電容式感應與LED照明相結合的設計方案（一）

一些應用除了簡(jiǎn)單地開(kāi)啟和關(guān)閉LED之外還需要更多視覺(jué)效果。舉例來(lái)說(shuō)，筆記本電腦可在設備待機狀態(tài)下讓電源LED閃爍，亮度發(fā)生明暗變化，形成一種所謂的呼吸效應，這也是設備中使用的眾多LED效果(淡入淡出或閃爍)之一。高級LED效果結合電容式觸摸按鍵能提高系統的美感并改善用戶(hù)體驗。

我們通常希望使用同一片上系統(SoC)來(lái)實(shí)現多種特性，從而降低BOM成本。在共有四部分的系列文章中，我們將介紹用同一SoC實(shí)現電容式感應和LED照明的不同方面，包括：

●我們將通過(guò)實(shí)際使用案例簡(jiǎn)單介紹電容式感應型UI應用中所采用的不同LED照明技術(shù)。

●脈沖寬度調節(PWM)是實(shí)現LED效果的常見(jiàn)技術(shù)之一。我們將分析采用PWM技術(shù)的不同LED效果實(shí)現方案，從而探討如何選擇適當的SoC。

●在同一SoC中整合實(shí)現多種特性肯定會(huì )充滿(mǎn)挑戰。要確保設計的高健碩性，就必須解決這些挑戰。我們將討論的常見(jiàn)挑戰包括：LED和電容式傳感器之間的串擾、驅動(dòng)強度功能、導致電容式感應子系統內部噪聲的LED負載瞬態(tài)以及避免方法。

●功耗優(yōu)化對于任何電子系統都非常重要。我們將討論需要LED效果的應用的低功耗設計考慮因素。

LED效果

高效的用戶(hù)界面設計需要在具備電容式觸摸按鍵情況下提供某種用戶(hù)反饋功能。當用戶(hù)按壓機械按鍵時(shí)，機械按鍵本身就具備觸覺(jué)反饋功能。然而電容式按鍵則不能提供這種觸覺(jué)反饋。因此，采用電容式觸摸按鍵的UI可以采用不同的反饋形式，包括視覺(jué)、音效、觸覺(jué)等。根據用戶(hù)界面設計，也可組合采用多種不同類(lèi)型的反饋。在這些反饋類(lèi)型中，用LED實(shí)現視覺(jué)反饋是一種常見(jiàn)的選擇。我們在此將介紹一些不同類(lèi)型的LED效果及其使用案例。

傳感器狀態(tài)驅動(dòng)的LED控制

為了改進(jìn)對用戶(hù)的視覺(jué)反饋或模仿機械開(kāi)關(guān)，LED可在固件中采取多種不同的控制方式。一些常見(jiàn)的方法包括：

1.LED開(kāi)關(guān)

這是最簡(jiǎn)單的LED效果類(lèi)型，通常用來(lái)顯示觸摸狀態(tài)。LED位于傳感器導體片背后作為背光。當有觸摸時(shí)，此LED點(diǎn)亮為按鍵提供照明，沒(méi)有觸摸時(shí)LED就關(guān)閉。該應用實(shí)例為Samsung Galaxy S4等Android手機的菜單或后退按鍵。

2.閃爍

電視機制造商通常為不同型號的電視提供標準的遙控器。遙控器上的某些按鍵可能不支持某些型號的電視機。在此情況下，如果觸摸的按鍵無(wú)效，可通過(guò)LED閃爍背光效果來(lái)發(fā)出提示，這是通過(guò)周期性開(kāi)關(guān)LED來(lái)實(shí)現的。

