guān)閉屏幕;否則，如果屏幕已關(guān)閉，則將其打開(kāi)。初看起來(lái)這種方式是可行的，但用戶(hù)握持設(shè)備的方式可能造成計(jì)數(shù)值在門(mén)限附近波動(dòng)，導(dǎo)致屏幕錯(cuò)誤地打開(kāi)或關(guān)閉。

解決問(wèn)題的一種方法是在軟件中設(shè)置滯回。例如，如果計(jì)數(shù)值達(dá)到150次(假設(shè)接近檢測(cè)傳感器工作于8位模式)或以上時(shí)，控制觸摸屏從“開(kāi)”至“關(guān)”;那么，只有當(dāng)計(jì)數(shù)值下降到135次或以下時(shí)，才控制觸摸屏從“關(guān)”至“開(kāi)”。此外，在一段時(shí)間保持這種電平的相關(guān)性非常有用，其作用相當(dāng)于一個(gè)低通濾波器，可以降低噪聲引起的誤操作。

如果已經(jīng)使能中斷(對(duì)于接近檢測(cè)和ALS，寄存器0x01，1:0位)，這些寄存器可以設(shè)置芯片使其無(wú)需通過(guò)I?C不斷輪詢(xún)傳感器。如上所述，可利用寄存器0x0A的第2位和第3位設(shè)置中斷之前的延遲。延遲可以是通過(guò)門(mén)限后的1、4、8或16個(gè)連續(xù)采樣。寄存器0x0B和0x0C設(shè)置門(mén)限，以及觸發(fā)中斷的計(jì)數(shù)值為高于門(mén)限的數(shù)值還是低于門(mén)限的數(shù)值。