使用電容和紅外線(xiàn)接近感應開(kāi)發(fā)新一代人機界面

現在，人們對綠色、節能型電器日益關(guān)注。不僅是便攜式電器，所有電器設備都開(kāi)始考慮將節能環(huán)保理念應用于設計中。高效低功耗策略之一是最小化 CPU運行時(shí)間，最大化系統內盡可能多組件的休眠時(shí)間。通過(guò)采用下列機制，Silicon Labs降低了電容觸摸感應MCU的整體系統功耗 ：

背景掃描：即使CPU處于節能掛起模式時(shí)，由于CDC采用硬件實(shí)現，因此電容測量通道掃描可以完全自動(dòng)運行。

自治式自動(dòng)掃描：僅掃描和轉換活動(dòng)通道，而不是所有電容感應通道。

通道綁定：使用單一輸入同時(shí)掃描多個(gè)通道的功耗，低于分別處理多個(gè)通道所需的功耗。例如，系統能夠使用單一輸入掃描整個(gè)滑動(dòng)條，如果檢測到任一活動(dòng)通道被觸摸則喚醒CPU。CPU一旦被喚醒，則分別掃描每個(gè)通道，判斷哪個(gè)通道被觸摸并開(kāi)始識別手勢。

集成LDO調節器：F99x MCU所集成的LDO電壓調節器提供線(xiàn)性響應，同時(shí)維持所有電壓下的恒定、超低有效電流。此外，F99x具備特殊電路，在LDO調節器處于睡眠模式下時(shí)，可以保持RAM內容。

靈活的工作電壓：對于許多MCU而言，當工作電壓降低時(shí)CPU也必須在較低頻率下運行。因此增加運行時(shí)間和功耗。如果使用AA/AAA電池，即使MCU可 在最低2.2V下工作，也會(huì )浪費掉20%的電池壽命。由于在25MHz全功能運行條件下工作電壓可降到1.8V ，F99x可在不同應用下實(shí)現最大化的電池壽命。

大多數MCU旨在優(yōu)化運行或休眠時(shí)的功率效率。F99x架構在運行和休眠兩種模式下都具有業(yè)內最低功率（見(jiàn)表1）。內部電源管理單元（PMU）限制了漏電，使運行和休眠模式下的電流不到F99x競爭產(chǎn)品的一半。

*在0.9 to 1.8 V下運行時(shí)，通過(guò)采用內部升壓轉換器，C8051F99x MCU獲得更大平均功率效率。

表1：F99x運行和休眠模式功耗

快速觸摸喚醒

降低功耗的一個(gè)重要方法是關(guān)閉不再使用的設備顯示屏和控制界面，并使整個(gè)系統處于休眠模式。界面設計的一個(gè)關(guān)鍵因素是系統在休眠和運行模式之間 轉換 時(shí)系統如何對用戶(hù)響應，即如何更快被喚醒。在電容式感應系統中，系統處于休眠狀態(tài)時(shí)，沒(méi)有背光為用戶(hù)指示電容按鈕或滑動(dòng)條的功能。因此，第一次按鍵僅用于 喚醒系統

采用接近傳感技術(shù)，系統可以檢測最遠位于1米的用戶(hù)。這使得用戶(hù)在接近或到達設備時(shí)，接近傳感器能夠喚醒系統，并在用戶(hù)準備按鍵時(shí)使顯示器準備 就緒。在實(shí)際應用中，這改變了用戶(hù)與設備進(jìn)行交互的方式，使得系統更加智能和友好。例如，汽車(chē)音響或機頂盒等設備能夠在不使用時(shí)關(guān)閉控制面板，而當用戶(hù)靠 近時(shí)完全打開(kāi)。

