MCU在手機與平板電腦中的應用

MCU在當前手機與平板電腦應用中主要用作諸如電容式觸摸感應接口、觸摸屏接口、攝像頭接口、不同模擬傳感器輸入檢測、USB接口以及電池充電與監控等眾多功能的協(xié)處理器。此外，負責互連上述功能的所有邏輯和接口都可以采用像用于模擬輸入的ADC、用于蜂鳴器應用的PWM、段式LCD、字符型LCD、圖形化LCD、用于音量控制的DAC、USB接口以及電容式觸摸屏接口等各種可用組件模塊設計而成。

本文將探討MCU和可編程片上系統(PSoC)在手機與平板電腦應用中的作用，并對此類(lèi)應用存在的系統限制和設計挑戰進(jìn)行評估。采用可編程器件既可以通過(guò)降低BOM成本、縮短設計周期時(shí)間來(lái)降低整體產(chǎn)品成本，還可以通過(guò)加快開(kāi)發(fā)進(jìn)程節約項目成本。

圖1 手機設計框圖(注：加亮的模塊采用MCU進(jìn)行操作。)

圖2 平板電腦設計框圖(注：加亮的模塊采用MCU進(jìn)行操作。)

當前的手機與平板電腦設計采用8/16/32位MCU作為不同功能的協(xié)處理器。例如，MCU可以接收來(lái)自各種模擬傳感器的模擬輸入信號：

熱敏電阻等溫度傳感器、RTD與濕度傳感器可接收模擬輸入并提供用于MCU的數字電壓。

可以測量2軸/3軸運動(dòng)并將其轉換成用于MCU的數字電壓的2軸/3軸加速計。

環(huán)境光傳感器(ALS)可以實(shí)現對寬泛照明條件下(從黑暗到陽(yáng)光直射)顯示屏背光燈亮度的自動(dòng)控制。

經(jīng)過(guò)外部ADC與緩沖電路的磁傳感器輸入。

用于面部檢測與手部運動(dòng)檢測的接近傳感器，以便在用戶(hù)使手機接近面部時(shí)使MCU能夠關(guān)閉鍵盤(pán)。另外，當用戶(hù)手部接近鍵盤(pán)時(shí)，MCU能夠打開(kāi)鍵盤(pán)。MCU采用主機中斷功能來(lái)激活寬帶和應用處理器，以便執行面部檢測操作。MCU通過(guò)檢測用戶(hù)的面部、耳朵或頭部的接近實(shí)現面部檢測，以消除觸摸屏的誤觸摸。這樣通過(guò)關(guān)斷觸摸屏能夠減少電池消耗。此功能采用IR接近傳感器實(shí)現。

用于平板電腦應用中比吸收率(SAR)調節的接近感應。SAR是指身體暴露于射頻(RF)電磁場(chǎng)時(shí)吸收能量的比率。器件需要動(dòng)態(tài)調節人體附近的無(wú)線(xiàn)電傳輸。

驅動(dòng)LCD或圖形顯示屏的外部緩沖驅動(dòng)電路。帶背光燈的LCD或圖形顯示屏一般用于低端手機應用。另外，它還可以控制LCD與圖形顯示屏的背光燈。

MCU采用觸摸屏控制器處理高端手機應用中的觸摸屏接口。

MCU采用機械鍵盤(pán)處理低端手機應用中的用戶(hù)輸入。

MCU可以監控鋰離子電池電壓，并能夠管理電池充電，以實(shí)現最佳充電壽命。

另外，MCU還可以用于手機中的故障檢測與數據恢復應用。

MCU采用Haptics(觸覺(jué)反饋技術(shù))替代機械按鍵(其通過(guò)用力、振動(dòng)或運動(dòng)等觸摸方式連接用戶(hù))。

MCU可以連接寬帶與應用處理器，而且還能夠連接其它板上外設，如：通過(guò)I2C與SPI接口連接的攝像頭接口控制器。MCU在主機(主)和從模式下連接寬帶與應用處理器，以實(shí)現數據傳輸。寬帶和應用處理器采用板上USB 2.0/3.0控制器向外部傳輸數據。

