如何設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)可延長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)?。姵兀勖?。盡管在過去幾年中設(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) - 最常見的用戶投訴仍然是設(shè)備永遠(yuǎn)不會持續(xù)足夠長的時間而不需要充電。

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：透明和不透明。我們在平板電腦和手機(jī)上熟悉的透明技術(shù)位于LCD屏幕之上，通?；谀M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觸摸拉伸。

對于模擬電阻傳感器，由氧化銦錫等材料制成的導(dǎo)電層在受到壓力接觸時會改變電阻。通過測量每個軸的電壓，確定一個位置（見圖1）。由于彈性退化問題，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，并且隨著時間的推移，磨損會改變材料特性。

電容式傳感器類似地測量位置，但是通過使用相鄰的電極?？梢愿袦y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墊一樣簡單，但對于滑塊和環(huán)，一系列銅表面用于通過這些元件之間的電容測量來檢測位置。

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)高級用戶界面，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實(shí)現(xiàn)不會從顯示區(qū)域帶走的硬接線觸摸區(qū)。

低能耗架構(gòu)

無論采用何種技術(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來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)電容通過保護(hù)涂層改變定時器或振蕩器的時間常數(shù)。因此，必須使用門控計(jì)數(shù)器來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)需要一個穩(wěn)定的電流源為感應(yīng)電容充電，一個模擬多路復(fù)用器將相應(yīng)的元件路由到ADC或模擬比較器，定時器或計(jì)數(shù)器，以及對電容器放電的能力。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專用的觸摸屏控制器。《 br》換句話說，如果一個高效，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。例如，CY8C20xx6A系列具有多達(dá)33個CapSense®I/O和6個帶本機(jī)I²C，SPI和USB的滑條?？梢哉{(diào)整滑動傳感器靈敏度，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^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

對于某些要求苛刻的設(shè)計(jì)，需要更多的處理能力，同時減少能源消耗。這里有一個不同的思考過程。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系列有五個功能，可以降低功耗，而不僅僅是幾個低功耗模式。

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)（參見圖3）允許建立基于狀態(tài)機(jī)的交互，因此可以在沒有微芯片喚醒的情況下進(jìn)行整個事件序列的處理。

例如，在能量模式2中，LCD，實(shí)時時鐘，脈沖計(jì)數(shù)器，看門狗定時器，UART，I2C和模擬比較器都可以主動運(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外設(shè)連接到另一個外設(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，并在CPU休眠時立即做出反應(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。通過將定時器功能移至能量模式2，該器件可以通過比較器執(zhí)行門控計(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個電容傳感器輸入提供數(shù)組（參見圖4）。用戶可調(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時進(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。

比較器輸出驅(qū)動內(nèi)部開關(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）靠近焊盤時會發(fā)生頻率降低，這會使數(shù)字閾值檢測器跳閘并喚醒內(nèi)核（見圖5）。

圖5：張弛振蕩器通過設(shè)置電容波形的電壓閾值來形成。

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。電容只是一個因素;實(shí)際上有五個因素會影響振蕩。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之間的放電時間與充電時間相同，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間范圍內(nèi)會發(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。

另一個需要考慮的因素是大型PCB傳感器對手等較大物體更敏感。您可以通過移除接地層來提高靈敏度，但您會對EMI和噪聲更敏感。中間路線的方法是在傳感器和周圍的地平面之間留出空間，因此場線指向用戶。

將其用于測試

幸運(yùn)的是，有一個開發(fā)板來自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入門套件是USB可編程ARM Cortex-M3（EFM32TG840F32）演示和開發(fā)套件。它包含一個能量監(jiān)視器，用于測量和驗(yàn)證USB或電池模式下的低功耗操作。

除了直接驅(qū)動的8x20段LCD，按鈕和用戶LED外，Tiny Gecko入門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，金屬感應(yīng)傳感器，也可以在微控制器處于睡眠狀態(tài)時運(yùn)行。

從哪里開始

現(xiàn)有多種OEM解決方案可滿足許多觸摸系統(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法滿足手持設(shè)備用戶的需求。