電容式感應照明控制用戶(hù)界面

        智能照明控制技術(shù)已經(jīng)越來(lái)越多的應用于消費領(lǐng)域。餐廳、酒吧、辦公室、電影院、家庭、飛機、汽車(chē)等，這些只是成熟照明控制方案中的一小部分例子，其增強了整體氛圍和用戶(hù)體驗。粗大的照明控制面板和數以百計按鈕的日子一去不復返了。今天的照明系統更智能，可以對光強度、色調和飽和度進(jìn)行控制，只需一個(gè)觸摸按鈕即可。

        圖1顯示了一個(gè)基本照明控制技術(shù)應用的框圖。它有一個(gè)用戶(hù)界面，其可以選擇預設的照明選項，或直接控制燈具。一些系統還有環(huán)境光感應器，其可以根據當前環(huán)境自動(dòng)控制室內燈光。根據用戶(hù)/環(huán)境傳感器的輸入，控制器將控制數據傳輸到監測LED /燈具特性的光控制器。

        本文將重點(diǎn)介紹高效照明控制用戶(hù)界面設計。市場(chǎng)上有很多照明控制系統，用戶(hù)界面通常是決定系統和產(chǎn)品成功與否的關(guān)鍵。

        我們的想法是要提高用戶(hù)控制，設計不再需要大量的選擇按鍵和面積占用，可以用更獨特更智能的電容式觸摸感應按鈕或滑條控制。使用電容式感應界面不僅可以提供吸引眼球的面板設計，而且使系統具有更強的魯棒性，沒(méi)有抖動(dòng)，性?xún)r(jià)比高。此外，電容式傳感器的可編程檢測距離能力在接口方面引入了一個(gè)全新的維度。這篇文章的關(guān)鍵議題包括，電容式傳感技術(shù)，用戶(hù)界面，徑向滑條，LED背光和接近感應。

電容式感應

        PCB上的每一條銅線(xiàn)都有一定的相關(guān)寄生電容。利用該屬性，電容式傳感器可以由PCB上的銅泊實(shí)現。傳感器上面有一層絕緣覆蓋物，可以保護每個(gè)傳感器不受ESD和和用戶(hù)電氣影響。當用戶(hù)觸摸傳感器上的覆蓋物時(shí)，該傳感器的電容會(huì )發(fā)生變化。這是由于手指引入的電容與傳感器的電容并聯(lián)在一起。該技術(shù)用于測量或檢測電容傳感器的變化，稱(chēng)為電容式感應。圖2顯示了一個(gè)簡(jiǎn)單的檢測傳感器電容變化的實(shí)現方式。

 

該電路主要使用開(kāi)關(guān)電容技術(shù)等效成一個(gè)電阻。等效電阻的值是:

       方程1

        根據方程1，傳感器電容增加。等效電阻減少。電阻值的變化使電流Isensor也發(fā)生變化。該電流變大，轉換為電壓信號然后進(jìn)一步處理?？焖貯DC（通常是SAR ADC）可用于將電壓信號進(jìn)行數字化處理。通過(guò)在固件中跟蹤數字化數據和相關(guān)電壓信號，我們可以探測到手指電容帶來(lái)的電容變化。

        圖2顯示了SOC實(shí)現的電容式傳感器。雖然基于SOC的設計實(shí)現很簡(jiǎn)單，但實(shí)現電容式觸摸感應時(shí)仍需要考慮很多因素，包括:

 1. 寬電容范圍 —— 這可以使用高分辨率ADC和精確TIA達到。然而，使用高精度模擬元件，就會(huì )增加系統成本。

2. 環(huán)境噪聲—— 由于手指引入的電容變化是很小的（通常是，< 0.5 pf ），甚至環(huán)境里很的噪聲都可以引入寄生電容，有可能導致誤檢測。

3. 環(huán)境的改變——電容是濕度和溫度的函數。因此，電路和固件應當在終端應用中設計成可以處理它們影響的方式。

        圖3所示為一個(gè)使用賽普拉斯PSoC CY8C21x34 電容式感應Sigma Delta(CSD)方法實(shí)現的高性能電容傳感器。由于控制器的設計是基于SoC的，它可以根據具體應用要求進(jìn)行配置。內置的CSD模塊也可以用于實(shí)現接近傳感或集合傳感器。

        該實(shí)現類(lèi)似于圖2所示的框圖。這種實(shí)現增加了模塊和部件，有助于解決上面列出的那些問(wèn)題。

        在這種技術(shù)中，調制電容CMOD將通過(guò)等效電阻充電。當集成的電容電壓達到參考電壓(VREF)時(shí)，比較器輸出轉換為高，連接RB(放電電阻)到地。這就形成了CMOD放電回路。當電容式電壓低于VREF，比較器輸出回到低，斷開(kāi)RB 開(kāi)關(guān)。這一行為不斷重復，比較器輸出形成了脈沖流，其使能計數器。

        傳感器電容變化將改變CMOD充電電流。由于CMOD 變化的充電速率(REQ*CMOD )和固定的放電速率(RB*CMOD )，比較器輸出的脈沖流占空比將會(huì )改變。這一脈沖流占空比的變化可以通過(guò)讀出計數器來(lái)檢測到。

