使用電容和紅外線接近感應(yīng)開發(fā)新一代人機(jī)界面

簡介

預(yù)計(jì)2010年具有先進(jìn)人機(jī)界面的電子產(chǎn)品出貨量將超過十億。這些人機(jī)界面利用電容和紅外線接近感應(yīng)等技術(shù)使終端用戶體驗(yàn)顯著改善，同時增加了 系統(tǒng)可靠性、降低了總體成本。除了使產(chǎn)品更易使用、更具視覺吸引力之外，這些人機(jī)界面屏蔽掉了電子產(chǎn)品日益增長的復(fù)雜性，使得制造商能夠把具有先進(jìn)功能的 產(chǎn)品更快推向市場。

先進(jìn)傳感器人機(jī)界面比傳統(tǒng)的機(jī)械式界面更可靠，因?yàn)樗鼈儧]有與按鍵和轉(zhuǎn)盤相連的活動部件，這些部件隨著時間的推移更易失效?；趥鞲衅鞯目刂泼?板和顯示器也變得更加靈活，允許單套控制組件根據(jù)應(yīng)用程序環(huán)境重新配置，以便客戶在現(xiàn)有功能的基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)自己的應(yīng)用。手勢識別和“非接觸”技術(shù)相結(jié)合后， 開發(fā)人員可以使設(shè)備界面變得更加智能，預(yù)測用戶所需、創(chuàng)新使用模式，從而使產(chǎn)品更加友好、直觀易用。固件可以根據(jù)市場需求快速方便的靈活調(diào)整，從而無需完 全重新構(gòu)建系統(tǒng)或重新設(shè)計(jì)設(shè)備外觀。

新一代人機(jī)界面

新產(chǎn)品呼喚新人機(jī)界面的產(chǎn)生，從而使自己在市場中脫穎而出。通過使電子設(shè)備更了解其運(yùn)行環(huán)境，新功能增強(qiáng)了易用性、提高功效和降低系統(tǒng)成本。此外，其高靈敏度、低噪音，耐潮濕的特性，即使在最具挑戰(zhàn)性的環(huán)境中也能確保其可靠性。

驅(qū)動新一代人機(jī)界面開發(fā)的兩種主流技術(shù)是電容和接近感應(yīng)。電容感應(yīng)器通過感應(yīng)器件的電容值變化判斷使用者的手指的存在。它可實(shí)現(xiàn)高級控件，如滑 動條和滾輪，并且能更好的識別用戶過去常采用的物理反饋式近距離界面操作，如按下按鈕。接近感應(yīng)使用紅外線傳感器（利用紅外線反射技術(shù)）測量與物體間的距 離，最遠(yuǎn)可達(dá)1米。接近傳感器也可以辨認(rèn)空中物體，進(jìn)行“非接觸式”手勢跟蹤。

以上兩種技術(shù)相結(jié)合能夠?qū)τ脩艚缑孢M(jìn)行更好的調(diào)控。許多最終用戶已經(jīng)從一些消費(fèi)類產(chǎn)品使用中熟悉了電容感應(yīng)技術(shù)，最有代表性的是iPod和iPhone。到目前為止，接近感應(yīng)通常被用來進(jìn)行簡單的任務(wù)，如手機(jī)上的面頰檢測。然而，其應(yīng)用領(lǐng)域遠(yuǎn)非局限于此：

      用戶檢測：例如，接近感應(yīng)可以檢測到最終用戶當(dāng)前是否在電腦前，并能夠在用戶離開時關(guān)閉顯示器?？紤]到LCD背光非常耗電，因此即使是簡單的用戶檢測也能 為整個企業(yè)節(jié)省大量能耗。用戶檢測也可以用于USB充電器/驅(qū)動器等設(shè)備，以便設(shè)備可以做好被突然拔出的準(zhǔn)備。

      無指紋顯示：許多便攜式設(shè)備需要用戶觸摸屏幕上的按鈕，遺留的印跡即不利于識別，也很難清除。具有非接觸式界面的便攜式多媒體播放器使用戶在觀看視頻時無 需觸摸屏幕。類似的應(yīng)用包括：使用戶無需觸摸屏幕即可輕松實(shí)現(xiàn)電子書翻頁；允許醫(yī)生在手術(shù)中直接與觸摸屏系統(tǒng)交互，而無需觸摸電子屏幕。

