如何設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)可延長(zhǎng)電池壽命的低能量觸摸系統(tǒng)

觸摸感應(yīng)屏幕為手持設(shè)備增添了許多功能。它們還可以節(jié)省(電池)壽命。盡管在過(guò)去幾年中設(shè)計(jì)低能耗系統(tǒng)取得了很大進(jìn)展 - 電池能量密度更高，電子消耗更少，電源管理更精細(xì) - 最常見(jiàn)的用戶(hù)投訴仍然是設(shè)備永遠(yuǎn)不會(huì)持續(xù)足夠長(zhǎng)的時(shí)間而不需要充電。

這些現(xiàn)代低功耗設(shè)備中的許多都使用觸摸傳感，這是一種廣為接受的技術(shù)，適用于現(xiàn)代和下一代設(shè)計(jì)。與它們連接的控制器曾經(jīng)是笨拙，笨重，需要不斷校準(zhǔn)。

新一代算法和方法改變了這一切。因此，現(xiàn)代設(shè)備的用戶(hù)可以期待清潔，可靠和良好實(shí)施的觸摸系統(tǒng)。

低功耗電子設(shè)備與觸摸系統(tǒng)的結(jié)合是下一個(gè)挑戰(zhàn)，在不影響功能的情況下減少能源使用。本文討論如何設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)低能量觸摸系統(tǒng)，以延長(zhǎng)電池壽命和下一代設(shè)計(jì)的可用性。

透明與不透明

觸摸感應(yīng)技術(shù)可分為兩大類(lèi)：透明和不透明。我們?cè)谄桨咫娔X和手機(jī)上熟悉的透明技術(shù)位于LCD屏幕之上，通常基于模擬電阻或電容觸摸技術(shù)。

圖1：銦錫氧化物等材料的變化阻力通過(guò)觸摸拉伸。

對(duì)于模擬電阻傳感器，由氧化銦錫等材料制成的導(dǎo)電層在受到壓力接觸時(shí)會(huì)改變電阻。通過(guò)測(cè)量每個(gè)軸的電壓，確定一個(gè)位置(見(jiàn)圖1)。由于彈性退化問(wèn)題，大多數(shù)新設(shè)計(jì)使用電容技術(shù)。電阻式觸摸層取決于材料的彈性，并且隨著時(shí)間的推移，磨損會(huì)改變材料特性。

電容式傳感器類(lèi)似地測(cè)量位置，但是通過(guò)使用相鄰的電極。可以感測(cè)放置在絕緣電極上的導(dǎo)電物體(如手指)的電容變化并用于確定位置。

不透明觸摸傳感器通常也是電容性的。按鈕可以像大型PCB墊一樣簡(jiǎn)單，但對(duì)于滑塊和環(huán)，一系列銅表面用于通過(guò)這些元件之間的電容測(cè)量來(lái)檢測(cè)位置。

低成本，堅(jiān)固且防水的設(shè)計(jì)可以利用不透明傳感器實(shí)現(xiàn)高級(jí)用戶(hù)界面，堅(jiān)固，有彈性，耐用。即使是基于LCD的平板電腦和手機(jī)也可以利用不透明的傳感器來(lái)實(shí)現(xiàn)不會(huì)從顯示區(qū)域帶走的硬接線觸摸區(qū)。

低能耗架構(gòu)

無(wú)論采用何種技術(shù)，系統(tǒng)都必須構(gòu)建明智地使用能源管理計(jì)劃。只是將微控制器置于睡眠狀態(tài)不會(huì)削減它。喚醒系統(tǒng)可能需要觸摸事件。

通常，系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員可以選擇是使用中斷還是輪詢(xún)來(lái)喚醒處于低能量睡眠模式的微控制器，但電容式觸摸系統(tǒng)并非如此。

使用電容式觸摸系統(tǒng)，感應(yīng)電容通過(guò)保護(hù)涂層改變定時(shí)器或振蕩器的時(shí)間常數(shù)。因此，必須使用門(mén)控計(jì)數(shù)器來(lái)生成用于確定印刷機(jī)的閾值。由于您不想添加外部邏輯，因此必須在微控制器中完成，這意味著它通常不會(huì)完全處于睡眠狀態(tài)。

將此與小型手持設(shè)備通?？臻g受限的事實(shí)相結(jié)合，理想的解決方案是單個(gè)片上微控制器具有在芯片上進(jìn)行感應(yīng)和處理所需的所有硬件資源。

大多數(shù)觸摸感應(yīng)設(shè)計(jì)需要一個(gè)穩(wěn)定的電流源為感應(yīng)電容充電，一個(gè)模擬多路復(fù)用器將相應(yīng)的元件路由到ADC或模擬比較器，定時(shí)器或計(jì)數(shù)器，以及對(duì)電容器放電的能力。此外，處理器應(yīng)具有良好的節(jié)能模式和功能，特別是如果它不僅僅是一個(gè)專(zhuān)用的觸摸屏控制器?！?br》換句話(huà)說(shuō)，如果一個(gè)高效，低功耗的微控制器具有執(zhí)行觸摸屏處理和設(shè)備主要功能的能力，它通常比設(shè)計(jì)雙處理器系統(tǒng)更好。全功能解決方案

