電容式感應(yīng)替代機械按鍵解決方案（四）

MBR解決的常見問題： 1. 側(cè)翼傳感器抑制（FSS）： 在應(yīng)用中分清楚彼此靠近的傳感器的觸摸狀態(tài)非常重要，這也是電容式感應(yīng)設(shè)計的潛在問題。FSS功能能幫助解決這個問題。如果MBR器件啟用這一功能，那么手指接觸多個按鈕時，只有首個感應(yīng)到接觸的按鈕打開。這種功能也用在按鈕可能產(chǎn)生相反效果的應(yīng)用中，比方說用兩個按鈕進行音量控制的界面。 2. 開關(guān)： 為了替代墻上開關(guān)這種機械按鈕，我們可在MBR器件中啟用開關(guān)功能。開關(guān)功能啟用后，每次觸摸按鈕，器件都會觸發(fā)對應(yīng)按鈕的LED。 3. 按鈕自動復(fù)位： 該特性避免金屬物體靠近按鈕造成按鈕鎖死。按鈕在連續(xù)觸摸一定時間后被視為關(guān)閉，這就是按鈕自動復(fù)位。 4. 加電自檢（POST）： 電容式感應(yīng)應(yīng)用開發(fā)的一大目標(biāo)就是通過電容式傳感器提高設(shè)備在苛刻或敏感型工作環(huán)境下的可靠性。前面板的可靠性可通過不同方法改進，包括提高信噪比（SNR），采用EMI抗干擾和ESD保護特性，以及提高電源瞬變和輸出瞬變的抗干擾能力等。此外，還必須注意避免固件的不當(dāng)工作模式。類似的軟件技巧包括應(yīng)用編程接口（API）采用不同的正/負(fù)噪聲閾值和去抖動計數(shù)器等。還有一項預(yù)防措施就是在運行時檢測電容式感應(yīng)測量錯誤。這些錯誤包括： ● 按鈕短接到VDD ● 按鈕短接接地 ● 按鈕間短接 ● 按鈕斷連 ● Σ-Δ調(diào)制器外部組件故障，如： o 調(diào)制電容（Cmod） o 放電電阻（Rb） 這些診斷方法用于為電容式感應(yīng)設(shè)備提供故障防護功能，避免按鈕故障產(chǎn)生安全問題。白色家電、汽車和工業(yè)應(yīng)用等都需要按鈕故障診斷技術(shù)，以確保安全工作。 內(nèi)置的加電自檢機制可在每次MBR器件復(fù)位后進行，以診斷按鈕故障。如果按鈕發(fā)生故障，可通過通信接口（I2C）給主機發(fā)送信息，而如果有與按鈕對應(yīng)的LED，則會在加電自檢后閃爍一次，表示有故障發(fā)生。 5. 抗噪性 MBR器件采用賽普拉斯SmartSense自動精調(diào)等智能算法，在容易受到輻射的環(huán)境中提供較高的抗噪性。這種器件還采用高級的軟件濾波器來進一步降低噪聲。 6. 自動閾值 MBR器件能根據(jù)環(huán)境中的噪聲進行調(diào)節(jié)，自動設(shè)置ON/OFF閾值，從而在高噪聲環(huán)境中實現(xiàn)穩(wěn)健可靠的性能。與此同時，開發(fā)人員也能根據(jù)UI的硬件/機械構(gòu)造重寫算法設(shè)置的閾值并設(shè)置定制閾值。 7. 靈敏度控制 靈敏度用于表示按鈕對手指觸摸的敏感程度，這是在按鈕上器件能檢測到并以此報告按鈕為“ON”的最小手指電容。最小手指電容因外覆層的厚度、按鈕大小、按鈕與器件之間的距離等不同而不同。MBR器件提供多種不同的靈敏度設(shè)置。根據(jù)外覆層厚度等系統(tǒng)參數(shù)，開發(fā)商能決定哪種靈敏度最佳。 8. 低功耗睡眠模式和深度睡眠模式 現(xiàn)在許多MBR器件設(shè)計用于電池供電的應(yīng)用。比如，掃描按鈕上手指觸摸的頻率決定著設(shè)備的總功耗。對低功耗應(yīng)用來說，開發(fā)人員要降低掃描頻率，從而降低設(shè)備的平均功耗。就電視機/顯示器等MBR功耗并不很重要的應(yīng)用而言，可保持較高的按鈕掃描頻率，從而確保極快的手指觸摸響應(yīng)時間。 9. 響應(yīng)時間： 您或許發(fā)現(xiàn)，觸摸電視機/顯示器上的電源按鈕要比其它按鈕稍長的時間才能開啟電源開關(guān)。