      自動背光控制：接近感應(yīng)信號通道一部分利用環(huán)境光傳感器（ALS）消除外部光源帶來的噪聲。同樣的傳感器也能夠用于監(jiān)視背景照明條件，自動調(diào)整顯示器背光以減少能量消耗。

      隱形入侵檢測：可反射射向系統(tǒng)內(nèi)門表面的紅外光，開發(fā)人員可以實(shí)施“隱形”入侵檢測機(jī)制，避免具有相同功能的機(jī)械開關(guān)的不可靠性和損耗。

      健康和安全考慮：多媒體信息站(kiosk)、檢驗(yàn)臺和其他公共計(jì)算機(jī)存在通過鍵盤和屏幕傳播疾病的風(fēng)險(xiǎn)。例如，在中國的一些地區(qū)，法律規(guī)定電梯控制面板 每小時消毒一次，以防止SARS的蔓延。非接觸式面板避免和減輕了這些公共健康所帶來的問題。

移除界面控制

嵌入式設(shè)計(jì)中的一個趨勢是從主應(yīng)用處理器中去除用戶界面管理，將其分配給專用的8位微控制器（MCU）。對于應(yīng)用處理器來說，觸摸是一個相對較慢的動作，使用整個系統(tǒng)去檢測用戶是否移動手指比使用專用8位MCU實(shí)現(xiàn)相同功能所消耗的能量要多得多。

電容式觸摸感應(yīng)MCU，如Silicon Labs的F99x系列產(chǎn)品非常適合用于管理新一代用戶界面。通過為任務(wù)提供高達(dá)25 MHz的運(yùn)行性能以及最優(yōu)化的外設(shè)，F(xiàn)99x MCU提供智能和精確感應(yīng)所需的處理和輸入能力。與Si11xx接近感應(yīng)系列產(chǎn)品相結(jié)合，開發(fā)者可在單一開發(fā)環(huán)境中實(shí)現(xiàn)高效人機(jī)界面。

F99x MCU的電容感應(yīng)性能通過硬件實(shí)現(xiàn)的電容數(shù)字轉(zhuǎn)換器（CDC）得到進(jìn)一步增強(qiáng)。Silicon Labs的CDC包含兩路電流輸入（數(shù)字模擬轉(zhuǎn)換器或DAC）。第一路為可變DAC，用于測量到外部感應(yīng)電容的電流；第二路是恒定電流源，用于內(nèi)部參考電 容（見圖1）。電容測量使用逐次逼近方式（SAR），該高效處理過程消除了直流（DC）偏移帶來的影響，且無需外部組件。

圖1：硬件實(shí)現(xiàn)的CDC提供高性能、16位精度、高可靠性和DC偏移抑制—無需外部組件

F99x MCU的16位CDC具有高可靠性和準(zhǔn)確性。通過執(zhí)行兩階段外部電容放電，CDC能夠消除放電過程中傳入的環(huán)境噪聲。相比之下，其他方法需要額外的外部元件（例如串聯(lián)電阻等）和一個以上I/O/每通道（因而增加了MCU尺寸和布線難度）。

CDC的動態(tài)范圍通過使用可調(diào)增益得到進(jìn)一步提升。同時，動態(tài)范圍也通過以下方式得到增強(qiáng)：減少源電流以改變充電時間；當(dāng)源電流和串聯(lián)阻抗都很 高時（例如當(dāng)使用觸摸面板或ESD保護(hù)電容按盤時）更直接反映電容傳感器電壓。更高靈敏度為開發(fā)人員提供更大的信號冗余度，允許他們使用較厚的塑料、更小 的電極，即使在嘈雜環(huán)境中仍能確保操作可靠性。 CDC也可使用引腳監(jiān)視功能動態(tài)調(diào)整轉(zhuǎn)換時間，消除附近引腳上高電流開關(guān)轉(zhuǎn)換所帶來的干擾?？傊?，CDC具有極好的信噪比（SNR），在典型的電容感應(yīng)實(shí) 現(xiàn)中SNR為50-100。