手機應用中的可編程片上系統器件：

可編程片上系統(PSoC)是由MCU與可編程邏輯和高性能模數轉換功能以及常用固定功能外設組合而成。此外，這些器件還集成有閃存、SRAM及EEPROM。

在低功耗模式下，此類(lèi)器件消耗的電流不足1μA，因此使其非常適用于待機模式下的手機操作。為了保持低功耗操作，可編程片上系統器件還應配備一個(gè)用于實(shí)時(shí)測量的內部RTC組件，這也非常重要，這樣就避免使用外部時(shí)鐘/振蕩器電路。同樣，USB和安全數字(SD)卡接口對手機和平板電腦應用也很重要。

在低端手機應用中，采用內部PWM功能可以簡(jiǎn)化每次按鍵操作時(shí)蜂鳴器音調的控制與變化。PWM的占空比隨用戶(hù)通過(guò)GUI界面設置的所需速度變化。內部DAC可以用于控制揚聲器音量和執行揚聲器的靜音功能。

內部運算放大器、比較器和ADC可進(jìn)一步簡(jiǎn)化設計。例如，賽普拉斯的PSoC系列器件將12位1MSPS逐次逼近ADC與差分及單端模式集成在一起，其中包括采樣-保持(S/H)功能，其可以用于測量不同傳感器輸入，包括監控電池以及采用熱敏電阻或RTD等溫度感應裝置感應溫度。這樣就避免使用外部放大器、ADC及比較器，從而可以最大限度地減少手機應用的PCB需求。

靈活的工作范圍(如：從1.71V~5.5V)使其更便于與外設相連，以實(shí)現其它應用。由于工作電壓低至1.71V以及具有超低功耗，再加上提供能夠平衡喚醒時(shí)間與功耗的休眠模式和深度睡眠模式，因此可以在支持快速響應的同時(shí)確保更長(cháng)電池使用壽命。

由于手機或平板電腦連接眾多外設，因此可編程片上系統需要支持多種靈活的接口。例如，配備可重新配置I2C、SPI或UART功能的兩個(gè)獨立的運行時(shí)間可重配置串行通信模塊(SCB)可以在手機解決方案中用于內部與外部外設通信。

對于需要觸摸接口的高端手機而言，支持電容式感應技術(shù)至關(guān)重要。在支持手動(dòng)和自動(dòng)調?；A上，開(kāi)發(fā)人員能夠支持防水觸摸接口等高級功能。

為了進(jìn)一步簡(jiǎn)化設計，關(guān)鍵是對LCD及圖形顯示屏的直接驅動(dòng)，以顯示不同菜單選項。采用適當設計工具可以實(shí)現靈活的實(shí)施方案，如：PSoC Creator IDE工具，其支持用于設計接口和邏輯(如：用于模擬傳感器及其它模擬輸入的SARADC和PGA)的組件模塊。PWM、CLK、MUX和比較器組件可以用于手機應用。字符型LCD和段式LCD組件可以直接(也就是說(shuō)無(wú)需外部緩沖器)驅動(dòng)LCD/圖形LCD。另外還具有用于實(shí)時(shí)測量的RTC組件。PSoC Creator具有內部系統時(shí)鐘，因此無(wú)需外部時(shí)鐘/振蕩器電路。其他組件包括定時(shí)器、蜂鳴器、CapSense電容式觸摸感應、段式LCD、字符型LCD、圖形LCD等。

PSoC Creator另外允許用戶(hù)使用配備集成編譯器工具鏈、RTOS解決方案和生產(chǎn)編程器的完整工具系統。利用PSoC Creator和PSoC Designer IDE，客戶(hù)能夠創(chuàng )建和共享采用分層級方案設計的用戶(hù)自定義定制外設?？蛻?hù)可以對所選組件自動(dòng)進(jìn)行布局布線(xiàn)，并集成簡(jiǎn)單的膠合邏輯，其一般位于分立器件中。