這是為了將電源開關(guān)與其它按鈕區(qū)別開，并確保電源開關(guān)不會被無意打開。MBR器件提供的這種功能也是可配置選項。用戶能設(shè)置手指觸摸按鈕多長時間才能讓按鈕打開。 MBR器件帶來的增值： 1. LED打開時間： 用戶松開按鈕（手指從按鈕移開）時，相應(yīng)的LED關(guān)閉。不過，一些應(yīng)用需要LED在手指松開后經(jīng)過一定的延遲再關(guān)閉，讓人眼可以分別出變化。MBR器件提供的這種延遲也是可配置選項。 2. LED調(diào)光： LED亮度能夠調(diào)控以符合環(huán)境光條件。MBR器件提供的LED亮度控制也是可配置選項，這樣開發(fā)人員就能根據(jù)環(huán)境條件來設(shè)定亮度。實現(xiàn)的方法就是用不同占空比的PWM來驅(qū)動LED，這也有助于降低系統(tǒng)的整體功耗。 3. LED明暗漸變： UI設(shè)計的美觀效果可通過觸摸相應(yīng)按鈕讓LED漸明漸暗得到提高。MBR器件使得我們能非常方便地實現(xiàn)明暗漸變。開發(fā)人員能設(shè)置一定亮度讓LED漸明漸暗，也能設(shè)置漸明漸暗的頻率。 4. 蜂鳴器： MBR器件通過驅(qū)動蜂鳴器綁定引腳上的信號支持音頻反饋。音頻反饋參數(shù)也可配置。蜂鳴器驅(qū)動的時間長度以及引腳上驅(qū)動的信號頻率都能控制。 5. 模擬電壓輸出： 按鈕觸摸的另一種反饋就是為每次按鈕觸摸提供不同的模擬電壓輸出。MBR器件也能提供這種反饋。 6. LED在待機模式下的亮度： 在UI中，如果環(huán)境光線較弱，可能無法看見按鈕，這時我們可在低亮度情況下至始至終開啟背光LED，以照亮UI中的按鈕。開發(fā)人員能選擇所需的亮度。 7. 主機控制的GPO： MBR器件除了提供按鈕和響應(yīng)的反饋外還提供一些GPO，主機能通過通信接口發(fā)出命令以控制GPO的邏輯狀態(tài)，這就使得主機能讓GPO進行按鈕觸摸反饋，也可將其用于其他目的。 我們了解了MBR器件如何解決某些具體問題，也了解了MBR器件帶來的好處。在第四部分中，我們將討論有助于利用MBR器件開展系統(tǒng)設(shè)計的一些工具。工具箱 設(shè)計出恰當(dāng)?shù)碾娙菔絺鞲衅鞑季滞瑫r保持最終系統(tǒng)信噪比達(dá)到5:1，這并非一件簡單容易的事情。如果采用MBR器件，開發(fā)人員又無法控制器件的每個參數(shù)，情況就會進一步復(fù)雜化。MBR器件的主要作用之一就是縮短設(shè)計時間。但是，讓電容式感應(yīng)設(shè)計實現(xiàn)適當(dāng)?shù)牟季?、適當(dāng)?shù)臋C械設(shè)計，這不應(yīng)該成為瓶頸。所以除了MBR器件之外，最好還能獲得一些工具，幫助設(shè)計人員開展設(shè)計工作，幫助推進每一步設(shè)計工作。工具箱還能幫助設(shè)計人員驗證每個階段的設(shè)計，確保排除設(shè)計中所有可能的錯誤。 圖8：MBR設(shè)計流程第一階段： 最終確定布局之前應(yīng)考慮的一個關(guān)鍵因素就是按鈕尺寸。按鈕太小會降低SNR，導(dǎo)致按鈕對觸摸的靈敏度降低。如果按鈕較大，SNR倒是能超過5:1，但按鈕會對觸摸過于敏感，稍微碰一下按鈕就會觸發(fā)，這也不是一件好事。設(shè)計工具箱應(yīng)有助于我們設(shè)置最佳按鈕尺寸。按鈕尺寸取決于外覆層材料和外覆層厚度，而工具箱應(yīng)能根據(jù)外覆層的屬性提出最佳按鈕大小建議。工具箱還應(yīng)讓開發(fā)人員定義系統(tǒng)噪聲，并根據(jù)噪聲建議按鈕尺寸。該工具箱也能考慮輸入等系統(tǒng)屬性，根據(jù)系統(tǒng)支持的最大的寄生電容，建議設(shè)計的最大跡線長度和按鈕尺寸。 