無與倫比的系統(tǒng)響應(yīng)性

接近傳感采用了紅外線感應(yīng)器和一個或更多的紅外發(fā)光二極管（LED）。其基本工作原理是通過照亮物體，然后測量反射光的強(qiáng)度。所需LED的數(shù)量 取決于應(yīng)用以及是否需要三維信息。例如，紙巾分配傳感器，只需要一個LED來檢測是否有人站在分配器前。為了檢測左/右或上/下的手勢，需要兩個LED。 為了支持三維導(dǎo)航，需要三個LED。在每一種情況下，只需一個物理傳感器。然而，每個附加的傳感器增加了識別來自每個LED信號強(qiáng)度的所需處理，并且可利 用三角定位方法判斷被檢測對象的位置。

處理也需要過濾接收信號中的噪聲（即背景光）。處理器或嵌入式控制器越強(qiáng)大，所能獲得的采樣值就越多，過濾效果也就越好。增加采樣率提高了系統(tǒng)的分辨率，同時更好的過濾也提高了準(zhǔn)確性?？焖俨蓸雍透呔冗^濾需要一個穩(wěn)健的接口，開發(fā)人員必須權(quán)衡每一種方法來優(yōu)化其應(yīng)用。

通常情況下，與低靈敏度光電二極管相關(guān)的是擴(kuò)展采集時間，允許光源（例如熒光燈）閃爍降低精度。Silicon Labs高靈敏度的光電二極管技術(shù) — 10余年來已在行業(yè)得到驗(yàn)證 — 具有良好的抗電磁干擾（EMI）和抗閃爍特性，且能可靠檢測高達(dá)50厘米遠(yuǎn)的物體，而無需使用外部鏡頭或過濾器?；诜€(wěn)健的光電二極管技術(shù)，Si11xx 傳感器系列產(chǎn)品可以選擇集成環(huán)境光傳感器。

接近感應(yīng)子系統(tǒng)的功耗主要是紅外線發(fā)光二極管（LED）。Silicon Labs的QuickSense™開發(fā)環(huán)境可協(xié)助開發(fā)者定義配置參數(shù)，優(yōu)化精度、檢測范圍和功耗。例如，高級控制能力允許開發(fā)人員為特定應(yīng)用和檢測范圍動 態(tài)調(diào)整LED電流。對于超低功耗操作，開發(fā)者能夠使用創(chuàng)新的單脈沖接近感應(yīng)最小化LED打開時間，可以使功耗效率最大提高4000倍，如圖2所示。

圖2：QuickSense MCU具有創(chuàng)新的單脈沖接近傳感，最小化LED打開時間，

功耗效率最大提高4000倍

降低系統(tǒng)功耗

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現(xiàn)在，人們對綠色、節(jié)能型電器日益關(guān)注。不僅是便攜式電器，所有電器設(shè)備都開始考慮將節(jié)能環(huán)保理念應(yīng)用于設(shè)計(jì)中。高效低功耗策略之一是最小化 CPU運(yùn)行時間，最大化系統(tǒng)內(nèi)盡可能多組件的休眠時間。通過采用下列機(jī)制，Silicon Labs降低了電容觸摸感應(yīng)MCU的整體系統(tǒng)功耗 ：

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

        自治式自動掃描：僅掃描和轉(zhuǎn)換活動通道，而不是所有電容感應(yīng)通道。

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

        集成LDO調(diào)節(jié)器：F99x MCU所集成的LDO電壓調(diào)節(jié)器提供線性響應(yīng)，同時維持所有電壓下的恒定、超低有效電流。此外，F(xiàn)99x具備特殊電路，在LDO調(diào)節(jié)器處于睡眠模式下時，可以保持RAM內(nèi)容。

        靈活的工作電壓：對于許多MCU而言，當(dāng)工作電壓降低時CPU也必須在較低頻率下運(yùn)行。因此增加運(yùn)行時間和功耗。如果使用AA/AAA電池，即使MCU可 在最低2.2V下工作，也會浪費(fèi)掉20%的電池壽命。由于在25MHz全功能運(yùn)行條件下工作電壓可降到1.8V ，F(xiàn)99x可在不同應(yīng)用下實(shí)現(xiàn)最大化的電池壽命。