一家進(jìn)軍觸摸控制器技術(shù)的公司是賽普拉斯半導(dǎo)體公司，該公司擁有可編程片上系統(tǒng)技術(shù)(PSoC)。 PSoC®系統(tǒng)是嵌入式混合信號(hào)器件系列，采用該公司的M8C核心處理器。這些哈佛架構(gòu)控制器的運(yùn)行速度高達(dá)24 MHz，性能達(dá)到4 MIPS。

豐富的數(shù)字和模擬資源(特別是模擬多路復(fù)用)使其成為低功耗觸摸屏控制的理想選擇(參見(jiàn)圖2)。該系列產(chǎn)品的亮度范圍為8 K至32 K，采用16引腳至48引腳封裝，最高可達(dá)2 K RAM。 1.8 V至5 V功率范圍還可以幫助最大限度地降低功耗并直接匹配電池電量。

圖2：PSoC模擬多路復(fù)用器和電流源在允許精確觸摸方面起著關(guān)鍵作用傳感應(yīng)用。

性能水平也不錯(cuò)。例如，CY8C20xx6A系列具有多達(dá)33個(gè)CapSense®I/O和6個(gè)帶本機(jī)I²C，SPI和USB的滑條。可以調(diào)整滑動(dòng)傳感器靈敏度，并且可以實(shí)現(xiàn)插補(bǔ)分辨率，最高可達(dá)64 K的一部分。可以使用逐次逼近和Σ-Δ轉(zhuǎn)換技術(shù)?？梢酝ㄟ^(guò)高達(dá)15毫米的玻璃覆蓋層感應(yīng)接近，為脆弱的LCD提供更加堅(jiān)固的保護(hù)。

功耗方面，采用這種技術(shù)的應(yīng)用通?？梢栽?μA的睡眠電流下運(yùn)行，在1-4 mA的電流下運(yùn)行運(yùn)行。通過(guò)該公司可免費(fèi)下載的PSoC Designer™集成設(shè)計(jì)環(huán)境提供設(shè)計(jì)支持，具有圖形資源配置實(shí)用程序，以及內(nèi)置調(diào)試器和ICE支持的免費(fèi)C編譯器(和匯編器)。

功耗低，Scotty

對(duì)于某些要求苛刻的設(shè)計(jì)，需要更多的處理能力，同時(shí)減少能源消耗。這里有一個(gè)不同的思考過(guò)程。硬件和軟件模塊都采用了新的關(guān)系，因?yàn)榻鉀Q方案的設(shè)計(jì)功耗很低。

Energy Micro的Gecko系列基于ARM®Cortex™-M3的處理器采用架構(gòu)結(jié)構(gòu)和資源，大大降低了運(yùn)行功率下一代電池供電和手持設(shè)備。 EFM32系列有五個(gè)功能，可以降低功耗，而不僅僅是幾個(gè)低功耗模式。

Gecko真正脫穎而出的原因是核心如何在自主功能下進(jìn)入休眠狀態(tài)仍然可以使用非常低的功率進(jìn)行。獨(dú)特的Reflex Bus架構(gòu)(參見(jiàn)圖3)允許建立基于狀態(tài)機(jī)的交互，因此可以在沒(méi)有微芯片喚醒的情況下進(jìn)行整個(gè)事件序列的處理。

例如，在能量模式2中，LCD，實(shí)時(shí)時(shí)鐘，脈沖計(jì)數(shù)器，看門(mén)狗定時(shí)器，UART，I2C和模擬比較器都可以主動(dòng)運(yùn)行并監(jiān)控外部世界，而核心和閃存處于靜態(tài) - 關(guān)閉狀態(tài)(保留所有寄存器和設(shè)置值)。

圖3：EFM32微控制器中的外設(shè)反射系統(tǒng)可以在不涉及CPU的情況下直接將一個(gè)外設(shè)連接到另一個(gè)外設(shè)。該系統(tǒng)使外圍設(shè)備能夠產(chǎn)生其他外設(shè)可以消耗的信號(hào)，并在CPU休眠時(shí)立即做出反應(yīng)。

在此模式下，系統(tǒng)消耗0.9μA并在2μs內(nèi)喚醒至完全活動(dòng)模式，消耗180 μA/兆赫。由于片上豐富的外設(shè)資源和低功耗有源處理，同樣的方法可用于實(shí)現(xiàn)功耗極低的電容式觸摸系統(tǒng)，其余功能足以成為系統(tǒng)處理器。

下一步向前邁進(jìn)