第二階段： 一旦根據(jù)第一階段的建議完成布局，開發(fā)人員就應(yīng)在進入PCB設(shè)計之前借助工具箱驗證設(shè)計。利用工具箱可計算出實際寄生電容，以此提醒開發(fā)人員按鈕的寄生電容是否超出了工作范圍。 功耗優(yōu)化是大多數(shù)設(shè)計的另一大關(guān)鍵要求。這里，工具箱可根據(jù)器件參數(shù)估算器件功耗，這能幫助設(shè)計人員調(diào)節(jié)參數(shù)，根據(jù)需要降低功耗。 第三階段： 根據(jù)第二階段建議提出的設(shè)計藍(lán)圖轉(zhuǎn)化為最初的原型設(shè)計。一旦構(gòu)建出原型開發(fā)板，我們就可借助工具箱驗證該開發(fā)板是否適合量產(chǎn)。如果設(shè)計還不適合投產(chǎn)，那么工具箱可提出建議，明確設(shè)計還需要什么規(guī)范。根據(jù)工具箱建議的修改，開發(fā)人員可能需要重制該開發(fā)板，也可能無需重制只需修改MBR參數(shù)即可。這樣，工具箱就發(fā)揮了重大作用，有助于避免代價高昂的設(shè)計錯誤。 配置寄存器可配置器件： 如前所述，必須寫入MBR器件寄存器以配置器件。直接用I2C通信來配置器件寄存器是一項繁雜的工作。為了便于配置，通常采用如下兩種方法： 1. 應(yīng)用編程接口（API）： 應(yīng)用編程接口（API）是一個用于連接軟件組件，讓其彼此通信的接口協(xié)議，MBR器件廠商會直接提供API，這些API也包含在主機固件中，因此主機就能配置MBR器件，且無需開發(fā)人員學(xué)習(xí)了解應(yīng)用層協(xié)議如何進行器件配置。 電容式感應(yīng)廠商提供的API分為高級API和低級API。 高級API又分為三大類： a. 配置器件 b. 回讀系統(tǒng)診斷和生產(chǎn)線數(shù)據(jù) c. 在運行時回讀傳感器狀態(tài)等數(shù)據(jù) 這種API可在MBR設(shè)計過程中的不同階段中采用。 低級API通常為通信（l2C）接口讀寫API。低級API可能需要根據(jù)所用主機處理器而更改。通常情況下，大多數(shù)廠商都針對每個特定的主機處理器提供低級API。 2、GUI和批量編程： 簡化開發(fā)人員配置MBR器件工作的另一種方法就是用基于GUI的界面定義設(shè)置。這比用API手動配置MBR簡單得多。賽普拉斯提供了一種簡單而具有革命性創(chuàng)新的工具（EZ-Click定制器）。這種GUI的功能非常強大，能加速多個不同設(shè)計階段的設(shè)計工作。通常說來，這種GUI均提供有“配置器件”和“從器件讀取數(shù)據(jù)”等選項。 為了區(qū)別不同的設(shè)計階段，GUI可為主機和MBR器件之間傳輸?shù)牟煌瑪?shù)據(jù)類型設(shè)置不同的標(biāo)簽。典型的分類如下： 1. 配置標(biāo)簽 2. 調(diào)試標(biāo)簽 3. 生產(chǎn)線測試標(biāo)簽 在設(shè)計驗證階段采用配置標(biāo)簽表示配置完成，GUI載入設(shè)置到原型上。調(diào)試標(biāo)簽隨后發(fā)揮作用，檢查設(shè)計是否滿足所有要求，電容式感應(yīng)是否正常工作。如果原型設(shè)計無法工作，那么調(diào)試標(biāo)簽可用來進行調(diào)試并查找問題所在。 一旦原型設(shè)計正常工作，設(shè)計就完成了，則可用GUI生成配置文件。量產(chǎn)期間把GUI生成的配置加載到每個MBR器件中可能是個相當(dāng)繁瑣的工作，這可以由具有資質(zhì)的編程機構(gòu)利用配置文件輕松配置上百萬的器件。 器件配置完成后，可在生產(chǎn)線測試中采用生產(chǎn)線測試標(biāo)簽，讀出SNR等數(shù)據(jù)用以檢測傳感器是否達(dá)標(biāo)。