大多數(shù)MCU旨在優(yōu)化運(yùn)行或休眠時的功率效率。F99x架構(gòu)在運(yùn)行和休眠兩種模式下都具有業(yè)內(nèi)最低功率（見表1）。內(nèi)部電源管理單元（PMU）限制了漏電，使運(yùn)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(yùn)行時，通過采用內(nèi)部升壓轉(zhuǎn)換器，C8051F99x MCU獲得更大平均功率效率。

表1：F99x運(yùn)行和休眠模式功耗

快速觸摸喚醒

降低功耗的一個重要方法是關(guān)閉不再使用的設(shè)備顯示屏和控制界面，并使整個系統(tǒng)處于休眠模式。界面設(shè)計(jì)的一個關(guān)鍵因素是系統(tǒng)在休眠和運(yùn)行模式之間 轉(zhuǎn)換 時系統(tǒng)如何對用戶響應(yīng)，即如何更快被喚醒。在電容式感應(yīng)系統(tǒng)中，系統(tǒng)處于休眠狀態(tài)時，沒有背光為用戶指示電容按鈕或滑動條的功能。因此，第一次按鍵僅用于 喚醒系統(tǒng)

采用接近傳感技術(shù)，系統(tǒng)可以檢測最遠(yuǎn)位于1米的用戶。這使得用戶在接近或到達(dá)設(shè)備時，接近傳感器能夠喚醒系統(tǒng)，并在用戶準(zhǔn)備按鍵時使顯示器準(zhǔn)備 就緒。在實(shí)際應(yīng)用中，這改變了用戶與設(shè)備進(jìn)行交互的方式，使得系統(tǒng)更加智能和友好。例如，汽車音響或機(jī)頂盒等設(shè)備能夠在不使用時關(guān)閉控制面板，而當(dāng)用戶靠 近時完全打開。

喚醒時間是指確認(rèn)喚醒與執(zhí)行首條指令之間的時間間隔。喚醒時間取決于許多因素，包括調(diào)節(jié)器穩(wěn)定性和模擬設(shè)備建立時間。在讀取電容或接近傳感器 時，CPU首先要執(zhí)行的是模擬測量。如果模擬外圍設(shè)備還未準(zhǔn)備就緒，則會延長有效喚醒時間。喚醒時間不僅影響系統(tǒng)響應(yīng)，也影響功效。在喚醒期間，MCU不 工作但仍然耗電。因此，縮短喚醒時間可以降低CPU喚醒過程中的功耗。

評估喚醒時間比較復(fù)雜，不同供應(yīng)商采用不同的標(biāo)準(zhǔn)測量喚醒時間。有些MCU喚醒會觸發(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，喚醒時間是指從喚醒事件開始時到MCLK在適合的引腳上有效時，或到中斷向量被取指令時。為了在首條代碼指令執(zhí)行前獲得相同喚醒時間，開發(fā)人 員必須添加幾個µs/CPU周期到測量中。

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

除了快速響應(yīng)，F(xiàn)99x MCU具有市場上業(yè)內(nèi)最低功耗的電容式觸摸感應(yīng)。它們具有在工作電壓范圍1.8-3.6V內(nèi)150uA/MHz的出色性能，以及不到1uA的業(yè)內(nèi)最低功耗 觸摸喚醒電流。14個CDC通道具有超快速的40us獲取時間、16位精度和內(nèi)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(dāng)前可用的最快最靈敏的電容數(shù)字轉(zhuǎn)換器，而其他有相同靈敏度的產(chǎn)品需要超過1000倍長的采樣時間。為了實(shí)現(xiàn)更高的感應(yīng)可靠性，高度可編 程F99x MCU可使開發(fā)人員能夠動態(tài)調(diào)整活動和非活動門限，以適應(yīng)環(huán)境因素的變化（見圖3）。

圖3：為了實(shí)現(xiàn)更高感應(yīng)可靠性，

開發(fā)者可以動態(tài)調(diào)整活動和非活動門限以適應(yīng)環(huán)境因素的變化

Silicon Labs的QuickSense產(chǎn)品組合包括多種的感應(yīng)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(yīng)用提供高級的電容感應(yīng)、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，開發(fā)人員能夠選擇業(yè)內(nèi)領(lǐng)先的Si1102紅外 線接近傳感器或者Si1120紅外線接近感應(yīng)和環(huán)境光傳感器。兩款器件都支持節(jié)能、單脈沖技術(shù)和非接觸式手勢識別。 Silicon Labs的紅外線接近傳感器是市場上感應(yīng)速度最快的感應(yīng)器件，提供最長的感應(yīng)距離，且不會降低功效。