手機中基于不同電容式感應技術(shù)的解決方案：

電容式按鍵與應用：

電容式滑條與應用：

手套觸摸應用：

無(wú)源觸筆輸入應用：

接近應用：

面部檢測應用：

平板電腦SAR調節應用：

Haptics應用：

系統限制

電容式觸摸感應技術(shù)可以用觸摸式鍵盤(pán)替代機械按鍵。采用電容式感應技術(shù)可以智能手機和平板電腦上實(shí)現安卓/Windows按鍵，而且可以同時(shí)用于內嵌式(On-Cell)和外嵌式(In-Cell)拓撲。這不僅能夠減少機械按鍵導致的故障，而且還可提高產(chǎn)品可靠性。此外，采用可以不斷補償系統、生產(chǎn)和環(huán)境變化的動(dòng)態(tài)感應算法能夠自動(dòng)調校靈敏度，從而避免手動(dòng)調整。移動(dòng)設備所采用的有源矩陣有機發(fā)光二極管(AMOLED)顯示屏上的虛擬按鍵減少了可用屏幕空間占用。

PSoC支持手機的防水應用。它不會(huì )檢測水滴造成的誤判的觸發(fā)，而且按鍵在有水滴情況下能夠正常運行。

為了確?？煽坎僮?，CSD PLUS以及具有更高抗噪性的電容式逐次逼近技術(shù)(CSA EMC)等觸摸感應算法可保證手機的可靠操作。為了提高簡(jiǎn)便易用性，這些算法還需要支持手套觸摸和觸控筆，同時(shí)還需要用基于電容按鍵的面部檢測系統替代現有基于IR的面部檢測技術(shù)。它實(shí)現對SAR調節和Haptics的支持，以改善最終產(chǎn)品用戶(hù)體驗，而且用SmartSense自動(dòng)調校功能消除系統調校。其即使在高噪聲操作條件下也能保證可靠的按鍵性能。

手機和平板電腦在不斷變薄，小巧而寶貴的空間需要容納所有必備的電子組件。因此設計人員需要占用最少板級空間的組件，通過(guò)實(shí)現現成的組件來(lái)降低組件數量。

SmartSense自動(dòng)調校功能可以設置、監控和持續保持最佳手機性能。有了該功能，無(wú)需系統調校，因此可減少設計工作量。自動(dòng)調校功能適用于PCB和覆蓋層，并可減少影響觸摸感應性能的制造偏差。它可以實(shí)現采用不同覆蓋、按鍵形狀和線(xiàn)跡長(cháng)度的平臺設計方法，而且可以應對系統環(huán)境的變化，包括EMI噪聲源，如：RF和AC線(xiàn)路。

手套觸摸需要支持不同類(lèi)型的手套，如：滑雪手套、橡膠手套、毛線(xiàn)手套、皮手套、布手套等。另外，其針對手機應用還需要區分手指觸摸和手套觸摸。它使設備能夠用于用戶(hù)需要佩戴手套的不同環(huán)境條件(如：寒冷天氣、醫院等)，而且還支持厚度達到4毫米的手套而不出現誤檢。

理論上系統能夠通過(guò)觸控筆在草圖、菜單和按鍵之間無(wú)縫切換。對3毫米無(wú)源觸控筆的支持使支持觸控筆的設備更簡(jiǎn)單易用，而以前用戶(hù)需要用手指觸摸按鍵，即便是在使用觸控筆工作時(shí)也需要手指配合。另外它還可以區分手指和觸控筆輸入。

系統還支持采用PCB線(xiàn)跡、單線(xiàn)、聯(lián)動(dòng)按鍵或單按鍵實(shí)現方案的接近檢測。因此，用戶(hù)手部接近鍵盤(pán)時(shí)激活前鍵盤(pán)。

相關(guān)應用可能需要防水性，尤其是用戶(hù)在潮濕環(huán)境下工作時(shí)。電容式感應算法需要采用屏蔽電極消除水滴和薄霧造成的誤判的觸摸，同時(shí)采用保護傳感器消除蒸汽或浸沒(méi)造成的誤判的觸摸。