用戶(hù)界面

         一個(gè)用于房間照明控制應用的典型用戶(hù)界面，可以提供可選擇的預定義照明亮度選項。先進(jìn)的用戶(hù)界面可以使用戶(hù)控制個(gè)性化的顏色組成及光亮強度。圖4顯示了這樣的用戶(hù)界面。

 

        圖4顯示的界面有四個(gè)電容式按鈕，它們用來(lái)選擇燈光的特定組合?？梢允褂脧较蚧瑮l來(lái)增加或減少選擇的屬性，如光亮強度(如果觸摸強度按鈕)或飽和度(如果觸摸任何的基本顏色按鈕)。除了徑向滑動(dòng)這一功能，徑向傳感器還可通過(guò)預定義的照明級別用于導航瀏覽?？梢酝ㄟ^(guò)滑條固件編寫(xiě)將滑條中央當作一個(gè)特別的按鈕。這個(gè)“額外”按鈕可以實(shí)現一個(gè)“菜單”或“選擇”按鈕。除了電容式傳感器，照明控制界面還有一個(gè)LCD，它用來(lái)顯示光強度，色彩飽和度，或照明選項。
LED用來(lái)照亮用戶(hù)界面上激活的傳感器。這些通常稱(chēng)為“背光LED”。 PCB上有一些小孔，使用這種方式，無(wú)論用戶(hù)觸摸傳感器或滑條，LED都會(huì )從底層照亮相應的傳感器或滑條，從而反饋給用戶(hù)該傳感器被激活了。

徑向滑動(dòng)-向里和向外

        PCB上的徑向滑條設計相對簡(jiǎn)單。它可以視為一組種電容式傳感器，排成一個(gè)圓形。除了形狀，線(xiàn)性滑條和圓形滑條的唯一區別是，線(xiàn)性滑條有固定的起點(diǎn)和終點(diǎn)，而圓形滑條沒(méi)有，因為它是圓形的。從應用程序的角度來(lái)看，手指從線(xiàn)性滑條最左端滑向最右端，分辨率將會(huì )從0%提高到100%。使用圓形滑條，應用程序還需考慮要達到100%的分辨率要完成多少圈。

        為了確定手指在滑條的確切位置，需要一個(gè)單獨立方法(例如:質(zhì)心計算法)來(lái)檢測。這是因為當手指放置在滑條上時(shí)，它觸摸到了多個(gè)傳感器。根據手指覆蓋的傳感器區域，通過(guò)計算質(zhì)心傳感器可以計算手指的確切位置，其具有最高響應。質(zhì)心計算法還很好的綜合了相鄰傳感器的響應，因為他們也被手指觸摸到了。舉例來(lái)說(shuō)，如果1傳感器有最大響應，那么用于質(zhì)心計算的傳感器有0、1和2傳感器；同樣地，如果傳感器0有最大響應，那么只會(huì )考慮0和1傳感器。對于徑向滑條，相鄰的傳感器不僅僅是一個(gè)傳感器向上一個(gè)傳感器向下。下面的算法為如何識別鄰近的傳感器。

背光LED

        背光LED用于增加界面在黑暗環(huán)境下的可見(jiàn)度。他們可以是單色LED或三色LED（其可以結合環(huán)境光給出精確的顏色）。對于三色LED（取決于當前的要求），可以使用buck/boost配置形成一個(gè)閉環(huán)系統來(lái)控制顏色和強度。

接近傳感集合和背光

        接近感應天線(xiàn)不再使用單獨的線(xiàn)跡，滑條的所有段都可以連接起來(lái)，形成一個(gè)大感應塊或天線(xiàn)，其可以實(shí)現接近傳感功能。這種使用一組傳感器實(shí)現接近傳感的方法稱(chēng)為接近傳感集合。接近傳感集合和背光可以為設計增加特色?？傊?，這些特色可以使當手接近設備時(shí)點(diǎn)亮背光燈，從而使用戶(hù)在黑暗中也能找到相應位置。接近傳感集合技術(shù)實(shí)現可以通過(guò)將徑向滑條的所有段連接到模擬Mux來(lái)簡(jiǎn)化。使用數?；旌闲盘柶骷?，例如CY8C21x34、內部模擬Mux總線(xiàn)可以用于連接外部傳感器接口不同引腳到內部CSD模塊?？梢栽诠碳B接或斷開(kāi)傳感器和模擬Mux 總線(xiàn):

         當傳感器集合天線(xiàn)檢測到某個(gè)物體(如人手)接近時(shí)，固件點(diǎn)亮背光LED，用戶(hù)就可以看清控制界面。當LED切換到開(kāi)的狀態(tài)，徑向滑條塊可以換回到其正常功能，將傳感器從模擬Mux總線(xiàn)斷開(kāi)。如果目標物體/或手已經(jīng)離開(kāi)一定時(shí)間了，Timeout功能可以關(guān)掉LED。

        對接近傳感器集合可以進(jìn)行適當的調節，可以改變天線(xiàn)的強度。這確定了接近傳感器能成功檢測到目標靠近用戶(hù)接口板并把背光LED打開(kāi)的距離。

        本文介紹了使用電容式感應方法實(shí)現照明控制用戶(hù)界面的典型方式。開(kāi)發(fā)人員可以進(jìn)一步提升自己的設計，可以提供一系列顏色，使用戶(hù)能夠自己選擇一種顏色進(jìn)行照明控制。照明控制用戶(hù)界面和控制單元使用無(wú)線(xiàn)通訊是另一種不同于照明控制的方式。