喚醒時(shí)間是指確認喚醒與執行首條指令之間的時(shí)間間隔。喚醒時(shí)間取決于許多因素，包括調節器穩定性和模擬設備建立時(shí)間。在讀取電容或接近傳感器 時(shí)，CPU首先要執行的是模擬測量。如果模擬外圍設備還未準備就緒，則會(huì )延長(cháng)有效喚醒時(shí)間。喚醒時(shí)間不僅影響系統響應，也影響功效。在喚醒期間，MCU不 工作但仍然耗電。因此，縮短喚醒時(shí)間可以降低CPU喚醒過(guò)程中的功耗。

評估喚醒時(shí)間比較復雜，不同供應商采用不同的標準測量喚醒時(shí)間。有些MCU喚醒會(huì )觸發(fā)中斷服務(wù)例程（ISR），且必須等待直到模擬檢測完成。在 這種情況下，喚醒時(shí)間是指從喚醒事件開(kāi)始時(shí)到MCLK在適合的引腳上有效時(shí)，或到中斷向量被取指令時(shí)。為了在首條代碼指令執行前獲得相同喚醒時(shí)間，開(kāi)發(fā)人 員必須添加幾個(gè)µs/CPU周期到測量中。

F99x MCU喚醒時(shí)間已經(jīng)被優(yōu)化，休眠到喚醒僅需2us。此外，它的模擬設備建立時(shí)間僅為1.7us，比競爭對手的MCU快了15倍。因此，從事件發(fā)生到首個(gè)模擬測量的有效喚醒時(shí)間不到4us，比最接近的競爭對手最高快7倍。

除了快速響應，F99x MCU具有市場(chǎng)上業(yè)內最低功耗的電容式觸摸感應。它們具有在工作電壓范圍1.8-3.6V內150uA/MHz的出色性能，以及不到1uA的業(yè)內最低功耗 觸摸喚醒電流。14個(gè)CDC通道具有超快速的40us獲取時(shí)間、16位精度和內置的平均化處理，增加了可靠性；且對低頻噪聲和DC偏移干擾具有免疫能力。 F99x MCU的CDC是當前可用的最快最靈敏的電容數字轉換器，而其他有相同靈敏度的產(chǎn)品需要超過(guò)1000倍長(cháng)的采樣時(shí)間。為了實(shí)現更高的感應可靠性，高度可編 程F99x MCU可使開(kāi)發(fā)人員能夠動(dòng)態(tài)調整活動(dòng)和非活動(dòng)門(mén)限，以適應環(huán)境因素的變化（見(jiàn)圖3）。

圖3：為了實(shí)現更高感應可靠性，

開(kāi)發(fā)者可以動(dòng)態(tài)調整活動(dòng)和非活動(dòng)門(mén)限以適應環(huán)境因素的變化

Silicon Labs的QuickSense產(chǎn)品組合包括多種的感應器件。除了F99x MCU之外，Silicon Labs的F8xx和F7xx MCU系列產(chǎn)品也為多種應用提供高級的電容感應、最優(yōu)的性能、高效的功耗以及較低的成本。對于接近傳感而言，開(kāi)發(fā)人員能夠選擇業(yè)內領(lǐng)先的Si1102紅外 線(xiàn)接近傳感器或者Si1120紅外線(xiàn)接近感應和環(huán)境光傳感器。兩款器件都支持節能、單脈沖技術(shù)和非接觸式手勢識別。 Silicon Labs的紅外線(xiàn)接近傳感器是市場(chǎng)上感應速度最快的感應器件，提供最長(cháng)的感應距離，且不會(huì )降低功效。

高級開(kāi)發(fā)環(huán)境

隨著(zhù)嵌入式應用變得日益復雜，設計一個(gè)健壯的應用不僅需要經(jīng)過(guò)驗證的硬件，也需要產(chǎn)品化的軟件和一流的開(kāi)發(fā)工具。為了幫助開(kāi)發(fā) 者，Silicon Labs提供QuickSense Studio開(kāi)發(fā)套件，它結合了硬件、軟件和開(kāi)發(fā)工具，使得開(kāi)發(fā)人員能夠快速、輕松的把電容和接近感應應用到項目中。