3.切換

設想一下，房間燈光用機械開(kāi)關(guān)控制。按下一次開(kāi)關(guān)，燈會(huì )打開(kāi)。只要開(kāi)關(guān)繼續保持這種狀態(tài)，燈就會(huì )一直開(kāi)著(zhù)。再按一次開(kāi)關(guān)，燈就會(huì )熄滅。切換特性類(lèi)似于這種機械切換開(kāi)關(guān)。當觸摸電容式按鍵時(shí)，相應的LED燈會(huì )點(diǎn)亮。即便用戶(hù)手指離開(kāi)按鍵，LED燈還會(huì )一直亮著(zhù)。如果用戶(hù)再次觸摸按鍵，LED燈就會(huì )關(guān)閉。也就是說(shuō)，在每個(gè)電容式傳感器狀態(tài)的上升沿，輸出狀態(tài)都會(huì )切換其狀態(tài)，具體如下圖所示。CS0反映傳感器狀態(tài)，而GPO0反映LED狀態(tài)。

圖1：LED切換

4.LED開(kāi)啟時(shí)間

通常對于電容式按鍵來(lái)說(shuō)，LED直接位于按鍵之下，從中心位置發(fā)光。用戶(hù)手指放在按鍵上，LED就會(huì )被隱藏起來(lái)。在此情況下，如果用戶(hù)手剛從按鍵上拿開(kāi)LED燈就馬上關(guān)閉，那么用戶(hù)可能難以確定按鍵操作到底成功沒(méi)有。為此，我們可以讓LED在觸摸結束后保持“開(kāi)啟”一小段時(shí)間，從而為用戶(hù)提供更好的視覺(jué)反饋。這種特性就叫LED開(kāi)啟時(shí)間，如圖2所示。

圖2：LED開(kāi)啟時(shí)間

高級LED效果

通過(guò)改變LED燈的亮度能夠實(shí)現許多高級效果。設想一下，一臺電視機的前面板可通過(guò)觸摸按鍵實(shí)現不同操作，包括調節音量等。下圖就是電視機面板的一個(gè)實(shí)例。

圖3：采用背光觸摸按鍵的電視前面板

面板為全黑色，表面光亮，匹配邊角設計和美學(xué)效果要求。為了讓用戶(hù)能在黑暗條件下方便控制，按鍵始終用低亮度LED點(diǎn)亮。如果觸摸到按鍵，LED亮度會(huì )提高。PWM是LED亮度控制應用中的關(guān)鍵技術(shù)。通過(guò)改變PWM輸出的占空比，我們能如圖4一樣調節LED亮度，從而讓用戶(hù)界面的亮度對應于按鍵狀態(tài)和環(huán)境光條件。事實(shí)上，改變亮度正是呼吸、淡入淡出等高級效果的基礎所在。我們將在第二部分介紹PWM的設計參數和多種不同實(shí)現方案。

圖4：LED亮度控制

1.LED淡入淡出

淡入淡出就是讓亮度逐級變化。低亮度變?yōu)楦吡炼冉械?，相反的就叫淡出。通過(guò)不同LED狀態(tài)之間的一系列小步驟逐漸改變占空比，我們能實(shí)現淡入淡出效果(見(jiàn)下圖)。

圖5：LED淡入淡出

2.LED呼吸

我們在本文開(kāi)始處通過(guò)筆記本電腦的電源鍵為例簡(jiǎn)單介紹了一下呼吸效應。持續地逐漸提升或逐漸下降兩級之間的占空比能讓LED形成“呼吸”的效果，如圖6所示。待機模式下電源按鍵支持呼吸效應能告訴用戶(hù)電源按鍵是活動(dòng)狀態(tài)并能進(jìn)行操作。

圖6：LED呼吸

一些廠(chǎng)商已經(jīng)推出了用單芯片實(shí)現上述高級LED效果和電容式感應的可配置型器件，比方說(shuō)賽普拉斯的CY8CMBR2110和CapSense MBR3.

我們在本部分中通過(guò)實(shí)際使用案例介紹了電容式感應型UI應用中所采用的不同LED照明技術(shù)。在第二部分中，我們將介紹實(shí)現PWM的不同方法。