基于電容感應的燈光控制用戶界面

環(huán)境光控制正日漸普及。該特性已經(jīng)應用于飛機、賓館、飯店、酒吧、住宅等。環(huán)境光的控制方式多種多樣，既有只控制亮度的方式，也有同時控制色度、飽和度和亮度等不同屬性的方式。

基本的環(huán)境光控制應用包含一個用戶界面或者可為控制器提供控制信號以改變光的亮度或者顏色的環(huán)境光感應器?；镜沫h(huán)境光控制器的方框圖如圖1所示。

圖1：基本環(huán)境光控制器的方框圖

市場上可用的大多數(shù)解決方案僅采用用戶界面或者結合采用環(huán)境光感應器與用戶界面來控制環(huán)境光。這類用戶界面如圖2所示。

    

圖2：環(huán)境光控制用戶界面

一般而言，人們可以通過用戶界面的選擇鍵選擇預定義的光選項，但只能從這些預定義選項中進行選擇卻限制了用戶根據(jù)自己的選擇對光照的各種屬性進行控制和配置的能力。本文將探討使用電容感應器控制各種光屬性的用戶界面。

使用電容感應器不僅可以讓用戶界面擁有光滑且極具吸引力等優(yōu)勢，而且還能夠節(jié)省成本，讓解決方案更加經(jīng)久耐用，免受抖晃影響。部分使用電容感應器的其他特性還包括背光和靠近觸發(fā)器件背光，可讓系統(tǒng)面貌煥然一新，為設計人員帶來大量設計余裕。

電容感應
電容感應是一種檢測感應器被觸摸時容量變化情況的技術。用于電容感應的感應器均置放在PCB板上的銅質墊片。這些銅質墊片上覆蓋有被稱之為外覆層的厚絕緣材料。因此，當用戶觸摸到感應器上方的外覆層的時候，電容會略有增加。這樣，通過探測這樣微弱的增加電容，就可以確定感應器得到了觸摸。

CY8C21x34 – PSoC系列器件提供的電容感應CSD法可以用于本應用。這種方法使用開關電容器和Δ-Σ技術來測量感應器的電容。圖3的方框圖說明了在CY8C21x34實現(xiàn)CSD的方法。

圖3：在CY8C21x34中使用CSD的方框圖

In this technique, the sensor capacitance, CX is emulated as a resistor using the switched capacitor technology. The value of the emulated resistance can be given by following equation 1.

在這種方法中，使用開關電容技術將感應器的電容Cx仿真為一個電阻。仿真得出的阻抗值可通過以下方程式1得出。
   方程式1

因此，調制器電容器CMOD通過仿真電阻充電。當CMOD兩端的電壓超過VREF時，比較器的輸出會連接泄漏電阻器RB接地以泄放CMOD。這將把比較器的輸出置于LOW，斷開電阻RB。這個過程將不斷重復，比較器會輸出一串開啟計數(shù)器的脈沖。計數(shù)器的輸出是對應著感應器電容的數(shù)字值。

當以手指觸摸感應器時，感應器的電容會增加，并降低Req。這樣會更快地為CMOD充電。由于泄漏時間恒定，充電時間可變，比較器輸出的將是一串占空比不同的脈沖。在本例中，對于時間較長的情況，比較器的輸出將處于HIGH狀態(tài)。因此，計數(shù)器的輸出將發(fā)生變化。這種從計數(shù)器獲得的計數(shù)變化將幫助檢測手指的貼近。[!--empirenews.page--]

使用偽隨機序列（PRS）生成器生成開關頻率，可以擴展開關頻率信號的頻譜，降低輻射，增強抗噪能力。

用戶界面
環(huán)境光控制器的基本用戶界面可以對紅、綠、藍三色以及光照強度的選擇進行控制。因此，它需要至少4個電容按鈕和1個滑條來控制光的強度值和色彩的飽和度?；瑮l可設計為放射狀的滑條。滑條段數(shù)可以根據(jù)多種因素來確定，如滑條直徑、達到100%值的轉數(shù)，外覆層厚度，等等。

典型的感應器設計布局如圖4所示。這種設計為光的紅、綠和藍分量安排了電容開關。另外它還安排了一個亮度開關。中間的放射狀滑條用來根據(jù)通過按下R、G、B或者強度開關選擇的功能來控制色彩飽和度和光的強度。

圖4： 電容感應器用戶界面

放射狀滑條是以環(huán)形布置的多個電容感應器的組合。它與線性滑條類似，區(qū)別僅在于環(huán)形滑條沒有開始端和終止端。激活一個感應器就會半激活相鄰的物理感應器。手指在滑條上的實際位置是通過計算激活的感應器圖心位置來確定的。

集群接近感應和背光
集群接近感應和背光是本設計的增值特性。該特性可以在手接近設備的時候啟動界面的背光，以便讓用戶在黑暗中找到界面。

CY8C21x34內(nèi)置一個模擬復用總線，用來把連接到各個引腳的感應器連接到CSD時鐘上。用作集群接近時，放射狀滑條的各段都連接到模擬復用總線上。這可以通過以下IDE（PSoC Designer）中用于CY8C21x34器件的API來實現(xiàn)。

    CSD_EnableSensor (0x02, 0x044); // Connects P2.6 and P2.3 to the Analog Mux Bus

不管什么時候，當檢測到手的時候，就會激活背光，以便用戶可以找到界面。這項功能還可以在手離開界面后關閉背光，以節(jié)省電力。

開啟背光的距離可以通過調節(jié)集群感應器來加以相應配置?？刂茊泳嚯x（直至限定值）使用的參數(shù)包括Scan Speed、Ref Value和Resolution。

掃描速度
掃描速度是CSD模塊中用來控制感應器掃描速度的參數(shù)。該參數(shù)可以幫助改善信噪比（SNR）。掃描速度決定了比較器輸出ON狀態(tài)的持續(xù)時間，這將反過來影響系統(tǒng)的計數(shù)。由于對輸入信號的超采樣，較低的掃描速度能夠提供更好的信噪比。較低的掃描速度還能夠提供更好的抵御電源噪音的能力。各種掃描速度下的測試結果請參見附錄A。從圖上可以看出，因其噪音低、信噪比高，所以在接近設計中應采用較低的掃描速度。因此，在集群接近感應器設計中，應使用較低掃描速度；在掃描剩余感應器時，應使用較高的掃描速度。

分辨率
由于超采樣增量測量法的性質所致，在分辨率增加的情況下，噪音會有所下降。分辨率越高，測量感應器的時間就越長，而由于這種集成行動，濾除的噪音就越多。請參考附錄A了解測試結果：

參考值
在比較器的倒相輸入端施加與該值相對應的電壓VREF。由于把RB接地所產(chǎn)生的反饋作用，非反相端的電勢也是VREF。當該電勢設置得較小時，感應器存儲的電荷量將增加，具體原因請參見公式2的基本電容方程式。

     方程式2
因此，降低參考值可以改善信號質量，進而改善信噪比。

背光LED
背光LED的作用是用來增強暗處界面的能見度。其可以用單色LED，也可以用三色LED。三色LED可以準確地再現(xiàn)受控的周邊環(huán)境光。對于三色LED，可以使用降壓/升壓配置，根據(jù)需求構造閉環(huán)系統(tǒng)，進而控制LED的色彩和強度。

結論
本文分析了使用CapSense作為用戶界面來控制環(huán)境光的優(yōu)勢。同時還討論了實現(xiàn)基本用戶界面及附加特性的設計指南。