從應用的角度來(lái)看，電容和接近傳感器可以被看作系統的簡(jiǎn)單輸入。通過(guò)API對它們的實(shí)現進(jìn)行抽象處理，開(kāi)發(fā)人員可以訪(fǎng)問(wèn)用戶(hù)的交互信息，而不考 慮它們的來(lái)源。觸摸或手勢可以很容易地映射到特定的功能活動(dòng)，從而大大簡(jiǎn)化了應用程序和界面的開(kāi)發(fā)。易于使用的、基于圖形用戶(hù)接口（GUI）的 QuickSense配置向導（Configuration Wizard）通過(guò)生成所需的應用程序配置代碼和固件驅動(dòng)程序加速了開(kāi)發(fā)進(jìn)程，開(kāi)發(fā)人員無(wú)需理解或編寫(xiě)用于監視傳感器的MCU外設的底層代碼。業(yè)界驗證的 固件控制不同的電容感應接口選項 — 包括觸摸按鍵、滑動(dòng)條和滾輪 — 和電容接近傳感器。開(kāi)發(fā)人員可以完全控制重要的感應特性，如靈敏度、操作門(mén)限、響應速度和代碼大小。

QuickSense Studio開(kāi)發(fā)套件也能自動(dòng)校準傳感器，提供完整的調試和性能分析能力，確保產(chǎn)品設計響應快速、穩定可靠。例如，即使有相同尺寸和形狀的開(kāi)關(guān)，若考慮到 與其他導電元件的遠近、地平面的影響以及電子干擾的存在，它們在印刷電路板（PCB）上的位置也會(huì )影響其活動(dòng)和非活動(dòng)狀態(tài)的電容量。在開(kāi)發(fā)和產(chǎn)品化期間， 每個(gè)開(kāi)關(guān)都需要校準，并寫(xiě)入Flash存儲器。此外，如果環(huán)境因素的影響（諸如溫度、濕度、電壓和污染）足夠大，不正確的測量可以導致錯誤的感應事件。 QuickSense Studio開(kāi)發(fā)套件通過(guò)定期重新配置這些環(huán)境因素，以適應它們的動(dòng)態(tài)特性。

QuickSense Studio開(kāi)發(fā)套件是市場(chǎng)上唯一同時(shí)支持電容和接近感應的開(kāi)發(fā)工具，使開(kāi)發(fā)人員能夠使用單一開(kāi)發(fā)環(huán)境設計完整的用戶(hù)界面。除了配置向導之外，QuickSense Studio開(kāi)發(fā)套件也通過(guò)以下特性加速產(chǎn)品設計：

紅外線(xiàn)接近感應

環(huán)境光感應

電容按鍵和滑動(dòng)條

電容式接近感應

復雜算法

手勢識別

MCU控制和通訊

電容式觸摸屏

Silicon Labs也提供多種完整的開(kāi)發(fā)工具套件，協(xié)助開(kāi)發(fā)人員把電容和接近感應集成到他們的應用中。這些資源包括完整的無(wú)線(xiàn)開(kāi)發(fā)套件（WDS）、電池壽命評估器、示例代碼和全面的應用筆記。

小結

有效的人機界面需要審美學(xué)與創(chuàng )新型電子設備交互方式相結合。在對系統成本和功耗影響較小的前提下，尋求產(chǎn)品差異化的制造商能夠轉向新一代電容 和接近感應界面，提供更易使用、更直觀(guān)的用戶(hù)體驗。通過(guò)采用具有電容和接近感應能力的器件，如C8051F99x電容式觸摸感應MCU和Si1120接近 傳感器，開(kāi)發(fā)者能夠快速將新一代手勢和非接觸式界面應用到任意系統，方便的使用業(yè)界成熟的硬件和固件。