除反射總線外，Energy Micro還實(shí)施了低能耗傳感器接口(LESENSE)，可進(jìn)一步降低能耗。通過(guò)將定時(shí)器功能移至能量模式2，該器件可以通過(guò)比較器執(zhí)行門(mén)控計(jì)數(shù)器功能。

這使得內(nèi)核可以保持睡眠狀態(tài)，而自由運(yùn)行的RC張弛振蕩器可以為多達(dá)16個(gè)電容傳感器輸入提供數(shù)組(參見(jiàn)圖4)。用戶(hù)可調(diào)節(jié)的反饋電阻可以控制電容式傳感器的充電速率，以便在使用較慢的輪詢(xún)時(shí)進(jìn)一步降低功率。

圖4：低 - 功率張弛振蕩器使用觸摸電容器元件作為其頻率的源。較低的頻率偏移表示電容元件(例如手指)靠近傳感器焊盤(pán)。

比較器輸出驅(qū)動(dòng)內(nèi)部開(kāi)關(guān)以選擇控制電容充電速率的參考電壓。然后，振蕩電壓產(chǎn)生頻率波形，該頻率波形被選通以產(chǎn)生指示是否存在接近的手指(或電容性物體)的頻率。當(dāng)大電容(手指)靠近焊盤(pán)時(shí)會(huì)發(fā)生頻率降低，這會(huì)使數(shù)字閾值檢測(cè)器跳閘并喚醒內(nèi)核(見(jiàn)圖5)。

圖5：張弛振蕩器通過(guò)設(shè)置電容波形的電壓閾值來(lái)形成。

設(shè)置數(shù)字

不透明傳感器的PCB布局取決于平行銅距和緊密間距。電容只是一個(gè)因素;實(shí)際上有五個(gè)因素會(huì)影響振蕩。除了PCB電容(C)之外，還有串聯(lián)電阻，上限閾值電壓設(shè)置和下限閾值電壓設(shè)置。電源電壓也會(huì)影響頻率。

電容在VTL和VTH之間充電的周期(T)由下式給出：

T = RC x ln((Vdd - VTL)/(Vdd - VTH ))

VTH和VTL之間的放電時(shí)間與充電時(shí)間相同，因此振蕩頻率由下式給出：

F = 1/(2 x T)(2.3)

這讓設(shè)計(jì)人員可以決定在特定時(shí)間范圍內(nèi)會(huì)發(fā)生多少次振蕩。將LESENSE閾值調(diào)整到正確的數(shù)字將喚醒微控制器。

另一個(gè)需要考慮的因素是大型PCB傳感器對(duì)手等較大物體更敏感。您可以通過(guò)移除接地層來(lái)提高靈敏度，但您會(huì)對(duì)EMI和噪聲更敏感。中間路線的方法是在傳感器和周?chē)牡仄矫嬷g留出空間，因此場(chǎng)線指向用戶(hù)。

將其用于測(cè)試

幸運(yùn)的是，有一個(gè)開(kāi)發(fā)板來(lái)自Energy Micro的實(shí)施電容式觸摸傳感器和一些額外的低能量感應(yīng)電路。

Tiny Gecko入門(mén)套件是USB可編程ARM Cortex-M3(EFM32TG840F32)演示和開(kāi)發(fā)套件。它包含一個(gè)能量監(jiān)視器，用于測(cè)量和驗(yàn)證USB或電池模式下的低功耗操作。

除了直接驅(qū)動(dòng)的8x20段LCD，按鈕和用戶(hù)LED外，Tiny Gecko入門(mén)套件還包含觸摸功能電容滑塊和軟件實(shí)現(xiàn)了極低功耗的觸摸界面。其他傳感器是電阻式，光級(jí)，金屬感應(yīng)傳感器，也可以在微控制器處于睡眠狀態(tài)時(shí)運(yùn)行。

從哪里開(kāi)始

現(xiàn)有多種OEM解決方案可滿(mǎn)足許多觸摸系統(tǒng)要求。各種標(biāo)準(zhǔn)尺寸的模擬電阻式觸摸屏和電容式觸摸屏可直接用于多種設(shè)計(jì)。甚至觸摸屏控制器也可從OEM供應(yīng)商處獲得，并且可以很好地滿(mǎn)足許多應(yīng)用。例如，3M™MicroTouch™系列控制器可為不同尺寸的電容式觸摸屏提供各種支持的觸摸設(shè)備。其基于ASIC的控制器通常消耗500μA的休眠電流，但在工作期間通常需要75至85 mA的電流。對(duì)于POS系統(tǒng)，游戲機(jī)，工業(yè)系統(tǒng)和信息亭等功耗不敏感的應(yīng)用，這是一種理想的解決方案。小型低功耗手持系統(tǒng)通常不能使用固定解決方案。尺寸限制，成本限制和功率限制將無(wú)法滿(mǎn)足手持設(shè)備用戶(hù)的需求。