高級開發(fā)環(huán)境

隨著嵌入式應(yīng)用變得日益復(fù)雜，設(shè)計(jì)一個健壯的應(yīng)用不僅需要經(jīng)過驗(yàn)證的硬件，也需要產(chǎn)品化的軟件和一流的開發(fā)工具。為了幫助開發(fā) 者，Silicon Labs提供QuickSense Studio開發(fā)套件，它結(jié)合了硬件、軟件和開發(fā)工具，使得開發(fā)人員能夠快速、輕松的把電容和接近感應(yīng)應(yīng)用到項(xiàng)目中。

從應(yīng)用的角度來看，電容和接近傳感器可以被看作系統(tǒng)的簡單輸入。通過API對它們的實(shí)現(xiàn)進(jìn)行抽象處理，開發(fā)人員可以訪問用戶的交互信息，而不考 慮它們的來源。觸摸或手勢可以很容易地映射到特定的功能活動，從而大大簡化了應(yīng)用程序和界面的開發(fā)。易于使用的、基于圖形用戶接口（GUI）的 QuickSense配置向?qū)В–onfiguration Wizard）通過生成所需的應(yīng)用程序配置代碼和固件驅(qū)動程序加速了開發(fā)進(jìn)程，開發(fā)人員無需理解或編寫用于監(jiān)視傳感器的MCU外設(shè)的底層代碼。業(yè)界驗(yàn)證的 固件控制不同的電容感應(yīng)接口選項(xiàng) — 包括觸摸按鍵、滑動條和滾輪 — 和電容接近傳感器。開發(fā)人員可以完全控制重要的感應(yīng)特性，如靈敏度、操作門限、響應(yīng)速度和代碼大小。

QuickSense Studio開發(fā)套件也能自動校準(zhǔn)傳感器，提供完整的調(diào)試和性能分析能力，確保產(chǎn)品設(shè)計(jì)響應(yīng)快速、穩(wěn)定可靠。例如，即使有相同尺寸和形狀的開關(guān)，若考慮到 與其他導(dǎo)電元件的遠(yuǎn)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）上的位置也會影響其活動和非活動狀態(tài)的電容量。在開發(fā)和產(chǎn)品化期間， 每個開關(guān)都需要校準(zhǔn)，并寫入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(dǎo)致錯誤的感應(yīng)事件。 QuickSense Studio開發(fā)套件通過定期重新配置這些環(huán)境因素，以適應(yīng)它們的動態(tài)特性。

QuickSense Studio開發(fā)套件是市場上唯一同時支持電容和接近感應(yīng)的開發(fā)工具，使開發(fā)人員能夠使用單一開發(fā)環(huán)境設(shè)計(jì)完整的用戶界面。除了配置向?qū)е?，QuickSense Studio開發(fā)套件也通過以下特性加速產(chǎn)品設(shè)計(jì)：

       紅外線接近感應(yīng)

       環(huán)境光感應(yīng)

       電容按鍵和滑動條

       電容式接近感應(yīng)

       復(fù)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發(fā)工具套件，協(xié)助開發(fā)人員把電容和接近感應(yīng)集成到他們的應(yīng)用中。這些資源包括完整的無線開發(fā)套件（WDS）、電池壽命評估器、示例代碼和全面的應(yīng)用筆記。

 小結(jié)

 有效的人機(jī)界面需要審美學(xué)與創(chuàng)新型電子設(shè)備交互方式相結(jié)合。在對系統(tǒng)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(zhuǎn)向新一代電容 和接近感應(yīng)界面，提供更易使用、更直觀的用戶體驗(yàn)。通過采用具有電容和接近感應(yīng)能力的器件，如C8051F99x電容式觸摸感應(yīng)MCU和Si1120接近 傳感器，開發(fā)者能夠快速將新一代手勢和非接觸式界面應(yīng)用到任意系統(tǒng)，方便的使用業(yè)界成熟的硬件和固件。