在前面板而非LCD顯示屏與鍵盤(pán)上實(shí)現基于觸摸屏的設計可給用戶(hù)提供更好的界面和更高的靈活性。

電容式面部檢測可以低成本替代其他MCU采用的IR接近傳感器。它可以在各種光照與反射條件下提供可靠的性能。

檢測用戶(hù)膝部或手部接近筆記本電腦/平板電腦無(wú)線(xiàn)電能夠調節RF功率，以符合SAR規定。其可以通過(guò)兩種方式實(shí)現：

● 在器件周邊采用單線(xiàn)/線(xiàn)跡限制所有無(wú)線(xiàn)電發(fā)射。

● 采用眾多傳感器有選擇性地限制無(wú)線(xiàn)電在人體附近的發(fā)射。

接近檢測功能還可以用于實(shí)現手機與平板電腦的以下功能：

1.喚醒方法：在手部靠近設備時(shí)手機自動(dòng)關(guān)閉鈴聲。

2.用前隱藏：在手部靠近設備之前關(guān)閉背光燈。

3.機械控制桿支持：檢測手指接觸控制桿，同時(shí)通知主機忽略對相鄰按鍵的意外觸摸。

4.手勢識別：識別基本的手部/手指姿態(tài)。

5.設置控制：根據手機是處于用戶(hù)手中還是口袋中來(lái)控制手機的設置(靜音、振動(dòng)、響鈴等)。

6.面部檢測(替代IR接近傳感器)。

7.SAR調校。

隨著(zhù)電路板內部和外部接口的不斷增多，入侵者破壞系統的方式也層出不窮。故障分析和退回材料是這種嵌入式系統的最大局限性之一，而單芯片解決方案可以解決此問(wèn)題。

設計挑戰：

使CapSense性能(信噪比)符合前面板上附近的LED(基于PWM)是系統設計人員面臨的設計挑戰。

實(shí)現防水性也是系統設計人員面臨的設計挑戰。

根據線(xiàn)跡電容變化以及CapSense按鍵與滑塊大小及形狀的變化實(shí)現自動(dòng)調校、利用更厚的玻璃材料(顯示屏玻璃)實(shí)現CapSense感應、以及使CapSense靈敏度符合相關(guān)材料類(lèi)型同樣是系統設計人員面臨的設計挑戰。

顯示屏、觸摸屏和按鍵采用柔性印刷電路(FPC)接口是系統設計人員的設計難題。

由于此解決方案涉及機電構造，因此設計緊湊的低成本機電解決方案是系統設計人員面臨的一大設計挑戰。驗證機電設計是否符合EMI/EMC標準是系統設計人員面臨的設計挑戰。

手機應用需要故障檢測和恢復機制。手機應用需要具備電池保護、過(guò)流、過(guò)熱、啟動(dòng)故障條件等功能的電源設計。在手機應用中實(shí)現自我診斷功能是系統設計人員面臨的設計挑戰。

由于此解決方案可能會(huì )全天候不間斷運行，因此組件選擇及其可靠性是系統設計人員面臨的設計挑戰。

實(shí)現電壓波動(dòng)防護是系統設計人員面臨的設計挑戰。實(shí)現通用的電源和系統是系統設計人員面臨的設計挑戰。

具有一次性可編程(OTP)特性的微控制器可以防止競爭對手和黑客對固件實(shí)施逆向工程。

手機和平板電腦采用微控制器作為當前設計中的協(xié)處理器。PSoC由微控制器和ASIC組合而成。PSoC可以在手機應用中提供簡(jiǎn)單易用的環(huán)境。在這些應用中采用PSoC既可通過(guò)降低BOM成本和縮短設計周期時(shí)間來(lái)降低產(chǎn)品成本，又可通過(guò)采用PSoC Creator和PSoC Designer實(shí)現方案來(lái)節省項目成本。